Nghiên cứu đặc tính điện thủy lực của vi bơm ecf mới chứa các điện cực naca bằng phương pháp cfd

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu đặc tính điện thủy lực vi bơm ECF chứa điện cực NACA phương pháp CFD Lại Thế Khánh Khanh.lt211356M@sis.hust.edu.vn Ngành Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: TS Ngơ Ích Long Khoa: Cơ khí Động lực HÀ NỘI, 4/2022 Chữ ký GVHD ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Thông tin học viên Họ tên học viên: Lại Thế Khánh Điện thoại liên lạc: 0961213696 Email: Thekhanh.gt@gmail.com Lớp: 21A–TE–CKĐL Hệ đào tạo: Chính quy Luận văn tốt nghiệp thực tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thời gian làm luận văn: năm Ngày giao nhiệm vụ: 3/2021 Ngày hồn thành nhiệm vụ: 3/2022 Mục đích nội dung luận văn thạc sỹ - Hiểu tổng quan vi bơm - Hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc ứng dựng vi bơm ECF - Hiểu vận dụng lý thuyết, phương pháp tính tốn, thiết kế vi bơm chưa điện cực NACA Các nhiệm vụ cụ thể luận văn + Nghiên cứu tổng quan tính chất, ứng xử, chất vật lý vi bơm ECF + Xây dựng mơ hình tốn học thiết lập thuật giải cho phương pháp CFD + Kiểm nghiệm đánh giá mơ hình tốn học cách so sánh với kết công bố + Chọn kiểu NACA có đặc tính khí động tốt để áp dụng vào vi bơm ECF + Nghiên cứu tổng quan đưa đặc tính điện cực NACA dải Re phù hợp cho vi bơm ECF + Nghiên cứu ứng xử dòng lưu chất vi bơm xây dựng đường đặc tính loại vi bơm + Tối ưu hóa đặc tính bơm theo cấu hình điện cực NACA + Đưa dẫn nhằm tối ưu hiệu suất vi bơm ECF sử dụng điện cực NACA Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên LỜI CẢM ƠN “Đi qua năm tháng Bách Khoa, ta biết tuổi trẻ đáng trân trọng Trân trọng, khơng có lúc khó khăn tưởng chừng gục ngã, khơng ta biết trưởng thành đến đâu mà đơn giản ta làm tất điều Cảm ơn Bách Khoa! năm đại học năm cao học, có lẽ chẳng đáng so với đời tất tuổi xn Khơng muốn biết Bách Khoa cho bao nhiêu, lấy gì, biết tuổi trẻ có Bách Khoa chắn khơng quên điều đó.” Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Ngơ Ích Long q thầy giáo môn tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án Lời em muốn gửi tới q thầy nói chung thầy Ngơ Ích Long nói riêng lời chúc sức khỏe, vui vẻ hạnh phúc, luôn giữ nhiệt huyết để truyền thụ kiến thức truyền lửa động lực cho hệ học trị góp phần vào cơng phát triển Việt Nam ngày chuyên nghiệp mặt kỹ thuật Cảm ơn thầy khơng việc truyền đạt kiến thức, chun mơn, mà cịn lời chia sẻ, động viên thầy người đồng hành, giúp đỡ em khía cạnh khác sống Lời cảm ơn thứ hai xin chân thành gửi cha mẹ con, người sinh thành dưỡng dục suốt 26 năm, sát cánh bảo ban, để đến