Tối ưu hóa quá trình giải nhiệt áo nước xylanh của xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm

Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt c a các thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận

vi

M C L C

Quyết định giao đề tài

Xác nhận c a cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

L i cam đoan ii

C m tạ iii

Tóm tắt iv

Abstract v

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ix

Danh mục các hình x

Danh mục các b ng xiii

Ch ng 1 T NG QUAN 1

1.1 Tính c p thi t c ủa đ tài 1

1.2 T ng quan k t qu nghiên c u liên quan 2

1.3 M c đích của đ tài 9

1.4 Nhi m v c ủa đ tài và gi i h n đ tài 9

1.5 Ph ng pháp nghiên c u 9

Ch ng 2 C S LÝ THUY T 10

2.1 Lý thuy t truy n nhi t 10

2.2 Làm l nh - gia nhi t đ i l u vƠ h s truy n nhi t 12

2.3 Đ i l u t nhiên ậ h s Grashof 15

2.4 H s Nusselt 16

2.5 Dòng ch y l u ch t 16

2.6 Navier-Stokes ch u nén y u 23

2.7 Gi i thi u ph n m m COMSOL 24

vii

Ch ng 3 PH NG PHÁP TH C NGHI M VÀ MÔ PH NG S 26

3.1 Mô hình th c nghi m 26

3.1.1 Lắp đặt hệ thống thí nghiệm 26

3.1 2 Mẫu áo nước xylanh không xẻ rãnh 27

3.1 3 Thiết kế áo nước xylanh có xẻ rãnh 28

3.1.4 Dụng cụ đo 30

3.2 Mô ph ng s 31

3.2.1 Thiết lập miền con 31

3.2.2 Điều kiện biên 32

Ch ng 4 K T QU VÀ TH O LU N 34

4.1 K t qu hình nh mô ph ng c ủa áo n c xẻ rãnh và không xẻ rãnh v i l u l ng n c 1000 ml/phút và nhi t độ thay đ i 34

4.1.1 nhiệt độ 500 0C 34

4.1.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 34

4.1.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36

4.1.2 nhiệt độ 550 0C 37

4.1.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 37

4.1.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 38

4.1.3 nhiệt độ 600 0C 39

4.1.3.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 39

4.1.3.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 40

4.1.4 nhiệt độ 650 0C 41

4.1.4.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 41

4.1.4.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 42

4.2 K t qu hình nh mô ph ng c ủa áo n c xẻ rãnh và không xẻ rãnh v i l u l ng n c 500 ml/phút và nhi t độ thay đ i 44

4.2.1 nhiệt độ 500 0C 44

4.2.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 44

viii

4.2.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 45

4.2.2 nhiệt độ 550 0C 46

4.2.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 46

4.2.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 47

4.3 So sánh k t qu th c nghi m và mô ph ng c ủa áo n c xylanh l u l ng 1000 ml/phút 49

4.3.1 Nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49

4.3.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài c a áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 50

4.4 So sánh k t qu th c nghi m và mô ph ng c ủa áo n c xylanh l u l ng 500 ml/phút 51

4.4.1 Nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xylanh 51

4.4.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài c a áo nước xylanh 52

4.5 S truy n nhi t qua vách thành xylanh 53

4.5.1 Áo nước xylanh xẻ rãnh lưu lượng 500 ml/phút 53

4.5.2 Áo nước xylanh không xẻ rãnh lưu lượng 1000 ml/phút 54

4.6 Nhi t độ vách thành xylanh nh h ng đ n nhi t độ đ u ra của n c 55

4.6.1 Trư ng hợp 1000 ml/phút 55

4.3.2 Trư ng hợp 500 ml/phút 56

Ch ng 5 K T LU N VÀ KI N NGH 57

5.1 K t lu n 57

5.2 Ki n ngh 57

TÀI LI U THAM KH O 58

ix

DANH M C CÁC Kụ HI U VÀ CHỮ VI T T T

Ac : diện tích mặt cắt, m2

BTĐN : bộ trao đổi nhiệt

Dh : đư ng kính quy ước, m

F : hệ số ma sát Fanning

H : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K

k : hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K

L : chiều dài kênh mini, m

m : lưu lượng khối lượng, kg/s

NTU : chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)

x

DANH M C CÁC HỊNH

Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe 2

Hình 1.2: Áo nước động cơ 6 xilanh thẳng hàng model 2 3

Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh 4

Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh 5

Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh 6

Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc c a xe 6

Hình 1.7: Kho ng cách giữa các cánh t n nhiệt 7

Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu 13

Hình 2.2: Một mô phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt c a bộ trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng phần mềm COMSOL 25

Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm 26

Hình 3.2: Mô hình thực nghiệm 27

Hình 3.3: Mẫu áo nước xylanh 27

Hình 3.4: Mẫu thí nghiệm 28

Hình 3.5: Mặt bích và đệm chống vênh 28

Hình 3.6: Bulong-đai ốc và dụng cụ làm kín 29

Hình 3.7: Hình nh sau khi lắp và cổ pô 29

Hình 3.8: Thiết bị đo bề mặt bằng tia laser và bộ đo nhiệt độ 30

Hình 3.9: Nhiệt kế th y ngân và Nhiệt kế điện tử + đầu đo nhiệt độ 30

Hình 4.1: Hình nh nhiệt độ phía ngoài c a áo nước xẻ rãnh, không xẻ rãnh 35

nhiệt độ 500 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút 35

Hình 4.2: Hình nh nhiệt độ đầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36

nhiệt độ 500 0C và lưu lượng nước 1000 ml/phút 36

Hình 4.3: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 550 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút 37

xii

Hình 4.18: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía

bên ngoài c a áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 52

Hình 4.19: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 53

các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 500 ml/phút 53

Hình 4.20: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 54

các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 1000 ml/phút 54

Hình 4.21: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 55

lưu lượng 1000 ml/phút 55

Hình 4.22: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 56

lưu lượng 500 ml/phút 56

xiii

DANH M C CÁC B NG

B ng 1 Dụng cụ đo và độ chính xác 31

1

Ch ng 1

T NG QUAN

1.1 Tính c p thi t c ủa đ tài

Trong những năm gần đây sự phát triển vượt bật c a ngành công nghệ ô tô và xe máy đã cho ra đ i xe có hộp số tự động, để đáp ng nhu cầu phát triển c a con ngư i ngày càng cao cần tính đến cái đẹp, th i trang, công su t động cơ lớn, tốc độ cao và đi

lại dễ dàng không cần sang số thì xe máy có hợp số tự động gọi là xe tay ga như Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX… ra đ i đáp ng được nhu cầu đó

Để có những ưu điểm đó thì kết c u hệ thống làm mát trên xe ga cũng có nhiều khác biệt so với xe số là hệ thống làm mát bằng dung dịch, có áo nước bao quanh thành xylanh để làm mát xylanh, toàn bộ thân bao kín, tốc độ lưu thông không khí th p dù xe chuyển động tốc độ cao

Nhưng bên cạnh đó có một số loại xe khi đi vào sử dụng động cơ r t nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên, công su t làm việc động cơ gi m, nếu tiếp tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh

Vì lý do đó ngư i thực hiện chọn đề tài “Tối ưu hóa quá trình gi i nhiệt từ thành xylanh ra áo nước trên xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm” nhằm mục đích tăng hiệu su t làm mát động cơ, giúp động cơ tăng công su t làm việc, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ

2

1.2 T ng quan k t qu nghiên c u liên quan

Xu t phát từ quá trình làm việc c a động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi

tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, n m xupap, thành xylanh) chiếm kho ng 25%  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra Vì vậy các chi tiết thư ng bị đốt nóng m nh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600o C, nhiệt

độ n m xupap có thể lên tới 900oC Hình 1.1 thể hiện sự phân bố năng lượng trên xe Trong đó bao gồm 30% là t i nhiệt làm mát, 35% là t i nhiệt theo khí th i và 35% là năng lượng nhiệt có ích [1]

Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe [1]

3

Khot và Santosh [2] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và

so sánh tính năng c a hai áo nước làm mát khác nhau c a động cơ Diesel 6 xylanh

thẳng hàng Từ phân tích cho th y rằng model 2 có vận tốc đầu áo nước được c i thiện và tổn th t áp su t gi m đã được trình bày hình 1.2

