Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay

---DƯƠNG TUẤN ANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC VÀ HÌNH HỌC ĐẾN PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT TRONG ĐỘNG CƠ MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THI

-DƯƠNG TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC

VÀ HÌNH HỌC ĐẾN PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT TRONG ĐỘNG

CƠ MÁY BAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN PHÚ HÙNG

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp của tôi với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

số động học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay” đã

được hoàn chỉnh trong thời gian quy định và đã đạt được các kết quả đặt ra Đồng thời, giúp nâng cao khả năng tự nghiên cứu của bản thân tôi trong quá trình ứng dụng các thành tựu khoa học vào việc phát triển công nghệ cho đất nước

Tôi chân thành cám ơn TS Nguyễn Phú Hùng, người hướng dẫn trực tiếp cho

tôi hoàn thành luận văn này Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của thầy đã mở ra một hướng nghiên cứu mới và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với đề tài này này

Tôi cũng xin cảm ơn các giảng viên Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Máy và Thiết bị thủy khí, trường ĐHBK Hà Nội đã tạo điều kiện tra cứu các tài liệu, hướng dẫn cho tôi hoàn thành tốt đề tài của luận văn

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011

Học viên

Dương Tuấn Anh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

số động học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay” do em

tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Phú Hùng

Để hoàn thành bản đồ án này tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011

Học viên

Dương Tuấn Anh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỈ SỐ ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ x

LỜI NÓI ĐẦU xiv

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ LÀM MÁT THÀNH BUỒNG CHÁY VÀ LÁ TUABIN KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ MÁY BAY 1

I Các công nghệ làm mát lá tuabin khí 1

II Giới thiệu về công nghệ làm mát bằng tấm nhiều lỗ 3

III Ảnh hưởng của các thông số tới hiệu quả làm mát 4

3.1 Dạng hình học của lỗ làm mát: 4

3.2 Ảnh hưởng của tỉ số phun 5

3.3 Sự sắp xếp các hàng lỗ 6

3.4 Hình dạng mép vào của lỗ 7

3.5 Ảnh hưởng do rối của dòng tự do 7

3.6 Ảnh hưởng của hệ số tổn thất đối với hình dạng lỗ 9

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 12

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 12

I Giới thiệu mô hình nghiên cứu 12

1.1 Xây dựng mô hình 12

1.2 Lựa chọn miền nghiên cứu 13

1.3 Mô hình bài toán: 15

1.3.1 Các thông số hình học: 15

1.3.2 Các thông số nhiệt động học: 16

II Lưới và các điều kiện giới hạn 16

2.1 Các điều kiện giới hạn 16

2.2 Lưới 17

2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của lưới 19

III Lựa chọn model tính toán trong Fluent 20

IV Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng 21

4.1 Các biến nghiên cứu 21

4.2 Các yếu tố ảnh hưởng 22

4.2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố hình học 22

a Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* 22

b ảnh hưởng của chiều dày tấm E* 23

c Ảnh hưởng của chiều dày lớp ceramic (E2/E) 23

4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số nhiệt động học 24

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM MÁT 26

I Các thông số đầu vào 26

1.1 Các thông số hình học 26

1.2 Các thông số nhiệt động học 26

II Phần kết quả tính toán số 26

2.1 Ảnh hưởng của thông số góc nghiêng 26

2.1.1 Kết quả tính toán số với góc nghiêng 350: 27

a Trường phân bố vận tốc: 27

b Trường phân bố nhiệt độ: 28

c Tính toán ảnh hưởng của khoảng cách đến hiệu quả làm mát 29

* Tại vị trí x =1d 29

* Tại vị trí x = 3d 31

* Tại vị trí x = 20d 32

d Xây dựng các biểu thức đại số đặc trưng 33

* Biểu thức đại số của hiệu suất max theo khoảng cách 33

* Xây dựng biểu thức đại số của vận tốc max theo khoảng cách 34

* Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng ngăn cách dòng nóng và dòng làm mát theo khoảng cách 35

2.1.2 Kết quả tính toán số với góc nghiêng 450 và 600 35

a Trường phân bố vận tốc: 35

b Trường phân bố nhiệt độ: 36

c Tính toán ảnh hưởng của khoảng cách đến hiệu quả làm mát 37

d Xây dựng các hàm tính toán 38

* Hàm của hiệu suất max theo khoảng cách 38

* Xây dựng hàm của vận tốc max theo khoảng cách 39

* Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng ngăn cách dòng nóng và dòng làm mát theo khoảng cách 40

2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng tới hiệu quả làm mát 40

a Xét tại vị trí 1d 41

b Xét tại vị trí 3d 41

c Tại khoảng cách 10d: 42

2.2 Ảnh hưởng của số hàng lỗ 43

2.2.1 Với hai hàng lỗ 43

a Trường phân bố vận tốc 43

b Trường phân bố nhiệt độ 43

c Ảnh hưởng của khoảng cách đến hiệu quả làm mát 44

2.2.2 Với ba hàng lỗ 48

a Tính toán ảnh hưởng của hiệu suất làm mát theo khoảng cách 48

b Nghiên cứu ảnh hưởng của số hàng lỗ tới hiệu quả làm mát 49

2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số phun M đến hiệu quả làm mát 53

a.Tại vị trí x =1d 53

b Tại vị trí x = 3d 54

c Tại vị trí x = 5d 55

d So sánh ảnh hưởng của tỉ số phun đến hiệu suất: 55

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN ỨNG XỬ NHIỆT TRÊN TẤM PHẲNG 57

I Biểu diễn kết quả 57

1.1 Kết quả dưới dạng các giá trị quan sát 57

1.2 Kết quả dưới dạng hình ảnh phân bố nhiệt độ trên các bề mặt 57

II Kết quả 58

2.1 Ảnh hưởng của các thông số hình học 58

2.1.1 Ảnh hưởng của chiều dày tương đối lớp ceramic (E2/E) 59

a Ảnh hưởng đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic 62

b Ảnh hưởng đến sự ứng xử nhiệt trong lớp thép 64

2.1.2 Ảnh hưởng của chiều dày không thứ nguyên E* 65

a Ảnh hưởng đến sự ứng xử nhiệt trong lớp ceramic 68

b Ảnh hưởng đến sự ứng xử nhiệt trong lớp thép 69

2.1.3 Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* 70

a Ảnh hưởng của khoảng cách P* đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic 73

b Ảnh hưởng của khoảng cách P* đến ứng xử nhiệt trong lớp thép 74

2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt động học 75

2.2.1 Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt λ* 76

a Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt tương đối trong lớp ceramic 77

b Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt đối với ứng xử nhiệt trong lớp thép 79

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ số Reynold 80

a Ảnh hưởng của hệ số Reynold đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic 82

b Ảnh hưởng đến ứng xử nhiệt trong lớp thép 83

2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tương đối Ttđ 84

a Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic 85

2.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử nhiệt trong lớp thép 86

III Tổng hợp kết quả 87

3.1 Mặt cắt ceramic 88

3.2 Mặt cắt thép 90

3.3 Đánh giá kết quả 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO i

PHỤ LỤC ii

Phụ lục A: ii

1 Mô hình k - ε : Standard ii

2 Mô hình k – ε RNG iii

3 Mô hình k – ε Realizable v

Phụ lục B: Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu quả làm mát vi

1 Góc 350 vi

2 Góc 450 x

3 Góc 600 xii

4 So sánh sự biến đổi của hiệu suất theo khoảng cách: xiii

Phụ lục C: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số phun đến hiệu quả làm mát xv

