Nghiên ứu sự chuyển pha của giọt nước đọng trên cánh máy bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO VĂN KHOA NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CỦA GIỌT NƢỚC ĐỌNG TRÊN CÁNH MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN TRƢỜNG Hà Nội - 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204842211000000 LỜI NÓI ĐẦU Ngành hàng không khẳng định đƣợc tầm quan trọng phát triển xã hội ngày nay, kéo theo phát triển kinh tế, cơng nghệ đại tồn giới Việc nghiên cứu tƣợng xảy hàng không không đủ Đề tài “Nghiên cứu chuyển pha giọt nước đọng cánh máy bay”, đề tài mới, thiết thực vấn đề cốt lõi tƣợng băng đá xuất máy bay Luận văn cho thấy đƣợc vai trò tƣợng ngành hàng không, mở rộng phƣơng pháp mô số ứng dụng cho tƣợng nghiên cứu đóng góp phần cho khoa học Với kiến thức nhƣ kinh nghiệm nghiên cứu hạn chế, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy cô Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy giáo thuộc Viện Cơ khí Động lực, trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt TS Vũ Văn Trƣờng tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức động viên, giúp đỡ em suốt thời gian hoàn thành đề tài Nghiên cứu đƣợc tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.03-2017.01 Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN Tôi – Đào Văn Khoa – Cam kết Luận văn Thạc sỹ khoa học cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn TS.Vũ Văn Trƣờng Các kết nêu Luận văn Thạc sỹ trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Luận văn Đào Văn Khoa XÁC NHẬN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn TS VŨ VĂN TRƢỜNG Mục lục MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ảnh hƣởng băng đá ngành hàng không 1.2 Các loại băng đá hình thành máy bay 1.3 Một số phƣơng pháp chống phá băng máy bay 1.4 Tình hình nghiên cứu tốn hóa rắn giọt nƣớc bề mặt lạnh .11 CHƢƠNG 2: MÔ PHỎNG HIỆN TƢỢNG 16 2.1 Bài tốn mơ .16 2.2 Các phƣơng trình tốn học giải tốn mô 18 2.3 Phƣơng pháp số thông số đầu vào 20 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ 25 3.1 Nghiên cứu độ hội tụ lƣới 25 3.2 Đánh giá phƣơng pháp: 28 3.3 Kết thảo luận 29 CHƢƠNG 4: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 47 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Cp [J/(kg.K)] Nhiệt dung đẳng áp g [m/s2] Gia tốc trọng trƣờng I [-] k [W/(m.K)] Lh [J/kg] Nhiệt ẩn chuyển pha σ [N/m] Hệ số căng bề mặt n [-] p [N/m2 ] Áp suất q [W/m 2] Thông lƣợng nhiệt T [K] Nhiệt độ R [m] Bán kính tƣơng đƣơng Rw [m] Bán kính ƣớt t [s] Thời gian u [m/s] Véc tơ vận tốc Vn [m/s] Tốc độ hóa rắn x [m] Véc tơ vị trí δ [m-3 ] Hàm delta ϕ0 [°] Góc tiếp xúc ban đầu hạt nƣớc với lạnh gr [°] Góc phát triển [1] μ [Pa.s] ρ [kg/m-3 ] τ θ [-] [-] Thời gian không thứ nguyên Nhiệt độ không thứ nguyên [-] CHỈ SỐ DƢỚI Lạnh c Ý nghĩa Hàm thị Hệ số dẫn nhiệt Véc tơ pháp tuyến đơn vị Độ nhớt động lực học Khối lƣợng riêng f [-] Biên pha g [-] Pha khí l [-] Pha lỏng m [-] Tan,chảy s [-] Pha rắn Danh mục hình ảnh Hình 1: Băng đá hình