Hình 1.2: Áo nước động cơ 6 xilanh thẳng hàng model 2

4

Qingzhao wang [3] đã trình bày và phân tích sự phân bố áp su t, vận tốc, hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cho áo nước đầu xylanh Kết qu phân tích cho th y rằng nước làm mát trong đầu xylanh đã thực hiện phân phối lưu lượng dòng ch y tốt và sự phân phối áp su t tương đối ch p nhận được Sự bố trí c a các phần trong đầu xylanh

đã cung c p sự tác động cần thiết để tăng kh năng làm mát trong vùng nguy hiểm, như

là xupap th i, kim phun nhiên liệu Vì vậy các chi tiết nóng sẽ không quá nóng để phá

h y Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh c a nghiên c u thể hiện hình 1.3

Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh

5

Một phân tích trạng thái truyền nhiệt ổn trên phần đầu xylanh đã được thực hiện b i

truyền nhiệt đối lưu từ không khí phía trên cánh t n nhiệt đầu xylanh và màng dầu trên các bộ phận trục khuỷu Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh đã được thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh

6

Paul cùng cộng sự [5] đã nghiên c u việc dùng không khí để gi i nhiệt cho xylanh động cơ bằng cách gi định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh được thể hiện hình 1.5

Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh

Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt c a các thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí khi độ dày c a cánh tăng lên Kho ng cách giữa các cánh gi m dần, nh hư ng đến quá trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt Số lượng cánh lớn tương ng độ dày cánh nhỏ

để gi i nhiệt cho xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết qu làm cho kh năng trao đổi nhiệt cao hơn

Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc c a xe

7

Pulkit cùng cộng sự [6] đã nghiên c u sự truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số CFD Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc c a xe, hình dạng cánh t n nhiệt và nhiệt độ xung quanh vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt

đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933.56W và 1123.03W tương ng được

mô phỏng qua hình vẽ 1.6

Masao cùng cộng sự [7] đã nghiên c u nh hư ng c a số lượng cánh, kho ng cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy Kết qu cho th y rằng nhiệt tỏa ra từ xylanh không được c i thiện khi thân xylanh có quá nhiều cánh và kho ng cách giữa các cánh quá hẹp tại những tốc độ gió quá th p, do vậy mà nhiệt độ giữa chúng sẽ tăng lên Ngoài ra kích thước cánh tối ưu khi xe đ ng yên là 20mm và khi xe di chuyển là 8mm được thể hiện như hình 1.7

Hình 1.7: Kho ng cách giữa các cánh t n nhiệt Công cụ CFD cho phép tối ưu hóa hình dạng vỏ bộ t n nhiệt c a xe t i TATA Mini đã được thực hiện b i Chackol cùng cộng sự [8] Kết qu cho th y rằng từ việc

gi i quyết các thiết kế cơ b n đã loại bỏ được vùng tuần hoàn khép kín và tăng lưu lượng gió thông qua cánh t n nhiệt kho ng 34%

Một số nghiên c u bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm cũng được

thực hiện b i Dang cùng cộng sự [10-11] Trong nghiên c u này tác gi đã sử dụng

phần mềm COMSOL để mô phỏng đặt tính truyền nhiệt và tổn th t áp su t c a một số

bộ trao đổi nhiệt kênh micro và mini Bên cạnh đó, các tác gi cũng đã nghiên c u thành công bộ t n nhiệt kênh mini thay cho két nước truyền thống

Hệ thống làm mát trên xe tay ga hiện nay ch yếu dùng dung dịch ethylene, có áo nước bao quanh thành xylanh để làm mát xylanh Tuy nhiên, hiện nay một số loại xe khi đưa vào sử dụng, động cơ r t nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên cao nếu tiếp

tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh Từ những nghiên c u liên quan trên, cũng có nhiều nghiên c u liên quan đến việc tăng cư ng gi i nhiệt cho xylanh xe gắn máy Tuy nhiên, nghiên c u thực nghiệm và mô phỏng số về tăng cư ng

gi i nhiệt cho áo nước xylanh xe máy bằng cách xẻ rãnh là đề tài khá mới, đặc biệt trong trư ng hợp mô phỏng 3D cho toàn bộ xylanh Vì vậy, việc nghiên c u tăng

cư ng làm mát cho xylanh bằng cách xẻ rãnh áo nước là hết s c cần thiết Nghiên c u này sẽ giúp động cơ tăng công su t, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ Do dung dịch ethylene nồng độ th p có hiệu qu truyền nhiệt tương đồng với nước tinh khiết [10] nên trong nghiên c u này, nước tinh khiết được sử dụng làm lưu ch t làm

việc Thêm vào đó, nghiên c u này chỉ tập trung vào nghiên c u các đặc tính truyền nhiệt ch không nghiên c u về cơ tính c a xylanh khi xẻ rãnh