1 Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách với M = 0.5 xv

2 Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách với M = 1 xviii

3 Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách với M = 1.5 xix

4 So sánh ảnh hưởng của tỉ số phun đến hiệu suất: xxi

Phụ lục D: xxiv

1 Hai hàng lỗ xxiv

2 Ba hàng lỗ xxv

3 So sánh sự biến đổi của hiệu suất theo khoảng cách đối với trường hợp 1 hàng lỗ, hai hàng lỗ và ba hàng lỗ: xxvii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỈ SỐ

Kí hiệu:

d : Đường kính lỗ làm mát (m)

D : đường kính lớn lỗ làm mát sau khi nghiêng một góc α (m)

P : khoảng cách giữa hai lỗ trong cùng hàng (m)

S : khoảng cách giữa hai hàng lỗ (m)

c c V

V M

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Các hệ thống làm mát 2

Hình 1 2 Buồng đốt động cơ ứng dụng công nghệ làm mát bằng 3

Hình 1 3 Dòng khí làm mát đi từ bề mặt ngoài vào làm mát 4

Hình 1 4 Sự sắp xếp các hàng lỗ (a): kiểu sole nhau, (b): kiểu thẳng hàng 6

Hình 2 1 Mô hình tổng quát cần nghiên cứu 12

Hình 2 2 Phân bố các lỗ theo hình vuông và so le 13

Hình 2 3 Các mặt phẳng đối xứng và tuần hoàn của tấm có các lỗ phân bố so le 14 Hình 2 5 Miền được chọn để mô phỏng 14

Hình 2 6 Mô hình bài toán làm mát lá tuabin 15

Hình 2 7 Các điều kiện giới hạn 17

Hình 2 8 Lưới được chia trong mặt phẳng vuông góc với OZ 18

Hình 2 9 Lưới được chia trong mặt phẳng vuông góc với OX 19

Hình 2 10 Biểu đồ nghiên cứu ảnh hưởng của nút lưới đến sự phân bố nhiệt độ trên hai phần vật liệu ceramic và thép 20

Hình 3 1 Mô tả trường phân bố vận tốc 27

Hình 3 2 Trường phân bố vận tốc tại ống làm mát 27

Hình 3 3 Trường phân bố nhiệt độ dọc theo ống làm mát 28

Hình 3 4 Trường phân bố nhiệt độ trên bề mặt lá tuabin 28

Hình 3 5 Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt 29

Hình 3 6 Phân bố nhiệt độ và vận tốc tại mặt cắt 1d 30

Hình 3 7 Hiệu suất và vận tốc tại vị trí x/d =1, y/d = 0 30

Hình 3 8 Phân bố nhiệt độ và vận tốc tại mặt cắt 3d 31

Hình 3 9 Hiệu suất và vận tốc tại vị trí x/d =3, y/d = 0 32

Hình 3 10 Hiệu suất tại vị trí x/d = 20 32

Hình 3 11 Đồ thị tổng hợp của hiệu suất theo khoảng cách 33

Hình 3 12 Xây dựng biểu thức đại số của hiệu suất max theo khoảng cách 34

Hình 3 13.Xây dựng biểu thức đại số của vận tốc max theo khoảng cách 34

Hình 3 14 Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng theo khoảng cách 35

Hình 3 15.Trường phân bố vận tốc với góc nghiêng 450 và 600 36

Hình 3 16 Trường phân bố nhiệt độ với góc nghiêng 450 và 600 36

Hình 3 17 Đồ thị tổng hợp của hiệu suất theo khoảng cách 37

Hình 3 18 Xây dựng biểu thức đại số của hiệu suất max theo khoảng cách 38

Hình 3 19 Xây dựng biểu thức đại số của vận tốc max theo khoảng cách 39

Hình 3 20 Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng theo khoảng cách 40

Hình 3 21 So sánh ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu suất tại vị trí 1d 41

Hình 3 22 So sánh ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu suất tại vị trí 3d 41

Hình 3 23 So sánh ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu suất tại vị trí 10d 42

Hình 3 24 Trường phân bố vận tốc 43

Hình 3 25 Trường phân bố nhiệt độ tại mặt periodic 43

Hình 3 26 Trường phân bố nhiệt độ, vận tốc, hiệu suất tại mặt cắt 1d 44

Hình 3 27 Phân bố vận tốc và hiệu suất tại x/d =1, y/d =0 44

Hình 3 28 Phân bố vận tốc và hiệu suất tại x/d =5, y/d =0 46

Hình 3 29 Đồ thị phân bố hiệu suất tại vị trí x/d =18 46

Hình 3 30 Đồ thị biểu diễn sự phân bố hiệu suất theo khoảng cách 47

Hình 3 31 Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách 48

Hình 3 32 Trường phân bố vận tốc tại tâm lỗ 49

Hình 3 33 Hiệu quả làm mát tại vị trí x/d = 1 49

Hình 3 34 Đồ thị hiệu quả làm mát tại vị trí x/d = 1 50

Hình 3 35 Đồ thị hiệu quả làm mát tại vị trí x/d = 5 50

Hình 3 36 Đồ thị hiệu quả làm mát tại x/d = 12 và x/d =18 51

Hình 3 37 Đồ thị hiệu quả làm mát tại x/d = 24 52

Hình 3 38 Hiệu quả làm mát trên bề mặt lá tuabin (1 hàng lỗ) 52

Hình 3 39 Hiệu quả làm mát trên bề mặt lá tuabin (hai hàng lỗ) 52

Hình 3 40 Hiệu quả làm mát trên bề mặt lá tuabin (ba hàng lỗ) 53

Hình 3 41 Hiệu quả làm mát tại vị trí x/d =1 53

Hình 3 42 So sánh ảnh hưởng của M đến hiệu suất tại vị trí 1d 54

Hình 3 43 So sánh ảnh hưởng của M đến hiệu suất tại vị trí 3d 54

Hình 3 44 So sánh ảnh hưởng của M đến hiệu suất tại vị trí 5d 55

Hình 3 45 Hiệu suất tại các mặt cắt 1d, 2d, 3d, 4d 56

Hình 4 1 Miêu tả kết quả dưới dạng phân bố nhiệt trên các bề mặt 58

Hình 4 2 Ảnh hưởng của ceramic đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt 61

Hình 4 3 Sự biến đổi nhiệt độ trong lớp ceramic 63

Hình 4 4 Biến đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong lỗ 64

Hình 4 5 Ảnh hưởng của chiều dày tương đối lên nhiệt độ lớp thép 65

Hình 4 6 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến sự phân bố nhiệt các bề mặt 67

Hình 4 7 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến ứng xử nhiệt của lớp ceramic 68

Hình 4 8 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến ứng xử nhiệt của lớp thép 70

Hình 4 9 Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ đến sự phân bố nhiệt các bề mặt 72

Hình 4 10 Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* đến ứng xử nhiệt lớp ceramic 73 Hình 4 11 Sự biến đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo P* 74

Hình 4 12 Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ đến ứng xử nhiệt lớp thép 75

