Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súng

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súngĐồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súng

TỔNG QUAN

Giới thiệu về CNC

Gia công CNC là phương pháp gia công cơ khí sử dụng các máy móc hiện đại ứng dụng công nghệ CNC (computer numerical control) nhằm đảm bảo độ chính xác cao Phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất nhờ vào tốc độ làm việc nhanh chóng và chính xác tuyệt đối Công nghệ gia công CNC phù hợp với các yêu cầu sản phẩm có độ phức tạp cao, đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối trong từng chi tiết Gia công CNC đã trở thành giải pháp tối ưu cho các ngành công nghiệp yêu cầu năng suất lớn và chất lượng sản phẩm đảm bảo.

CNC (máy điều khiển số bằng máy tính) sử dụng phần mềm lập trình theo tiêu chuẩn EIA-274-D, hay còn gọi là mã G, để điều khiển các máy gia công kim loại chính xác Công nghệ CNC bắt nguồn từ cuối thập niên 1940 và đầu thập niên 1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của Viện Công nghệ Massachusetts, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong ngành gia công kim loại.

Trong gia công CNC, các máy móc loại bỏ vật liệu từ một khối rắn để tạo ra các chi tiết chính xác dựa trên mô hình CAD Công nghệ CNC đảm bảo sản xuất các bộ phận với độ chính xác cao, tính chất vật liệu tốt và độ lặp lại chính xác, giúp tối ưu chi phí, phù hợp cho các đơn hàng từ thấp đến trung bình (tối đa 1000 chi tiết).

Các phương pháp gia công CNC phù hợp với từng loại sản phẩm gồm có phay, tiện, khoan, mài, cắt bánh răng, bào, chuốt, cưa, plasma và laser, giúp đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao trong quá trình gia công.

1.1.2 Vật liệu gia công CNC

Có rất nhiều vật liệu dùng để gia công CNC, trong đó có 4 loại vật liệu chính là kim loại, hơp kim, nhựa và gỗ

Kim loại thường như sắt, nhôm được sử dụng phổ biến để tạo ra các chi tiết máy và linh kiện xe, đáp ứng nhu cầu trong ngành công nghiệp chế tạo Trong khi đó, kim loại màu như đồng, nhôm chì, kẽm, thiếc thường được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng, dân dụng và thiết kế, mang lại những sản phẩm chất lượng cao và đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Inox, còn gọi là thép không gỉ, là hợp kim của sắt chứa ít nhất 10,5% crom, góp phần tạo nên khả năng chống ăn mòn vượt trội Đây là một trong những vật liệu hợp kim được sử dụng rộng rãi trong gia công cơ khí nhờ tính bền bỉ và độ chống oxi hóa cao Inox phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp và đời sống, đảm bảo độ bền và thẩm mỹ lâu dài.

Thép có độ bền cao và độ cứng tốt, đảm bảo độ bền lâu dài cho các công trình xây dựng Khi được phủ lớp mạ kẽm, thép có khả năng chống ăn mòn vượt trội, phù hợp sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Thép dễ dàng gia công bằng các phương pháp cắt CNC như máy Oxy-Gas hoặc máy Plasma CNC, giúp tạo ra các chi tiết chính xác, phù hợp với yêu cầu của công trình.

Gang là hợp kim của sắt và cacbon, nổi bật với đặc tính chịu lực tốt và dễ dàng điền đặc khuôn Nhờ những đặc điểm này, gang thường được sử dụng trong sản xuất các chi tiết máy như bánh răng, bánh đà, trục cán và các linh kiện chịu lực khác Quá trình gia công chi tiết từ gang giúp tạo ra các bộ phận có độ bền cao, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp.

Hợp kim của nhôm có thể cắt bằng máy Plasma CNC, máy Laser CNC… để tạo ra nhiều sản phẩm ứng dụng cho cuộc sống

Hợp kim của đồng như đồng thau, đồng đen, đồng đỏ… dễ dàng dát mỏng, cắt và uốn lượn để tạo kiểu

Các mẫu vật liệu nhựa composite, bao gồm composite cốt hạt và composite cốt sợi, có khả năng gia công chính xác nhằm tạo thành vỏ tàu biển, chế tạo các chi tiết máy và tuabin Những vật liệu này đề cao tính linh hoạt và độ bền, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao trong ngành hàng hải và công nghiệp chế tạo máy móc Các ứng dụng của composite giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm trọng lượng và tăng khả năng chịu lực của các bộ phận, góp phần tối ưu hóa hiệu suất vận hành.

Các loại vật liệu gỗ phù hợp để gia công bằng máy CNC nhờ đặc tính nhẹ, chắc chắn và khả năng chịu lực tốt Quá trình gia công bằng CNC giúp tạo ra thành phẩm đẹp mắt với đường cắt mịn, đảm bảo độ chính xác cao và độ tinh xảo của sản phẩm cuối cùng.

1.1.3 Phương pháp gia công CNC

Phay CNC là kỹ thuật gia công phổ biến nhất trong lĩnh vực máy CNC, sử dụng dao cắt quay để cắt gọt vật liệu chính xác và hiệu quả Quá trình phay CNC giúp tạo hình các chi tiết kim loại đa dạng, nhờ vào sự kết hợp của hai chuyển động chính: dao phay quay tròn và chuyển động tịnh tiến theo 3 phương Công nghệ này mang lại khả năng gia công chính xác, tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất sản xuất.

Có các loại máy phay CNC 2 trục đến 5 trục

Máy phay CNC có khả năng gia công đa dạng nguyên vật liệu như sắt, thép, inox, nhôm và titan, đáp ứng nhu cầu chế tạo linh kiện chính xác cao Thiết bị này chuyên cắt gọt các mặt phẳng phức tạp, bề mặt cong và các bộ phận vỏ như ổ đĩa, khuôn mẫu, thanh nối, lưỡi cắt và vỏ máy Nhờ công nghệ tiên tiến, máy phay CNC giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm trong ngành gia công kim loại.

Máy tiện CNC là thiết bị quan trọng trong gia công cơ khí, được sử dụng để xử lý các bề mặt quay phức tạp như hyperboloid, xi lanh tuyến tính, xi lanh nghiêng và các hình dạng khác nhau Công cụ này cho phép tạo ra đa dạng sản phẩm từ các chi tiết đơn giản đến phức tạp, bao gồm các bộ phận máy móc, hình khối, cắt bánh răng, vát cạnh và làm mòn góc, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong gia công.

1.1.3.3 Gia công khoan CNC Đây là quá trình gia công sử dụng lưỡi khoan để khoan lỗ trên bề mặt kim loại, vật liệu Mũi khoan có độ chính xác cao, thực hiện liên tục và giảm thời gian thi công Mũi khoan có độ sâu khác nhau theo các chương trình được thiết kế sẵn

Công nghệ khoan CNC với độ chính xác cao được sử dụng để tạo ra các lỗ trên bề mặt khối sản phẩm theo đúng yêu cầu sản xuất [4]

Công nghệ CNC được sử dụng để mài phẳng bề mặt các loại vật liệu, đặc biệt là các vật liệu có độ cứng cao như thép cứng, hợp kim cứng hoặc vật liệu giòn như thủy tinh, đá granite Quá trình này giúp làm nhẵn mịn, mài mòn và loại bỏ các chất thừa bám trên bề mặt, từ đó đánh bóng để tạo ra các bề mặt đẹp mắt và chất lượng cao.

1.1.3.5 Gia công cắt bánh răng CNC

Giới thiệu về thiết kế sinh học

Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là quá trình mô phỏng các hình thức hoặc hệ thống sinh học tự nhiên để phát triển giải pháp kỹ thuật ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có kiến trúc và khoa học Phỏng Sinh học có tiềm năng lớn nhờ vào sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và đa dạng các tính năng tự nhiên, mở ra cơ hội phát triển các công nghệ tiên tiến như tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp và khai thác năng lượng mặt trời Thuật ngữ này ban đầu được các nhà vật lý sinh học Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt đặt ra vào những năm 1950 khi nghiên cứu dây thần kinh mực ống để tái tạo hệ thống truyền thần kinh sinh học Tuy nhiên, ví dụ rõ nét về Phỏng Sinh học bắt đầu xuất hiện từ năm 1982 Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” được phổ biến rộng rãi nhờ công trình của nhà khoa học Janine Benyus trong cuốn sách “Biomimicry: Innovation Inspired by Nature”.

Chúng ta không cần quan tâm đến các thiết kế ứng dụng phức tạp dựa trên cơ chế sinh học, mà chỉ cần tập trung vào hình dáng của sinh vật, vì đây đã trở thành nguồn cảm hứng lớn trong thiết kế Nhiều mẫu thiết kế sáng tạo đã được phát triển dựa trên hình dáng tự nhiên của các sinh vật khác nhau.

1.2.1 Giới thiệu cây bông súng

Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng

Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp

Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)

Cây Bông Súng có nguồn gốc từ tiểu lục địa Ấn Độ và đã lan rộng sang nhiều quốc gia châu Á từ thời cổ đại Với giá trị cảnh quan nổi bật, cây thường được sử dụng để trang trí các ao, hồ và vườn hoa tại Thái Lan và Myanmar.

Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền

Lá Hoa Súng là loại lá đơn mọc cách, hình tròn hoặc xoan, bìa có răng cưa thưa và mặt dưới không lông, có màu lam hoặc tím đậm, trong khi mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng Lá cây Hoa Súng thường xẻ thùy sâu hoặc có dạng hình tròn, với gân to, tròn, nổi rõ ở mặt dưới của lá Thân của cây bông súng có hình dạng tròn với các ống nhỏ chạy dọc theo chiều dài của thân, giúp cây dễ dàng thích nghi với môi trường sống.

