(Đồ án tốt nghiệp) mô phỏng số điều hòa không khí trong phòng khách sạn bằng phần mềm ansys workbench 19 2

TỔNG QUAN

Lí do chọn đề tài

Điều hòa không khí là một lĩnh vực rất quan trọng trong cuộc sống ngày nay Bất cứ một công trình nào khi xây dựng thì cũng được thiết kế hệ thống thông gió và điều hòa không khí để tạo được môi trường không khí phù hợp với công nghệ sản xuất, chế biến hoặc nghỉ dưỡng và đạt tiện nghi nhất đối với cơ thể con người. Để có cơ hội vận dụng những kiến thức về điều hòa không khí và thông gió đã được học trong suốt 4 năm học đại học cũng như tìm hiểu về một phần mềm mô phỏng nên nhóm em đã chọn đề tài thực hiện đồ án tốt nghiệp là “Mô phỏng số điều hòa không khí trong phòng khách sạn bằng phần mềm Ansys Workbench 19.2”.

Mục tiêu của đề tài

Với việc chọn đề tài này, nhóm em sẽ xác nhận được mục tiêu là mô phỏng để biết rõ hơn về sự ảnh hưởng của các thông số đối với điều hòa không khí trong một phòng khách sạn đặc trưng Từ đó xác định sự phân bố về các thông số như nhiệt độ, áp suất, vận tốc…để so sánh kết quả với các tiêu chuẩn của Việt Nam cũng như tham khảo thêm ở các bài báo khoa học rồi lựa chọn mô hình thích hợp nhất nhằm đáp ứng được yêu cầu về sự thoải mái của con người.

Học và ứng dụng phần mềm Ansys Fluent để phục vụ cho công việc sau này.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: phòng khách sạn đặc trưng

+ Nghiên cứu sự thay đổi về áp suất, nhiệt độ, vận tốc của không khí trong phòng; thay đổi vị trí lắp đặt, số lượng máy điều hòa.

+ So sánh với kết quả một số bài báo khoa học, với các tiêu chuẩn hiện hành.

+ Từ đó đưa ra kết luận, đánh giá và đưa ra giải pháp tối ưu để tăng cường sự tiên nghi nhiệt, độ thoải mái cho con người trong phòng khách sạn.

Tổng quan về điều hòa không khí

1.4.1 Lịch sử phát triển điều hòa không khí

Từ xa xưa, con người đã biết sử nhiều phương pháp để đối phó với sự khắc nghiệt của thời tiết cho việc bảo vệ cơ thể cũng như đồ ăn thức uống, điển hình là: sưởi ấm cho cơ thể bằng cách đốt lửavào mùa đông và tránh nóng vào mùa hè trong các hang động mát mẻ có nhiệt độ thấp.

Cách đây 2500 ÷ 3000 năm, trong các kim tự tháp Ai Cập đã xuất hiện các tranh vẽ trên tường mô tả lại khung cảnh các bình gốm xốp được các nô lệ Ai Cập quạt cho hơi nước bốc hơi để làm mát không khí Bên cạnh đó, con người đã biết tạo ra nhiệt độ thấp hơn bằng cách trộn muối vào nước cách đây 2000 năm Trải qua khoảng thời gian rất dài từ xa xưa mà lịch sử của điều hòa không khí đã được hình thành và phát triển, cho tới nay đã đánh dấu ấn với vô số các cột mốc nổi bật, điển hình phải kể đến như sau :

Năm 1834, trên thế giới lần đầu tiên đã xuất hiện máy lạnh nén hơi chạy bằng este được phát minh bởi Perkins.

Năm 1845, John Gorrie là một bác sĩ sinh ra tại Mỹ đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy lạnh nén khí đầu tiên nhằm hoạt động trong việc điều hòa không khí cho bệnh viện tư của ông và cũng nhờ sự kiện này mà cho ông đã ghi tên tuổi của mình vào lịch sử thế giới của khoa học và kỹ thuật điều hòa không khí.

Năm 1859, máy lạnh hấp thụ NH 3 / H 2 O lần đầu tiên ra đời và cha đẻ của nó là Carré Năm 1884, điều hòa không khí lần đầu tiên áp dụng vào trong tàu hỏa được khánh thành chạy trên tuyến đường Baltimore-Ohio.

Loại máy lạnh ammoniac lần đầu được sử dụng cho hệ thống điều hòa không khí với vai trò được dùng để khử ẩm cho không khí và làm lạnh vào mùa hè, đã được công ty Line đặt nền móng quan trọng cho việc xây dựng và phát triển vào năm 1894 Một năm sau đó, công ty Line tiếp tục cho ra mắt máy hóa lỏng không khí đầu tiên trên thế giới.

Năm 1901, đã xuất hiện công trình mang tính đột phá khi có thể khống chế được nhiệt độ dưới 28 o C mà vẫn đảm bảo độ ẩm thích hợp, công trình này đã được khánh thành tạị Monte Carlo trong một phòng hòa nhạc.

