Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Làm mát bề mặt thiết bị máy móc là khâu kỹ thuật then chốt nhằm kiểm soát nhiệt độ vận hành, ngăn ngừa biến dạng nhiệt, duy trì hiệu suất hoạt động và nâng cao tuổi thọ của hệ thống. Trong các giải pháp tản nhiệt hiện nay, làm mát bằng chất lỏng (nước, dầu tản nhiệt) có khả năng truyền nhiệt cao nhưng cấu tạo phức tạp, chỉ thích hợp với một số thiết bị có kết cấu cố định. Ngược lại, làm mát bằng không khí đối lưu cưỡng bức có phạm vi ứng dụng rộng rãi trên nhiều dạng thiết bị, tiết kiệm năng lượng và không phát sinh chất thải độc hại. Tuy nhiên, nhược điểm cốt lõi của không khí là hệ số dẫn nhiệt và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu thấp.

Để khắc phục nhược điểm này, các giải pháp truyền thống như gắn thêm cánh tản nhiệt hoặc tạo nhám bề mặt thường đòi hỏi phải can thiệp, thay đổi hình dạng và kết cấu cơ học ban đầu của thiết bị. Giải pháp bố trí vách hướng dòng đặt ở thành đối diện bề mặt cần làm mát cho phép tạo dòng chảy rối, ép luồng khí tiếp xúc sát bề mặt gia nhiệt mà hoàn toàn không làm thay đổi hay suy giảm tính toàn vẹn cơ học của bề mặt nóng. Các công bố khoa học trước đây đã xem xét đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của một số dạng vách, song việc khảo sát mở rộng dải thông số hình học và thông số vận hành nhằm đề xuất cấu hình vách tối ưu cho cả hiệu quả trao đổi nhiệt lẫn hiệu quả nhiệt thủy lực vẫn chưa được giải quyết trọn vẹn.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật nhiệt của nhóm tác giả Phan Văn Trà, Thạch Hà Quốc Thảo, Ngô Phúc Đại (GVHD: Th.S Nguyễn Thành Luân, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 07/2023) tập trung giải quyết bài toán trên.

Mục tiêu chính của đề tài: Xác định các thông số cấu hình vách ngăn hướng dòng có hiệu quả làm mát và hiệu quả nhiệt thủy lực tốt nhất trong phạm vi khảo sát.

Các mục tiêu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  1. Khảo sát ảnh hưởng của thông số vận hành và cấu hình vách hướng dòng đến khả năng làm mát bề mặt nóng.
  2. Xem xét sự phân bố trường nhiệt độ, áp suất và xu hướng dòng chảy trong các trường hợp thay đổi góc nghiêng và chiều cao của vách hướng dòng.
  3. Đề xuất cấu hình vách ngăn hướng dòng có hiệu quả làm mát và hiệu quả nhiệt thuỷ lực tốt nhất trong phạm vi khảo sát.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình kênh gió hình chữ nhật có bố trí một vách hướng dòng phẳng đặt ở thành đối diện bề mặt gia nhiệt. Kênh có chiều cao $H = 80\text{ mm}$, chiều rộng $W = 300\text{ mm}$, phần đoạn thử nghiệm (test) chứa bề mặt nóng dài $320\text{ mm}$. Kênh được nối thêm đoạn đầu vào dài $570\text{ mm}$ (giúp dòng khí phát triển đầy đủ) và đoạn đầu ra dài $290\text{ mm}$ (ngăn hiện tượng dòng chảy ngược).
  • Phạm vi thông số vận hành: Số Reynolds ($Re$) của dòng khí biến thiên từ 5.000 đến 25.000 (khảo sát ở 5 mức: 5.000; 10.000; 15.000; 20.000; 25.000), ứng với vận tốc đầu vào từ $0,78\text{ m/s}$ đến $3,89\text{ m/s}$. Nhiệt độ không khí vào $T_{in} = 27^\circ\text{C}$ (300 K), áp suất đầu ra bằng áp suất khí quyển. Bề mặt nóng được cấp mật độ dòng nhiệt không đổi $q = 1.000\text{ W/m}^2$.
  • Phạm vi thông số hình học vách: Góc nghiêng của vách hướng dòng $\alpha$ biến thiên từ $30^\circ$ đến $90^\circ$ (7 mức: $30^\circ, 40^\circ, 50^\circ, 60^\circ, 70^\circ, 80^\circ, 90^\circ$). Tỉ lệ chiều cao vách so với chiều cao kênh $C/H$ thay đổi từ 0,4 đến 0,8 (5 mức: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8). Tổng số trường hợp mô phỏng khảo sát là $5 \times 7 \times 5 = 175$ trường hợp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công thức tính toán