Về tình hình nghiên c u gi i nhiệt két nước và áo nước trên xe ô tô cũng như xe máy Việt Nam, r t ít nhà nghiên c u đã đề cập v n đề này và công bố kết qu trên các nguồn dữ liệu chính thống

9

1.3 M c đích của đ tài

Đề tài này tập trung nghiên c u đánh giá quá trình gi i nhiệt giữa thành

xylanh và áo nước trên xe tay ga Mục đích c a đề tài nhằm nghiên c u đánh giá để làm tăng hiệu su t làm mát cho động cơ, giúp động cơ tăng công su t làm việc, hoạt động ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ

1.4 Nhi m v của đ tƠi vƠ gi i h n đ tài

Tập trung nghiên c u đánh giá quá trình trao đổi nhiệt áo nước và thành xylanh trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan

Nghiên c u tạo rãnh trên thành áo nước xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm

Nghiên c u này thực hiện điều kiện truyền nhiệt ổn định, nắp máy không đổi

Đề tài này chỉ tập trung vào nghiên c u các đặc tính truyền nhiệt ch không nghiên c u về cơ tính c a xylanh khi xẻ rãnh

Do kh năng và th i gian có hạn nên tác gi chỉ tập trung vào phân tích quá trình trao đổi nhiệt giữa áo nước và thành xylanh trên xe tay ga, không có nghiên c u về phần kết c u

1.5 Ph ng pháp nghiên c u

Tổng quan các kết qu phân tích c a các nghiên c u liên quan

Phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm

So sánh kết qu

Về cơ b n có ba phương th c sau:

Dẫn nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật ch t có nhiệt độ khác nhau khi

tiếp xúc trực tiếp nhau Trong quá trình này, nhiệt lượng truyền qua, còn vật ch t đ ng yên Trao đổi nhiệt đối lưu: x y ra giữa lưu ch t (khí) và bề mặt rắn mà đó có nhiệt độ khác nhau Lúc này truyền nhiệt gắn liền với dòng ch y

Trao đổi nhiệt b c xạ: Ch yếu là do trao đổi c a năng lượng sóng điện từ Trong trao đổi nhiệt b c xạ không cần tiếp xúc Nó là quá trình trao đổi nhiệt qua lại giữa năng lượng sóng điện từ và nhiệt năng

Các định luật cơ b n chi phối t t c sự truyền nhiệt là định luật th nh t c a nhiệt động lực học, thư ng được gọi là nguyên tắc b o toàn năng lượng [7, 8] Tuy nhiên, nội năng U, là một đại lượng khá ph c tạp để đo lư ng và sử dụng trong mô

phỏng Vì vậy, các định luật cơ b n thư ng được viết lại trong điều kiện nhiệt độ,

T Đối với một lưu ch t, có phương trình nhiệt là:

•  là khối lượng riêng, kg/m3

• C p là nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

• T là nhiệt độ tuyệt đối, K

• u là vector vận tốc, m/s

• qlà khối lượng riêng dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m2

• p là áp su t, Pa

• Q nguồn gia nhiệt, W/m3

Xu t phát từ phương trình (2-1), một số quan hệ nhiệt động lực học đã được sử dụng Phương trình cũng cho rằng khối lượng luôn luôn được b o toàn, có nghĩa

là khối lượng riêng và vận tốc ph i được liên hệ thông qua:

lệ thuận với gradient nhiệt độ:

Phần th hai bên ph i c a phương trình (2-1) đặc trưng gia nhiệt nhớt c a lưu

ch t Một phần tương tự x y ra từ bên trong làm gi m độ nhớt c a ch t rắn Toán tử ":" thể hiện dạng thu gọn và trong trư ng hợp này nó có thể được viết với hình th c sau đây:

n m nm nm

(2-3)

