Luận văn Thạc sỹ: Sự tương tác của các hạt lưu chất trong quá trình hóa rắn

Nghiên cứu chi tiết về sự tương tác của các hạt lưu chất trong quá trình hóa rắn, phân tích các yếu tố ảnh hưởng và kết quả mô phỏng thực nghiệm.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Hiệp
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Văn Trường
• Trường học: Trường Đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Sự Tương Tác Của Các Hạt Lưu Chất Trong Quá Trình Hóa Rắn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Tương Tác Hạt Lưu Chất Trong Quá Trình Hóa Rắn

Tương tác hạt lưu chất là một hiện tượng vật lý quan trọng xảy ra khi các hạt chất lỏng tiếp xúc với bề mặt lạnh và trải qua quá trình hóa rắn. Trong nghiên cứu này, chúng ta tập trung vào sự tương tác giữa hai hạt lưu chất có mặt khí bên trong, tạo thành cấu trúc ba pha: rắn-lỏng-khí. Hiện tượng này có ý nghĩa lớn trong công nghiệp, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến hệ thống làm lạnh, đóng băng và bảo vệ bề mặt. Khi hai hạt lưu chất gần nhau trên bề mặt lạnh, chúng không chỉ đơn thuần hóa rắn độc lập mà còn tương tác với nhau thông qua các lực cơ học, nhiệt động lực học và động lực chất lỏng. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế tương tác này giúp tối ưu hóa các quy trình công nghiệp và cải thiện hiệu suất các hệ thống ứng dụng.

1.1. Định Nghĩa và Tầm Quan Trọng

Hóa rắn là quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn dưới tác động của nhiệt độ thấp. Trong bối cảnh tương tác hạt lưu chất, quá trình này phức tạp hơn do sự hiện diện của lõi khí bên trong hạt. Những lõi khí này có thể sát nhập với nhau hoặc phân tách tùy thuộc vào điều kiện động lực và nhiệt của hạt. Tầm quan trọng của nghiên cứu nằm ở việc hiểu rõ cơ chế này giúp cải thiện chất lượng sản phẩm.

1.2. Các Pha Và Cấu Trúc Hình Học

Cấu trúc hình học của hạt lưu chất bao gồm ba pha: pha rắn (vỏ đông lạnh), pha lỏng (chất lỏng chưa đông), và pha khí (lõi khí bên trong). Mô hình tính toán sử dụng miền tính toán đối xứng trục để mô phỏng quá trình hóa rắn của hai hạt chất lỏng. Sự thay đổi về vị trí và hình dáng của mặt phân cách rắn-lỏng quyết định toàn bộ đặc tính của sản phẩm cuối cùng.

II. Phương Pháp Nghiên Cứu Và Mô Phỏng Số

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp theo dấu biên (level set method) để mô phỏng chuyển động của mặt phân cách giữa các pha. Phương pháp này cho phép theo dõi chính xác sự thay đổi hình dạng của hạt lưu chất trong suốt quá trình hóa rắn. Các phương trình cơ bản bao gồm phương trình Navier-Stokes cho động lực chất lỏng, phương trình truyền nhiệt, và điều kiện biên tại mặt phân cách. Để đảm bảo độ chính xác, nghiên cứu sử dụng lưới so le (staggered grid) và làm mịn lưới tại biên (mesh refinement). Quá trình tính toán được thực hiện bằng phương pháp rời rạc thời gian với điều kiện ổn định được kiểm chứng thông qua các bài toán chuẩn.

2.1. Phương Pháp Theo Dấu Biên Và Cấu Trúc Lưới

Phương pháp theo dấu biên là một kỹ thuật số mạnh mẽ để theo dõi mặt phân cách chuyển động. Lưới được xây dựng dưới dạng lưới so le với các thành phần áp suất và vận tốc được sắp xếp tại các vị trí khác nhau. Phương pháp làm mịn lưới được áp dụng để cải thiện độ phân giải tại các vùng quan trọng, đặc biệt là ở biên chuyển pha.