Hình 4 13 Ảnh hưởng của λ* đến sự phân bố nhiệt các bề mặt 77

Hình 4 14 Ảnh hưởng của λ* đến ứng xử nhiệt lớp ceramic 78

Hình 4 15 Ảnh hưởng của λ* đến ứng xử nhiệt lớp thép 79Hình 4 16 Biến đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo Reynold 80Hình 4 17 Ảnh hưởng của hệ số Reynold đến phân bố nhiệt độ các bề mặt 82Hình 4 18 Ảnh hưởng của hệ số Reynold đến ứng xử nhiệt lớp ceramic 83Hình 4 19 Ảnh hưởng của hệ số Re đến ứng xử nhiệt lớp thép 84Hình 4 20 Ảnh hưởng của nhiệt độ tương đối đến ứng xử nhiệt lớp ceramic86Hình 4 21 Ảnh hưởng của nhiệt độ tương đối đến ứng xử nhiệt lớp thép 87

LỜI NÓI ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

- Cùng với sự phát triển của ngành kỹ thuật hàng không, công nghệ chế tạo động

cơ máy bay ngày càng hoàn thiện, đáp ứng các yêu cầu như: tăng công suất lực đẩy, hiệu suất nhiên liệu và độ tin cậy Một vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay là thiết kế buồng cháy và lá tuabin nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của động cơ

- Như ta đã biết, buồng cháy và lá tuabin luôn hoạt động trong môi trường nhiệt

độ rất cao (khoảng 1700K đến 2500K), do đó các phương pháp làm mát đã được áp dụng để giảm các ứng suất nhiệt sinh ra, tăng hiệu quả hoạt động và tăng hiệu quả kinh tế Việc nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến phương pháp làm mát là cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp làm mát

học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay” cho luận văn

tốt nghiệp của mình

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Sử dụng phương pháp CFD và hai phần mềm Gambit và Fluent để nghiên cứu:

- Thứ nhất, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học (góc nghiêng, số hàng lỗ) và thông số động học (tỷ số phun) tới hiệu quả làm mát trên tấm phẳng

- Thứ hai, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố hình học và động học tới ứng

xử nhiệt trên tấm phẳng

Phương pháp nghiên cứu:

Trên cơ sở phân tích, sử dụng hai phần mềm là Gambit và Fluent để xây dựng

mô hình bài toán, chia lưới và mô phỏng, tính toán các thông số động học và hình học ảnh hưởng tới hiệu quả làm mát, nghiên cứu sự trao đổi nhiệt trên tấm phẳng

Từ đó xây dựng các biểu thức đại số đặc trưng cho hiệu suất làm mát trên tấm phẳng

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Thông qua việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số động học và hình học trên thành buồng cháy và lá turbin trong động cơ máy bay, sự trao đổi ứng xử nhiệt trên tấm phẳng ta có thể rút ra kết luận về các thông số tối ưu, có thể áp dụng trong thực tiễn để chế tạo trong động cơ máy bay

Cấu trúc luận văn:

Chương I: Các công nghệ làm mát trong động cơ máy bay

Chương II: Giới thiệu mô hình nghiên cứu và các thông số ảnh hưởng

Chương III: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học và động học tới hiệu quả làm mát trên tấm phẳng

Chương IV: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học và động học tới ứng

xử nhiệt trên tấm phẳng

Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Phú Hùng Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Hùng và các Thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn Kính mong được các Thầy và các bạn đồng

nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được tốt hơn

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ LÀM MÁT THÀNH BUỒNG CHÁY VÀ

LÁ TUABIN KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ MÁY BAY

Để tăng hiệu quả làm việc của động cơ các công nghệ làm mát đã được áp dụng Tuy nhiên mỗi công nghệ lại có những ưu, nhược điểm riêng và phụ thuộc vào nhiều thông số ảnh hưởng Đánh giá về hiệu quả của mỗi công nghệ sẽ góp phần tối ưu hoá công suất lực đẩy của động cơ

I Các công nghệ làm mát lá tuabin khí

Các công nghệ làm mát đã và đang phát triển, đặc biệt là trong khoảng mười năm trở lại đây, dựa trên nguyên tắc sử dụng dòng khí làm mát ở xung quanh buồng cháy phun vào phía trong Nhiệt độ của dòng khí này vào khoảng 600K đến 900K tùy thuộc vào từng loại động cơ và các chế độ hoạt động của nó Không khí được phun vào phía trong qua các khe nhỏ, tạo thành một màng bảo vệ khí động, giúp ngăn cách tấm với dòng khí nóng

Trên cơ sở như vậy người ta đã đưa ra rất nhiều các công nghệ khác nhau (H1.1) Dạng đơn giản nhất, không khí được phun vào phía trong qua các khe hở của tấm Hệ thống này hiệu quả đối với khoang phía dưới, nhưng khả năng bảo vệ của tấm bị giới hạn do màng làm mát được tạo sẽ hòa trộn rất nhanh chóng với dòng

khí nóng phía trong (H1.1 a) Công nghệ này được gọi là công nghệ làm mát bởi

màng Đây cũng là công nghệ đầu tiên được ứng dụng vào làm mát tuabin động cơ

Một hệ thống làm mát tốt hơn, nó sử dụng một vật liệu có nhiều lỗ nhỏ (H1.1

b), nó cho phép không khí làm mát đi qua ở mọi vị trí cần thiết: công nghệ này

được gọi là công nghệ làm mát bằng dòng khí thẩm thấu Tuy nhiên, công nghệ lý

tưởng này không có khả năng ứng dụng trong thực tế của các tuabin khí trong ngành hàng không vì lý do kinh tế và công nghệ: vật liệu nhiều lỗ có giá rất đắt và tính cơ tính của nó cũng kém

Công nghệ làm mát bằng dòng khí thẩm thấu không được sử dụng, nhưng từ ý

tưởng của công nghệ này người ta đã nghiên cứu và đưa ra công nghệ mới là công

nghệ làm mát tấm phẳng nhiều lỗ (H1.1 c) Với công nghệ này, tấm sẽ được khoan

các lỗ nhỏ để không khí làm mát dịch chuyển qua, do đó tấm sẽ được làm mát bằng

sự kết hợp trao đổi nhiệt đối lưu ở hai bề mặt: bề mặt phía trên (sát luồng không khí nóng), bề mặt phía dưới (sát luồng không khí lạnh) và bề mặt trong lỗ

Dòng khí làm mát Dòng khí làm mát

vòi phun được tạo ra từ mức đầu tiên của các lỗ Tiếp đến, không khí được phun vào phía trong buồng đốt qua một khe hẹp hoặc qua một chuỗi các lỗ liên tiếp Trên đây là những công nghệ làm mát đang được nghiên cứu và áp dụng trên thế giới, mỗi công nghệ đều có những ưu, nhược điểm riêng Tuy nhiên, để có thể

áp dụng được các công nghệ này vào thực tế thì phải đáp ứng được cả hai yêu cầu

về kinh tế và kỹ thuật Với bốn công nghệ đã nêu, thì công nghệ làm mát bằng tấm phẳng nhiều lỗ là tối ưu hơn cả, nó vừa đảm bảo được vấn đề về chi phí vừa đảm bảo được yêu cầu về khả năng làm mát hiệu quả Đây cũng chính là công nghệ em quan tâm và lựa chọn để nghiên cứu trong luận văn của mình

II Giới thiệu về công nghệ làm mát bằng tấm nhiều lỗ

Trong mô hình thực tế, người ta sẽ khoan các lỗ lên thành buồng đốt và thành tuabin động cơ Các lỗ khoan có đường kính nhỏ cho phép không khí làm mát đi qua Khi đó thành sẽ được làm mát bằng trao đổi nhiệt đối lưu phía mặt trong (sát với luồng không khí nóng), mặt ngoài (sát với luồng khí làm mát) và bề mặt trong của lỗ

