MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HÓA THEO NHIỆT ĐỘ CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT THIẾT KẾ THEO BIÊN DẠNG THÂN CÂY BÔNG SÚNG

Tên của đề tài: Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo biên dạng thân cây bông súng. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu được trường nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt thiết kế theo kích thước và biên dạng của than cây bông súng.

TỔNG QUAN

Giới thiệu về CNC

Gia công CNC là một phương pháp gia công cơ khí hiện đại, sử dụng máy móc điều khiển bằng máy tính (CNC) để đảm bảo độ chính xác cao và tốc độ làm việc nhanh chóng.

CNC (điều khiển số bằng máy tính) là công nghệ sử dụng máy tính để điều khiển máy gia công kim loại, thông qua các chương trình được viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G Công nghệ CNC đã được phát triển vào cuối thập niên 1940 và đầu thập niên 1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của Viện Công nghệ Massachusetts.

Gia công CNC là quá trình loại bỏ vật liệu từ khối rắn để tạo ra các chi tiết theo mô hình CAD Phương pháp này cho phép sản xuất các bộ phận với độ chính xác cao và tính chất vật liệu vượt trội, đồng thời đảm bảo độ lặp lại tốt Điều này giúp tối ưu hóa chi phí cho việc sản xuất các chi tiết với số lượng thấp đến trung bình, lên đến 1000 sản phẩm.

Có nhiều phương pháp gia công CNC khác nhau, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào loại sản phẩm cần gia công Các phương pháp này bao gồm phay, tiện, khoan, mài, cắt bánh răng, bào, chuốt, cưa, plasma và laser.

1.1.2 Vật liệu gia công CNC

Có rất nhiều vật liệu dùng để gia công CNC, trong đó có 4 loại vật liệu chính là kim loại, hơp kim, nhựa và gỗ

Kim loại thường như sắt và nhôm được sử dụng để sản xuất các chi tiết máy và linh kiện xe, trong khi kim loại màu như đồng, chì, kẽm và thiếc phục vụ cho việc chế tạo sản phẩm trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, dân dụng và thiết kế.

Inox, một hợp kim của sắt với ít nhất 10,5% crom, là vật liệu gia công cơ khí rất phổ biến.

Thép có độ bền và độ cứng cao, đặc biệt khi được mạ kẽm, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn Ngoài ra, thép có thể được gia công bằng các công nghệ hiện đại như cắt bằng máy Oxy-Gas CNC và máy Plasma CNC, tạo ra những chi tiết chính xác cho các công trình.

Gang, hợp kim của sắt và cacbon, sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như khả năng dễ dàng đúc khuôn và chịu lực tốt Qua quá trình gia công, gang có thể được chế tạo thành các chi tiết máy, bánh răng, bánh đà và trục cán, mang lại hiệu quả cao trong ứng dụng công nghiệp.

Hợp kim của nhôm có thể cắt bằng máy Plasma CNC, máy Laser CNC… để tạo ra nhiều sản phẩm ứng dụng cho cuộc sống

Hợp kim của đồng như đồng thau, đồng đen, đồng đỏ… dễ dàng dát mỏng, cắt và uốn lượn để tạo kiểu

Vật liệu nhựa như Composite, bao gồm Composite cốt hạt và Composite cốt sợi, có khả năng gia công chính xác, giúp tạo ra vỏ tàu biển, chi tiết máy và tuabin.

Vật liệu gỗ là lựa chọn lý tưởng cho gia công bằng máy CNC nhờ vào đặc tính nhẹ, chắc chắn và khả năng chịu lực tốt Quá trình này mang lại thành phẩm với vẻ đẹp nổi bật và đường cắt mịn màng.

1.1.3 Phương pháp gia công CNC

Phay CNC là một trong những công nghệ gia công phổ biến nhất hiện nay, sử dụng dao cắt quay để thực hiện quá trình cắt gọt vật liệu Các chi tiết kim loại được hình thành thông qua nhiều lưỡi dao hoạt động đồng thời với hai chuyển động chính: dao phay quay tròn và chuyển động tịnh tiến theo ba phương khác nhau.

Có các loại máy phay CNC 2 trục đến 5 trục

Máy phay CNC có khả năng cắt gọt đa dạng vật liệu như sắt, thép, inox, nhôm và titan Thiết bị này được sử dụng để gia công các mặt phẳng phức tạp, bề mặt cong, cùng với các bộ phận vỏ như ổ đĩa, khuôn, thanh nối, lưỡi cắt, vỏ máy và linh kiện máy.

Máy tiện CNC là thiết bị quan trọng trong việc gia công các bề mặt quay phức tạp như hyperboloid, xi lanh tuyến tính và xi lanh nghiêng Với khả năng tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng từ đơn giản đến phức tạp, máy tiện CNC được sử dụng để chế tạo chi tiết máy, hình khối, cắt bánh răng, vát cạnh và vê góc lượn.

1.1.3.3 Gia công khoan CNC Đây là quá trình gia công sử dụng lưỡi khoan để khoan lỗ trên bề mặt kim loại, vật liệu Mũi khoan có độ chính xác cao, thực hiện liên tục và giảm thời gian thi công Mũi khoan có độ sâu khác nhau theo các chương trình được thiết kế sẵn

Công nghệ khoan CNC với độ chính xác cao được sử dụng để tạo ra các lỗ trên bề mặt khối sản phẩm theo đúng yêu cầu sản xuất [4]

Công nghệ CNC được ứng dụng để mài phẳng bề mặt các loại vật liệu, đặc biệt là những vật liệu cứng như thép cứng, hợp kim cứng và các vật liệu giòn như thủy tinh, đá granite Máy CNC không chỉ giúp làm nhẵn mịn và mài mòn bề mặt mà còn loại bỏ các chất thừa bám, mang lại bề mặt bóng đẹp và hoàn thiện.

1.1.3.5 Gia công cắt bánh răng CNC

Giới thiệu về thiết kế sinh học

Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là quá trình con người mô phỏng các hình thức và hệ thống sinh học từ tự nhiên để phát triển giải pháp kỹ thuật cho nhiều lĩnh vực, bao gồm thiết kế và kiến trúc Tiềm năng ứng dụng của Phỏng Sinh học rất lớn nhờ vào sự phức tạp của cấu trúc sinh học và nhiều tính năng đa dạng, mở ra cơ hội cho các công nghệ tiên tiến như khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, và khai thác năng lượng mặt trời Thuật ngữ "thiết kế sinh học" lần đầu tiên được nhắc đến bởi các nhà vật lý sinh học Mỹ và Otto Schmitt vào những năm 1950, nhưng những ví dụ rõ ràng về Phỏng Sinh học chỉ xuất hiện vào năm 1982 Đến năm 1997, Janine Benyus đã phổ biến thuật ngữ này qua cuốn sách "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature".

Hình dáng của sinh vật đã trở thành nguồn cảm hứng mạnh mẽ cho nhiều thiết kế, vượt qua cả những cơ chế sinh học phức tạp Nhiều ứng dụng thiết kế hiện nay đã được phát triển dựa trên hình dạng của các loài sinh vật.

1.2.1 Giới thiệu cây 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 tiểu lục địa Ấn Độ, đã được lan rộng ra nhiều quốc gia khác từ thời cổ đại Trong suốt thời gian dài, cây này đã đóng vai trò quan trọng trong việc trang trí các ao, hồ và vườn hoa ở Thái Lan và Myanmar, mang lại giá trị cảnh quan lớn.

Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền

Lá Hoa Súng là lá đơn mọc cách, có hình tròn hoặc xoan với bìa răng cưa thưa Mặt dưới của lá không lông, có màu lam hoặc tím đậm, trong khi mặt trên nhẵn và xanh bóng Lá có thể xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, với gân to tròn nổi rõ ở mặt dưới Thân bông súng có tiết diện hình tròn và bên trong có ống nhỏ chạy dọc theo chiều dài của thân.