12

Phần th ba đặc trưng cho áp su t làm việc và mang ý nghĩa vật lý cho việc gia nhiệt c a một lưu ch t trong quá trình nén đoạn nhiệt và cho một số hiệu ng âm thanh nhiệt Nói chung thành phần này có giá trị nhỏ đối với các dòng ch y có số Mach th p Thay phương trình (2-2) vào phương trình (2-1), sắp xếp lại các phần và bỏ qua gia nhiệt nhớt và áp su t làm việc ta được phương trình nhiệt có hình th c đơn gi n hơn:

biểu thị các dòng sóng điện từ phát ra từ một vật nhiệt độ nh t định Phần này nghiên c u lý thuyết sau quá trình truyền nhiệt b c xạ x y ra trên bề mặt c a một vật

2.2 LƠm l nh - gia nhi t đ i l u vƠ h s truy n nhi t

Một trong các điều kiện biên chung nh t c a mô hình truyền nhiệt là làm mát

hoặc gia nhiệt đối lưu, trong đó một lưu ch t làm mát bề mặt bằng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng b c Về nguyên tắc, nó có thể để mô hình hóa quá trình này trong hai cách:

• Sử dụng một hệ số truyền nhiệt trên bề mặt làm mát bằng đối lưu

• M rộng mô hình để mô t dòng ch y và truyền nhiệt trong lưu ch t làm mát Phương pháp đầu tiên r t mạnh và hiệu qu Ngoài ra, chế độ ng dụng truyền nhiệt tổng quát cung c p xây dựng dựa trên việc sử dụng hệ số truyền nhiệt Đối với

hầu hết các mục đích kỹ thuật, sự sử dụng các hệ số này là một cách tiếp cận mô hình chính xác và hiệu qu Sau đó bạn mô hình hóa làm mát đối lưu bằng cách xác định

mật độ dòng nhiệt trên biên tiếp xúc với các lưu ch t làm mát, nó tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nhiệt độ trên một lớp cách nhiệt gi định Bạn mô t hệ số truyền nhiệt h, theo phương trình:

  n( k T) h T( inf T) (2- 5 ) Cách tiếp cận th hai, nó bao gồm c dòng ch y c a lưu ch t làm mát và truyền nhiệt trong mô hình, nó có thể hữu ích trong một số trư ng hợp nh t định Bạn có thể thử phương pháp này, ví dụ, hình dạng c a mô hình làm cho hệ số truyền nhiệt để thay

Khó khăn chính trong việc sử dụng hệ số truyền nhiệt là việc tính toán hoặc xác định giá trị thích hợp c a hệ số h Hệ số này phụ thuộc vào lưu ch t làm mát, đặc tính

vật liệu c a lưu ch t, nhiệt độ bề mặt và đối lưu làm mát cưỡng b c, cũng như về vận tốc dòng ch y c a lưu ch t Ngoài ra, sơ đồ hình học cũng nh hư ng đến hệ số này

Nó có thể chia làm mát đối lưu thành bốn loại chính tùy thuộc vào loại điều kiện đối lưu (tự nhiên hoặc cưỡng b c) và các loại hình học (bên trong hoặc bên ngoài dòng

ch y đối lưu) Ngoài ra, bốn trư ng hợp đều có thể là dòng ch y đối lưu ch y tầng hoặc

ch y rối, dẫn đến có tổng số tám loại đối lưu, như trong hình 2.1

Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu

Sự khác biệt giữa đối lưu tự nhiên và cưỡng b c trong thể hiện rõ khi có một

lực bên ngoài như một quạt tạo ra dòng ch y Đối lưu tự nhiên, lực nổi gây ra b i sự khác biệt nhiệt độ và gi n n nhiệt c a dòng ch y môi ch t

14

Đối với mỗi loại, các mối quan hệ khác nhau cho hệ số truyền nhiệt đã được đưa ra trong các tài liệu lien quan Đối với hầu hết các trư ng hợp, phương trình mô t hệ số h thay đổi đáng kể với các hình dạng hình học ví dụ, công th c khác nhau cho dòng

ch y tầng đối lưu cưỡng buwscbeen trong giữa một ống và một cụm những t m song song