1.2.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo

Hình 1.2: Ghế Bướm thiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award

Hình 1.3: Đền hoa sen Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) - New Delhi, Ấn Độ [7]

Cá hộp có thiết kế bên ngoài cồng kềnh nhưng lại có khả năng chống lực cản dòng chảy rất thấp với hệ số cản chỉ 0,06, giúp chúng di chuyển dễ dàng trong nước Trong khi đó, chim cánh cụt, mặc dù là động vật bơi lội điển hình, lại có hệ số cản cao hơn nhiều, khoảng 0,19, phản ánh sự khác biệt rõ rệt trong cấu trúc cơ thể giúp chúng giảm thiểu lực cản khi di chuyển trong nước.

Năm 2005, Mercedes-Benz đã ra mắt xe Bionic, lấy cảm hứng từ cấu trúc tối ưu và khối lượng nhẹ của cá hộp Xe Bionic nổi bật với khả năng giảm lực cản, độ cứng cao, trọng lượng nhẹ và tiết kiệm nhiên liệu đáng kể so với các xe truyền thống.

Trong thiết kế công nghiệp, không phải tất cả các hình dạng trong tự nhiên đều phù hợp hoặc hiệu quả khi áp dụng vào thực tế, dù chúng trông hoàn hảo Ví dụ, sự thiếu vắng các phương tiện ôtô hình dáng bionic trên đường có thể phản ánh thực tế này Nghiên cứu năm 2015 cho thấy hình dạng của cá nắp hòm không giảm lực cản, thậm chí còn làm cho chúng không ổn định hơn, cho thấy rằng sự tối ưu của thiết kế tự nhiên không phải lúc nào cũng phù hợp để áp dụng trong công nghiệp.

Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm [7]

Hình 1.5:Chim bói cá và tàu Shinkansen [7]

Nhật Bản nổi tiếng với tốc độ và hiệu quả của các chuyến tàu cao tốc Tuy nhiên, với tốc độ vượt quá 300 km/h, tàu cao tốc gây ra hiện tượng tiếng nổ lớn mỗi khi thoát ra khỏi đường hầm do thay đổi áp suất không khí Ô nhiễm tiếng ồn này làm phiền nhiều cư dân địa phương và tạo áp lực lên các kỹ sư trong việc tìm giải pháp giảm thiểu tiếng ồn hiệu quả.

Họ đã lấy cảm hứng từ chim bói cá, loài chim xuất sắc trong việc di chuyển giữa môi trường nước và không khí với ít nước bắn ra Tương tự như chim bói cá, tàu cao tốc Shinkansen được thiết kế với mũi dài hình mỏ, giúp giảm tiếng ồn đáng kể và tiết kiệm năng lượng hơn 15%, đồng thời tăng tốc độ hơn 10% so với các phiên bản trước.

Một trong những ví dụ sớm nhất về thiết kế sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để phát triển công nghệ máy bay Mặc dù ban đầu chưa thành công trong việc tạo ra một chiếc máy bay hoàn chỉnh, nhưng việc phân tích cách chim bay đã góp phần quan trọng trong quá trình cải tiến thiết kế máy bay hiện đại Thiết kế sinh học dựa trên các nguyên tắc tự nhiên giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng bay của các thiết bị hàng không Các khám phá này không chỉ mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp hàng không mà còn thúc đẩy sự phát triển của các kỹ thuật sinh học và công nghệ sinh học.

Leonardo da Vinci (1452-1519) đã ghi dấu ấn quan trọng trong lịch sử hàng không khi ông nghiên cứu giải phẫu chim và phác thảo dựa trên những quan sát của mình để hình thành ý tưởng về "máy bay" Những nghiên cứu này góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ phi cơ trong tương lai, mở đường cho các phi công và nhà sáng chế như anh em nhà Wright thực hiện các chuyến bay đầu tiên trong lịch sử.

Khóa dán Velcro là một phát minh nổi tiếng trong thiết kế sinh học, gồm hai dải sợi nilon nhám và trơn dính chặt khi ép lại, và thường được nhắc đến trong các chủ đề về sáng tạo kỹ thuật Được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral năm 1941 sau chuyến đi săn ở vùng Alps, ông nhận ra cách những quả gai trên lông chó dính chặt vào nhau sau khi nhổ bỏ chúng Từ cảm hứng này, khóa Velcro trở thành một trong những sáng chế mang tính đột phá, ứng dụng rộng rãi từ quần áo đến các thiết bị thể thao Thật tình cờ, vào năm 1903, thành công trong chế tạo tàu lượn cũng lấy cảm hứng từ quan sát những chú chim bồ câu bay, thể hiện rõ mối liên hệ giữa thiên nhiên và sáng tạo kỹ thuật.

Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [7]

Hình 1.7: Khóa dán (khóa velcro) [7]

Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi

Dự án BioArch do nhóm các kiến trúc sư Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin Mohamadi từ Viện Nghệ thuật Isfahan, Iran thiết kế, lấy cảm hứng từ các chiến lược sinh học của vỏ ốc sa mạc để tối ưu hóa khả năng chống lại tác động của ánh sáng mặt trời mạnh mẽ trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt của sa mạc Iran, nơi nhiệt độ trung bình ban ngày là 43 độ C và có thể lên đến 65 độ C Các bề mặt cong của tòa nhà được tối ưu hóa để giảm thiểu bức xạ mặt trời, chia thành nhiều lớp nhằm tạo ra các khu vực đệm và thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng, giúp kiểm soát nhiệt độ hiệu quả Giải pháp này không chỉ giảm nhiệt mà còn cung cấp độ ẩm tự nhiên và hệ thống thông gió tự nhiên, góp phần làm mát và tăng cường khả năng chống chịu của tòa nhà trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh

Môi chất mang nhiệt hoặc lạnh, còn gọi là chất truyền nhiệt, là các chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn chất gia công nhằm mục đích nung nóng hoặc làm nguội chất gia công một cách hiệu quả Chúng đóng vai trò quan trọng trong các quá trình gia công, giúp kiểm soát nhiệt độ và nâng cao năng suất sản xuất Việc sử dụng đúng loại môi chất phù hợp đảm bảo quá trình gia công diễn ra an toàn, chính xác và tối ưu.

Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng Các chất này có nhiệt độ khác nhau [9]

12 Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết bị, người ta quy ước:

- Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ1

- Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ2

- Dùng dấu “′” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ1 ′ ; ϕ2 ′

- Dùng dấu “″” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ1 ″ ; ϕ2 ″ Ví dụ: Cl1, t1 ', t1 '', Cl2, t2 ', t2 ''

1.3.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN

TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp) là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất tiếp xúc trực tiếp với nhau, thực hiện đồng thời quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, hình thành một hỗn hợp đồng nhất Ví dụ điển hình là bình gia nhiệt nước bằng cách sục một dòng hơi vào trong, giúp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt và trao đổi nhiệt giữa hai chất.

TBTĐN hồi nhiệt là loại thiết bị trao đổi nhiệt quay, trong đó một mặt tiếp xúc với chất lỏng nhận nhiệt còn mặt kia toả nhiệt, giúp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt của TBTĐN không ổn định và có sự dao động nhiệt trong mặt trao đổi, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của thiết bị Ví dụ điển hình của TBTĐN hồi nhiệt là bộ sấy không khí quay trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

TBTĐN vách ngăn là loại truyền nhiệt có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh, đảm bảo độ kín tuyệt đối để giữ cho chất gia công được tinh khiết, vệ sinh và an toàn Nhờ tính chất này, TBTĐN vách ngăn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ yêu cầu độ sạch và an toàn cao.

TBTĐN kiểu ống nhiệt là loại thiết bị dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng sang chất lỏng lạnh Trong quá trình hoạt động, môi chất trong ống nhiệt hấp thụ nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hóa hơi thành hơi bão hòa khô Sau đó, hơi này truyền nhiệt đến vùng tiếp xúc với chất lỏng 2, nơi nó ngưng tụ thành lỏng, giúp quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả cao.

Hình 1.9: Sơ đồ khối của TBTĐN [9]

Trong hệ thống ống nhiệt, môi chất sôi và ngưng tụ để chuyển động tuần hoàn, tải lượng nhiệt lớn từ chất lỏng này sang chất lỏng khác Quá trình này lặp đi lặp lại nhiều lần, tạo thành chu trình liên tục, giúp duy trì hiệu quả truyền nhiệt trong hệ thống Sau mỗi chu trình, môi chất quay về vùng nóng để bắt đầu lại quá trình sôi, ngưng tụ và chuyển động, tối ưu hóa khả năng trao đổi nhiệt.

Dưới đây là các ví dụ về thiết bị trong hệ thống trao đổi nhiệt, bao gồm bình gia nhiệt hỗn hợp (TBTDN tiếp xúc), thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt (TBTDN hồi nhiệt), bình ngưng ống nước (TBTDN vách ngăn) và lò hơi ống nhiệt (TBTDN kiểu ống nhiệt) Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt, nâng cao hiệu suất hệ thống nhiệt công nghiệp và tối ưu hóa hoạt động của các nhà máy.

