Nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỏng động cơ đốt trong bằng phương pháp CFD

HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ ĐÌNH NHIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT CHIA LƯỚI ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ k

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ ĐÌNH NHIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT CHIA LƯỚI ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CFD

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lục

Mã số: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUỐC GlẤ TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS NGUYỄN NGỌC LINH

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS PHẠM TUẤN ANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 22 tháng 7 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ )

1 PGS.TS HUỲNH THANH CÔNG

2 TS TRẦN HỮU NHÂN

3 TS NGUYỄN NGỌC LINH

4 TS PHẠM TUẤN ANH

5 TS NGUYỄN CHÍ THANH

Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn

đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGÔ ĐÌNH NHIÊN MSHV: 13131079

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực MS: 60 52 01 16

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiền cứu ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỏng động cơ đốt trong bằng phương pháp CFD

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

2.1 Nghiên cứu, tìm hiểu các kỹ thuật chia lưới trong mô phỏng CFD nói chung, và mô phỏng động cơ đốt trong bằng phần mềm KTVAIII nói riêng

2.2 ứng dụng phần mềm KIVA III vào động cơ AVL 5402 hiện hữu bằng phương pháp mô phỏng

2.3 Từ các kết quả đạt được, đề xuất mật độ lưới phù hợp với quá trình thực hiện mô phỏng động

cơ đốt trong bằng phương pháp CFD

2.4 Tổng kết đánh giá

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/07/2017

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN LÊ DUY KHẢI

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Để luận văn hoàn thành và đạt kết quả tốt, ngoài sự cố gắng của bản thân, em xin chân thành cám ơntất cả các quý thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ ChíMinh Đặc biệt cảm ơn thầy hướng dẫn, TS Nguyễn Lê Duy Khải đã hướng dẫn em tận tình, động viên vàđịnh hướng cho em trong quá trình em thực hiện luận văn

Cảm ơn các anh chị trong lớp và các bạn đồng nghiệp đã đóng góp công sức và những ý kiến quý giá

Xin cảm ơn gia đình đã động viên giúp đỡ vật chất và tinh thần để em có thể hoàn thành tốt luận văn

Mặc dù rất cố gắng, nhưng do còn hạn chế về kiến thức, thời gian và thiết bị nên khó tránh khỏinhững thiếu sót Kính mong Quý Thầy Cô và các bạn đóng góp thêm các ý kiến quý báu để đề tài nghiêncứu này có tính ứng dụng cao

TP.HỒ Chí Minh, tháng 07 năm 2017

Học viên thực hiện

HV Ngô Đình Nhiên

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỏng động cơđốt trong bằng phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamic) Mô phỏng động cơ đốt trongbằng phương pháp CFD là một trong những phương pháp hiệu quả để đánh giá, phân tích các quátrình diễn ra bên trong động cơ Điều này giúp đưa ra các biện pháp cải tiến động cơ để nâng caohiệu suất, cải thiện các đặc tính của khí thải Do đó cần phải đảm bảo độ chính xác của kết quả môphỏng Mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu các kỹ thuật chia lưới trên phần mềm KIVA IIIvới các thông số của động cơ diesel nghiên cứu AVL 5402 để đạt được kết quả mô phỏng tốt nhất cóthể so với kết quả thực nghiệm Từ đó đưa ra độ phân giải cần thiết cho lưới mô phỏng để đạt được

độ chính xác tốt nhất có thể Kết quả nghiên cứu luận văn đóng góp một phần cho sự nghiên cứuphát triển hoàn thiện các mô phỏng sau này

ABSTRACT

Study the influence of meshing techniques on the accuracy of internal combustion enginesimulators by CFD (Computational Fluid Dynamic) method Simulation of internal combustionengine by CFD is one of the effective methods for evaluating and analyzing processes occurringinside the engine This helps to provide engine improvement measures to improve efficiency andimprove the characteristics of the exhaust gas Therefore, it is necessary to ensure the accuracy ofsimulation results The main objective of this thesis is to study meshing techniques on KIVA 3Vsoftware with parameters of AVL 5402 diesel engine to achieve the best possible simulation results,and comparison with the experimental results From there give the resolution needed for thesimulation mesh to achieve the best possible accuracy The results of the thesis research contribute

in part to the complete research and development of later simulations

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Họ và tên học viên: NGÔ ĐÌNH NHIÊN

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989 Nơi sinh: Phú Yên

Địa chỉ liên lạc: 71 Tân lập 1, Hiệp Phú, Quận 9, Tp.HCM

Số điện thoại: 01686835580

Email: nhienckd@gmail.com

Tôi xỉn cam đoan luận văn “Nghiền cứu ảnh hưởng của kỹ thuật chia lưới đến độ chính xác trong mô phỗng động cơ đốt trong bằng phương pháp CFD ” là do tôi thực hiện, không sao chép của ngườikhác Nếu sai sự thật, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật

Học viên thực hiện

Ngô Đình Nhiên

M ỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ iv

MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIÊU ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT X CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặ t vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.5 Nội dung nghiên cứu 4

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.7 Phương pháp nghiên cứu 5

1.8 Kết quả dự kiến 5

CHƯƠNG 2 Cơ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Các phương trình bảo toàn 6

2.1.1 B ảo toàn khối lượng 6

2.1.2 Bả o toàn động lượng 8

2.1.3 Bả o toàn năng lượng 8

2.2 Các kiểu chia lưới ttong mô phỏng CFD 9

2.2.1 Các dạng phần tử 10

2.2.2 Các loại lưới 11

2.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng KIVA-3V 16

2.3.1 Cấu trúc phần mềm KIVA-3V 18

2.3.2 Các mô hình sử dụng trong KIVA -3V 20

CHUÔNG 3 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN 28

3.1 Thông số kết cấu động cơ diesel AVL 5402 28

3.2 Thông số và điều kiện mô phỏng trên phần mềm KIVA-3V 30

CHUÔNG 4 TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34

4.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện tính toán mô phỏng 34

4.2 Tiến trình mô phỏng 35

4.3 Phân tích đánh giá kết quả mô phỏng 39

4.3.1 Phân tích các đường đặc tính và các thành phần trong khí thải 39

4.3.2 Phân tích chiều dài tia phun tại các mặt cắt khác nhau 46

4.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng 49

CHUÔNG 5 KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 50

5.1 Kết luận 50

5.2 Hướng phát triển đề tài 50

TÀI LỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay mô hình tính toán động lực học lưu chất (Computation Fluid Dynamics CFD) là mô hình tốt nhất để mô phỏng các quá trình cháy Để thực hiện việc mô phỏng theophương pháp này cần trải qua các giai đoạn:

model Mô tả vấn đề

- Giai đoạn tiền xử lý (Pre-processor)

• Xác định vùng tính toán

• Tạo lưới

• Đặt điều kiện biên

• Thiết lập điều kiện ban đầu

• Thiết lập mô phỏng

- Giai đoạn mô phỏng (processor)

- Giai đoạn hậu xử lý (Post- processor)

- Đánh giá kết quả

Để việc mô phỏng có kết quả chính xác cần phải thực hiện đầy đủ và chính xác các bướctrên, tuy nhiên bước tạo lưới là bước có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác của mô phỏng và thườngđược thực hiện bằng các phần mềm chuyên dùng để tạo lưới (Gridgen, ICEM, ) trước khi đưavào phần mềm mô phỏng chính Việc tạo lưới tốt hay không phụ thuộc vào việc chọn loại phần tửphù hợp, chọn cách chia lưới có cấu trúc hay không có cấu trúc, tính toán độ mịn của lưới như thếnào Cho nên chúng ta cần tìm ra những quy tắc chung khi chia lưới cho những loại vấn đề cầngiải quyết, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số của lưới đến các thông số của kết quả cần tínhtoán Đây là lý đo tác giả chọn đề tài: “NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT CHIALƯỚI ĐEN ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG cơ ĐỐT TRONG BẰNG PHƯƠNGPHÁP CFD”

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới đã có một số đề tài nghiên cứu về sự ảnh hưởng của lưới đến quá trình môphỏng dùng phương pháp CFD trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Trong đó có đề tài

“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của mật độ lưới đến độ chính xác trong tính toán bằng phương phápCFD” của P.Stasa, V.Kebo và O.Kodym [1], Các tác giả của đề tài cho rằng một trong nhữngbước quan họng trong mô phỏng dùng CFD là tạo ra mô hình hình học, tiếp đó là tạo lưới chovùng tính toán Việc mô phỏng một hiện tượng nào đó dùng CFD đòi hỏi phải rời rạc hóa miền

Trang 2

tính để thực hiện tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn Vì vậy cần phải thực hiện việcchia lưới tốt để chuẩn bị cho quá trình mô phỏng Chia lưới có vai trò rất quan trọng trong môphỏng do đó cần phải tìm sự cân bằng tối ưu giữa số lượng ô lưới và phần cứng máy tính Bài báonày giải quyết việc ứng dụng CFD trong nghành địa chất và đặc biệt giúp chúng ta so sánh môhình tính toán và mô phỏng trên một số mô hình với chất lượng lưới khác nhau Mục tiêu của đềtài này là để xác định rõ mật độ lưới ảnh hưởng như thế nào đến quá trình tính toán

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưới đến sự hội tụ và độ chính xác trong mô phỏngCFD” của Abdalla Mohamed Elraghy [2] Đề tài này nghiên cứu và khảo sát sự tương quan giữathông số lưới cánh máy bay và mô phỏng CFD Điều này góp phần nâng cao độ chính xác trong

mô phỏng CFD nhằm phục vụ cho việc thiết kế máy bay Hơn nữa điều này sẽ phục vụ cho cácnghiên cứu về sự hội tụ và sự thích nghi của lưới trong tương lai Đề tài cũng cung cấp thêm cáchiểu biết về cách tạo lưới trên phần mềm mô phỏng ANSYS, là một trong những phần mềm ứngdụng phương pháp CFD

