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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH TẤN ĐẠT TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH GIẢI NHIỆT ÁO NƯỚC XYLANH CỦA XE TAY GA BẰNG PHƯƠNG PHÁP

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH TẤN ĐẠT

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH GIẢI NHIỆT ÁO NƯỚC XYLANH

CỦA XE TAY GA BẰNG PHƯƠNG PHÁP

MÔ PHỎNG SỐ HỌC VÀ THỰC NGHIỆM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

S K C0 0 4 3 7 9

Trang 2

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Huỳnh Tấn Đạt Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1978 Nơi sinh: Bình Định

Quê quán: Bình Định Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Tổ 7, Ấp Thiên Bình, Đồng Nai

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …/… đến …/ …

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ 2004 đến 2008

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 04 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 4

iii

CẢM TẠ

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới PGS TS Đặng Thành Trung, người đã tận tình hướng dẫn sâu sắc về mặt khoa học và quan tâm, động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn: “Tối ưu hóa quá trình giải nhiệt từ thành xylanh ra áo nước trên xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm” để tôi hoàn thành đề tài

Xin chân thành cám ơn tất cả quý thầy cô khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, các anh chị học viên khóa trước, các bạn học viên cùng khóa đã tận tình giúp đỡ để em hoàn thành đề tài

Do trình độ và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của tất cả quý thầy cô, anh chị và các bạn

Xin chân thành cám ơn!

TP HCM, ngày 01 tháng 04 năm 2014

Huỳnh Tấn Đạt

Trang 5

TÓM TẮT

Nghiên cứu này được thực hiện bằng cả hai phương pháp thực nghiệm và mô phỏng số cho cả hai áo nước xylanh có và không xẻ rãnh để so sánh, đánh giá đặc tính truyền nhiệt của chúng trong điều kiện thay đổi về lưu lượng và nhiệt độ Lưu chất làm việc là nước

Người nghiên cứu đã thiết kế chế tạo thành công áo nước xylanh có xẻ rãnh bên

trong Trong nghiên cứu này, lòng xylanh được gia nhiệt bên trong ở cùng một nhiệt độ

từ 500 oC đến 650 o

C, nhiệt độ nước vào 30 oC, lưu lượng nước 1000 ml/phút Khi nhiệt

độ nòng xylanh tăng từ 500 0C đến 650 0C, nhiệt độ phía ngoài áo nước xylanh tăng từ

80 đến 92 0C và nhiệt độ nước ra tăng từ 52 đến 64 0C Với kết quả thu được theo phương pháp thực nghiệm, nhiệt độ phía ngoài áo nước không xẻ rãnh cao hơn 4 oC và nhiệt độ nước ra thấp hơn 4 oC so với áo nước xẻ rãnh Với kết quả thu được theo phương pháp mô phỏng số, nhiệt độ phía ngoài áo nước cao hơn 5 o

C và nhiệt độ nước

ra thấp hơn 2 oC so với áo nước xẻ rãnh

Hai phương pháp nghiên cứu đều cho ra kết luận áo nước có xẻ rãnh có quá trình trao đổi nhiệt tốt hơn so với áo nước không xẻ rãnh Kết quả thu được từ hai nghiên cứu này đồng thuận với nhau, tương ứng với sai số cực đại nhỏ hơn 8 %

Trang 6

v

ABSTRACT

The study has been carried out by both experimental and numerical simulation methods for both the cylinder water jacket with groove cutting and without groove cutting to compare and evaluate their heat transfer phenomena under changing flow rate and temperature conditions Water is the working fluid

The research has successfully designed and manufactured the cylinder water jacket with groove cutting In this study, with the inlet water temperature of 30 oC and flow rate of 1000 ml/min, when the cylinder inside temperature was varying from 500

to 650 0C, the outside surface temperature of jacket increased from 80 to 92 0C and the outlet water temperature increased from 52 to 64 0C With the results obtained by the

experimental method, the outside surface temperature of the jacket without groove cutting is higher than 4 oC and the outlet water temperature is lower than 4 °C compare with the water jacket with groove cutting With the results obtained by the numerical simulation method, the outside surface temperature of the jacket without groove cutting

is higher than 5 oC and the outlet water temperature is lower than 2 °C compare with the water jacket with grove cutting

By two methods, the results shown that the heat transfer obtained from the jactket with groove cutting is higher than that obtained from the jacket without groove cutting The results obtained from numerical analyses were in good agreement with those obtained from experiments, with maximum discrepancies estimated to be less than 8 %.

