Tài liệu Nghiên cứu dòng tia tác động vuông gọc lên bề mặt ứng dụng trong hệ thống làm mát chu trình kín

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Anh Tuấn và TS Phạm Văn Bạch Ngọc đã tận tình hướng dẫn, định hướng và đóng góp ý kiến để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Cơ Khí, các cán bộ phòng Tổ Chức Cán Bộ và phòng Đào Tạo Đại Học & Sau Đại Học thuộc Trường Đại Học Thủy Lợi đã tạo điều kiện trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả học tập và nghiên cứu. Do thời gian thực hiện đề tài không nhiều, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng trong luận văn không tránh khỏi những hạn chế, sai sót nhất định, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 04 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Lập BẢN CAM KẾT Tên tôi là: Nguyễn Văn Lập Sinh ngày: 20/11/1990 Quê quán: Hà Thái – Hà Trung – Thanh Hóa Học viên cao học: Lớp 21CK11 Nơi công tác: Khoa Cơ khí trường Đại học Thủy Lợi Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật cơ khí ‘‘Nghiên cứu dòng phun tác động vuông góc lên bề mặt ứng dụng trong hệ thống làm mát chu trình kín’’ là luận văn do tôi thực hiện. Các kết quả tính toán trong luận văn không sao chép bất cứ tài liệu nào khác. Trong luận văn có một số nội dung trích dẫn của tác giả khác, những nội dung được trích dẫn này tác giả đã ghi nguồn cụ thể. Hà Nội, ngày 04 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Lập MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................... 1 1.1 Giới thiệu chung về dòng phun .............................................................................1 1.1.1 Dòng phun tia và các ứng dụng của dòng phun tia ...........................................1 1.1.2 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới. .......................2 1.2. Mục đích của đề tài nghiên cứu ...........................................................................5 1.3. Nội dung chính của đề tài nghiên cứu ..................................................................5 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DÒNG PHUN TÁC ĐỘNG VUÔNG GÓC LÊN BỀ MẶT .................................................................................................. 7 2.1 Giới thiệu về dòng phun tác động trực giao lên bề mặt cứng ............................7 2.1.1 Cấu trúc dòng phun ............................................................................................7 2.1.2 Ảnh hưởng của hình dạng vòi phun tới cấu trúc dòng phun tia .......................11 2.2 Tác động truyền nhiệt của dòng phun tia ............................................................12 2.3. Các phương trình cơ bản dòng phun ..................................................................17 2.3.1. Các phương trình về dòng ..............................................................................17 2.3.2. Các mô hình rối ..............................................................................................19 CHƯƠNG 3 - KHẢO SÁT HỆ THỐNG SỬ DỤNG DÒNG PHUN TIA TÁC ĐỘNG VUÔNG GÓC LÊN BỀ MẶT ................................................................... 24 3.1 Các ứng dụng của dòng phun ..............................................................................24 3.2 Khảo sát hệ thống làm mát CPU sử dụng dòng phun tia ....................................27 3.2.1. Cấu tạo hệ thống..............................................................................................27 3.2.2. Nguyên lý làm việc và thông số hệ thống .......................................................28 CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG BÀI TOÁN DÒNG PHUN TÁC ĐỘNG VUÔNG GÓC LÊN BỀ MẶT BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT ............................ 