Hình 1 2 Buồng đốt động cơ ứng dụng công nghệ làm mát bằng

việc có tác dụng làm mát nó còn ngăn cản dòng khí nóng tác động trực tiếp vào bề mặt của thành phía trong Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt đối lưu ở phía mặt trong, mặt ngoài của thành và ở phía trong lỗ Thêm vào đó nhờ sự dẫn nhiệt của vật liệu làm thành mà buồng đốt sẽ được làm mát Nhiệt độ của thành sẽ giảm đi đáng kể,

nó cho phép buồng đốt cũng như tuabin động cơ có khả năng làm việc trong những điều kiện vô cùng khắc nghiệt

Hình 1 3 Dòng khí làm mát đi từ bề mặt ngoài vào làm mát

Bề mặt phía trong (2)

Để nghiên cứu tác động của việc làm mát chúng ta sẽ đơn giản hóa mô hình dưới dạng tấm phẳng có chiều dài hai chiều là vô hạn, trên đó ta khoan các lỗ theo phân bố xác định Ban đầu người ta chỉ nghiên cứu mô hình trên một vật liệu duy nhất, nhưng hiệu quả làm mát vẫn còn bị hạn chế, vì vậy nó liên tục được nghiên cứu để ngày một hoàn thiện Cho đến ngày nay, có thể nói công nghệ này đã đạt được một bước tiến dài về mặt kỹ thuật bằng việc tráng thêm một lớp ceramic lên trên bề mặt của vật liệu gốc mà ta nghiên cứu

III Ảnh hưởng của các thông số tới hiệu quả làm mát

nóng phía trong

làm mát, tiến hành nghiên cứu với góc 10o của lỗ khuếch tán theo chiều lá tuabin và thấy rằng dạng lỗ này làm mát tốt hơn so với lỗ hình trụ thông thường Ngoài ra đối với lỗ khuếch tán, Sen et al.[3] và Schmidt et al.[4] đã tìm thấy rằng với góc 15o sẽ

có hiệu quả làm mát tốt hơn so với lỗ hình trụ Thole et al.[5] đã thực hiện các phép

đo về trường dòng cho 3 kiểu lỗ: Lỗ hình trụ, lỗ khuếch tán phần bên và các lỗ khuếch tán tiếp theo Kết quả chỉ ra rằng với lỗ khuếch tán sẽ làm giảm sự thâm nhập của dòng khí làm mát vào dòng chính khi so sánh với lỗ hình trụ

Cho et al [8] năm 2001 nghiên cứu về ảnh hưởng của màng thành và sự truyền nhiệt của 3 loại lỗ với các góc kết hợp và sử dụng công nghệ thăng hoa của naphthalene Dạng lỗ #1 (khuyếch tán 4o theo mọi hướng), dạng lỗ #2 (khuyếch tán

8o theo một hướng) Dòng phụt ra ở góc θ = 300 với mọi lỗ Phần kiểm tra được cài đặt với góc biên (β) là 00, 450, và 900

Bảng 1 chỉ ra các thông số cho mỗi trường hợp

Bảng 1 1 Các thông số hình học của lỗ làm mát

Cho et al [8] kết luận rằng dòng qua các lỗ dạng #1 được điền đầy hơn, khuếch tán hiệu quả hơn và vùng «hiệu quả cao được mở rộng hơn Dạng lỗ #2 có vùng hiệu quả cao hẹp hơn khi so sánh với dạng lỗ #1 Điều này là do dòng làm mát đưa vào bên trong của lỗ được tách biệt với bề mặt, kết qủa là dòng làm mát phụt ra

trở nên kém khuếch tán Như vậy qua các nghiên cứu cho thấy đối với dạng lỗ hình

trụ thì góc đặt nghiêng sẽ cho hiệu quả làm mát tốt hơn so với góc đặt thẳng đứng

3.2 Ảnh hưởng của tỉ số phun

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số phun để tối ưu hiệu quả làm mát, tỉ số phun quá cao làm giảm hiệu quả làm mát do dòng làm mát phụt ra thâm nhập vào dòng chính mạnh hơn, nhưng tỉ số phun thấp thì sẽ không cung cấp đủ lượng khí làm mát

để bao phủ bề mặt hiệu quả Các nghiên cứu đã chỉ ra là tỉ số phun tốt nhất không

giống nhau đối với mỗi dạng lỗ

Goldstein et al.[2,9] và Jubran và Brown [10] đều đưa ra kết luận là tỉ số phun tốt nhất cho các lỗ hình trụ là M = 0.5 Cho et al.[8] đã so sánh ảnh hưởng của tỉ số phun đối với các dạng lỗ khác nhau Lỗ dạng #1 có hiệu quả giảm khi tăng tỉ số

phun Lỗ dạng #2 cũng có dạng tương tự khi so sánh với các lỗ dạng khác Như vậy

tỉ số phun có ành hưởng rất lớn đến hiệu quả làm mát, tỉ số phun tăng sẽ làm cho hiệu quả làm mát tăng lên

3.3 Sự sắp xếp các hàng lỗ

Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của số hàng lỗ đến hiệu quả làm mát Jubran

và Brown[10], Jabbari et al.[11], Jubran và Maiteh [12] đã chỉ ra rằng hàng kép sẽ

tạo ra sự bảo vệ tốt hơn so với một hàng Tổng diện tích lỗ của hàng kép tăng sẽ

làm giàm bớt động lượng của dòng làm mát, do đó làm giảm sự khuếch tán biên Khoảng cách giữa các lỗ càng gần nhau hiệu quả làm mát càng tốt hơn Ligrani et al.[13] chỉ ra rằng góc phức hợp được định hướng của các lỗ trong hàng thứ hai cũng làm tăng hiệu quả làm mát Thêm vào đó, các hàng lỗ đặt so le đạt hiệu quả tốt hơn các lỗ đặt thẳng hàng Dittmar et al [14] nghiên cứu hiệu quả của việc sắp xếp hai lỗ so le nhau và hai lỗ sắp xếp trong 1 hàng Nói chung, các dạng lỗ đã đưa ra

đều có hiệu quả tốt Tuy nhiên sự sắp xếp các lỗ so le nhau sẽ cho hiệu quả làm mát

tốt hơn so với sắp xếp thẳng hàng nhau Sự bố trí nhiều hàng lỗ cùng làm mát hiệu quả làm mát tốt hơn một hàng lỗ

Hình 1 4 Sự sắp xếp các hàng lỗ (a): kiểu sole nhau, (b): kiểu thẳng hàng

3.4 Hình dạng mép vào của lỗ

Hầu hết các nghiên cứu hiệu quả của dòng làm mát đối với hình dạng lỗ được thực hiện với tấm phẳng, không xét đến ảnh hưởng của độ cong ở lá tuabin thực Kim [15] đã kiểm tra 5 kiểu lỗ phun với mép vào khác nhau, Tác giả đã chỉ ra rằng với tốc độ thổi thấp, áp suất khác nhau dọc theo hàng lỗ đầu tiên nhỏ hơn dọc theo hàng lỗ thứ hai do sự phân bố áp suất xung quanh bề mặt trụ Với tốc độ thổi thấp nhất M= 0.5, hiệu quả đạt được rất thấp, đặc biệt ở hàng đầu tiên Với M = 1.7 hiệu quả làm mát của tất cả các dạng lỗ đều tốt hơn so với dạng lỗ hình trụ Hơn nữa, lỗ laid-back fan-shaped cho ta hiệu quả cao nhất, hiệu quả đối với dạng lỗ laid-

back giảm 6% so với trường hợp M = 1.3 Điều này chỉ ra rằng lỗ laid-back có ảnh

hưởng nhiều hơn bởi sự tăng tỉ số phun, khi so sánh với các dạng lỗ khác do sự phân tách của dòng làm mát

