Nghiên cứu tự động điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ sử dụng năng lượng tái tạo hybrid sinh khối năng lượng mặt trời

Mục tiêu: Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ vậnhành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID:

SINH KHỐI-NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mã số: T2022-06-18

Chủ nhiệm đề tài: ThS Bùi Văn Hùng

Đà Nẵng, 2023

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K Ỹ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID:

SINH KHỐI-NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mã số: T2022-06-18

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.1 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID 3

1.2 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID ĐIỆN MẶT TRỜI-SINH KHỐI 6

2.1 LÝ THUYẾT CHÁY CỦA HỖN HỢP KHÔNG HÒA TRỘN TRƯỚC 11

2.2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY HỖN HỢP HÒA TRỘN TRƯỚC 22

2.3 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY HÒA TRỘN TRƯỚC CỤC BỘ 29

2.4 TỐC ĐỘ MÀNG LỬA CHẢY TẦNG 30

3.1 ĐỘNG CƠ HONDA GX160 32

3.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN 33

3.2.1 Lựa chọn linh kiện bộ điều khiển 34

3.2.2 Lắp đặt hệ thống điều khiển điện tử cho động cơ 43

3.3 TÍN HIỆU ĐẦU VÀO (CẢM BIẾN HALL ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ) 44

3.4 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 45

4.1 ĐIỀU CHỈNH GÓC ĐÁNH LỬA SỚM ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG HỖN HỢP BIOGAS-HYDROGEN 51

4.1.1 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ 51

4.1.2 Mô hình vật lý điều chỉnh góc đánh lửa sớm 54

4.2 TÍCH HỢP MÔ HÌNH VẬT LÝ PHUN-ĐÁNH LỬA 59

4.3 CẢI TẠO ĐỘNG CƠ 62

4.3.1 Sơ đồ hệ thống cải tạo động cơ 62

4.3.2 Lắp đặt các bộ phận lên động cơ cải tạo 64

4.4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 67

4.4.1 Chuẩn bị nhiên liệu 67

4.4.2 Bố trí hệ thống thí nghiệm 69

4.4.3 Trình tự thí nghiệm 70

4.4.4 Kết quả thí nghiệm 71

4.5 KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 THUYẾT MINH ĐỀ TÀI

HỢP ĐỒNG TRIỂN KHAI THỰC HIỆN

PHỤ LỤC HỢP ĐỒNG

BẢNG DANH MỤC MINH CHỨNG CỦA CÁC SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI

CÁC MINH CHỨNG SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các dạng hệ thống năng lượng tái tạo 4

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống năng lượng tái tạo hybrid năng lượng mặt trời-năng lượng sinh khối 8

Hình 2.1 Quan hệ giữa ffuel, fsec và fox 12

Hình 2.2: Quan hệ giữa ffuel, fsec và psec 13

Hình 2.3 Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f) 17

Hình 2.4 Ví dụ hàm pdf delta kép 19

Hình 2.5 Sự phụ thuộc logic của các đại lượng trung bình i vào f , f '2và mô hình hóa học (hệ thống đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp) 20

Hình 2.6 Sự phụ thuộc logic của đại lượng trung bình i vào f , f '2và H, và mô hình hóa học (hệ thống không đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp) 22

Hình 3.1 Động cơ Honda GX160 32

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện của hộp điều khiển 33

Hình 3.3 Arduino Mega 2560 35

Hình 3.4 Cấu tạo của Arduino Mega 2560 36

Hình 3.5 Module công suất HW532B-LR7843 38

Hình 3.6 Màn hình LCD 39

Hình 3.7 Module hạ áp 12V/5V/3,3V 40

Hình 3.8 Module hạ áp DC-DC 3A LM2596 - B3H13 40

Hình 3.9 Opto PC817 41

Hình 3.10 Module cách ly nguồn B1212LS-1WR2 41

Hình 3.11 Động cơ Servo 9G SG90 42

Hình 3.12 Hộp điều khiển thực tế 43

Hình 3.13 Sơ đồ bố trí hệ thống phun hỗn hợp khí trên đường ống nạp điều khiển điện tử 44

