Quá trình hòa trộn chất lỏng trong thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu diesel là một quá trình phức tạp. Sau khi tính toán lý thuyết, sẽ chọn được các thông số cơ bản của thiết bị hòa trộn như két trộn, cánh cản,... Nhưng với mục tiêu phân bố pha ở cửa ra giữa dầu diesel và dầu cọ là đồng đều nhất trước khi tới bơm cao áp và vòi phun động cơ thì còn khá nhiều yếu tố ảnh hưởng cần phải được đánh giá và hiệu chỉnh như:
biên dạng cánh khuấy, tốc độ quay, vị trí đặt cánh, vị trí cửa ra và thời gian hòa trộn, nhiệt độ,... Để giải quyết vấn đề này, luận án sử dụng 2 phương pháp phổ biến hiện nay trên thế giới trong nghiên cứu động lực học chất lỏng là phương pháp mô phỏng số CFD và phương pháp mô phỏng đồng dạng.
2.4.1. Phương pháp mô phỏng số CFD
Ứng dụng phương pháp số vào nghiên cứu các bài toán động lực học chất lỏng nói chung đang được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng. Công đoạn này thường được đặt giữa giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giúp mở rộng phạm vi nghiên cứu lý thuyết nhưng lại thu hẹp được việc nghiên cứu thực nghiệm.
Trong các bài toán liên quan đến động lực học chất lỏng thì công cụ số được dùng phổ biến hiện nay là CFD (Computational Fluid Dynamics). Cụ thể trong bài toán nghiên cứu thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu diesel và dầu cọ dạng thùng khuấy, luận án sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để nghiên cứu. Đây là phần mềm uy tín và khá ưu việt khi giải quyết các bài toán động lực học dòng chất lỏng với điều kiện biên phức tạp.
Fluent-Ansys là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến quá trình cháy trong buồng đốt. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm.
Các tính năng đặc trưng của phần mềm bao gồm:
- Lưới, số hóa và xử lý song song: FLUENT sử dụng công nghệ lưới không cấu trúc, nghĩa là lưới có thể bao gồm các phần tử ở các hình dạng khác nhau như lưới tứ giác và tam giác cho mô phỏng 2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện, lăng trụ và kim tự tháp cho mô phỏng 3D;
- Truyền nhiệt, chuyển pha và bức xạ: trong các mô hình bức xạ đã được xây dựng bao gồm cả mô hình P1 và Rosseland. Mô hình rời rạc thông thường cũng có và thích hợp cho bất cứ môi trường nào, bao gồm cả thủy tinh. Các khả năng thân thiện
khác được kết hợp với truyền nhiệt bao gồm mô hình cho lỗ khí, chất lỏng nén được, trao đổi nhiệt, vỏ dẫn, khí thực và các dòng chảy ướt;
- Động lực học và lưới di chuyển: trong FLUENT, lưới động có khả năng đáp ứng được các yêu cầu về thay đổi ứng dụng, bao gồm dòng chảy ống, van, và tách lớp trong bình chứa “store separation”. Vài lưới khác nhau sắp xếp theo hệ thống có thể được sử dụng cho các phần di chuyển khác nhau trong cùng một mô phỏng cần thiết.
Chỉ lưới ban đầu và các mô tả sự di chuyển của điều kiện biên là cần thiết. Lời giải trong đó có sáu bậc tự do cũng giải quyết được với ứng dụng này với di chuyển tự do.
Lưới động cũng thích ứng với các mô hình khác bao gồm một chuỗi mô hình nhất dòng phun, mô hình đốt cháy và mô hình nhiều pha bao gồm mặt tự do và dòng chảy nén được. FLUENT cũng cung cấp lưới trượt và các mô hình lưới khác nhau đã được chứng minh qua các hệ thống ống, bơm và các cơ cấu máy móc;
- Chảy rối và âm học: FLUENT cung cấp khả năng cao cấp dùng cho mô hình chảy rối, ví dụ như phiên bản của mô hình k-epsilon kinh điển, mô hình k-omega, và mô hình ứng suất Reynolds (RSM). Ngày nay, cùng với việc máy tính ngày càng mạnh, giá thành hạ, làm được mô hình mô phỏng xoáy lớn (LES) và “the more economical detached eddy simulation (DES) model" là sự lựa chọn hấp dẫn cho mô phỏng trong công nghiệp;
- Đa pha: FLUENT là người đứng đầu trong công nghệ mô hình đa pha. Có nhiều cách khác nhau cho phép các kỹ sư nhìn được bên trong thiết bị thường khó để thăm dò. FLUENT sử dụng mô hình đa pha Eulerian với các tập hợp riêng rẽ của phương trình chất lỏng để thâm nhập sâu vào chất lỏng hoặc các pha, sẽ tiết kiệm hơn các mô hình pha trộn. Cả hai loại mô hình có thể đối xử như dòng chảy hạt.. Các ứng dụng nhiều pha như cánh bơm, chất lỏng và “coal furnaces the discrete phase model (DPM)” đều có thể được sử dụng;
- Mô hình phản ứng hóa học, đặc biệt trong điều kiện chảy rối, là một trong các quan tâm đặc biệt và cũng là đặc trưng ưu việt của phần mềm FLUENT ngay từ khi phần mềm được hình thành. Những mô hình mới của FLUENT như khái niệm tiêu tán xoáy, sự vận chuyển PDF và “stiff finite rate chemistry models”, cũng như mô hình chuẩn như tiêu tan xoáy, “equilibrium mixture fraction, flamelet and premixed combustion models”. Các mô phỏng loại thể khí, than đá và nhiên liệu xăng cháy đều có thể giải quyết được. Phần mềm có phần mô hình để dự báo cho sự hình thành SOx và sự hình thành NOx và sự phá hủy. Khả năng phản ứng bề mặt của FLUENT cho phép các phản ứng giữa gas và các dạng bề mặt, cũng như giữa các dạng khác nhau, do đó sự ăn mòn và lắng đọng có thể được dự báo một cách chính xác. Mô hình phản ứng của FLUENT có thể được dùng chung với mô hình rối LES và DES.