Năm 1911 đã đánh dấu một cột mốc quan trong trong kỹ thuật điều hòa không khí vàCarrier chính là người đã đặt nền móng đầu tiên Định nghĩa về điều hòa không khí cùng với ẩm đồ của không khí ẩm đã được Carrier lần đầu xây dựng và cắt nghĩa, đặc biệt hơn cả là việc xây dựng cơ sở lý thuyết vô cùng chặt chẽ cho các phát minh, thiết kế và chế tạo các loại thiết bị cho hệ thống điều hòa không khí.

Qua đó, ta nhận thấy điều hòa không khí đã hình thành và phát triển cùng với lịch sử rất lâu đời mà cho đến ngày nay lại càng tiến bộ, phát triển vượt trội Cùng với nhu cầu sử dụng của con người trong các nhà hàng, khách sạn, nhà trường, văn phòng… và vai trò quan trọng không kém của điều hòa không khí là phát triển các ngành kinh tế khác Như vậy, thông qua việc điều hòa không khí ngày một phát triển mà đời sống của con người trong thời đại công nghiệp hóa luôn được đảm bảo tốt nhất và hiệu quả nhất về nhu cầu sử dụng ngoài ra nó còn đóng một vai trò quan trọng cho các ngành công nghiệp cũng như nông nhiệp, dịch vụ….

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

Định nghĩa của khách sạn đặc trưng, kích thước và sự tiện nghi nhiệt

2.2.1 Định nghĩa khách sạn đặc trưng, kích thước tiêu chuẩn:

* Định nghĩa khách sạn đặc trưng:

Khách sạn trong tiếng anh là Hotel - là cơ sở cung cấp các dịch vụ ngủ nghỉ hay người trong ngành sẽ gọi đó là dịch vụ lưu trú Ngoài ra, các khách sạn còn phục vụ một số dịch vụ khác như là: dịch vụ ăn uống, dịch vụ giải trí…cho khách khi lưu trú qua đêm.

Và thông thường, các khách sạn sẽ được xây dựng tại các địa điểm thu hút khách du lịch.

-Tùy vào mục đích sử dụng và kinh doanh thì có thể chia khách sạn theo 2 nhóm chính: + Theo vị trí địa lí

+ Theo mức cung cấp dịch vụ.

Thuật ngữ thường được sử dụng trong lĩnh vực khách sạn:

1: Single bed room – Là loại buồng phòng có 1 giường dành cho 1 khách ở.

2: Double bed room – Là loại buồng phòng có 1 giường lớn dành cho 2 khách ở,

Do mục đích của bài luận văn là nghiên cứu, khảo sát sự điều hòa không khí trong 1 phòng khách sạn đặc trưng Vì thế để bài nghiên cứu này sát với các bài báo khoa học hơn và quá trình tính toán mô phỏng của bài toán nhanh và chính xác hơn thì nhóm quyết định chọn mô hình Single Bed Room là loại phòng có 1 giường dành cho khách du lịch

* Kích thước của một phòng khách sạn tiêu chuẩn:

Hình 2.6 TCVN 4391:2015 về khách sạn

Với loại phòng Single Bed Room, dựa theo TCVN 4391:2015 [5] với kiểu phòng khách sạn 4 sao thì phòng có diện tích sẽ là từ 21 2

Dựa vào bài báo khoa học số [1] và [2] với kích thước của hai mô hình trên là hoàn toàn phù hợp theo tiêu chí của TCVN 4391:2015 [5], đây được coi là một sự thuận lợi cho nhóm khi chọn mô phỏng theo kích thước này.

2.2.2 Định nghĩa sự tiện nghi nhiệt [9]

Qua sự tìm hiểu từ các nguồn trên internet, để hiểu đầy đủ nhất về “sự tiện nghi nhiệt” nhóm đã quyết định chọn định nghĩa từ wikipedia để coi đây là một phần mục tiêu mà nhóm cần đạt được khi mô phỏng điều hòa không khí cho phòng khách sạn.

Sự tiện nghi nhiệt là điều kiện mà tâm trí con người cảm thấy thoải mái, hài lòng về nhiệt độ môi trường và có thể theo đánh giá khách quan theo tiêu chuẩn (ANSI/ASHRAE Standard 55) Cơ thể con người liên tục hoạt động nên điều này sẽ dẫn đến việc con người cũng sẽ thải nhiệt ra môi trường xung quanh Sự truyền nhiệt này tỉ lệ thuận với các điều

9 kiện nhiệt độ khác nhau Khi ở trong môi trường có nhiệt độ thấp, cơ thể con người sẽ thải ra nhiều nhiệt hơn và ngược lại điều này dẫn đến việc sẽ không đạt được sự thoải mái về nhiệt độ Để duy trì sự thoải mái này thì đây là một mục tiêu rất quan trọng cho các kỹ sư thiết kế hệ thống điều hòa không khí.