1.2.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo

Hình 1.2: Ghế Bướm thiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award

Hình 1.3: Đền hoa sen Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) - New Delhi, Ấn Độ [7]

Cá hộp, mặc dù có kích thước lớn, lại sở hữu sức cản dòng chảy thấp với hệ số cản chỉ 0,06, trong khi chim cánh cụt bơi trong nước có hệ số cản cao hơn là 0,19.

Vào năm 2005, Mercedes Benz đã phát triển Xe Bionic, lấy cảm hứng từ cấu trúc mạnh mẽ và khối lượng nhẹ của cá hộp Xe Bionic nổi bật với khả năng giảm lực cản, độ cứng cao, trọng lượng nhẹ và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với xe truyền thống.

Mặc dù thiết kế tự nhiên có vẻ hoàn hảo, nhưng không phải lúc nào nó cũng hiệu quả trong thiết kế công nghiệp Một nghiên cứu năm 2015 chỉ ra rằng hình dạng của cá nắp hòm không giúp giảm lực cản và thực tế còn làm tăng độ không ổn định, lý do giải thích cho việc thiếu vắng các phương tiện có hình dạng Ôtô Bionic trên đường.

Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm [7]

Hình 1.5:Chim bói cá và tàu Shinkansen [7]

Nhật Bản nổi tiếng với hiệu suất đáng kinh ngạc của các chuyến tàu, đặc biệt là tàu cao tốc với tốc độ vượt quá 300km/h Tuy nhiên, sự xuất hiện của tàu từ các đường hầm gây ra âm thanh bùng nổ lớn do thay đổi áp suất không khí, tạo ra ô nhiễm tiếng ồn ảnh hưởng đến cư dân địa phương Điều này đã đặt ra thách thức cho các kỹ sư trong việc tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề này.

Tàu cao tốc Shinkansen đã được thiết kế với cảm hứng từ chim bói cá, loài chim nổi tiếng với khả năng di chuyển linh hoạt giữa không khí và nước mà không gây ra nhiều bọt nước Với mũi tàu hình mỏ dài giống như của chim bói cá, Shinkansen không chỉ giảm thiểu tiếng ồn mà còn tiết kiệm 15% điện năng và tăng tốc độ lên 10% so với các mẫu trước.

Một trong những ví dụ đầu tiên về thiết kế sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim nhằm phát triển máy bay Mặc dù nỗ lực này không đạt được thành công trong việc chế tạo ra một chiếc máy bay hoàn chỉnh, nhưng nó đã mở ra hướng đi mới cho ngành công nghệ hàng không.

Leonardo da Vinci (1452-1519) đã đóng góp một dấu mốc quan trọng trong lịch sử hàng không khi nghiên cứu giải phẫu học của chim và thực hiện các phác thảo dựa trên quan sát của mình về "máy bay" Những nghiên cứu này đã tạo nền tảng cho sự phát triển của ngành hàng không, dẫn đến những bước tiến quan trọng sau này, đặc biệt là từ anh em nhà Wright.

Khóa dán (khóa Velcro), một thiết kế nổi bật trong lĩnh vực thiết kế sinh học, được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941, sau khi ông nhận thấy cách mà những quả gai bám chặt vào lông chó của mình trong một chuyến đi săn ở vùng Alps Thiết kế này gồm hai dải sợi nilông, một nhám và một trơn, có khả năng dính chặt với nhau khi bị ép lại, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng, ngay cả khi sản phẩm đã cũ và sờn rách.

Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [7]

Hình 1.7: Khóa dán (khóa velcro) [7]

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

Dự án BioArch, do Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin Mohamadi từ Viện Nghệ thuật Isfahan thiết kế, áp dụng các chiến lược thiết kế sinh học để giảm thiểu tác động của ánh sáng mặt trời trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt của sa mạc Iran, nơi có nhiệt độ trung bình lên đến 43 độ C và có thể đạt tới 65 độ C Với các bề mặt cong, tòa nhà BioArch giảm thiểu bức xạ mặt trời, tạo ra các khu vực đệm và thoát nhiệt từ cát nóng, đồng thời cung cấp độ ẩm và thông gió tự nhiên hiệu quả.

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh

Môi chất là chất mang nhiệt hoặc lạnh, có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn so với chất gia công, được sử dụng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công.

Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng Các chất này có nhiệt độ khác nhau [9]

12 Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết bị, người ta quy ước:

- Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ1

- Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ2

- Dùng dấu “′” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ1 ′ ; ϕ2 ′

- Dùng dấu “″” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ1 ″ ; ϕ2 ″ Ví dụ: Cl1, t1 ', t1 '', Cl2, t2 ', t2 ''

1.3.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN

TBTĐN tiếp xúc, hay còn gọi là TBTĐN hỗn hợp, là một loại hệ thống trong đó chất gia công và môi chất tương tác trực tiếp với nhau Quá trình này không chỉ diễn ra sự trao đổi nhiệt mà còn cả trao đổi chất, dẫn đến việc hình thành một hỗn hợp Một ví dụ điển hình là bình gia nhiệt nước thông qua việc sục một dòng hơi.

TBTĐN hồi nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt có mặt quay, trong đó một mặt tiếp xúc với chất lỏng nhận nhiệt và mặt kia tỏa nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt này không ổn định và có sự dao động nhiệt trong mặt trao đổi Một ví dụ điển hình là bộ sấy không khí quay trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện.

TBTĐN vách ngăn là loại thiết bị có vách rắn ngăn cách giữa chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh, cũng như giữa hai chất lỏng truyền nhiệt Thiết bị này đảm bảo độ kín tuyệt đối, giúp cho chất gia công luôn tinh khiết, vệ sinh và an toàn Vì vậy, TBTĐN vách ngăn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công nghệ khác nhau.

TBTĐN kiểu ống nhiệt là một hệ thống truyền tải nhiệt hiệu quả, sử dụng ống nhiệt để chuyển nhiệt từ chất lỏng nóng sang chất lỏng lạnh Trong quá trình này, môi chất trong ống nhiệt hấp thụ nhiệt từ chất lỏng nóng, sau đó sôi và chuyển thành hơi bão hòa khô Hơi này tiếp tục truyền nhiệt đến chất lỏng lạnh, nơi nó ngưng tụ trở lại thành chất lỏng.

Hình 1.9: Sơ đồ khối của TBTĐN [9]

Trong ống nhiệt, môi chất trải qua quá trình sôi và ngưng tụ, tạo ra chuyển động tuần hoàn Quá trình này cho phép môi chất tải một lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 sang chất lỏng 2, sau đó quay về vùng nóng để lặp lại chu trình.

Bình gia nhiệt hỗn hợp (TBTDN Tiếp xúc), thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt (TBTDN hồi nhiệt), bình ngưng ống nước (TBTDN vách ngăn), và lò hơi ống nhiệt (TBTDN kiểu ống nhiệt) là những thiết bị quan trọng trong hệ thống nhiệt, mỗi loại đều có chức năng và ứng dụng riêng, góp phần tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và đảm bảo quá trình sản xuất hiệu quả.

1.3.2.2 Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại

TBTĐN có vách ngăn và có các sơ đồ khác nhau: a Sơ đồ song song cùng chiều, b Sơ đồ song song ngược chiều, c Sơ đồ song song đổi chiều, d Sơ đồ giao nhau 1 lần, e Sơ đồ giao nhau nhiều lần.