thành máy bay [2] Hình 2: Các hạt nước khơng khí [3] Hình 3: Hạt nước nhỏ đọng bề mặt lạnh [4] Hình 4: Băng đá hình thành máy bay [9] Hình 5: Băng đá máy bay – Rime ice [10] Hình 6: Băng đá máy bay – Clear ice [9] Hình 7: Phá băng máy bay sân đỗ [12] Hình 8: Chống phá băng khí nóng [13] 10 Hình 9: Phá băng khí nén [14] 10 Hình 10: Hạt nước sau hóa rắn nhiệt độ phịng [13] 11 Hình 11: Q trình đóng băng giọt nước đĩa lạnh (T = -20 ° C) [16] 12 Hình 12: Hình dạng giọt nước đá theo thời gian nhiệt độ bề mặt thử nghiệm thiết lập T w = -2°C [19] 13 Hình 13: Hạt nước với bán kính tương đương R 16 Hình 14: Hạt nước bề mặt lạnh: (a) Thí nghiệm [16], (b) mơ hình tính tốn 17 Hình 15: Mơ hình hóa toán 21 Hình 16: Hình dạng ban đầu giọt nước với góc tiếp xúc bề mặt lạnh khác 23 Hình 17: Cấu trúc lưới vùng gần đường ba pha 25 Hình 18: Sự biến đổi theo thời gian chiều cao trung bình biên chuyển pha (tính từ bề mặt lạnh) H s (b) biến đổi theo thời gian số Nusselt trung bình ứng với ba lưới khác 26 Hình 19: Sự phát triển biên chuyển pha thời điểm khác trình chuyển pha tính tốn lưới khác 27 Hình 20: So sánh mô (trái) thực nghiệm (phải [29]) hạt nước đóng băng 28 Hình 21: Sự phát triển theo thời gian trường nhiệt độ vận tốc giai đoạn khác nhau: (a)  = 0.01, (b)  = 0.4 and (c)  = 1.04 30 Hình 22: Sự phát triển theo thời gian độ cao trung bình biên chuyển pha H hạt nước H d , vận tốc phát triển trung bình biên chuyển pha V s, chiều cao na 31 Hình 23: Sự phát triển biên chuyển pha thời điểm khác với đường mức nhiệt độ 33 Hình 24: Sự phát triển theo thời gian trường nhiệt độ vận tốc giai đoạn khác q trình hóa rắn Bo = - 3.0 0= 77 34 Hình 25: Sự phát triển theo thời gian chiều cao trung bình biên chuyển pha (tính từ bề mặt lạnh) H s độ cao hạt nước H d 35 Hình 26: Kết hạt nước hóa rắn  = 0.176 với giá trị số Bond khác 0 = 77 36 Hình 27: Sự ảnh hưởng góc giá trị Bo = -2.5,  = 0.12 37 Hình 28: Sự ảnh hưởng góc 2.5, 0 đến phát triển q trình hóa rắn hạt nước 0 đến phát triển chiều dài hạt nước giá trị Bo = -  = 0.12 38 Hình 29: Biên dạng mặt cắt giọt nước trước hóa rắn (nét đứt) sau hóa rắn (nét liền) 39 Hình 30: Ảnh hưởng góc tiếp xúc 0 số Bond lên biên dạng giọt nước giai đoạn cuối q trình hóa rắn (dấu * tương ứng trường hợp tách hạt) 40 Hình 31: Ảnh hưởng góc tiếp xúc 0 số Bond tới thời gian hóa rắn giọt nước 40 Hình 32: Mơ với trường hợp nhiều hạt nước 43 Hình 33: Mơ với dạng toán 3D, chuyển pha lớp nước bề mặt cánh máy bay 43 s Danh mục bảng Bảng 1: Một số giải pháp chống phá băng [5] Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hình 1: Băng đá hình thành máy bay [2] Băng đá hình thành máy bay (Hình 1) gây ảnh hƣởng lớn đến an toàn bay Đây nguyên nhân gây nhiều vụ tai nạn thảm khốc Nhƣ vậy, đề tài nghiên cứu tƣợng băng đá hóa rắn nƣớc máy bay cần thiết Sự hóa rắn nƣớc xảy cánh máy bay có nhiều dạng khác nhƣ tạo thành lớp rắn màu trắng kết tinh hạt nƣớc đọng cánh (Hình 2) hay tạo thành lớp rắn với màu suốt kết tinh nƣớc mƣa hạt nƣớc mây Hình 2: Các hạt nƣớc khơng khí [3] Trang