MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Các lưu chất (chất lỏng hoặc chất khí) khi nhúng vào lưu chất khác mà bề mặt các lưu chất này có xuất hiện sức căng bề mặt sẽ tạo thành các hạt lưu chất. Các hạt lưu chất này có thể xảy ra quá trình hóa rắn trong tự nhiên hoặc trong các quá trình công nghiệp. Ngày nay, quá trình chuyển pha hạt lưu chất như vậy được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và được ứng dụng rộng rãi [1]–[7]. Trong đó, hạt lưu chất đa thành phần (sau đây gọi tắt là hạt đa thành phần) có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc chế tạo pin năng lượng mặt trời.
Có rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến nguồn năng lượng có thể tái tạo này vì chúng gần như vô tận và ít gây ra những tác hại tiêu cực đến môi trường như đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch. Biancardo và cộng sự [5] đã nghiên cứu các hạt bán dẫn để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Các hạt Silic cầu được đặt trong một tấm lưới. Theo đó, giá trị sử dụng của hạt bán dẫn chỉ chủ yếu là một lớp mỏng bên ngoài hạt.
Do đó, việc sử dụng hạt rỗng (hay hạt lưu chất đa thành phần hóa rắn) sẽ giúp tiết kiệm chất bán dẫn hơn là làm cho tấm lưới bán dẫn được nhẹ hơn mà hiệu quả chuyển đổi năng lượng là không đổi. Một số các công trình khác có nghiên cứu việc chế tạo pin mặt trời có thể tham khảo tại [4], [8], [9]. Việc nghiên cứu sự chuyển pha của các hạt đa thành phần bán dẫn như vậy có thể giúp việc chế tạo những tấm pin mặt trời đại trà, rẻ hơn và rộng rãi hơn. Việc nghiên cứu chuyển pha (trong luận án này là hóa rắn) hạt lưu chất đa thành phần còn giúp tìm ra giải pháp phá băng đá trên bề mặt cánh máy bay [10] và tuabin gió [11], [12] nhằm nâng cao tuổi thọ và hiệu suất máy.
Theo đó, hạt nước trong không khí khi tiếp xúc với bề mặt cánh của máy bay hoặc tuabin gió sẽ bị hóa rắn nếu nhiệt độ tại bề mặt cánh nhỏ hơn nhiệt độ hóa rắn của nước. Các hạt nước như vậy có thể lẫn các bóng khí bên trong và chúng cũng bị hóa rắn khi bám vào các bề mặt cánh. Sự hóa rắn của hạt nước trên bề mặt cánh có thể là một nguyên nhân nghiêm trọng giảm hiệu suất và tuổi thọ của máy. Nguy hiểm hơn khi nó là một trong những nguyên nhân trong các vụ tai nạn hàng không nghiêm trọng do ảnh hưởng tới khí động lực học của dòng khí khi qua cánh máy bay [10], [13], [14].
Do đó, việc ứng dụng nghiên cứu sự truyền nhiệt, chuyển pha của hạt lưu chất nói m 2 chung và hạt đa thành phần nói riêng góp phần tìm ra giải pháp, tránh các thiệt hại và nâng cao hiệu suất của máy. Ngoài ra, hạt lưu chất đa thành phần còn được sử dụng để loại bỏ các hạt nước bẩn [7], trong công nghệ thực phẩm [2], [3] và sản xuất vật liệu hấp thụ âm thanh [6]. Việc nghiên cứu hóa rắn hạt đa thành phần có truyền nhiệt, chuyển pha có tiềm năng ứng dụng rất lớn đặc biệt trong việc chế tạo pin năng lượng mặt trời và loại bỏ băng đá trên bề mặt cánh máy bay, tuabin. Việc hiểu thấu đáo các đặc tính vật lý sâu bên trong của động lực học truyền nhiệt, chuyển pha của hạt lưu chất đa thành phần (điều mà khó có thể đạt được bằng lý thuyết hay thực nghiệm) là cần thiết.
Đây cũng là mục đích chính cho sự ra đời của đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu tính toán động lực học hạt lưu chất đa thành phần có truyền nhiệt, chuyển pha”. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu tổng quát của đề tài: nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, chuyển pha (ở đây là quá trình hóa rắn) của hạt lưu chất rỗng (một loại hạt lưu chất đa thành phần có nhân khí bên trong) bằng phương pháp theo dấu biên (front-tracking method). Mục tiêu cụ thể của đề tài: xây dựng mô hình tính toán hạt lưu chất rỗng hóa rắn và khảo sát ảnh hưởng của các thông số không thứ nguyên đến quá trình hóa rắn hạt lưu chất rỗng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học của đề tài: thiết lập một chương trình tính toán mô phỏng số để mô tả các quá trình vật lý động lực học chuyển pha của hạt lưu chất rỗng.
Các thông số không thứ nguyên được xây dựng để đặc trưng cho các tính chất của lưu chất nghiên cứu và qua đó cho thấy sự ảnh hưởng của chúng đến quá trình chuyển pha của hạt. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số không thứ nguyên ảnh hưởng đến quá trình hóa rắn và hình dạng của hạt lưu chất rỗng, kết quả nghiên cứu cứu có thể ứng dụng trong quá trình chế tạo pin m 3 mặt trời và giúp các nhà nghiên cứu ứng dụng trong việc đối phó với quá trình hóa rắn của hạt chất lỏng trên bề mặt cánh,… Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu của đề tài: các hạt lưu chất rỗng có kích thước nhỏ từ vài trăm micromet đến vài milimet. Chúng được hóa rắn khi tiếp xúc với bề mặt lạnh hoặc ở trong một môi trường lạnh. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: tập trung vào các lưu chất không nén được, không trộn lẫn và là lưu chất Newton.