1.3.2.3 Phân loại TBTĐN theo thời gian

- Thường phân ra 2 loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ)

1.3.2.4 Phân loại TBTĐN theo công dụng

- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi)

- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu)

- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (Ví dụ tủ cấp đông, tủ lạnh) [9]

Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng toàn cầu là thu nhỏ kích thước thiết bị để bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng Các bộ trao đổi nhiệt lớn hiện tại chiếm nhiều diện tích nhưng có hiệu suất không cao Để tăng công suất giải nhiệt, việc tăng kích thước thiết bị không phải là giải pháp tối ưu Do đó, cần nghiên cứu phát triển bộ trao đổi nhiệt với hiệu suất truyền nhiệt cao hơn, kích thước nhỏ hơn và chi phí hợp lý.

1.4.2 Lý do chọn đề tài

Chúng tôi nhận thấy rằng chưa có nghiên cứu nào tại Việt Nam về thiết bị trao đổi nhiệt theo thiết kế sinh học Với ý tưởng ứng dụng thiết kế sinh học từ thân cây bông súng vào ống trao đổi nhiệt, chúng tôi hy vọng nâng cao hiệu suất truyền nhiệt Do đó, chúng tôi quyết định nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và mô phỏng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện.”

Để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình trao đổi nhiệt, cần tính toán kích thước phù hợp và thực hiện quy trình thu thập số liệu từ thử nghiệm thực tế Sau đó, so sánh các kết quả thu được với mô phỏng bằng phần mềm Ansys sẽ giúp đưa ra những kết luận chính xác.

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được CNC từ nhôm theo kích thước 1 phần cây bông súng

Trong đồ án này, dưới sự hướng dẫn của giáo viên, nhóm chúng em nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến thân cây bông súng trong ống trao đổi nhiệt và khả năng truyền nhiệt của nó Dựa trên thiết kế sinh học của thân cây bông súng, chúng em mong muốn mô phỏng cấu trúc này để tạo ra thiết bị trao đổi nhiệt hiệu suất cao.

Các phần mềm hỗ trợ

Một số phương tiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu:

 Phần mềm Inventor Professional 2019: Phân mềm Inventor hỗ trợ trong việc thiết kế và xây dựng mô hình 3D

Phần mềm Ansys 2014 hỗ trợ mô hình hóa các vấn đề liên quan đến dòng chảy của lưu chất, bao gồm cả lưu chất nén và không nén, cũng như các hiện tượng chảy tầng và chảy rối.

Phần mềm Minitab 19 hỗ trợ người dùng trong việc phân tích kết quả sau quá trình mô phỏng, giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến mô hình.

KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới

2.1.1 Nghiên cứu về thiết kế sinh học của thiết bị trao đổi nhiệt

Nghiên cứu này khám phá cơ sở phỏng sinh học cho các cấu trúc trao đổi nhiệt, lấy cảm hứng từ thiết kế của lá thực vật Các cấu trúc này được tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt, góp phần vào sự phát triển bền vững trong kiến trúc và kỹ thuật Thông qua việc phân tích các đặc điểm của lá, nghiên cứu cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách áp dụng các nguyên lý tự nhiên vào thiết kế nhân tạo, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Nghiên cứu từ Trường Nghệ thuật và Khoa Sinh học Myers, Trung tâm Nghiên cứu và Đổi mới Biomimicry, Đại học Akron, đã thiết kế sinh học dựa trên hình dạng lá cây sồi để nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt với môi trường Mục tiêu chính của thí nghiệm là định lượng sự khác biệt về hình dạng giữa lá che nắng và lá bóng râm của nhiều loài cây sồi thuộc giống Quercus ở Bắc Mỹ.

2.1.2 Cao ốc EASTGATE được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối

Mối thường bị coi là loài phá hoại nhà cửa, nhưng thực tế, chúng là những kỹ sư xây dựng tài ba Các đền thờ Hồi giáo tại Mali chủ yếu được thiết kế dựa trên cấu trúc tổ mối, với tường dày và hệ thống thông khí hiệu quả, giữ cho không gian luôn mát mẻ.

Ngân sách trao đổi nhiệt của thực vật và tính dị hình của lá được thể hiện qua hình ảnh lá che nắng và bóng râm từ các loài sồi khác nhau Hình 2.1 minh họa sự tương tác giữa các yếu tố này, cho thấy cách mà lá cây thích nghi với điều kiện môi trường để tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.

Mỗi tổ mối đều có kết nối với nguồn nước, cho phép không khí lạnh bên ngoài đi qua các lỗ trên mặt đất, kết hợp với nước ngầm để tạo ra lớp hơi nước làm mát xung quanh Khi không khí này tiếp xúc với bầy mối bên trong, nó sẽ nóng lên, trở nên nhẹ hơn và thoát ra ngoài Trung tâm của tổ mối có một ống thông khí kết nối với mạng lưới đường hầm phức tạp, với cấu trúc tường dạng xốp cho phép không khí lưu thông vào và ra khỏi tổ Quá trình luân chuyển không khí này giúp duy trì lượng oxy cần thiết và ổn định nhiệt độ trong tổ mối.

Cao ốc Eastgate tại Harare, do kiến trúc sư Mick Pearce và các kỹ sư Arup thiết kế, không sử dụng điều hòa không khí hay sưởi ấm thông thường, nhưng vẫn duy trì nhiệt độ ổn định quanh năm ở mức 27°C với mức tiêu thụ năng lượng thấp Thiết kế của tòa nhà dựa trên nguyên lý thông gió của tổ mối, giúp giảm 90% nhu cầu năng lượng, tương đương 3.5 triệu USD so với các tòa nhà cùng quy mô Hệ thống làm mát của Eastgate có chi phí chỉ bằng 1/10 so với hệ thống thông thường và tiêu thụ ít hơn 35% năng lượng so với các công trình cùng kích cỡ.

Giới thiệu về phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần

Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

Các yếu tố có thể có 2, 3, 4 mức độ

Phương pháp Taguchi là công cụ hiệu quả cho việc khảo sát từ 3 đến 50 yếu tố, đặc biệt khi số lượng tương tác thấp và chỉ có một vài yếu tố quan trọng.

Phương pháp Taguchi, hay còn gọi là phương pháp thiết kế mạnh mẽ, là một phương pháp thống kê được phát triển bởi Genichi Taguchi (1924-) Phương pháp này nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và quy trình thông qua việc tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu biến động.

Phương pháp Taguchi đã được áp dụng để nâng cao chất lượng hàng hóa sản xuất từ năm 2012, và gần đây còn mở rộng sang các lĩnh vực như kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo Các nhà thống kê chuyên nghiệp đánh giá cao những mục tiêu và cải tiến mà phương pháp này mang lại, đặc biệt là trong việc phát triển các thiết kế nghiên cứu biến thể Tuy nhiên, một số đề xuất của Taguchi vẫn gặp phải sự chỉ trích về tính hiệu quả.

Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:

 Một chức năng mất cụ thể

 Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến

 Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm

Taguchi đã học lý thuyết thống kê chủ yếu từ những người theo Ronald A Fisher, người đã phát triển các phương pháp thiết kế thí nghiệm Ông cho rằng các phương pháp của Fisher có thể được điều chỉnh để nâng cao kết quả trung bình của quy trình Công việc của Fisher chủ yếu tập trung vào việc so sánh năng suất nông nghiệp thông qua các phương pháp xử lý và khối khác nhau, với mục tiêu cải thiện thu hoạch trong các thí nghiệm dài hạn.

Taguchi nhận thấy rằng trong sản xuất công nghiệp, cần thiết phải đạt được kết quả đúng mục tiêu Ông lập luận rằng kỹ thuật chất lượng cần bắt đầu từ việc hiểu rõ chi phí chất lượng trong các tình huống khác nhau Trong nhiều kỹ thuật công nghiệp truyền thống, chi phí chất lượng thường được thể hiện qua số lượng.