* Các yếu tố ảnh hưởng

Có 6 yếu tố được xem xét ảnh hưởng tới cảm giác tiện nghi nhiệt bao gồm:

1 Tỉ lệ trao đổi chất (met): Tỉ lệ lượng calo mà con người đốt cháy trong một khoảng thời gian nhất định.

2 Mức độ cách nhiệt quần áo (clo): Mức độ cách nhiệt của quần áo

3 Nhiệt độ không khí: Nhiệt độ không khí xung quanh cơ thể người

4 Nhiệt độ bức xạ: Tổng lượng nhiệt từ các bề mặt xung quanh chiếu vào cơ thể con người.

5 Tốc độ không khí: Tốc độ các dòng khí di chuyển xung quanh cơ thể con người

6 Độ ẩm tương đối: Phần trăm hơi nước trong không khí

Hình 2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tiện nghi nhiệt

Chỉ số PMV – Chỉ số dự đoán cảm giác nhiệt trung bình [6]

Chỉ số PMV đề cập đến một thang nhiệt độ từ -3 (Lạnh), -2 (Mát), -1 (Hơi mát), 0 (Bình thường), +1 (Hơi nóng), +2 (Nóng), +3 (Rất nóng), ban đầu do Franger phát triển và sau đó được áp dụng như một tiêu chuẩn ISO.

Từ các dữ liệu thí nghiệm một mô hình toán học về mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường và sinh lý thực nghiệm đã được suy ra Kết quả liên quan tới những mức độ của 6 yếu tố ảnh hưởng tiện nghi với nhau qua các nguyên lý cân bằng nhiệt từ đó đưa ra thang mức độ tiện nghi nhiệt như bảng 2.1

Bảng 2.1: Thang mức độ tiện nghi nhiệt theo PMV

Giá trị Mức độ tiện nghi

Mức độ tiện nghi cho phép được khuyến nghị theo tiêu chuẩn ASHRAE 55 nằm trong khoảng -0,5 đến +0,5 cho không gian trong nhà.

TA CÓ THỂ TÍNH CHỈ SỐ PMV THEO CÔNG THỨC SAU [6]

= 35,7 − 0,028(M − W) − I cl {3,96 × 10 −8 f cl × [(t cl + 273) 4 − (⃗⃗t r + 273) 4 ] − f cl h c (t cl − t a )}

PMV: chỉ số dự đoán trung bình theo phiếu đánh giá

M: mức chuyển hóa, tính bằng oát trên mét vuông trên diện tích da (W/m 2 da)

W: năng lượng do hoạt động bên ngoài, W/m 2 (xấp xỉ bằng 0 với hầu hết các hoạt động);

Icl: nhiệt trở của quần áo, m 2 o C/W f cl : tỉ lệ diện tích da được che phủ bởi quần áo trên diện tích da không được che phủ; t a : nhiệt độ không khí, o C;

: nhiệt độ bức xạ trung bình, o C;

: vận tốc chuyển động tương đối của không khí (tương đối với cơ thể người), m/s; p a : áp suất hơi nước riêng phần, Pa; h c : hệ số truyền nhiệt do đối lưu, W/m 2 o C; t cl : nhiệt độ bề mặt của quần áo, o C.

Chỉ số PPD - Phần trăm dự đoán không thoải mái (PPD) [7]

Chỉ số PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) là phần trăm dự đoán không thoải mái dự đoán giá trị trung bình của số phiếu đánh giá nhiệt của một nhóm lớn những người cùng tiếp xúc với một môi trường giống hệt nhau Giá trị tiêu chuẩn của PPD quy định nhỏ hơn 10%.

Khi giá trị PMV được xác định, chỉ số PPD có thể xác định từ công thức

Giới thiệu về các bài báo khoa học và thông số ban đầu

2.3.1 Giới thiệu bài báo khoa học số [1]

Hiện nay có rất nhiều bài báo khoa học thực hiện mô phỏng HVAC trong phòng dùng phần mềm ANSYS WORKBENCH và hầu hết là đến từ nước ngoài Để đơn giản chúng ta có thể tìm những từ khóa như: “HVAC simulation in room using CFD”; “CFD in HVAC design”; “HVAC study design for thermal comfort with CFD” trên Google.com sẽ cho rất nhiều kết quả liên quan đến mô phỏng HVAC trong phòng.

Trong bài nghiên cứu này, nhóm em có tham khảo một bài báo cáo với tên đề tài là:

“CFD ANALYSIS OF ROOM WITH AIR CONDITIONER BY USING ANSYS

WORKBENCH” hiểu nôm na theo nghĩa tiếng việt là “PHÂN TÍCH CFD TRONG

PHÒNG VỚI MÁY ĐIỀU HÒA SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS WORKBENCH của một tờ tạp chí tên là JETIR (Viết tắt của Journal of Emerging Technologies and Innovative

Research) tạm dịch là Tạp chí nghiên cứu sáng tạo và công nghệ mới đến từ Ấn Độ với tác giả là Abhinandan Kumar và Bartaria.

Hình 2.8 Mô hình hình học của bài báo [1]

Hình 2.7 là mô hình của một căn phòng với 2 máy điều hòa, trong bài báo [1] được nhắc đến bên trên Các kích thước hình học của mô hình cũng như các thông số đầu vào sẽ được tham khảo và thiết kế giống nhau để tạo ra mô hình phục vụ cho bài nghiên cứu này, bên cạnh đó để phù hợp với đề tài nhóm cũng thêm vào đó một số mô hình của giường, bàn; ghế, tivi để sát hơn so với thực tế và sẽ được đề cập chi tiết tại chương 4.