Đề tài “Ảnh hưởng của kích thước lưới đến phân tích CFD về sự ăn mòn các chi tiết cóbiên dạng cong” của tác giả Preshit Tambey và Michael Lengyel, Jr [3], Sự ăn mòn của các hạtrắn trong dòng chảy là hiện tượng xảy ra trong các ống, van, bơm và các thiết bị truyền dẫn lưuchất khác Với sự thay đổi hướng dòng chảy của các hạt trong một chi tiết có biên dạng cong, làmcho các hạt nhỏ hơn trên thành chi tiết bị tách ra khỏi bề mặt chi tiết đó Tính toán động lực học

cơ lưu chất (CFD) về sự ăn mòn có thể cung cấp thông tin về mức độ và vị trí chịu sự ăn mòn lớnnhất trên thành chi tiết, các yếu tố như kích thước lưới có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tíchCFD do có sự khác biệt về số lượng phần tử và điểm nút Đề tài đã tiến hành nghiên cứu sự ảnhhưởng của kích thước và mật độ lưới đến chi tiết có biên dạng cong có đường kính 1.27mm sửdụng phần mềm FLUENT Dòng không khí đi qua có các hạt với kích thước 50-350 microns Kếtquả cho thấy rằng khi tăng mật độ lưới với số lượng phần tử lớn hơn đã có sự tác động đến kếtquả về mức độ ăn mòn của chi tiết

Hầu hết các đề tài nêu trên đều nghiên cứu về sự tác động các thông số của lưới và kiểuchia lưới đến mô phỏng CFD trong các lĩnh vực khác, chưa nghiên cứu về mô phỏng quá trìnhcháy của động cơ đốt trong Do đó tác giả đã chọn phần mềm KTVA và thực hiện mô phỏng quátrình cháy với các phương pháp chia lưới, thông số lưới khác nhau để nghiên cứu

Ngoài ra trong nước hiện nay có một số đề tài nghiên cứu mô phỏng về quá trình cháy củađộng cơ đốt trong dùng phương pháp CFD Trong đó có đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của hồi lưukhí thải đến độ phát thải động cơ diesel bằng phương pháp mô phỏng”của tác giả Phí Văn Cương[4], đề tài “Mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG-

Trang 3

Diesel bằng phần mềm FLUENT” của Nhóm tác giả: Trần Thanh Hải Tùng, Huỳnh Phước Sơn,Nguyễn Đình Quý [5], Các đề tài này chỉ thực hiện quá trình mô phỏng với một kiểu chia lưới,thông số lưới nhất định, và chủ yếu thay đổi các thông số khác như loại nhiên liệu,lượng phun,góc tia phun, tỉ lệ hồi lưu khí thải Chưa có sự đánh giá tính chính xác của kết quả mô phỏng

1.3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Trong phạm vi giới hạn về thời gian, nguồn lực và yêu cầu của luận văn thạc sĩ, đề tài này chỉgiới hạn nghiên cứu như sau:

- Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài chọn phần mềm KIVA và động cơ nghiên cứu AVL để thực hiện quá trình môphỏng Từ đó tìm hiểu các phương pháp chia lưới, thực hiện quá trình chia lưới và môphỏng ưên phần mềm KIVA, đồng thời thay đổi các thông số của lưới để nghiên cứu sựảnh hưởng của việc chia lưới đến độ chính xác của phương pháp mô phỏng CFD

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu các phương pháp chia lưới trong mô phỏng CFD, tìm ra ưu khuyết điểm từngloại Tìm ra sự phù hợp của từng loại lưới theo từng loại vấn đề cần mô phỏng

- Các kết quả thu được từ việc phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng việc chia lưới sẽ giúp tìmđược phương pháp chia lưới tốt nhất theo loại bài toán mô phỏng

1.5 Nội dung nghiên cứu

- Trình bày các kiểu chia lưới trong mô phỏng CFD nói chung và so sánh ưu khuyết điểmcác cách chia lưới trong phần mềm KTVA nói riêng

- Trình bày các phương trình bảo toàn có liên quan đến mô phỏng động lực học cơ lưu chất(CFD)

- Tiến hành mô phỏng quá trình cháy cho động cơ diesel AVL 5402 với các độ mịn lướikhác nhau để lấy các kết quả và xử lý

- Phân tích các kết quả tính toán mô phỏng từ đó đưa ra đánh giá về sự ảnh hưởng cácthông số của lưới, cách chia lưới đến độ chính xác của kết quả mô phỏng bằng phươngpháp CFD

