Nghiên cứu tính toán số sự biến dạng và phân tách của hạt lưu chất đa lớp trong vi kênh dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tính tốn số biến dạng phân tách hạt lưu chất đa lớp vi kênh dẫn VŨ VĂN HƯNG vuhung210797@gmail.com Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: 01 TS Trương Văn Thuận Chữ ký GVHD Viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 02 PGS.TS Vũ Văn Trường Chữ ký GVHD Khoa Kỹ thuật Ơ tơ Năng lượng – Trường Đại học Phenikaa HÀ NỘI, 09/2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Văn Hưng Đề tài luận văn: Nghiên cứu tính tốn số biến dạng phân tách hạt lưu chất đa lớp vi kênh dẫn Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số HV: 20202250M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………………… ………… ………………………………………………………………………………………… …………… ………………………………………………………………………………………………………… Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2021 Tác giả luận văn 01 TS Trương Văn Thuận Vũ Văn Hưng 02 PGS.TS Vũ Văn Trường CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Trần Khánh Dương ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Thông tin sinh viên Họ tên: Vũ Văn Hưng Điện thoại: 0813632268 Lớp: 20BCKĐL Email: vuhung210797@gmail.com Số hiệu: 20202250M Mục đích luận văn Mục đích đề tài nghiên cứu biến dạng tách hạt hạt đa lớp hạt di chuyển vi kênh Cụ thể, đề tài hướng tới mục tiêu sau: - Mở rộng phương pháp mô số trực tiếp phát triển (dựa hệ phương trình vi phân Navier-Stokes cho dịng Newton khơng nén được) cho biến dạng tách hạt hạt đa lớp; - Bằng tính tốn số, ảnh hưởng thơng số hình học động học tác động lên chế độ biến dạng phân tách hạt đa lớp; - Bằng tính tốn số, đề xuất hình dạng hình học kênh dẫn cho số ứng dụng cụ thể Các nhiệm vụ cụ thể luận văn - Nghiên cứu vai trị tốn đối cơng nghiệp nghiên cứu khoa học, tình hình nghiên cứu giới nước biến dạng phân tách hạt đa lớp thiết bị vi lỏng bao gồm vi kênh, số thiết bị ứng dụng khác; - Xây dựng tốn nghiên cứu tính tốn số cho biến dạng tách hạt hạt đa lớp; - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số động lực học hạt đến biến dạng phân tách hạt đa lớp; - Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng kênh dẫn đến động lực học hạt đa lớp; - Viết báo tham gia Hội nghị chuyên ngành đăng tạp chí nước quốc tế Lời cam đoan học viên: Tôi – Vũ Văn Hưng – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Trương Văn Thuận PGS.TS Vũ Văn Trường Các kết nêu báo cáo luận án trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2021 Tác giả Vũ Văn Hưng Xác nhận giảng viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận án cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn: 01 TS Trương Văn Thuận Viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 02 PGS.TS Vũ Văn Trường Khoa Kỹ thuật Ơ tơ Năng lượng – Trường Đại học Phenikaa Nhận xét đánh giá giảng viên phản biện: Phản biện 1: Phản biện 2: Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Giảng viên phản biện Phản biện 1: Phản biện 2: TS Đinh Công Trường TS Nguyễn Duy Vinh MỤC LỤC ĐỀ TÀI LUẬN VĂN iv MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH VẼ x TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN xiv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nghiên cứu tổng quan hình thành chế tạo hạt lưu chất