2.2. Các Điều Kiện Biên Và Cân Bằng Nhiệt

Điều kiện biên được thiết lập tại mặt phân cách rắn-lỏng dựa trên cân bằng năng lượng. Sức căng bề mặt được tính toán để xác định áp suất Laplace tại biên. Cân bằng nhiệt được duy trì thông qua điều kiện Stefan, nơi tỷ lệ tăng thể tích pha rắn phụ thuộc vào dòng nhiệt qua biên chuyển pha.

III. Ảnh Hưởng Của Các Tham Số Không Thứ Nguyên

Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của bốn tham số không thứ nguyên chính đến quá trình hóa rắn: số Stefan (St), số Peclet (Pe), số Weber (We), và tỷ số bán kính 𝑅𝑖𝑠/𝑅𝑠. Số Stefan đại diện cho tỷ lệ năng lượng cảm giác so với năng lượng tiềm ẩn, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hóa rắn. Số Peclet thể hiện tỷ lệ giữa đối lưu và dẫn nhiệt, xác định hình dạng biên chuyển pha. Số Weber mô tả tỷ lệ giữa lực quán tính và sức căng bề mặt, ảnh hưởng đến ổn định hình dáng hạt. Tỷ số 𝑅𝑖𝑠/𝑅𝑠 xác định kích thước lõi khí so với hạt, quyết định cách thức sát nhập của các lõi khí trong quá trình hóa rắn.

3.1. Ảnh Hưởng Của Số Stefan Và Số Peclet

Số Stefan cao chỉ ra tốc độ hóa rắn nhanh với biên chuyển pha gần như phẳng. Khi số Stefan thấp, quá trình hóa rắn chậm hơn và tạo ra hình dạng biên khác. Số Peclet lớn cho thấy đối lưu chi phối, tạo ra biên chuyển pha không đối xứng. Các tham số này tương tác phức tạp, tạo ra các hình dáng hạt đa dạng.

3.2. Ảnh Hưởng Của Số Weber Và Tỷ Số Bán Kính

Số Weber ảnh hưởng mạnh đến sự biến dạng của hạt lưu chất. Khi We tăng, hạt có xu hướng biến dạng hơn do lực quán tính. Tỷ số 𝑅𝑖𝑠/𝑅𝑠 quyết định xem các lõi khí có sát nhập hay không, từ đó tạo ra các cột hóa rắn với cấu trúc lõi khí khác nhau.

IV. Kết Quả Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Các kết quả mô phỏng cho thấy tương tác hạt lưu chất tạo ra các cấu trúc cuối cùng phức tạp, khác biệt so với hóa rắn độc lập của từng hạt. Thời gian hóa rắn toàn bộ phụ thuộc vào sự kết hợp của tất cả các tham số, với những hạt có lõi khí lớn mất thời gian lâu hơn. Vị trí ban đầu của hạt thứ cấp, số lượng lõi khí, và cấu trúc hình học ban đầu đều ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Các phát hiện này có ứng dụng quan trọng trong công nghiệp thực phẩm (đông lạnh), hàng không (bảo vệ cánh máy bay), và công nghệ vật liệu. Hiểu biết sâu sắc về cơ chế tương tác cho phép tối ưu hóa quy trình để đạt chất lượng sản phẩm cao nhất.

4.1. Các Phát Hiện Chính Từ Mô Phỏng

Sát nhập lõi khí xảy ra khi các lõi khí của hai hạt gần nhau đủ, tạo thành cột hóa rắn đơn. Quá trình này được kiểm soát bởi động lực chất lỏng và trường nhiệt độ. Độ cao và hình dạng cuối cùng của cột hóa rắn thay đổi theo các tham số không thứ nguyên.

4.2. Ứng Dụng Công Nghiệp Và Phát Triển Tương Lai

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để cải thiện công nghệ đông lạnh trong thực phẩm, bảo vệ máy bay khỏi hiện tượng hóa rắn, và phát triển vật liệu composite. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nghiên cứu với nhiều hạt hơn, các hình dạng ban đầu khác nhau, và các điều kiện luồng phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài Sự hình thành của băng đá trên các bề mặt cánh máy bay gây ảnh hưởng rất lớn đến các đặc tính khí động của chúng. Chỉ cần một lượng rất nhỏ của pha rắn bám lên cánh máy bay cũng có thể gây nên sự tổn thất hiệu suất rất đáng kể. Ngoài ra, việc đóng băng của nước xuất hiện trên cánh cũng gây ra những nguy hại về tính ổn định của máy bay, gây nguy hiểm cho các chuyến bay.

