Đồ án: Nghiên cứu ảnh hưởng biên dạng thân bông súng đến ứng dụng ống đa diện

Khám phá đồ án nghiên cứu ứng dụng ống đa diện từ biên dạng thân cây bông súng. Phân tích ảnh hưởng kích thước đến hiệu quả truyền nhiệt và lưu chất.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: Ts. Đặng Hùng Sơn
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh
• Đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Nghiên cứu Ống Đa Diện Phỏng theo Thân Cây Bông Súng

Nghiên cứu ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng là một đề tài tiên phong trong lĩnh vực thiết kế sinh học tại Việt Nam. Đây là sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và cảm hứng từ tự nhiên, nhằm tạo ra các thiết bị hiệu quả hơn, tiện lợi và nhỏ gọn hơn. Ống đa diện được thiết kế dựa trên cấu trúc đặc biệt của thân cây bông súng, một loài thực vật có hình dạng độc đáo. Nghiên cứu này được thực hiện bởi các sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Hùng Sơn. Mục đích chính là tìm hiểu ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến ứng dụng của ống đa diện trong các lĩnh vực công nghệ nhiệt và điện lạnh.

1.1. Khái niệm Thiết Kế Sinh Học và Ứng Dụng

Thiết kế sinh học là phương pháp lấy cảm hứng từ các cấu trúc, hình dạng và chức năng tự nhiên để cải tiến các sản phẩm công nghệ. Trên thế giới, các nghiên cứu về thiết kế sinh học đã mang lại những thành tựu đáng kể như bộ áo lượn phỏng theo sóc bay và tuabin gió phỏng theo quả dầu. Tại Việt Nam, lĩnh vực này vẫn chưa được đầu tư đầy đủ, do đó các nghiên cứu chỉ ở mức thử nghiệm và tạo mô hình đơn giản.

1.2. Đặc Điểm Của Thân Cây Bông Súng

Thân cây bông súng sở hữu cấu trúc hình đa diện độc đáo với các biên dạng hình cánh hoa. Hình dạng này không phải ngẫu nhiên mà là kết quả của quá trình tiến hóa, giúp cây thích ứng với điều kiện môi trường. Các đặc điểm như đường kính ngoài, đường kính đường tròn lớn và chiều dài biên dạng của thân cây đều có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất của ống đa diện phỏng theo.

II. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thu Thập Dữ Liệu

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp tiếp cận khoa học và toàn diện để nghiên cứu ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng. Quá trình bắt đầu từ việc thu thập các mẫu thân cây bông súng thực tế, sau đó tiến hành đo đạc kỹ lưỡng các kích thước và biên dạng. Dữ liệu thu được được xử lý bằng phương pháp quản lý thống kê Taguchi, một công cụ hiệu quả để tối ưu hóa thiết kế. Tiếp theo, nhóm xây dựng các mô hình 3D trên phần mềm Inventor 2019 và sử dụng Matlab R2015a để phân phối ngẫu nhiên các thông số đầu vào, đảm bảo tính khách quan của nghiên cứu.

2.1. Thu Thập Mẫu và Đo Đạc Kích Thước

Bước đầu tiên trong nghiên cứu là thu thập các mẫu thân cây bông súng từ tự nhiên. Các mẫu được lựa chọn một cách cẩn thận để đảm bảo đại diện cho độ biến đổi của loài cây này. Sau đó, nhóm tiến hành đo đạc các thông số quan trọng như đường kính ngoài ống, chiều dài biên dạng hình cánh hoa và đường kính đường tròn lớn. Dữ liệu thu được tạo thành nền tảng cho việc xây dựng mô hình thí nghiệm.

2.2. Mô Phỏng Số và Phân Tích Dữ Liệu

Sau khi xây dựng các mô hình 3D của ống đa diện, nhóm tiến hành mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng. Kết quả từ mô phỏng được xử lý bằng phương pháp Taguchi, Anova và phần mềm Minitab 19 để kiểm tra độ tin cậy. Quá trình này giúp xác định các yếu tố nào có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất của ống đa diện.

III. Kết Quả Nghiên Cứu và Mô Hình Tối Ưu

Sau quá trình mô phỏng số và phân tích dữ liệu chi tiết, nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết luận quan trọng về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng. Nghiên cứu xác định ba yếu tố chính có ảnh hưởng lớn nhất: kích thước chiều dài biên dạng, đường kính ngoài của ống và đường kính đường tròn lớn. Dựa trên những phát hiện này, nhóm đã xây dựng ba mô hình tối ưu, mỗi mô hình được thiết kế để đạt hiệu suất tốt nhất cho một khía cạnh cụ thể của ứng dụng, bao gồm độ chênh nhiệt độ, độ chênh áp suất và độ chênh vận tốc.