Taguchi nhấn mạnh rằng các nhà sản xuất cần mở rộng tầm nhìn để xem xét chi phí xã hội bên cạnh chi phí ngắn hạn Mặc dù chi phí không phù hợp có thể chỉ là một phần nhỏ, nhưng sản phẩm kém chất lượng có thể gây ra tổn thất cho khách hàng và cộng đồng, như hao mòn sớm và khó khăn trong việc giao tiếp giữa các bộ phận Những tổn thất này thường bị bỏ qua, vì các nhà sản xuất chỉ quan tâm đến chi phí tư nhân Việc không xem xét các tác động bên ngoài này có thể ngăn cản thị trường hoạt động hiệu quả Taguchi lập luận rằng những tổn thất này cuối cùng sẽ ảnh hưởng trở lại đến các công ty khởi nghiệp, và nếu các nhà sản xuất làm việc để giảm thiểu chúng, họ sẽ nâng cao uy tín thương hiệu, giành thị trường và tạo ra lợi nhuận.

2.2.2 Mục tiêu của phương pháp Taguchi

Chất lượng sản phẩm cần được đảm bảo ngay từ giai đoạn thiết kế thông qua các yếu tố như thiết kế hệ thống, thiết kế tham số và thiết kế dung sai Bài viết này sẽ tập trung vào thiết kế tham số, nhằm xác định các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm và từ đó thiết lập các mục tiêu cụ thể Chất lượng sản phẩm "được kiểm tra" có nghĩa là sản phẩm được sản xuất với tiêu chuẩn chất lượng ngẫu nhiên, trong đó những sản phẩm không đạt yêu cầu sẽ bị loại bỏ.

Chất lượng sản phẩm tối ưu được đảm bảo bằng cách giảm thiểu sai số so với tiêu chuẩn Sản phẩm cần được thiết kế để không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường không thể kiểm soát Điều này có nghĩa là cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố tác động đến chất lượng sản phẩm để đạt hiệu quả cao nhất.

Chi phí chất lượng được xác định thông qua sai số so với tiêu chuẩn, và các tổn thất cần được đánh giá trên toàn bộ hệ thống Đây là khái niệm về chuyển đổi tổn thất, phản ánh tổn thất chung từ khách hàng và xã hội do sản phẩm chất lượng kém gây ra.

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm:

Phương pháp Taguchi nổi bật với việc chú trọng vào hiệu suất trung bình giá trị, thay vì chỉ tập trung vào giá trị trong một giới hạn kỹ thuật cụ thể, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm Hơn nữa, phương pháp này còn có thiết kế thử nghiệm đơn giản, giúp dễ dàng áp dụng trong thực tiễn.

Phương pháp Taguchi là một kỹ thuật mạnh mẽ và dễ áp dụng, giúp nhanh chóng thu hẹp phạm vi của các dự án nghiên cứu dữ liệu Phương pháp này cho phép phân tích nhiều thông số khác nhau mà không cần thực hiện quá nhiều thử nghiệm, mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa quy trình.

Nhược điểm chính của phương pháp Taguchi là kết quả thu được chỉ tương đối và không xác định rõ tham số nào có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất Bên cạnh đó, việc sử dụng các mảng trực giao không kiểm tra tất cả các biến kết hợp, gây khó khăn trong việc tính toán các tham số Hơn nữa, phương pháp này tập trung chủ yếu vào thiết kế chất lượng bên trong, dẫn đến việc ưu tiên phát triển quá trình sản xuất.

Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm

Chỉ có yếu tố chính và tương tác bậc 1 giữa 2 yếu tố là quan trọng Tương tác bậc cao xem như không đáng kể

Nhà nghiên cứu cần xác định các tương tác quan trọng trước khi tiến hành nghiên cứu Bảng hoạch định trực giao Taguchi được thiết kế dựa trên việc kết hợp các hình vuông Latin một cách nhất quán.

Tính chất bảng hoạch định trực giao:

Các cột phải trực giao – tổng số tích số các mức độ tương ứng của 2 cột bằng 0

Do tính chất trực giao của các cột, việc điều chỉnh giá trị ở một cột sẽ tác động đến giá trị của các cột khác Vì lý do này, các bảng quy hoạch trực giao thường được thiết kế và có thể được tìm thấy trong nhiều tài liệu liên quan.

Các bước tiến hành

Chọn số mức độ cho mỗi biến

Chọn các biến và tương tác

Xác định các yếu tố và mức độ vào bảng trực giao

2.4.1 Chọn yếu tố khảo sát

Việc lựa chọn các yếu tố khảo sát và tương tác là rất quan trọng trong quá trình hoạch định Để xây dựng danh sách các yếu tố cần khảo sát, cần có kiến thức sâu sắc về vấn đề và tham khảo các nghiên cứu trước đó là điều không thể thiếu.

2.4.2 Chọn mức độ khảo sát

Mức độ khảo sát cho các yếu tố chính được xác định dựa trên ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng Nếu ảnh hưởng là tuyến tính, chỉ cần 2 mức độ Ngược lại, nếu ảnh hưởng là phi tuyến, số mức độ có thể là 3 hoặc 4, tùy thuộc vào mối quan hệ là bậc 2 hay bậc 3.

Khi chưa xác định rõ mối quan hệ, mức độ nên chọn là 2 Sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, quyết định mức độ sẽ dựa vào phần trăm đóng góp và sai số.

2.4.3 Chọn bảng quy hoạch trực giao

Trước khi lựa chọn bảng trực giao, cần xác định số thí nghiệm tối thiểu cần thực hiện dựa trên tổng số độ tự do trong nghiên cứu Số thí nghiệm tối thiểu này phải lớn hơn hoặc bằng tổng số độ tự do.

 Độ tự do của giá trị trung bình: 1

 Độ tự do của các yếu tố chính: n – 1; với n là số mức độ của yếu tố

 Độ tự do của tương tác bằng tích số độ tự do của các yếu tố chính.

Bảng 2.2: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi Ấn định các yếu tố ảnh hưởng vào bảng trực giao

Vị trí các yếu tố trong bảng trực giao đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các mức độ Khi có nhiều mức độ, bảng trực giao sẽ quy định vị trí của các yếu tố một cách rõ ràng.

Việc ấn định vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao có thể được trợ giúp bằng các công cụ của hoạch định Taguchi

Trước khi bắt đầu thí nghiệm, việc xác định mức độ thực tế của các yếu tố chính là rất quan trọng Tỷ lệ phần trăm đóng góp và ý nghĩa của các yếu tố sẽ phụ thuộc vào mức độ thực tế của chúng.

2.4.4 Phân tích dữ liệu thí nghiệm

 Đây là khâu quan trọng trong đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến đáp ứng

 Việc phân tích có thể thực hiện bằng phương pháp Anova, tỉ số S/N (Signal Noise⁄ ) hay phần trăm đóng góp

 Tỉ số /𝑁 (𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒⁄ ) Đánh giá bằng tỉ số SN

Bảng 2.3:Bảng tiêu chuẩn với giá trị trung bình TN

Mô Phỏng P1 P2 P3 Trial1 Trial2 … Trialn

 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố:

 Tối thiểu hóa đáp ứng:

 u: số lần thử nghiệm của mô phỏng

 Ni: Number of trials for experiment i

Sau khi tính được giá trị SN ta thiết lập bảng kèm theo giá trị SN, tính giá trị trung bình của SN cho từng cấp độ,

Bảng 2.4: Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN

Sau khi tính toán các giá trị trung bình của 𝑆/𝑁, chúng ta sẽ ghi lại các giá trị vào bảng và xác định giá trị R (rank) bằng cách so sánh các giá trị ∆ trong bảng Giá trị R bằng 1 đại diện cho yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất, trong khi các giá trị cao hơn cho thấy ảnh hưởng giảm dần.

