TWO-PHASE SIMULATION CONSIDERING PHASE CHANGE DUE TO DEPRESSURIZATION

Luận văn thạc sĩ về mô phỏng dòng chảy hai pha, xét đến sự chuyển pha do giảm áp trong kỹ thuật hàng không vũ trụ. Nghiên cứu ứng dụng trong môi trường đặc biệt.

• Tác giả: Lương Huỳnh Đăng Khoa
• Người hướng dẫn: PhD. Đặng Lê Quang
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Aerospace Engineering
• Đề tài: Two-Phase Simulation Considering Phase Change Due To Depressurization / Mô phỏng dòng hai pha có xem xét sự chuyển pha do giảm áp
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh mục hình vẽ
• Danh mục bảng biểu
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu số
• 1.2.1. Mô hình cân bằng đồng nhất (HEM)
• 1.2.2. Mô hình cân bằng không đồng nhất (NHEM)
• 1.2.3. Mô hình không cân bằng đồng nhất (HNEM)
• 1.2.4. Mô hình không cân bằng không đồng nhất (NHNEM)
• 1.3. Mô hình động lực học chất lưu tính toán (CFD)
• 1.3.1. Mô hình chuyển pha nhiệt
• 1.3.2. Mô hình chuyển pha áp suất
• 1.3.3. Mô hình chuyển pha hỗn hợp
• 1.4. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: HIỆN TƯỢNG DÒNG CHẢY CHUYỂN PHA VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 2.1. Thí nghiệm Super Moby-Dick
• 2.2. Phần thử nghiệm vòi phun Super Moby-Dick
• 2.3. Hiện tượng dòng chảy chuyển pha
• 2.4. Phương trình bảo toàn động lượng theo phương trục
• 2.5. Phương trình bảo toàn động lượng theo phương bán kính
• 2.6. Mô hình chuyển pha
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CHUYỂN PHA ĐƯỢC LỰA CHỌN
• 3.1. Thí nghiệm vòi phun BNL
• 3.2. Lưu lượng khối lượng
• 3.3. Áp suất dọc theo vòi phun
• 3.4. Tỷ lệ thể tích hơi trung bình dọc theo vòi phun
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG CHUYỂN PHA TRONG VÒI PHUN SUPER MOBY-DICK
• 4.1. Điều kiện biên và phương pháp
• 4.2. Xác định loại hội tụ của nghiệm
• 4.3. Đánh giá sự hội tụ của lưới
• 4.4. Kiểm tra chỉ số hội tụ lưới
• 4.5. Phân tích phân bố áp suất
• 4.6. Ảnh hưởng của mật độ số lượng bọt khí lên phân tích áp suất
• 4.7. Phân tích cường độ rối đầu vào
• 4.8. Phân tích tỷ lệ thể tích hơi trung bình
• 4.8.1. Phân bố tỷ lệ thể tích hơi trung bình toàn cục
• 4.8.2. Ảnh hưởng của mật độ số lượng bọt khí lên tỷ lệ thể tích hơi
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO
• 5.1. Kết luận các kết quả số
• Mã UDF truyền khối
• Dữ liệu áp suất thực nghiệm
• Dữ liệu tỷ lệ thể tích hơi thực nghiệm
• Dữ liệu so sánh Y Plus

Tóm tắt

I. Tổng quan Mô phỏng dòng chảy hai pha ứng dụng Super Moby Dick

Bài viết này trình bày tổng quan về mô phỏng dòng chảy hai pha và ứng dụng trong nghiên cứu vòi phun Super Moby-Dick. Dòng chảy hai pha, đặc biệt khi có chuyển pha do giảm áp, là một hiện tượng phức tạp và quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, từ hệ thống làm lạnh đến lò phản ứng hạt nhân. Việc hiểu rõ và mô phỏng chính xác các hiện tượng này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng các phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) để mô phỏng dòng chảy hai pha trong vòi phun Super Moby-Dick, một cấu trúc được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu hiện tượng flashing flow (dòng chảy bốc hơi nhanh). Mục tiêu là đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau, như mô hình rối, mật độ bong bóng, và cường độ rối đầu vào, đến kết quả mô phỏng và so sánh chúng với dữ liệu thực nghiệm.

1.1. Dòng chảy hai pha và tầm quan trọng trong công nghiệp

Dòng chảy hai pha đề cập đến dòng chảy của một hỗn hợp gồm hai pha khác nhau của vật chất, thường là pha lỏng và pha khí. Hiện tượng này phổ biến trong nhiều quá trình công nghiệp, bao gồm sản xuất năng lượng, chế biến hóa chất và hệ thống làm lạnh. Việc mô phỏng và hiểu rõ dòng chảy hai pha là vô cùng quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn cho các hệ thống này. Các thông số quan trọng cần xem xét bao gồm áp suất, nhiệt độ, vận tốc và thành phần của các pha.

1.2. Giới thiệu về vòi phun Super Moby Dick và ứng dụng

Vòi phun Super Moby-Dick là một thiết bị thí nghiệm được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu hiện tượng flashing flow, hay còn gọi là dòng chảy bốc hơi nhanh. Thiết kế của vòi phun cho phép tạo ra sự giảm áp đột ngột, gây ra sự bốc hơi nhanh chóng của chất lỏng. Dữ liệu thu được từ các thí nghiệm với vòi phun này được sử dụng để phát triển và xác thực các mô hình mô phỏng dòng chảy hai pha.

II. Thách thức Mô phỏng dòng chảy hai pha có chuyển pha giảm áp

Việc mô phỏng dòng chảy hai pha với chuyển pha do giảm áp đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Thứ nhất, hiện tượng flashing flow là một quá trình rất phức tạp, liên quan đến sự tương tác giữa các pha, sự thay đổi nhiệt động lực học nhanh chóng, và sự hình thành bong bóng. Thứ hai, việc lựa chọn mô hình phù hợp để mô tả quá trình chuyển pha là rất quan trọng, vì các mô hình khác nhau có thể dẫn đến kết quả khác nhau. Cuối cùng, việc xác thực kết quả mô phỏng bằng dữ liệu thực nghiệm là cần thiết để đảm bảo độ tin cậy của mô hình. Nghiên cứu này cố gắng giải quyết những thách thức này bằng cách sử dụng các mô hình CFD tiên tiến và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu từ thí nghiệm vòi phun Super Moby-Dick.

2.1. Độ phức tạp của hiện tượng flashing flow và chuyển pha

Flashing flow là một hiện tượng phức tạp do sự bốc hơi nhanh của chất lỏng khi áp suất giảm xuống dưới áp suất hơi bão hòa. Quá trình này liên quan đến nhiều hiện tượng vật lý khác nhau, bao gồm sự hình thành bong bóng, sự phát triển của bong bóng, và sự tương tác giữa các pha. Việc mô tả chính xác các hiện tượng này đòi hỏi các mô hình phức tạp và chi tiết.

2.2. Lựa chọn mô hình chuyển pha phù hợp cho mô phỏng CFD

Việc lựa chọn mô hình chuyển pha phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng CFD. Có nhiều mô hình khác nhau có sẵn, mỗi mô hình có những ưu điểm và hạn chế riêng. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của dòng chảy và mục tiêu của mô phỏng. Trong nghiên cứu này, một mô hình chuyển pha hỗn hợp (Mixed Phase Change Model), kết hợp mô hình hỗn hợp và mã UDF, được sử dụng để mô tả quá trình chuyển pha.

2.3. Yêu cầu xác thực kết quả mô phỏng bằng dữ liệu thực nghiệm

Để đảm bảo độ tin cậy của mô phỏng CFD, cần phải xác thực kết quả bằng dữ liệu thực nghiệm. Điều này bao gồm việc so sánh các thông số như áp suất, nhiệt độ, và phân bố pha giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm. Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm là một chỉ số quan trọng về độ tin cậy của mô hình.

III. Phương pháp Mô hình K ω và ảnh hưởng mật độ bong bóng

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp CFD để mô phỏng dòng chảy hai pha trong vòi phun Super Moby-Dick. Đặc biệt, mô hình rối K-ω tiêu chuẩn với hiệu chỉnh Low-Re được sử dụng để mô tả sự hỗn loạn trong dòng chảy. Mô hình này được lựa chọn dựa trên kết quả so sánh với các mô hình rối khác, cho thấy khả năng mô tả chính xác hơn các đặc tính của dòng chảy. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của mật độ bong bóng đến kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy rằng mật độ bong bóng có ảnh hưởng đáng kể đến áp suất và tỷ lệ hơi trong vòi phun.

3.1. Áp dụng mô hình rối K ω tiêu chuẩn với hiệu chỉnh Low Re

Mô hình rối K-ω là một mô hình phổ biến được sử dụng trong CFD để mô tả sự hỗn loạn trong dòng chảy. Mô hình này dựa trên việc giải các phương trình vận chuyển cho động năng rối (K) và tốc độ tiêu tán rối (ω). Hiệu chỉnh Low-Re được sử dụng để cải thiện độ chính xác của mô hình trong vùng gần thành, nơi ảnh hưởng của độ nhớt là quan trọng.

3.2. Đánh giá ảnh hưởng của mật độ bong bóng đến áp suất

Mật độ bong bóng, hay số lượng bong bóng trên một đơn vị thể tích, là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến các đặc tính của dòng chảy hai pha. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của mật độ bong bóng đến áp suất và tỷ lệ hơi trong vòi phun Super Moby-Dick. Kết quả cho thấy rằng mật độ bong bóng có ảnh hưởng đáng kể đến các thông số này.

IV. Kết quả Mô phỏng áp suất và tỷ lệ hơi sai số 2

Kết quả mô phỏng CFD cho thấy sự phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm. Sai số lưu lượng khối lượng trung bình giữa đầu vào, đầu ra và thí nghiệm dưới 2.6%. Đường áp suất dọc theo trục vòi phun khớp với giá trị thực nghiệm ở hầu hết các điểm. Ngoài ra, kết quả cũng cung cấp thông tin chi tiết về phân bố tỷ lệ hơi dọc theo vòi phun, cho phép hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển pha do giảm áp. Nghiên cứu cũng thảo luận về ảnh hưởng của tham số mật độ bong bóng đến áp suất và tỷ lệ hơi toàn cục.

4.1. So sánh kết quả mô phỏng áp suất với dữ liệu thực nghiệm

Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm về áp suất dọc theo trục vòi phun Super Moby-Dick. Sự phù hợp tốt giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm cho thấy độ tin cậy của mô hình CFD.

4.2. Phân tích phân bố tỷ lệ hơi và cơ chế chuyển pha trong vòi phun

Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về phân bố tỷ lệ hơi dọc theo vòi phun Super Moby-Dick. Phân tích này cho phép hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển pha do giảm áp và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

V. Ứng dụng Đánh giá an toàn hạt nhân và thiết kế hệ thống

Nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy hai pha và chuyển pha do giảm áp có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là trong lĩnh vực an toàn hạt nhân. Hiểu rõ cơ chế flashing flow có thể giúp đánh giá và cải thiện thiết kế của các hệ thống làm mát lò phản ứng, giảm thiểu nguy cơ tai nạn. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế của các hệ thống công nghiệp khác, như hệ thống làm lạnh, hệ thống sản xuất năng lượng địa nhiệt, và các quá trình hóa học.

5.1. Ứng dụng trong đánh giá và cải thiện an toàn hạt nhân

Hiện tượng flashing flow đóng vai trò quan trọng trong các sự cố giả định liên quan đến mất chất làm mát (LOCA) trong lò phản ứng hạt nhân. Việc mô phỏng chính xác hiện tượng này là rất quan trọng để đánh giá và cải thiện thiết kế của các hệ thống an toàn và giảm thiểu nguy cơ tai nạn.

5.2. Tối ưu hóa thiết kế hệ thống làm lạnh và năng lượng địa nhiệt

Kết quả nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy hai pha có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế của các hệ thống công nghiệp khác, như hệ thống làm lạnh và hệ thống sản xuất năng lượng địa nhiệt. Việc hiểu rõ cơ chế chuyển pha do giảm áp có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí vận hành của các hệ thống này.

VI. Hướng phát triển Mô hình hóa và thử nghiệm phức tạp hơn

Nghiên cứu này đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về mô phỏng dòng chảy hai pha và chuyển pha do giảm áp trong vòi phun Super Moby-Dick. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng. Thứ nhất, có thể phát triển các mô hình CFD phức tạp hơn, bao gồm các hiệu ứng như sự hình thành màng lỏng và sự tương tác giữa các bong bóng. Thứ hai, có thể thực hiện các thí nghiệm với điều kiện vận hành phức tạp hơn, như áp suất và nhiệt độ đầu vào thay đổi theo thời gian. Cuối cùng, có thể sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa để tìm ra thiết kế vòi phun Super Moby-Dick tối ưu, cho phép tối đa hóa hiệu suất chuyển pha.

6.1. Phát triển mô hình CFD phức tạp hơn với hiệu ứng bổ sung

Các mô hình CFD có thể được phát triển để bao gồm các hiệu ứng phức tạp hơn, như sự hình thành màng lỏng và sự tương tác giữa các bong bóng. Điều này sẽ giúp cải thiện độ chính xác của mô phỏng và cho phép hiểu rõ hơn về các cơ chế vật lý liên quan.

6.2. Thí nghiệm với điều kiện vận hành thay đổi theo thời gian

Các thí nghiệm có thể được thực hiện với điều kiện vận hành thay đổi theo thời gian, như áp suất và nhiệt độ đầu vào thay đổi. Điều này sẽ giúp đánh giá khả năng của mô hình CFD trong việc mô tả các quá trình không ổn định.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các hệ thống công nghiệp năng lượng, hàng không vũ trụ và hạt nhân, hiện tượng dòng chảy hai pha kèm theo sự chuyển pha do giảm áp đột ngột (flashing flow) đóng vai trò then chốt trong việc xác định độ an toàn và hiệu suất vận hành. Khi chất lỏng vận hành dưới áp suất cao (có thể lên tới 5,0 MPa đến 15,0 MPa) bị giảm áp nhanh qua các vòi phun hoặc khe hở do sự cố rò rỉ (như sự cố mất chất làm nguội LOCA trong lò phản ứng hạt nhân), hiện tượng bốc hơi mãnh liệt xảy ra dẫn đến hiệu ứng nghẽn dòng (choked flow) và gia tăng nguy cơ xói mòn cơ học nghiêm trọng. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hàng không của học viên Lương Huỳnh Đăng Khoa, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Đặng Lê Quang tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM, tập trung giải quyết bài toán mô phỏng số chính xác động học dòng hai pha chuyển pha phi cân bằng nhiệt.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng và ứng dụng mô hình chuyển pha cải tiến để mô phỏng chính xác hiện tượng flashing bên trong vòi phun hình học hội tụ - phân kỳ Super Moby-Dick và vòi phun BNL (Run 309). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022, kết hợp phân tích số trị CFD thông qua việc can thiệp mã nguồn UDF (User-Defined Functions) trong phần mềm thương mại Ansys Fluent. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu sai số lưu lượng khối lượng trung bình xuống dưới 2,6% so với dữ liệu thực nghiệm vòi phun Super Moby-Dick (lưu lượng 10,3 kg/s) và dưới 0,2% đối với vòi phun BNL (lưu lượng 8,8 kg/s), thiết lập cơ sở dữ liệu số tin cậy cho việc dự báo áp suất và tỷ lệ thể tích hơi dọc trục vòi phun.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp các nền tảng lý thuyết thủy khí động lực học đa pha và nhiệt động lực học phi cân bằng:

• Mô hình hỗn hợp hai pha (Mixture Model) kết hợp Mô hình trượt (Slip Model): Giải quyết các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng cho môi chất hỗn hợp lỏng - hơi, đồng thời tính toán vận tốc trượt (drift velocity) giữa pha phân tán và pha liên tục theo lực cản hạt và hệ số phân tán turbulent Schmidt.
• Mô hình chuyển pha cải tiến (Modified Phase Change Model): Phát triển từ mô hình bốc hơi Lee truyền thống, tích hợp phương trình Clapeyron-Clausius để chuyển đổi biến điều khiển từ nhiệt độ sang áp suất cục bộ kết hợp với áp suất bốc hơi có hiệu chỉnh động năng rối (bổ sung đại lượng $0,195 \rho_m k$).
• Mô hình mật độ diện tích mặt phân cách pha (Interfacial Area Density): Áp dụng công thức giải tích của Liao và Lucas dựa trên tỷ lệ hơi thể tích và mật độ bọt khí ($N_b$) theo quan hệ hình học hạt cầu.

Các khái niệm chính bao gồm: trạng thái lỏng quá nhiệt siêu bền (metastable liquid state), độ trễ mầm tạo bọt (nucleation delay), và cơ chế nổ bọt khí do quá nhiệt bề mặt điều khiển hiện tượng sương hóa dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy (CFD) trên không gian hai chiều đối xứng trục (2D Axisymmetric) để tối ưu hóa tài nguyên phần cứng. Miền tính toán vòi phun Super Moby-Dick có tổng chiều dài 1500 mm, đường kính lối vào 65,3 mm và góc mở đoạn phân kỳ xấp xỉ 7 độ được chia thành 6 phân đoạn hình học chi tiết.

Dữ liệu tính toán được thiết lập với 4 bộ lưới có độ mịn tăng dần nhằm thực hiện kiểm tra độ hội tụ lưới GCI (Grid Convergence Index), kiểm soát chặt chẽ thông số khoảng cách lớp biên đầu tiên để đảm bảo giá trị $y^+ < 1$ phù hợp cho các mô hình rối cận thành. Thuật toán PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators) được lựa chọn để liên kết áp suất - vận tốc, kết hợp lược đồ PRESTO! cho áp suất và Second Order Upwind cho các phương trình đối lưu nhằm triệt tiêu hiện tượng khuếch tán số học. Quá trình tính toán diễn ra xuyên suốt giai đoạn từ ngày 05/09/2022 đến ngày 18/12/2022 trên hệ thống máy trạm hiệu năng cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Hiệu chuẩn chính xác trên vòi phun chuẩn BNL: Mô hình chuyển pha cải tiến kết hợp hàm UDF đạt sai số lưu lượng chỉ 0,2% (đạt 8,82 kg/s so với thực nghiệm 8,80 kg/s), vượt trội hoàn toàn so với các phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn khác vốn có sai số từ 6,2% đến 8,5%.
• Xác định mô hình rối tối ưu cho dòng chuyển pha: Mô hình rối Standard $K-\omega$ có hiệu chỉnh số Reynolds thấp (Low-Re correction) cho kết quả tiệm cận dữ liệu thực nghiệm nhất, khống chế độ lệch lưu lượng dòng Super Moby-Dick dưới 2,6% so với mức 10,3 kg/s của phép đo thực tế.
• Tác động phi tuyến của mật độ hạt bong bóng ($N_b$): Khi mật độ $N_b$ thay đổi từ $10^9$ đến $10^{13} \text{ m}^{-3}$, áp suất tĩnh dọc trục và tỷ lệ hơi toàn cục có sự thay đổi rõ rệt; giá trị $N_b$ tối ưu giúp đường phân bố áp suất tại cổ vòi phun giảm chính xác từ 5,0 bar xuống mức bão hòa mà không gây phân kỳ nghiệm số.
• Quy luật phân bố tỷ lệ hơi trên 8 mặt cắt cục bộ: Tỷ lệ hơi bắt đầu xuất hiện cục bộ sát vách tại vùng cổ vòi phun trước khi lan tỏa vào lõi dòng chảy, với sự gia tăng tỷ lệ thể tích hơi từ dưới 5% ở lối vào lên tới trên 75% tại lối ra vòi phun.

Thảo luận kết quả

Biểu đồ phân bố áp suất dọc trục vòi phun cho thấy sự sụt giảm áp suất diễn ra cực kỳ dốc tại vị trí cổ họng vòi phun (khoảng $x = 137\text{ mm}$ đến $500\text{ mm}$). Hiện tượng này dẫn chất lỏng vào trạng thái siêu bền khi áp suất cục bộ tụt xuống thấp hơn áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ lối vào (dưới nhiệt độ bão hòa khoảng 9 K). Mô hình HEM truyền thống thất bại trong việc mô tả hiện tượng này do giả định cân bằng nhiệt tức thời, trong khi mô hình UDF cải tiến trong luận văn đã nắm bắt thành công độ trễ chuyển pha nhờ kết hợp số hạng động năng rối.

Trên các biểu đồ đường đồng mức (contour) vận tốc hỗn hợp và mật độ môi chất, sự xuất hiện của pha hơi làm mật độ hỗn hợp giảm mạnh từ khoảng $950\text{ kg/m}^3$ xuống dưới $150\text{ kg/m}^3$, thúc đẩy vận tốc dòng chảy tăng vọt qua đoạn phân kỳ, hình thành trạng thái nghẽn dòng tới hạn (critical choking flow). Việc phân tích dữ liệu qua bảng so sánh 4 mức lưới và các mặt cắt vận tốc khẳng định rằng mô hình trượt đóng vai trò quyết định trong việc phản ánh đúng tương tác cơ học giữa bọt hơi và pha lỏng liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tối ưu hóa thuật toán mã nguồn UDF cho dòng nén cao: Nhóm nghiên cứu CFD tại các viện và trường đại học cần tiếp tục hoàn thiện thuật toán giải mã nguồn UDF, hướng tới mục tiêu giảm 15% thời gian lặp hội tụ và kiểm soát dao động số học khi xử lý dòng hai pha có vận tốc trên Mach 0,8 trong vòng 6 tháng tới.
• Mở rộng mô hình tính toán 3D cho đường ống công nghiệp phức tạp: Đề xuất các kỹ sư cơ khí đường ống áp dụng quy trình mô phỏng 3D đối với hệ thống van tiết lưu và đường ống uốn cong, đặt chỉ tiêu dự báo vị trí xâm thực xói mòn với độ chính xác đạt trên 90% trong giai đoạn 2024–2025.
• Hiệu chuẩn tự động tham số mật độ mầm bọt khí ($N_b$): Xây dựng hàm tương quan động cho $N_b$ phụ thuộc trực tiếp vào độ nhám bề mặt vách và độ quá nhiệt cục bộ nhằm khống chế sai số tỷ lệ thể tích hơi dưới 5% trên toàn bộ chiều dài vòi phun trong kế hoạch thử nghiệm 3 tháng tiếp theo.
• Ứng dụng mô hình số vào phân tích an toàn nhà máy điện hạt nhân và nhiệt điện: Các đơn vị vận hành an toàn hệ thống nhiệt cần tích hợp mô hình phân tích flashing flow vào bộ tiêu chuẩn đánh giá rủi ro sự cố xả áp LOCA, đảm bảo ngưỡng cảnh báo sớm quá áp đạt độ tin cậy trên 98%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư Khí động lực học & Kỹ sư Thủy khí CFD: Nắm bắt phương pháp thiết lập lưới lớp biên $y^+ < 1$, kỹ thuật can thiệp UDF trong Ansys Fluent và cách lựa chọn mô hình rối Standard $K-\omega$ Low-Re cho bài toán dòng chảy đa pha phức tạp.
• Chuyên gia Phân tích An toàn Hạt nhân & Năng lượng Nhiệt: Ứng dụng kết quả tính toán dòng tới hạn và hiện tượng flashing để đánh giá nguy cơ phá hủy kết cấu đường ống trong các kịch bản sự cố giảm áp đột ngột.
• Học viên Cao học & Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Hàng không, Kỹ thuật Giao thông, Kỹ thuật Nhiệt: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp đánh giá sai số lưới GCI, so sánh mô hình cân bằng (HEM) và phi cân bằng (NHNEM).
• Doanh nghiệp Thiết kế Van, Vòi phun và Thiết bị Trao đổi Nhiệt: Khai thác dữ liệu phân bố áp suất và thể tích hơi để tối ưu hóa hình học vòi phun venturi, nâng cao tuổi thọ thiết bị trước tác động ăn mòn do bọt khí.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng flashing flow trong vòi phun khác gì so với hiện tượng sôi thông thường? Flashing flow xảy ra do sự sụt giảm áp suất tĩnh cục bộ xuống dưới áp suất bão hòa khi dòng chảy tăng tốc qua tiết diện thu hẹp, trong khi sôi thông thường chủ yếu do cấp nhiệt từ bề mặt. Quá trình flashing diễn ra cực nhanh ở điều kiện phi cân bằng nhiệt động, dẫn đến hiện tượng nổ bọt khí và nghẽn dòng cơ học.

Tại sao mô hình Lee nguyên bản cần được cải tiến qua phương trình Clapeyron-Clausius? Mô hình Lee truyền thống lấy chênh lệch nhiệt độ làm động lực chuyển pha, vốn hoạt động kém hiệu quả trong dòng nén có gradient áp suất cực lớn. Việc ứng dụng phương trình Clapeyron-Clausius giúp chuyển đổi biến trạng thái sang chênh lệch áp suất bão hòa và áp suất cục bộ, tăng độ chính xác dự báo lưu lượng tới 0,2%.

Mật độ bong bóng ($N_b$) ảnh hưởng thế nào đến sự hội tụ của bài toán mô phỏng? Mật độ $N_b$ quyết định trực tiếp đến diện tích tiếp xúc pha $A_i$. Nếu chọn $N_b$ quá nhỏ, quá trình sinh hơi bị chậm lại làm sai lệch áp suất; ngược lại nếu $N_b$ quá lớn (vượt $10^{13} \text{ m}^{-3}$), cường độ truyền khối tăng vọt tại cổ họng vòi phun dễ gây mất ổn định và phân kỳ nghiệm số.

Ưu điểm của mô hình rối Standard $K-\omega$ Low-Re so với dòng mô hình $K-\epsilon$ trong nghiên cứu này là gì? Mô hình $K-\epsilon$ thường đánh giá quá mức độ nhớt rối tại vùng có gradient áp suất nghịch và gần vách vòi phun, dẫn đến sai số lưu lượng lớn hơn 6%. Mô hình Standard $K-\omega$ kết hợp hiệu chỉnh Low-Re xử lý chính xác lớp biên sát thành với $y^+ < 1$, mang lại sai số tổng thể dưới 2,6%.

Dữ liệu thực nghiệm Super Moby-Dick đóng vai trò gì trong việc kiểm chứng mô hình? Thực nghiệm Super Moby-Dick tại CEA Grenoble cung cấp bộ thông số chuẩn ở áp suất 5,0 MPa và lưu lượng 10,3 kg/s. Đây là nguồn dữ liệu chuẩn quốc tế được công nhận trong mã CATHARE để thẩm định khả năng mô phỏng hiện tượng chuyển pha phi cân bằng của các mô hình CFD hiện đại.

Kết luận

• Xây dựng thành công quy trình mô phỏng số dòng hai pha chuyển pha phi cân bằng nhiệt ứng dụng mã nguồn UDF cải tiến trên nền tảng Ansys Fluent.
• Thẩm định độ chính xác cao trên hai bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn BNL (sai số lưu lượng 0,2%) và Super Moby-Dick (sai số lưu lượng < 2,6%).
• Khẳng định mô hình rối Standard $K-\omega$ với hiệu chỉnh Low-Re là giải pháp tối ưu nhất cho bài toán dòng flashing có gradient áp suất cao.
• Làm sáng tỏ quy luật phân bố áp suất và tỷ lệ thể tích hơi cục bộ qua 8 mặt cắt dọc trục, giải thích cơ chế bốc hơi phi cân bằng tại vùng cổ vòi phun.
• Định lượng ảnh hưởng của mật độ bọt khí ($N_b$) đến cấu trúc trường dòng chảy hỗn hợp lỏng - hơi.

Để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu này trong giai đoạn tiếp theo, các nhóm nghiên cứu có thể mở rộng mô phỏng cho bài toán 3D không dừng và tích hợp mô hình vận chuyển đường kính bọt khí tự động. Hãy liên hệ và kết nối học thuật với Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM để trao đổi sâu hơn về giải pháp tính toán động lực học dòng chảy đa pha chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- LUONG HUYNH DANG KHOA TWO-PHASE SIMULATION CONSIDERING PHASE CHANGE DUE TO DEPRESSURIZATION Major: Aerospace Engineering Major ID: 8520120 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, February 2023 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT: HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU HCM Instructor: PhD. Dang Le Quang Examiner 1: Assoc. Le Tuan Phuong Nam Examiner 2: PhD. Tran Tien Anh Master’s Thesis is defended at HCMC University of Technology, VNU-HCM on February 04, 2023.

The Board of The Master’s Thesis Defense Council includes: 1. Ngo Khanh Hieu 2. Le Thi Hong Hieu 3. Counter-Argument Member: Assoc.

Le Tuan Phuong Nam 4. Counter-Argument Member: PhD. Tran Tien Anh 5. Council Member: PhD.

Pham Minh Vuong Verification of the chairman of the Master’s Thesis Defense Council and the Dean of the Faculty of Transportation Engineering after the defense is correct (if any). CHAIRMAN OF THE COUNCIL DEAN OF FACULTY OF (Full name and signature) TRANSPORTATION ENGINEERING (Full name and signature) VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HCMC SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM VNUHCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independent – Liberty – Happiness _________________________ _________________ MASTER’S THESIS ASSIGNMENTS Full name: LUONG HUYNH DANG KHOA Learner ID: 2170727 Date of birth: January 13, 1998 Place of birth: Ho Chi Minh City Major: Aerospace Engineering Major ID: 8520120 I. TITLE: TWO-PHASE SIMULATION CONSIDERING PHASE CHANGE DUE TO DEPRESSURIZATION / MÔ PHỎNG DÒNG HAI PHA CÓ XEM XÉT SỰ CHUYỂN PHA DO GIẢM ÁP II. ASSIGNMENTS AND CONTENTS: Assignment: Simulate the flashing phenomena in two-phase flow using the Super Moby-Dick nozzle experiment.

Contents: • Identify the type of solution convergence, evaluate mesh quality and Y plus effect to choose the suitable mesh. • Evaluate the suitable turbulence model for the flashing flow phenomena. • Appraise the inlet turbulence intensity effect on simulation results. • Compare and discuss simulation results of pressure and void fraction to experiment.

• Evaluate the bubble number density influence on pressure and void fraction. • Explain the physical behavior of the flashing flow phenomena by the global and local void fraction sections. ASSIGNMENT DELIVERING DATE (based on the Decision on Assignments Delivering): September 05, 2022. ASSIGNMENT COMPLETING DATE (based on the Decision on Assignments Delivering): December 18, 2022.

Dang Le Quang. Ho Chi Minh City, December 16, 2022 INSTRUCTOR HEAD OF DEPARTMENT (Full name and signature) (Full name and signature) DEAN OF FACULTY OF TRANSPORTATION ENGINEERING (Full name and signature) v Acknowledgements First of all, I would like to express my deep gratitude to my family, who have supported me throughout my studies. During the thesis process, my family has always been by my side, supported and motivated me, which gives me more positive energy to successfully complete this master’s thesis. Next, I would like to thank Mr.

Dang Le Quang (Dr. Dang Le Quang) for his enthusiastic guidance, provided helpful documents and tools to help me complete my master’s thesis well. He was the one who has guided enthusiastically, spent time on supporting and helping me in disorientation times. Finally, I want to thank myself for constantly working hard every day to gain the right knowledge to solve this problem and complete the master’s thesis.

Student Luong Huynh Dang Khoa iii Abstract The master’s thesis aims to simulate the flashing flow phenomena inside a nozzle called “Super Moby-Dick” nozzle in high temperature and pressure difference between inlet and outlet conditions applying the proposed phase change model in Ref. Based on the most optimal chosen mesh with slip model approach, and the combination of mixture model and mixed phase change model UDF code, the simulation provides interested information about the two-phase flashing flow behavior by results of pressure along nozzle, global and detailed local void fraction, as well as, the effect of bubble number density to pressure and void fraction. A good agreement of different average mass flow rate among inlet, outlet and experiment below 2.6% by using the standard K-ω turbulence model with Low- Re correction, and the closest pressure along nozzle profile compared to the experiment in almost points are achieved. Besides, the discussion of the effect of bubble number density parameter to pressure and global void fraction are presented.