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

Đề tài này là sự tiếp nối và phát triển trên cơ sở của những đề tài trước trong việc mô phỏngquá trình cháy cho động cơ đốt trong Những đề tài trước thực hiện mô phỏng với việc chia lướimang tính chủ quan chưa được phân tích đánh giá kỹ càng, dẫn đến kết quả mô phỏng chưa đượcđánh giá chính xác Do đó đề tài này nghiên cứu các phương pháp chia lưới, so sánh ưu khuyếtđiểm, thực hiện mô phỏng với sự thay đổi các thông số của lưới để tìm ra kết quả chính xác nhất

có thể cho một động cơ cụ thể Từ đó làm cơ sở tham khảo cho việc mô phỏng quá trình cháy củacác động cơ khác

- Ý nghĩa thực tiễn:

Từ kết quả nghiên cứu có thể đánh giá sự ảnh hưởng của lưới đến việc mô phỏng động cơ đốttrong Xác định rõ sự thay đổi các thông số của lưới ảnh hưởng đến các thông số kết quả môphỏng, từ đưa ra các phương án giúp nâng cao tính chính xác khi mô phỏng quá trình cháy chođộng cơ đốt trong

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của đề tài này la phương pháp lý thuyết kết hợp với mô phỏng

- Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp chia lưới trong mô phỏng động lực học lưu chất

- Mô phỏng cho động cơ diesel AVL 5402 với sự thay đổi các thông số của lưới

1.8 Kết quả dự kiến

- Kiểu lưới được lựa chọn (Lưới có cấu trúc hay không có cấu trúc)

- Các thay đổi dự kiến:

• Kích thước lưới được thay đổi từng 0,1 mm trong khoảng từ 1,5 đến 5mm

• Phân bố ô lưới đều, hay không đều

- Kết quả mô phỏng được so sánh với giá trị thực nghiệm trên động cơ AVL 5402, sử dụng nhiên liệu dầu DO chạy ở chế độ 80% tải, tốc độ 2000 vòng/phút

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các phương trình bảo toàn

Mô hình Động lực học lưu chất (CFD) là phương pháp số để giải các bài toán của dòng lưuchất không ổn định và chảy rối Các bài toán với dòng chảy đa chiều luôn luôn được giải dựa trên

hệ phương trình vi phân của các phương trình bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượngtheo thời gian và không gian Do tính phức tạp của hệ phương trình này, bài toán chỉ có thể giảitrên máy tính

Để đơn giản hoá, trong chương này ta chỉ xét dòng chảy một pha, một thành phần Thực tếtrong buồng cháy động cơ, pha khí luôn có rất nhiều thành phần và thay đổi do tham gia các phảnứng hoá học Trong động cơ diesel phun trực tiếp, dòng lưu chất có hai pha, ngoài pha khí còn cópha lỏng là các hạt nhiên liệu Trong trường hợp này, cần thêm các phương trình bảo toàn liênquan đến các thành phần nguồn hay thành phần dịch chuyển

2.1.1 Bảo toàn khối lượng

Xét phần tử có thể tích dv = dxidx2(ỈX3 như hình dưới.

Giả định phần tử này cố định trong không gian, còn dòng lưu chất di chuyển vào và ra khỏiphần tử Khối lượng trong phần tử được xem xét (control volume - CV) sẽ gia tăng nếu khốilượng vào > khối lượng ra, và ngược lại

Điều kiện cân bằng khối lượng:

(2.1)

trong đó:

đm* = -KU = dx 2 dx 2 (pv t ) Xl -đx 2 dx 2 (pv t ) Xiưx , (2.2) và tương

tự cho các sô hạng còn lại

dt

và tương tự cho các số hạng còn lại.

Ket hợp (2.1) và (2.4), dạng tổng quát của pt bảo toàn khối lượng là:

Biến đổi pt (2.6): + y + p= 0

ổí 1 ỔX, ổx,.

Với lưu chất không bị nén (chất lỏng, hoặc khí có số Ma <0.3), ta có p= const:

(2.8)

2.1.2 Bảo toàn động lượng

Phương trình bảo toàn động lượng được xây dựng cho từng phương x1; x2 và x3j theo nguyên tắc: Sự thay đổi động lượng theo thời gian sẽ bằng tổng ngoại lực tác động lên phần tử đang khảo sát (CV) Phương trình có dạng:

(2.7)

trong đó dịj là hàm delta Kronecker, dịj = 0 khi ỉ ì j, dịj = 1 khi ị = j

Với lưu chất không nén được ơv i / ôx i = 0, phương trình (2.9) trở thành:

^ = E in -E out +W g +W p +wr + Q in -Q out (2.14)

Bỏ qua thế năng, sử dụng quan hệ h = u+p/p, phương trình nhiệt năng viết lại dưới dạng:

công thêm vào cv do tiêu tán, thường bỏ qua trong phần lớn bài toán

Giả thiết nhiệt truyền chỉ do tiếp xúc, bỏ qua truyền nhiệt bức xạ, thì nhiệt truyền theo hướng X sẽlà:

• Để chỉ các ô phần tử nằm trong dòng chảy cần được tính toán

• Là sự rời rạc hóa hình dạng hình học của vấn đề cần giải quyết

• Có những nhóm ô phần tử được đặt trong một vùng nơi sẽ được áp đặt các điều kiện biên

- Lưới có ý nghĩa rất quan trọng đến:

• Độ chính xác.