1.3.2.2 Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại

Tĩnh Đồ Thủy Nước (TBTĐN) có nhiều dạng cấu trúc vách ngăn, bao gồm các sơ đồ chính như sơ đồ song song cùng chiều, sơ đồ song song ngược chiều, sơ đồ song song đổi chiều, sơ đồ giao nhau một lần và sơ đồ giao nhau nhiều lần Các dạng này thể hiện các cách bố trí dòng chảy hoặc các đường giao cắt trong hệ thống thủy lực, giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống Hiểu rõ các sơ đồ này là yếu tố quan trọng để thiết kế hệ thống thủy lực phù hợp, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và vận hành an toàn.

1.3.2.3 Phân loại TBTĐN theo thời gian

- Thường phân ra 2 loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ)

1.3.2.4 Phân loại TBTĐN theo công dụng

- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi)

- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu)

- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (Ví dụ tủ cấp đông, tủ lạnh) [9]

Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng toàn cầu là thu nhỏ kích thước thiết bị, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng Các bộ trao đổi nhiệt lớn chiếm nhiều diện tích nhưng lại có hiệu suất truyền nhiệt thấp, gây ra hạn chế về công suất và không tối ưu cho việc nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống Việc tăng công suất làm lạnh yêu cầu tăng kích thước thiết bị, dẫn đến các hạn chế về không gian và chi phí vận hành Chính vì vậy, cần nghiên cứu và phát triển các bộ trao đổi nhiệt có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn, kích thước nhỏ gọn và chi phí phù hợp để đáp ứng yêu cầu của nền công nghiệp hiện đại.

1.4.2 Lý do chọn đề tài

Sau khi khảo sát, chúng tôi nhận thấy Việt Nam thiếu các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt theo thiết kế sinh học Ý tưởng của chúng tôi là ứng dụng đặc điểm thân cây bông súng vào ống trao đổi nhiệt để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt Do đó, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và mô phỏng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện” nhằm góp phần phát triển các giải pháp trao đổi nhiệt hiệu quả hơn dựa trên thiết kế sinh học.

Dựa trên kết quả tính toán kích thước tối ưu cho quá trình trao đổi nhiệt, quá trình này diễn ra hiệu quả nhất Các số liệu từ thử nghiệm thực tế được thu thập và so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm Ansys để đánh giá độ chính xác và xác định các thông số tối ưu, từ đó rút ra các kết luận chính xác và phù hợp với thực tế.

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được CNC từ nhôm theo kích thước 1 phần cây bông súng

Trong đồ án này, nhóm chúng em nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng truyền nhiệt của thân cây bông súng trong ống trao đổi nhiệt, dưới sự hướng dẫn của giáo viên Chúng em mong muốn mô phỏng cấu trúc sinh học của thân cây bông súng nhằm thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu suất cao Phần mềm mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt dựa trên đặc điểm cấu trúc tự nhiên của cây, góp phần nâng cao hiệu quả của hệ thống Nghiên cứu này góp phần ứng dụng kiến thức sinh học và kỹ thuật để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt trong các thiết bị công nghiệp.

Các phần mềm hỗ trợ

Một số phương tiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu:

 Phần mềm Inventor Professional 2019: Phân mềm Inventor hỗ trợ trong việc thiết kế và xây dựng mô hình 3D

Phần mềm Ansys 2014 là công cụ mạnh mẽ hỗ trợ mô hình hóa các vấn đề về dòng chảy của lưu chất nén được và không nén được, giúp các kỹ sư phân tích chính xác các hiện tượng về dòng chảy như chảy tầng và chảy rối Với Ansys 2014, người dùng có thể mô phỏng các ứng dụng kỹ thuật phức tạp liên quan đến dòng chảy lưu chất, nâng cao hiệu quả thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống kỹ thuật.

Phần mềm Minitab 19 là công cụ hỗ trợ phân tích dữ liệu sau quá trình mô phỏng, giúp xác định yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mô hình Với khả năng xử lý kết quả chính xác, Minitab 19 giúp người dùng dễ dàng nhận diện các yếu tố then chốt để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả Đây là phần mềm thống kê mạnh mẽ, hỗ trợ đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu, phù hợp cho các nghiên cứu và phân tích kỹ thuật.

KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới

2.1.1 Nghiên cứu về thiết kế sinh học của thiết bị trao đổi nhiệt

Dưới đây là một bài nghiên cứu khoa học về cơ sở phỏng sinh học cho các cấu trúc trao đổi nhiệt lấy cảm hứng từ thiết kế lá thực vật Nghiên cứu này tập trung vào việc hiểu rõ cơ chế trao đổi nhiệt tự nhiên của lá cây để phát triển các giải pháp kỹ thuật hiệu quả hơn trong công nghệ làm mát và điều hòa nhiệt Các cấu trúc sinh học của lá đã cung cấp những hình mẫu sáng tạo cho việc tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt, giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống nhân tạo Phương pháp phỏng sinh học này mở ra hướng đi mới trong thiết kế các thiết bị và vật liệu có khả năng điều chỉnh nhiệt độ một cách tự nhiên và bền vững Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa sinh học và kỹ thuật có tiềm năng lớn trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến quản lý nhiệt trong công nghiệp và sinh hoạt.

Nghiên cứu này xuất phát từ Trường Nghệ thuật và Khoa Sinh học Myers tại Đại học Akron, nhằm phân tích quá trình trao đổi nhiệt của lá sồi dựa trên hình dạng tự nhiên của chúng Thiết kế sinh học lấy cảm hứng từ hình dạng lá sồi để hiểu rõ hơn về cách cây chắn nắng và cây bóng râm điều hòa nhiệt độ môi trường Mục tiêu chính của nghiên cứu là định lượng sự khác biệt về hình dạng giữa lá che nắng và lá bóng râm trên nhiều loài Quercus thuộc khu vực Bắc Mỹ Phương pháp này giúp nâng cao hiểu biết về cơ chế sinh thái của các loài cây và hỗ trợ các ứng dụng trong công nghệ bền vững.

2.1.2 Cao ốc EASTGATE được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối

Mối thường bị coi là loài phá hoại nhà cửa, nhưng thực tế, chúng còn là những kỹ sư xây dựng tài năng với các tổ mối có tường dày và cấu trúc thông khí tối ưu, giúp duy trì không gian mát mẻ Nhiều đền thờ Hồi giáo tại Mali được xây dựng dựa trên thiết kế của tổ mối, thể hiện sự sáng tạo và khả năng thích nghi tuyệt vời của loài này trong kiến trúc.

Hình 2.1 minh họa ngân sách trao đổi nhiệt của thực vật và tính dị hình của lá, đặc biệt qua các ví dụ như lá che nắng và lá bóng râm từ các loài sồi khác nhau Điều này giúp hiểu rõ cách cây điều chỉnh lượng nhiệt hấp thụ và phát tán để thích nghi với môi trường sống, góp phần nâng cao nhận thức về đặc điểm hình thái lá trong quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật.

Hệ thống thông khí của tổ mối luôn có sự kết nối với nguồn nước, trong đó không khí lạnh bên ngoài len qua các lỗ trên mặt đất kết hợp với nước ngầm tạo thành lớp hơi nước làm mát lan tỏa quanh tổ Khi không khí tiếp xúc với bầy mối bên trong, nó nóng lên, trở nên nhẹ hơn và thoát ra ngoài, giúp duy trì khí hậu trong tổ ổn định Trung tâm của gò mối có ống thông khí liên kết với mạng lưới các đường hầm phức tạp, cấu trúc tường dạng xốp cho phép khí đi vào và thoát ra khỏi tổ mối qua ống thông khí trung tâm, đảm bảo cung cấp đủ oxy và duy trì nhiệt độ phù hợp cho sinh trưởng của đàn mối.

Cao ốc Eastgate tại Harare do kiến trúc sư Mick Pearce phối hợp với các kỹ sư Arup thiết kế, sử dụng hệ thống thông gió theo mô hình tổ mối để điều chỉnh nhiệt độ quanh năm mà không cần điều hòa không khí hoặc sưởi ấm thông thường Hệ thống này giúp duy trì nhiệt độ ổn định quanh mức 27°C, giảm tiêu thụ năng lượng lên đến 90% (tương đương 3,5 triệu USD) so với các tòa nhà cùng quy mô Chi phí hệ thống làm mát của cao ốc chỉ bằng 1/10 so với hệ thống làm mát truyền thống và tiêu thụ ít hơn 35% năng lượng so với các công trình có cùng kích thước và điều kiện.

Giới thiệu về phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần

Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

Các yếu tố có thể có 2, 3, 4 mức độ

Phương pháp Taguchi thích hợp nhất khi khảo sát từ 3 đến 50 yếu tố, đặc biệt hiệu quả trong các trường hợp có ít tương tác và chỉ một số yếu tố mang ý nghĩa ảnh hưởng quan trọng.

Phương pháp Taguchi (tiếng Nhật: グチソ) là phương pháp thống kê và thiết kế mạnh mẽ, do nhà khoa học Genichi Taguchi phát triển Phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách giảm thiểu tác động của các biến nhiễu Taguchi nổi bật với khả năng xác định các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng và cải thiện hiệu quả tổng thể của quá trình sản xuất Áp dụng phương pháp Taguchi giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí, nâng cao độ chính xác và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao nhất.

Phương pháp Taguchi đã được áp dụng từ năm 2012 để nâng cao chất lượng hàng hóa sản xuất, đồng thời mở rộng ứng dụng trong kỹ thuật, công nghệ sinh học, marketing và quảng cáo Các nhà thống kê chuyên nghiệp đánh giá cao các mục tiêu và cải tiến mà phương pháp này mang lại, đặc biệt là trong nghiên cứu biến thể và thiết kế Tuy nhiên, vẫn có ý kiến chỉ trích về tính hiệu quả của một số đề xuất của Taguchi.

Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:

 Một chức năng mất cụ thể

 Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến

 Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm

Taguchi học hỏi lý thuyết thống kê từ các nhà theo Ronald A Fisher, đặc biệt liên quan đến các phương pháp thiết kế thí nghiệm để tối ưu hóa kết quả Các phương pháp của Fisher nhằm mục đích so sánh năng suất trong các điều kiện xử lý và khối khác nhau, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả nông nghiệp Công việc của Fisher thường được thực hiện trong các chương trình dài hạn nhằm cải thiện năng suất và chất lượng thu hoạch, phù hợp với các chiến lược tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Taguchi nhận thấy rằng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn, việc đạt được kết quả đúng mục tiêu là vô cùng quan trọng Vì vậy, ông nhấn mạnh rằng các kỹ thuật quản lý chất lượng nên bắt đầu bằng việc hiểu rõ chi phí chất lượng trong các tình huống khác nhau Trong nhiều phương pháp công nghiệp truyền thống, chi phí chất lượng thường được đo lường đơn giản dựa trên số lượng lỗi hoặc sản phẩm không đạt tiêu chuẩn, nhưng cần phải xem xét toàn diện hơn để tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu chi phí.

Taguchi nhấn mạnh rằng các nhà sản xuất cần mở rộng tầm nhìn để xem xét các chi phí xã hội thay vì chỉ tập trung vào chi phí trực tiếp như chi phí làm lại hoặc phế liệu Những mất mát ngoài lề, như hao mòn sớm, khó khăn trong giao tiếp giữa các bộ phận, hoặc nhu cầu xây dựng hệ thống an toàn, đều gây tổn thất cho cộng đồng và khách hàng, nhưng thường bị các nhà sản xuất bỏ qua vì họ chỉ quan tâm đến chi phí tư nhân Các phân tích về ngoại tác này làm giảm hiệu quả hoạt động của thị trường theo nhận định của kinh tế công cộng Taguchi cho rằng những tổn thất này sẽ quay trở lại ảnh hưởng đến chính các doanh nghiệp, như một dạng "bi kịch của chung," và bằng cách giảm thiểu chúng, các nhà sản xuất có thể nâng cao uy tín thương hiệu, mở rộng thị phần và tăng lợi nhuận.

2.2.2 Mục tiêu của phương pháp Taguchi

Chất lượng nên được xây dựng ngay trong quá trình thiết kế thông qua thiết kế hệ thống, thiết kế tham số và thiết kế dung sai Trong đó, tham số thiết kế đóng vai trò trọng tâm, được xác định bằng cách phân tích các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sản phẩm để thiết lập mục tiêu chất lượng rõ ràng Việc kiểm tra chất lượng sản phẩm liên quan đến việc sản xuất ở mức độ ngẫu nhiên, trong đó các sản phẩm có đặc điểm xa giá trị trung bình sẽ bị loại bỏ để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt tiêu chuẩn cao nhất.

Chất lượng sản phẩm được tối ưu hóa bằng cách giảm thiểu độ sai số so với tiêu chuẩn đặt ra, đảm bảo sản phẩm phù hợp và hoàn thiện Thiết kế sản phẩm cần có khả năng chống chịu với các yếu tố môi trường không thể kiểm soát, giúp duy trì chất lượng ổn định trong mọi điều kiện Ngoài ra, việc kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm phải đạt mức cao để đảm bảo uy tín và sự hài lòng của khách hàng.

Chi phí chất lượng cần được đo bằng hàm sai số so với tiêu chuẩn, đồng thời các tổn thất phải được kiểm tra trên toàn bộ hệ thống để đảm bảo hiệu quả Khái niệm chuyển đổi tổn thất hay tổn thất chung phát sinh từ sản phẩm kém chất lượng không chỉ ảnh hưởng đến khách hàng mà còn gây thiệt hại cho xã hội Việc kiểm soát và giảm thiểu các tổn thất này là yếu tố then chốt để nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa chi phí chất lượng.

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm:

Phương pháp Taguchi nổi bật với khả năng tập trung vào hiệu suất trung bình thay vì chỉ tối ưu hóa giá trị tại một điểm giới hạn kỹ thuật, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm Điều này cho phép doanh nghiệp cải thiện độ bền và hiệu quả của sản phẩm một cách toàn diện hơn Ngoài ra, phương pháp này còn được đánh giá cao nhờ vào thiết kế thử nghiệm đơn giản và dễ thực hiện, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu và phát triển.

Phương pháp Taguchi là một phương pháp mạnh mẽ nhưng đơn giản, dễ áp dụng cho nhiều trường hợp khác nhau Nó giúp nhanh chóng thu hẹp phạm vi của các dự án nghiên cứu dữ liệu hiện có, tiết kiệm thời gian và nguồn lực Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép phân tích nhiều thông số khác nhau mà không cần số lượng thử nghiệm lớn, góp phần tối ưu hóa quy trình nghiên cứu và nâng cao hiệu quả.

Phương pháp Taguchi có nhược điểm chính là mang lại kết quả mang tính tương đối và không xác định chính xác tham số nào có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất Thêm vào đó, do các mảng trực giao không kiểm tra tất cả các tổ hợp biến, việc tính toán các tham số trở nên phức tạp hơn Hơn nữa, phương pháp này tập trung vào thiết kế chất lượng bên trong, chủ yếu hướng đến việc phát triển quy trình sản xuất, khiến cho việc xác định các yếu tố ảnh hưởng thực sự trở nên khó khăn hơn.

Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm

Chỉ có yếu tố chính và tương tác bậc 1 giữa 2 yếu tố là quan trọng Tương tác bậc cao xem như không đáng kể

Nhà nghiên cứu cần xác định trước các tương tác có ý nghĩa để đảm bảo kết quả nghiên cứu chính xác Bảng hoạch định trực giao Taguchi được xây dựng dựa trên phương pháp kết hợp các hình vuông Latin một cách nhất quán, giúp tối ưu hóa quá trình thử nghiệm Việc sử dụng bảng Taguchi giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu quả phân tích các yếu tố tác động đến kết quả nghiên cứu.

Tính chất bảng hoạch định trực giao:

Các cột phải trực giao – tổng số tích số các mức độ tương ứng của 2 cột bằng 0

Các cột trong bảng qui hoạch trực giao phải phù hợp với nguyên tắc trực giao, do đó việc thay đổi giá trị các mức độ tại các cột sẽ ảnh hưởng đến các giá trị của các cột khác Điều này giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của phân tích, và các bảng qui hoạch trực giao thường được xây dựng theo cách này để tối ưu hóa quá trình nghiên cứu Bạn có thể tìm thấy các bảng qui hoạch trực giao trong nhiều tài liệu chuyên sâu về thiết kế thử nghiệm và phân tích dữ liệu.

Các bước tiến hành

Chọn số mức độ cho mỗi biến

Chọn các biến và tương tác

Xác định các yếu tố và mức độ vào bảng trực giao

2.4.1 Chọn yếu tố khảo sát

Lựa chọn yếu tố khảo sát và tương tác đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong quá trình hoạch định nghiên cứu Để xây dựng danh sách các yếu tố cần khảo sát chính xác, cần có kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực khảo sát cũng như tham khảo các nghiên cứu trước đây, đảm bảo tính khách quan và toàn diện cho quá trình phân tích.

2.4.2 Chọn mức độ khảo sát

Lựa chọn mức độ khảo sát cho các yếu tố chính phụ thuộc vào mức độ ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng Nếu các yếu tố ảnh hưởng theo mối quan hệ tuyến tính, thì nên chọn 2 mức độ khảo sát Tuy nhiên, trong trường hợp ảnh hưởng phi tuyến, số mức độ có thể là từ 3 đến 4, tùy thuộc vào mối quan hệ là bậc 2 hoặc bậc 3.

Trong quá trình xác định mối quan hệ ban đầu, nên chọn mức độ là 2 để đảm bảo độ chính xác Tuy nhiên, sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, quyết định chọn số mức độ phù hợp dựa trên phần trăm đóng góp và sai số để đạt hiệu quả tối ưu.

2.4.3 Chọn bảng quy hoạch trực giao

Trước khi lựa chọn bảng trực giao, cần xác định số thí nghiệm tối thiểu dựa trên tổng số độ tự do trong khảo sát Số thí nghiệm này phải lớn hơn hoặc bằng tổng số độ tự do để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của phân tích Việc tính toán kỹ càng giúp tối ưu hóa quy trình thử nghiệm và nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

 Độ tự do của giá trị trung bình: 1

 Độ tự do của các yếu tố chính: n – 1; với n là số mức độ của yếu tố

 Độ tự do của tương tác bằng tích số độ tự do của các yếu tố chính.

Bảng 2.2: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi Ấn định các yếu tố ảnh hưởng vào bảng trực giao

Vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố Khi có nhiều mức độ khác nhau, bảng trực giao giúp định vị chính xác vị trí của các yếu tố trên các mức độ này, đảm bảo phân tích rõ ràng và chính xác Điều này giúp tối ưu hóa quá trình ra quyết định dựa trên dữ liệu được trình bày một cách hệ thống và khoa học.

Việc ấn định vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao có thể được trợ giúp bằng các công cụ của hoạch định Taguchi

Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần xác định mức độ thực tế của các yếu tố chính để đảm bảo kết quả chính xác Phần trăm đóng góp và ý nghĩa của các yếu tố phụ thuộc trực tiếp vào mức độ thực tế của từng yếu tố Việc đánh giá chính xác này giúp tối ưu hóa quá trình thử nghiệm và nâng cao năng lực dự báo của mô hình.