chặng đường ngày hôm nay, thành ngày hôm phần lớn có hình bóng cha mẹ Lời cuối xin phép gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất người TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Ngày nay, vi bơm xem thiết bị hứu hẹn cho nhiều ứng dụng mang tính thời đại mà yêu cầu kích thước nhỏ gọn, chi phí phù hợp Việc nghiên cứu vi bơm giúp làm chủ nguồn áp suất siêu nhỏ ứng dụng vào nơi mà trước dường người khó can thiệp, lĩnh vực y sinh cơng nghiệp Với chế làm việc hồn tồn khác biệt so với kiểu vi bơm có chuyển động quay hay dạng màng, vi bơm chất lỏng liên hợp điện (ECF) hướng nghiên cứu phát triển vi bơm Khi áp dòng điện chiều (DC) với cường độ đủ lớn bơm tạo dòng tia ảnh hưởng phân bố điện trường khơng đồng Điều nghĩa dịng chảy bơm dễ dàng điều khiển thơng qua việc thay đổi điện áp hay cường độ dòng điện từ bên tùy theo yêu cầu thực tế đặt Việc tập trung vào nghiên cứu chất, ứng xử vi bơm ECF cần nhiều thời gian đầu tư cho máy móc hiểu sâu sắc tượng dịng chảy vi bơm Cũng việc khó khăn việc cải thiện hiệu suất tối ưu thiết kế áp dụng mơ hình vi bơm vào thực tế cánh tay rô–bốt, quay chuyển hồi, hệ thống giải nhiệt cho chíp điện tử Do đó, phương pháp sử dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) chứng minh cho tính hiệu nghiên cứu vi bơm, nhằm khắc phục khó khăn hay hạn chế đưa Trong luận văn chia thành phần Trong phần nghiên cứu tổng quan phát triển đặc điểm cấu tạo loại vi bơm phổ biến Trong phần luận văn, phương pháp CFD, đặc tính thủy động nhiều loại biên dạng NACA khác khảo sát Với dải làm việc số Re nhỏ, thường áp dụng cho vi bơm, hệ số lực cản biên dạng NACA giảm đến 66% so với điện cực truyền thống khác Phương trình tương quan hệ số lực cản với độ dày điện cực NACA đề xuất Trong phần luận văn, ảnh hưởng nhiều thông số quan trọng (Pe, Mc, Ref, Ree) đến đặc tính vi bơm kiểm tra kỹ lưỡng Sau giá trị tối ưu thơng số thiết kế cho hệ số lưu lượng tối đa (KQmax) áp suất tối đa (Kpmax) nghiên cứu Để dự đốn nhanh chóng hiệu KQmax Kpmax, mối tương quan tổng quát KQmax Kpmax vi bơm ECF lần đề xuất Các đường đặc tính Kp–KQ, KN–KQ vi bơm ECF xây dựng công phu cho điều kiện hoạt động điện cực NACA khác Các kết thu từ nghiên cứu nhìn chung có tính đóng góp việc nghiên cứu phát triển vi bơm ECF Phần luận văn kết luận chung HỌC VIÊN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD 1.1 Tổng quan vi bơm 1.2 Phân loại vi bơm 1.3 1.2.1 Vi bơm học 1.2.2 Vi bơm phi học 12 Tổng quan vi bơm ECF 18 1.3.1 Giới thiệu 18 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu ứng dụng vi bơm ECF 19 1.4 Động lực nghiên cứu 39 1.5 Tổng quan CFD phần mềm COMSOL Multiphysics 40 1.5.1 