Ví dụ như chuyến bay tại Cleveland, Ohio vào 17 tháng 2 năm 1991, sự cố xảy ra khi phi hành đoàn không kiểm tra bên ngoài hoặc khử băng máy bay. Ngay sau khi cất cánh, máy bay bị mất ổn định và lao xuống đất. Báo cáo của NTSB đưa ra giả thuyết rằng hệ thống chống đóng băng đã được sử dụng trên đường bay và tuyết rơi đã tan chảy và đông lại trong khi máy bay ở trên mặt đất và hệ thống chống đóng băng tự động được kích hoạt. Báo cáo cũng nêu rõ, "Theo nhà sản xuất, sự nhiễm bẩn bề mặt trên của cánh chỉ dày 0,014 inch (khoảng bằng độ nhám của giấy nhám 80g), có thể làm mất 25% lực nâng của cánh”[1].

Do đó, bài toán chuyển pha của chất lỏng đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm của giới nghiên cứu do vai trò quan trọng của bài toán trong nghiên cứu và công nghiệp. Dưới đây là một số hình ảnh về tác động của sự hóa rắn trên bề mặt cánh máy bay lên đặc tính khí động của chúng. Ảnh hưởng của thời gian đóng băng đến hệ số lực cản[1]. 6 Hình 1-1 cho thấy sự ảnh hưởng của thời gian đóng băng đến hệ số lực cản.

Dưới sự kết tinh của băng đá đã làm thay đổi biên dạng của cảnh máy bay, vốn đã vô cùng nhạy cảm với các tham số khí động của máy bay và đã được tính toán kỹ lưỡng và chính xác. Do đó, chỉ cần một sự thay đổi rất nhỏ đến biên dạng cánh đã tác động rất lớn đến đặc tính khí động của máy bay. Trong Hình 1-1, chỉ sau 20 phút, lực cản của máy bay đã tăng lên gấp 4 lần, tác động nghiêm trọng đến khả năng hoạt động của máy bay[2]. Tương tự, sự thay đổi biên dạng cũng ảnh hưởng tiêu cực đến hệ số lực nâng của máy bay, như được thể hiện trong Hình 1-2.

Trong 20 phút, lực nâng của máy bay đã giảm đi một nửa. Khi lực nâng bị giảm, để duy trì độ cao với tải trọng không đổi, phi công buộc phải tăng góc tấn cho máy bay. Khi tăng đến một góc tấn nhất định, lực nâng sẽ không còn tăng nữa mà bắt đầu giảm dần. Góc tấn này được gọi là góc thất tốc.

Đối với cánh máy đã bị đóng băng, góc thất tốc của cánh cũng bị giảm theo tương ứng, như được chỉ ra trong Hình 1-3. Hai nguyên nhân này tác động đồng thời khiến lực nâng giảm nghiêm trọng, vô cùng nguy hiểm cho chuyến may. Ảnh hưởng của thời gian đóng băng đến hệ số lực nâng tối đa[1]. Ảnh hưởng của thời gian đóng băng đến góc thất tốc[1].

Tuy nhiên, trước khi xảy ra các ảnh hưởng đến hiệu suất của máy bay do giảm lực cản và tăng lực nâng trở nên rõ rệt, hiện tượng đóng băng trên cánh máy bay sẽ làm dòng khí trên cánh tách dòng sớm, dẫn đến sự mất ổn định cho máy bay. Hiện tượng tách dòng sớm trên cánh máy bay khi đóng băng[2]. Định hướng và mục tiêu nghiên cứu Với mục tiêu đánh giá được tác động của quá trình hình thành băng đá trên cánh máy bay, đặc biệt là tại phần đầu của dây cung cánh, nơi có số Reynolds Rex nhỏ, ta cần hiểu rõ quá trình phát triển của pha rắn trên bề mặt lạnh, cụ thể xem xét, đánh giá quá trình hóa rắn của chất lỏng khi tương tác với hạt chất lỏng khác. Bài toán sẽ được giải quyết bằng phương pháp số nhằm đưa ra một mô hình mô phỏng sát với thực tế, giúp chúng ta hiểu được quá trình hóa rắn của chất lỏng.