2.4.4 Phân tích dữ liệu thí nghiệm

 Đây là khâu quan trọng trong đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến đáp ứng

 Việc phân tích có thể thực hiện bằng phương pháp Anova, tỉ số S/N (Signal Noise⁄ ) hay phần trăm đóng góp

 Tỉ số /𝑁 (𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒⁄ ) Đánh giá bằng tỉ số SN

Bảng 2.3:Bảng tiêu chuẩn với giá trị trung bình TN

Mô Phỏng P1 P2 P3 Trial1 Trial2 … Trialn

 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố:

 Tối thiểu hóa đáp ứng:

 u: số lần thử nghiệm của mô phỏng

 Ni: Number of trials for experiment i

Sau khi tính được giá trị SN ta thiết lập bảng kèm theo giá trị SN, tính giá trị trung bình của SN cho từng cấp độ,

Bảng 2.4: Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN

Sau khi tính toán các giá trị trung bình của tỷ lệ S/N, chúng tôi tiến hành nhập các dữ liệu vào bảng phân tích Tiếp theo, các giá trị ∆ được so sánh để xác định xếp hạng R (rank), trong đó R bằng 1 thể hiện yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất và các giá trị cao hơn thể hiện mức độ ảnh hưởng giảm dần Quá trình này giúp xác định rõ các yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

Bảng 2.5: Bảng giá trị trung bình của tỷ số SN

* Xử lý số liệu bằng phương pháp anova mở rộng

Sử dụng bảng số liệu từ phương pháp Taguchi

Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng với giá trị Means

TN P1 P2 P3 Trial1 Trial2 Trial3 Means

Từ công thức tính toán Anova sử dụng cho 2 yếu tố, ta mở rộng công thức cho 3 yếu tố để phù hợp tính toán số liệu:

 a: là số level của yếu tố P1

 b: là số level của yếu tố P2

 c: là số level của yếu tố P3

 n: số thí nghiệm thự hiện

 i: số thứ tự Level yếu tố P1

 j: số thứ tự Level yếu tố P2

 k: số thứ tự Level yếu tố P3

Giới thiệu về phần mềm Inventor

Autodesk Inventor, phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk - Mỹ, là phần mềm thiết kế 3D cơ khí dạng mô hình khối rắn giúp tạo ra nguyên mẫu kỹ thuật số 3D để hình dung, thiết kế và mô phỏng sản phẩm trong môi trường 3D Các công cụ mô phỏng và phân tích tích hợp trong Inventor hỗ trợ người dùng thiết kế từ các khuôn đúc cơ bản đến các chi tiết máy phức tạp, nâng cao hiệu quả công việc và trực quan hóa sản phẩm dễ dàng hơn Inventor còn tích hợp các công cụ CAD và giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao năng suất, giảm lỗi và tiết kiệm thời gian trong quá trình thiết kế Để giảm tải công việc cho các nhà thiết kế, phần mềm Inventor cung cấp module Design Accelerator, giúp tính toán và thiết kế các chi tiết tiêu chuẩn như trục, bánh răng, then, lò xo, bulong và đai ốc một cách nhanh chóng và chính xác.

Phần mô hình hóa kết hợp giữa mô hình khối đặc và bề mặt giúp tạo ra các dạng hình học phức tạp, nâng cao khả năng thiết kế Các công cụ tạo vân sọc và phân tích quang phổ cho phép kiểm tra độ tiếp tuyến, tính liên tục và độ cong của các mô hình một cách chính xác Người dùng có thể tạo ra các chi tiết có thể tái sử dụng trong nhiều dự án khác nhau, tối ưu hóa quy trình làm việc và tiết kiệm thời gian.

Phần lắp ráp (assembly) thiết kế kết hợp giữa chi tiết và cụm chi tiết Người dùng có thể kiểm tra xung đột giữa các chi tiết

Phần thiết kế đường ống (Pipe & Tube) hỗ trợ người dùng tạo các hệ thống ống phức tạp trong không gian hạn chế, bao gồm thư viện phụ kiện tiêu chuẩn công nghiệp để dễ dàng xác định thuộc tính của từng đường ống Trong khi đó, phần thiết kế khuôn ép nhựa (Mold design) tích hợp phần mềm Moldflow chuyên dụng, cho phép phân tích chính xác toàn bộ hệ thống khuôn, đánh giá quá trình ép phun, và mô phỏng sự biến đổi nhiệt độ của sản phẩm và khuôn, nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất các sản phẩm nhựa đa vật liệu.

Phần kim loại tấm (Sheet Metal) tự động hóa thiết kế nhiều mặt giúp tối ưu hóa quá trình làm việc với các bộ phận kim loại tấm Người dùng có thể dễ dàng tạo ra các mô hình tấm phẳng, điều khiển quá trình gấp kim loại tấm, xác lập thư viện mẫu mã và tùy chỉnh đặc tính kim loại theo yêu cầu Công cụ này còn hỗ trợ tạo bản vẽ sản xuất chính xác, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động trong lĩnh vực chế tạo kim loại tấm.

Phần thiết kế khung (Frame Generator) giúp người dùng dễ dàng thiết kế và phát triển khung hàn cho các ứng dụng máy móc công nghiệp Công cụ này xây dựng kết cấu khung bằng cách thả các chi tiết vào khung dây đã được xác định sẵn, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế Sau khi hoàn thành, người dùng chỉ cần xác lập lại các thành phần theo thư viện thép hình có sẵn, đảm bảo tính chính xác và tiết kiệm thời gian trong quá trình sản xuất khung dây.

Phần Cable (Cable & Wiring) cung cấp một thư viện đa dạng các loại dây điện và cáp điện, giúp dễ dàng lựa chọn phù hợp cho các dự án có yêu cầu về bán kính uốn dây Việc sử dụng các loại cáp phù hợp đảm bảo độ chính xác của mô hình thiết kế, phản ánh sát thực nhất cấu trúc điện trong dự án Điều này giúp tăng tính chính xác và hiệu quả trong quá trình lập kế hoạch và thi công hệ thống điện.

Phần mô phỏng chuyển động tích hợp mô phỏng và phân tích ứng suất (Dynamic and Stress Analysis) giúp mô phỏng và dự đoán các phản ứng của thiết kế trước các tác động vật lý trong môi trường thực Nhờ vào công nghệ này, quá trình tối ưu hóa thiết kế được thực hiện chính xác hơn, nâng cao hiệu quả và độ bền của sản phẩm Đây là công cụ quan trọng trong việc đảm bảo khả năng chịu lực và độ an toàn của các cấu kiện kỹ thuật trong thực tế.

Inventor hỗ trợ trao đổi dữ liệu linh hoạt với nhiều phần mềm thiết kế khác nhau, sử dụng các định dạng tập tin phổ biến như IPT, IAM, và IDW hoặc DWG Tập tin DWG được sử dụng rộng rãi để nhập hoặc xuất dữ liệu, trong khi định dạng DWF trên Web giúp chia sẻ dữ liệu 2D/3D dễ dàng hơn Ngoài ra, Inventor có khả năng trao đổi dữ liệu trực tiếp với phần lớn phần mềm của Autodesk như AutoCAD, cũng như các ứng dụng khác như CATIA V5, UGS, SolidWorks, và Pro/Engineer Chương trình hỗ trợ nhập và xuất các định dạng tiêu chuẩn như JT 6, JT 7, Parasolid, Granite, UG-NX, và các tập tin SAT Người dùng còn có thể xuất bản các bản vẽ, mô hình 3D, hoặc các file PDF, STL để phục vụ in 3D hoặc xuất bản các mô hình chi tiết và lắp ráp dưới dạng SAT hoặc JT, nâng cao khả năng làm việc và chia sẻ dữ liệu trong quá trình thiết kế.

Presentation Modeling là môi trường mô phỏng quá trình lắp ráp các chi tiết theo đúng quy trình thực tế, giúp tối ưu hóa quy trình lắp ráp và nâng cao hiệu quả sản xuất Công nghệ này cho phép các kỹ thuật viên hình dung chính xác các bước lắp ráp, giảm thiểu lỗi và tiết kiệm thời gian Nhờ đó, Presentation Modeling đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm và thúc đẩy quá trình thiết kế kỹ thuật chính xác hơn.

Phân tích trong phần mềm Inventor giúp xác định chính xác trường ứng suất và biến dạng trong chi tiết dưới tác dụng của các loại tải trọng khác nhau, bao gồm lực tập trung, lực phân bố theo diện tích, momen uốn và các tác nhân tác động theo thể tích.

Inventor có khả năng trao đổi dữ liệu dễ dàng với hầu hết các phần mềm của Autodesk, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc Phần mềm này cung cấp nhiều công cụ mạnh mẽ nhằm đơn giản hoá quá trình thiết kế, nhận biết và chuyển đổi các dữ liệu sang dạng 3D, phù hợp cho người dùng AutoCAD muốn nâng cao hiệu quả thiết kế.

2.5.2 Xây dựng model bằng phần mềm Inventor 2019

Cấu tạo model được chia làm 2 phần: Phần khối ống đa diện và bộ ống góp

Dựa trên đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện", sinh viên k15 đã xác định được kích thước của mô hình tối ưu về nhiệt độ.