Bảng 2.2: Kích thước của phòng bài báo [1]

Tham số Kích thước Đơn vị

Bên cạnh đó, đối với mô hình 2 máy điều hòa trong bài báo cáo [1] thì các thông số đầu vào của vận tốc, nhiệt độ phòng, nhiệt độ đầu vào của không khí được thể hiện theo bảng bên dưới Các thông số này cũng sẽ được tham khảo để phục vụ bài nghiên cứu này.

Bảng 2.3: Các thông số đầu vào của bài báo [1]

Tham số Giá trị Đơn vị

Ngoài bài báo được nhắc đến bên trên, nhóm em cũng có tham khảo thêm một bài báo liên quan khác sau đó kết hợp, đưa ra sự so sánh để tăng độ chính xác hơn cho bài nghiên cứu và mô phỏng của nhóm.

2.3.2 Giới thiệu bài báo khoa học số [2]

Bài báo số [2] đến từ Trường Đại học Công nghệ Sofia (Trung tâm Nghiên cứu và Thiết kế về Sự thoải mái cho con người, Năng lượng và Môi trường) của 3 tác giả: Geogre Pichurov, Peter Stankov, Detelin Markov Bài báo này đề cập đến sự thoải mái của con người khi ngồi làm việc trong phòng và từ đó kiểm soát, đưa ra sự thay đổi thích hợp.

Khác với bài báo được nhắc đến đầu tiên, bài báo thứ hai sẽ mô phỏng một văn phòng với một máy điều hòa và cửa sổ được đặt ở phía Tây (đây cũng được cân nhắc là một nguồn nhiệt bởi vì bức xạ của Mặt trời) Kích thước của mô hình văn phòng này được đề cập theo bảng 2.4

Bảng 2.4: Kích thước của văn phòng của bài báo [2]

Tham số Kích thước Đơn vị

Cũng như bài báo đầu tiên, bài báo tham khảo thứ hai này cũng chọn những tham số vật lý để làm đối tượng để khảo sát như: vận tốc, nhiệt độ, áp suất và thêm vào đó là góc mở của điều hòa Các tham số này được đề cập theo bảng 2.5.

Bảng 2.5: Các thông số đầu vào của bài báo [2]

Tham số Giá trị Đơn vị

Góc mở của điều hòa 60°

Các thông số khác cũng được nhắc đến trong bài như mật độ dòng nhiệt qua vách

(263 W), qua cửa sổ (1655 W), nhiệt tỏa ra từ người (80 W), từ vi tính (100 W) cũng là một yếu tố quan trọng khi chạy bài toán mô phỏng vì đây là điều kiện biên (BoundaryConditions) quyết định đến độ chính xác của bài mô phỏng.

Hình 2.9 Mô hình hình học của bài báo [2]

Kết luận

Dựa vào nội dung trình bày ở chương 2 này, nhóm rút ra kết luận để đánh giá được sự tiện nghi về nhiệt thì cần có rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, nhiệt độ không khí, nhiệt độ bức xạ, … nên chỉ số PMV theo Tiêu chuẩn ISO7730-1993 là đáng tin cậy để tham khảo.

Nhiệt độ tiện nghi nhất là vào khoảng 24°C ÷ 28°C bên cạnh chỉ số PMV này thì nhóm cũng tham khảo thêm TCVN5687:2010 thì sự tiện nghi nhiệt được thể hiện vào mùa đông và mùa hè theo bảng dưới đây.

Vì đề tài của nhóm em là mô phỏng trong phòng khách sạn nên nhóm sẽ lựa chọn trạng thái nghỉ ngơi tĩnh và theo tiêu chuẩn này vào mùa đông thì nhiệt độ là từ 22°C ÷ 24°C sẽ là tiện nghi nhất, còn vào mùa hè là từ 25°C ÷ 28°C là tiện nghi nhất.

Kết hợp những điều bên trên lại thì vùng khảo sát nhiệt độ của nhóm sẽ là từ 21°C đến 28°C, vận tốc sẽ thay đổi từ 2-5 m/s theo bài báo cáo thứ 2 này đến từ Trường Đại học Công nghệ Sofia (Trung tâm Nghiên cứu và Thiết kế về Sự thoải mái cho con người, Năng lượng và Môi trường) của 3 tác giả: Geogre Pichurov, Peter Stankov, Detelin Markov.

Bảng 2.6 Các thông số tính toán của không khí bên trong nhà dùng để thiết kế ĐHKK đảm bảo điều kiện tiện nghi về nhiệt [8]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG CFD

Khái niệm về mô phỏng CFD

Mô phỏng CFD (hay còn được gọi là Mô phỏng tính toán động lực học dòng chảy) là một phần của cơ học lưu chất sử dụng phương pháp số để phân tích và giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động của lưu chất (khí, lỏng).

Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hình toán học thì bao gồm:

Hình 3.2 Những mô hình CFD căn bản thường gặp

Khái quát qui trình mô phỏng CFD

Mặc dù những qui trình mô phỏng trong CFD chưa có bất cứ tiêu chuẩn nào cụ thể nhưng tham khảo ở các tài liệu nội bộ của phòng thí nghiệm Los Alamos (USA) và căn cứ vào kinh nghiệm thì quy trình mô phỏng CFD có thể chia thành 2 loại chính:

+ Qui trình cơ bản cho người dùng

+ Qui trình nâng cao cho các kĩ sư

3.2.1 Qui trình cơ bản cho người dùng: Để cho người dung có thể dễ dàng sử dụng và thực hiện trong công việc mô phỏng CFD thì ta có thể kể đến quy trình cơ bản của CFD gồm các bước như sau:

(2) Đơn giản hóa hình học,

(3) Chia lưới – (hay còn được gọi là rời rạc hóa miền tính toán)

(4) Thiết lập thông số cho mô hình,

(6) Sử dụng các phương pháp số để kiểm tra tính hội tụ,

(7) Mô phỏng cho nhiều trường hợp khác nhau mà người dùng cần khảo sát,

(8) Phân tích kết quả mô phỏng,

Hình 3.3 Qui trình mô phỏng CFD cơ bản cho người sử dụng

3.2.2 Qui trình nâng cao cho các kĩ sư:

Quy trình này được kết hợp từ quy trình mô phỏng cơ bản và các quy trình đánh giá mô hình CFD (assessment) như: Kiểm tra (verification) cùng với Kiểm nghiệm (validation).

* Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD:

Bản chất của các phương trình toán học (mathematical model) thì thường được áp dụng trong các mô hình, nhưng để giải được các mô hình trên máy tính thì lại phải sử dụng các phương pháp số (numerical method).

Mục đích quan trọng của quy trình kiểm tra mô hình CFD là nhằm hạn chế tối đa các sai số mà phương pháp số gây ra Việc kiểm tra mô hình CFD còn có thể hiểu chung là:

(1) Kiểm nghiệm lưới (mesh-independent test),

(2) Kiểm tra và sàng lọc các lỗi xuất hiện trong các thuật toán (bugs),

(3) Phương pháp tính (numerical scheme)

* Quy trình kiểm nghiệm (validation) trong mô hình CFD:

Với mục đích chính là so sánh kết quả của mô hình CFD với các kết quả ngoài thực tế thì quy trình kiểm nghiệm còn được sử dụng trong hầu hết và đa số các bước phát triển mô hình Quy mô của kiểm nghiệm trong mô hình CFD còn có thể hiểu là:

(1) Kiểm nghiệm hay khảo sát một phần hệ thống với điều kiện giới hạn

(2) Kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống với điều kiện thực tế,

(3) Kiểm nghiệm các thông số khác nhau thông qua các dải điều kiện làm việc khác nhau,

(4) Kiểm nghiệm thời gian thực Nếu kiểm nghiệm trong một quy mô càng toàn diện ứng với nhiều thông số được kiểm nghiệm thì mức độ tin cậy của mô hình càng lớn cùng với sự chính xác càng cao.

Hình 3.4 Qui trình kiểm nghiệm CFD

3.3 Một số ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD trong đời sống [10]

* Công nghiệp hàng không và vũ trụ

Một trong những ngành công nghiệp đầu tiên đã được ứng dụng mô phỏng CFD, với ứng dụng tiêu biểu nhất đó là mô phỏng để khảo sát các thông số cho sự tối ưu của biên dạng cánh nâng (airfoil).

Hình 3.5 Mô phỏng để tối ưu biên dạng cánh nâng (airfoil)

* Công nghiệp sản xuất ô tô:

Với các ứng dụng đặc trưng nhất của mô phỏng CFD trong công nghiệp sản xuất ô tô có thể nói đến là mô phỏng lực cản tại vỏ xe ô tô cũng như mô phỏng phản ứng đốt cháy trong động cơ, đã góp phần quan trọng các nghiên cứu và sự phát triển cho các hãng xe nổi tiếng như: Tesla, BMW, Mercedes…

Hình 3.6 Mô phỏng phản ứng đốt cháy trong động cơ

Có thể biết đến với một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất của CFD là mô phỏng để đánh giá các chỉ số tiện nghi đối với con thể con người trong và ngoài tòa nhà, ngoài ra CFD còn có thể mô phỏng và tối ưu hóa các hệ thống thông gió (ventilation), điều hòa không khí (air conditioning) hay hệ thống sưởi ấm (heating), và đặc biệt là các hệ thống làm lạnh.

* Hệ thống công nghiệp hóa chất và dầu khí:

Ngoài việc mô phỏng được các tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt và các hệ thống ống nối thì CFD còn mô phỏng được các thiết bị phản ứng (khuấy trộn CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubble column…).

Hình 3.7 Mô phỏng thiết bị phản ứng

Các loại tua bin, máy nén, bơm, quạt, và các thiết bị phân tách kiểu ly tâm (cyclone), phân tách kiểu pha, vả các thiết bị trao đổi nhiệt đã được ứng dụng rất nhiều trong mô phỏng CFD.