Kim[15] đưa ra kết luận là: Tỉ số phun có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả và dạng đường cong của dòng làm mát Lỗ hình trụ tăng sự tách biệt trên bề mặt khi tỉ

số phun tăng Lỗ laid-back cho hiệu quả cao nhất với đường cong rộng hơn và dốc hơn tại đường tâm lỗ Tuy nhiên các lỗ Laid-back có hiệu quả khá thấp bởi vì sự mở rộng của dòng tạo ra không đủ các động lượng biên

3.5 Ảnh hưởng do rối của dòng tự do

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ rối của dòng ra khỏi buồng cháy có thể trong khoảng từ 7% - 20% Theo Saumwber et al.[17], khi mà dòng khí được tăng tốc, cường độ rối sẽ giảm do gia tốc bên trong của van này tăng mạnh Mức rối trong điều kiện động cơ hoạt động bình thường trong khoảng từ 8 đến 12%

Những nghiên cứu về hình dạng lỗ làm mát được kiểm tra tại mức thấp của cường độ rối dòng tự do Các nghiên cứu gần đây được tập trung nhiều vào mức cưòng độ rối cao hơn Với lỗ hình trụ nghiêng 1 góc 330 so với dòng chính, Kadotani và Goldstein [18 19] đã kiểm tra cường độ rối vào khoảng 0.3 đến 20.6% với tỷ lệ chiều dài từ 0.06 đến 0.33 đường kính lỗ Với tốc độ thổi thấp, mức cao của cường độ rối làm giảm hiệu quả của đường tâm Với tốc độ thổi cao, mức cao

của rối làm tăng hiệu quả của đường tâm Điều này là do sự hoà trộn rối làm giảm

sự thâm nhập của dòng làm mát vào dòng chính

Jumper et al.[20] nghiên cứu mức rối từ 14 đến 17% trên lỗ hình trụ với góc nghiêng 300 so với dòng chính Họ thấy rằng với mức rối cao sẽ giảm hiệu năng cũng như độ dài làm mát hiệu dụng của dòng làm mát Thêm vào đó mức rối cao sẽ làm tăng tốc độ thổi tối ưu Bons et al[21] chỉ ra hiệu quả của đường tâm đối với góc nghiêng lỗ hình trụ 350 so với dòng chính giảm 70% ở mức rối 17.4% Giữa các lỗ, hiệu quả tăng từ 50 đến 100% với mức rối cao của dòng tự do

Một phát hiện quan trọng của Burd et al.[22] là phải quan tâm đến tỷ số L/D của lỗ làm mát khi so sánh ảnh hưởng của cường độ rối Họ thực hiện đo trên lỗ hình trụ với góc nghiêng 350 so với dòng chính tại hai mức cường độ rối là 0.5 và 12% trong khi tỷ số L/D thay đổi từ 2.3 đến 7 Với mức rối dòng tự do thấp và các

lỗ ngắn thì dòng làm mát được phụt ra từ màng thành sẽ lan ra rộng hơn theo hướng spanwise khi so sánh với lỗ dài Tại mức cao của rối của dòng tự do, sự khác nhau

về dòng giữa lỗ ngắn và dài là giảm rất lớn

Với những phát hiện này, Saumweber et al [17] là người đầu tiên đưa ra các thông số liên quan đến các dạng lỗ tại mức cao của dòng rối Có 3 dạng lỗ được nghiên cứu là : lỗ hình trụ, lỗ hình quạt ( fan-shaped) , và laid-back fan-shaped Sử dụng hệ thống camera hồng ngoại các nhà nghiên cứu đã kiểm tra ba dạng lỗ làm mát màng tại mức cường độ rối từ 3.6 đến 11% Tốc độ thổi từ 0.5 đến 2.5 Hiệu quả của lỗ dạng quạt đáp ứng tốt hơn so với lỗ hình trụ Hiệu quả của các lỗ giảm với mọi tốc độ thổi khi mà cường độ rối tăng Các lỗ hình trụ chỉ ra rằng hiệu quả tăng tại tốc độ thổi cao khi mà mức rối của dòng tự do tăng Bởi vì lỗ dạng quạt dòng làm mát không có xu hướng tách biệt với bề mặt (thậm chí tại tốc độ thổi cao), không có khả năng lan rộng của dòng làm mát theo hướng biên của dòng rối Lỗ dạng laid-back fan-shaped cũng giống với lỗ dạng quạt nhưng mức hiệu quả chung thì thấp hơn Tác giả cũng kết luận rằng tỷ số L/D tăng từ 2.1 đến 3.5 tại mức cường

độ rối không đổi là 5.1% không ảnh hưởng đến hiệu quả

Teng et al.[23, 24] đã kiểm tra ảnh hưởng của các dạng lỗ đến sự truyền nhiệt của lá tuabin và hiệu quả của phương pháp làm mát trong điều kiện ổn định và không ổn định Ảnh hưởng của điều kiện không ổn định tạo ra bởi mép ra của van vào của dòng vào gây tác động mạnh đến sự phân bố hệ số truyền nhiệt trên bề mặt

lá roto Bằng cách sử dụng cần xoay tại đầu vào của năm tầng lá gây ra trạng thái không ổn định, các nghiên cứu cũng mô phỏng mức cường độ rối khoảng 20% Teng et al [24] đã so sánh các dạng lỗ hình trụ, hình quạt và lay-back cho 1 hàng đơn của 9 lỗ có vị trí ở trên lá tuabin Họ kết luận rằng các dạng lỗ đó cho kết quả làm mát tốt hơn so với các dạng lỗ hình trụ đối với cả trường hợp dòng ổn định và không ổn định Trong đó, dạng lỗ quạt thì tốt hơn so với dạng lỗ layback fan-shaped Các nhà nghiên cứu chỉ ra tỷ số tốc độ thổi tăng từ 0.6 đến 1.2, hiệu quả lỗ dạng trụ giảm trong khi hiệu quả của các dạng lỗ khác tăng

Ou et al.[25] và Mehendale et al [26] mô phỏng trường hợp mất ổn định của tầng lá tuabin với phương pháp làm mát màng Họ nghiên cứu ảnh hưởng của mức không ổn định trên mô hình lá tuabin với nhiều hàng lỗ và sử dụng không khí và

CO2 làm mát Họ đo được hệ số truyền nhiệt và hiệu quả của phương pháp này tại các vị trí khác nhau sử dụng phương pháp truyền nhiệt qua lá mỏng Họ kết luận rằng hệ số truyền nhiệt tăng và hiệu quả của phương pháp làm mát giảm khi sự mất

ổn định tăng

Ảnh hưởng của mức cường độ rối đến hiệu quả làm mát phụ thuộc rất nhiều vào tỉ số phun Với tỉ số phun thấp thì mức cường độ rối tăng làm giảm hiệu quả làm mát Với tỉ số phun cao thì mức cường độ rối tăng tỉ lệ với hiệu quả làm mát