đa lớp thiết bị vi lỏng 1.2 Nghiên cứu tổng quan ứng dụng hạt lưu chất đa lớp ngành công nghiệp 1.3 Nghiên cứu tổng quan số phương pháp mô số sử dụng cho giải phương trình Navie - Stocks 1.4 1.3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn (FD) 1.3.2 Phương pháp thể tích hữu hạn (FV) 1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn (FE) 1.3.4 Những kết nghiên cứu hạt lưu chất đa lớp Đánh giá đề xuất phát triển nghiên cứu hạt lưu chất đa lớp 12 CHƯƠNG LÝ THUYẾT XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG SỐ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP FRONT - TRACKING 13 2.1 Lý thuyết xây dựng phương trình giải cho dịng chảy 13 2.1.1 Phương trình ban đầu 13 2.1.2 Mở rộng xét miền không gian 13 2.1.3 Miền tính tốn điều kiện biên 18 2.2 Xác định khối lượng riêng phương pháp Front - tracking 19 2.3 Cấu trúc mặt phân cách 22 2.3.1 Chuyển động tái cấu trúc mặt phân cách 23 2.3.2 Làm mịn tái cấu trúc hàm thị 24 2.3.3 Tính tốn sức căng bề mặt lưới 24 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Mơ hình tốn học tốn 27 3.1.1 Mơ hình tốn học 27 3.1.2 Các đại lượng không thứ nguyên 28 3.2 Sự biến dạng phân tách hạt đa lớp vi kênh dẫn 30 3.2.1 Chế độ biến dạng hạt đa lớp 30 3.2.2 Chế độ phân tách hạt đa lớp 31 3.2.3 Chỉ số sử dụng để đánh giá biến dạng hạt lưu chất 32 3.3 Ảnh hưởng thông số động lực học đến biến dạng phân tách hạt đa lớp 33 3.3.1 Ảnh hưởng số mao dẫn Ca 33 3.3.2 Ảnh hưởng số Reynolds Re 34 3.3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ sức căng bề mặt 35 3.4 Ảnh hưởng kích thước hạt đến biến dạng phân tách hạt lưu chất đa lớp 37 3.4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ bán kính hạt 37 3.4.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tương đối 38 3.5 Ảnh hưởng hình dạng vi kênh dẫn đến biến dạng phân tách hạt đa lớp 39 3.6 3.5.1 Ảnh hưởng tỷ số bán kính kênh thứ cấp sơ cấp 39 3.5.2 Ảnh hưởng tỷ số khe hở bán kính kênh sơ cấp40 3.5.3 Ảnh hưởng góc hình nón 41 Mở rộng ứng dụng phương pháp 43 3.6.1 Động lực học hạt lưu chất đa lớp vi kênh khuếch tán 43 3.6.2 Sự tách hạt sợi chất lỏng đa lớp 47 CHƯƠNG KẾT LUẬN 49 4.1 Kết luận 49 4.2 Hướng phát triển đề tài nghiên cứu tương lai 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu Ca Số mao dẫn CV Thể tích khối chất lỏng khảo sát C1 Kích thước khe hở hai kênh C1/R0 C2 C2/R0 Tỷ số kích thước khe hở bán kính kênh sơ cấp Bán kính kênh thứ cấp Tỷ số bán kính kênh thứ cấp kênh sơ cấp D Chỉ số biến dạng e Chỉ số lệch tâm f Mặt phân cách FD Phương pháp sai phân hữu hạn FE Phương pháp phần tử hữu hạn FV Phương pháp thể tích hữu hạn H Chiều rộng miền tính tốn H0 Vị trí ban đầu hạt Ii Hàm thị biên bên Io Hàm thị biên bên ngồi l chiều dài vùng hình nón kênh sơ cấp L0 Chiều dài vùng kênh tròn thẳng nf Véc tơ pháp tuyến qua mặt phân cách p Áp suất Re Số Reynolds R0, R1, R2 Bán kính kênh sơ cấp, bán kính hạt lưu chất bên ngoài, bên R1/R0 Tỷ số bán kính hạt bên ngồi với bán kính kênh sơ cấp R2/R1 Tỷ số bán kính hạt bên bên r Tọa độ hướng tâm rmax Tọa độ hướng tâm rộng hạt bên t Thời gian  Thời gian không thứ nguyên Uave Vận tốc trung bình dịng vào Vmax Vận tốc lớn dòng chảy ngang Vmax/Uave Tỷ số vận tốc dòng chảy Vn Vận tốc điểm biên VOF Phương pháp thể tích chất lỏng W Chiều rộng miền tính tốn z Tọa