Bảng 2.5: Bảng giá trị trung bình của tỷ số SN

* Xử lý số liệu bằng phương pháp anova mở rộng

Sử dụng bảng số liệu từ phương pháp Taguchi

Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng với giá trị Means

TN P1 P2 P3 Trial1 Trial2 Trial3 Means

Từ công thức tính toán Anova sử dụng cho 2 yếu tố, ta mở rộng công thức cho 3 yếu tố để phù hợp tính toán số liệu:

 a: là số level của yếu tố P1

 b: là số level của yếu tố P2

 c: là số level của yếu tố P3

 n: số thí nghiệm thự hiện

 i: số thứ tự Level yếu tố P1

 j: số thứ tự Level yếu tố P2

 k: số thứ tự Level yếu tố P3

Giới thiệu về phần mềm Inventor

Autodesk Inventor, phát triển bởi Autodesk _USA, là phần mềm thiết kế 3D cơ khí với khả năng tạo ra nguyên mẫu kỹ thuật số giúp hình dung và mô phỏng sản phẩm trong môi trường 3D Phần mềm tích hợp các công cụ mô phỏng và phân tích, cho phép người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến chi tiết máy phức tạp, đồng thời trực quan hóa sản phẩm Inventor cũng kết hợp CAD và các công cụ giao tiếp thiết kế, nâng cao năng suất và giảm thiểu lỗi trong quá trình làm việc Đặc biệt, module Design Accelerator trong Inventor hỗ trợ tính toán và thiết kế các chi tiết điển hình như trục, bánh răng, then, lò xo, bulong và đai ốc, giúp giảm bớt khối lượng công việc cho các nhà thiết kế.

Mô hình hóa kết hợp giữa mô hình khối đặc và bề mặt giúp tạo ra nhiều dạng hình học phức tạp Các công cụ như tạo vân sọc và phân tích quang phổ hỗ trợ kiểm tra độ tiếp tuyến, liên tục và độ cong của các hình mẫu Người dùng có thể dễ dàng tái sử dụng các chi tiết trong các dự án khác nhau.

Phần lắp ráp (assembly) thiết kế kết hợp giữa chi tiết và cụm chi tiết Người dùng có thể kiểm tra xung đột giữa các chi tiết

Phần thiết kế đường ống (Pipe & Tube) cho phép người dùng tạo ra các ống phức tạp trong không gian hạn chế, với thư viện phong phú các phụ kiện đường ống theo tiêu chuẩn công nghiệp Người thiết kế chỉ cần chạy đường dẫn và chỉ định thuộc tính từ thư viện này Bên cạnh đó, thiết kế khuôn ép nhựa (Mold design) được hỗ trợ bởi phần mềm moldflow, giúp phân tích toàn bộ hệ thống khuôn với độ chính xác cao, bao gồm phân tích sản phẩm nhựa đa vật liệu, quá trình ép phun, và sự tương tác của biến đổi nhiệt độ giữa sản phẩm và hệ thống khuôn.

Phần kim loại tấm (Sheet Metal) giúp tự động hóa thiết kế đa dạng cho các bộ phận kim loại tấm Người dùng có khả năng tạo mô hình tấm phẳng, điều khiển quá trình gấp kim loại, thiết lập thư viện tùy chỉnh và tạo bản vẽ sản xuất, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho hoạt động sản xuất tấm kim loại.

Phần thiết kế khung (Frame Generator) hỗ trợ người dùng trong việc thiết kế và phát triển khung hàn cho ứng dụng máy móc công nghiệp Công cụ này cho phép xây dựng kết cấu khung bằng cách kéo thả các chi tiết vào khung dây đã được xác định trước, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế Sau khi hoàn thành thiết kế khung dây, người dùng chỉ cần xác lập lại các thành phần từ thư viện thép hình có sẵn.

Phần Cable (Cable & Wiring) cung cấp một thư viện đa dạng các loại dây và cáp điện, cho phép người dùng thiết kế các hệ thống điện với bán kính uốn phù hợp Điều này giúp tạo ra mô hình thiết kế thực tế nhất cho các ứng dụng điện.

Phần mô phỏng chuyển động tích hợp mô phỏng và phân tích ứng suất nhằm dự đoán phản ứng của thiết kế trước các tác động vật lý trong môi trường thực, từ đó tối ưu hóa thiết kế một cách hiệu quả.

Inventor có khả năng kết hợp và trao đổi dữ liệu với nhiều phần mềm khác thông qua các định dạng tập tin như IPT, IAM, và IDW hoặc DWG Người dùng có thể nhập hoặc xuất tệp trong định dạng DWG, trong khi định dạng DWF của Autodesk hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu 2D/3D dễ dàng Inventor tương thích với hầu hết các phần mềm do Autodesk phát triển và có khả năng trao đổi dữ liệu với các ứng dụng như CATIA V5, UGS, SolidWorks, và ENGINEER/Pro Ngoài ra, Inventor hỗ trợ nhập và xuất trực tiếp từ CATIA V5, JT 6, JT 7, Parasolid, Granite, UG-NX, SolidWorks, Pro/E, và các tập tin SAT Người dùng cũng có thể làm việc với các định dạng dữ liệu như STEP và IGES, xuất bản bản vẽ, tập tin PDF, mô hình 3D chi tiết và cụm lắp ráp trong định dạng SAT hoặc JT, cũng như tạo file STL cho máy in 2D và 3D.

Mô hình hóa trình bày (Presentation Modeling) là một phương pháp giúp mô phỏng quá trình lắp ráp các chi tiết một cách chính xác, tuân thủ đúng quy trình lắp ráp thực tế của cụm chi tiết.

Phân tích trong phần mềm Inventor giúp xác định trường ứng suất và biến dạng của chi tiết khi chịu tác động từ các loại tải trọng khác nhau, bao gồm lực tập trung, lực phân bố theo diện tích, momen và thể tích.

Inventor có khả năng giao tiếp dữ liệu với hầu hết các phần mềm do Autodesk phát triển Phần mềm này cung cấp nhiều công cụ hữu ích giúp đơn giản hóa, nhận diện và chuyển đổi thiết kế 2D sang 3D cho người dùng AutoCAD.

2.5.2 Xây dựng model bằng phần mềm Inventor 2019

Cấu tạo model được chia làm 2 phần: Phần khối ống đa diện và bộ ống góp

Dựa trên đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện," sinh viên K15 đã đưa ra kết quả quan trọng về kích thước của mô hình tối ưu nhiệt độ.

Bảng 2.7: Kích thước model

D (mm) d (mm) D max (mm) D min (mm) L (mm)

D: là chiều dài đường kính ngoài của ống (mm) d: là chiều dài đường kính đường tròn ngoài của khối ống đa diện (mm)

Dmin: là đường kính nhỏ của biên dạng cánh hoa (mm)

Dmax: là đường kính lớn của biên dạng cánh hoa (mm)

L: là khoảng cách của Dmax và Dmin (mm)

Hình 2.3: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện

Hình 2.4: Model được xây dựng bằng phần mềm

Do kích thước nhỏ của thiết bị trao đổi nhiệt, việc thực nghiệm và gia công gặp khó khăn Chúng tôi đã tham khảo nghiên cứu từ INL về “Kỹ thuật phân tích tỷ lệ” để thiết lập thực nghiệm kiểm tra thành phần và hệ thống kết hợp Nghiên cứu này cung cấp phương pháp luận để chuyển đổi các thành phần nguyên mẫu sang mô hình mới Bộ trao đổi nhiệt là một trong những thành phần chính trong việc tích hợp năng lượng, vì vậy phần này tập trung vào bộ trao đổi nhiệt như một ví dụ minh họa cho phương pháp chia tỷ lệ các thành phần.