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý truyền nhiệt và động học chất lưu cho dòng chảy rối qua kênh kín. Các thông số đặc trưng được xác định thông qua hệ thống công thức:

  • Phương trình cân bằng năng lượng: $$Q_1 = Q_2 = m c_p (T_o - T_i) = h A_{ap} (T_{ap} - T_f)$$ Trong đó: $m$ là lưu lượng khối lượng không khí (kg/s); nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí lấy tại $300\text{ K}$ là $c_p = 1.007\text{ J/kg}\cdot\text{K}$; $h$ là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ($\text{W/m}^2\text{K}$); $A_{ap} = L \cdot W$ là diện tích bề mặt gia nhiệt ($\text{m}^2$); $T_f = 0,5(T_i + T_o)$ là nhiệt độ trung bình của không khí.
  • Đường kính thủy lực của kênh dẫn chữ nhật: $$D_h = \frac{4A}{P} = \frac{4(W \cdot H)}{2(W + H)}$$
  • Số Reynolds ($Re$): $$Re = \frac{\rho V D_h}{\mu}$$
  • Số Nusselt ($Nu$) đại diện cho hiệu quả trao đổi nhiệt đối lưu: $$Nu = \frac{h D_h}{k}$$ (với $k$ là hệ số dẫn nhiệt của không khí).
  • Tổn thất áp suất qua kênh: $$\Delta P = P_i - P_o$$
  • Hệ số ma sát ($f$) xác định theo phương trình Darcy-Weisbach: $$f = \frac{\Delta P}{\frac{L}{D_h} \frac{\rho V^2}{2}}$$
  • Hiệu quả nhiệt thủy lực ($\eta$) dùng để đánh giá tương quan giữa năng lực tăng cường truyền nhiệt và chi phí tổn thất áp suất: $$\eta = \frac{Nu / Nu_s}{(f / f_s)^{1/3}}$$ Trong đó, số Nusselt và hệ số ma sát đối với kênh trơn ($Nu_s$ và $f_s$) được xác định theo: $$Nu_s = 0,023 Re^{0,8} Pr^{0,4}$$ $$f_s = (0,79 \ln Re - 1,64)^{-2}$$ Số Prandtl $Pr = \frac{c_p \mu}{k}$.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ mô phỏng

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy (CFD) kết hợp tính toán nhiệt kỹ thuật trên máy tính:

  • Nền tảng phần mềm: Hệ thống ANSYS Workbench gồm ANSYS DesignModeler (xây dựng mô hình hình học 2D/3D), ANSYS Meshing (tạo lưới và xử lý lưới biên), ANSYS Fluent (thiết lập bài toán biên, giải hệ phương trình chi phối Navier-Stokes) và CFD-Post (kết xuất trường nhiệt độ, trường áp suất, vector vận tốc). Phần mềm EES (Engineering Equation Solver) được sử dụng để lập trình giải các phương trình cân bằng nhiệt và xử lý dữ liệu.
  • Mô hình dòng chảy rối: Mô hình hai phương trình $k$-$\epsilon$ (kết hợp Standard/RNG) sử dụng phương pháp xử lý sát vách nâng cao (Enhanced Wall Treatment) để tăng độ chính xác tại các vùng sát bề mặt trao đổi nhiệt. Hệ phương trình chi phối gồm phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng, thiết lập tiêu chuẩn hội tụ thặng dư ở mức $10^{-6}$.
Thông số kiểm tra độc lập lưới Chi tiết kỹ thuật
Số lượng phần tử khảo sát 33.468 đến 171.461 phần tử
Vận tốc thử nghiệm độc lập lưới $v = 2,337\text{ m/s}$ ($Re = 15.000$)
Lựa chọn tối ưu $113.498\text{ phần tử}$ (kích thước lưới $1\text{ mm}$)
Sai lệch số Nusselt so với lưới 171.461 phần tử $0,49%$
  • Kiểm chứng mô hình (Validation): Kết quả mô phỏng số với cấu hình vách $\alpha = 30^\circ, C/H = 0,6$ được đối chiếu trực tiếp với dữ liệu thực nghiệm đã công bố của Yilmaz và cộng sự. Đường tương quan số Nusselt và độ giảm áp $\Delta P$ theo số Reynolds cho thấy sự trùng khớp và độ tin cậy cao của phương pháp mô phỏng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên việc phân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp làm mát hiện hữu. Làm mát bằng không khí có ưu thế về tính an toàn, linh hoạt nhưng bị giới hạn bởi tính chất nhiệt vật lý của không khí. Việc sử dụng vách hướng dòng đặt đối diện tấm nóng được xác định là phương án hiệu quả giúp tạo dòng rối mà không xâm lấn kết cấu bề mặt máy móc.