• Mức độ sử dụng tài nguyên máy tính

- Các thông số quan ửọng của lưới ảnh hưởng đến kết quả là:

• Mật độ lưới

• Tỷ lệ chiều dài/Khối lượng của các ô lưới gần nhau

• Độ lệch

• Lưới loại Tet vs hex

• Lớp biên của lưới

2.2.1 Các dạng phần tử

Có nhiều dạng phần tử và kiểu lưới khác nhau Việc chọn lựa phụ thuộc vào vấn đề cần giảiquyết và khả năng giải quyết vấn đề

- Các loại phần tử:

2D prism

(quadrilateral or“quad”)

prism with quudrilaleral base (hexahedron or “hex' 1 )

prism with iriangularba^e

(wedge)

2.2.2 Các loại lưới

-3D

Hình 2.2 Các dạng phần tử [l I]

• Đường lưới phải đi qua cả giới hạn tính toán

• Có thể thấy răng dạng lưới này không thể dùng cho mọi dạng hình học

Computational Domain (im X jm cells}

Hình 2.3 Bản đồ lưu trữ [11]

Mặc khác, chứng ta không thể thêm một điểm vào lưới CFD một cách tùy ý khỉ cần mở rộng giớihạn tính toán Khỉ thêm điểm vào lưới chứng ta phải thêm cả đường (hoặc mặt phẳng đối với lưới 3D) để bảo toàn cấu trúc của lưới

Ví dụ, nếu muốn thêm một điểm giữa hai điểm (i,j)và (i+1 j) ở hình dưới, chúng ta phải thêm mộtđiểm khác giữa hai điểm (i,j+l), (i+1 j+l),Và giữa hai điểm (ij-l), (i+lj-1).

Hình 2.4 Cách thức chuyển đổi từ mô hình vật lý sang không gian máy tính[12]

Physical

4

-1

1 H

► - 4

Lưổỉ không cấu trúc

Trong lưới không cấu trúc không có một bản đồ liên hệ giữa việc lưu trữ trong bộ nhớ máytính và hình dạng cấu trúc vật

• Các ô phần tử được sắp xếp một cách tùy ý

• Không có các ô lưới đơn vị, không có sự ràng buộc trên các ô lưới

Không giống như lưới có cấu trúc, các ô lưới tại vị trí “n” tring bộ nhớ không có mối liên

hệ vật lý với các ô lưới kế bên tại vị trí “n+1” Điều này cỏ nghĩa là lưới không cấu trúc phải giảiquyết lượng công việc ít hơn để tính toán nơi đặt các ô lưới kề nhau , nhưng nó cho phép sự tự dohơn cho cấu trúc lưới CFD Chứng ta có thể làm mịn lưới ở những nơi cần thiết và làm lưới thô ờnhững nơi không cần thiết

Lưu ý rằng chúng ta cố thể chuyển đổi lưới từ có cấu trúc sang không cấu trúc Dùng lướikhông cấu trúc giúp chứng ta tránh khỏi việc luôn dùng hình tứ giác (trong 2D hoặc khối sáu mặttrong 3D) là cách mà chúng ta thường làm trong lưới cố cấu trúc Một sổ lưới không cấu trúc chỉcho phép một dạng ô lưới cho cả vùng tính toán, nhưng hầu hết cho phép chúng ta xây dựng lướivới các hình dạng ô lưới khác nhau Một sổ loại lưới không cấu trúc mới hơn thậm chí cho phépdùng dạng đa giác “n-side”, ở đó lưới có thể được xây dựng các ô phần tử với số lượng các mặttùy ý

Hình 2.5 Lưới không câu trúc 2D [13]

Hỉnh 2.6 Lưới không cáu trúc 3D [11]

Một dạng lưới không cấu trúc khác là lưới không cấu trúc dạng đề-các Tất cả các điểm củalưới được sắp xếp theo ý nghĩa của tứ “đề-các”,khi xây dựng lưới theo kiểu này chứng ta phải bắtđàu với một hình lập phương (hoặc hình vuông trong 2D) “ồ lưới” sau đó nhân rộng ra cho toànvùng tính toán, sau đó các khối lập phương được chia nhỏ ra cho đến mức cần thiết Hình dướiđây thề hiện lưới 2D của một nửa xylanh

Hình 2.7 Lưới đề-các[13]