Trang 7

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Cảm 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 bảng xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan 2

1.3 Mục đích của đề tài 9

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 9

1.5 Phương pháp nghiên cứu 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Lý thuyết truyền nhiệt 10

2.2 Làm lạnh - gia nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt 12

2.3 Đối lưu tự nhiên – hệ số Grashof 15

2.4 Hệ số Nusselt 16

2.5 Dòng chảy lưu chất 16

2.6 Navier-Stokes chịu nén yếu 23

2.7 Giới thiệu phần mềm COMSOL 24

Trang 8

vii

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG SỐ 26

3.1 Mô hình thực nghiệm 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 phỏng số 31

3.2.1 Thiết lập miền con 31

3.2.2 Điều kiện biên 32

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Kết quả hình ảnh mô phỏng của áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh với lưu lượng nước 1000 ml/phút và nhiệt độ thay đổi 34

4.1.1 Ở nhiệt độ 500 0C 34

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

4.1.1.2 Hình ảnh nhiệt độ nước đầu ra của áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36

4.1.2 Ở nhiệt độ 550 0C 37

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

4.1.3 Ở nhiệt độ 600 0C 39

4.1.4 Ở nhiệt độ 650 0C 41

4.2 Kết quả hình ảnh mô phỏng của áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh với lưu lượng nước 500 ml/phút và nhiệt độ thay đổi 44

4.2.1 Ở nhiệt độ 500 0C 44

Trang 9

4.2.1.2 Hình ảnh nhiệt độ nước đầu ra 45

4.2.2 Ở nhiệt độ 550 0C 46

4.2.2.2 Hình ảnh nhiệt độ nước đầu ra 47

4.3 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của áo nước xylanh ở lưu lượng 1000 ml/phút 49

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

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

4.4 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng của áo nước xylanh ở lưu lượng 500 ml/phút 51

4.4.1 Nhiệt độ nước đầu ra của áo nước xylanh 51

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

4.5 Sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh 53

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

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

4.6 Nhiệt độ vách thành xylanh ảnh hưởng đến nhiệt độ đầu ra của nước 55

4.6.1 Trường hợp 1000 ml/phút 55

4.3.2 Trường hợp 500 ml/phút 56

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Trang 10

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ac : diện tích mặt cắt, m2

BTĐN : bộ trao đổi nhiệt

Dh : đường 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)

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH

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 của xe 6

Hình 1.7: Khoảng cách giữa các cánh tản 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 của 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 ảnh 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 thủy ngân và Nhiệt kế điện tử + đầu đo nhiệt độ 30

Hình 4.1: Hình ảnh nhiệt độ phía ngoài của áo nước xẻ rãnh, không xẻ rãnh 35

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

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

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

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

Trang 12

xi

Hình 4.4: Hình ảnh nhiệt độ nước đầu ra của áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh ở

nhiệt độ 550 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút 38

Hình 4.5: Hình ảnh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ

rãnh ở nhiệt độ 600 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút 39

Hình 4.9: Thể hiện kết quả mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách

thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra ở lưu lượng 1000 ml/phút 43

Hình 4.14: Thể hiện kết quả mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách

thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra ở lưu lượng 500 ml/phút 48

Hình 4.15: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng ở nhiệt độ nước đầu ra của áo

nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49

Hình 4.16: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía

bên ngoài của áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 50

Hình 4.17: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng ở nhiệt độ nước đầu ra của áo

nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 51

Trang 13

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

bên ngoài của 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

ở 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

ở 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

ở lưu lượng 1000 ml/phút 55

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

ở lưu lượng 500 ml/phút 56

Trang 14

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Dụng cụ đo và độ chính xác 31

Trang 15

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây sự phát triển vượt bật của ngành công nghệ ô tô và xe máy đã cho ra đời xe có hộp số tự động, để đáp ứng nhu cầu phát triển của con người ngày càng cao cần tính đến cái đẹp, thời trang, công suất 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 đời đáp ứng được nhu cầu đó

Để có những ưu điểm đó thì kết cấu 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 thấp dù xe chuyển động ở tốc độ cao

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

Vì lý do đó người thực hiện chọn đề tài “Tối ưu hóa quá trình giải 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 suất làm mát động cơ, giúp động cơ tăng công suất làm việc, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ

Trang 16

2

1.2 Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan

Xuất phát từ quá trình làm việc của động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, nấm xupap, thành xylanh) chiếm khoảng 25%  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra Vì vậy các chi tiết thường bị đốt nóng mảnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600o C, nhiệt

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

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

Trang 17

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

so sánh tính năng của hai áo nước làm mát khác nhau của động cơ Diesel 6 xylanh thẳng hàng Từ phân tích cho thấy rằng model 2 có vận tốc ở đầu áo nước được cải thiện và tổn thất áp suất giảm đã được trình bày ở hình 1.2

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

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	4,22 MB