3.1. Mô Hình Tối Ưu Cho Độ Chênh Nhiệt Độ

Yếu tố kích thước chiều dài biên dạng hình cánh hoa được xác định là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chênh nhiệt độ của ống đa diện. Mô hình tối ưu được xác định với ký hiệu P13-P22-P31-P42-P52, đạt được hiệu nhiệt độ t ≈ 85. Kết quả này cho thấy rằng việc điều chỉnh chiều dài biên dạng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền nhiệt của ống.

3.2. Mô Hình Tối Ưu Cho Độ Chênh Áp Suất và Vận Tốc

Đường kính ngoài của ống được xác định là yếu tố chính ảnh hưởng độ chênh áp suất, với mô hình tối ưu P12-P22-P33-P41-P51 đạt độ chênh áp p ≈ 7. Riêng đường kính đường tròn lớn trong biên dạng cánh hoa ảnh hưởng lớn đến độ chênh vận tốc, mô hình tối ưu P12-P23-P32-P41-P53 đạt độ chênh vận tốc v ≈ 3, cho phép tối ưu hóa lưu lượng chất lỏng.

IV. Ý Nghĩa và Hướng Phát Triển của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy lĩnh vực thiết kế sinh học tại Việt Nam. Những phát hiện từ nghiên cứu này không chỉ cung cấp kiến thức về cách tối ưu hóa các thông số kỹ thuật mà còn mở ra hướng đi mới cho phát triển các thiết bị công nghệ nhiệt và điện lạnh. Ống đa diện có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hệ thống làm lạnh, trao đổi nhiệt và các hệ thống chất lỏng khác. Bằng cách tiếp tục đầu tư nghiên cứu, Việt Nam có thể phát triển công nghệ độc lập và cạnh tranh với các nước tiên tiến trong lĩnh vực này.

4.1. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Của Ống Đa Diện

Ống đa diện phỏng theo thân cây bông súng có thể được ứng dụng trong các hệ thống trao đổi nhiệt, làm lạnh công nghiệp và các hệ thống tuần hoàn chất lỏng. Thiết kế độc đáo của ống giúp tăng cường hiệu suất truyền nhiệt và giảm tổn hao áp suất, từ đó tiết kiệm năng lượng. Các mô hình tối ưu từ nghiên cứu này có thể được áp dụng để thiết kế các sản phẩm thương mại.

4.2. Hướng Phát Triển Tiếp Theo

Các nhà nghiên cứu nên tiếp tục thực hiện các thí nghiệm thực tế để xác thực kết quả mô phỏng số. Ngoài ra, cần mở rộng nghiên cứu sang các cấu trúc sinh học khác để khám phá thêm nhiều ứng dụng công nghệ mới. Việt Nam cần tăng cường đầu tư vào lĩnh vực thiết kế sinh học để phát triển các công nghệ bản địa và tạo ra sản phẩm cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu [1] 1.1 Giới thiệu về thiết kế sinh học Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. Tiềm năng áp dụng những nguyên tắc và cơ chế dựa trên Phỏng Sinh học là rất lớn, do sự phức tạp của các cấu trúc sinh học và số lượng lớn các tính năng được tìm thấy. Chính vì vậy, Phỏng Sinh học mở ra cánh cửa của nhiều công nghệ tiên tiến và thiết kế tương lai, lấy cảm hứng sinh học để giải quyết các vấn đề như: khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp, khai thác năng lượng mặt trời… Đôi chút về lịch sử thiết kế sinh học, thuật ngữ này đầu tiên có lẽ đã được gọi bởi các nhà vật lý sinh học của Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt từ những năm 1950.

Trong một nghiên cứu về các dây thần kinh mực ống để cố gắng tạo nên thiết bị nhân rộng hệ thống truyền thần kinh sinh học. Mặc dù vậy, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ thực sự xuất hiện vào năm 1982. Đến năm 1997, thuật ngữ “thiết kế sinh học” một lần nữa mới được phổ biến bởi các nhà khoa học và đặc biệt là tác giả Janine Benyus, trong cuốn sách mang tên: Biomimicry: Innovation Inspired by Nature Chúng ta đừng quan tâm đến những thiết kế ứng dụng cơ chế sinh học phức tạp, chỉ riêng hình dáng của sinh vật thôi đã trở thành nguồn cảm hứng rất lớn. Đã có rất nhiều thiết kế dựa trên hình dáng sinh vật.2 Giới thiệu về bông súng Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng) Cây Bông Súng có nguồn gốc từ vùng tiểu lục địa Ấn Độ.