* Công nghệ y sinh và dược phẩm:

CFD có những ứng dụng quan trọng trong công nghệ y sinh và dược phẩm như mô phỏng để thiết kế các thiết bị vi dòng chảy (microfluidics), vi khuấy trộn (micromixing), đặc biệt hơn là CFD còn mô phỏng được dòng chảy trong mạch máu.

Hình 3.8 Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD Hạn chế của CFD:

- CFD chỉ giải quyết bài toán dựa trên mô hình đã xây dựng từ trước, mỗi bài toán chỉ đúng với mỗi mô hình khác nhau Dĩ nhiên việc xây dựng sai mô hình sẽ dẫn đến sai lệch về kết quả bài toán.

- CFD luôn có sai số do mô hình toán, sai số khi tạo mô hình và chọn bài toán, thậm chí sai số bởi khả năng tính toán của máy.

Ứng dụng và lợi ích của việc mô phỏng CFD vào HVAC

Việc dùng các công thức tính toán hoặc sự dụng sổ tay hướng dẫn có thể không chính xác đối với các thiết bị trong hệ thống HVAC, qua đó làm giảm hiệu suất tiêu thụ và tăng chi phí vận hành Do vậy CFD được ứng dụng để kiểm tra lại thiết kế trước khi tiến hành thi công.

Kết quả của việc sử dụng sổ tay hay các công thức ước lượng có thể không chính xác đối với các thiết bị trong hệ thống HVAC, qua đó làm tăng chi phí vận hành và làm giảm hiệu suất tiêu thụ năng lượng Do vậy cần phải có một công cụ kiểm chứng lại thiết kế trước khi thi công thực tế Để kiểm chứng thiết kế, các kỹ sư có thể làm mô hình thí nghiệm hoặc chạy mô phỏng CFD trong điều kiện vận hành thực tế.

Hình 3.9 Lợi ích mô phỏng CFD-HVAC

Hình 3.10 Mô phỏng CFD thường gặp trong HVAC

3.4.1 Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong HVAC

Thông thường các tính toán, ước lượng rất khó đáp ứng được các chỉ tiêu tiện nghi của con người trong không gian sống nên đây là vấn đề mà CFD có thể giải quyết được.

✓ Tính toán phân bố tiện nghi nhiệt, kiểm tra lại thiết kế ban đầu.

✓ Tìm được vị trí không đảm bảo sự tiện nghi, kiểm tra lại các chỉ số ảnh hưởng đến chỉ số tiện nghi và đưa ra hướng khắc phục.

Hình 3.11 Phân bố nồng độ CO2 và tiện nghi về nhiệt

3.4.2 Mô phỏng phân tích dòng chảy trong HVAC

Bên cạnh việc giải quyết được bài toán về tiện nghi nhiệt thì CFD có thể mang lại những giá trị to lớn trong thiết kế như tính toán thông gió, sự phát tán bụi gây ô nhiễm, hệ thống phòng cháy và chữa cháy.

✓ Dự báo được các sự cố có thể xảy ra, kiểm nghiệm các phương án khắc phụ, xử lý những lỗi trong thiết kế.

✓ Tối ưu hóa hệ thống, giải quyết và xử lý bụi và khí độc và hệ thống phòng cháy chữa cháy.

✓ Đánh giá tác động của những yếu tố ngoài nhà như (Ví dụ bức xạ mặt trời, ô nhiễm khí độc) đến những chỉ số tiện nghi trong nhà

✓ Kiểm tra lại hiệu suất thông gió và thiết kế ban đầu.

Hình 3.12 Ứng dụng của CFD trong thiết kế hệ thống thông gió cưỡng bức (màu đỏ thể hiện vị trí có hiệu suất thông gió kém nhất)

3.4.3 Mô phỏng tối ưu hóa thiết bị HVAC Đối với các thiết bị trong hệ thống HVAC thì mô phỏng CFD có thể đưa ra dự đoán về hiệu suất làm việc, thời gian làm lạnh, độ ồn từ đó mang lại phương án tối ưu cho nhà sản xuất và các kỹ sư.

✓ Phát hiện những yếu tố tiềm ẩn ngay trong trong bước đầu của thiết kế.

✓ Thiết kế mô hình thiết bị HVAC sẽ được tối ưu và nâng cao hiệu suất

✓ Đánh giá và thử nghiệm các giải pháp nâng cao để cải tiến hệ thống thông gió, miệng gió.

Hình 3.13 Thiết kế ống gió bằng mô phỏng CFD

3.4.4 Mô phỏng tối ưu hóa năng lượng

Tối ưu hóa hệ thống là vấn đề mà các kĩ sư và nhà sản xuất luôn quan tâm nên CFD là một công cụ thích hợp cho việc kiểm tra lại bằng cách thay đổi các điều kiện mô phỏng:

✓ Kiểm chứng các thiết kế tối ưu hóa sử dụng năng lượng.

✓ Tăng hiệu quả sử dụng bằng cách giảm đi những phần không cần thiết.

Hình 3.14 Tối ưu hóa cách bố trí dàn nóng của hệ thống điều hòa không khí

Giới thiệu phần mềm hỗ trợ mô phỏng

ANSYS là phần mềm dùng để mô phỏng, kiểm tra nhiều thiết kế và ứng dụng thực tế dựa trên việc chia lưới ANSYS Fluent được sử dụng làm bộ giải để xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, vận tốc lên cơ thể người.