Thư viện hệ số truyền nhiệt c a Module truyền nhiệt bao gồm một tập hợp con c a chúng Thư viện hệ số truyền nhiệt sử dụng cuốn sổ tay biểu th c dựa trên các thiết lập sau đây c a các số không th nguyên:

15

2.3 Đ i l u t nhiên ậ h s Grashof

Trong b t kỳ mô hình dòng ch y lưu ch t nào, trước khi thiết lập mô hình là cần thiết để biết b n ch t c a dòng ch y, một khía cạnh nh hư ng đến việc lựa chọn các mô hình toán học

Trong trư ng hợp dòng ch y bên ngoài, chẳng hạn như đối lưu cưỡng b c, b n

ch t c a dòng ch y được đặc trưng b i hệ số Reynolds (Re), trong đó mô t tỷ

lệ c a lực quán tính và lực nhớt Nó dựa trên vận tốc, độ nhớt, khối lượng riêng và kích thước tính toán

Tuy nhiên, phần lớn vận tốc là các biến chưa biết cho các dòng ch y bên trong như đối lưu tự nhiên Trong những trư ng hợp như vậy hệ số Grashof (Gr), đặc trưng cho dòng ch y Nó mô t tỷ lệ c a các lực bên trong (lực nâng) để một lực nhớt tác động lên lưu ch t Tương tự như vậy với hệ số Reynolds nó đòi hỏi xác định kích thước tính toán, tính ch t vật lý c a lưu ch t và chênh lệch nhiệt

độ Số Grashof được định nghĩa là:

0 2

Trong đó: g là gia tốc trọng trư ng,  là hệ số giãn n nhiệt c a lưu ch t, T biểu

thị nhiệt độ c a bề mặt nóng, T0 là nhiệt độ c a không khí xung quanh, L là kích thước tính toán,  đặc trưng cho độ nhớt động học c a lưu ch t và  là khối lượng riêng

Đối với khí lý tư ng, hệ số giãn nỡ nhiệt bằng:

Việc chuyển đổi từ dòng ch y tầng đến dòng ch y rối x y ra trong kho ng giá trị

Gr là 109, dòng ch y rối cho các giá trị lớn hơn

16

2.4 H s Nusselt

Thư viện hệ số truyền nhiệt có ch a đựng trong Module truyền nhiệt, hệ số h được

dựa trên hệ số Nusselt từ cuốn sổ tay và được thể hiện như một ch c năng c a các đặc tính vật liệu, nhiệt độ, lưu lượng dòng ch y và hình dáng hình học

Đối với đối lưu tự nhiên, mối quan hệ cho hệ số Nusselt thư ng có dạng:

Tham số C’ phụ thuộc vào hình học Số mũ n l y bằng 0.25 cho ch y tầng và 0.33 đối với dòng ch y rối Quan hệ Nusselt cho đối lưu cưỡng b c thay đổi đáng kể và không có công th c chung

Có hai loại số Nusselt: trung bình, Nu L; và cục bộ, Nu y Loại trung bình là một hình th c tích phân Nó được xác định dựa trên tổng chiều dài c a bề mặt làm mát và sinh ra một hệ số truyền nhiệt trung bình have Số Nusselt cục bộ đưa đến hệ số truyền nhiệt cục bộ tùy thuộc vào vị trí Trong trư ng hợp này, biến L trong các biểu th c được thay thế b i y, kho ng cách từ mép đầu (hoặc kho ng cách từ điểm tiếp xúc đầu tiên theo hướng dòng ch y) Trong thư viện các hệ số truyền nhiệt c hai loại Nusselt này đều được xem xét

- Bỏ qua truyền nhiệt b c xạ

Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục, phương trình mômen và phương trình năng lượng

v x

u z

w y

v x

u



(2 – 9 ) Phương trình Moment

z

u w y

u v x

u u t

u x

u x

v v x

v u t

v x

v y

w v x

w u t

w x

w z

z

T w y

T v x

T u t

Q z

T y

T x

Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên c u này, những đặc tính c a lưu

ch t như mật độ dòng nhiệt, hiệu su t truyền nhiệt, tổn th t áp su t và chỉ số hoàn thiện

c a bộ trao đổi nhiệt sẽ được đề cập như sau

Trong đó: Q là tốc độ truyền nhiệt

mw là khối lượng

Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp

Twi là nhiệt độ đầu vào

Tw0 là nhiệt độ đầu ra

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính

18

 w o w i

w w

Q

q

c

i w, o w, w w

nL

) T - (T c m

  

