CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về dòng phun 1.1 Dòng phun tia và các ứng dụng của dòng phun tia Dòng phun tia có thể được định nghĩa đơn giản như một dòng lưu chất có nhiệt độ thấp hoặc cao thoát ra từ một lỗ, khe với vận tốc cao tác động lên bề mặt cứng có nhiệt độ khác với nhiệt độ lưu chất. Dòng lưu chất từ vòi phun khi tác động vào bề mặt sẽ giúp quá trình truyền nhiệt được diễn ra nhanh hơn và hiệu suất cao hơn.1 Dòng phun tia Hiện nay, dòng phun tia đang được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như hệ thống làm mát và hệ thống sấy. Khi tác động vào bề mặt nó có khả năng loại bỏ một lượng nhiệt lớn trên diện tích bề mặt tương đối nhỏ. Thêm vào đó, một trong những ưu điểm nổi bật của dòng phun tia đó là nó có khả năng điều chỉnh và kiểm soát hiệu suất truyền nhiệt bằng cách điều chỉnh các thông số thiết kế như biên dạng bề mặt, tốc độ phun, khoảng cách từ vòi phun tới bề mặt và chất lỏng sử dụng…khả năng truyền nhiệt có thể được tăng cường.
Vì vậy dòng phun đang được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp, trong hình 1.2 mô tả một số ứng dụng phổ biến của dòng phun tia như: làm mát cánh tuabin, làm mát trong sản xuất thép, làm mát linh kiện điện, điện tử, CPU máy tính (trong các máy trạm). Ngoài ra trong quân sự dòng phun tia được sử dụng để làm mát bệ phóng tên lửa, sàn tàu sân bay, gương phản xạ vũ khí lazer, trong y tế nó được dùng để làm mát thiết bị chụp X-quang, sấy khô giấy, vải và ủ thủy tinh.2 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới.1 Các nghiên cứu tại Việt Nam Hiện nay, tại nước ta khái niêm về dòng phun tia còn khá mới mẻ nên việc tiếp cận nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm về dòng phun tia rất ít. Do điều kiện thí nghiệm còn hạn chế nên việc nghiên cứu thực nghiệm về dòng phun tia là không có. Do đó, tại Việt Nam chủ yếu là các nghiên cứu về dòng phun tia đều bằng cách sử dụng phần mềm để mô phỏng bài toán và so sánh với các kết quả thực nghiệm đã được công bố ở các bài báo, luận án của các tác giả trên thế giới.
Việc mô phỏng bằng phần mềm nên kết quả thu được phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: điều kiện bài toán, thuật toán.Tuy nhiên với sự phát triển của ngành khoa học máy tính, các phần mềm thương mại phát triển rất mạnh nên các kết quả thu được từ việc mô phỏng đã rất gần với kết quả thí nghiệm và cở sở lý thuyết. Hiện tại, trong nước đã có những nghiên cứu về dòng phun tia sau: - Nguyễn Quang Minh, Hồ Trần Anh Ngọc [1] mô phỏng truyền nhiệt bằng phần mềm động lực học chất lỏng tính toán START – CCM+. Trong nghiên cứu này các tác giả đã sử dụng phần mềm START – CCM+ để mô phỏng quá trình truyền nhiệt sử dụng dòng phun tia. Trong nghiên cứu này chỉ tập trung vào mô phỏng 1 bài toán thực nghiệm, các tác giả không đi sâu nghiên cứu cấu trúc dòng chảy trong ống cũng như dòng chảy trên tường chắn của dòng phun tia.
Vì vậy, nghiên cứu này chỉ dừng lại đưa ra sự so sánh trị số Nusselt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm. - Nguyễn Hữu Huy, Nguyễn Tường Long [2] nghiên cứu trường động lực tia phun rối ba chiều. Bài báo cáo này trình bày kết quả mô phỏng trường động lực của tia phun rối ba chiều, đồng thời cho thấy sự tương tác giữa các tia phun đặt gần nhau bằng phần mềm Ansys. Nghiên cứu này đã thể hiện được quá trình chuyển động, độ phát triển cũng như dạng lan toả của tia phun trong môi trường tĩnh và động cũng như sự tương tác giữa các tia phun đặt gần nhau.
Biên dạng vận tốc, qui 3 luật phân bố vận tốc dọc trục tia phun tính toán được khá phù hợp với các kết quả thí nghiệm đã công bố. - Bùi Văn Ga, Phạm Thị Kim Loan [3] so sánh trường tốc độ của tia phun rối, khuếch tán theo mô hình tích phân và code CFD đa phương Fluent 6. Nghiên cứu này chỉ ra rằng kết quả so sánh giá trị vận tốc giữa 2 mô hình nhỏ hơn 10% khi số Reynold ở miệng vòi phun nhỏ hơn 5000. Nói chung các nghiên cứu trong nước mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra kết quả so sánh từ mô hình mô phỏng với các kết quả thực nghiệm.
Các nghiên cứu được thực hiện với những điều kiện phun khác nhau của dòng phun tia, đặc biệt dòng phun tia ứng dụng trong hệ thống làm mát chu trình kín chưa được nghiên cứu cụ thể về đặc tính dòng chảy trong ống cũng như dòng chảy trên tường chắn. Tuy nhiên các nghiên cứu trong này cũng chỉ ra rằng việc nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm cho ta kết quả tương đối tốt so với kết quả từ thực nghiệm, việc nghiên cứu sẽ được rút ngắn thời gian, giảm. Bài toán dòng phun tia ứng dụng trong hệ thống làm mát là một bài toán phức tạp, việc nghiên cứu bằng thực nghiệm là không khả thi tại nước ta do điều kiện cơ sở thí nghiệm còn thiếu. Nên trong thời gian tới những nghiên cứu về dòng phun tia vẫn tiếp tục nghiên cứu bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng và so sánh kết quả với các nghiên cứu đã được công bố trên thế giới.