ANSYS Fluent được lập trình theo các phương trình cơ bản của dòng chất lỏng. Đó là các phương trình Navier-Stokes, Bernoulli hay Euler Các thông số trong cài đặt chính giúp chúng ta khép kín được các ràng buộc để ansys tính toán ANSYS Fluent chứa các Part chúng ta có thể thiết kế mô hình 2D, 3D hoặc chuyển đổi từ các phần mềm khác vô cùng linh hoạt Từ đó chúng ta có thể biết được vận tốc, nhiệt độ, áp suất cũng như quỹ đạo chuyển động và ảnh hưởng của các biên dạng lên dòng chảy Đồ thị ANSYS xuất ra hỗ trợ tối đa cả về định tính và định lượng.

ANSYS Design Modeler và ANSYS Meshing là hai mô-đun quan trọng mà chúng ta khi bắt đầu làm việc với ANSYS phải tiếp xúc với nó, đầu tiên là tạo mô hình hình học của đối tượng bằng ANSYS Design Modeler, sau đó tiến hành chia lưới bằng ANSYS Meshing Cuối cùng là mô-đun CFD Post, mô-đun này dùng để xử lí kết quả của mô phỏng, cũng chính là bước cuối cùng khi thực hiện mô phỏng với ANSYS.

Trong cả 4 mô-đun ở trên mô-đun chúng ta cần phải quan tâm và sử dụng trong bài mô phỏng, đều nằm trong phần mềm ANSYS Workbench hay thường được mọi người gọi tắt là WB tức Workbench Trên nền tảng Workbench cho chúng ta nhiều sự lựa chọn khác nhau, phiên bản hiện tại được dùng để mô phỏng là phiên bản Workbench 19.2.

Hình 3.15 Giao diện của ANSYS Workbench 19.2

Trong giao diện ANSYS Workbench 19.2 có nhiều lựa chọn khác nhau như Design Assessment, Electric, Fluid flow (Fluent), Transient Thermal,… Hiện tại phần mềm chúng ta cần quan tâm là Fluid Flow (fluent) để thực hiện mô phỏng hệ thống điều hòa không khí trong phòng.

Hình 3.16 Giao diện của Fluid Flow (fluent)

Trên hình giao diện của phần mềm khá đơn giản, dễ dàng thấy được để tiến tới quy trình mô phỏng hoàn chỉnh cần thực hiện các bước thử tự như trên hình, đầu tiên là tạo khối Geometry, chúng ta có thể thực hiện trực tiếp trên giao diện Workbench hoặc lựa chọn import nhập mô hình chúng ta đã tạo trước đó trên các phần mềm khá ví dụ như Solid Work,…

Hình 3.17 Giao diện của Geometry Design Modeler

Geometry thực hiện tạo mô hình trên không gian 3D với 3 mặt phẳng lựa chọn XY- Plane, ZX-Plane, YZ-Plane Giao diện trên geometry được thiết kế tối giản hóa với các lệnh được mô tả bằng hình ảnh trực quan để người dùng dễ nắm bắt, tuy nhiên nhược điểm của nó là không thể trả về Undo và Redo đối với một số trường hợp tạo khối mà muốn trả về chỉnh sửa là không được bắt buộc chúng ta phải xóa đi và tạo mới lại.

Tiếp sau phần tạo geometry trên giao diện workbench là phần tạo lưới Mesh Cũng tương tự như Geometry giao diện Mesh được tối ưu hóa dễ nhìn cho người sử dụng.

Hình 3.18 Giao diện của phần tạo lưới Mesh Để tạo lưới trước đó cần tạo geometry hoặc nhập geometry đã vẽ từ phần mềm khác vào sau đó mới có thể thực hiện được tạo lưới, ngoài việc tạo lưới trên màn hình chính workbench chúng ta cũng có thể dùng một trong những module của ANSYS là ICEM-CFD để tạo lưới tuy nhiên chúng ta sẽ tạo lưới ngay trên Workbench sẽ đơn giản hơn.

Hình 3.19 Giao diện của Fluent Launcher khi mở Setup

Tiếp đến là phần Setup và Solution, nơi điều chỉnh và nhập các thông số liên quan tới geometry như chất liệu, vận tốc, nhiệt độ,… cũng như đưa ra kết quả số liệu sau khi thực hiện mô phỏng.

Trong phần giao diện chính của phần Setup chúng ta có một số phần cần quan tâm đến như general dùng thiết lập thống số và phương pháp khi mô phỏng , lệnh model nhằm thiết lập, lựa chọn bài toán sử dụng cho mô phỏng như laminar, k-epsilon,…

- Mục Materials: thiết lập loại chất liệu được dùng dựng mô hình và dòng chất lỏng.

- Mục Cell Zone Condition: gán loại vật liệu được sử dụng đã thiết lập ở mụcMaterials.

- Mục Boundary Condition: thiết lập các thông số đầu vào và ra (hay còn gọi là điều kiện biên).