31 4.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent ...............................................................31 4.1.1 Giới thiệu về Ansys Fluent...............................................................................31 4.1.2 Sử dụng Ansys để mô phỏng bài toán dòng chảy ............................................32 4.2. Tính toán mô phỏng cấu hình cụ thể bài toán dòng phun trực giao tác dụng lên bề mặt ........................................................................................................................37 4.2.1. Mô tả bài toán..................................................................................................37 4.2.2. Các bước thiết lập mô hình bài toán, điều kiện biên và tính toán ...................39 4.3. Kết quả và thảo luận ...........................................................................................43 4.3.1 Trường vận tốc dòng phun tia ..........................................................................43 4.3.2 Dòng chảy trong ống và dòng phun tự do ........................................................46 4.3.3. Dòng chảy trên tường chắn .............................................................................50 4.3.4 Dòng rối ...........................................................................................................58 4.3.5 Sự phân bố truyền nhiệt ...................................................................................60 4.5 Kết luận ...............................................................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 67 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Dòng phun tia ...............................................................................................1 Hình 1.2 Ứng dụng của dòng phun tia .......................................................................4 Hình 2.1 a) dòng phun chìm b) dòng phun tự do ........................................................7 Hình 2.2 a)tia phun không bị hạn chế b) Tia phun bị hạn chế ....................................8 Hình 2.3 Cấu hình dòng phun .....................................................................................8 Hình 2.4 Các khu vực dòng chảy của bài toán dòng phun tia.....................................9 Hình 2.5 Cấu trúc dòng phun tại vùng phun tự do ......................................................9 Hình 2.6 a) vòi phun dạng ống; b) vòi phun dạng ống côn c) vòi phun dạng lỗ .....11 Hình 2.7 Mô hình truyền nhiệt đối lưu trong bài toán dòng phun ............................12 Hình 2.8 Sự phân bố xuyên tâm tốc độ truyền nhiệt của Baughn và Shimizu [12] ..14 Hình 2.9 Đường dòng tại khu vực tác động ..............................................................15 Hình 2.10 Hiện tượng xoáy xuất hiện mạnh khi ở khoảng cách vòi phun H/D=6 ...15 Hình 2.11 Vùng chuyển tiếp chế độ chảy tầng sang chảy rối ...................................16 Hình 2.12 Kết quả thí nghiệm của Katti, V.and Prabhu, S.V. [15] ..........................16 Hình 2.13 Ba loại lối ra vòi phun được Lee và Lee nghiên cứu [17] .......................17 Hình 2.14 Sơ đồ thể hiện lịch sử phát triển các mô hình rối.....................................19 Hình 3.1 Động cơ tua bin khí ....................................................................................24 Hình 3.2 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ đốt và nhiệt độ cho phép của vật liệu ..............25 Hình 3.3 Sự phân bố nhiệt độ trên cánh tua bin [20] ...............................................25 