độ hướng trục zdcen, zicen Tọa độ trục tâm hạt bên ngồi hạt bên zmax, zmin α µ1, µ2 µ21 1, 2, 3 Tọa độ trục điểm xa nhất, gần hạt bên ngồi Góc hình nón Độ nhớt động học lưu chất bên bên Tỷ số độ nhớt lưu chất bên bên Khối lượng riêng lưu chất bên ngoài, lưu chất giữa, lưu chất bên 21 Tỷ lệ khối lượng riêng lưu chất lưu chất bên 31 Tỷ lệ khối lượng riêng lưu chất bên bên 1, 2 21 Hệ số sức căng bề mặt hạt bên hạt bên Tỷ số hệ số sức căng bề mặt hạt bên bên ngồi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các loại hạt lưu chất đa lớp [1] Hình 1.2 Sự hình thành hạt lưu chất đơn lớp [2] Hình 1.3 Các thiết bị vi kênh lỏng [3] Hình 1.4 Các thiết bị vi kênh lỏng [4] Hình 1.5 Mơ hình kết nghiên cứu mô Li cộng [5] Hình 1.6 Mơ hình kết nghiên cứu mô Borthakul cộng [6] Hình 1.7 Mơ hình kết nghiên cứu Zhou cộng [7] 10 Hình 1.8 Mơ hình dịng chảy qua ống co thắt nghiên cứu Tsai Miksis [8] 10 Hình 1.9 Các hình dạng ống cong nghiên cứu Sun [9] 11 Hình 1.10 Mơ hình nghiên cứu biến dạng phân tách hạt lưu chất đa lớp dòng chảy cắt [10] 11 Hình 1.11 Miền tính tốn mơ hình nghiên cứu Nguyễn cộng [11] 12 Hình 2.1 Lưới cấu trúc thông thường 14 Hình 2.2 Bố trí lưới sole 15 Hình 2.3 Lưới vận tốc theo phương ngang phương thẳng đứng 15 Hình 2.4 Ký hiệu sử dụng cho lưới MAC so le tiêu chuẩn 18 Hình 2.5 Một thể tích chất lỏng khảo sát bên cạnh ranh giới nơi biết vận tốc 19 Hình 2.6 Biên bề mặt đánh dấu bề mặt xen hai chất lỏng 21 Hình 2.7 Các trọng số phương trình (2.34) dạng phân số diện tích 22 Hình 2.8 Thêm nút 23 Hình 2.9 Cấu trúc mặt phân cách pha 23 Hình 2.10 Loại bỏ thành phần 25 Hình 3.1 Miền tính tốn cho hạt lưu chất thiết bị vi kênh 27 Hình 3.2 Nghiên cứu hội tụ lưới hạt lưu chất di chuyển qua thiết bị vi kênh 29 Hình 3.3 Xác nhận phương pháp thông qua so sánh kết theo Tsai cộng [8](a) với kết nghiên cứu (b) 29 Hình 3.4 Hai chế độ biến dạng hạt lưu chất di chuyển qua kênh 30 Hình 3.5 Hai chế độ phân tách hạt lưu chất đa lớp qua vi kênh 32 Hình 3.6 Kí hiệu hình học để xác định số biến dạng D số lệch tâm e hạt lưu chất 33 Hình 3.7 (a) Sự thay đổi Ca số biến dạng D số lệch tâm e (b) Sự thay đổi Ca thể tích hạt đơn phân tách 33 Hình 3.10 Ảnh hưởng tỷ số bán kính R2/R1 đến độ biến dạng phân tách hạt lưu chất (a) So sánh hình dạng hạt cho R2/R1 = 0.30 0.55 thời điểm khác (từ xuống dưới): τ = 0.25, 3.60 5.20 với Ca = 0.005 (b) Hình dạng hạt phân tách qua kênh cho R2/R1 = 0.30 0.80 với Ca = 0.02, (c) Sự thay đổi R2/R1 số biến dạng số lệch tâm (d) Sự biến thiên R2/R1 tổng thể tích hạt đơn phân tách 3.4 Ảnh hưởng kích thước hạt đến biến dạng phân tách hạt lưu chất đa lớp 3.4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ bán kính hạt Hình 3.10 mơ tả kết chế độ khơng phân tách (ví dụ: Ca = 0.005) chế độ phân tách (ví dụ: Ca = 0.02) ảnh hưởng R2/R1 khác khoảng 0.3 – 0.8 Các tham số khác cho Hình 3.10 bao gồm R1/R0 = 0.9, C1/R0 = C2/R0 = 1.0, α = 10o σ21 = 1.0 Đối với giá trị nhỏ Ca, ví dụ, Ca = 0.005, số biến dạng D hạt lưu chất không thay đổi nhiều hạt nằm lối vào vùng hình nón Khi đó, qua hình nón, số biến dạng D dốc lên đạt giá trị cực đại Với hạt lớn bên (ví dụ, R2/R1 = 0.55, Hình 3.10a), hạt lưu chất có giá trị lớn số biến dạng D vào khoảng  = 3.0 (Hình 3.10c) Giảm giá trị R2/R1 xuống, ví dụ: 0.3 (R2/R1 = 0.3, Hình 3.10a), D nhận