Giới thiệu CFD 40 1.5.2 Giới thiệu phần mềm COMSOL Multiphysics 42 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG CỦA ĐIỆN CỰC SỬ DỤNG CHO VI BƠM ECF 51 2.1 Tổng quan NACA 51 2.2 Phương pháp mơ hình hóa 55 2.3 Kiểm nghiệm đánh giá mơ hình 57 2.4 Kết thảo luận 58 2.5 2.4.1 Ảnh hưởng hình dạng điện cực 58 2.4.2 Các đặc tính NACA đặt dịng ECF 60 Kết luận chương 62 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH ĐIỆN – THỦY LỰC CỦA VI BƠM ECF MỚI CHỨA ĐIỆN CỰC NACA 64 3.1 Mơ hình tốn học 64 3.2 Kiểm nghiệm đánh giá mơ hình 67 3.3 Kết thảo luận 71 3.3.1 Ứng xử động lực học vi bơm ECF 71 3.3.2 Tối ưu hóa cấu hình điện cực NACA 75 3.3.3 Ảnh hưởng cấu hình NACA 77 3.4 Kết luận chương 82 CHƯƠNG KẾT LUẬN CHUNG 83 PHỤ LỤC 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 CÁC BÀI BÁO ĐÃ ĐĂNG 98 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa viết tắt PZT Piezoelectric Áp điện AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều ICPF Ion conductive polymer films Màng polymer dẫn điện ion Ion conductive polymer Màng polymer dẫn điện kim loại metal ion SMA Shape memory alloy Hợp kim nhớ hình dạng EM Electromagnetic Điện từ EO Electroosmotic Điện thẩm EW Electrowetting Điện ướt EHD Electro–hydrodynamic Điện–thủy động MHD Magneto–hydrodynamic Nam châm–thủy động ECF Electro–conjugate fluid Liên hợp điện–thủy lực National Advisory Uỷ ban Cố vấn Hàng không Quốc Committee for Aeronautics gia FEM Finite element method Phương pháp phần tử hữu hạn MEMS Hệ thống vi điện LoC Micro–Electro–Mechanical Systems Lab on chip POCT Point of care testing Kiểm tra điểm quan tâm TAS Total analysic system Hệ thống phân tích tổng hợp CFD Computation fliud dynamic Tính tốn động lực học chất lỏng DOF Degrees of freedom Bậc tự ICFM NACA Hệ thống thí nghiệm chip DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý làm việc vi bơm áp điện: (a)Chế độ hấp thụ; (b) Chế độ phân phối [16] Hình 1.2 Vi bơm tĩnh điện [21] Hình 1.3 Vi bơm nhiệt–khí nén [21] Hình 1.4 Vi bơm điện từ [21] Hình 1.5 Vi bơm lưỡng kim Hình 1.6 Vi bơm màng plymer dẫn điện ion [21] Hình 1.7 Vi bơm thay đổi pha 10 Hình 1.8 Vi bơm hợp kim nhớ hình dạng 11 Hình 1.9 Vi bơm điện thẩm 12 Hình 1.10 Vi bơm điện hóa 14 Hình 1.11 Vi bơm nam châm–thủy động 15 Hình 1.12 Vi bơm điện ướt 16 Hình 1.13 Vi bơm hiệu ứng bay 17 Hình 1.14 Vi bơm điện–thủy động 18 Hình 1.15 Sơ đồ vi bơm ECF [78] 19 Hình 1.16 Vùng chất lỏng ECF [82] 19 Hình 1.17 Sơ đồ minh họa nguyên mẫu vi [83] 20 Hình 1.18 Khái niệm vi ECF [83] 20 Hình 1.19 Mơ Hình thí nghiệm [84] 21 Hình 1.20 (a) Mơ hình chế tạo; (b) Mơ hình thí nghiệm [82] 21 Hình 1.21 Lực tác động tế bào vi mô (a) đơn; (b) nối tiếp [82] 22 Hình 1.22 Máy bơm ECF phẳng [85] 22 Hình 1.23 Hiệu suất loại chất [85] 23 Hình 1.24 Mơ hình thí nghiệm quay hồi chuyển [78] 23 Hình 1.25 Hiệu suất nguyên mẫu 5kV [78] 24 Hình 1.26 (a) Sơ đồ thiết bị thí nghiệm; (b) So sánh đặc tính p–Q đo với đặc tính mơ [86] 24 Hình 1.27 (a) Mơ hình thí nghiệm; (b) Mơ hình mơ số [79] 25 Hình 1.28 Kết vận tốc Hình ảnh hạt (PIV) so sánh giữa: (a) thí nghiệm; (b) mô [79] 25 Hình 1.29 Mối tương quan cường độ dòng điện hiệu điện [87] 26 Hình 1.30 Mơ hình thí nghiệm [88] 27 Hình 1.31 Độ cong ngón tay ứng với mức áp suất [88] 27 Hình 1.32 Mơ hình ma trận dịng kênh ECF [89] 28 Hình 1.33 Kết thực nghiệm việc di chuyển đến vị trí mục tiêu tùy ý: (a) giọt; (b) hai giọt [89] 28 Hình 1.34 Mơ hình cánh tay 3D [90] 29 Hình 1.35 Áp suất đầu (khơng có dịng chảy) ba thiết bị khác nhau: 10 TPSE tronh hàng; 10 TPSE hàng đặt song song dãy; 10 TPSE hàng đặt song song dãy [91] 30 Hình 1.36 Hình ảnh quang học chip MEMS chế tạo với 20 TPSE [92] 30 Hình 1.37 So sánh giá trị thực nghiệm giá trị mô [92] 31 Hình 1.38 Các thành phần tạo giọt [93] 32 Hình 1.39 Mối tương quan đường kính hạt điệp áp (vi bơm 1) [93] 32 Hình 1.40 Mơ hình 3D thí nghiệm [94] 33 Hình 1.41 Các vùng làm việc thiết bị [94] 33 Hình 1.42 Các tham số cấu trúc TPSE [80] 34 Hình 1.43 Các ứng dụng CFD [96] 41 Hình 1.44 Các bước giải tốn CFD 42 Hình 1.45 Các mô–đun COMSOL [104] 43 Hình 1.46 Giao diện COMSOL – nửa bên trái [104] 48 Hình 1.47 Giao diện COMSOL – nửa bên phải [104] 49 Hình 2.1 Hình dạng NACA số 51 Hình 2.2 Các lực tác dụng lên cánh NACA 54 Hình 2.3 Trường tính tốn điều kiện biên 56 Hình 2.4 Phân bố lưới quanh airfoil 57 Hình 2.5 Biến thiên sai số tương đối CD theo số phần tử lưới 57 Hình 2.6 Lực cản NACA 0008 0012 số Re = 6.106 58 Hình 2.7 Các biên dạng điện cực (a) NACA; (b) Hình viên đạn; (c) Hình đầu chơng 59 Hình 2.8 Sự biến thiên hệ số lực cản theo góc với hình dạng điện cực khác Re = 12: (a) NACA0006, (b) NACA0015, (c) NACA0021 (d) NACA0030 60 Hình 2.9 (a) Sự thay đổi hệ số lực cản theo góc đặt cánh NACA đối xứng (Re = 12, FF–1EHA2); (b) Sự thay đổi hệ số lực cản theo dải Re góc đặt cánh 61 Hình 2.10 Sự thay đổi hệ số lực cản theo độ dày lớn ta 61 Hình 2.11 Sự thay đổi hệ số lực nâng theo Re (Re=10–2~102, FF–1EHA2) 62 Hình 3.1 Mơ hình vi bơm với điện cực NACA 64 Hình 3.2 Mơ hình số điều kiện biên 65 Hình 3.3 Mối tương quan vận tốc trung bình điện áp (s=5mm, T=313K) 68 Hình 3.4 Trường dịng chảy khoảng cách điện cực khác (V = –10kV, Dầu 1): (a) tác giả Tran cộng (2009); (b) Kết 68 Hình 3.5 Hình ảnh mặt cắt ngang thí nghiệm [86] 69 Hình 3.6 Mối quan hệ áp suất lưu lượng kết