Mô phỏng sự hoạt động của collector không khí có cánh kiểu sóng dọc tại HCMUTE

• Tác giả: Tiêu Anh Dân
• Người hướng dẫn: T.S Lê Minh Nhựt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Mô Phỏng Sự Hoạt Động Collector Không Khí Có Cánh Kiểu Sóng Dọc
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Năng lượng tái tạo và môi trường
• 1.2. Sư phát triển của năng lượng tái tạo
• 1.3. Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của thế giới
• 1.4. Tình hình sử dụng năng lượng tái tạo của nước ta
• 1.5. Nhu cầu sử dụng bộ Collector tại Việt Nam
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu
• 1.8. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng mặt trời ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.9. Nội dung nghiên cứu
• 1.10. Giới hạn nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết về bức xạ năng lượng mặt trời
• 2.2. Lý thuyết bộ thu Collector
• 2.2.1. Nguyên lý hoạt động
• 2.2.2. Phân loại hệ thống
• 2.2.3. Thành phần của bộ thu
• 2.3. Tính toán hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời Collector tấm phẳng
• 2.3.1. Lý thuyết tính toán năng lượng mặt trời
• 2.3.2. Tính toán collector tấm phẳng
• 2.3.3. Tính toán nhiệt bộ thu
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG COMSOL MULTIPHYSICS & ANSYS FLUENT
• 3.1. Giới thiệu phần mềm Comsol Multiphysics
• 3.1.1. Môi trường Comsol. Một số thành phần chính của Comsol Multiphysics
• 3.1.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng
• 3.2. Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong đề tài
• 3.2.1. Thiết kế mô hình
• 3.2.2. Lựa chọn lời giải phương, nhập hình học
• 3.2.3. Cài đặt vật liệu cho mô hình
• 3.2.4. Cài đặt miền con
• 3.2.5. Tạo lưới và giải mô hình
• 3.2.6. Xử lý và hiển thị Kết quả
• 3.3. Mô phỏng bằng phần mềm ANSYS FLUENT
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH
• 4.1. Kết quả từ phương pháp mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Mô phỏng hoạt động collector không khí

Phần này tập trung vào mô phỏng hoạt động collector không khí cánh sóng dọc. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng CFD, cụ thể là COMSOL Multiphysics và ANSYS FLUENT, để mô phỏng dòng chảy không khí bên trong collector. Mô hình hóa dòng chảy rối k-ε được áp dụng để mô tả chính xác hơn hiện tượng dòng chảy. Các thông số đầu vào, bao gồm vận tốc không khí, bề dày lớp kính, và khoảng cách giữa các cánh, được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng của chúng lên hiệu suất collector. Kết quả mô phỏng cho thấy mối quan hệ giữa các thông số này và hiệu suất, cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa thiết kế collector. Phân tích kết quả mô phỏng bao gồm phân tích nhiệt độ, áp suất, và dòng chảy, giúp xác định các vùng có hiệu suất cao và các vùng cần cải thiện.

1.1 Thiết kế và xây dựng mô hình collector

Thiết kế collector không khí cánh sóng dọc được thực hiện dựa trên các nguyên lý động lực học chất lưu. Mô hình 3D được xây dựng chi tiết trong phần mềm COMSOL Multiphysics, bao gồm các thành phần chính như: tấm hấp thụ, lớp cách nhiệt, tấm kính phủ, và các cánh sóng dọc. Vật liệu cho từng thành phần được lựa chọn dựa trên các tính chất vật lý như: độ dẫn nhiệt, độ hấp thụ năng lượng mặt trời, và độ bền. Các thông số hình học của collector, như chiều dài, chiều rộng, số lượng cánh, và khoảng cách giữa các cánh, được xác định dựa trên các tiêu chí tối ưu hóa hiệu suất và chi phí. Mô hình 2D cũng được xây dựng để đơn giản hóa quá trình tính toán và so sánh với mô hình 3D. Kết quả mô hình 3D và 2D được so sánh để đánh giá độ chính xác của mô hình 2D và hiệu quả tính toán.

1.2 Phương pháp mô phỏng và giải quyết số

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để giải quyết các phương trình Navier-Stokes mô tả dòng chảy không khí và phương trình truyền nhiệt mô tả quá trình truyền nhiệt trong collector. Phần mềm ANSYS FLUENT được sử dụng để giải quyết phương trình Navier-Stokes. Thuật toán SIMPLE được chọn để giải quyết phương trình áp suất và phương trình vận tốc. Lưới tính toán được tạo ra sao cho phù hợp với hình học của collector và đảm bảo độ chính xác của kết quả. Xử lý dữ liệu CFD bao gồm xử lý và phân tích dữ liệu thô từ phần mềm ANSYS FLUENT, tạo đồ thị và bảng biểu để trực quan hóa kết quả. Phân tích độ nhạy của kết quả đối với các thông số đầu vào được thực hiện để đánh giá độ tin cậy của mô hình.

II. Phân tích kết quả và đánh giá hiệu quả

Phần này trình bày kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của collector không khí cánh sóng dọc. Phân tích kết quả tập trung vào các thông số chính như: hiệu suất collector, phân bố nhiệt độ, phân bố áp suất, và tổn thất áp suất. Ảnh hưởng của các thông số thiết kế, chẳng hạn như số lượng cánh, góc nghiêng của cánh, bề dày lớp cách nhiệt, và vật liệu, lên hiệu suất collector được phân tích chi tiết. Đánh giá hiệu quả dựa trên việc so sánh hiệu suất của collector được mô phỏng với các collector khác trong tài liệu tham khảo. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa thiết kế nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

2.1 Phân tích hiệu suất collector

Hiệu suất collector được đánh giá dựa trên lượng nhiệt được thu thập và năng lượng mặt trời chiếu vào. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất, bao gồm vận tốc gió, góc chiếu sáng, và nhiệt độ môi trường, được phân tích. Mô hình toán học được sử dụng để tính toán hiệu suất dựa trên dữ liệu mô phỏng. Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa các thông số thiết kế và hiệu suất collector. Tối ưu hóa thiết kế dựa trên phân tích hiệu suất được đề xuất để nâng cao khả năng thu nhiệt.

2.2 Đánh giá kinh tế và ứng dụng thực tiễn

Đánh giá kinh tế của collector không khí cánh sóng dọc dựa trên chi phí sản xuất, chi phí vận hành, và lợi ích kinh tế thu được từ việc tiết kiệm năng lượng. So sánh chi phí với các loại collector khác được thực hiện. Khả năng ứng dụng thực tiễn của collector được đánh giá dựa trên hiệu suất, độ bền, và khả năng tích hợp vào các hệ thống khác. Các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như: sấy nông sản, làm nóng không khí trong nhà kính, và điều hòa không khí, được đề cập. Kết luận về tính khả thi và hiệu quả kinh tế của collector được đưa ra.

III. Kết luận và kiến nghị

Phần này tóm tắt các kết quả chính của nghiên cứu và đề xuất các kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo. Kết luận nhấn mạnh vào việc sử dụng mô phỏng CFD để đánh giá hiệu quả của collector không khí cánh sóng dọc. Các phát hiện quan trọng về ảnh hưởng của các thông số thiết kế lên hiệu suất collector được tóm tắt. Kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo bao gồm: xác thực thực nghiệm kết quả mô phỏng, tối ưu hóa thiết kế dựa trên các kết quả mô phỏng, và phát triển các ứng dụng thực tiễn mới cho collector.