Cây đã lan rộng qua các nước khác từ thời cổ đại và trong một thời gian dài cây mang giá trị cảnh quan lớn giúp trang trí cho những ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan, Myanma. Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền. 1 Lá Hoa Súng là dạng lá đơn mọc cách, lá hình tròn hay xoan, bìa có răng cưa thưa, mặt dưới không lông có màu lam hoặc tím đậm, mặt trên nhẵn và có màu xanh bóng. Lá cây Hoa Súng xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, có gân to tròn, nổi rõ ở mặt dưới của lá.

Thân bông súng có tiết diện ngoài hình tròn, bên trong có ống nhỏ dọc theo suốt chiều dài của thân.2 Đối tượng và ứng dụng [1] 1.1 Đối tượng Thiết kế sinh học được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế ra các cấu trúc nhân tạo mới ưu việt hơn. Việc mô phỏng lại cấu trúc sinh học của các sinh vật để đưa vào thiết kế, việc này có thể giải quyết các vấn đề thường gặp trong thực tế như nâng cao khả năng chịu lực, tự làm mát, tự hồi phục,…hay thu nhỏ kích thước của một số sản phẩm. Trong bài nghiên cứu lần này, chúng em dựa vào cấu trúc của thân cây bông súng để thiết kế nên một ống trao đổi nhiệt với mong muốn sẽ cải thiện khả năng trao đổi nhiệt, dòng chảy lưu chất và thu nhỏ kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt thông thường.2 Ứng dụng Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo: * Một trong những ví dụ sớm nhất của thiết kế Sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim để chế tạo ra máy bay. Và mặc dù không thành công trong việc tạo ra một chiếc "máy bay" thật, Leonardo da Vinci (1452-1519) vẫn đánh một dấu mốc rất quan trọng khi ông quan tâm đến giải phẫu học của chim cùng các phác thảo dựa trên những quan sát cho cái gọi là "máy bay" của mình.

Để rồi sau này, anh em nhà Wright - những người thực sự thành công trong việc chế tạo tàu lượn vào năm 1903 - cũng bắt nguồn cảm hứng tương tự từ việc những quan sát những chú chim bồ câu đang bay. 1 Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [1] * Đây là một thiết kế chắc chắn sẽ được nhắc tới ở mọi chuyên đề về thiết kế sinh học: khóa dán (khóa velcro). Đó là hai dải sợi nilông một nhám và một trơn sẽ dính chặt nhau khi bị ép lại. Ngay cả khi đôi giày hoặc cái áo khoác nào đó của bạn đã cũ và sờn rách, băng khóa dán vẫn trơ trơ ra đó và hoạt động theo một cách không thể dễ dàng hơn.

Thật tình cờ, khóa Velcro được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau một chuyến đi săn ở vùng Alps. Ông đã phải nhổ bỏ những quả gai trên bộ lông chú chó của mình và nhận ra cách mà chúng dính chặt vào nhau. 2 Khóa dán (khóa velcro) [1] Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi. 3 Dự án BioArch [1] * Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran.

Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược thiết kế sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C).Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng. Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và lối thông gió tự nhiên.3 Phương hướng nghiên cứu 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới có nhiều nghiên cứu và trong các công trình, khi có những vấn đề phát sinh, nhiều kỹ sư đã tìm đến những cấu trúc độc đáo của thế giới tự nhiên để mô phỏng lại nhằm giải quyết các vấn đề. Sau đây là một số ví dụ về các nghiên cứu và công trình có ứng dụng thiết kế sinh học.Ferguson đã nghiên cứu về bộ áo giúp con người có thể lượn trên không trung, đây là một nghiên cứu được lấy ý tưởng từ loài sóc bay, nghiên cứu được thực hiện vào năm 2016. Bộ áo đã thực hiện được ước mơ được nghĩ ra từ những năm 1930, kể từ lúc đó đã có 96% người tiên phong thí nghiệm thiệt mạng.[2] Yung-Jeh Chu và Wen-Tong Chong đã nghiên cứu và chế tạo tuabin gió dựa trên cấu tạo của quả dầu vào năm 2017.