thực nghiệm Yanada cộng 69 Hình 3.7 Các cấp độ lưới sau sử dụng tinh chỉnh lưới 70 Hình 3.8 Sự hội tụ lưới (Ve= 1kV, Re = 4.8×10–4, NACA0006, Wn*= 0.3; Lc*=0.3; Ws*=0.4) 71 Hình 3.9 Sự phân bố vận tốc điện tích vi bơm ECF với NACA0006:(a) Ve*=16, Ref=0.48; (b) Ve*=48, Ref=0.48 71 Hình 3.10 Sự phân bố vận tốc điện tích vi bơm ECF với NACA0006: (a) Ve*=48, Ref=0.48; (b) Ve*=48, Ref=0.96 72 Hình 3.11 Đường đặc tính Kp–KQ với nhiều giá trị điện áp, điện cực dương NACA0006 73 Hình 3.12 Đường đặc tính KN–KQ với nhiều giá trị điện áp, điện cực dương NACA0006 73 Hình 3.13 Mối tương quan PDC: (a) Ref (b) Ree cho nhiều giá trị điện áp điện cực dương NACA0006 74 Hình 3.14 Mối tương quan PDC: (a) Ref (b) Ree cho nhiều giá trị điện áp điện cực dương NACA0006 75 Hình 3.15 Mối tương quan hệ số lưu lượng cực đại điện áp đặt vào vi bơm ECF: (a) Lc*và (b) Ws*, NACA0024 sử dụng 76 Hình 3.16 Mối tương quan hệ số chênh áp cực đại điện áp đặt vào vi bơm ECF: (a) Lc* (b) Ws* 76 Hình 3.17 (a) Hệ số chênh áp cực đại (b) Hệ số lưu lượng cực đại hàm điện áp đặt vào Wn* với NACA0024 77 Hình 3.18 Sự phân bố vận tốc điện tích vi bơm ECF với: (a) NACA0006, (b) NACA0018 làm điện cực dương (Wn*=0.3, Lc*=0.3, Ws*=0.4, Ve*=32 Ref=0.97) 78 Hình 3.19 Sự phân bố vận tốc điện tích vi bơm ECF với: (a) NACA0018, (b) NACA0024 làm điện cực dương (Wn*=0.3, Lc*=0.3, Ws*=0.4, Ve*=32 Ref=0.97) 79 Hình 3.20 PDC hàm của: (a) Ref; (b) Ree cho nhiều điện cực NACA (Ve*=48) 79 Hình 3.21 PDC hàm của: (a) Pe; (b) Mc cho nhiều điện cực NACA (Ve*=48) 80 Hình 3.22 Đường đặc tính (a) Kp–KQ (b) KN–KQ cho nhiều giá trị NACA nhiều giá trị điện áp (Wn*= 0.5, Lc*=0.25, Ws*=0.8) 80 Hình 3.23 Mơ hình 3D vi bơm ECF với điện cực NACA 81 100 101 102 103 104 105 Ngơ Ích Long, Lại Thế Khánh, "Nghiên cứu mô số đặc tính thủy động điện cực NACA sử dụng cho vi bơm ECF" Tuyển tập Cơng trình Hội nghị khoa học tồn quốc Máy thủy khí tự động hóa 2021, NXB Học viện Nơng nghiệp, ISBN: 978 - 604 - 924 - 582 – 4, pp 332-342 106 107 108 109 110 111 112 113 114 ... có đặc tính khí động tốt để áp dụng vào vi bơm ECF + Nghiên cứu tổng quan đưa đặc tính điện cực NACA dải Re phù hợp cho vi bơm ECF + Nghiên cứu ứng xử dòng lưu chất vi bơm xây dựng đường đặc tính. .. xét rộng rãi hiệu suất điện thủy lực vi bơm thiết kế với điện cực NACA Trong luận văn này, ứng xử động lực học dòng ECF vi bơm với điện cực NACA nghiên cứu sâu rộng Phương pháp phần tử hữu hạn... động điện cực NACA khác Các kết thu từ nghiên cứu nhìn chung có tính đóng góp vi? ??c nghiên cứu phát triển vi bơm ECF Phần luận văn kết luận chung HỌC VI? ?N MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VI? ??T