Tác giả tổng quan 18 công trình nghiên cứu trên thế giới về các giải pháp tạo dòng rối và cấu hình vách ngăn:

  • Yilmaz nghiên cứu thực nghiệm vách hướng dòng đối diện bề mặt tấm nóng.
  • Luan và Phu tối ưu hóa đa mục tiêu trên kênh không dùng vách hướng dòng.
  • Smith Eiamsa-ard và cộng sự chứng minh vách ngăn có cánh mở tăng gấp 2 lần hiệu quả truyền nhiệt so với kênh trơn và giảm $14%$ hệ số ma sát.
  • Chun-Sheng Wang và cộng sự xây dựng các mối tương quan thực nghiệm $Nu/Nu_0$ và $f/f_0$.
  • Abolpour và cộng sự nghiên cứu thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho bộ trao đổi nhiệt vách đôi.
  • Sandip Saha và cộng sự chỉ ra khả năng trao đổi nhiệt giảm khi chiều dài vách ngăn tăng trong vỏ bọc hình chữ nhật.
  • Eiamsa-ard, Jheng-Long Li, Houari Ameur, Alem, P.Amer Al-damook, Promvonge, Mostafavi, Kang-Hoon Ko, El Habet, Ary, Phila, Younes Menni khảo sát các hình dạng vách khác nhau (vách hình chữ V tăng $12%$ hiệu suất nhiệt; vách cong về đầu ra có hiệu quả làm mát cao hơn $14%$; vách nghiêng $60^\circ$ đạt hiệu quả nhiệt thủy lực $\eta = 1,11$ tại $Re = 9.000$). Từ tổng quan, nhóm tác giả chỉ ra "khe hẹp nghiên cứu": Chưa có công trình nào mở rộng dải thông số và đề xuất cấu hình vách hướng dòng phẳng đặt đối diện tối ưu đồng thời cả hiệu quả làm mát lẫn chỉ số nhiệt thủy lực.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 hệ thống hóa lý thuyết làm mát bằng không khí (đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức), phân tích cơ chế hình thành lớp biên và dòng chảy rối do vách hướng dòng tạo ra. Việc gắn vách giúp nén tiết diện dòng chảy, gia tăng vận tốc cục bộ và tạo xoáy cuộn tiếp xúc trực tiếp lên tấm nóng.

Chương này thiết lập đầy đủ hệ thống công thức toán học - nhiệt động: phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn năng lượng ($Q_1 = Q_2$), công thức xác định đường kính thủy lực $D_h$, số Reynolds ($Re$), số Nusselt ($Nu$), tổn thất áp suất $\Delta P$, hệ số ma sát $f$ (phương trình Darcy-Weisbach) và chỉ số hiệu quả nhiệt thủy lực $\eta$ kèm các biểu thức chuẩn cho kênh trơn ($Nu_s, f_s$).

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ DÒNG CHẢY VÀ THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA VÁCH HƯỚNG DÒNG ĐẾN KHẢ NĂNG LÀM MÁT BỀ MẶT NÓNG BẰNG KHÔNG KHÍ

Chương 3 là phần thực nghiệm mô phỏng chính của đồ án, bao gồm giới thiệu quy trình CFD (DesignModeler, Meshing, Fluent, CFD-Post) và phần mềm EES. Tác giả thực hiện kiểm tra tính độc lập của lưới với 5 bộ lưới và kiểm chứng thành công với dữ liệu của Yilmaz.