Bảng 2.7: Kích thước model

D (mm) d (mm) D max (mm) D min (mm) L (mm)

D: là chiều dài đường kính ngoài của ống (mm) d: là chiều dài đường kính đường tròn ngoài của khối ống đa diện (mm)

Dmin: là đường kính nhỏ của biên dạng cánh hoa (mm)

Dmax: là đường kính lớn của biên dạng cánh hoa (mm)

L: là khoảng cách của Dmax và Dmin (mm)

Hình 2.3: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện

Hình 2.4: Model được xây dựng bằng phần mềm

Kích thước thiết bị trao đổi nhiệt quá nhỏ gây khó khăn trong quá trình thực nghiệm và gia công Vì vậy, chúng tôi dựa trên nghiên cứu đăng trên tạp chí INL về "Kỹ thuật phân tích tỷ lệ để thiết lập thực nghiệm kiểm tra thành phần, hệ thống nhỏ và hệ thống kết hợp" để xác định phương pháp chia tỷ lệ các thành phần nguyên mẫu ban đầu sang mô hình mới Trong đó, bộ trao đổi nhiệt, một thành phần chính trong hệ thống năng lượng, được sử dụng làm ví dụ minh họa cho phương pháp phân chia tỷ lệ cấp thành phần rộng hơn.

Hình 2.5: Hình minh họa về bộ trao đổi nhiệt ban đầu và sau khi thu phóng

Bảng 2.8: Bảng thu gọn các tham số tỷ lệ

Hydraulic diameter (Dh) Dh,m = Dh,p / Sf m Lenghth (L) Lm = Lp / Sf m Flow area (Af) Af,m = Af,p / Sf 2 m 2

Surface area (As) As,m = As,p / Sf 2 m 2

Từ đó chúng em đã phóng kích thước ban đầu của thiết bị trao đổi nhiệt lên 4 lần và có các thông số như sau:

Bảng 2.9: Số liệu kích thước ống đa diện tối ưu theo nhiệt độ

D (mm) d (mm) D max (mm) D min (mm) L (mm)

Hình 2.6: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện sau khi tăng 4 lần

35 a Phần khối ống đa diện

Bộ phận trao đổi nhiệt là thành phần quan trọng của thiết bị, nơi diễn ra quá trình truyền nhiệt trực tiếp, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống Phần bộ góp nằm ở hai đầu của khối ống đa diện, có chức năng tiếp nhận và thoát chất lỏng (Liquid) vào ra của mô hình, góp phần duy trì quá trình làm việc chính xác và ổn định Với kích thước như hình minh họa bên dưới, bộ góp đóng vai trò thiết yếu trong cấu tạo và vận hành của thiết bị.

Hình 2.7: Khối ống đa diện

Hình 2.8: Bộ góp xây dựng bằng phần mềm Inventor

Tiến hành mô phỏng

2.6.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys

Ansys, Inc là công ty cổ phần của Mỹ có trụ sở tại Canonsburg, Pennsylvania, chuyên phát triển và tiếp thị phần mềm mô phỏng kỹ thuật hàng đầu Phần mềm Ansys được sử dụng rộng rãi để thiết kế sản phẩm, chất bán dẫn và tạo các mô phỏng nhằm kiểm tra độ bền, phân bố nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng cũng như các tính chất điện từ của các sản phẩm Đây là công cụ hỗ trợ đắc lực trong quá trình nghiên cứu và phát triển kỹ thuật, giúp tối ưu hóa hiệu suất sản phẩm trước khi sản xuất thực tế.

ANSYS là phần mềm toàn diện trong nhiều lĩnh vực vật lý, hỗ trợ mô hình hóa và phân tích kỹ thuật trong quá trình thiết kế để tối ưu hóa sản phẩm Với khả năng phân tích chính xác và đa dạng, ANSYS trở thành công cụ ưa thích của các nhà đầu tư nhờ mang lại hiệu quả cao với chi phí hợp lý Phần mềm này giúp nâng cao hiệu suất thiết kế, giảm thiểu rủi ro và tăng cường cạnh tranh trên thị trường.

Phần mềm Ansys tối ưu hóa quá trình thiết kế kỹ thuật bằng cách làm việc hiệu quả với các thông số biến động và hàm nhiều cấp bậc Nó còn hỗ trợ khả năng thích nghi với các mô hình kỹ thuật mới, giúp nâng cao hiệu quả công việc và khả năng sáng tạo trong thiết kế Ngoài ra, Ansys giảm thiểu ràng buộc kỹ thuật và cho phép thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng phức tạp mà các phần mềm khác khó có thể thực hiện.

Phần mềm Ansys tạo ra các mô hình máy tính mô phỏng cấu trúc, thiết bị điện tử hoặc linh kiện máy để phân tích ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, điện từ, lưu lượng chất lỏng và các thuộc tính khác, giúp đánh giá hiệu suất sản phẩm mà không cần thử nghiệm thực tế Ansys được sử dụng để mô phỏng hoạt động của sản phẩm dưới các thông số kỹ thuật khác nhau, từ đó tối ưu hóa thiết kế và tiết kiệm chi phí Ví dụ, phần mềm có thể dự đoán tình trạng cầu sau nhiều năm sử dụng, tối ưu hóa quy trình xử lý cá hồi để tránh lãng phí, hoặc thiết kế tấm ván trượt sử dụng ít vật liệu hơn mà vẫn đảm bảo an toàn Hầu hết các mô phỏng trong Ansys đều thực hiện qua phần mềm Ansys Workbench, trong đó người dùng chia nhỏ cấu trúc lớn thành các thành phần nhỏ để mô phỏng và thử nghiệm riêng lẻ, bắt đầu bằng việc xác định kích thước đối tượng rồi thêm các yếu tố như trọng lượng, áp suất, nhiệt độ và đặc tính vật lý khác để có các phân tích chính xác.

Phần mềm Ansys chuyên mô phỏng và phân tích chuyển động, tiêu chuẩn phá hủy, lưu lượng chất lỏng, phân bố nhiệt độ, hiệu quả điện từ và các hiệu ứng phức tạp theo thời gian Các tính năng nổi bật giúp tối ưu hóa thiết kế, nâng cao độ chính xác và giảm thiểu rủi ro trong quá trình phát triển sản phẩm Ansys là công cụ lý tưởng để kiểm tra, dự đoán và cải thiện hiệu suất của các hệ thống kỹ thuật hiện đại.

2.6.2 Mô hình tính toán dòng chảy rối trong Ansys

Không có mô hình dòng chảy rối nào phù hợp hoàn hảo cho tất cả các vấn đề, việc lựa chọn phụ thuộc vào các yếu tố như điều kiện vật lý của dòng chảy, thiết lập thực tế từng trường hợp, mức độ chính xác cần đạt, tài nguyên tính toán và thời gian thực hiện mô phỏng Hiểu rõ khả năng và giới hạn của các tùy chọn mô hình khác nhau là điều cần thiết để đưa ra quyết định phù hợp, giúp tối ưu hóa kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế.

Mô hình k-ε được xây dựng để giải quyết các bài toán về độ nén, mô hình hoá trao đổi nhiệt, sự vận động của lưu chất và truyền khối

Các mô hình chảy rối đơn giản nhất được giải quyết bằng hai phương trình riêng biệt, giúp xác định độc lập các mức vận tốc và độ rối của lưu chất Mô hình k-ε Standard trong Ansys Fluent đã trở thành một công cụ phổ biến trong mô phỏng dòng chảy, mang lại hiệu quả về mặt kinh tế và độ chính xác hợp lý trong các bài toán về dòng chảy và truyền nhiệt Đây là mô hình bán thực nghiệm, được xây dựng dựa trên quan sát thực tế kết hợp với kinh nghiệm, giúp nâng cao tính đáng tin cậy của các kết quả mô phỏng.

Mô hình k-ε Standard có những điểm mạnh và điểm yếu, dẫn đến sự phát triển của các biến thể nhằm nâng cao hiệu suất mô phỏng Trong đó, RNG k-ε và Realizable k-ε là hai phiên bản cải tiến được tích hợp sẵn trong phần mềm Ansys Fluent, giúp người dùng lựa chọn mô hình phù hợp để đạt kết quả chính xác hơn trong các ứng dụng thực tế.

Phương trình vận chuyển cho mô hình k-ε tiêu chuẩn mô tả sự phân phối của động năng chảy rối k và tốc độ triệt tiêu ε trong dòng chảy Tốc độ triệt tiêu ε được tính dựa trên các phương trình vận chuyển sau, theo tài liệu tham khảo [29], giúp mô hình hóa chính xác quá trình tiêu năng của động lượng sinh ra bởi hiện tượng hỗn loạn trong các dòng chảy phức tạp Các công thức này đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán và phân tích hành vi của dòng chảy rối, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế kỹ thuật và nâng cao hiệu suất các hệ thống kỹ thuật liên quan.