Sau đó phát triển các mô hình tổng quát ứng dụng cho bài toán công nghiệp một cách hiệu quả và chính xác. Mục đích nghiên cứu của luận văn sẽ đi sâu vào các mục tiêu cụ thể như sau: - Mở rộng phương pháp mô phỏng số đã được phát triển trong các nghiên cứu trước - Bằng tính toán số, chỉ ra ảnh hưởng của vận tốc hạt đến sự phát triển của quá trình hóa rắn - Bằng tính toán số, cho thấy được ảnh hưởng và vai trò của tương tác giữa các hạt lưu chất trong quá trình chuyển pha. TỔNG QUAN VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 1. Hiện tượng hóa rắn trong tự nhiên và công nghiệp Trong tự nhiên, hiện tượng hóa rắn xuất hiện rất nhiều trong các môi trường nhiệt độ thấp.

Ví dụ điển hình trong khí động học hàng không, khi máy bay bay với độ cao lớn, …Trong công nghiệp, ứng dụng của quá trình hóa rắn tham gia vào nhiều lĩnh vực, điển hình trong số đó là các ngành công nghiệp vật liệu, in 3D, điều hòa, … Trong tự nhiên, một số trường hợp hóa rắn sẽ gây ra nhiều tác hại, ảnh hưởng đến hiệu suất, độ an toàn của máy móc. Ví dụ, việc chất lỏng hóa rắn trên bề mặt có biên dạng khí động sẽ làm thay đổi khí động học, làm quá trình chuyển hóa từ dòng chảy tầng sang chảy rối, gây nên nhiễu động học và gây ra tiếng ồn, đặc biệt đối với các loại máy móc làm việc với vận tốc lớn. Ngoài ra, với một số trường hợp máy cánh quay, khi xuất hiện băng đá trên cánh, có thể gây nên sự mất cân bằng động, khiến máy rung lắc và ảnh hưởng đến tuổi thọ, thậm chí gây ra những sự cố phá hủy không mong muốn[3]. Hiện tượng hóa rắn của các hạt chất lỏng được ứng dụng để chế tạo những tấm năng lượng mặt trời theo định hướng công nghiệp, sản xuất hàng loạt để dùng phổ biến nguồn năng lượng này hơn.

Việc hóa rắn của các hạt chất lỏng bán dẫn được xem là tiềm năng để sản xuất đại trà nguồn năng lượng này với mức phí rẻ hơn, hiệu quả hơn. Ngoài để sản xuất các tấm pin mặt trời ra thì hiện tượng hóa rắn của hạt chất lỏng còn ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp khác và khá tiềm năng để khai phá ứng dụng thêm trong nhiều ngành công nghiệp. Một ví dụ khác như việc làm sạch các hạt bụi trong quá trình sản xuất công nghiệp và tái sử dụng chúng, vừa tiết kiệm lại không gây ảnh hưởng xấu tới môi trường. Trong sản xuất, chế tạo công nghiệp các hạt bụi nhỏ sinh ra trong quá trình gia công chế tạo sẽ bay lẫn vào trong không khí.

Con người làm việc trong môi trường này sẽ suy giảm về sức khỏe. Do vậy một giải pháp được đưa ra đó là phun những hạt nước li ti vào không khí, các hạt nước này sẽ theo không khí và gặp hạt bụi rồi rơi xuống một bề mặt lạnh đã được chuẩn bị sẵn làm hạt hóa rắn. Để tái sử dụng, ta chỉ cần làm nước bay hơi hoặc hóa lỏng sản phẩm đã hóa rắn. Có thể nói rằng, quá trình hóa rắn hiện nay có thể thấy trong cuộc sống hàng ngày, tuy nhiên, sự hiểu biết đầy đủ về quá trình này vẫn còn nhiều hạn chế và đang được giới nghiên cứu trên thế giới quan tâm sâu sắc.