Các nghiên cứu trên thế giới Do khả năng ứng dụng khá rộng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật nên dòng phun tia đang rất được quan tâm nghiên cứu trên thế giới. Đã có hàng ngàn nghiên cứu và tài liệu đánh giá về dòng phun tia tác động lên bề mặt được công bố trong hơn 50 năm qua. Nổi bật nhất là bài đánh giá của Martin (1977) [4], bài đánh giá này cung cấp những thảo luận chung về tính chất của dòng phun tia, sự phân bố hệ số Nu về truyền nhiệt và một phân tích về khoảng cách tối ưu giữa các vòi phun trong bài toán làm mát theo mảng.2 Ứng dụng của dòng phun tia Han và Goldstein [5] trình bày một đánh giá về truyền nhiệt trong hệ thống làm mát tua bin khí. Họ đã tiến hành nghiên cứu đặc tính dòng chảy tại những vị trí khác nhau cho 2 trường hợp bài toán dòng phun tia ngập và bài toán dòng phun tự do.
Ngoài ra, họ cũng đã thảo luận về các đặc tính truyền nhiệt của cả hai trường hợp trên sử dụng một vòi phun và trường hơp sử dụng nhiều vòi phun. Họ cũng đã xem xét các thông số quan trọng đối với hệ thống tua bin khí bao gồm cả độ cong bề mặt và góc tấn. Jambunathan và các cộng sự [6] tập trung hoàn toàn vào 1 dòng phun tia đơn. Bài báo đánh giá này không chỉ tập trung vào sự truyền nhiệt mà còn nghiên cứu về hiện tượng xoáy của dòng phun tia.
Dano và các cộng sự [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình học vòi phun đến đặc tính dòng chảy và hiệu suất truyền nhiệt. Hyung Hee Cho [8] đã nghiên cứu các ứng dụng của dòng phun tia trong công nghiệp. Một số nghiên cứu bằng mô phỏng cũng được thực hiện bởi các tác giả Polat và các cộng sự [9], Zuckerman và Lior [10]. Polat và cộng sự đã thảo luận về dòng phun chảy tầng.
Tuy nhiên hầu hết các ứng dụng công nghiệp đều sử dụng vòi phun chảy rối nên các nghiên cứu về sau chỉ tập trung vào dòng phun chảy rối. 5 Phương pháp mô phỏng dòng chảy rối bằng cách tính toán trực tiếp các thông số trung bình của dòng chảy và các thành phần dao động của lưu tốc và áp suất (DNS) gần đây đã được thực hiện bởi Chung và Luo [11]. Họ đã thực hiện mô phỏng với 3 giá trị Re là 300,500 và 1000, Họ nhận thấy rằng đặc tính truyền nhiệt không ổn định là khá mạnh và tương đồng với động học xoáy của dòng phun tia. Mục đích của đề tài nghiên cứu Như chúng ta đã biết thì dòng phun tia có khả năng ứng dụng trong nhiều thiết bị kỹ thuật.
Tuy nhiên bài toán dòng phun tác động khá phức tạp, nó là được cấu thành bởi nhiều bài toán như dòng lớp biên, dòng chảy trong ống và dòng phun tự do. Ngoài ra, với mỗi cấu hình bài toán khác nhau thì trường dòng chảy, đặc tính cũng sẽ khác nhau. Đối với bài toán dòng chảy trong ống cũng đã được nghiên cứu và đưa ra phương cách giải quyết dưới dạng lý thuyết thông qua các phương trình vi phân đạo hàm riêng. hiện tại vẫn chưa có lý thuyết cụ thể nào để có thể giải quyết được tổ hợp các bài toán này.
Để đánh giá đặc tính bản chất bài toán này hầu hết là dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Tại nước ta đây là một vấn đề mới hiện chưa có nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm cụ thể về vấn đề này. Để có nền tảng cơ bản về vấn đề này thì việc nghiên cứu thực nghiệm là rất cần thiết, nhưng việc nghiên cứu thực nghiêm là không khả thi do điều kiên thí nghiệm trong nước còn hạn chế. Chính vì vậy trong nội dung nghiên cứu của luận văn tôi sẽ nêu cở sở lý thuyết của cấu hình bài toán dòng phun, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng để mô phỏng bài toán dòng phun tia, từ đó đưa ra sự so sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm đã được nghiên cứu và công bố.
Nội dung chính của đề tài nghiên cứu Do bài toán dòng phun tia là bài toán khá phức tạp, để có hiệu quả truyền nhiệt cao bài toán phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như; khoảng cách phun, vận tốc phun, loại chất lưu, biên dạng bề mặt, đường kính hình dạng vòi phun. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ tập trung vào các mục tiêu sau: 6 1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc tính dòng chảy, truyền nhiệt trong bài toán làm mát sử dụng dòng phun ngập tác động lên bề mặt phẳng 2. Mô phỏng bài toán dòng phun bằng phần mềm ANSYS FLUENT tại hai giá trị 2 giá trị hệ số Reynolds, Re = 23000 và 70000 tại khoảng cách không thứ nguyên H/D =2 và 6.
Đánh giá so sánh kết quả các trường hợp về: thành phần vận tốc trong ống, dọc tường chắn và vận tốc tại vùng phun tự do với kết quả thí nghiệm. Đánh giá động năng rối tại các trường hợp.