Hình 2.5: Hình minh họa về bộ trao đổi nhiệt ban đầu và sau khi thu phóng

Bảng 2.8: Bảng thu gọn các tham số tỷ lệ

Hydraulic diameter (Dh) Dh,m = Dh,p / Sf m Lenghth (L) Lm = Lp / Sf m Flow area (Af) Af,m = Af,p / Sf 2 m 2

Surface area (As) As,m = As,p / Sf 2 m 2

Từ đó chúng em đã phóng kích thước ban đầu của thiết bị trao đổi nhiệt lên 4 lần và có các thông số như sau:

Bảng 2.9: Số liệu kích thước ống đa diện tối ưu theo nhiệt độ

D (mm) d (mm) D max (mm) D min (mm) L (mm)

Hình 2.6: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện sau khi tăng 4 lần

35 a Phần khối ống đa diện

Bộ phận quan trọng nhất của thiết bị là nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt Phần bộ góp nằm ở hai đầu của khối ống đa diện, có nhiệm vụ tiếp nhận chất lỏng vào và ra của mô hình, với kích thước như hình bên dưới.

Hình 2.7: Khối ống đa diện

Hình 2.8: Bộ góp xây dựng bằng phần mềm Inventor

Tiến hành mô phỏng

2.6.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys

Ansys, Inc là một công ty cổ phần Mỹ có trụ sở tại Canonsburg, Pennsylvania, chuyên phát triển và tiếp thị phần mềm mô phỏng kỹ thuật Phần mềm của Ansys được sử dụng rộng rãi trong thiết kế sản phẩm và chất bán dẫn, cũng như tạo ra các mô phỏng để kiểm tra độ bền, phân bố nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng và các tính chất điện từ.

ANSYS là phần mềm toàn diện, hỗ trợ nhiều lĩnh vực vật lý, cho phép can thiệp vào mô hình ảo và thực hiện phân tích kỹ thuật trong các giai đoạn thiết kế Nhiều nhà đầu tư ưa chuộng phần mềm này nhờ vào khả năng phân tích hiệu quả và chi phí hợp lý mà nó mang lại.

Phần mềm Ansys tối ưu hóa quy trình thiết kế kỹ thuật, cho phép làm việc với các thông số biến động và hàm nhiều cấp bậc Nó hỗ trợ việc thích nghi với các mô hình kỹ thuật mới, từ đó nâng cao hiệu quả thiết kế và tính sáng tạo Ansys giúp giảm bớt ràng buộc và thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà các phần mềm khác không thể thực hiện.

Phần mềm Ansys cho phép tạo ra các mô hình máy tính để mô phỏng cấu trúc và thiết bị điện tử, giúp phân tích các yếu tố như ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi và phân bố nhiệt độ Ansys hỗ trợ việc kiểm tra hoạt động của sản phẩm dưới các thông số kỹ thuật khác nhau mà không cần thực hiện thử nghiệm vật lý Ví dụ, phần mềm này có thể mô phỏng tuổi thọ của một cây cầu, tối ưu hóa quy trình xử lý cá hồi, hoặc thiết kế tấm ván trượt với ít vật liệu hơn mà vẫn đảm bảo an toàn Hầu hết các mô phỏng được thực hiện qua Ansys Workbench, nơi người dùng có thể chia nhỏ các cấu trúc lớn thành các thành phần nhỏ để mô phỏng và kiểm tra riêng lẻ, bắt đầu bằng việc xác định kích thước và thêm các yếu tố như trọng lượng, áp suất và nhiệt độ.

Phần mềm Ansys cung cấp khả năng mô phỏng và phân tích chuyển động, tiêu chuẩn phá hủy, lưu lượng chất lỏng, phân bố nhiệt độ, hiệu quả điện từ và nhiều hiệu ứng khác theo thời gian.

2.6.2 Mô hình tính toán dòng chảy rối trong Ansys

Không có mô hình dòng chảy rối nào phù hợp cho tất cả các vấn đề, vì việc lựa chọn mô hình phụ thuộc vào điều kiện vật lý, thiết lập thực tế, độ chính xác cần thiết, tài nguyên tính toán và thời gian cho mô phỏng Để chọn được mô hình phù hợp nhất, cần hiểu rõ khả năng và giới hạn của các tùy chọn khác nhau.

Mô hình k-ε được xây dựng để giải quyết các bài toán về độ nén, mô hình hoá trao đổi nhiệt, sự vận động của lưu chất và truyền khối

Các mô hình chảy rối đơn giản nhất được giải quyết bằng hai phương trình riêng biệt, cho phép xác định độc lập các mức vận tốc và độ rối của lưu chất Mô hình k-ε Standard trong Ansys Fluent đã trở thành lựa chọn phổ biến trong tính toán dòng chảy Mô hình này mang lại sự hữu ích về mặt kinh tế với độ chính xác hợp lý trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chảy và mô phỏng truyền nhiệt, được xây dựng dựa trên quan sát thực tế và kinh nghiệm.

Mô hình k-ε Standard có những ưu điểm và nhược điểm riêng, dẫn đến việc phát triển các biến thể nhằm nâng cao hiệu suất của nó Hai biến thể nổi bật là RNG k-ε và Realizable k-ε, hiện có sẵn trong Ansys Fluent.

Phương trình vận chuyển cho mô hình k-ε Standard được sử dụng để tính toán động năng chảy rối k và tốc độ triệt tiêu của nó ε Các phương trình vận chuyển này sẽ được áp dụng theo tài liệu tham khảo [29].

Trong hai phương trình, G k biểu thị động năng tạo ra từ vận tốc, trong khi G b phản ánh động năng chảy rối do lực nổi Y M thể hiện sự ảnh hưởng của biến thiên dòng chảy rối nén đến tốc độ triệt tiêu tổng thể Các hằng số C 1, C 2, C 3 cùng với  k đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả các yếu tố này.

 là các số Prandtl chảy rối cho k và ε, S k và S  là các thuật ngữ mà người dùng có thể tự định nghĩa [15]

Phần mềm Minitab

Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng được phát triển vào năm 1972 tại Đại học Pennsylvania bởi Barbara F Ryan, Thomas A Ryan, Jr và Brian L Joiner Phần mềm này được thiết kế như một phiên bản rút gọn của OMNITAB và phần mềm phân tích thống kê của NIST.

Dựa trên thành công của phần mềm, Minitap Inc được thành lập vào năm 1983, với trụ sở chính tại Đại học Pennsylvania Công ty còn có các chi nhánh tại Coventry, Anh; Paris, Pháp; và Sydney, Úc.

 Hỗ trợ phân tích: Phân tích hệ thống đo lường; Phân tích khả năng; Phân tích đồ họa; Kiểm tra giả thuyết hồi quy DOE; Bảng kiểm soát

 Các dạng biểu đồ: Scatterplots, ma trận lô, ô vuông, dấu chấm, biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ chuỗi thời gian, v.v

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thực hiện nhiều phương pháp thống kê cơ bản, bao gồm thống kê mô tả, thử nghiệm Z một mẫu, thử nghiệm t cho một và hai mẫu, cũng như thử nghiệm t cặp Ngoài ra, chúng tôi cũng sẽ tiến hành kiểm tra một và hai tỷ lệ, thử nghiệm tỷ lệ Poisson cho một và hai mẫu, và kiểm tra phương sai một và hai Các phương pháp khác như tương quan và hiệp phương sai, kiểm tra định mức, kiểm tra ngoại lệ, và kiểm tra mức độ phù hợp của Poisson cũng sẽ được đề cập.