Phương trình Navier-Stokes cùng phương trình năng lượng được sử dụng. Các bài toán trong luận án này được giải quyết trong hệ tọa độ trụ. Các thông số không thứ nguyên được xem xét và chúng được khảo sát qua các dải giá trị khác nhau. Do hạn chế về mặt thời gian nên chỉ một số thông số không thứ nguyên và thông số chính được lựa chọn và khảo sát.
Phương pháp nghiên cứu Ngôn ngữ lập trình Fortran được sử dụng để xây dựng chương trình tính toán. Phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng để xấp xỉ các phương trình tính toán trên một nền lưới cố định (lưới Euler). Thêm nữa, do có sự xuất hiện của các lưu chất khác nhau nên xuất hiện các biên phân cách giữa các pha. Trong luận án này, phương pháp theo dấu biên (front-tracking method) được sử dụng để theo dõi sự di chuyển các biên phân cách của các pha đó.
Cụ thể, các biên phân cách giữa các pha được đại diện bởi các điểm liên kết và các điểm liên kết này di chuyển trên nền lưới cố định. Điểm mới của luận án - Đã xây dựng được một mô hình tính toán của hạt lưu chất rỗng hóa rắn đặt trên một bề mặt lạnh và hạt lưu chất rỗng lơ lửng hóa rắn trong môi trường tự do dưới tác động của đối lưu cưỡng bức. Cụ thể, hạt bóng khí hạt lưu chất được thêm vào bên trong hạt lưu chất tạo thành mô hình một hạt lưu chất rỗng. Từ đó, xuất hiện thêm một điểm chập ba pha ở biên phía bên trong của hạt; - Đã phân tích ảnh hưởng của các thông số không thứ nguyên đến quá trình hóa rắn của hạt lưu chất rỗng trên bề mặt lạnh.
Qua đó, có thể điều chỉnh m 4 được hình dạng và thời gian hóa rắn của hạt lưu chất rỗng trên bề mặt lạnh đó bằng cách điều chỉnh các thông số không thứ nguyên; - Đã phân tích ảnh hưởng của các thông số không thứ nguyên đến quá trình hóa rắn hạt lưu chất rỗng lơ lửng trong môi trường tự do dưới tác động của đối lưu cưỡng bức. Điều chỉnh các thông số không thứ nguyên này sẽ gây ra thay đổi về hình dạng và thời gian hóa rắn của hạt lưu chất rỗng lơ lửng trong môi trường tự do dưới tác động của đối lưu cưỡng bức. Cấu trúc của luận án Nội dung chính của luận án bao gồm: Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan về động lực học hạt đa thành phần bao gồm: một số khái niệm cơ bản, sự hình thành, các ứng dụng, các công trình nghiên cứu và các phương pháp phổ biến dùng trong mô phỏng động lực học chuyển pha của của hạt đa thành phần. Chương 2: Nghiên cứu và xây dựng chương trình tính toán cho bài toán có truyền nhiệt, chuyển pha Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán cho bài toán hạt lưu chất hóa rắn.
Các phương trình tổng quát Navier-Stokes và phương trình năng lượng được rời rạc hóa và đưa vào các mô đun tính toán. Sau khi xây dựng được chương trình tính toán, để kiểm chứng độ chính xác, kết quả mô phỏng được so sánh với các kết quả thực nghiệm của các nhà nghiên cứu. Chương 3: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, chuyển pha của hạt lưu chất rỗng trên một bề mặt lạnh Chương này giải quyết bài toán hạt lưu chất rỗng hóa rắn trên một bề mặt lạnh. Một loạt các thông số không thứ nguyên và các thông số hình học được xem xét trong chương này.
Qua đó, cho thấy được sự ảnh hưởng của chúng lên hình dạng và thời gian hóa rắn của hạt lưu chất rỗng. Chương 4: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, chuyển pha của hạt lưu chất rỗng chịu ảnh hưởng của đối lưu cưỡng bức m 5 Chương này xem xét bài toán hạt lưu chất rỗng lơ lửng hóa rắn trong môi trường lạnh dưới sự tác động của một dòng cưỡng bức. Các thông số không thứ nguyên chính và góc phát triển cũng được xem xét để khảo sát ảnh hưởng của chúng lên hình dạng và thời gian hóa rắn của hạt. Cuối cùng là phần kết luận đưa ra tóm tắt các kết quả đã đạt được và những vấn đề cần giải quyết trong tương lai.
Một số khái niệm, định nghĩa cơ bản Sau đây là một số khái niệm, định nghĩa cơ bản các kí hiệu, thuật ngữ được dùng trong luận án. - Hạt lưu chất là hạt được tạo thành bởi một hoặc nhiều lưu chất (ở đây là chất lỏng, chất khí) không trộn lẫn và được nhúng trong một lưu chất khác. Với sự có mặt của sức căng bề mặt trên bề mặt lưu chất, các hạt lưu chất được hình thành. - Hạt lưu chất đa thành phần là hạt lưu chất bên trong có chứa các hạt lưu chất con khác (xem Hình 1.
- Hạt lưu chất rỗng là hạt lưu chất đa thành phần mà có một hạt bóng khí bên trong.