3.6 Ảnh hưởng của hệ số tổn thất đối với hình dạng lỗ

Hệ số tổn thất được sử dụng để đánh giá tổn thất dòng trong lỗ làm mát Tỉ số phun của dòng làm mát là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả của dòng làm mát, hệ số tổn thất là cần thiết để thiết kế lỗ làm mát hiệu quả Hệ số tổn thất phụ thuộc vào dạng hình học và các thông số khí động như dạng hình học của lỗ và

tỉ số áp suất dọc theo lỗ Từ những nghiên cứu của Hay và Lamprard [29], các thông số hình học chính mà hệ số tổn thất phụ thuộc là góc nghiêng, góc định

hướng, chiều dài, bán kính vào ra Bởi vì lỗ khuếch tán cải thiện được hiệu quả của phương pháp làm mát, tác giả nghiên cứu hệ số tổn thất đối với sự mở rộng lỗ Họ

đã thấy rằng hình dạng lỗ làm tăng hệ số tổn thất khi so sánh với lỗ hình trụ

Ảnh hưởng của dòng chính tới hệ số tổn thất được nghiên cứu bởi Hay et al.[30] cũng như Rowbury et al[31] Sự mở rộng dòng chính làm trở ngại đến dòng phụt ra khỏi lỗ, kết quả là hệ số tổn thất thấp hơn khi so sánh với trường hợp không

có dòng chính

Hay et al [30] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của dòng bên trong tới hệ số tổn thất Cách dòng khí làm mát được phụt trực tiếp vào lỗ làm mát có thể ảnh hưởng đến hiệu năng của dòng làm mát Trong một nghiên cứu trước đây, Dittmar et al [14] chỉ ra rằng hướng vào của dòng làm mát tới lỗ có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả làm mát Điều này là do sự thay đổi của hệ số tổn thất Gritsch et al [32] nghiên cứu về hệ số tổn thất của hình dạng lỗ với dòng bên trong gần như trục giao với dòng chính

Tương tự như dạng lỗ của Saumweber et al.[17], mà được sử dụng bởi Gritschet al [32]: Lỗ hình trụ, lỗ hình quạt, lỗ dạng layback Họ đã tiến hành hai lần kiểm tra Với lần thứ nhất, dòng khí làm mát và dòng chính có tỷ số áp suất biến đổi

từ 1 đến 2 trong khi số Mach là hằng số Với lần thứ hai, dòng bên trong có số Mach thay đổi từ 0 đến 0.6 với tỷ số áp suất là hằng và không có dòng chính

Với lỗ hình trụ, số Mach của dòng chính phụ thuộc vào số Mach của dòng bên trong Sự giảm áp suất tĩnh tại vùng nào đó ở cửa ra của lỗ là do sự tăng tốc của dòng chính Điều này làm tăng thông lượng dòng qua lỗ Các dạng lỗ đưa ra tương

tự lỗ dạng trụ nhưng ảnh hưởng của số Mach trong dòng chính giảm

Nhìn chung, giá trị của hệ số tổn thất đối với các dạng lỗ khác là cao hơn so với các dạng lỗ hình trụ Khi không xuất hiện dòng bên trong, hệ số tổn thất cho các dạng lỗ không bị ảnh hưởng bởi tỉ số áp suất Hệ số tổn thất dạng lay-back tuơng tự

hệ số tổn thất dạng fan-shaped

Họ cũng chỉ ra rằng hướng của dòng bên trong cũng ảnh hưởng đến hệ số tổn thất Gritch et al [32] cũng tiến hành kiểm tra dòng bên trong với hướng song song

và trực giao với dòng chính

Với hướng trực giao của dòng bên trong, hệ số tổn thất giảm khi số Mach của dòng bên trong tăng Cũng với hướng này, hệ số tổn thất cho các dạng lỗ không phụ thuộc vào số Mach của dòng chính Ngược lại với lỗ hình trụ ảnh hưởng của số Mach (của dòng ngoài) là yếu và phụ thuộc vào tỉ số áp suất và số Mach (của dòng bên trong)

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

I Giới thiệu mô hình nghiên cứu

1.1 Xây dựng mô hình.

Mô hình nghiên cứu được mô tả như hình vẽ:

Hình 2 1 Mô hình tổng quát cần nghiên cứu

Trong mô hình nghiên cứu, ta giả sử dòng khí nóng phía trên có phương song song với bề mặt tấm cần làm mát Dòng khí lạnh phía dưới sẽ được phun qua các lỗ làm mát tạo thành lớp màng bảo vệ, ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp của dòng khí nóng với bề mặt cần bảo vệ Trong giới hạn luận văn tốt nghiệp, em tập trung vào hai nội dung chính sau:

- Thứ nhất, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học (góc nghiêng, số hàng lỗ) và thông số động học (tỷ số phun) tới hiệu quả làm mát trên tấm phẳng

- Thứ hai, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố hình học và nhiệt động học tới ứng xử nhiệt trên tấm phẳng được cấu tạo bởi hai lớp vật liệu (thép được đặt phía dưới, sát với luồng khí làm mát, ceramic được tráng phía trên bề mặt thép, sát với luồng khí nóng)

Với mô hình nghiên cứu, các lỗ sẽ có hai dạng phân bố chính: Phân bố theo hình vuông hoặc phân bố so le

Hình 2 2 Phân bố các lỗ theo hình vuông và so le

Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tấm phẳng có các lỗ phân bố theo dạng so

le thì khả năng làm mát sẽ hiệu quả hơn so với các tấm phẳng có các lỗ phân bố theo hình vuông(3) Chính vì vậy ta sẽ tập trung nghiên cứu mô hình với phân bố lỗ theo dạng so le

1.2 Lựa chọn miền nghiên cứu

Việc lựa chọn miền nghiên cứu có ý nghĩa rất quan trọng, giúp đơn giản hóa việc áp đặt các điều kiện giới hạn cũng như giảm được thời gian tính toán Tính đối xứng đối với tấm phẳng phân bố lỗ theo dạng so le cho phép chúng ta thu nhỏ được miền nghiên cứu lại Miền thu nhỏ này phải đảm bảo được cả hai yếu tố đó là tính đối xứng và tính tuần hoàn Với mô hình nghiên cứu trên tính đối xứng và tuần hoàn luôn được đảm bảo Thành phần này được giới hạn bởi các mặt phẳng vuông góc với tấm, các mặt phẳng này được đặt theo phương dọc và phương ngang (hình2.3), các mặt phẳng này cũng là các mặt phẳng đoạn nhiệt

3

Hình 2 3Các mặt phẳng đối xứng và tuần hoàn của tấm có các lỗ phân bố so le

Với phân bố lỗ như vậy ta có thể thu nhỏ miền tính toán lại, đây là một miền nhỏ nhất được giới hạn bởi các mặt phẳng đối xứng và các mặt phẳng tuần hoàn Dựa theo các mặt phẳng đối xứng và mặt phẳng tuần hoàn đã xét ở trên thì miền nghiên cứu của chúng ta sẽ được thu nhỏ dưới dạng đơn giản như trên hình 2.4

Hình 2 4 Miền được chọn để mô phỏng

Với miền mô phỏng này ta có thể dễ dàng đưa ra được các điều kiện giới hạn đối với hai bề mặt trên và dưới và bề mặt trong lỗ

Miền mô phỏng

1.3 Mô hình bài toán:

Mô hình bài toán được mô tả như hình vẽ:

Hình 2 5 Mô hình bài toán làm mát lá tuabin

Trong mô hình bài toán (hình 2.5) ta giả sử dòng chính có phương song song với bề mặt cần làm mát Dòng làm mát phụt ra sẽ ngăn cản sự tiếp xúc của dòng chính với bề mặt lá tua bin cần bảo vệ Ống làm mát được đặt nghiêng với bề mặt lá tuabin một góc α Trong chương này em sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng tới hiệu quả làm mát Thông số góc nghiêng được thay đổi trong khoảng từ 350 đến