Trong hai phương trình đã trình bày, Gₖ thể hiện quá trình tạo ra động năng do vận tốc, còn G_b thể hiện sự phát sinh động năng chảy rối do lực nổi gây ra Y_M đóng vai trò quan trọng trong việc thể hiện sự đóng góp của biến thiên dòng chảy rối nén đối với tốc độ triệt tiêu tổng thể của hệ thống Các hệ số C₁, C₂ và C₃ cùng với các tham số σ_k và đều góp phần vào việc mô tả chính xác các quá trình này theo các quy luật vật lý đã được xác định.

 là các số Prandtl chảy rối cho k và ε, S k và S  là các thuật ngữ mà người dùng có thể tự định nghĩa [15]

Phần mềm Minitab

Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng do Đại học Pennsylvania phát triển bởi báo cáo viên Barbara F Ryan, Thomas A Ryan, Jr và Brian L Joiner vào năm 1972 Phần mềm Minitab là phiên bản thu gọn của phần mềm OMNITAB và các công cụ phân tích thống kê của NIST, giúp nâng cao hiệu quả phân tích dữ liệu trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Từ thành công của phần mềm này, những nhà phát triển đã thành lập công ty Minitab Inc vào năm 1983 để mở rộng quy mô hoạt động Công ty đặt trụ sở chính tại Đại học Pennsylvania và có chi nhánh tại Coventry, Anh (Minitab Ltd), Paris, Pháp (Minitab SARL) và Sydney, Úc (Minitab Pty), góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và phạm vi toàn cầu của công ty.

 Hỗ trợ phân tích: Phân tích hệ thống đo lường; Phân tích khả năng; Phân tích đồ họa; Kiểm tra giả thuyết hồi quy DOE; Bảng kiểm soát

 Các dạng biểu đồ: Scatterplots, ma trận lô, ô vuông, dấu chấm, biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ chuỗi thời gian, v.v

Trong quá trình phân tích dữ liệu, cần thực hiện nhiều phương pháp thống kê cơ bản như thống kê mô tả để tổng hợp dữ liệu, thử nghiệm Z một mẫu và t một mẫu để kiểm tra giả thuyết về trung bình, cùng với thử nghiệm t hai mẫu, thử nghiệm t cặp nhằm so sánh các nhóm dữ liệu Ngoài ra, kiểm tra tỷ lệ Poisson một và hai mẫu giúp đánh giá phân phối tỷ lệ, trong khi kiểm tra phương sai một và hai mẫu để xác định sự khác biệt về độ biến thiên Các phương pháp tương quan và hiệp phương sai giúp phân tích mối quan hệ giữa các biến số, cùng với các kiểm tra mức độ phù hợp, kiểm tra ngoại lệ và kiểm tra mức độ phù hợp của phân phối Poisson nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu phân tích.

 Các phương pháp hồi quy: Hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính; Nghiên cứu ổn định…

 Phân tích phương sai: Anova; Kiểm tra phương sai bằng nhau; Mô hình hỗn hợp…

 Phân tích các hệ thống đo lường: Bảng tính thu thập dữ liệu; Biểu đồ chạy Gage…

 Công cụ chất lượng: Biểu đồ kiểm soát đa biến; Biểu đồ kiểm soát thời gian: MA, EWMA; …

 Các thiết kế thí nghiệm: Sàng lọc dứt khoát; thiết kế giai thừa hai cấp; thiết kế Taguchi

 Độ tin cậy: Phân tích probit; Phân tích Weibayes; … [16]

XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG SỐ

Mô phỏng

Các bước tiến hành mô phỏng trên phần mềm Ansys

Bước 1: Khởi động và Import Geometry bằng Ansys Workbench 19.2

2 Chọn trên Component Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

3 Nhấp đôi chuột Geometry để đưa vào Project Schematic;

4 Ở Project Schematic nháy phải trên Geometry và chọn Import Geometry > Browse Tìm file Model.igs đã tạo bằng Inventor

5 Phải chuột vào Geometry vừa Inport và chọn Edit Geometry in DesignModeler

Bước 2: Edit Geometry - đặt tên và thay đổi thuộc tính Bodies

1 Nháy đúp chuột vào ô Geometry trong Project Schematic;

2 Trong hộp Tree Outline mục 3 Part, 3 bodies click phải vào từng Solid > Rename và đặt tên tương ứng shell, hot water, cold water;

3 Trong hộp Details mục Fluid/Solid chọn Fluid cho cold water và hot water;

4 Chọn đồng thời 3 Part, phải chuột và chọn From New Part

Hình 3.1: Import Geometry và Edit

Bước 3: Xây dựng Mesh a Khởi động Mesh

1 Chọn trên Component Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

2 Nhấp đúp chuột Mesh để đưa vào Project Schematic;

3 Ở Project Schematic nháy vào Geometry của ô A2 và kéo thả chuột sang Geometry của ô B2 > nháy đúp chuột vào Mesh và tiến hành tạo Mesh

Hình 3.2: Đặt tên và thay đổi thuộc tính

Hình 3.3: Khởi động Edit Mesh

2 nháy phải chuột chọn Create Named Selections và đặt tên tương ứng cho Wall shell,

Velocity inlet hot water, Velocity inlet cold water, Outflow cold water, Outflow hot water. c Tạo Mesh

1 Trong bảng tùy chọn chia lưới, chọn các tùy chọn chia lưới sau:

Hình 3.4: Điều kiện biên của mô phỏng

Hình 3.5: Thiết lập các thông số trong bảng tùy chọn tạo Mesh

2 Nhấp vào biểu tượng Generate Mesh trên thanh công cụ d Kiểm tra chất lượng mesh

1 Xét thông số Skewness trong ô Details of “Mesh” mục Quality

Theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất, chúng ta kiểm tra hai thông số Aspect Ratio và Skewness tương ứng với yêu cầu trong bộ giải Fluent

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn khuyến nghị cho thông số Skewness

Excellent very good good acceptable bad Inacceptable

The maximum Skewness index of 0.8445 is within the acceptable range according to the ANSYS Meshing User Guide (Appendix A - Mesh Quality, ANSYS Application Introduction 2009).

Hình 3.6: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Skewness

Hình 3.7:Thông số Aspect Ratio và hướng dẫn yêu cầu chất lượng lưới cho FLUENT

Hình 3.9:Model sau khi được chia lưới

According to the ANSYS User Guide - Appendix A: Mesh Quality and the Meshing Application Introduction (2009), the required mesh quality for FLUENT specifies that the maximum Aspect Ratio should be less than 40 The current mesh, with a maximum Aspect Ratio of only 11.002, exceeds this requirement, indicating excellent mesh quality that ensures more accurate and reliable simulation results.

3 Xét thông số Othogonal Quality

Giá trị nhỏ nhất của Orthogonality càng cao càng tốt để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mô hình Trong nhiều trường hợp, chỉ cần Orthogonality trên mức 0.01 đã đủ để đảm bảo quá trình hội tụ thành công và mang lại kết quả phù hợp với thực nghiệm Việc duy trì Orthogonality cao giúp tối ưu hóa hiệu suất của thuật toán và nâng cao độ tin cậy của các kết quả phân tích.

Bảng 3.2: Bảng tiêu chuẩn đánh giá thông số Othor Quality [20]

Hình 3.8: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Orthogonal Quality

Dựa theo bảng tiêu chuẩn và so sánh với kết quả thu được thì giá trị Min Orthogonal Quality bằng 0.155 và nằm trong khoảng chấp nhận được

Unacceptable Bad Acceptable Good Very good Excellent

Bước 4: Tạo và thiết lập Fluent

1 Chọn trên Analysis Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

2 Nhấp đúp chuột Fluid Flow (Fluent) để đưa vào Project Schematic;

3 Ở Project Schematic nháy vào Mesh của ô B3 và kéo thả chuột sang Setup của ô C2

> nháy đúp chuột vào Setup và tiến hành thiết lập thông số

Bước 5: Setup Fluent a Setup General

1 Nháy chọn General trong Problem Setup;

2 Trong bảng giá trị General, chọn Pressure-Based cho Type, Absolute cho Velocity Formulation, Steady cho Time;

3 Nháy chọn ô Gravity và điền giá trị y = -9.81 (𝑚/𝑠 2 ); b Setup Models

1 Nháy chọn Models trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Models, nháy chọn Energy - off > Energy Equation > OK để chuyển sang Energy - On;

Hình 3.10: Setup thông số Models

3 Ở bảng thông số Models, nháy chọn Viscous - Laminar > Strandard k-epsilon (2 eqn)

1 Nháy chọn Materials trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số, nháy Create/Edit Materials > FLUENT Database Materials > water liquid (h2o) > Copy

Hình 3.11: Thêm thuộc thính vật liệu cho mô hình e Setup Cell Zone Conditions

1 Nháy chọn Cell Zone Conditions trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Cell Zone Conditions > part-cold_water > Edit… > Edit…Material Name > water liquid > OK Tương tự với part-hot_water

3 Đối với part_shell chọn Aluminium

Hình 3.12: Gắn thuộc tính vật liệu cho mô hình

1 Nháy chọn Boundary Conditions trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Boundary Conditions:

+ Chọn wall_shell > Edit… > thẻ Thermal > Convection (trong Thermal Conditions); + Nhập giá trị nhiệt độ môi trường là 20 ℃ cho Free Stream Temperature;

+ Chọn velocity_inlet_hot_water > Edit… > thẻ Momentum > nhập giá trị Velocity

Magnitude là 2,25 (m/s), Specification Method > K and Epsilon Sang thẻ Thermal > nhập giá trị nhiệt độ nước vào Temperature là 85 0 C;

To set up the cold water velocity inlet, navigate to the Velocity Inlet Cold Water section and select the Momentum tab to input a Velocity Magnitude value of 1.5 m/s Choose the Specification Method as K and Epsilon for accurate turbulence modeling Then, switch to the Thermal tab and enter the water temperature as 20°C to ensure proper thermal boundary conditions for simulation accuracy.