Toàn bộ 175 trường hợp mô phỏng được phân tích để làm rõ ba yếu tố ảnh hưởng:

  1. Ảnh hưởng của số Reynolds ($Re$): Khi tăng $Re$ từ 5.000 lên 25.000 tại góc nghiêng $\alpha = 30^\circ$, số Nusselt ở tất cả các tỷ lệ $C/H$ đều tăng rõ rệt do vận tốc dòng khí tiếp xúc bề mặt tăng mạnh, làm giảm nhiệt độ bề mặt nóng. Tại $C/H = 0,8$, số Nusselt tăng từ 81,82 đến 267,5 (mức $Re = 25.000$ cao hơn các mức còn lại lần lượt là 1,17; 1,45; 2,00 và 3,26 lần). Tuy nhiên, hệ số ma sát $f$ biến động không đơn điệu phụ thuộc vào tỉ lệ giữa độ tăng tổn thất áp suất và độ tăng bình phương vận tốc (ví dụ tại $C/H = 0,7$: $f = 1,108$ ở $Re=5.000$, tăng lên $1,144$ ở $Re=10.000$, sau đó giảm xuống $1,106$ ở $Re=15.000$). Về mặt nhiệt thủy lực, $\eta$ giảm dần khi $Re$ tăng (tại $C/H = 0,4$, $\eta$ ở $Re=5.000$ đạt 1,038, cao gấp 1,22; 1,35; 1,44 và 1,49 lần so với các mức $Re$ cao hơn).
  2. Ảnh hưởng của độ cao vách ngăn ($C/H$): Chiều cao vách càng lớn ($C/H$ tăng từ 0,4 đến 0,8), dòng khí càng bị ép mạnh xuống sát bề mặt nóng, làm tăng vận tốc cục bộ và cường độ xoáy rối, dẫn đến $Nu$ tăng cao. Tại $Re = 25.000, \alpha = 30^\circ$, $Nu$ của $C/H = 0,8$ đạt 267,5, cao hơn các trường hợp $C/H$ từ 0,7 xuống 0,4 lần lượt là 1,26; 1,58; 1,91 và 2,11 lần. Ngược lại, tổn thất áp suất và hệ số ma sát tăng vọt: tại $Re = 5.000$, hệ số ma sát của $C/H = 0,8$ cao hơn kênh trơn tới 275 lần (trong khi các tỷ lệ 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 cao hơn lần lượt 109; 49; 22 và 10 lần).
  3. Ảnh hưởng của góc nghiêng vách ngăn ($\alpha$): Phân tích các trường áp suất, vector vận tốc và trường nhiệt độ ứng với các góc từ $30^\circ$ đến $90^\circ$ ở các mức $Re$ khác nhau.
  4. Đề xuất cấu hình: So sánh trường nhiệt độ, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa cấu hình làm mát tốt nhất, cấu hình có hiệu quả nhiệt thủy lực tốt nhất và mô hình kênh trơn đối chứng.

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết các quy luật phân bố trường vận tốc, nhiệt độ, áp suất; khẳng định tính khả thi của giải pháp vách hướng dòng đặt đối diện bề mặt nóng; đưa ra các kiến nghị kỹ thuật phục vụ tính toán thiết kế thực tế.

Kết quả và đóng góp

Số liệu kết quả thực nghiệm mô phỏng chính

Thông số khảo sát Trường hợp số liệu cụ thể trong đồ án
Dải biến thiên số Reynolds ($Re$) $5.000 - 25.000$ ($v = 0,78 - 3,89\text{ m/s}$)
Dải tỷ lệ chiều cao vách ($C/H$) $0,4 - 0,8$
Dải góc nghiêng vách ($\alpha$) $30^\circ - 90^\circ$
Biến thiên số Nusselt ($C/H=0,8; \alpha=30^\circ$) Tăng từ $81,82$ ($Re=5.000$) lên $267,5$ ($Re=25.000$)
Tương quan số $Nu$ tại $Re=25.000; \alpha=30^\circ$ $C/H=0,8$ ($Nu=267,5$) gấp $1,26$ lần ($C/H=0,7$); $1,58$ lần ($C/H=0,6$); $1,91$ lần ($C/H=0,5$) và $2,11$ lần ($C/H=0,4$)
Biến thiên hệ số ma sát $f$ so với kênh trơn ($Re=5.000; \alpha=30^\circ$) $C/H=0,4$: tăng 10 lần; $C/H=0,5$: tăng 22 lần; $C/H=0,6$: tăng 49 lần; $C/H=0,7$: tăng 109 lần; $C/H=0,8$: tăng 275 lần
Hiệu quả nhiệt thủy lực $\eta$ ($C/H=0,4; \alpha=30^\circ$) Đạt cực đại $1,038$ tại $Re=5.000$, giảm dần theo $Re$ (gấp $1,49$ lần so với tại $Re=25.000$)

