Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu mô phỏng số ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt đến khả năng trao đổi nhiệt trong quá trình sôi bể

• Tác giả: Nguyễn Đức Lý
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Tình
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Phỏng Số Ảnh Hưởng Của Cấu Trúc Bề Mặt Đến Khả Năng Trao Đổi Nhiệt Của Quá Trình Sôi Bể
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
• 1.2.1. Mục tiêu
• 1.2.2. Nhiệm vụ
• 1.3. Đối tượng và giới hạn đề tài
• 1.3.1. Đối tượng
• 1.3.2. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về quá trình sôi
• 2.1.1. Khái niệm
• 2.2. Nguyên lý của quá trình sôi
• 2.3. Đường cong sôi
• 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sôi
• 2.5. Sôi bể và chế độ sôi bọt trong sôi bể
• 2.6. Các nghiên cứu liên quan
• 2.6.1. Các nghiên cứu ở trong nước
• 2.6.2. Các nghiên cứu ở ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD
• 3.1. So sánh ưu và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm
• 3.2. Tổng quan về mô phỏng số CFD
• 3.2.1. Giới thiệu về CFD
• 3.2.2. Các bước mô phỏng CFD
• 3.2.3. Phương pháp rời rạc hóa miền tính toán trong CFD
• 3.2.4. Phương pháp giải trong CFD
• 3.2.5. Dòng đa pha, mô hình đa pha trong mô phỏng số CFD
• 3.3. Tổng quan về Eulerian và VOF (Volume of Fluid)
• 3.4. Phương pháp giải các phép tính đa pha Euler trong ANSYS FLUENT
• 3.5. Mô hình sôi RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) trong mô hình đa pha Eulerian
• 3.6. Mô hình rối hỗn hợp k - ɛ
• 3.7. Giới thiệu phần mềm ANSYS WORKBENCH
• 3.8. Phương pháp chia lưới
• 3.8.1. Mục đích chia lưới
• 3.8.2. Lưới có cấu trúc và lưới không cấu trúc
• 3.8.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lưới
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG
• 4.1. Xây dựng mô hình
• 4.2. Thiết lập các thông số mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Kết quả hội tụ lưới
• 5.2. Kết quả mô phỏng đặc tính truyền nhiệt ở độ quá nhiệt 10 K và 30 K
• 5.3. Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt ở mô hình 1
• 5.4. Ảnh hưởng của góc tiếp xúc đến hiệu quả trao đổi nhiệt
• 5.5. Ảnh hưởng của sức căng bề mặt đến hiệu quả trao đổi nhiệt
• 5.6. Ảnh hưởng của việc sử dụng chất lỏng nanofluid SiO2 đến hiệu quả trao đổi nhiệt
• 5.7. Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến hiệu quả trao đổi nhiệt ở Mô hình 3
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Nghiên cứu mô phỏng số ảnh hưởng cấu trúc bề mặt đến trao đổi nhiệt trong sôi bể là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ kỹ thuật nhiệt. Việc hiểu rõ về quá trình sôi và các yếu tố ảnh hưởng đến nó có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống làm mát và gia nhiệt. Mô phỏng số cho phép phân tích chi tiết các hiện tượng vật lý phức tạp mà thực nghiệm khó có thể thực hiện. Đặc biệt, việc sử dụng phần mềm ANSYS WORKBENCH trong mô phỏng giúp tạo ra các mô hình chính xác và đáng tin cậy. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu ứng nhiệt mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng công nghiệp trong việc cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc tối ưu hóa trao đổi nhiệt trong các thiết bị như nồi hơi, hệ thống làm mát là rất cần thiết. Sôi bể là một trong những phương pháp phổ biến để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt. Nghiên cứu này nhằm mục đích khảo sát hiệu ứng nhiệt của các bề mặt gia nhiệt khác nhau, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu cho các ứng dụng thực tiễn. Việc sử dụng chất lỏng nanofluid như SiO2 trong nghiên cứu cũng là một điểm nhấn, giúp nâng cao khả năng trao đổi nhiệt và mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

II. Cơ sở lý thuyết

Để hiểu rõ về quá trình sôi, cần nắm vững các nguyên lý cơ bản liên quan đến trao đổi nhiệt. Sôi là hiện tượng chuyển pha từ lỏng sang khí, xảy ra khi áp suất hơi của chất lỏng đạt đến áp suất môi trường. Các yếu tố như sức căng bề mặt, góc tiếp xúc và độ quá nhiệt đều ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố này thông qua mô phỏng số, từ đó đưa ra các kết luận về cách tối ưu hóa hiệu ứng nhiệt trong sôi bể.

2.1. Nguyên lý của quá trình sôi

Khi chất lỏng được gia nhiệt, các phân tử gần bề mặt gia nhiệt sẽ có năng lượng cao hơn, dẫn đến sự hình thành các bọt hơi. Hiệu ứng nhiệt của quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm sức căng bề mặt và góc tiếp xúc. Các bọt hơi này sẽ lớn lên và tách ra khỏi bề mặt, tạo ra trao đổi nhiệt hiệu quả. Nghiên cứu sẽ sử dụng các mô hình mô phỏng để phân tích sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt khi các yếu tố này thay đổi.

III. Phương pháp mô phỏng

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD để phân tích quá trình sôi. Phần mềm ANSYS WORKBENCH được sử dụng để xây dựng các mô hình 2D và 3D, cho phép khảo sát hiệu ứng nhiệt trong các điều kiện khác nhau. Các thông số như độ quá nhiệt, sức căng bề mặt, và góc tiếp xúc sẽ được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến trao đổi nhiệt. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các nghiên cứu trước đó để xác định tính chính xác và độ tin cậy của mô hình.

3.1. Thiết lập mô hình

Mô hình sôi bể được thiết lập với bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc. Kích thước bể được giữ nguyên để đảm bảo tính đồng nhất trong các thí nghiệm. Các thông số mô phỏng sẽ được điều chỉnh để khảo sát sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt. Kết quả từ mô phỏng sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách cấu trúc bề mặt ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt trong sôi bể.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt tăng lên khi độ quá nhiệt tăng từ 5 K đến 30 K. Đặc biệt, việc sử dụng chất lỏng nanofluid SiO2 với nồng độ thể tích 0,05% cho thấy hiệu quả trao đổi nhiệt tối ưu. Sự thay đổi của sức căng bề mặt và góc tiếp xúc cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng nhiệt. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có thể áp dụng trong thực tiễn để cải thiện hiệu suất của các hệ thống làm mát và gia nhiệt.

4.1. Phân tích kết quả

Kết quả cho thấy rằng cấu trúc bề mặt có ảnh hưởng lớn đến trao đổi nhiệt trong sôi bể. Mô hình bề mặt gia nhiệt có cấu trúc cho thấy hiệu quả thấp hơn so với bề mặt trơn, điều này có thể do sự cản trở dòng chảy của chất lỏng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế các bề mặt gia nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp, từ đó nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc mô phỏng số có thể cung cấp những hiểu biết quý giá về hiệu ứng nhiệt trong sôi bể. Các yếu tố như cấu trúc bề mặt, sức căng bề mặt, và góc tiếp xúc đều có ảnh hưởng đáng kể đến trao đổi nhiệt. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là mở rộng khảo sát với các loại chất lỏng khác và các điều kiện vận hành khác nhau để có cái nhìn toàn diện hơn về quá trình sôi.

5.1. Kiến nghị

Nên tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc bề mặt và các loại chất lỏng nanofluid khác để tối ưu hóa trao đổi nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp. Việc áp dụng các công nghệ mô phỏng số tiên tiến sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các nghiên cứu trong tương lai.