giá trị cao gần lúc Giảm kích thước hạt bên tương ứng với giảm lực cản bên làm giảm biến dạng hạt bên ngồi giá trị lớn số biến dạng D giảm giảm R2/R1 Tuy nhiên, mức giảm D 37 khơng nhiều, Hình 3.10c Khơng giống số biến dạng, thay đổi kích thước hạt bên có tác động nhiều đến độ lệch tâm Các hạt bên lớn dẫn đến số độ lệch tâm e thấp Điều giải thích Khi kích thước hạt bên tăng lên, thể tích chất lỏng vỏ giảm làm cho hạt bên di chuyển phía trước Đối với Ca = 0.02, hạt lưu chất hai tỷ lệ R2/R1 = 0.3 0.8 thực chế độ phân tách chúng di chuyển qua kênh, ví dụ Hình 3.10b Thể tích hạt đơn tách khỏi hạt lưu chất thay đổi theo giá trị R2/R1, Hình 3.10d Như Hình 3.10b, hạt đơn R2/R1 = 0.3 lớn hạt R2/R1 = 0.8 Điều giá trị R2/R1 tăng lên, tổng thể tích hạt đơn tách giảm Tuy nhiên, giảm thể tích hạt tách với gia tăng R2/R1 thể rõ ràng kích thước hạt bên đủ lớn, tức R2/R1 > 0.5 (Hình 3.10d) 3.4.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tương đối Hình 3.11a cho thấy độ biến dạng hạt có R1/R0 = 0.2 (tức hạt nhỏ) so với biến dạng hạt khác với R1/R0 = 0.8 (tức hạt lớn) Các thông số khác bao gồm Ca = 0.01, R2/R1 = 0.5, C1/R0 = C2/R0 = 1.0, α = 10o σ21 = 1.0 Ta thấy hạt nhỏ lớn trải qua biến dạng chúng qua vòi phun Tuy nhiên, mức độ biến dạng hạt nhỏ đến lớn khác Các hạt lớn chịu nhiều lực cản bị biến dạng nhiều so với hạt nhỏ Đối với hạt có kích thước nhỏ, cấu trúc kênh ảnh hưởng đến hình dạng hạt Kết thu phù hợp với mô số xem xét vi kênh hình trụ thẳng Hình 3.11 Ảnh hưởng kích thước hạt lưu chất R1/R0 (a) So sánh hình dạng hạt cho R1/R0 = 0.2 0.8 vị trí khác (b) Sự thay đổi R1/R0 số biến dạng số lệch tâm Các thông số khác hiển thị văn 38 3.5 Ảnh hưởng hình dạng vi kênh dẫn đến biến dạng phân tách hạt đa lớp 3.5.1 Ảnh hưởng tỷ số bán kính kênh thứ cấp sơ cấp Hình 3.12a so sánh hình dạng hạt thiết bị kênh cho hai kích thước kênh thứ cấp C2/R0 = 0.8 (dưới) 1.8 (trên) Các thông số khác Ca = 0.32, R1/R0 = 0.9, C1/R0 = 1.0, α = 10o, R2/R1 = 0.5 σ21 = 1.0 Ta thấy kích thước kênh thứ cấp có ảnh hưởng lớn đến số biến dạng D số lệch tâm e hạt lưu chất qua thiết bị vi kênh, Hình 3.12c Kênh thứ cấp có đường kính nhỏ dẫn đến hạt lưu chất kéo dài Theo đó, việc tăng giá trị C2/R0 từ 0.8 lên 1.8 dẫn đến giảm số biến dạng D hạt bên ngồi, thể Hình 3.12c Điều hiểu đường kính kênh thứ cấp giảm, tốc độ dòng chất lỏng vùng lớn làm cho hạt bị kéo căng Kết biến dạng nhiều hạt di chuyển kênh thứ cấp có kích thước nhỏ hơn, độ lệch tâm hạt bên bên giảm C2/R0 tăng lên, thể Hình 3.12c Hình 3.12 Ảnh hưởng tỷ số bán kính kênh thứ cấp kênh sơ cấp C2/R0 (a) So sánh hình dạng hạt cho C2/R0= 1.8 0.8 thời điểm khác (từ xuống dưới): τ = 1.00, 2.00 2.65 với Ca = 0.32 (b) Hình dạng hạt lưu chất trình phân tách qua thiết bị kênh cho C2/R0 = 0.4 1.0 với Ca = 0.04 (c) Sự biến thiên C2/R0 số biến dạng số lệch tâm với Ca = 0.32 (d) Sự biến thiên C2/R0 tổng thể tích hạt đơn phân tách với Ca = 0.04 39 Trong chế độ phân tách, thay đổi giá trị C2/R0 ảnh hưởng đến phân tách biến dạng hạt lưu chất, minh họa Hình 3.12b d Các tham số R1/R0 = 0.9, α = 10o, R2/R1 = 0.5, C1/R0 = 1.0, σ21 = 1.0 C2/R0 dao động khoảng 0.4 – 1.0 Tăng giá trị C2/R0 từ 0.4 đến 1.0 làm tăng tổng thể tích hạt đơn tách khỏi hạt lưu chất Sự gia tăng thay đổi vị trí điểm phân tách Nghĩa là, giá trị C2/R0