Đóng góp khoa học và kỹ thuật của đồ án

  • Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu số hóa hoàn chỉnh gồm 175 kịch bản mô phỏng tương tác giữa thông số dòng chảy ($Re$) và thông số hình học vách ($\alpha, C/H$) đối với kênh có vách ngăn đối diện tấm gia nhiệt.
  • Chỉ ra quy luật mâu thuẫn nhiệt - thủy lực: Cấu hình cho khả năng làm mát cao nhất ($C/H = 0,8$, vận tốc dòng lớn) lại gây tổn thất áp suất và tiêu hao năng lượng quạt lớn nhất (hệ số ma sát tăng gấp 275 lần). Ngược lại, cấu hình có độ cản dòng thấp ($C/H = 0,4$, $Re$ thấp) mang lại hiệu quả nhiệt thủy lực ($\eta$) cao nhất.
  • Cung cấp cơ sở định lượng để kỹ sư lựa chọn cấu hình phù hợp tùy theo ưu tiên thực tế: ưu tiên hạ nhiệt tối đa bề mặt hay ưu tiên tiết kiệm điện năng vận hành của hệ thống thông gió.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Nghiên cứu thực hiện hoàn toàn trên mô hình mô phỏng số 2D/3D thông qua phần mềm ANSYS Fluent, kiểm chứng gián tiếp qua công bố của Yilmaz mà chưa tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm vật lý trực tiếp.
  • Mô hình giả thiết các điều kiện biên lý tưởng: mật độ dòng nhiệt cấp cố định $1.000\text{ W/m}^2$, nhiệt độ không khí vào không đổi $27^\circ\text{C}$, tính chất vật lý của không khí lấy tại $300\text{ K}$, môi chất khảo sát đơn nhất là không khí.
  • Phạm vi kết cấu mới dừng lại ở một vách phẳng đơn đặt đối diện, chưa khảo sát đa vách hoặc các hình dạng biên dạng vách phức tạp hơn trong cùng một kênh.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Chế tạo mô hình thực nghiệm kênh gió thực tế để đo đạc và đối chiếu trực tiếp với kết quả mô phỏng số.
  • Mở rộng khảo sát với nhiều vách ngăn bố trí liên tiếp, vách có lỗ đột hoặc vách có biên dạng khí động học khác nhau.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp thuật toán di truyền hoặc bề mặt đáp ứng để xác định chính xác điểm cân bằng tối ưu giữa $Nu$ và $f$.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện đồ án, luận văn liên quan đến trao đổi nhiệt đối lưu, tản nhiệt thiết bị điện tử, hệ thống sấy hoặc thiết bị nhiệt công nghiệp.
  • Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư thiết kế hệ thống HVAC, kênh dẫn gió, tản nhiệt máy biến áp, tủ điện công nghiệp: Cung cấp phương pháp xây dựng mô hình CFD trên ANSYS Fluent, kỹ thuật chia lưới tăng cường vùng biên (Enhanced Wall Treatment), kiểm tra độc lập lưới và quy trình trích xuất hệ số nhiệt thủy lực.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình thiết lập bài toán kiểm tra độc lập lưới tại mục 3.2 và hệ thống dữ liệu so sánh chi tiết giữa số Reynolds, tỷ lệ chiều cao vách với hệ số ma sát và hiệu quả làm mát tại mục 3.3 cùng hệ thống phụ lục.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học của mô hình kênh khảo sát trong đồ án được thiết lập cụ thể như thế nào?
Kênh có chiều cao $H = 80\text{ mm}$, chiều rộng $W = 300\text{ mm}$. Kênh chia làm ba đoạn: đoạn đầu vào dài $570\text{ mm}$ để dòng khí phát triển hoàn toàn; đoạn thử nghiệm ở giữa dài $320\text{ mm}$ có gắn vách ngăn ở thành trên và bề mặt nóng ở đáy; đoạn thoát dài $290\text{ mm}$ nhằm tránh hiện tượng đảo ngược dòng khí ở cửa ra.