Lưu ý rằng làm thế nào để các ô lưới xung quanh không giống các ô ở phần trung tâm Đây làđặc điểm nổi bật của loại lưới này Đe thực hiện tính toán cho loại luới này cần dùng đến kỹ thuật

“ nhúng biên” để chia lưới các bề mặt cong Do đó tất cả các hình lập phương hay hình vuông vàbiên không được chia nhỏ lưới vẫn nằm bên trong vùng được tính toán

Lưới không cấu trúc mang lại sự linh động tối đa: theo lý thuyết chúng ta có thể chia lưới bất

kỳ đâu, dù cho phức tạp Tuy nhiên chúng ta chỉ cần chia lưới ở những nơi thực sự cần thiết, tronglưới có cấu trúc, vì mọi thứ được kết nối với nhau, chúng ta thường phải chỉ ra trong một vùngrộng lớn đâu là vùng cần tính toán, trong khi lưới không cấu trúc cho phép loại bỏ các đặc trưnggây khó khăn cho quá trình tạo lưới thường có với lưới có cấu trúc

Nhưng chúng ta vẫn cần lưới có cấu trúc Có một số lý do sau đây Thứ nhất lưới cấu trúc giảiquyết những bài toán thông thường nhanh hơn lưới không cấu trúc Thứ hai, mặc dù theo lý thuyếtlưới không cấu trúc dễ tạo hơn, nhưng trong trường hợp cần tạo ra lưới có độ mịn cao thì mất thờigian tương đương so với lưới có cấu trúc

Ngoài ra với cùng một lưới không cấu trúc không thể giải quyết hơn hai bài toán, trong khi lướicấu trúc có thể là bốn, năm, hoặc sáu bài toán

Lưới lai.

Sử dụng hầu hết các dạng phần tử với nhiều dạng liên kết

Tam giác và hình chữ nhật (2D)

Tứ diện, lăng trụ và hình chóp (3D)

Hình 2.8 Lưới lai [11]

2.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng KTVA-3V

Đa số các bài toán mô tả các quá trình vật lý, trong đỗ cố hoạt động của động cơ đốt trongliên quan đến các hiện tượng của quá trình cháy: dòng chảy hỗn loạn, truyền ngọn lửa hỗn loạn,truyền nhiệt bức xạ, đánh lửa, hình thành chất gây ô nhiễm, sự truyền nhiệt qua thành xy lanhtrong động cơ diesel, sự phun nhỉên liệu, động lực học tia phun, Chứng thường được biểu diễndưới dạng các phương trình vỉ phân đạo hàm riêng

Tuy nhỉên việc xác định nghiệm của các phương trình này bằng phương pháp giải tích là rấtkhố thực hiện, do tính chất phi tuyến đặc trưng của các phương trình vi phân riêng phần mô tả cácquá trình nhiệt vật lý cùng với tính chất phức tạp của chứng do số lượng tham số và phương trình

mô tả quá trình là rất lớn Để cố thể giải được các bài toán dạng này, thông thường chúng ta sửdụng cảc phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương phảp sai phân hữuhạn (FDM) để tìm nghiệm gần đúng của chứng

Tuy nhiên việc giải chúng cũng tốn rất nhiều thời gian, trong một số trường hợp có thể làmgiảm độ chính xác của lời giải do phải loại bỏ nhiều thành phần trong mô hình để đơn giản hóaquá trình giải bài toán.

Ngày này nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin với nhiều phần mềmchuyên dụng được thương mại hóa cùng với sự ra đời của nhiều thế hệ máy tính có tốc độ xử lýcao và dung lượng lớn nên việc giải các bài toán đa biến đã trở nên tương đối đơn giản và dễ dànghơn

Hiện nay có rất nhiều phần phần mềm tính toán động lực học chất lỏng CFD (ComputionalFluid Dynamics) trên thị trường như Fluent, Kiva (Mỹ), AVL-Fừe (Áo), Star-CD (Anh), Promo(Đức) Các phần mềm này đã tính toán được quá trình cháy bên trong động cơ cho kết quả rấtphù hợp với số liệu đo bằng thực nghiêm

Một trong những phần mềm mô phỏng động lực học đa chiều mạnh là Kiva và nhánh của

nó, Kiva-2 và Kiva-3, được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) củanước Mỹ Sự thành công của phần mềm mô phỏng Kiva đã dẫn đến sự sử dụng rộng rãi Kivatrong thập kỷ qua

Hình 2.9:Osman Yasar (phòng thí nghiệm Quắc gia Los Alamos (LANL) Mỹ) kiểm tra kết quả của một mô phỏng Kiva của thí nghiệm " đòng chảy- lạnh "

Kỉva đã giúp tăng cường vị thế cạnh tranh của ngành công nghiệp ô tô Mỹ Thực tế, nhiềunhà sản xuất ô tô và động cơ lớn đã yêu cầu cần thiết phải có phần mềm Kiva Một trong nhữngcông ty sử dụng hiệu quả phần mềm Kỉva là General Motors