Hình 3.4 Làm mát cánh bằng dòng phun tia .............................................................25 Hình 3.5 Hiện tượng nổ không khí ...........................................................................26 Hình 3.6 Dòng phun được ứng dụng trong hàng không ...........................................26 Hình 3.7 Cấu tạo hệ thống làm mát bằng chất lỏng ..................................................27 Hình 3.8 Một số hình dạng khối nước làm mát ........................................................28 Hình 3.9 Máy bơm và bình chứa chất lỏng ...............................................................29 Hình 3.10 Hệ thống tản nhiệt ....................................................................................30 Hình 4.1 Mô phỏng và xử lý kết quả mô phỏng bằng Ansys Fluent ........................31 Hình 4.2 Mô hình hóa khối điều khiển đối với các loại lưới khác nhau ...................35 Hình 4.3 Miền rời rạc dạng đoạn thẳng ...................................................................36 Hình 4.4 Miền rời rạc dạng hình tam giác ................................................................36 Hình 4.5 Mô hình làm mát CPU ...............................................................................37 Hình 4.6 Mô hình bài toán ........................................................................................38 Hinh 4.7 Trình tự mô phỏng trên Ansys Fluent ........................................................39 Hình 4.8 Trình tự tính toán trong Ansys Fluent .......................................................40 Hình 4.9 Chia lưới trên mô hình H/D=2 ...................................................................40 Hình 4.10 Mô hình bài toán sau khi kích hoạt mô hình mô phỏng đối xứng ...........41 Hình 4.11 Điều kiện biên mô phỏng .........................................................................42 Hình 4.12 Trường vận tốc dòng phun tia với H/D =2, Re=23000 ............................44 Hình 4.13 Trường vận tốc dòng phun với H/D=2 Re=70000 ...................................44 Hình 4.14 Trường vận tốc dòng phun với H/D=6, Re=23000 ..................................45 Hình 4.15 Trường vận tốc dòng phun với H/D=6, Re=70000 .................................45 Hình 4.16 Phân bố vận tốc so sánh với tiêu chuẩn Power – law, Re=70000 ...........47 Hình 4.17 Biên độ vận tốc dọc trục tại vị trí x/D =0.852 với Re = 23000 ...............47 Hình 4.18 Vận tốc tại dọc trục tại vị trí x/D =0.075 với Re = 23000, H/D=2 ..........48 Hình 4.19 Vận tốc dọc trục với Re = 70000, H/D=2 ................................................48 Hình 4.20 Thành phần vận tốc vuông góc với tường chắn với Re =23000, H/D=6 .49 Hình 4.21 Thành phần vận tốc vuông góc với tường chắn với Re =70000, H/D=6 .49 Hình 4.22 Thành phần vận tốc vuông góc với tường chắn tại x/D=0.075 ................50 Hình 4.23 Vận tốc dọc theo tường chắn tại y/D =0.0, H/D=2,Re=23000 ...............51 Hình 4.24 Vận tốc dọc theo tường chắn tại y/D =1.0, H/D =2, Re=23000 ..............52 Hình 4.25 Vận tốc dọc theo tường chắn tại y/D =1.5, H/D=2; Re=23000 ...............52 Hình 4.26 Vận tốc dọc theo tường chắn tại y/D =2.0, H/D=2; Re=23000 ...............53 Hình 4.27 Vận tốc dọc theo tường chắn tại y/D =2.5, H/D=2; Re=23000 ...............53 Hình 4.28 Vận tốc dọc theo tường chắn tại y/D =3.0, H/D=2; Re=23000 ...............53 Hình 4.29 Vận tốc dọc tường chắn tại y/D=1.0, H/D=6; Re=23000 ........................54 Hình 4.30 Vận tốc dọc tường chắn tại y/D=2.0, H/D=6; Re=23000 ........................54 Hình 4.31 Vận tốc dọc tường chắn tại y/D=3.0, H/D=6; Re=23000 ........................55 