600 Thông số tỷ số phun M sẽ thay đổi từ 0.5 – 1.5 Thông số về số hàng lỗ thay đổi từ 1 – 3 hàng lỗ Các kết quả thu được sẽ là cơ sở để lựa chọn góc nghiêng tốt nhất cho bài toán làm mát lá tuabin khí

1.3.1 Các thông số hình học:

Mô hình nghiên cứu có dạng hình chữ nhật với kích thước 50d x 3d x 10d Dòng khí nóng mô tả được đưa vào từ vị trí x = - 3d và đưa ra ở vị trí x = 47d Lỗ làm mát có dạng hình trụ nghiêng với mặt phẳng cần làm mát một góc α ( α = 350,

α = 450, α = 600 ) Kích thước của trụ với hai bán kính là d = 2.5 mm và D = d/sin(α) Chiều dài của lỗ làm mát là h = 2d Các kích thước khác được chỉ ra trên bảng 5.1

Bảng 2.1: Thông số hình học của lỗ làm mát

1.3.2 Các thông số nhiệt động học:

Dòng khí nóng trong mô hình kiểm tra có nhiệt độ 2100K Dòng khí làm mát phụt ra có nhiệt độ 700K Vận tốc của dòng chính là 25 m/s Vận tốc của dòng làm mát là 50 m/s Mức cường độ rối là 5% Các thông số nhiệt động có thể thấy rõ qua bảng 5.2 sau:

Tms (K) Tc (K) Vms (m/s) Vc (m/s) K (%)

Bảng 2 2: Thông số nhiệt động học của lỗ làm mát

II Lưới và các điều kiện giới hạn

Để giải quyết bài toán này, trong đồ án này em sẽ lựa chọn phương pháp mô phỏng, phần mền được lựa chọn để mô phỏng là FLUENT và GAMBIT Đây là phần mền lý tưởng phù hợp để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt, tán xạ, bức xạ của bài toán này

2.1 Các điều kiện giới hạn

Các điều kiện giới hạn đưa ra là các điều kiện về nhiệt độ, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ở hai bề mặt ceramic, bề mặt thép và bề mặt lỗ Xét trong từng điều kiện nhiệt độ, áp suất…ta có những điều kiện giới hạn tương ứng là khác nhau và việc

mô phỏng số sẽ được thực hiện dưới các điều kiện sau:

- Giả thiết nghiên cứu là trạng thái tĩnh ( ( )

) 0

∂

∂

- Sự dẫn nhiệt của lớp ceramic và lớp thép là đẳng hướng

- Nhiệt độ của không khí phía bề mặt dưới và trong lỗ là giống nhau

- Sự bức xạ nhiệt được bao hàm trong hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

Với những giả thiết trên ta sẽ đưa ra các điều kiện giới hạn tương ứng

Hình 2 6 Các điều kiện giới hạn

Bề mặt ceramic phía trên sẽ có hệ số trao đổi nhiệt hceramic và một nhiệt độ không đổi Tceramic, nhiệt độ này sẽ được lựa chọn giống với nhiệt độ nóng của buồng đốt Tương tự đối với bề mặt lớp thép phía dưới, chúng ta có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hamont và nhiệt độ Tthép tương ứng với nhiệt độ của dòng khí làm mát Cuối cùng

là bề mặt lỗ với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hlỗ và nhiệt độ Tlỗ được lấy giống với nhiệt độ của dòng khí làm mát Tthép

2.2 Lưới

Miền tính toán của chúng ta là một miền 3D, lưới của thành phần này sẽ được chia nhờ ứng dụng của phần mềm GAMBIT Dạng hình học của miền này được giới hạn bởi các mặt xung quanh trong đó có 3 mặt dạng lỗ Để đơn giản chúng ta

sẽ chia lưới dưới dạng có cấu trúc và ta lựa chọn dạng lưới là dạng chữ nhật Do vậy

ta sẽ chia mô hình ra làm 5 miền (hình 2.7) Việc chia nhỏ này sẽ giúp chúng ta chia lưới được chính xác và dễ dàng hơn

Hình 2 7 Lưới được chia trong mặt phẳng vuông góc với OZ

Trong mặt phẳng cắt theo phương vuông góc với OZ, lưới của các miền 1, 3, 5

là dạng “lưới trụ”, còn lưới của các miền 2, 4 là dạng “lưới chữ nhật” Khoảng cách giữa các nút lưới được lựa chọn giống nhau Trong mặt phẳng cắt theo phương vuông góc với OX hoặc OY, tồn tại hai mặt cắt của hai phần vật liệu khác nhau là thép và ceramic Để tránh sự chênh lệch quá lớn giữa các lưới trong lớp thép và lưới trong lớp ceramic chúng ta sẽ lựa chọn số lưới trong hai mặt cắt này sao cho chiều cao của lưới thu được trên hai mặt cắt là giống nhau Để làm được như vậy ta sẽ chia lưới dưới dạng số điểm lưới chia trên một đoạn thẳng đã chọn (chia lưới theo interval count) Để đảm bảo được khoảng cách giữa các nút lưới là giống nhau lưới

sẽ được chia sao cho số điểm chia trung bình trên 0.1mm đoạn thẳng là giống nhau Với phương thức như vậy ta sẽ chia mục chia lưới ra làm hai phần

- Chia lưới trên các mặt phẳng song song với mặt phẳng XOY (Z không đổi) Như ở trên, lưới sẽ được chia ra làm 5 miền Trước tiên ta sẽ chia lưới theo phương dọc theo trục X rồi chia lưới theo phương dọc theo trục Y Với cách chia như vậy thì trên từng miền 1, 2, 3, 4, 5 sẽ có số nút lưới ở hai đầu theo phương trục X bằng nhau và số nút lưới ở hai đầu theo phương trục Y bằng nhau

- Chia lưới trên các mặt phẳng song song với mặt phẳng YOZ (X không đổi)

Hình 2 8 Lưới được chia trong mặt phẳng vuông góc với OX

Trong mặt phẳng này ta chỉ cần chia lưới trên các đoạn thẳng vuông góc với

OY trên từng phần vật liệu Ta phải đảm bảo số nút chia lưới trên hai vật liệu này sao cho chiều cao của các nút lưới (theo phương trục Z) trên hai phần vật liệu là giống nhau

2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của lưới

Để thu được một lưới tốt đảm bảo cho độ chính xác và thời gian tính toán chúng ta phải khảo sát mô hình tính toán trên các lưới khác nhau để lựa chọn ra một lưới phù hợp nhất Ta sẽ chọn một mô hình cụ thể rồi chia lưới với các khoảng cách các nút lưới theo từng trường hợp khác nhau, áp cho chúng cùng một điều kiện giới hạn rồi đánh giá kết quả thu được Lưới được xét ở đây sẽ có các khoảng cách giữa nút là giống nhau

Để đơn giản cho quá trình mô phỏng ta sẽ chọn một mô hình nhỏ, đảm bảo thời gian tính ngắn nhất Mô hình được chọn nghiên cứu với các kích thước: đường kính lỗ d=0.4mm, P*=3, E*=2, *

1

E =0.3 Các điều kiện áp dụng với mô hình này là:

Tceramic=2500K, Tthép=500K, áp suất P=40bar, Re= 8000, độ dẫn nhiệt của vật liệu thép là 16.27 W/m.k, và của ceramic là 1 W/m.k Khoảng cách giữa các nút lưới thay đổi từ 0.025mm đến 0.0125mm Tương ứng với miền khoảng cách này, số nút

lưới thay đổi từ 81634 nút lên đến 611585 nút Tất cả các trường hợp tính toán đều hội tụ, số phép lặp cần thiết phụ thuộc vào từng trường hợp chia lưới

Với mô hình này ta thu được kết quả khảo sát sau:

Nhiệt độ lớp ceramic

0 500 1000 1500 2000 2500

0 0.01 0.02 0.03

K/c nút lưới

T-c-min T-c-tb T-c-max

Hình 2 9 Biểu đồ nghiên cứu ảnh hưởng của nút lưới đến sự phân bố nhiệt độ trên

hai phần vật liệu ceramic và thép

Căn cứ vào kết quả khảo sát trên ta nhận thấy rằng nhiệt độ phân bố trên hai vật liệu ceramic và thép đều thay đổi theo khoảng cách lưới Ta cũng thấy rằng nhiệt độ lớn nhất, nhiệt độ nhỏ nhất và nhiệt độ trung bình trên hai vật liệu ceramic

có xu hướng ổn định khi khoảng cách giữa các nút lưới nhỏ hơn 0.02mm Do đó để đạt được độ chính xác và thời gian tính toán hợp lý thì khoảng cách lưới phải

này là ∆=0.02mm

III Lựa chọn model tính toán trong Fluent

Bài toán mô phỏng đạt kết quả tốt nhất khi nó chọn được model tính toán, mô phỏng phù hợp với các điều kiện thực tế Phần mềm Fluent đưa ra rất nhiều model tính toán số như:

- Model Splart-Allmaras

- Model k-ε

- Model k-ω

- Model ν2 − f

- Model ứng suất Renold ( RSM )

- Model xoáy lớn ( LES)

Trong bài toán làm mát thành buồng cháy và lá tuabin khí bằng phương pháp màng thành thì model k-ε là mô hình phù hợp nhất để mô phỏng tính toán số Điều này đã được chứng minh qua rất nhiều công trình nghiên cứu số của các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới Do đó em chọn mô hình k-ε để tính toán số trong luận văn của mình

IV Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng

4.1 Các biến nghiên cứu

Mục đích của phần này nghiên cứu ảnh hưởng của các biến hình học cũng như

là các biến nhiệt động học đến ứng xử nhiệt trên tấm phẳng nhiều lỗ Các biến này

sẽ được đưa ra dưới dạng không thứ nguyên như sau:

a Nhiệt độ:

thep ceramic

thep T T

T T

Với P, d tương ứng là khoảng cách giữa hai lỗ và đường kính của lỗ

c Chiều dày tương đối của tấm mỏng: là tỉ số giữa chiều dày tấm mỏng

E và đường kính lỗ d

E*=

d E

d Chiều dày tương đối của mặt cắt vật liệu: là tỉ số giữa chiều dày của từng vật liệu với chiều dày của tấm

Ei*=

E

E i

i=1, 2 tương ứng là mặt cắt thép và mặt cắt ceramic

e Độ dẫn tương đối giữa hai tấm vật liệu trong tấm mỏng :là tỉ số giữa độ dẫn nhiệt của vật liệu thép và vật liệu ceramic:

λ1là độ dẫn của lớp thép, λ2 là độ dẫn của lớp ceramic

f Nhiệt độ tương đối giữa lớp không khí phía trên và lớp không khí phía dưới: là tỉ số giữa nhiệt độ khí nóng phía trên và khí lạnh phía dưới

Ttđ=

thep

ceramic T T

Chú ý:

™ Các thông số nhiệt độ ở đây đều được tính theo độ Kelvin

™ Chỉ số 1 luôn ứng với vật liệu thép, chỉ số 2 luôn ứng với vật liệu ceramic

4.2 Các yếu tố ảnh hưởng

Ta sẽ đi nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ của tấm phẳng nhiều lỗ, các yếu tố này bao gồm có các yếu tố hình học và các yếu tố nhiệt động học Dựa trên các kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tương ứng ta sẽ rút ra một mô hình tối ưu nhất

4.2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố hình học

a Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P*

Ta cố định thông số hình học E* và các thông số nhiệt động học, cho P* thay đổi trong một khoảng giá trị Tương ứng với mỗi dạng hình học ta khảo sát nhiệt độ trên từng vật liệu ceramic và thép Do vậy ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* theo các thông số của bảng sau:

Các dạng hình học Các biến số không thứ nguyên

.667 4

5 333

.667

1 667

1 667

Bảng 2.3 Các mô hình nghiên cứu của khoảng cách lỗ P*

b ảnh hưởng của chiều dày tấm E*

Tương tự ta cố định thông số hình học P* và các thông số nhiệt động học, cho E* thay đổi trong một khoảng giá trị Ta cũng khảo sát nhiệt độ tương ứng trên từng vật liệu ceramic và thép Ta sẽ khảo sát ảnh hưởng của thông số này theo các dữ liệu trong bảng số liệu sau:

Các dạng hình học Các biến số

2 667

.667

2 5

3 333

Bảng 2.4 Các mô hình nghiên cứu của chiều dày không thứ nguyên

c Ảnh hưởng của chiều dày lớp ceramic (E 2 /E)

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trên tấm phẳng nhiều lỗ, nhưng rất ít các nghiên cứu quan tâm đến ảnh hưởng của lớp ceramic Do vậy trong đồ án này em có trình bày thêm về ảnh hưởng của chiều dày lớp ceramic đến việc làm mát của tấm Để xét ảnh hưởng của chiều dày lớp ceramic ta sẽ cố định khoảng cách lỗ P* và chiều dày tấm E*, cho E2/E thay đổi Ta

sẽ xét ảnh hưởng của thông số này trên các mô hình tính toán sau:

Bảng 2.5 Các mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp ceramic

Với mỗi mô hình ta đều xét đến bốn giá trị chiều dày khác nhau của lớp ceramic:

Dạng hình học 1 2 3 4

Bảng 2.6 Tỉ lệ chiều dày lớp ceramic của các mô hình mô phỏng

4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số nhiệt động học

Các biến khí động học đó là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ không khí phía mặt trên (không khí nóng), mặt dưới (khí làm mát) và trong lỗ Tương ứng với

ba bề mặt biên này là ba hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Trong thực tế thì các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu: hthép, hceramic, hlỗ đều là những thông số biến đổi Nghiên cứu của

C Foulon đã chỉ ra rằng, hai hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hthép, và hceramic không có ảnh hưởng đáng kể đến việc làm mát của tấm phẳng Việc làm mát này chịu ảnh hưởng chủ yếu của hlỗ Bởi vậy, trong bài đồ án này em sẽ tập trung nghiên cứu mô hình với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ở hai bề mặt không đổi và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ở lỗ là hàm biến đổi theo chiều cao của lỗ

Các yếu tố nhiệt động ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trên bề mặt tấm phẳng nhiều lỗ là: hệ số Reynold (trong lỗ), độ dẫn nhiệt λ* và nhiệt độ tương đối Ttđ Ta

sẽ đi nghiên cứu ảnh hưởng của ba thông số này Để đơn giản cho việc tính toán, ta

sẽ lựa chọn mô hình đơn giản nhất sao cho thời gian tính toán là ngắn nhất, vì vậy ta

sẽ chọn mô hình: d=0.6mm, P=1.6mm, E=1mm Với mô hình này ta sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số với các miền dữ liệu sau: