Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hàng không vũ trụ twophase simulation considering phase change due to depressurization

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật hàng không vũ trụ twophase simulation considering phase change due to depressurization, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Luong Huynh Dang Khoa
• Người hướng dẫn: PhD. Dang Le Quang
• Trường học: Ho Chi Minh University of Technology
• Chuyên ngành: Aerospace Engineering
• Đề tài: Mô Phỏng Hai Pha Trong Kỹ Thuật Hàng Không Vũ Trụ: Nghiên Cứu Biến Đổi Pha Do Giảm Áp Suất
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• Acknowledgements
• Abstract
• Tóm tắt luận văn
• Commitment
• List of Figures
• List of Tables
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION AND LITERATURE REVIEW
• 1.1. Introduction
• 1.2. Motivation
• 1.3. Objectives and scope of study
• 1.4. Literature review
• 1.4.1. Experiment reviews
• 1.4.2. Numerical study reviews
• 1.4.2.1. Homogeneous equilibrium (HEM) models
• 1.4.2.2. Non-homogeneous equilibrium (NHEM) models
• 1.4.2.3. Homogeneous non-equilibrium (HNEM) models
• 1.4.2.4. Non-homogeneous non-equilibrium (NHNEM) models
• 1.4.3. Computational fluid dynamics (CFD) models
• 1.4.3.1. Thermal phase-change models
• 1.4.3.2. Pressure phase-change models
• 1.4.3.3. Mixed phase change model
• 1.5. Outline of the thesis
• 2. CHƯƠNG 2: FLASHING FLOW PHENOMENA AND MATHEMATICAL MODEL
• 2.1. Super Moby-Dick experiment
• 2.1.1. Super Moby-Dick nozzle test section
• 2.2. Flashing flow phenomena
• 2.3. Axial momentum conservation equation
• 2.4. Radial momentum conservation equation
• 2.5. Phase change model
• 3. CHƯƠNG 3: CHOSEN PHASE CHANGE MODEL
• 3.1. BNL nozzle experiment
• 3.1.1. Mass flow rate
• 3.1.2. Pressure along nozzle
• 3.1.3. Average vapor fraction along nozzle
• 4. CHƯƠNG 4: SIMULATION OF FLASHING PHENOMENA IN THE SUPER MOBY-DICK NOZZLE
• 4.1. Boundary conditions and method
• 4.2. Solution convergence type identification
• 4.3. Mesh convergence evaluation
• 4.3.1. Grid convergence index test
• 4.4. Pressure profile analysis
• 4.5. The effect of bubble number density on pressure analysis
• 4.6. Inlet turbulent intensity analysis
• 4.7. Average void fraction analysis
• 4.7.1. Global average void fraction profile
• 4.7.2. The effect of bubble number density on void fraction
• 5. CHƯƠNG 5: CONCLUSION AND FURTHER DEVELOPMENT
• 5.1. Numerical results conclusion
• Mass Transfer UDF Code
• Experimental Pressure Data
• Experimental Void Fraction Data
• Y Plus Comparison Data

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng hai pha trong kỹ thuật hàng không vũ trụ

Mô phỏng hai pha là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, đặc biệt khi nghiên cứu các hiện tượng như biến đổi pha do giảm áp suất. Hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn của các hệ thống trong không gian. Việc hiểu rõ về dynamics of phase change giúp các kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị phức tạp.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của mô phỏng hai pha

Mô phỏng hai pha đề cập đến việc mô phỏng các dòng chảy có sự hiện diện của cả chất lỏng và khí. Ứng dụng của nó rất đa dạng, từ thiết kế động cơ tên lửa đến hệ thống làm mát trong các tàu vũ trụ.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu biến đổi pha

Nghiên cứu biến đổi pha giúp hiểu rõ hơn về cách mà các chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác dưới áp suất và nhiệt độ khác nhau. Điều này rất quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất tối ưu của các hệ thống hàng không vũ trụ.

II. Thách thức trong mô phỏng hai pha do giảm áp suất

Giảm áp suất có thể gây ra nhiều thách thức trong mô phỏng hai pha. Các vấn đề như áp suất và nhiệt độ không đồng nhất có thể dẫn đến các kết quả không chính xác. Việc xác định các điều kiện biên và mô hình hóa chính xác là rất quan trọng để đạt được kết quả đáng tin cậy.

2.1. Các vấn đề liên quan đến áp suất và nhiệt độ

Khi áp suất giảm, hiện tượng flashing flow có thể xảy ra, dẫn đến sự hình thành bọt khí trong dòng chảy. Điều này làm tăng độ phức tạp trong việc mô phỏng và phân tích.

2.2. Khó khăn trong việc lựa chọn mô hình mô phỏng

Việc lựa chọn mô hình mô phỏng phù hợp là một thách thức lớn. Các mô hình như HEM, NHEM, HNEM và NHNEM đều có ưu và nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng.

III. Phương pháp mô phỏng hai pha hiệu quả trong kỹ thuật hàng không vũ trụ

Để mô phỏng hai pha hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp tiên tiến như CFD (Computational Fluid Dynamics). Các phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng phức tạp như biến đổi pha và dynamics of phase change.

3.1. Sử dụng mô hình CFD trong mô phỏng

Mô hình CFD cho phép phân tích chi tiết các dòng chảy hai pha, từ đó giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất của các hệ thống hàng không vũ trụ.

3.2. Đánh giá chất lượng lưới và mô hình rối

Chất lượng lưới và mô hình rối là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của mô phỏng. Việc đánh giá và tối ưu hóa chúng là cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng hai pha trong nghiên cứu

Mô phỏng hai pha có nhiều ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu và phát triển công nghệ hàng không vũ trụ. Các kết quả từ mô phỏng giúp cải thiện thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống phức tạp.

4.1. Nghiên cứu hiện tượng flashing flow

Nghiên cứu hiện tượng flashing flow giúp hiểu rõ hơn về cách mà các chất chuyển đổi trạng thái dưới áp suất thấp, từ đó cải thiện thiết kế vòi phun và hệ thống làm mát.

4.2. Tối ưu hóa thiết kế động cơ tên lửa

Mô phỏng hai pha cũng được áp dụng để tối ưu hóa thiết kế động cơ tên lửa, giúp tăng cường hiệu suất và độ tin cậy trong các chuyến bay không gian.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô phỏng hai pha

Mô phỏng hai pha trong kỹ thuật hàng không vũ trụ đang ngày càng trở nên quan trọng. Các nghiên cứu hiện tại đang mở ra nhiều triển vọng mới cho việc cải thiện hiệu suất và an toàn của các hệ thống trong không gian.

5.1. Tương lai của nghiên cứu mô phỏng hai pha

Nghiên cứu mô phỏng hai pha sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Tác động của công nghệ mới đến mô phỏng

Công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và máy học có thể được áp dụng để tối ưu hóa các mô hình mô phỏng, từ đó nâng cao khả năng dự đoán và phân tích trong kỹ thuật hàng không vũ trụ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật hàng không vũ trụ và các hệ thống nhiệt động công nghiệp, 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 kiểm soát hiệu suất và an toàn vận hành. Khi chất lỏng dưới áp suất cao chuyển động qua các tiết diện co thắt như vòi phun hội tụ - phân kỳ, áp suất cục bộ giảm nhanh xuống dưới áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ dòng, kích hoạt quá trình bốc hơi tức thời mạnh mẽ. Nghiên cứu của học viên Lương Huỳnh Đăng Khoa, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Lê Quang, đã tập trung giải quyết bài toán mô phỏng số 2D đối xứng trục đối với dòng hai pha có xét đến sự chuyển pha do giảm áp trong vòi phun Super Moby-Dick.

Mục tiêu cốt lõi của luận văn là thiết lập quy trình mô phỏng động lực học chất lưu tính toán (CFD) chuẩn xác, giải thích toàn diện quy luật biến thiên áp suất và tỷ lệ hơi toàn cục cũng như cục bộ trên 8 mặt cắt dọc theo vòi phun dài 1500 mm. Nghiên cứu đã kiểm định mô hình chuyển pha cải tiến trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm BNL Case 309 với lưu lượng khối lượng thực tế 8,8 kg/s và áp suất đầu vào 555.900 Pa, sau đó áp dụng vào cấu hình vòi Super Moby-Dick với lưu lượng thực nghiệm 10,3 kg/s. Kết quả đạt được đưa mức sai lệch lưu lượng khối lượng trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm xuống dưới 2,6%, khẳng định giá trị ứng dụng cao trong việc dự đoán rủi ro xâm thực, xói mòn thành ống và tối ưu hóa hệ thống vòi phun hàng không.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng dọc trục, động lượng hướng kính và năng lượng cho dòng hỗn hợp đa pha (Mixture Model) kết hợp mô hình vận tốc trượt (Slip Model). Chuyển động tương đối giữa pha lỏng liên tục và pha hơi phân tán được mô tả qua vận tốc trôi (drift velocity) và hàm lực cản hạt với số Reynolds tương đối từ 0 đến hơn 1000. Để mô hình hóa sự chuyển pha do giảm áp sâu trong điều kiện bất cân bằng nhiệt động, tác giả áp dụng mô hình chuyển pha Lee cải tiến thông qua phương trình nhiệt động Clapeyron-Clausius. Phương trình này chuyển đổi động lực chuyển pha từ chênh lệch nhiệt độ sang chênh lệch áp suất thực tế và áp suất bão hòa, kết hợp với hiệu chỉnh áp suất bốc hơi cục bộ xét đến động năng rối với hệ số thực nghiệm 0,195.

Mô hình diện tích tiếp diện liên pha của Liao và Lucas dựa trên mật độ số lượng bọt khí ($N_b$) được tích hợp trực tiếp để định lượng tốc độ truyền khối lượng giữa hai pha. Về mặt động học rối, luận văn đánh giá chi tiết các họ mô hình Standard K-epsilon, Realizable K-epsilon, Standard K-omega và SST K-omega, trong đó mô hình Standard K-omega kết hợp hàm hiệu chỉnh số Reynolds thấp (Low-Re correction) được chứng minh là phản ánh chính xác nhất cấu trúc lớp biên sát thành trong điều kiện vòi phun có góc mở 7 độ ở phần phân kỳ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số thông qua phần mềm thương mại Ansys Fluent với việc nhúng mã nguồn hàm định nghĩa người dùng (UDF) để lập trình thuật toán truyền khối lượng chuyển pha tùy biến. Quy trình phân tích được thực hiện tuần tự qua hai giai đoạn kiểm chứng thực nghiệm độc lập: kiểm chứng lựa chọn mô hình trên hình học vòi phun BNL (gồm 4 cách tiếp cận số khác nhau) và mô phỏng chi tiết dòng siêu nén trên hình học vòi Super Moby-Dick. Cỡ mẫu tính toán bao gồm 4 cấu hình lưới có độ mịn tăng dần từ 15.000 đến hơn 85.000 phần tử đa giác chất lượng cao, với chiều cao lớp biên đầu tiên được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo giá trị Y-plus tiệm cận vùng tuyến tính sát vách ($Y^+ \approx 1$). Phương pháp chọn lưới tối ưu dựa trên chỉ số hội tụ lưới GCI (Grid Convergence Index) theo chuẩn ASME, giúp triệt tiêu sai số hình học và sai số số trị.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích ghép cặp PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators) kết hợp với giản đồ nội suy áp suất PRESTO và sơ đồ sai phân bậc hai Second-Order Upwind là nhằm đảm bảo tính ổn định cao khi giải bài toán dòng chảy nén hai pha có gradient áp suất cực lớn và biến thiên mật độ hỗn hợp từ khoảng 1000 kg/m³ xuống dưới 50 kg/m³. Quá trình giải phi dừng với bước thời gian nhỏ đảm bảo chuẩn hội tụ sai số thặng dư của các phương trình bảo toàn luôn dưới $10^{-4}$. Toàn bộ nghiên cứu được thực hiện theo tiến độ phê duyệt từ tháng 09/2022 đến khi hoàn thành bảo vệ vào tháng 02/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc áp dụng mô hình Lee cải tiến tích hợp phương trình Clapeyron-Clausius qua mã UDF cho kết quả vượt trội hoàn toàn so với các mô hình xâm thực thương mại có sẵn. Trong bài toán chuẩn BNL Case 309, sai số tương đối của lưu lượng khối lượng giữa mô phỏng và thực nghiệm giảm từ mức 8,5% (phương pháp Liao và Lucas) và 6,4% (mô hình Schnerr - Sauer) xuống chỉ còn 0,2%, với giá trị lưu lượng tính toán đạt xấp xỉ 8,819 kg/s so với giá trị đo 8,800 kg/s.

Thứ hai, đối với vòi phun Super Moby-Dick, mô hình Standard K-omega với hiệu chỉnh Low-Re đã mô phỏng thành công sự phân bố áp suất dọc trục, bám sát các điểm đo thực nghiệm tại hơn 90% các vị trí cảm biến đo dọc thân vòi. Sai lệch lưu lượng khối lượng trung bình giữa đầu vào, đầu ra và số liệu thực nghiệm được duy trì ở mức xuất sắc dưới 2,6%.

Thứ ba, sự hình thành và phát triển của pha hơi diễn ra cực kỳ mãnh liệt ngay sau cổ vòi phun (tại vị trí tọa độ trục $x = 137$ mm). Tỷ lệ thể tích pha hơi toàn cục tăng vọt từ 0% ở lối vào lên đạt đỉnh hơn 80% tại phần đuôi vòi phân kỳ, thể hiện sự chuyển đổi trạng thái dòng chảy từ bọt mịn sang dòng phân tán giọt lỏng.

Thứ tư, mật độ số lượng bọt khí ($N_b$) đóng vai trò tham số then chốt quyết định tốc độ sụt giảm áp suất và mức độ bất cân bằng nhiệt động. Khi $N_b$ tăng từ $10^8$ m⁻³ lên $10^{11}$ m⁻³, diện tích tiếp xúc pha tăng lên làm gia tốc quá trình bốc hơi, khiến áp suất tại vùng cổ vòi phục hồi sớm hơn khoảng 12% đến 18% so với trường hợp mật độ bọt thấp.

Thảo luận kết quả

Các kết quả phân tích số được lượng hóa sinh động thông qua biểu đồ đường phân bố áp suất dọc trục và bảng đối chiếu lưu lượng khối lượng đa tham số. Đồ thị áp suất dọc trục cho thấy khi chất lỏng đi qua đoạn hội tụ (từ $x = 37$ mm đến $x = 137$ mm), vận tốc tăng vọt làm áp suất tĩnh giảm sâu đột ngột xuống dưới ngưỡng áp suất bão hòa tương ứng với độ quá lạnh đầu vào là 9 K. Hiện tượng sụt áp sâu (undershoot) này tạo ra trạng thái lỏng siêu nhiệt giả bền (metastable liquid), làm chậm quá trình bốc hơi trước khi hiện tượng tạo mầm bọt khí bùng nổ.

Dữ liệu trường vận tốc và tỷ lệ pha hơi được biểu diễn trực quan qua các đường đẳng trị 2D (contour) và biểu đồ phân bố cục bộ trên 8 mặt cắt ngang vòi phun. Kết quả cho thấy gradient tỷ lệ hơi tập trung rất cao tại khu vực sát thành ống do hiệu ứng trượt ma sát vách và kích hoạt mầm bọt tại các lỗ rỗng bề mặt, sau đó khuếch tán dần vào trục tâm vòi. Cường độ xoáy rối đầu vào dao động từ 1% đến 5% có tác động điều chỉnh cục bộ động năng rối nhưng không làm thay đổi xu hướng chung của đường cong áp suất tổng thể. Cơ chế này giải thích rõ ràng bản chất động lực học dòng hai pha siêu nén, khắc phục triệt để nhược điểm của các mô hình cân bằng đồng nhất (HEM) truyền thống vốn thường đánh giá quá cao tốc độ phục hồi áp suất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện chuyên sâu của đề tài, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và nghiên cứu tiếp theo được đề xuất rõ ràng:

1. Hoàn thiện mô hình động học kích thước bọt khí: Viện Kỹ thuật Giao thông và các nhóm nghiên cứu CFD nên tích hợp phương trình cân bằng mật độ hạt (Population Balance Model - PBM) vào mã UDF hiện tại trong vòng 6 đến 9 tháng tới, nhằm mô hình hóa chính xác hiện tượng bọt khí hợp nhất và vỡ vụn thay vì giả định mật độ $N_b$ cố định, hướng tới giảm sai số độ rỗng cục bộ xuống dưới 3%.

2. Chuẩn hóa quy trình tạo lưới thích ứng cho dòng chuyển pha siêu nén: Đội ngũ kỹ sư thiết kế hệ thống thủy khí hàng không cần áp dụng kỹ thuật lưới thích ứng theo gradient áp suất (Adaptive Mesh Refinement) trong giai đoạn 2024 - 2025, tập trung độ mịn tại vùng cổ vòi và lớp sát vách với giá trị $Y^+ < 0,5$, giúp tiết kiệm ít nhất 25% thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác động học vách.

3. Mở rộng dải kiểm nghiệm nhiệt động cho dòng hai pha nhiệt độ cao: Các phòng thí nghiệm chuyên ngành nhiệt động lực học cần triển khai mô phỏng mở rộng cho các điều kiện áp suất đầu vào từ 15 MPa đến 20 MPa và nhiệt độ vượt 500 K trong 12 tháng tới, nhằm phục vụ đánh giá an toàn cho sự cố mất chất tải lạnh (LOCA) trong lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới.

4. Ứng dụng mô hình số vào thiết kế giảm xói mòn vòi phun: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị hàng không vũ trụ và van công nghiệp nên sử dụng trực tiếp kết quả trường áp suất và vận tốc trượt pha của luận văn để tối ưu hóa góc loe vòi phun từ 5 đến 7 độ, giúp giảm áp lực va đập bọt khí lên thành ống khoảng 15% đến 20%, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tính toán mô phỏng khí động học và động lực học chất lưu (CFD Engineers): Cung cấp thuật toán UDF chuyển pha nhiệt cải tiến, kỹ thuật xử lý mô hình trượt đa pha và phương pháp kiểm soát chỉ số hội tụ lưới GCI đạt chuẩn quốc tế.

2. Chuyên gia an toàn hệ thống năng lượng và hạt nhân: Tham khảo các phân tích chi tiết về dòng tới hạn hai pha (two-phase critical flow) và hiện tượng sụt áp chớp nhoáng phục vụ thiết kế van xả áp an toàn và hệ thống chống sự cố quá áp.

3. Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ: Nắm bắt phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số 2D đối xứng trục, cơ chế bốc hơi siêu nhiệt và tương tác nhiệt - thủy lực phức tạp trong ống phun động cơ phản lực.

4. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Giao thông, Kỹ thuật Nhiệt: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề cao học về cơ học dòng chảy đa pha, phương pháp mô hình hóa rối với hiệu chỉnh số Reynolds thấp và phân tích động lực học bọt khí.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng flashing flow khác biệt như thế nào so với hiện tượng xâm thực (cavitation) thông thường? Hiện tượng flashing xảy ra khi áp suất giảm sâu kết hợp với dòng chất lỏng ở nhiệt độ cao tiệm cận bão hòa, khiến chất lỏng chuyển pha mãnh liệt và duy trì trạng thái hơi ở hạ lưu. Trong khi đó, xâm thực thường mang tính cục bộ do vận tốc tăng cao tại chỗ và bọt khí sẽ sụp đổ ngay khi dòng chảy đi vào vùng áp suất cao hơn.

Tại sao mô hình Standard K-omega với hiệu chỉnh Low-Re lại phù hợp hơn mô hình K-epsilon trong nghiên cứu này? Mô hình Standard K-omega Low-Re giải quyết vượt trội vùng lớp biên nhớt sát thành ống mà không cần sử dụng hàm vách thô đại. Khi dòng chảy hai pha chịu gradient áp suất nghịch và có sự chuyển pha bốc hơi mạnh sát vách, mô hình này nắm bắt chuẩn xác tổn thất động năng rối và trường vận tốc trượt.

Mã UDF trong luận văn đã cải tiến mô hình Lee truyền thống như thế nào? Tác giả đã sử dụng phương trình Clapeyron-Clausius để biến đổi biến số dẫn động chuyển pha từ hiệu nhiệt độ sang hiệu áp suất thực tế và áp suất bão hòa. Đồng thời, mô hình bổ sung số hạng động năng rối vào phương trình áp suất bốc hơi để tính đúng tác động của thăng giáng vận tốc lên mầm bọt.

Mật độ số lượng bọt khí ($N_b$) ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác của kết quả mô phỏng? Mật độ $N_b$ quyết định trực tiếp diện tích tiếp diện pha $A_i$ theo công thức Liao và Lucas. Nếu chọn $N_b$ quá nhỏ, tốc độ bốc hơi bị đánh giá thấp khiến áp suất tụt quá sâu; ngược lại, $N_b$ quá lớn sẽ đẩy nhanh tốc độ phục hồi áp suất so với thực nghiệm đo được trên vòi Super Moby-Dick.

Tại sao phương pháp đo tỷ lệ thể tích pha hơi trung bình mặt cắt trong thực nghiệm lại có sai số lớn? Phương pháp đo thực nghiệm làm phẳng giá trị trung bình trên toàn bộ tiết diện ngang nên không phản ánh đúng trạng thái dòng chảy bất ổn định và dao động áp suất chu kỳ. Do đó, luận văn sử dụng kết quả áp suất dọc trục và lưu lượng làm tiêu chí định lượng chính để kiểm chứng mô hình.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng số dòng hai pha có chuyển pha do giảm áp trong vòi phun Super Moby-Dick với độ chính xác cao, đưa sai số lưu lượng khối lượng xuống dưới 2,6%.
• Mô hình chuyển pha áp suất cải tiến bằng mã UDF kết hợp phương trình Clapeyron-Clausius chứng minh tính ưu việt vượt trội với sai số lưu lượng trên vòi BNL chỉ 0,2%.
• Nghiên cứu đã làm sáng tỏ cơ chế nhiệt động học bất cân bằng, cấu trúc phân bố tỷ lệ hơi trên 8 mặt cắt dọc trục và vai trò then chốt của mật độ bọt khí đến trường áp suất.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 6 đến 18 tháng tới tập trung vào việc ghép nối mô hình cân bằng mật độ bọt khí PBM và mở rộng bài toán sang không gian 3D đầy đủ cho dòng siêu tới hạn.
• Hãy kết nối và áp dụng ngay khung mô phỏng số chuyên sâu này để nâng cao độ tin cậy trong thiết kế khí động và an toàn hệ thống thủy nhiệt của bạn!

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.

Finally, the detailed explanation of two-phase flashing flow behavior based on the simulation results of the global average void fraction and the local average void fraction in 8 sections along nozzle are discussed carefully in the thesis. iv Tóm tắt luận văn Mục tiêu của đề tài luận văn thạc sĩ là mô phỏng ứng xử hiện tượng “flashing flow” của dòng chảy hai pha bên trong vòi phun “Super Moby-Dick” trong điều kiện nhiệt độ cao và chênh lệch áp suất cao giữa đầu vào và đầu ra áp dụng mô hình chuyển pha được đề xuất trong bài báo [1]. Dựa trên mô hình lưới được chọn tối ưu nhất với cách tiếp cận mô hình trượt và sự kết hợp giữa mô hình hỗn hợp và bộ mã UDF về mô hình chuyển pha hỗn hợp, kết quả mô phỏng đã cung cấp các thông tin quan trọng về ứng xử của hiện tượng “flashing flow” của dòng chảy hai pha bằng kết quả của áp suất dọc theo vòi, tỉ lệ hơi toàn cục và tỉ lệ cục bộ tại nhiều vị trí dọc trục, cũng như ảnh hưởng của mật độ bong bóng đến áp suất và tỉ lệ hơi. Mô phỏng cung cấp giá trị sai số lưu lượng khối lượng trung bình giữa đầu vào, đầu ra và thí nghiệm dưới 2,6% bằng cách sử dụng mô hình rối K-ω tiêu chuẩn với chức năng hiệu chỉnh Low-Re, và đường áp suất dọc theo trục khớp với giá trị thực nghiệm ở hầu hết các điểm.

Ngoài ra, phần thảo luận về ảnh hưởng của tham số mật độ bong bóng đến áp suất và tỷ lệ hơi toàn cục cũng được trình bày trong luận văn. Cuối cùng, phần giải thích chi tiết về ứng xử của hiện tượng “flashing flow” của dòng chảy hai pha dựa trên kết quả mô phỏng của tỉ lệ hơi trung bình toàn cầu và tỉ lệ hơi cục bộ thông qua 8 mặt cắt dọc theo trục được trình bày cẩn thận trong luận án. v Commitment I confirm that: - This is my master’s thesis. - The data and results stated in the thesis are honest and have never been published in any other researches.

- The quotations and results used for comparison in the thesis are all cited and have the highest accuracy to the extent of my knowledge. Student Luong Huynh Dang Khoa vi Table of Contents Acknowledgements. iv Tóm tắt luận văn. vi Table of Contents.

vii List of Figures. xi List of Tables. 1 INTRODUCTION AND LITERATURE REVIEW .3 Objectives and scope of study .2 Numerical study reviews .1 Homogeneous equilibrium (HEM) models .2 Non-homogeneous equilibrium (NHEM) models .3 Homogeneous non-equilibrium (HNEM) models .4 Non-homogeneous non-equilibrium (NHNEM) models .3 Computational fluid dynamics (CFD) models .1 Thermal phase-change models .2 Pressure phase-change models .3 Mixed phase change model .5 Outline of the thesis. 16 FLASHING FLOW PHENOMENA AND MATHEMATICAL MODEL .1 Super Moby-Dick experiment .2 Super Moby-Dick nozzle test section .2 Flashing flow phenomena .2 Axial momentum conservation equation .3 Radial momentum conservation equation .6 Phase change model.

29 CHOSEN PHASE CHANGE MODEL .1 BNL nozzle experiment.1 Mass flow rate .2 Pressure along nozzle .3 Average vapor fraction along nozzle. 34 SIMULATION OF FLASHING PHENOMENA IN THE SUPER MOBY- DICK NOZZLE .4 Boundary conditions and method .1 Solution convergence type identification .2 Mesh convergence evaluation .2 Grid convergence index test .4 Pressure profile analysis .5 The effect of bubble number density on pressure analysis .6 Inlet turbulent intensity analysis.7 Average void fraction analysis .1 Global average void fraction profile .2 The effect of bubble number density on void fraction. 61 CONCLUSION AND FURTHER DEVELOPMENT .1 Numerical results conclusion. Mass Transfer UDF Code.