Trong đó m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh mini, c là nhiệt dung riêng, T w,i

và T w,o là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt,

k là hệ số truyền nhiệt tổng, và độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit

Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến mặt tư ng (c p nhiệt)

19

Đặt và t = tn - t1

Trong đó: k là hệ số truyền nhiệt, , là hệ số c p nhiệt, là bề mặt c a tư ng,

độ dẫn nhiệt, , là nhiệt độ 2 bề mặt tư ng, tn là nhiệt độ lưu thể nóng và t1 là nhiệt độ lưu thể lạnh

Chỉ số Reynolds được xác định:

 c c

h

D W

m wD



D

L f D

L w f p

h h

z, là độ nhớt động lực học,  là khối lượng riêng, A c là diện tích mặt cắt, P là chu vi ướt, L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning

Chế độ ng dụng phương trình Navier-Stokes không nén được được gi định rằng lưu ch t là không nén được, có nghĩa là  là hằng số hoặc gần như là hằng số Đây là trư ng hợp ng dụng cho t t c các lưu ch t trong điều kiện bình thư ng và cũng có

thể ng dụng cho ch t khí vận tốc th p Đối với  là hằng số phương trình (2-9)

Những điều kiện biên này mô t sự tồn tại c a một vách rắn:

Không trược là điều kiện biên chuẩn và mặt định cho một vách rắn ổn định Điều

kiện mô t lưu ch t tại vách không di chuyển

Điều kiện trượt gi định rằng không có lực nhớt tác dụng lên vách và do đó không

có hình thành một lớp biên V n đề này có thể là một x p xỉ hợp lý nếu như tác dụng quan trọng c a vách là ngăn chặn lưu ch t r i khỏi miền kh o sát Trong toán học, sự ràng buộc có thể được xây dựng như sau:

0, [ ( T)] 0

u n t p I    u u n

Trong đó t là một vector tiếp tuyến c a biên

 Đ U VÀO

21

Loại biên này có các loại khác nhau để chỉ rõ các điều kiện về một biên, nơi lưu

ch t được gi định đi vào miền kh o sát Chú ý rằng các công th c được ch a trong t t

c các loại biên mô t , một số trong số chúng có thay đổi ít Do đó, nó không có các công th c toán học ngăn chặn một lưu ch t từ miền đi qua biên

- Điều kiện vận tốc cung c p hai cách để chỉ định vận tốc đầu vào Cách th nh t thiết lập giá trị vận tốc bằng với một vector vận tốc cho trước u0:

Chú ý rằng biên pháp tuyến, n , hướng ra phía ngoài c a miền kh o sát

- Địều kiện áp su t, không ng su t nhớt chỉ rõ sự m t lực nhớt cùng với điều kiện Dirichlet trên v n đề áp su t:

là di chuyển biên ra xa hơn so với vị trí mà dòng ch y pháp tuyến đến biên, hoặc là sử

dụng một điều kiện biên ng su t Điều kiện này giống như đối với áp su t, không có điều kiện về ng su t nhớt cho điều kiện biên đầu ra Do đó, tùy thuộc vào trư ng áp

su t phần còn lại c a miền con, điều kiện biên này tốt cho điều kiện biên đầu ra

 Đ U RA

Loại biên này có các cách khác nhau để xác định điều kiện trên một biên, tại đây lưu ch t đi ra khỏi miền kh o sát Chú ý rằng t t c các công th c trong loại này có thể được tìm th y, chỉnh sửa đôi chút trong các loại biên khác Do đó, nó không có các

cần m rộng miền kh o sát cho hiện tượng này

Điều kiện biên về vận tốc cung c p hai cách để xác định vận tốc đầu ra Cách th

Nó ít ổn định hơn điều kiện biên về áp su t, không

ng su t nhớt nhưng nó phù hợp với vận tốc dòng ch y không bình thư ng

- Điều kiện không ng su t nhớt mô t sự triệt tiêu ng su t nhớt

( ( ) ).T 0

    

