Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực khảo sát đặc tính công suất của động cơ stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số

Luận văn khảo sát đặc tính công suất động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và số, ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí động lực.

• Tác giả: Phan Song Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC PHỤ LỤC
• DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG TOÁN HỌC
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp số
• 1.3. Đóng góp mới của đề tài
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.4.1. Mục tiêu chính
• 1.4.2. Mục tiêu phụ
• 1.5. Tổng quan về động cơ Stirling
• 1.6. Phân loại động cơ Stirling
• 1.7. Ứng dụng của động cơ Stirling
• 1.8. Tổng quan về các hướng nghiên cứu
• 1.9. Tổng quan về các mô hình nghiên cứu
• 1.9.1. Mô hình giải tích
• 1.9.2. Mô hình số
• 1.9.3. Mô hình CFD
• 1.9.4. Trở ngại của phương pháp mô phỏng CFD
• 2. Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Quy trình nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp giải tích
• 2.3. Phương pháp số (mô phỏng CFD)
• 2.3.1. Cấu trúc hình học và lưới
• 2.3.2. Điều kiện biên và mô hình tính toán
• 3. Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả của mô hình CFD
• 3.1.1. Sự hội tụ của các đại lượng vật lý
• 3.1.2. Thông lượng nhiệt
• 3.2. Kết quả về công và công suất
• 3.3. Kiểm chứng kết quả của phương pháp CFD
• 4. Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ Stirling Alpha

Động cơ Stirling Alpha là một loại động cơ nhiệt hoạt động dựa trên chu trình Stirling, được đặc trưng bởi hai xi-lanh riêng biệt cho quá trình giãn nở và nén. Khảo sát đặc tính công suất của động cơ này là một nghiên cứu quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng trong thực tế. Động cơ Stirling Alpha có khả năng hoạt động với nhiều nguồn nhiệt khác nhau, từ năng lượng mặt trời đến nhiên liệu sinh học, làm cho nó trở thành một giải pháp tiềm năng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo trở nên cấp bách. Động cơ Stirling Alpha được xem là một giải pháp hiệu quả nhờ khả năng hoạt động với nhiều nguồn nhiệt khác nhau. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số, nhằm tìm ra các thông số tối ưu để nâng cao hiệu suất.

1.2. Sự cần thiết của phương pháp số

Phương pháp số, đặc biệt là mô phỏng CFD, đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu động cơ Stirling Alpha. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các quá trình nhiệt động lực học phức tạp bên trong động cơ, giúp xác định các thông số tối ưu mà phương pháp giải tích không thể đạt được. Khảo sát đặc tính công suất bằng phương pháp số mang lại kết quả chính xác hơn, hỗ trợ hiệu quả cho việc thiết kế và tối ưu hóa động cơ.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng hai phương pháp chính: phương pháp giải tích và phương pháp số (CFD). Phương pháp giải tích dựa trên mô hình của Schmidt kết hợp với lý thuyết hiệu suất cơ khí của Senf, trong khi phương pháp số sử dụng mô phỏng CFD để mô phỏng quá trình nhiệt động lực học bên trong động cơ. Cả hai phương pháp đều được áp dụng để khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha, từ đó so sánh và đánh giá kết quả.

2.1. Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích sử dụng mô hình của Schmidt để tính toán công và công suất lý thuyết của động cơ Stirling Alpha. Mô hình này dựa trên các giả định đơn giản hóa, cho phép tính toán nhanh chóng nhưng có thể không chính xác trong một số trường hợp. Lý thuyết hiệu suất cơ khí của Senf được áp dụng để điều chỉnh kết quả, giúp đưa ra các dự đoán gần với thực tế hơn.

2.2. Phương pháp số CFD

Phương pháp số sử dụng mô phỏng CFD để mô phỏng quá trình nhiệt động lực học bên trong động cơ Stirling Alpha. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các quá trình phức tạp như truyền nhiệt và dòng chảy của lưu chất. Kết quả từ phương pháp số được so sánh với phương pháp giải tích để đánh giá độ chính xác và xác định các thông số tối ưu.

III. Kết quả và bàn luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa phương pháp giải tích và phương pháp số. Phương pháp số mang lại kết quả chính xác hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng các quá trình nhiệt động lực học phức tạp. Các thông số tối ưu được xác định thông qua phương pháp số, giúp nâng cao hiệu suất của động cơ Stirling Alpha. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số như tỉ lệ thể tích quét và góc lệch pha là cần thiết để đạt được công suất cực đại.

3.1. Kết quả từ phương pháp giải tích

Kết quả từ phương pháp giải tích cho thấy các thông số tối ưu để động cơ Stirling Alpha đạt công suất cực đại. Tuy nhiên, do các giả định đơn giản hóa, kết quả này có thể không chính xác trong một số trường hợp. Phương pháp giải tích vẫn hữu ích trong việc cung cấp một cái nhìn tổng quan về các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.

3.2. Kết quả từ phương pháp số

Phương pháp số mang lại kết quả chính xác hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng các quá trình nhiệt động lực học phức tạp. Kết quả từ phương pháp số cho thấy các thông số tối ưu để động cơ Stirling Alpha đạt công suất cực đại. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số như tỉ lệ thể tích quét và góc lệch pha là cần thiết để nâng cao hiệu suất.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu này đã khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số. Kết quả cho thấy phương pháp số mang lại độ chính xác cao hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng các quá trình nhiệt động lực học phức tạp. Các thông số tối ưu được xác định thông qua phương pháp số, giúp nâng cao hiệu suất của động cơ. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc áp dụng các mô hình số tiên tiến hơn và thử nghiệm thực tế để kiểm chứng kết quả.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số. Kết quả từ phương pháp số cho thấy các thông số tối ưu để động cơ đạt công suất cực đại, đồng thời chỉ ra sự cần thiết của việc điều chỉnh các thông số thiết kế.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc áp dụng các mô hình số tiên tiến hơn, cải thiện độ chính xác của kết quả mô phỏng. Ngoài ra, thử nghiệm thực tế cũng cần được tiến hành để kiểm chứng và hiệu chỉnh các kết quả từ mô phỏng số.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nồng độ khí nhà kính đang thúc đẩy mạnh mẽ quá trình chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo trên toàn cầu. Số liệu quan trắc cho thấy nồng độ khí carbonic trong khí quyển đã vượt ngưỡng kỷ lục 400 ppm vào năm 2013 tại trạm Mauna Loa và tiếp tục duy trì mức cao tại 12 trạm quan sát quốc tế vào năm 2014. Trong bối cảnh đó, ngành năng lượng mặt trời ghi nhận tốc độ tăng trưởng ấn tượng khoảng 30% mỗi năm trong giai đoạn 2009-2014, đưa tổng sản lượng điện mặt trời toàn cầu chạm mốc 177 Gigawatts vào năm 2014, gấp 7,5 lần so với năm 2009. Tại các tỉnh phía Nam Việt Nam, tiềm năng bức xạ mặt trời đạt mức trung bình 4 đến 5 kWh/m2/ngày, tương đương khả năng khai thác điện năng ước tính lên đến 2 MWh/m2/năm.

Động cơ nhiệt Stirling là giải pháp công nghệ nổi bật nhờ khả năng vận hành linh hoạt với nhiều nguồn nhiệt khác nhau, từ năng lượng mặt trời tập trung đến nhiên liệu sinh khối và nhiệt thải công nghiệp. Tuy nhiên, việc tính toán và tối ưu hóa thiết kế động cơ Stirling loại alpha còn gặp nhiều rào cản do tính chất phức tạp của quá trình truyền nhiệt và động lực học dòng khí chuyển động tuần hoàn. Các mô hình giải tích cổ điển thường dựa trên các giả thiết đơn giản hóa quá mức, trong khi dữ liệu thực nghiệm còn khan hiếm và thiếu tính tổng quát.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán khảo sát đặc tính công và công suất của động cơ Stirling loại alpha. Mục tiêu cốt lõi là xác định vùng thông số hình học và vận hành tối ưu nhằm đạt công suất cực đại thông qua việc kết hợp phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng số thủy khí động lực học (CFD). Đề tài nghiên cứu trên mô hình động cơ thực nghiệm với dung tích quét giãn nở 125,6 cm3, hoàn thành vào tháng 12 năm 2015, mang lại cơ sở khoa học tin cậy để nâng cao hiệu suất công tác của động cơ nhiệt ngoài trong các hệ thống phát điện phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học chu trình động cơ Stirling và cơ học lưu chất ứng dụng. Mô hình giải tích áp dụng lý thuyết chu trình đẳng nhiệt của Schmidt (1871), kết hợp với lý thuyết tổn thất cơ khí của Senf (1993, 2002) và phương pháp tối ưu hóa vô thứ nguyên do Cheng đề xuất năm 2012.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào 5 khái niệm then chốt:

1. Tỉ lệ thể tích quét giữa piston giãn nở và piston nén.
2. Tỉ lệ thể tích chết đặc trưng cho không gian lưu chất không tham gia sinh công trực tiếp.
3. Tỉ lệ nhiệt độ tuyệt đối giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
4. Công chu trình trên đồ thị áp suất - thể tích và công có ích tại trục động cơ sau khi khấu trừ tổn thất ngoại lực từ áp suất môi trường 101.325 Pa.
5. Hiệu suất cơ khí của cơ cấu truyền động với giá trị định mức 0,8 trong dải vận hành tiêu chuẩn từ 0,6 đến 0,9.

Quá trình mô phỏng số được chi phối bởi hệ phương trình Navier-Stokes đầy đủ, phương trình liên tục và phương trình bảo toàn năng lượng cho dòng lưu chất không nén được ở chế độ chảy tầng. Đặc biệt, mô hình truyền nhiệt hỗn hợp (Conjugate Heat Transfer) được tích hợp để mô tả đồng thời quá trình trao đổi nhiệt giữa khối khí công tác và thành vách kim loại của xylanh và bộ hoàn nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu hình học và điều kiện biên được xây dựng từ mẫu động cơ Stirling loại alpha thực tế thuộc dự án nghiên cứu của Bộ môn Ô tô - Máy Động Lực. Động cơ có các thông số ban đầu bao gồm: thể tích quét xylanh giãn nở 125,6 x 10^-6 m3, thể tích quét xylanh nén 9,5 x 10^-6 m3, thể tích chết mỗi xylanh 9,5 x 10^-6 m3, thể tích bộ hoàn nhiệt 119,8 x 10^-6 m3, nhiệt độ vùng giãn nở 649 K, nhiệt độ vùng nén 303 K, nhiệt độ bộ hoàn nhiệt 476 K và tốc độ quay trục khuỷu 8,333 vòng/giây (500 vòng/phút).

Mẫu khảo sát của phương pháp số gồm 16 bộ thông số thiết kế biến thiên có chủ đích, tập trung vào hai biến độc lập chính: tỉ lệ thể tích quét thay đổi từ 0 đến 4 và góc lệch pha giữa hai piston thay đổi từ 60 độ đến 140 độ. Cỡ mẫu này được lựa chọn nhằm bao phủ toàn bộ các vùng làm việc khả thi mà vẫn đảm bảo tính khả thi về thời gian tính toán của mô hình số. Miền tính toán 2D đối xứng trục được chia lưới theo phương pháp Mapped Face Meshing với kích thước mắt lưới 2 mm, tạo ra 2.859 nút và 2.251 phần tử lưới vuông chất lượng cao.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp là nhằm tận dụng tốc độ tính toán nhanh của giải thuật MATLAB để quét diện rộng trên mô hình Schmidt, đồng thời sử dụng mô-đun ANSYS Fluent 15.0 với hàm lập trình UDF điều khiển lưới động (Layering dynamic mesh) để nắm bắt chính xác sự phân bố áp suất và biến thiên nhiệt độ thực tế theo bước thời gian 0,001 giây trong chuỗi thời gian vật lý 60 giây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và mô phỏng số đã mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, kết quả tính toán chỉ ra rằng bộ thông số thiết kế ban đầu có tỉ lệ thể tích quét xấp xỉ 13,2 và góc lệch pha 90 độ nằm hoàn toàn bên ngoài vùng thông số tối ưu. Điều này khiến công suất thực tế của động cơ bị giới hạn đáng kể, chỉ đạt khoảng 55% so với mức công suất cực đại có thể khai thác được trên cùng một quy mô kết cấu.

Thứ hai, mô phỏng số CFD phản ánh sự biến thiên nhiệt độ phức tạp bên trong các khoang công tác. Sau giai đoạn khởi động nhiệt, nhiệt độ thực tế trong buồng giãn nở dao động trong khoảng 370 K đến 500 K, thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ vách cấp nhiệt 649 K. Đồng thời, nhiệt độ vùng nén dao động từ 300 K đến 346 K và bộ hoàn nhiệt duy trì trạng thái ổn định ở mức nhiệt độ 340 K đến 400 K.

Thứ ba, độ chênh lệch về giá trị công suất chu trình giữa phương pháp giải tích lý thuyết và mô phỏng số CFD dao động từ 25% đến 35%. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc phương pháp giải tích bỏ qua tổn thất truyền nhiệt qua thành rắn ra môi trường xung quanh và xem nhẹ lực cản áp suất khí quyển 101.325 Pa tác động lên mặt sau piston.

Thứ tư, tính hội tụ của bài toán mô phỏng số chuyển tiếp theo thời gian được xác lập vững chắc. Các đại lượng vật lý đạt tiêu chuẩn hội tụ nghiêm ngặt với sai số chuẩn hóa dưới 10^-3 đối với phương trình khối lượng, vận tốc và dưới 10^-6 đối với phương trình năng lượng sau mỗi chu kỳ dao động của piston.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt rõ rệt giữa phương pháp giải tích và phương pháp CFD bắt nguồn từ bản chất nhiệt động học của quá trình trao đổi nhiệt. Trong mô hình giải tích của Schmidt, giả thiết quá trình giãn nở và nén diễn ra đẳng nhiệt hoàn hảo đã dẫn đến việc ước tính quá cao lượng nhiệt hấp thụ và công sinh ra. Trên thực tế, chuyển động tuần hoàn của piston với tần số 8,333 Hz không cung cấp đủ thời gian để khối khí trao đổi nhiệt hoàn toàn với thành xylanh.

Toàn bộ dữ liệu nghiên cứu có thể được tổng hợp trực quan thông qua đồ thị chu trình P-V khép kín, biểu đồ đường thể hiện sự biến thiên của áp suất tĩnh, áp suất động và thông lượng nhiệt theo góc quay trục khuỷu từ 0 đến 360 độ. Bên cạnh đó, các biểu đồ không gian 3D và đồ thị đồng mức 2D biểu diễn công có ích vô thứ nguyên theo tỉ lệ thể tích quét và góc lệch pha cung cấp cái nhìn toàn diện về hình thái của bề mặt công suất tối ưu.

So với các công bố khoa học trước đây của Chen (nghiên cứu 3D CFD trên động cơ gamma) và Mahkamov (nghiên cứu 2D CFD với điều kiện nhiệt độ thành cố định), mô hình của luận văn này tạo bước đột phá khi lần đầu tiên áp dụng truyền nhiệt hỗn hợp giữa chất lưu và kết cấu rắn gồm thép và đồng. Cách tiếp cận này giúp dự báo chính xác hiện tượng suy giảm công suất do tổn hao nhiệt lượng ra môi trường tự nhiên ở nhiệt độ 303 K.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận rút ra từ phân tích giải tích và mô phỏng số, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, điều chỉnh kích thước hình học của cụm xylanh - piston. Kỹ sư thiết kế cần tái cơ cấu đường kính và hành trình piston để đưa tỉ lệ thể tích quét từ mức ban đầu 13,2 về khoảng tối ưu từ 1,5 đến 2,5, đồng thời thiết lập lại góc lệch pha trục khuỷu trong dải 95 độ đến 105 độ. Giải pháp này hướng tới mục tiêu gia tăng công suất có ích tại trục động cơ thêm khoảng 40% đến 50%, thực hiện trong giai đoạn chế tạo mẫu thử nghiệm trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc cách nhiệt cho bộ hoàn nhiệt. Cần bọc vật liệu cách nhiệt chuyên dụng xung quanh ống nối và thân bộ hoàn nhiệt có thể tích 119,8 x 10^-6 m3 nhằm giảm thiểu mức tổn thất nhiệt ra môi trường 303 K xuống dưới 12%. Đơn vị chế tạo cơ khí cần hoàn thành việc nâng cấp vật liệu xốp gốm hoặc lưới kim loại dẫn nhiệt cao trong thời hạn 3 tháng.

Thứ ba, phát triển cơ cấu thay đổi góc lệch pha linh hoạt theo tải trọng. Nhóm kỹ sư nghiên cứu cơ cấu truyền động cần tích hợp cơ cấu lệch tâm điều chỉnh được để duy trì góc pha tối ưu khi tốc độ động cơ thay đổi trong dải từ 300 đến 600 vòng/phút, dự kiến thử nghiệm trong thời gian 9 tháng.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình mô phỏng 3D CFD mở rộng có xét đến dòng chảy rối. Các phòng thí nghiệm chuyên ngành động lực học cần nâng cấp mô hình tính toán lên không gian 3 chiều hoàn chỉnh, tích hợp mô hình nhiễu loạn k-epsilon khi vận tốc động cơ vượt quá 10 vòng/giây, thực hiện trong kế hoạch nghiên cứu 12 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư thiết kế động cơ nhiệt và thiết bị năng lượng tái tạo: Nhận được bộ thông số thiết kế hình học tối ưu cùng phương pháp tính toán công suất vô thứ nguyên để phát triển các tổ máy phát điện năng lượng mặt trời tập trung từ 1 kW đến 25 kW.

2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tiếp cận quy trình mô phỏng số chuyên sâu trên ANSYS Fluent, bao gồm kỹ thuật phân tách lưới động bằng hàm UDF và mô hình truyền nhiệt hỗn hợp cho hệ thống piston chuyển động tịnh tiến qua lại.

3. Doanh nghiệp và chuyên gia phát triển hệ thống đồng phát nhiệt - điện (CHP): Có cơ sở dữ liệu tính toán chính xác để thiết kế các cụm động cơ Stirling tận dụng nguồn nhiệt thải công nghiệp từ 300 K đến 650 K, giúp giảm chi phí nhiên liệu và cắt giảm phát thải khí nhà kính.

4. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Giao thông, Kỹ thuật Nhiệt: Sử dụng tài liệu làm học liệu tham khảo chuyên đề về nhiệt động lực học nâng cao, phương pháp tính toán số trong cơ học chất lưu và quy trình tối ưu hóa động cơ nhiệt ngoài.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Stirling loại alpha có cấu trúc và đặc tính sinh công như thế nào so với loại beta và gamma? Động cơ Stirling loại alpha sử dụng hai xylanh và hai piston riêng biệt gồm một piston giãn nở ở vùng nóng và một piston nén ở vùng lạnh, kết nối thông qua bộ hoàn nhiệt. Cấu trúc này dễ gia công, có tỉ số nén linh hoạt nhưng đòi hỏi hệ thống làm kín phức tạp hơn so với loại beta và gamma.

2. Tại sao phương pháp giải tích Schmidt truyền thống lại có sự chênh lệch lớn so với kết quả mô phỏng số? Mô hình Schmidt giả định quá trình nén và giãn nở là đẳng nhiệt tuyệt đối, bỏ qua ma sát cơ khí, tổn thất áp suất động lực học và sự truyền nhiệt không hoàn toàn qua thành xylanh. Trong thực tế, tốc độ piston 8,333 vòng/giây khiến khối khí không kịp đạt nhiệt độ biên, làm giảm công chu trình thực tế khoảng 25% đến 35%.

3. Ý nghĩa của mô hình truyền nhiệt hỗn hợp (Conjugate Heat Transfer) trong nghiên cứu này là gì? Mô hình truyền nhiệt hỗn hợp cho phép tính toán đồng thời phương trình truyền nhiệt trong miền chất lưu khí và miền vật liệu rắn của xylanh (thép và đồng). Phương pháp này giúp mô tả chính xác sự mất mát nhiệt lượng ra môi trường đối lưu tự nhiên ở nhiệt độ 303 K thay vì gán nhiệt độ vách cố định thiếu thực tế.

4. Kỹ thuật lưới động (Dynamic Mesh) được cấu hình như thế nào để mô phỏng chuyển động của piston? Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tách lớp lưới động (Layering) kết hợp hàm lập trình UDF ngôn ngữ C mang tên CG_MOTION. Hàm này tự động tính toán vận tốc và vị trí tức thời của đỉnh piston theo từng bước thời gian 0,001 giây, đảm bảo hình học lưới vuông 2 mm luôn giữ nguyên chất lượng tính toán.

5. Việc vô thứ nguyên hóa các đại lượng công và công suất mang lại lợi ích gì cho bài toán tối ưu? Bằng cách chia công chu trình cho đại lượng công giãn nở trung bình, các kết quả tính toán không còn phụ thuộc vào kích thước tuyệt đối hay áp suất cụ thể của một động cơ riêng lẻ. Nhờ đó, biểu đồ công suất vô thứ nguyên trở thành công cụ tra cứu tổng quát áp dụng cho mọi kích cỡ động cơ Stirling loại alpha.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Phan Song Vũ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra với 5 đóng góp học thuật cốt lõi:

• Thiết lập thành công mô hình giải tích tích hợp lý thuyết hiệu suất cơ khí Senf và phương pháp tối ưu hóa vô thứ nguyên Cheng trên phần mềm MATLAB.
• Tiên phong ứng dụng mô hình truyền nhiệt hỗn hợp CHT trong mô phỏng số CFD động cơ Stirling loại alpha, phản ánh chính xác tổn thất nhiệt qua thành xylanh.
• Xây dựng giải thuật lưới động chính xác bằng hàm UDF trên ANSYS Fluent, xử lý triệt để bài toán biến thiên thể tích của 2.251 phần tử lưới trong 60 giây mô phỏng.
• Chỉ rõ điểm hạn chế của bộ thông số thiết kế ban đầu khi tỉ lệ thể tích quét 13,2 nằm ngoài vùng cực trị, đồng thời xác lập vùng thông số tối ưu mới với tỉ lệ thể tích quét từ 1,5 đến 2,5 và góc lệch pha quanh mức 95 đến 105 độ.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu đối sánh chi tiết giữa lý thuyết giải tích và mô phỏng thủy khí động lực học, phục vụ đắc lực cho công tác chế tạo thực nghiệm.

Trong giai đoạn tiếp theo từ 6 đến 12 tháng, các nhóm nghiên cứu cần triển khai chế tạo mẫu thử nghiệm theo bộ thông số tối ưu đề xuất và mở rộng mô phỏng 3D CFD để hoàn thiện công nghệ động cơ Stirling phát điện sạch tại Việt Nam. Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để ứng dụng vào các dự án chuyển đổi năng lượng xanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Vấn đề ô nhiễm môi trường trên thế giới ngày càng diễn biến trầm trọng. Nồng độ CO2 trong khí quyển, nguyên nhân chính làm gia tăng nhiệt độ của trái đất liên tiếp cán những mốc kỉ lục mới. Tháng 5 năm 2013, lần đầu tiên giá trị nồng độ CO2 vượt ngưỡng 400 ppm tại trạm quan sát Mauna Loa (Hawaii). Tháng 4 năm 2014, 12 trạm quan sát trên thế giới đồng loạt ghi nhận giá trị 400 ppm.

Điều này có nghĩa rằng nồng độ CO2 cao kỉ lục đã trở thành vấn đề của toàn cầu và hoàn toàn không có dấu hiệu giảm sút. Mức tăng nồng độ Cacbondioxide trong khí quyển theo năm Xu hướng này đã và đang tiếp tục làm động lực thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu, tìm kiếm các giải pháp cho nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng sinh học, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, hydro… Theo số liệu thống kê từ nguồn REN21, trong nhóm các nguồn năng lượng tái tạo mới, từ năm 2009 đến nay, tốc độ tăng trưởng của công nghệ năng lượng mặt trời đang dẫn đầu với mức tăng thường niên đạt ~30%. Theo đó, tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời của thế giới năm 2014 đạt 177 Gigawatts, gấp 7.5 lần so với năm 2009. Các quốc 1 TỔNG QUAN gia đang dẫn đầu thế giới về sản lượng điện năng lượng mặt trời bao gồm Trung Quốc, Đức, Mỹ và Tây Ban Nha.

Mức tăng trưởng của năng lượng mặt trời từ năm 2009-2014 Về khía cạnh động cơ Stirling, do có thể hoạt động với mọi nguồn nhiệt, nên khả năng ứng dụng rất rộng rãi. 2 nguồn năng lượng ứng dụng cho động cơ Stirling phổ biến nhất hiện nay là năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học. Các dự án sản xuất điện năng sử dụng chảo hội tụ và động cơ Stirling (CPS) lớn nhất hiện nay bao gồm nhà máy điện Maricopa 1.5 MW tại Arizona, Mỹ; dự án EURODISH của Đức và Italia; nhà máy điện Aznalcollar 0.8 MW tại Sevilla, Tây Ban Nha. Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nên việc phát triển ứng dụng của động cơ Stirling trở nên rất hữu ích.

Theo khảo sát của Ciemat et al. [3], năng lượng mặt trời trung bình đạt 4-5 KWh/m2/ngày tại các vùng miền phía Nam. Theo đó, tiềm năng khai thác điện ước tính có thể lên đến 2 MWh/m2/năm. Hơn nữa, việc phát triển kết hợp với nhiên liệu sinh học cũng rất khả thi đối với những 2 TỔNG QUAN khu vực nông thôn, nhằm tận dụng nguồn nhiên liệu và tiết kiệm chi phí truyền tải điện năng.

Tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời trên thế giới theo năm 1.2 Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp số Trên thực tế, quá trình thiết kế động cơ Stirling của các kỹ sư hiện nay còn gặp phải nhiều khó khăn do số lượng nghiên cứu tối ưu hoá còn chưa nhiều. Hơn nữa, do tính chất phức tạp của quá trình trao đổi nhiệt, các phương pháp nghiên cứu động cơ Stirling đều gặp phải những trở ngại nhất định. Cụ thể như phương pháp giải tích áp dụng các giả thuyết chưa thực tế nên kết quả dự đoán còn chưa chính xác. Số liệu từ phương pháp thực nghiệm còn khá ít và rải rác, không đủ tính khái quát để áp dụng cho mọi thông số kỹ thuật.

Phương pháp số bị thử thách bởi khối lượng tính toán, khả năng hội tụ và việc kiểm chứng kết quả. Có thể nói, việc nghiên cứu tính toán, mô phỏng là rất cần thiết để phát triển và ứng dụng rộng rãi động cơ Stirling trong tương lai, góp phần cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, cũng cần phải hoàn thiện các phương pháp mô phỏng 3 TỔNG QUAN và các mô hình số để kết quả tính toán được chính xác hơn, giải quyết được bài toán thiết kế tối ưu cho các kỹ sư.3 Đóng góp mới của đề tài Cho đến nay, có rất ít hướng nghiên cứu sử dụng thành công phương pháp CFD để mô phỏng động cơ Stirling. Tiêu biểu nhất là các nghiên cứu mô phỏng động cơ Stirling bằng phương pháp 3D CFD của Chen [4] và 2D CFD của Mahkamov [5].

Các hướng nghiên cứu này đều tập trung mô phỏng ứng xử của khối lưu chất bên trong động cơ và khảo sát công suất trên chu trình P-V. So với các hướng nghiên cứu trên, đề tài mô phỏng động cơ Stirling loại alpha sử dụng phương pháp CFD có những đóng góp mới sau đây:  Áp dụng mô hình truyền nhiệt hỗn hợp để mô phỏng quá trình truyền nhiệt hỗn hợp giữa miền lưu chất và miền rắn. Đây là lần đầu tiên mô hình này được áp dụng trong việc nghiên cứu động cơ Stirling. Theo đó, mô hình này sẽ thể hiện được sự mất mát nhiệt lượng giữa môi trường ngoài và thành rắn, nhằm đưa việc tính toán công suất động cơ Stirling gần với thực tế và cho kết quả chính xác hơn.

 Áp dụng lý thuyết về hiệu suất cơ khí của Senf [2] vào mô hình mô phỏng CFD để khảo sát công suất thực tế của động cơ Stirling, đồng thời so sánh với công và công suất lý thuyết từ chu trình P-V.  So sánh và phân tích sự khác biệt về kết quả giữa phương pháp giải tích và phương pháp CFD. Đồng thời khảo sát vùng thông số tối ưu để động cơ Stirling đạt công suất cực đại trong cả 2 phương pháp.4 Mục tiêu của đề tài 1.1 Mục tiêu chính Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát đặc tính công và công suất của động cơ Stirling loại alpha dựa trên các thông số thiết kế, nhằm tìm ra vùng thông số tối ưu mà tại đó động cơ đạt công suất cực đại. Phương pháp số (CFD) được áp dụng để mô phỏng ứng xử của khối lưu chất bên trong động cơ Stirling và quá trình truyền nhiệt hỗn hợp giữa lưu chất và thành rắn xung quanh.

Trong đó, phương trình vật lý thể hiện đặc tính động lực học của dòng lưu chất là phương trình Navier-Stock dạng đầy đủ. Phương trình năng lượng mô tả ứng xử của quá trình truyền nhiệt hỗn hợp trong dòng lưu chất và trong thành rắn sẽ được mô phỏng đồng thời. Kết quả nghiên cứu bao gồm phân bố nhiệt độ và áp suất trong xylanh của động cơ. Công chu trình P-V, công có ích và công suất sau đó được tính toán dựa trên các kết quả mô phỏng này.