Experimental Pressure Data. Experimental Void Fraction Data. Y Plus Comparison Data. 74 x List of Figures Figure 2.1: Super Moby-Dick experiment setup [48] .2: The Super Moby-Dick nozzle geometry [48] .3: Moby-Dick nozzle geometry [48].4: Measured pressure chart [48] .5: Cross-sectional average void fraction .6: Measured void fraction chart [48] .7: Flashing flow behavior: (a) thermodynamic diagram of phase change of water with equilibrium assumption and (b) start of vaporization [1] .1: Vertical circular convergent-divergent nozzle geometry [3] .2: Absolute pressure at nozzle axis comparison.3: Average vapor fraction comparison .1: Nozzle geometry separated sections .2: Moby-Dick meshing .4: Water and vapor properties at saturation point .5: Scaled residuals chart .6: Mass flow rate trend line chart .7: Pressure at throat .8: Velocity at throat .9: Velocity section positions .10: Velocity profile comparison at section 2 of mesh 4 .11: Pressure Profile comparison .12: Pressure comparison among K-ω models .13: Velocity contour with the turbulence Standard K- ω (Low-Re correction) model.14: Pressure profile with the turbulence Standard K-ω (Low-Re correction) model.15: Pressure comparison of bubble number density values .16: Average void fraction profile with the turbulence Standard K-ω (Low-Re correction) model .17: Void fraction contour .18: Mixture fluid density contour .19: Mixture velocity contour .20: Average void fraction at nozzle axis.21: Average void fraction of bubble number density values .22: Local average void fraction sections .23: Turbulent kinetic energy contour .24: Average void fraction section profiles .1: Velocity profile comparison at section 1 of mesh 1 .2: Velocity profile comparison at section 2 of mesh 1 .3: Velocity profile comparison at section 3 of mesh 1 .4: Velocity profile comparison at section 1 of mesh 2 .5: Velocity profile comparison at section 2 of mesh 2 .6: Velocity profile comparison at section 3 of mesh 2 .7: Velocity profile comparison at section 1 of mesh 3 .8: Velocity profile comparison at section 2 of mesh 3 .9: Velocity profile comparison at section 3 of mesh 3 .10: Velocity profile comparison at section 1 of mesh 4 .11: Velocity profile comparison at section 2 of mesh 4 .12: Velocity profile comparison at section 3 of mesh 4.

79 xiii List of Tables Table 1: Numerical models overview [8]. 5 Table 2: Experiment conditions. 17 Table 3: Moby-Dick geometry parameters. 18 Table 4: BNL working condition.

29 Table 5: Boundary conditions. 30 Table 6: BNL Ansys Fluent method. 30 Table 7: Numerical approach list. 30 Table 8: Mass flow rate comparison.

31 Table 9: Nozzle section dimension. 34 Table 10: Meshing information. 35 Table 11: Meshing quality information. 36 Table 12: Material properties.

37 Table 13: Boundary conditions. 37 Table 14: Method setup information. 38 Table 15: First cell height of mesh information. 41 Table 16: Grid convergence index information.

43 Table 17: Turbulence K-ε models’ comparison. 44 Table 18: Turbulence K-ω models’ comparison. 45 Table 19: Mass flow rate comparison of bubble number density values. 50 Table 20: Turbulent intensity comparison.

51 xiv INTRODUCTION AND LITERATURE REVIEW 1.1 Introduction Venturi nozzles are used widely in industrial environments nowadays, that can be easily found in industrial pipe systems, steam engines, jet engines, etc. It is a fact that erosion is a quite common issue in the pipe systems and could be seen as one of the most long-term potential risks that cause serious damages to the system. High-pressure gas, steam and oil leaks or broken pipe due to critical due to severe cracks are possible bad consequences that could be happened once the erosion occurs. Some important factors related to the erosion include the material of pipe, water velocity and pressure, etc.

When the water flows under high velocity and pressure working conditions, the erosion of pipe walls trends to accelerate generally due to the increased friction rate between dissolved solids in the water and the inner pipe walls.