Hình 3.13:Setup thông số wall_shell

Hình 3.14:Thiết lập nhiệt độ Velocity inlet cold and hot water

Bước 6: Setup Solving & Run Solution Initialization

2 Ở phần Run Calculation, chọn Number of Iterations > Calculate

Hình 3.15: Thiết lập Momentum của Velocity inlet cold and hot water

Hình3.16: Thiết lập Hybrid Initialization

Hình 3.17: Thiết lập Run Calculate

Hình 3.18: Trường nhiệt độ phần vỏ

Hình 3.19:Trường nhiệt độ mặt cắt model

Hình 3.20: Trường nhiệt độ phần hot & cold water

Kiểm nghiệm lưới và mô phỏng

3.2.1 Kích thước và tính độc lập của lưới

Bảng 3.3: Grid independence study details

Mesh type No of elements Nhiệt độ Hot_water_out ( o C)

Theo lý thuyết ngoại suy Richardson, tỷ lệ sàng lọc phải lớn hơn 1,3:

Tỷ lệ sang lọc 1 = Fine mesh/Medium mesh = 3624135/1033749 = 3.5;

Tỷ lệ sang lọc 2 = Medium mesh/Coare mesh = 1033749/695457 = 1.48;

Kết quả nhiệt độ chênh lệch khá nhỏ giữa 3 loại mesh;

Những kết quả này xác nhận rằng lưới được tạo ở trong tình trạng tuyệt vời

Bảng 3.4: Bảng kết quả kiểm nghiệm

Yếu tố Lân 1 Lần 2 Lần 3 Điểm hội tụ 2366 2293 2348

Nhiệt độ Hot_water_out ( o C) 79.62 80.1 79.88 Dựa vào bảng 3.4:

- Độ chênh lệch về điểm hội tụ sau 3 lần khảo sát lớn nhất là 3.08%;

- Độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 0.6 %;

Bảng 3.5: Bảng so sánh Viscous model

Viscous model Kết quả nhiệt độ ( o C) k-epsilon Standard 79.62 80.1 k-epsilon Realizable 80.17 80.22 k-omega Standard 80.64 79.70

- Mô hình k-ɛ Realizable khác với mô hình k-ɛ Standard theo hai cách:

+ Thứ nhất, nó chứa một công thức mới cho độ nhớt hỗn loạn không phải là một hằng số như trong mô hình tiêu chuẩn mà là một biến

Thứ hai, bài viết chủ yếu đề cập đến các dự đoán cải tiến về tốc độ lan truyền của các tia phản lực, nâng cao khả năng nắm bắt dòng chảy trung bình của các cấu trúc phức tạp, đặc biệt đối với các dòng chảy liên quan đến chuyển động quay Ngoài ra, các nghiên cứu còn tập trung vào các lớp ranh giới dưới gradient áp suất bất lợi mạnh, quá trình phân tách và tái lưu thông trong lưu lượng khí động học.

Mô hình k-ω tương tự như mô hình k-ε nhưng tập trung giải quyết tốc độ tiêu tán riêng của động năng, gọi là ω (omega) Đây là mô hình phù hợp cho các dòng chảy Reynolds thấp và có thể được kết hợp với các chức năng tường để mô phỏng chính xác hơn Tuy nhiên, mô hình này phức tạp hơn, phi tuyến tính và dễ gặp khó khăn trong quá trình hội tụ so với mô hình k-ε, đồng thời nhạy cảm với giả định ban đầu của lời giải Mô hình k-ω rất hữu ích trong những trường hợp mô hình k-ε không chính xác, đặc biệt là trong các dòng chảy bên trong, các dòng chảy có độ cong mạnh, dòng chảy riêng biệt và các tia phản lực.

*Chọn mô hình k-epsilon Standard là bởi vì:

- Mô hình k-epsilon Standard chạy ổn định hơn, vì độ nhớt hỗn loạn được tính theo cách ít phức tạp hơn

- Độ chênh lệch về kết quả của cả 3 phương pháp không quá đáng kể

- Bộ mesh sử dụng chưa thật sự tốt nhất

Trong bối cảnh giới hạn về thời gian và khả năng xử lý của máy tính, việc lựa chọn phương pháp tính toán nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao là yếu tố hết sức quan trọng Để đạt được hiệu quả tối ưu trong công việc, cần tập trung vào các phương pháp tối ưu hóa tốc độ tính toán mà không làm giảm chất lượng kết quả Điều này giúp tiết kiệm thời gian, nâng cao năng suất và đảm bảo tính khả thi khi thực hiện các bài toán phức tạp trên nền tảng hạn chế về phần cứng.

Mô phỏng và xử lý số liệu

Để đánh giá hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt trong mô phỏng, nhiệt độ và vận tốc của hot_water_in được giữ cố định Các yếu tố ảnh hưởng chính đến quá trình trao đổi nhiệt bao gồm các biến số như nhiệt độ, vận tốc dòng chảy và đặc điểm vật liệu của hệ thống Việc kiểm soát các thông số này giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Mô phỏng chính xác các yếu tố này là yếu tố quan trọng để đảm bảo kết quả phân tích tin cậy và phục vụ các mục đích thiết kế, vận hành hệ thống trao đổi nhiệt.

 Vận tốc cold_water_in;

 Nhiệt độ cold_water_in;

Các thông số và cấp độ của các yếu tố ảnh hưởng:

Bảng 3.6: Thông số các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng

P2: Vận tốc cold_water_in (m/s) 1.5 2.25 3

P3: Nhiệt độ cold_water_in ( o C) 20 25 30

3.4 Xử lý số liệu theo Taguchi (L9)

Bảng 3.7: Bảng ấn định thông số của các yếu tố

STT P1: Nhiệt độ môi trường ( o C)

P2: Vận tốc cold_water_in (m/s)

P3: Nhiệt độ cold_water_in ( o C)

Mỗi thí nghiệm sẽ được mô phỏng 3 lần

Trong mô phỏng thí nghiệm 1, phần vận tốc và nhiệt độ của nước nóng đầu vào (Hot_water_in) được giữ cố định với giá trị lần lượt là 2,25 m/s, tương đương lưu lượng khoảng 6,78 l/p, và nhiệt độ là 85°C để đảm bảo tính nhất quán trong quá trình mô phỏng.

Mô phỏng thí nghiệm 1 với các yếu tố:

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1,5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);

- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 20 o C

Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 3 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 2

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ nhất

Hình 3.25: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 2

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 3 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 9 (l/p);

Hình 3.26:Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 3

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1.5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);

Hình3.35: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 5 lần thứ 3

Hình 3.36 : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 6 lần thứ nhất.

Hình 3.41 : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 7 lần thứ 3

Hình 3.42 : : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 8 lần thứ nhất

Hình 3.47: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 9 lần thứ 3.

3.4.2 Kết quả mô phỏng thí nghiệm hiệu quả trao đổi nhiệt

Bảng 3.8: Bảng kết quả mô phỏng thí nghiệm độ chênh nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt

3.4.3 Xử lý số liệu theo Taguchi

Bảng 3.9: Bảng thí nghiệm số liệu thu thập theo Mean

Tính giá trị trung bình của mỗi thí nghiệm:

P1 P2 P3 Kết quả thí nghiệm t hot_out ( o C) Các yếu tố thí nghiệm Trial 1 Trial 2 Trial 3

Với công thức trên, ta tính được giá trị Mean của từng mô phỏng và ấn định vào bảng:

Tính tỷ số SN của từng mô phỏng

Ta cần độ chênh nhiệt độ là thấp nhất do đó ta sử dụng công thức tính SN tối thiểu hóa theo công thức số [3-2]

Trong đó: n = 1, 2, 3: số lần mô phỏng j = 1, 2, …, 9: số mô phỏng

N = 3 : số lần mô phỏng cao nhất

Bảng 3.10: Bảng tỉ số SN

Bảng 3.11: Bảng giá trị trung bình của tỉ số SN

Hình 3.49: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN

Hình 3.48: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị Means

Các đồ thị từng yếu tố theo giá trị Means và SN trong hình 3.48 và 3.49 không phải là hàm thuận hoặc nghịch do các giá trị của các yếu tố phân bố ngẫu nhiên theo bảng Taguchi L9 Đồ thị gấp khúc phản ánh phân bố ngẫu nhiên của dữ liệu, trong đó yếu tố P2 có chênh lệch lớn nhất, cho thấy đây là yếu tố ảnh hưởng chính đến quá trình trao đổi nhiệt.

Theo giá trị SN, yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt là yếu tố P1, với giá trị là 20, cho thấy tầm quan trọng hàng đầu của yếu tố này trong hiệu quả truyền nhiệt Trong khi đó, các yếu tố P2 và P3 lần lượt có giá trị là 1.5 và 20, phản ánh ảnh hưởng không nhỏ nhưng ít hơn so với P1 đối với quá trình trao đổi nhiệt Việc xác định rõ yếu tố quyết định này giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành thiết bị để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt Điều này nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng theo giá trị SN nhằm cải thiện quá trình truyền nhiệt trong các hệ thống kỹ thuật.

Kiểm định kết quả trên, ta chọn phương pháp phân tích phương sai Anova để phân tích theo giá trị Means

3.4.4 Xử lý số liệu theo ANOVA x̅ = Trial 1.1 + Trial1.2 + ⋯ + Trial3.9

Tính giá trị P-value: sử dụng bảng Fisher để tra giá trị P-value

Hình 3.50: Bảng tính toán Anova từ Minitab 19 Analysis of Variance

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

THÍ NGHIỆM THỰC TẾ

Tiêu đề	Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súng
Tác giả	Nguyễn Song Tiến, Lương Văn Trường, Nguyễn Văn Hưng
Người hướng dẫn	TS. Đặng Hùng Sơn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật nhiệt
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	7,53 MB