Hình 3.20 Giao diện chính khi thực hiện Setup

- Mục Solution đưa ra các sự lựa chọn về phương pháp tính toán và thiết lập cũng như đưa ra kết quả số học sau khi thực hiện tính toán xong.

Hình 3.21 Giao diện của mục Solution

Hình 3.22 Giao diện chính của CFD POST

Phần cuối cùng là Result được tạo riêng trên phận mềm CFD POST nơi trình bày kết quả sau khi giải quyết các vẫn đề trên và được trình bày bằng hình ảnh mô phỏng hoàn chỉnh về nhiệt độ, vận tốc, cũng như xuất số liệu ra dạng số và dạng biểu đồ,…

Các bước thực hiện mô phỏng

Quy trình làm 1 bài toán mô phỏng CFD gồm 7 bước chính:

- Xác định mục tiêu của bài toán mô phỏng và lựa chọn scale, lựa chọn domain.

- Lặp lại bước 3, 4 và 5 đến khi kết quả không thay đổi hoặc gần như giống nhau với số lượng lưới khác nhau (mesh independent test).

3.6.1 Quy trình xác định mục tiêu của bài toán mô phỏng

Sẽ là vấn đề cần quan tâm đối với bài toán đa pha, đa pha có phản ứng, đa pha có truyền nhiệt khi máy tính quá yếu.

- Xác định mục tiêu của bài toán.

- Lựa chọn 1 scale (hoặc nhiều scale - multisacle) phù hợp với mục đích.

-Phân tích lựa chọn domain (2D, 2D symmetry, 2D axis-symmetry, 3D, 3D đối xứng 1/2, 3D đối xứng 1/4, hoặc domain cho dòng kiểu periodic) dựa vào tính chất của bài toán trong thực tế, điều kiện máy tính để chạy mô phỏng, thời gian tới deadline,

3.6.2 Quy trình chuẩn bị hình học:

-Chuẩn bị hình học đầy đủ (Có thể là vẽ bằng phần mềm 2D, 3D bất kì như Solidworks, Inventer, CAD, , hoặc bản vẽ trên giấy, hoặc tưởng tượng trong đầu).

-Phân tích những chỗ, vật thể, trong hình học đầy đủ mà những cái đó có ảnh hưởng rất ít, hoặc không ảnh hưởng đến mục đích của bài toán mô phỏng (ví dụ như bề dày của tấm chắn dày 1 mm gần như không ảnh hưởng đến việc thay đổi hướng của dòng, )

-Đơn giản hóa hình học bằng cách bỏ đi những chỗ ở bước 2 (Ví dụ như sử dụng bề dày tấm chắn bằng 0 mm, )- Kết hợp với xử lý hình học (làm sơ bộ đối với hình học phức tạp, có thể xử lý hoàn toàn đối với hình học đơn giản): Xóa các mặt, đường thừa, trùng nhau, overlap, (Tuy nhiên các phần mềm 2D, 3D hầu như không xử lý đc 100%, nên cần có bước xử lý hình học nằm bên trong các phần mềm chia lưới hoặc phần mềm chuyên xử lý hình học cho mô phỏng) Hình học cần đảm bảo dòng đi liên tục theo đúng yêu cầu thực tế.

3.6.3 Quy trình xử lý hình học:

Loại bỏ mặt và đường thừa, trùng nhau.

- Có thể dùng SpaceClaim để làm việc này (Modul này hoàn toàn sử dụng để làm bước chuẩn bị hình học), hoặc lựa chọn các option trong phần mềm chia lưới như ICEM-CFD, Ansys meshing, Fluent meshing.

3.6.4 Quy trình chia lưới: Gồm 6 bước chính

- Bước 1: Xác định và đặt đúng loại boundary condition cho từng mặt, đường, Bước này có thể nằm sau bước 4 đối với các phần mềm khác nhau.

- Bước 2: Xác định và đặt đúng loại bounday condition cho zone (fluid, solid, ) Bước này có thể kết hợp với bước chuẩn bị hình học để tạo zone nếu khó thực hiện ở đây Bước này có thể nằm sau bước 4 đối với các phần mềm khác nhau.

- Bước 3: Xác định loại lưới sẽ sử dụng (tetrahedral, hexaherdal, polyhedral, ), tính toán lớp inflation nếu cần, xác định chỗ nào sẽ xuất hiện gradient thay đổi lớn, xác định khu vực nào có ảnh hưởng lớn đến kết quả bài toán.

- Bước 4: Chia lưới Có thể dùng bất kì phần mềm chia lưới nào thuận tiện nhất Trong các modul của ansys thì có ICEM-CFD, Ansys meshing, Fluent meshing ICEM-CFD mạnh về chia lưới hexahedral, FLuent meshing mạnh về tất cả các loại Chia lưới sao cho đảm bảo độ dày lớp inflation, chỗ nào có gradient thay đổi lớn và khu vực nào có ảnh hưởng lớn đến kết quả thì cho mật độ lưới lớn.

- Bước 5: Đánh giá lưới Lưới đảm bảo ít nhất 3 yêu cầu chính như sau:

0