Nghiên cứu này xây dựng các cánh tuabin gió và 4 xem xét hiệu suất hoạt động của chúng dựa vào động lực học lưu chất tính toán (CFD).[3] Eiji Nakatsu, một kỹ sư Nhật Bản, trong lúc đang tìm cách giảm bớt tiếng nổ siêu thanh khi tàu cao tốc Shinkansen khi nó ra khỏi đường hầm. Ông đã tìm đến thế giới tự nhiên để tìm cảm hứng và quyết định chọn hình dáng mỏ của chim bói cá làm mô phỏng. Kết quả là thiết kế giúp hạn chế tiếng ồn, giúp tàu sử dụng ít năng lượng hơn và nhanh hơn 10%.[4] Hai công ty kiến trúc DP Architechts (DPA) và Michael Wilford & Partners (MWP), cả hai công ty đã cùng làm việc với nhau để hoàn thành dự án xây dựng nhà hát Esplanade vào năm 1992. Cấu trúc của nhà hát được lấy ý tưởng từ hình dáng của quả sầu riêng.

Thiết kế độc đáo này giúp nhà hát Esplanade trông rất độc đáo và tầm nhìn ra mọi phía của nhà hát giúp khách tham quan có thể ngắm cảnh dễ dàng hơn. Có hơn 7000 hình chóp nhìn chúng giống như những cái gai của quả sầu riêng, mỗi hình chóp được trang bị kính và sẽ thay đổi góc độ để tránh ánh nắng chói chang của mặt trời.[5] Hai vợ chồng kiến trúc sư ông Mark Hemel và bà Barbara Kuit, là người đã thiết kế nên cấu trúc của toà tháp truyền hình Canton ở Quảng Châu, Trung Quốc. Đây là một kiến trúc độc đáo khi nó mang cho mình một đường cong tuyệt đẹp và độc nhất. Thiết kế được lấy ý tưởng từ cấu trúc xương đìu của con người, với hình dạng to ở hai đầu và hẹp lại ở giữa tạo thành vòng eo.[6] Kiến trúc sư Mick Pearce đã phối hợp cùng các kiến trúc sư của Arup để thiết kế nên toà cao ốc Eastgate.

Đây là một kiến trúc được lấy ý tưởng từ cấu trúc của tổ mối. Với khả năng thông gió tốt của cấu trúc này, công trình có khả năng tự điều tiết điều kiện không khí với mức tiêu thụ năng lượng ít.[7] Ernst van Nierop, Michael Brenner và Silas Alben đã dựa theo cấu tạo của vây cá voi lưng gù để nâng cao hiểu quả của tuabin gió. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khi góc tác động thay đổi từ 120 đến 180, lực cản sẽ giảm 32% và lực nâng cánh tăng 8%.[8] Nhà sản xuất máy bay châu Âu Airbus đã hợp tác với Autodesk để suy nghĩ lại về thiết kế của cabin của máy bay. Cabin mới đã ra mắt tại hội nghị của Đại học Autodesk ở Las Vegas và nhờ công nghệ in 3D, một số thuật toán mới dựa trên cấu trúc sinh học của nấm mốc và sự phát triển của xương để tạo ra cấu trúc phỏng sinh học.

Cabin này chỉ nặng 66 pound, giúp tiết kiệm rất lớn cả về nhiên liệu và lượng khí thải carbon. Các 5 cabin hiện tại của Airbus nặng 143 pound. Mục tiêu là giảm 30% trọng lượng và hoàn toàn đạt được mức giảm trọng lượng tới 55%.[9] Một nhóm kỹ sư tại Trung tâm Công nghệ Mercedes-Benz và Daimler Chrysler Research đã quyết định phát triển một chiếc xe lấy ý tưởng bionic, tìm cách tối ưu hóa thiết kế khí động học. Mô hình sinh học mà từ đó họ rút ra cảm hứng thiết kế của mình là cá nắp hòm (Ostraci cubus).

Thử nghiệm mô hình trong một đường hầm gió đạt được hệ số cản gió chỉ 0,06. Kết quả nghiên cứu cho thấy là một trong những chiếc xe khí động học tốt nhất trong loại kích thước này từng được phát triển. Theo Daimler, mức tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 20% (Daimler Chrysler AG, 2004).2 Các nghiên cứu trong nước Công ty TNHH 3D MASTER đã chế tạo thành công sản phẩm cánh tay sinh kỹ thuật hỗ trợ đắc lực các chức năng cho người khuyết chi tại Việt Nam với chi phí rất tối ưu.