Hình 4.32 Vận tốc dọc tường chắn tại vị trí y/D=0.0, H/D=2, Re=70000 ...............56 Hình 4.33 Vận tốc dọc tường chắn tại vị trí y/D=1.0, H/D=2, Re=70000 ...............56 Hình 4.34 Vận tốc dọc tường chắn tại vị trí y/D=1.5, H/D=2, Re=70000 ...............56 Hình 4.35 Vận tốc dọc tường chắn tại vị trí y/D=2.0, H/D=2, Re=70000 ...............57 Hình 4.36 Vận tốc dọc tường chắn tại vị trí y/D=2.5 , H/D=2, Re=70000 ..............57 Hình 4.37 Vận tốc dọc tường chắn tại vị trí y/D=3.0, H/D=2, Re=70000 ...............57 Hình 4.38 Thành phần vận tốc dọc tường chắn , H/D=6, Re=70000 .......................58 Hình 4.39 Biện dạng vận tốc mạch động U’/U .........................................................59 Hình 4.40 Biểu đồ động năng rối dòng phun Re=23000, H/D=2 .............................60 Hình 4.41 Biểu đồ động năng rối Re=23000, H/D=6 ...............................................60 Hình 4.42 Sự phân bố nhiệt với Re=23000, H/D=2 .................................................61 Hình 4.43 Sự phân bố nhiệt độ với Re=23000, H/D6 ...............................................61 Hình 4.44 Hệ số Nusselt trên bề mặt tấm phẳng măng nhiệt với Re=23000 ............62 Hình 4.45 Hệ số Nusselt trên bề mặt tấm phẳng măng nhiệt với Re=70000 ............62 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 – Các hằng số hiệu chỉnh mô hình k- ԑ tiêu chuẩn ....................................21 Bảng 2.2 – Hệ số hiệu chỉnh mô hình rối k-ԑ Realisable ..........................................22 Bảng 2.3 – Các hằng số hiệu chỉnh mô hình RNG k- ԑ ............................................22 Bảng 2.4 – Hệ số hiệu chỉnh mô hình k - ω ..............................................................23 DANH MỤC VIẾT TẮT D – Đường kính vòi phun H – Khoảng cách từ miệng vòi phun tới tấm phẳng Nu – Hệ số Nusselt Pr – Hằng số Prantl Re – Hệ số Reynols q w – Thông lượng nhiệt T jet - Nhiệt độ lưu chất T wall - Nhiệt độ tường chắn U c – Vận tốc dọc trục vòi phun U b – Vận tốc trung bình tại cửa ra vòi phun V – Thành phần vận tốc theo phương hướng tâm trên tấm phẳng U – Thành phần vận tốc theo phương vuông góc với tấm phẳng x,y – Các trục hệ tọa độ Đềcác PIV - Particle Imaging Velocimetry k – động năng rối ε - điêu tán rối epsilon ω - tiêu tán rối omega µ - độ nhớt U’ – Vậc tốc mạch động i, j – các phương hệ tọa độ Đềcác MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay dòng phun đang được sử dụng rất phổ biến cho nhiều ứng dụng kỹ thuật như làm mát tuabin khí, sấy khô giấy hoặc vải trong dệt may, làm mát trong sản xuất thép bằng phương pháp cán nóng, làm mát linh kiện điện, điện tử, CPU máy tính (trong các máy trạm). Trong quân sự, dòng phun tia được sử dụng để làm mát bệ phóng tên lửa, gương phản xạ của vũ khí lazer, trong y tế nó được dùng để làm mát thiết bị chụp X-quang. Dưới quan điểm ứng dụng, dòng phun tác động vuông góc lên bề mặt có nhiệt độ cao được sử dụng nhiều trong hệ thống làm mát chu trình kín bởi vì hiệu suất cao và cấu hình đơn giản. Dưới quan điểm lí thuyết, cấu hình dòng phun tác động trực giao trên bề mặt nhận được quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu vì nó là tổ hợp của nhiều bài toán dòng như dòng phun tự do, dòng lớp biên, hiệu quả truyền nhiệt của bài toán phụ thuộc vào thông số cấu hình bài toán. Hiện nay, chưa có lý thuyết cụ thể để có thể đánh giá toàn diện về bản chất cơ học, vật lý, cấu trúc đặc tính dòng chảy của bài toán này, các nghiên cứu vấn đề này được đánh giá qua nghiên cứu thực nghiệm. Trên thế giới, bài toán về cấu hình dòng này rất được quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên việc nghiên cứu, phân tích đánh giá cấu hính dòng phun tia tác động trực giao lên bề mặt và ứng dụng của nó trong thực tế vẫn còn hạn chế ở Việt Nam. Việc nghiên cứu này rất quan trọng không những đưa ra các phương án thiết kế tối ưu, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt mà còn tạo tiền đề thúc đẩy các ngành khác phát triển. Chính vì vậy tôi xin đề xuất đề tài “Nghiên cứu dòng tia tác động vuông góc lên bề mặt ứng dụng trong hệ thống làm mát chu trình kín” 2. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về dòng phun tia tác động trực giao lên bề mặt, phân tích bản chất vật lí, bản chất cơ học, các thông số cấu hình, các đặc tính dòng trong dòng phun tác động trực giao lên bề mặt. - Dùng phần mềm để mô phỏng một cấu hình cụ thể về dòng phun ngập tác động lên bề mặt phẳng. - Nắm rõ cơ sở lý thuyết dòng phun tia, mô hình dòng trong một số trường hợp, từ đó đưa ra các biện pháp nâng cao hiệu quả truyền nhiệt trong các hệ thống làm mát. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận văn là bài toán dòng phun tia phun ngập, tác động vuông góc lên bề mặt phẳng Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng bài toán dòng phun ứng dụng trong hệ thống làm mát 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận Tiếp cận bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các tổ chức, cá nhân khoa học hay các phương tiện thông tin đại chúng; Qua các kết quả nghiên cứu phân tích trên thế giới cũng như trong nước đã công bố, kết hợp tìm hiểu, thu thập và phân tích đánh giá các tài liệu có liên quan. Khảo sát hệ thống có sẵn để mô phỏng - Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp sử dụng mô hình toán và phần mềm ứng dụng. + Trên cơ sở lý thuyết cơ bản, lựa chọn các bài toán đơn giản và sử dụng phần mềm để mô phỏng bài toán chuyển động, truyền nhiệt của chất lưu. 1 CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về dòng phun 1.1.1 Dòng phun tia và các ứng dụng của dòng phun tia Dòng phun tia có thể được định nghĩa đơn giản như một dòng lưu chất có nhiệt độ thấp hoặc cao thoát ra từ một lỗ, khe với vận tốc cao tác động lên bề mặt cứng có nhiệt độ khác với nhiệt độ lưu chất. Dòng lưu chất từ vòi phun khi tác động vào bề mặt sẽ giúp quá trình truyền nhiệt được diễn ra nhanh hơn và hiệu suất cao hơn. Hình 1.1 Dòng phun tia Hiện nay, dòng phun tia đang được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như hệ thống làm mát và hệ thống sấy. Khi tác động vào bề mặt nó có khả năng loại bỏ một lượng nhiệt lớn trên diện tích bề mặt tương đối nhỏ. Thêm vào đó, một trong những ưu điểm nổi bật của dòng phun tia đó là nó có khả năng điều chỉnh và kiểm soát hiệu suất truyền nhiệt bằng cách điều chỉnh các thông số thiết kế như biên dạng bề mặt, tốc độ phun, khoảng cách từ vòi phun tới bề mặt và chất lỏng sử dụng…khả năng truyền nhiệt có thể được tăng cường. Vì vậy dòng phun đang được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp, trong hình 1.2 mô tả một số ứng dụng phổ biến của dòng phun tia như: làm mát cánh tuabin, làm mát trong sản xuất thép, làm mát linh kiện điện, điện tử, CPU máy tính (trong các máy trạm). Ngoài ra trong quân sự dòng phun tia được sử dụng để làm mát bệ phóng tên lửa, sàn tàu sân bay, gương phản xạ vũ khí lazer, trong y tế nó được dùng để làm mát thiết bị chụp X-quang, sấy khô giấy, vải và ủ thủy tinh. 2 1.1.2 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới. 1.1.2.1 Các nghiên cứu tại Việt Nam Hiện nay, tại nước ta khái niêm về dòng phun tia còn khá mới mẻ nên việc tiếp cận nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm về dòng phun tia rất ít. Do điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên việc nghiên cứu