Trước hết, kết quả sẽ được tính toán dựa trên thông số thiết kế ban đầu của động cơ. Sau đó quá trình tính toán được lặp lại với giá trị biến thiên của từng thông số. Cuối cùng, kết quả bao gồm công có ích và công suất sẽ được biểu thị theo các biến đặc trưng cho từng thông số kỹ thuật.2 Mục tiêu phụ 1.1 Tính toán tối ưu động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích Mặc dù mô hình giải tích của động cơ Stirling sử dụng khá nhiều giả thiết đơn giản hoá và kết quả tính toán còn chưa sát với thực tế. Tuy nhiên, đường đặc tính công và công suất lý thuyết có khả năng thể hiện vùng thông số chung mà tại đó động cơ hoạt động với công suất tối đa.

Đề tài này sử dụng mô hình giải tích của Schmidt [1], áp dụng thêm lý thuyết về hiệu suất cơ khí của Senf [2] để tính toán tối ưu công suất của động cơ Stirling loại alpha theo phương pháp đề nghị của Cheng [6]. Các thông số kỹ thuật biến thiên để 5 TỔNG QUAN khảo sát bao gồm góc lệch pha, tỉ lệ thể tích quét, tỉ lệ thể tích chết và hiệu suất cơ khí. Kết quả bao gồm công chu trình P-V và công suất được biểu diễn theo sự biến thiên của từng thông số.2 So sánh và phân tích kết quả giữa 2 phương pháp Kết quả của phương pháp mô phỏng số sẽ được so sánh với kết quả từ phương pháp giải tích. Mục tiêu là so sánh vùng thông số mà tại đó công suất của động cơ đạt giá trị cực đại và tìm lời giải thích cho sự khác biệt (nếu có).

Các số liệu công suất biểu thị theo từng thông số kỹ thuật cũng được so sánh và biện luận để từ đó rút ra nhận xét về mức độ chính xác và xác định ưu nhược điểm của từng phương pháp.5 Tổng quan về động cơ Stirling Linh mục người Scottland, Robert Stirling là người đầu tiên thiết kế thành công một động cơ chạy bằng không khí năm 1816. Ban đầu thiết kế này được biết đến với tên gọi “động cơ chạy khí của Stirling”. Với đặc tính an toàn, độ ồn thấp và có thể hoạt động với bất kỳ nguồn nhiệt nào, động cơ Stirling xuất hiện trong một số ứng dụng như máy phát điện, máy bơm nước, và thường được sử dụng ở các vùng nông thôn hoặc các khu vực khó tiếp cận với năng lượng điện. Trong những năm trở lại đây, động cơ Stirling gây được sự chú ý trở lại khi vấn đề ô nhiễm môi trường càng trở nên nghiêm trọng.

Mức độ phát thải thấp (khi hoạt động với chất đốt) và khả năng tương thích với nhiều nguồn năng lượng xanh, bao gồm năng lượng mặt trời, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt, hay thậm chí là nhiệt lượng thừa của các khu vực công nghiệp, là điều kiện tốt để phát triển ứng dụng của động cơ Stirling. Bên cạnh đó, do cấu tạo đơn giản, việc thiết kế động cơ Stirling không quá phức tạp và không yêu cầu việc bảo trì thường xuyên trong quá trình sử dụng. Dĩ nhiên, động cơ Stirling vẫn tồn tại một số nhược điểm, cụ thể như tỉ lệ năng 6 TỔNG QUAN lượng/khối lượng thấp, không thể thay đổi tốc độ/ moment tức thì như động cơ đốt trong… 1.6 Phân loại động cơ Stirling Động cơ Stirling được chia làm 3 loại chính dựa trên cấu trúc thiết kế bao gồm alpha, beta và gamma. Ngoài ra, động cơ Stirling còn một số cấu trúc khác như dạng đĩa và dạng piston tự do.

Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng, động cơ Stirling loại gamma có khả năng hoạt động với mức chênh lệch nhiệt độ thấp nhất, trong khi động cơ Stirling loại beta có khả năng sinh công lớn nhất. Phân loại động cơ Stirling 1.7 Ứng dụng của động cơ Stirling Tính đến thời điểm hiện tại, động cơ Stirling được áp dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau:  Máy phát điện: có khả năng hoạt động với mọi nguồn nhiên liệu, động cơ Stirling được áp dụng rộng rãi làm máy phát điện. Nguồn nhiệt sử dụng phổ biến nhất hiện nay là nhiên liệu sinh học.  Hệ thống CHP: đối với các nhà máy phát điện, đặc biệt là nhiệt điện, lượng nhiệt thải ra môi trường trong quá trình hoạt động chiếm một tỉ lệ không nhỏ.