Dữ liệu đầu vào TAPE 17 chứa tất cả những dữ liệu đầu vào

Dữ liệu đầu ra: TAPE9 được sử dụng bời một biều đồ sau quá trình xử lý

Kiva -3V giữ lại tất cả các tính năng của Kiva- 3 trước đây, đồng thời bổ sung một tínhnăng mái thông qua mô hình hiệu quả của xupap nạp và xupap xả

Kiva 3V phiên bản 2 Một loạt các tính năng mới tăng cường, hiệu quả và hữu ích trêntổng thể của mô hình động cơ:

J Tự động khởi động lại chu kỳ trong trường hợp giới hạn số lần lặp hoặc vượt

quá nhiệt độ cho phép

J Tự động đống mở xi lanh.

J Hiệu chỉnh mặt phẳng 2D thành 3D.

Cấu trúc của Kiva - 3v chương trình gồm 3 phần chính:

— ksprep (xử lý ban đầu để tạo tinli Toán lưới)

— kivaSv (chinh tính toán code)

— origin (or excel) ■+ tecplot (sau xữ ]v đẽ tạo đố họa)

Kiva - 3 V hoạt động dựa theo cáu trúc sau:

Biểu đồ, hình ảnh 3 chiều

Main-processor kivaSv ■*

i

itape5.txt (thông hoạt động của động cơ)

4 itapeerc.txt (hằng sổ của mô hĩnh ERC) itapc!8 (dữ liệu độ nâng xú páp)

*.txt (tệp tin đầu ra chứa dữ liệu các chất trong xy lanh)

*.dat (tệp tin đầu ra chứa thõng tin trạng thái các chất

trong xy lanh tại cảc góc quay trục khuỷu định

Otapel2.txt (thông tin chung) trước)

Post-processor

Origin (or excel)

Biểu đồ - Đồ thị

Hình 2.10: cấu trúc phần mềm Kiva - 3v

2.3.2 Các mô hình sử dụng trong KIVA -3V

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của thông sổ phun nhiên liệu trên động cơ diesel phun trực tiếpđược thực hiện bằng phần mềm mô phỏng Kiva - 3v Đây là chương trình mô phỏng dựa trên cácphương trình bảo toàn và chuyển hốa về nhiệt, khối lượng và mô men giữa các pha khí trong xylanh Để mô phỏng dòng chuyển động rối, mô hình dòng chảy rối “Renormalized Group k-epsilon” (RNG k-s) được Han và Reitz xây dựng nên Ngoài ra, việc kết hợp giữa hai mô hìnhKelvin-Helmholtz và Rayleigh-

Taylor để hình thành nên mô hình lai KH-RT được sử dụng để mô phỏng quá trình phân rã tianhiên liệu (Kim và nhóm tác giả, 2004; R.D.Riezt, 1987 Bên cạnh đó, Kiva - 3v còn sử dụng rấtnhiều các mô hình phụ khác để mô phỏng các quá trình xảy ra khi nhiên liệu phun vào buồng đốtcho đến khi bắt đầu bén lửa như mô hình bay hơi nhiên liệu, mô hình truyền nhiệt giữa các phần

tử, mô hình va chạm giữa các hạt nhiên liệu (F.B.Karrholm, 2008) Việc khảo sát sự tác động củacác thông số phun đến ô nhiễm môi trường thì Kiva - 3v sử dụng mô hình Zel’dovich cho quátrình hình thành NOx (Y.B.Zel’dovich, 1946, )và tính toán sự hình thành bồ hóng cũng như quátrình ôxi hóa bồ hóng được mô phỏng bằng mô hình bồ hóng “8 bước” của Foster (N.L.D.Khai;N.Sung, 2009)

• Mô hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và Rayleỉgh-Taylor” Kiva- 3v sử dụng mô hình

lai Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor (KH-RT) để diễn tả sự phân rã tia nhiên liệu (Kim

và nhóm tác giả, 2004; R.D.Riezt, 1987) Mô hình này, được phát triển dựa trên mô hìnhTAB, là mô hình được sử dụng rất rộng rãi trong việc mô phỏng tia phun “Lagrangian” Thựcnghiệm cho thấy, mô hình KH-RT diễn tả tốt nhất các điều kiện hoạt động luôn thay đổi củađộng cơ (Lee và nhóm tác giả, 2000,) Mô hình KH-RT là sự kết hợp giữa hai mô hình phân

rã tia phun: mô hình Kelvin-Helmholtz, giải thích sự phát triển không ổn định của các sóng bềmặt của tia nhiên liệu lỏng gây ra bởi sự sai khác về vận tốc giữa pha lỏng và pha khí Môhình Rayleigh-Taylor, giải thích sự phát triển sóng bề mặt của các hạt nhiên liệu do bởi sự cọxát giữa các bề mặt hạt và khí