thực nghiệm về dòng phun tia là không có. Do đó, tại Việt Nam chủ yếu là các nghiên cứu về dòng phun tia đều bằng cách sử dụng phần mềm để mô phỏng bài toán và so sánh với các kết quả thực nghiệm đã được công bố ở các bài báo, luận án của các tác giả trên thế giới. Việc mô phỏng bằng phần mềm nên kết quả thu được phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: điều kiện bài toán, thuật toán...Tuy nhiên với sự phát triển của ngành khoa học máy tính, các phần mềm thương mại phát triển rất mạnh nên các kết quả thu được từ việc mô phỏng đã rất gần với kết quả thí nghiệm và cở sở lý thuyết. Hiện tại, trong nước đã có những nghiên cứu về dòng phun tia sau: - Nguyễn Quang Minh, Hồ Trần Anh Ngọc [1] mô phỏng truyền nhiệt bằng phần mềm động lực học chất lỏng tính toán START – CCM+ . Trong nghiên cứu này các tác giả đã sử dụng phần mềm START – CCM+ để mô phỏng quá trình truyền nhiệt sử dụng dòng phun tia. Trong nghiên cứu này chỉ tập trung vào mô phỏng 1 bài toán thực nghiệm, các tác giả không đi sâu nghiên cứu cấu trúc dòng chảy trong ống cũng như dòng chảy trên tường chắn của dòng phun tia. Vì vậy, nghiên cứu này chỉ dừng lại đưa ra sự so sánh trị số Nusselt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm. - Nguyễn Hữu Huy, Nguyễn Tường Long [2] nghiên cứu trường động lực tia phun rối ba chiều. Bài báo cáo này trình bày kết quả mô phỏng trường động lực của tia phun rối ba chiều, đồng thời cho thấy sự tương tác giữa các tia phun đặt gần nhau bằng phần mềm Ansys. Nghiên cứu này đã thể hiện được quá trình chuyển động, độ phát triển cũng như dạng lan toả của tia phun trong môi trường tĩnh và động cũng như sự tương tác giữa các tia phun đặt gần nhau. Biên dạng vận tốc, qui 3 luật phân bố vận tốc dọc trục tia phun tính toán được khá phù hợp với các kết quả thí nghiệm đã công bố. - Bùi Văn Ga, Phạm Thị Kim Loan [3] so sánh trường tốc độ của tia phun rối, khuếch tán theo mô hình tích phân và code CFD đa phương Fluent 6.0. Nghiên cứu này chỉ ra rằng kết quả so sánh giá trị vận tốc giữa 2 mô hình nhỏ hơn 10% khi số Reynold ở miệng vòi phun nhỏ hơn 5000. Nói chung các nghiên cứu trong nước mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra kết quả so sánh từ mô hình mô phỏng với các kết quả thực nghiệm. Các nghiên cứu được thực hiện với những điều kiện phun khác nhau của dòng phun tia, đặc biệt dòng phun tia ứng dụng trong hệ thống làm mát chu trình kín chưa được nghiên cứu cụ thể về đặc tính dòng chảy trong ống cũng như dòng chảy trên tường chắn. Tuy nhiên các nghiên cứu trong này cũng chỉ ra rằng việc nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm cho ta kết quả tương đối tốt so với kết quả từ thực nghiệm, việc nghiên cứu sẽ được rút ngắn thời gian, giảm. Bài toán dòng phun tia ứng dụng trong hệ thống làm mát là một bài toán phức tạp, việc nghiên cứu bằng thực nghiệm là không khả thi tại nước ta do điều kiện cơ sở thí nghiệm còn thiếu. Nên trong thời gian tới những nghiên cứu về dòng phun tia vẫn tiếp tục nghiên cứu bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng và so sánh kết quả với các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới. 1.1.2.2. Các nghiên cứu trên thế giới Do khả năng ứng dụng khá rộng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật nên dòng phun tia đang rất được quan tâm nghiên cứu trên thế giới. Đã có hàng ngàn nghiên cứu và tài liệu đánh giá về dòng phun tia tác động lên bề mặt được công bố trong hơn 50 năm qua. Nổi bật nhất là bài đánh giá của Martin (1977) [4], bài đánh giá này cung cấp những thảo luận chung về tính chất của dòng phun tia, sự phân bố hệ số Nu về truyền nhiệt và một phân tích về khoảng cách tối ưu