Điều kiện này có thể hữu ít trong một số trư ng hợp b i vì nó không áp đặt b t kì

sự ràng buộc nào về áp lực Một ví dụ điển hình cho một mô hình với lực khối làm tăng gradient áp su t thì khó thể hiện trước Tuy nhiên nó cần được kết hợp với một điều

kiện ràng buộc về áp su t để có l i gi i số ổn định

Do vậy giá trị này thiếp lập mặc định bằng không

L u ý: ng dụng phương trình Navier-Stokes chịu nén yếu đã được thiết kế để

mô phỏng dòng ch y với khối lượng riêng thay đổi, khi đó một chế độ ng dụng th hai kiểm soát khối lượng riêng b i quá trình cân bằng nhiệt

24

2.7 Gi i thi u ph n m m COMSOL

COMSOL Multiphysics có môi trư ng tương tác mạnh mẽ đối với các mô hình

và các l i gi i cho r t nhiều hiện tượng khoa học và kỹ thuật dựa trên các phương trình

vi phân từng phần (PDEs) [14] Chương trình này sử dụng các quy ước nh t quán với

nhau, nên sẽ dễ dàng trong việc tìm hiểu, sử dụng và th o luận các kết qu mô phỏng Khi gi i các mô hình vật lý này, COMSOL Multiphysics sử dụng phương pháp phần tử

hữu hạn Chương trình chạy các phép phân tích phần tử hữu hạn cùng với lưới tương

ng và kiểm soát lỗi bằng cách sử dụng các cách gi i số học khác nhau Sử dụng các

chế độ ng dụng này, chúng ta có thể thực hiện được r t nhiều kiểu phân tích bao gồm:

 Các phân tích phụ thuộc vào th i gian và ổn định

 Các phân tích tuyến tính và phi tuyến

 Các phân tích phương th c

Phương trình vi phần từng phần được hình thành dựa trên nền t ng c a các định luật khoa học và tạo nên các mô hình với một d i rộng c a khoa học và các hiện tượng trong kỹ thuật Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng COMSOL Multiphysics để mô phỏng

số học trong r t nhiều phạm vi ng dụng, như là :

 Các ph n ng hóa học  Truyền nhiệt

 Động lực học ch t lưu  Quang học

Có r t nhiều ng dụng thực tế bao gồm các liên kết đồng th i trong hệ thống đa vật lý được gi i thông qua các phương trình vi phân từng phần Có r t nhiều các liên

25

kết đa vật lý được cài đặc sẵn để cung c p cho ngư i dùng dễ sử dụng khi nhập các

ng dụng đa vật lý phổ biến Đối với các phạm vi ng dụng ch chốt chúng ta được cung c p các module tùy chọn Các module tùy chọn riêng này sử dụng các công nghệ

và phương pháp gi i riêng theo các quy tắc đặc biệt

Hỗ trợ t t c các c u tạo cơ b n c a sự truyền nhiệt, bao gồm truyền nhiệt dẫn nhiệt, đối lưu và b c xạ ( b c xạ giữa bề mặt với bề mặt hoặc bề mặt với môi trư ng)

Việc sử dụng chế độ ng dụng trong module này phụ thuộc vào ch c năng đa vật lý có

sẵn c a COMSOL Multiphysics, chúng ta có thể mô phỏng một trư ng nhiệt độ song song với các vật ch t khác Các chế độ ng dụng có sẵn gồm:

 Truyền nhiệt tổng quát bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu và b c xạ từ bề mặt này đến bề mặt khác

 Phương trình nhiệt sinh học đối với sự truyền nhiệt trong hệ thống y sinh

 Vật dẫn nhiệt tốt đối với các mô hình c a truyền nhiệt trong các c u trúc mỏng

 Chế độ ng dụng dòng ch y không đẳng nhiệt đối với dòng lưu ch t không chịu nén, không đẳng nhiệt

 Dòng ch y rối sử dụng mô hình ch y rối k- và k-

Hình 2.2: Một mô phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt c a bộ trao đổi nhiệt kênh

micro sử dụng phần mềm COMSOL