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.