giữa các vòi phun trong bài toán làm mát theo mảng. 4 Hình 1.2 Ứng dụng của dòng phun tia Han và Goldstein [5] trình bày một đánh giá về truyền nhiệt trong hệ thống làm mát tua bin khí. Họ đã tiến hành nghiên cứu đặc tính dòng chảy tại những vị trí khác nhau cho 2 trường hợp bài toán dòng phun tia ngập và bài toán dòng phun tự do. Ngoài ra, họ cũng đã thảo luận về các đặc tính truyền nhiệt của cả hai trường hợp trên sử dụng một vòi phun và trường hơp sử dụng nhiều vòi phun. Họ cũng đã xem xét các thông số quan trọng đối với hệ thống tua bin khí bao gồm cả độ cong bề mặt và góc tấn. Jambunathan và các cộng sự [6] tập trung hoàn toàn vào 1 dòng phun tia đơn. Bài báo đánh giá này không chỉ tập trung vào sự truyền nhiệt mà còn nghiên cứu về hiện tượng xoáy của dòng phun tia. Dano và các cộng sự [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình học vòi phun đến đặc tính dòng chảy và hiệu suất truyền nhiệt.. Hyung Hee Cho [8] đã nghiên cứu các ứng dụng của dòng phun tia trong công nghiệp. Một số nghiên cứu bằng mô phỏng cũng được thực hiện bởi các tác giả Polat và các cộng sự [9], Zuckerman và Lior [10]. Polat và cộng sự đã thảo luận về dòng phun chảy tầng. Tuy nhiên hầu hết các ứng dụng công nghiệp đều sử dụng vòi phun chảy rối nên các nghiên cứu về sau chỉ tập trung vào dòng phun chảy rối. 5 Phương pháp mô phỏng dòng chảy rối bằng cách tính toán trực tiếp các thông số trung bình của dòng chảy và các thành phần dao động của lưu tốc và áp suất (DNS) gần đây đã được thực hiện bởi Chung và Luo [11]. Họ đã thực hiện mô phỏng với 3 giá trị Re là 300,500 và 1000, Họ nhận thấy rằng đặc tính truyền nhiệt không ổn định là khá mạnh và tương đồng với động học xoáy của dòng phun tia. 1.2. Mục đích của đề tài nghiên cứu Như chúng ta đã biết thì dòng phun tia có khả năng ứng dụng trong nhiều thiết bị kỹ thuật. Tuy nhiên bài toán dòng phun tác động khá phức tạp, nó là được cấu thành bởi nhiều bài toán như dòng lớp biên, dòng chảy trong ống và dòng phun tự do. Ngoài ra, với mỗi cấu hình bài toán khác nhau thì trường dòng chảy, đặc tính cũng sẽ khác nhau. Đối với bài toán dòng chảy trong ống cũng đã được nghiên cứu và đưa ra phương cách giải quyết dưới dạng lý thuyết thông qua các phương trình vi phân đạo hàm riêng. Tuy nhiên. hiện tại vẫn chưa có lý thuyết cụ thể nào để có thể giải quyết được tổ hợp các bài toán này. Để đánh giá đặc tính bản chất bài toán này hầu hết là dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Tại nước ta đây là một vấn đề mới hiện chưa có nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm cụ thể về vấn đề này. Để có nền tảng cơ bản về vấn đề này thì việc nghiên cứu thực nghiệm là rất cần thiết, nhưng việc nghiên cứu thực nghiêm là không khả thi do điều kiên thí nghiệm trong nước còn hạn chế. Chính vì vậy trong nội dung nghiên cứu của luận văn tôi sẽ nêu cở sở lý thuyết của cấu hình bài toán dòng phun, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng để mô phỏng bài toán dòng phun tia, từ đó đưa ra sự so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm đã được nghiên cứu và công bố. 1.3. Nội dung chính của đề tài nghiên cứu Do bài toán dòng phun tia là bài toán khá phức tạp, để có hiệu quả truyền nhiệt cao bài toán phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như; khoảng cách phun, vận tốc phun, loại chất lưu, biên dạng bề mặt, đường kính hình dạng vòi phun. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ tập trung vào các mục tiêu sau: 6 1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc tính dòng chảy, truyền nhiệt trong bài toán làm mát sử dụng dòng phun ngập tác động lên bề mặt phẳng 2. Mô phỏng bài toán dòng phun bằng phần mềm ANSYS FLUENT tại hai giá trị 2 giá trị hệ số Reynolds, Re = 23000 và 70000 tại khoảng cách không thứ nguyên H/D =2 và 6. 