Phần mềm Fluent-Ansys ứng dụng cho bài toán khuấy trộn của luận án sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình vi phân chủ đạo cho chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt như sau:
- Phương trình liên tục:
0
z w y v x u
(2.40) - Phương trình Navier - Stokes:
V gradp dt F
V
d
1
(2.41) Trong đó: V(u,v,w)
- là véc tơ vận tốc tuyệt đối của phần tử lỏng khảo sát;
F
- lực khối đơn vị; : là toán tử Laplace
Quy trình nghiên cứu và xây dựng mô hình nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tới sự đồng đều pha của hỗn hợp nhiên liệu ở cửa ra của thiết bị hòa trộn được thể hiện rõ trong Phụ lục 3, trên cơ sở trình tự sau:
- Sử dụng lưới chia mô hình thành các thể tích hữu hạn, rời rạc;
- Tích phân các phương trình theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng các phương trình đại số cho các biến độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng như các đại lượng vô hướng khác;
- Tuyến tính hoá các phương trình rời rạc và giải các hệ phương trình tuyến tính.
FLUENT tiến hành giải trên từng vòng lặp với điều kiện hội tụ đặt trước, tùy các mô hình bài toán với độ phức tạp khác nhau, vấn đề chia lưới được xử lý ra sao và việc đặt điều kiện biên đã đúng chưa sẽ quyết định đến độ chính xác của bài toán.
Fluent có khả năng thích ứng khá rộng, ta có thể chọn nhiều cách giải quyết khác nhau do đó sự đúng đắn của bài toán cũng cần được kiểm nghiệm.
2.4.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng
Bên cạnh công cụ số hỗ trợ quá trình thiết kế, do tính chất phức tạp của quá trình trộn chất lỏng và nhằm khẳng định chất lượng hòa trộn trong quá trình cấp nhiên liệu liên tục cho động cơ, nên luận án xây dựng mô hình thu nhỏ (mô hình đồng dạng) với thiết bị thật để phục vụ quá trình nghiên cứu và hiệu chỉnh. Việc đồng dạng hóa phải đảm bảo: sự tương đồng về hình học, sự tương đồng về chuyển động học và sự tương đồng về động lực học, được tổng hợp trong phương trình chuẩn số cơ bản:
Eu = f (Re, Fr, Gi) (2.42)
Trong đó,Gi là tập hợp các đồng dạng hình học: ; ; ;v.v...
d h d D d H
ck ck
kt ck
kt . Đây cũng
là phương trình tổng quát của quá trình trộn, liên kết tất cả các đại lượng vật lý, những đại lượng đặc trưng cho chuyển động của chất lỏng trong bộ trộn.
Sự tương đồng về hình học giữa thiết bị thật và mô hình được biểu thị thông qua các hệ số:
kt T ck kt M
ck
D d D
d
và
kt T kt kt M
kt
D H D
H
, ... (2.43)
Sự tương đồng về chuyển động học là đảm bảo mô hình chuyển động của chất lỏng trong két trộn tương đồng nhau ở cả thiết bị thật và thiết bị mô hình. Mô hình chuyển động của chất lỏng có thể ở dạng chảy tầng, dạng chuyển tiếp hoặc dạng chảy rối.
Sự tương đồng về động lực học liên quan đến các hệ số đặc trưng như hệ số công suất, chuẩn số Reynold, Froude:
c T ck ck c M
ck ck cl T
ck cl cl M
ck ck cl ck T
M ck ck ck
cl g
d n g
d n d
n d
n d
n P d
n P
2 2 2 2
5 3 5
3 ; ;
(2.44) Bên cạnh đó, người ta cũng thường hay sử dụng hệ số giữa công suất và vận tốc của cánh khuấy để áp dụng vào quá trình đồng dạng hóa.
ck T
ck M d
P d
P
3
3 và nếu
ck T ck M cl
ck ck
cl n d
P d
n P
5 3 5
3
(2.45)
Vậy: 3
2 2 3
ckT ckM ckM ckT ckT
ckM ckM
ckT
d n d d n
d n
n (2.46)
Các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đều cho thấy rằng:
thời gian trộn được tính theo công thức gần đúng:
c
m t
t (56) trong đó:
Q
tcV (2.47)
Trong đó: tc - thời gian tuần hoàn đủ một vòng của chất lỏng trong két [s]; V - thể tích của két trộn [m3]; Q - lưu lượng tuần hoàn của chất lỏng bởi cánh khuấy [m3/s].