 Các phương pháp hồi quy: Hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính; Nghiên cứu ổn định…

 Phân tích phương sai: Anova; Kiểm tra phương sai bằng nhau; Mô hình hỗn hợp…

 Phân tích các hệ thống đo lường: Bảng tính thu thập dữ liệu; Biểu đồ chạy Gage…

 Công cụ chất lượng: Biểu đồ kiểm soát đa biến; Biểu đồ kiểm soát thời gian: MA, EWMA; …

 Các thiết kế thí nghiệm: Sàng lọc dứt khoát; thiết kế giai thừa hai cấp; thiết kế Taguchi

 Độ tin cậy: Phân tích probit; Phân tích Weibayes; … [16]

XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG SỐ

Mô phỏng

Các bước tiến hành mô phỏng trên phần mềm Ansys

Bước 1: Khởi động và Import Geometry bằng Ansys Workbench 19.2

2 Chọn trên Component Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

3 Nhấp đôi chuột Geometry để đưa vào Project Schematic;

4 Ở Project Schematic nháy phải trên Geometry và chọn Import Geometry > Browse Tìm file Model.igs đã tạo bằng Inventor

5 Phải chuột vào Geometry vừa Inport và chọn Edit Geometry in DesignModeler

Bước 2: Edit Geometry - đặt tên và thay đổi thuộc tính Bodies

1 Nháy đúp chuột vào ô Geometry trong Project Schematic;

2 Trong hộp Tree Outline mục 3 Part, 3 bodies click phải vào từng Solid > Rename và đặt tên tương ứng shell, hot water, cold water;

3 Trong hộp Details mục Fluid/Solid chọn Fluid cho cold water và hot water;

4 Chọn đồng thời 3 Part, phải chuột và chọn From New Part

Hình 3.1: Import Geometry và Edit

Bước 3: Xây dựng Mesh a Khởi động Mesh

1 Chọn trên Component Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

2 Nhấp đúp chuột Mesh để đưa vào Project Schematic;

3 Ở Project Schematic nháy vào Geometry của ô A2 và kéo thả chuột sang Geometry của ô B2 > nháy đúp chuột vào Mesh và tiến hành tạo Mesh

Hình 3.2: Đặt tên và thay đổi thuộc tính

Hình 3.3: Khởi động Edit Mesh

2 nháy phải chuột chọn Create Named Selections và đặt tên tương ứng cho Wall shell,

Velocity inlet hot water, Velocity inlet cold water, Outflow cold water, Outflow hot water. c Tạo Mesh

1 Trong bảng tùy chọn chia lưới, chọn các tùy chọn chia lưới sau:

Hình 3.4: Điều kiện biên của mô phỏng

Hình 3.5: Thiết lập các thông số trong bảng tùy chọn tạo Mesh

2 Nhấp vào biểu tượng Generate Mesh trên thanh công cụ d Kiểm tra chất lượng mesh

1 Xét thông số Skewness trong ô Details of “Mesh” mục Quality

Theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất, chúng ta kiểm tra hai thông số Aspect Ratio và Skewness tương ứng với yêu cầu trong bộ giải Fluent

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn khuyến nghị cho thông số Skewness

Excellent very good good acceptable bad Inacceptable

The Skewness Max index is observed to be 0.8445, which falls within the acceptable range according to the ANSYS documentation - Appendix A - Mesh Quality - ANSYS Meshing Application Introduction 2009.

Hình 3.6: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Skewness

Hình 3.7:Thông số Aspect Ratio và hướng dẫn yêu cầu chất lượng lưới cho FLUENT

Hình 3.9:Model sau khi được chia lưới

According to the ANSYS user guide, specifically Appendix A on Mesh Quality from the 2009 Meshing Application Introduction, the quality requirement for FLUENT indicates that an Aspect Ratio Max of 11.002 is considered excellent, as it is significantly below the threshold of 40.

3 Xét thông số Othogonal Quality

Giá trị tối thiểu của Orthogonality càng cao thì càng tốt; trong nhiều trường hợp, giá trị Orthogonality chỉ cần vượt quá 0.01 là đủ để đảm bảo sự hội tụ và cho kết quả phù hợp với thực nghiệm.

Bảng 3.2: Bảng tiêu chuẩn đánh giá thông số Othor Quality [20]

Hình 3.8: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Orthogonal Quality

Dựa theo bảng tiêu chuẩn và so sánh với kết quả thu được thì giá trị Min Orthogonal Quality bằng 0.155 và nằm trong khoảng chấp nhận được

Unacceptable Bad Acceptable Good Very good Excellent

Bước 4: Tạo và thiết lập Fluent

1 Chọn trên Analysis Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

2 Nhấp đúp chuột Fluid Flow (Fluent) để đưa vào Project Schematic;

3 Ở Project Schematic nháy vào Mesh của ô B3 và kéo thả chuột sang Setup của ô C2

> nháy đúp chuột vào Setup và tiến hành thiết lập thông số

Bước 5: Setup Fluent a Setup General

1 Nháy chọn General trong Problem Setup;

2 Trong bảng giá trị General, chọn Pressure-Based cho Type, Absolute cho Velocity Formulation, Steady cho Time;

3 Nháy chọn ô Gravity và điền giá trị y = -9.81 (𝑚/𝑠 2 ); b Setup Models

1 Nháy chọn Models trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Models, nháy chọn Energy - off > Energy Equation > OK để chuyển sang Energy - On;

Hình 3.10: Setup thông số Models

3 Ở bảng thông số Models, nháy chọn Viscous - Laminar > Strandard k-epsilon (2 eqn)

1 Nháy chọn Materials trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số, nháy Create/Edit Materials > FLUENT Database Materials > water liquid (h2o) > Copy

Hình 3.11: Thêm thuộc thính vật liệu cho mô hình e Setup Cell Zone Conditions

1 Nháy chọn Cell Zone Conditions trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Cell Zone Conditions > part-cold_water > Edit… > Edit…Material Name > water liquid > OK Tương tự với part-hot_water

3 Đối với part_shell chọn Aluminium

Hình 3.12: Gắn thuộc tính vật liệu cho mô hình

1 Nháy chọn Boundary Conditions trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Boundary Conditions:

+ Chọn wall_shell > Edit… > thẻ Thermal > Convection (trong Thermal Conditions); + Nhập giá trị nhiệt độ môi trường là 20 ℃ cho Free Stream Temperature;

+ Chọn velocity_inlet_hot_water > Edit… > thẻ Momentum > nhập giá trị Velocity

Magnitude là 2,25 (m/s), Specification Method > K and Epsilon Sang thẻ Thermal > nhập giá trị nhiệt độ nước vào Temperature là 85 0 C;

To set up the cold water inlet, navigate to velocity_inlet_cold_water and select the Momentum tab Enter a Velocity Magnitude of 1.5 m/s and choose the Specification Method as K and Epsilon Next, switch to the Thermal tab and input the water temperature as 20°C.