3. Đánh giá so sánh kết quả các trường hợp về: thành phần vận tốc trong ống, dọc tường chắn và vận tốc tại vùng phun tự do với kết quả thí nghiệm. 4. Đánh giá động năng rối tại các trường hợp. 5. Mô tả sự phân bố truyền nhiệt trên tấm phẳng qua trị số Nusselts tại các trường hợp được mô phỏng 7 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DÒNG PHUN TÁC ĐỘNG VUÔNG GÓC LÊN BỀ MẶT 2.1 Giới thiệu về dòng phun tác động trực giao lên bề mặt cứng 2.1.1 Cấu trúc dòng phun Về đặc tính dòng phun được phân biệt bằng 2 dạng phun khác nhau: Dòng phun chìm (hay dòng phun ngập) và dòng phun không chìm (Hình 2.1). Nếu chất lưu chảy ra khỏi miệng vòi được phun vào môi trường chất lưu có tính chất vật lý tương tự dòng phun thì nó được gọi là dòng phun chìm (ví dụ phun nước vào môi trường nước) và nếu chất lưu chảy ra từ miệng vòi đi vào môi trường xung quanh có tính chất khác với tính chất lưu ở dòng phun thì được gọi là dòng phun tự do hay còn gọi là dòng phun hai pha (ví dụ phun nước vào trong môi trường không khí) Hình 2.1 a) dòng phun chìm b) dòng phun tự do Động lực học chất lưu của hai trường hợp này là khác nhau. Trong trường hợp vòi phun chìm một tầng trượt được hình thành tại vị trí phân cách giữa môi trường chất lưu xung quanh và chất lưu phun ra từ vòi phun, tầng trượt này không ổn định và nó tạo ra sự rối loạn. Trong trường hợp dòng phun tự do thì tầng trượt này không quan trọng vì nó không có một tác động đáng kể nào tới dòng phun. Ngoài ra còn có một sự phân biệt cụ thể hơn giữa 2 dạng phun ngập và phun tự do (hình 2.2). Loại thứ nhất, đó là dòng phun được phun vào một không gian bị hạn chế về kích thước. Loại thứ 2 đó là dòng phun được phun vào môi trường không bị hạn chế các kích thước. Trong các ứng dụng công nghiệp thì dòng phun bị 8 hạn chế trong không gian phun được sử dụng nhiều trong công nghiệp, trường hợp này dòng chảy sẽ chuyển động tuần hoàn xung quanh vòi phun. Hình 2.2 a)tia phun không bị hạn chế b) Tia phun bị hạn chế Để phân biệt cấu hình các trường hợp của dòng phun tia người ta còn xem xét đến hình dạng của cửa ra vòi phun. Trong thực tế để phù hợp vào từng trường hợp cụ thể thì hình dạng vòi phun có các dạng phổ biến như: dạng tròn, dạng côn mở rộng và thu hẹp và dạng hình vuông. Những thông số hình học này có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả truyền nhiệt. Trong công nghiệp các bề mặt cần được làm mát hay sấy rất lớn nếu chỉ sử dụng một vòi phun thì sẽ không đáp ứng được. Trong trường hợp này, người ta sẽ kết hợp nhiều dòng phun bố trí dưới dạng lưới, và dòng chảy của chất lỏng trong trường hợp này là khá phức tạp. Hình 2.3 Cấu hình dòng phun 9 Như đã đề cập ở trên đối với bài toán dòng phun tia có rất nhiều cấu hình khác nhau. Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ nghiên cứu về dòng phun ngập tác động vuông góc lên bề mặt phẳng. Hình 2.3 mô tả cấu hình dòng phun thoát ra từ vòi phun tác động lên bề mặt cứng phẳng (tường chắn).Vòi phun có đường kính D và được đặt cách bề mặt cứng khoảng cách là H, chất lỏng thoát ra với vận tốc U. Ở đây dòng chảy khi ra khỏi vòi phun là dòng đã phát triển hoàn toàn và trường dòng tia khi thoát khỏi đường ống tác động vào bề mặt được chia thành ba vùng chính, và được thể hiện trong hình 2.4 gồm: Hình 2.4 Các khu vực dòng chảy của bài toán dòng phun tia • Vùng dòng phun tự do: là vùng mà dòng chảy vừa ra khỏi vòi phun nhưng chưa tác động vào bề mặt chính, vì vậy tường chắn không ảnh hưởng đến trường dòng chảy. Hình 2.5 Cấu trúc dòng phun tại vùng phun tự do