Tình hình nghiên cứu Bài toán chuyển pha (hóa rắn) của hạt chất lỏng (ví dụ như trên Hình 2-1) với sự tồn tại của ba pha rắn – lỏng – khí đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của giới nghiên cứu do vai trò quan trọng của bài toán trong nghiên cứu và công nghiệp, ví dụ tinh chế vật liệu, in 3D, phun bụi kim loại, công nghiệp đông lạnh, điều hòa không khí, hàng không, v.v… Bài toán bao gồm sự phát triển theo thời gian của các biên phân cách giữa các pha (biên rắn–lỏng hay còn gọi là biên hóa rắn/chuyển pha, biên lỏng–khí, và biên rắn–khí). Các pha gặp nhau tại đường chập ba pha[4]. Sự phát triển của biên hóa rắn và đường chập ba pha quyết định đến hình dạng của sản phẩm hóa rắn. Ngoài ra, trong các ứng dụng trên, các hạt chất lỏng thường tương tác với nhau trong quá trình hóa rắn.

Vì vậy, việc nghiên cứu sự tương tác của các hạt chất lỏng trong quá trình chuyển pha có vai trò quan trọng. Đối với sự hóa rắn của một hạt chất lỏng trên một bề mặt, về lý thuyết, một mô hình lý thuyết được đơn giản hóa cho hạt chất lỏng hóa rắn trên một bề mặt phẳng lạnh đã được đề xuất và nghiên cứu [5]. Về mặt thí nghiệm, Anderson và cộng sự [6] đã thí nghiệm sự hóa rắn của một hạt nước, mà ở đó có sự giãn nở thể tích trong quá trình hóa rắn (do khối lượng riêng của nước đá, dạng rắn của nước, nhỏ hơn khối lượng riêng của nước) để kiểm tra các điều kiện động học tại đường chập ba pha. Hu và Jin [7] sử dụng kỹ thuật nhiệt biểu học phân tử để cho thấy được quá trình truyền nhiệt và chuyển pha của hạt nước.

Huang và cộng sự [8] đã nghiên cứu bài toán này với nhiều góc tiếp xúc khác nhau tại bề mặt lạnh. Các tác giả chỉ ra rằng, tăng giá trị của góc tiếp xúc tại bề mặt sẽ làm tăng thời gian hóa rắn. Trong các bài toán này tồn tại sự thay đổi thể tích và đối lưu tự nhiên, và sản phẩm của quá trình hóa rắn có dạng côn tại đỉnh. Trong một bài toán khác, ví dụ như phun bụi kim loại, hạt chất lỏng trải qua quá trình hóa rắn khi đang rơi tự do, và khi đó quá trình hóa rắn sẽ chịu tác động của đối lưu cưỡng bức [9]–[11].

Các nghiên cứu mô phỏng số trực tiếp sự hóa rắn của một hạt chất lỏng cũng đã được thực hiện. Phương pháp tích phân biên đã được sử dụng bởi Schultz và cộng sự [12] để nghiên cứu hạt chất lỏng hóa rắn trên bề mặt lạnh, và bởi Ajaev và Davis [13] để xem xét ảnh hưởng của sự khác nhau về khối lượng riêng và các góc tiếp xúc tại đường chập ba pha đến quá trình hóa rắn của hạt chất lỏng dạng cầu khi đặt trong không gian. Trong các nghiên cứu này, trọng lực không được xét đến. Virozub và cộng sự [14] đã kể đến ảnh hưởng của trọng lực và sức căng bề mặt trong bài toán hóa rắn của hạt chất lỏng trên bề mặt lạnh.

Trong một nghiên cứu khác [15] , phương trình dẫn nhiệt dựa trên entanpi được giải để cho thấy sự truyền nhiệt trong quá trình hóa rắn.