2. Tiêu chuẩn chọn lưới mô phỏng độc lập của đồ án là gì?
Nhóm tác giả kiểm tra 5 mức lưới từ 33.468 đến 171.461 phần tử ở $Re = 15.000$. Kết quả cho thấy tại mức lưới 113.498 phần tử (kích thước phần tử $1\text{ mm}$ kết hợp xử lý vách Enhanced Wall Treatment), sai lệch số Nusselt so với mức lưới dày nhất (171.461 phần tử) chỉ là $0,49%$, đảm bảo độ chính xác và tối ưu thời gian tính toán.

3. Tại sao khi tăng chiều cao vách hướng dòng ($C/H$), hiệu quả làm mát lại tăng?
Khi tỷ lệ $C/H$ tăng (vách dài hơn), khoảng không gian lưu thông bị thu hẹp, luồng không khí bị cản trở và ép sát xuống bề mặt tấm nóng. Hiện tượng này làm tăng mạnh vận tốc dòng khí tiếp xúc cục bộ, đồng thời tạo ra vùng dòng chảy rối và xoáy cuộn mạnh phía sau vách, giúp tăng cường truyền nhiệt đối lưu và nâng cao số Nusselt.

4. Tại sao hệ số ma sát $f$ tại tỷ lệ $C/H = 0,8$ lại tăng cao đột biến (gấp 275 lần so với kênh trơn tại $Re = 5.000$)?
Khi $C/H = 0,8$, vách ngăn chiếm $80%$ chiều cao kênh, tạo ra diện tích cản trở dòng chảy rất lớn gây tổn thất áp suất cục bộ mạnh. Thêm vào đó, luồng khí bị nén xuống đáy sau khi vượt qua vách sẽ bung ra tạo thành các xoáy cuộn nghịch áp suất lớn phía sau vách, khiến tổn thất áp suất $\Delta P$ tăng vọt, dẫn đến hệ số ma sát $f$ tăng gấp 275 lần so với kênh trơn.

5. Vì sao trường hợp có khả năng làm mát tốt nhất không đồng nhất với trường hợp có hiệu quả nhiệt thủy lực cao nhất?
Trường hợp làm mát tốt nhất ($C/H = 0,8$, $Re = 25.000$) đòi hỏi vận tốc lớn và tạo cản trở dòng lớn, làm tiêu tốn năng lượng đẩy gió rất cao do tổn thất áp suất lớn. Chỉ số nhiệt thủy lực $\eta$ tính đến tỷ lệ giữa độ tăng truyền nhiệt ($Nu/Nu_s$) và tổn thất ma sát ($(f/f_s)^{1/3}$); do đó các cấu hình vách thấp ($C/H = 0,4$) ở số $Re$ nhỏ ($Re = 5.000$) tuy truyền nhiệt ít hơn nhưng tổn thất áp suất rất thấp, dẫn đến chỉ số $\eta$ đạt giá trị cao hơn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu có hệ thống ảnh hưởng của số Reynolds ($Re = 5.000 - 25.000$), tỷ lệ chiều cao vách ($C/H = 0,4 - 0,8$) và góc nghiêng ($\alpha = 30^\circ - 90^\circ$) của vách hướng dòng đối diện tấm gia nhiệt thông qua 175 trường hợp mô phỏng CFD trên phần mềm ANSYS Fluent. Kết quả khẳng định việc tăng số Reynolds và chiều cao vách giúp tăng cường đáng kể khả năng làm mát (số Nusselt đạt cực đại 267,5 tại $C/H = 0,8$ và $Re = 25.000$), song cũng kéo theo sự gia tăng tổn thất áp suất lên tới 275 lần so với kênh trơn. Công trình cung cấp luận cứ khoa học và bộ thông số thiết kế thực chứng có giá trị cho việc ứng dụng vách hướng dòng trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống làm mát bằng không khí.