Theo Kelvin - Helmholtz, lớp biên của trường tia nhiên liệu sinh ra sự phát triển nhanhchóng về chiều dài sóng (ÀKH) và tốc độ hình thành (ÍỈKii) hạt nhiên liệu:

r(l + 0.45Ơ/Ỉ' 2 )(1 + 0.47 a °7)

(1 + 0.856W?67)06

Trong đó, Oh: số Ohnesorge; Ta: số Taylor; We: số Weber

(2.21)

I -' - (2.22)

Bán kính tới hạn của hạt nhiên liệu rc - bán kính hình thành sau khi hạt nhiên liệu thoát khỏitia phun - phụ thuộc chiều dài sóng ẰKH và tốc độ mà tại đó hạt nhiên liệu thoát khỏi tia phun,hoặc giá trị thời gian phân rã tia phun tKH (đại diện cho tốc độ phân rã) phụ thuộc vào chiều dàisóng ẰKH, tốc độ hình thành QKH và bán kính hạt nhiên liệu, r:

Bảng 2.1 Hằng sổ mô hình KH-RT

Theo Rayleigh - Taylor, việc xuất hiện hạt nhiên liệu bị chi phối bởi tốc độ xáo trộn trên bề mặt hạt Sự xáo trộn này bắt đầu từ đuôi của lớp biên (G.Stiesch, 2003 ) Chiều dài sóng (ÀRT) và tốc độ hình thành (QRT) cho bởi công thức:

(2.26)

Trong đó, CRT là thông số mô hình CRT xác định điều kiện để hạt phân rã thành các hạt mới có kích thước nhỏ hơn, và thông số này cũng xác định kích thước mà hạt mới đạt được

• Mô hình bay hoi hạt nhiên liệu

Thông số cơ bản để mô phỏng quá trình bay hơi của hạt nhiên liệu đó chính là thông số thờigian tồn tại của các hạt này Đe xác định thời gian tồn tại của các hạt, ta sẽ lấy đạo hàm theo thời gian khối lượng của hạt

— 2 TĨ C RT

(2.27)

Trong đó hằng số Sh là hằng số Sherwood, được tính bằng sự tương quan

• Mô hình dòng chảy rối “Renormalized Group k-epsiỉon”(RNG k- £ )

Mô hình rối RNG k-E lần đầu tiên được phát triển ttong Kiva bởi Han và Reitz (1995) Môhình này mô tả cấu trúc ngọn lửa “large-scale” tốt hơn mô hình rối k-E, cấu trúc này việc tínhtoán nhiệt độ trong xy lanh chính xác hơn nên cải thiện đáng kể việc tính toán NOx cho kiểu động

cơ có buồng đốt kim phun đơn (Kong và nhóm tác giả, 1994) Mô hình được mô tả như sau:

(2.38)

Trong phuơng trình (2.40) đến (2.42): k và £ năng luợng động luợng rối và giá trị hao phícủa nó p, u, T và p là khối luợng riêng, vận tốc, ứng suất, độ nhớt; T| là tỉ số “turbulence-to-mean-strain”; S: độ lớn “mean strain” m=0.5 và n=l 4; các hằng số của mô hình: cs = 1.5(Amsden, 1989, [21] [23]), CM = 0.0845; Cx = 1.42; c2 = 1.68; ak = a£ = 1.39; T|o = 4.38 và p =0.012 (Yakhot và nhóm tác giả, 1986)

Mô hình “temperature wall function” đã được phát triển để tính toán sự truyền nhiệt đối lưugiữa khối khí và vách xy lanh (Han và nhóm tác giả, 1995 Mô hình này

xuất phát từ phưomg trình bảo toàn năng lượng và biến thiên nhiệt động

của tỷ trọng pha khí và sự gia tăng số rối Prandtl trong lớp biên Ưu điểm

của mô hình này có thể cải thiện được kích thước không mịn của lưới gần

vách xy lanh nhằm tính toán quá trình truyền nhiệt chính xác hơn Thông

lượng nhiệt tại vách xy lanh được tính như

b) Động cơ nhìn từ bên Hình 3.2: Động cơđieselAVL 5402

CHƯƠNG3 THÔNG SỐ TÍNH TOÁN

3.1 Thông số kết cấu động cơ diesel AVL 5402

Tính toán được thực hiện với một khối cấư trúc lưới là một động cơ diesel AVL 5402 một

xy lanh, phun trực tiếp với một kim phun có 5 lỗ phun Thông số động cơ như bảng 3.1

r-045,4

Hình 3.1 Bản vẽ thiết ké piston AVL

a) Động cơ nhìn từ sau

Bảng 3.1: Thông sổ động cơ 1 xy lanh AVL 5402

Hệ thống nhiên liệu Common Rail phun trực tiếp

Kìm phun

Số lễ tia X đường kính X gốc phun 5x0.17mmx 142°