Hình 3.13:Setup thông số wall_shell

Hình 3.14:Thiết lập nhiệt độ Velocity inlet cold and hot water

Bước 6: Setup Solving & Run Solution Initialization

2 Ở phần Run Calculation, chọn Number of Iterations > Calculate

Hình 3.15: Thiết lập Momentum của Velocity inlet cold and hot water

Hình3.16: Thiết lập Hybrid Initialization

Hình 3.17: Thiết lập Run Calculate

Hình 3.18: Trường nhiệt độ phần vỏ

Hình 3.19:Trường nhiệt độ mặt cắt model

Hình 3.20: Trường nhiệt độ phần hot & cold water

Kiểm nghiệm lưới và mô phỏng

3.2.1 Kích thước và tính độc lập của lưới

Bảng 3.3: Grid independence study details

Mesh type No of elements Nhiệt độ Hot_water_out ( o C)

Theo lý thuyết ngoại suy Richardson, tỷ lệ sàng lọc phải lớn hơn 1,3:

Tỷ lệ sang lọc 1 = Fine mesh/Medium mesh = 3624135/1033749 = 3.5;

Tỷ lệ sang lọc 2 = Medium mesh/Coare mesh = 1033749/695457 = 1.48;

Kết quả nhiệt độ chênh lệch khá nhỏ giữa 3 loại mesh;

Những kết quả này xác nhận rằng lưới được tạo ở trong tình trạng tuyệt vời

Bảng 3.4: Bảng kết quả kiểm nghiệm

Yếu tố Lân 1 Lần 2 Lần 3 Điểm hội tụ 2366 2293 2348

Nhiệt độ Hot_water_out ( o C) 79.62 80.1 79.88 Dựa vào bảng 3.4:

- Độ chênh lệch về điểm hội tụ sau 3 lần khảo sát lớn nhất là 3.08%;

- Độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 0.6 %;

Bảng 3.5: Bảng so sánh Viscous model

Viscous model Kết quả nhiệt độ ( o C) k-epsilon Standard 79.62 80.1 k-epsilon Realizable 80.17 80.22 k-omega Standard 80.64 79.70

- Mô hình k-ɛ Realizable khác với mô hình k-ɛ Standard theo hai cách:

+ Thứ nhất, nó chứa một công thức mới cho độ nhớt hỗn loạn không phải là một hằng số như trong mô hình tiêu chuẩn mà là một biến

Thứ hai, bài viết cung cấp những dự đoán cải thiện về tốc độ lan truyền của các tia phản lực, khả năng vượt trội trong việc nắm bắt dòng chảy trung bình của các cấu trúc phức tạp, cũng như các dòng chảy liên quan đến chuyển động quay, đặc biệt là trong các lớp ranh giới dưới gradient áp suất bất lợi mạnh, với hiện tượng phân tách và tái lưu thông.

Mô hình k-ω tương tự như mô hình k-ε nhưng tập trung vào ω - tốc độ tiêu tán động năng Đây là mô hình số Reynolds thấp, có thể kết hợp với các chức năng tường Tuy nhiên, nó phi tuyến tính hơn và khó hội tụ hơn, đồng thời nhạy cảm với phỏng đoán ban đầu Mô hình k-ω rất hữu ích trong các trường hợp mà k-ε không chính xác, như dòng chảy bên trong, dòng chảy với độ cong mạnh, dòng chảy riêng biệt và tia phản lực.

*Chọn mô hình k-epsilon Standard là bởi vì:

- Mô hình k-epsilon Standard chạy ổn định hơn, vì độ nhớt hỗn loạn được tính theo cách ít phức tạp hơn

- Độ chênh lệch về kết quả của cả 3 phương pháp không quá đáng kể

- Bộ mesh sử dụng chưa thật sự tốt nhất

Việc lựa chọn phương pháp tính toán nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác là rất cần thiết, đặc biệt khi phải đối mặt với giới hạn về thời gian và máy tính không đủ mạnh.

Mô phỏng và xử lý số liệu

Để đánh giá hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt trong mô phỏng, nhiệt độ và vận tốc của nước nóng vào (hot_water_in) cần được giữ cố định Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt trong mô phỏng bao gồm nhiệt độ, áp suất và lưu lượng chất lỏng.

 Vận tốc cold_water_in;

 Nhiệt độ cold_water_in;

Các thông số và cấp độ của các yếu tố ảnh hưởng:

Bảng 3.6: Thông số các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng

P2: Vận tốc cold_water_in (m/s) 1.5 2.25 3

P3: Nhiệt độ cold_water_in ( o C) 20 25 30

3.4 Xử lý số liệu theo Taguchi (L9)

Bảng 3.7: Bảng ấn định thông số của các yếu tố

STT P1: Nhiệt độ môi trường ( o C)

P2: Vận tốc cold_water_in (m/s)

P3: Nhiệt độ cold_water_in ( o C)

Mỗi thí nghiệm sẽ được mô phỏng 3 lần

Trong tất cả các mô phỏng, tốc độ và nhiệt độ của nước nóng đầu vào (Hot_water_in) sẽ được giữ cố định ở mức 2,25 m/s, tương đương với lưu lượng khoảng 6,78 lít/phút và nhiệt độ 85 độ C.

Mô phỏng thí nghiệm 1 với các yếu tố:

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1,5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);

- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 20 o C

Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 3 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 2

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ nhất

Hình 3.25: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 2

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 3 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 9 (l/p);

Hình 3.26:Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 3

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1.5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);

Hình3.35: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 5 lần thứ 3

Hình 3.36 : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 6 lần thứ nhất.

Hình 3.41 : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 7 lần thứ 3

Hình 3.42 : : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 8 lần thứ nhất

Hình 3.47: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 9 lần thứ 3.

3.4.2 Kết quả mô phỏng thí nghiệm hiệu quả trao đổi nhiệt

Bảng 3.8: Bảng kết quả mô phỏng thí nghiệm độ chênh nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt

3.4.3 Xử lý số liệu theo Taguchi

Bảng 3.9: Bảng thí nghiệm số liệu thu thập theo Mean

Tính giá trị trung bình của mỗi thí nghiệm:

P1 P2 P3 Kết quả thí nghiệm t hot_out ( o C) Các yếu tố thí nghiệm Trial 1 Trial 2 Trial 3

Với công thức trên, ta tính được giá trị Mean của từng mô phỏng và ấn định vào bảng:

Tính tỷ số SN của từng mô phỏng

Ta cần độ chênh nhiệt độ là thấp nhất do đó ta sử dụng công thức tính SN tối thiểu hóa theo công thức số [3-2]

Trong đó: n = 1, 2, 3: số lần mô phỏng j = 1, 2, …, 9: số mô phỏng

N = 3 : số lần mô phỏng cao nhất

Bảng 3.10: Bảng tỉ số SN

Bảng 3.11: Bảng giá trị trung bình của tỉ số SN

Hình 3.49: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN

Hình 3.48: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị Means

Trong hai hình 3.48 và 3.49, các đồ thị của từng yếu tố theo giá trị Means và SN không thể hiện mối quan hệ thuận hoặc nghịch do các giá trị yếu tố được phân bố ngẫu nhiên theo bảng Taguchi L9, dẫn đến hình dạng đồ thị bị gấp khúc Đặc biệt, yếu tố P2 cho thấy chênh lệch lớn nhất, cho thấy đây là yếu tố có ảnh hưởng đáng kể nhất đến quá trình trao đổi nhiệt.

Theo giá trị SN, yếu tố có giá trị lớn nhất là yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt, với các giá trị P1 = 20, P2 = 1.5 và P3 = 20.

Kiểm định kết quả trên, ta chọn phương pháp phân tích phương sai Anova để phân tích theo giá trị Means

3.4.4 Xử lý số liệu theo ANOVA x̅ = Trial 1.1 + Trial1.2 + ⋯ + Trial3.9

Tính giá trị P-value: sử dụng bảng Fisher để tra giá trị P-value

Hình 3.50: Bảng tính toán Anova từ Minitab 19 Analysis of Variance

Theo lý thuyết Anova về kiểm chứng giả thuyết, khi giá trị P nhỏ hơn α = 5%, chúng ta có thể kết luận rằng yếu tố đó có ảnh hưởng đến sản phẩm Trong bảng tính toán, giá trị P của ba yếu tố P1, P2, P3 cho thấy rằng chỉ có giá trị P2 thỏa mãn điều kiện kiểm chứng.

THÍ NGHIỆM THỰC TẾ

Tiêu đề	Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Tối Ưu Hóa Theo Nhiệt Độ Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Thiết Kế Theo Biên Dạng Thân Cây Bông Súng
Tác giả	Nguyễn Song Tiến, Lương Văn Trường, Nguyễn Văn Hưng
Người hướng dẫn	TS. Đặng Hùng Sơn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	9,41 MB