Hình 3.14 Cảm biến Hall NJK-5002CNPN 44

Hình 3.15 Hiệu ứng Hall 45

Hình 3.16 Hệ thống đánh lửa động cơ HONDA GX 160 46

Hình 3.18 (a) IC tích hợp bobbin, (b) đầu chụp bugi đánh lửa 47

Hình 3.19 Cấu tạo bugi 48

Hình 3.20 Hệ thống đánh lửa thực tế 49

Hình 3.21 Kiểm tra vị trí ĐCT 50

Hình 3.22 Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa 50

Hình 4.1 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến biến thiên áp suất (a), nhiệt độ cháy (b) và nồng độ NOx (c) khi động cơ chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu HH1 ở 100% tải, n=3000 vòng/phút, hệ số tương đương =1 51

Hình 4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas M7C3 đến biến thiên tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xi lanh khi động cơ chạy ở tốc độ 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 53

Hình 4.3 Ảnh hưởng của thành phần hydrogen đến biến thiên công chỉ thị chu trình theo góc đánh lửa sớm trong trường hợp động cơ chạy bằng Biogas M7C3 (a), Biogas M6C4 (b) ở tốc độ 3000 vòng/phút, =1, 100% tải 53

Hình 4.4 Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm của động cơ tĩnh tại 55

Hình 4.5 Ảnh chụp mô hình thí nghiệm điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và hộp điều khiển, hộp công suất (b) 55

Hình 4.6 Tín hiệu của cảm biến Hall và tín hiệu đánh lửa khi chưa xử lý nhiễu (a), tín hiệu khi xử lý nhiễu các cổng kết nối bằng tụ điện (b) và tín hiệu sau khi xử lý bằng nguồn cách ly quang học (c) 56

Hình 4.7 Lược đồ chương trình cài đặt vào vi điều khiển để điều chỉnh góc đánh lửa sớm (a) và độ lệch giữa xung tín hiệu Hall và xung đánh lửa (b) 57

Hình 4.8 Mô phỏng thay đổi góc đánh lửa sớm theo hàm lượng hydrogen pha vào hỗn hợp biogas 58

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm thay đổi góc đánh lửa sớm, thời gian phun của động cơ tĩnh tại 60

Hình 4.10 Tín hiệu TDC, tín hiệu điều khiển vòi phun và đánh lửa 61

Hình 4.11 Tín hiệu cảm biến Hall, tín hiệu đánh lửa và tín hiệu phun khi đã xử lý nhiễu mô phỏng theo nhiên liệu biogas M7C3 (a), hỗn hợp 80% biogas M7C3+20% hydrogen 62

Hình 4.12 Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ

tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử 63

Hình 4.13 Tín hiệu phun nhiên liệu (a) và tín hiệu đánh lửa (b) tương đối so với tín hiệu cảm biến Hall 64

Hình 4.14 Lắp đặt các bộ phận cải tạo động cơ 65

Hình 4.15 Sơ đồ đấu dây hộp điều khiển động cơ 66

Hình 4.16 Ảnh chụp mặt trước (a), mặt sau (b) hộp điều khiển động cơ 67

Hình 4.17 Sơ đồ pha trộn hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen 68

Hình 4.18 Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm 69

Hình 4.19 Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm 70

Hình 4.20 Điều chỉnh các mức tải động cơ 71

Hình 4.21 Sơ đồ điều chỉnh góc đánh lửa sớm 71

Hình 4.22 Biến thiên tdl và góc đánh lửa sớm theo tốc độ động cơ 72

Hình 4.23 Biến thiên góc đánh lửa sớm tối ưu φs theo tỉ số H2/CH4 73

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ máy phát điện GX160 32

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 35

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của màn hình LCD 39

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của module hạ áp 12/5/3,3V và LM2596-B3H13 40

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của Opto PC817 41

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật của module B1212LS-1WR2 42

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của động cơ Servo 42

Bảng 4.1: Thành phần mol của nhiên liệu 67

Bảng 4.2: Áp suất riêng phần của các chất trong nhiên liệu 68

RES Hệ thống năng lượng tái tạo (Renewable Energy Systems)MxCy [%mol] Biogas chứa 10x (%) CH4 và 10y (%) CO2 theo

thể tíchMxCy-zH [%mol] Biogas chứa 10x (%) CH4 và 10y (%) CO2 và

z (%) H2 theo thể tích

TK [] Độ theo góc quay trục khuỷu

Mẫu 3 Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp Trường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu tự động điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ sử

dụng năng lượng tái tạo hybrid: sinh khối-năng lượng mặt trời.

- Mã số: T2022-06-18

- Chủ nhiệm: ThS Bùi Văn Hùng

- Thành viên tham gia:

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng

- Thời gian thực hiện: 3/2023 -11/2023

2 Mục tiêu:

Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động

cơ tĩnh tại điều khiển điện tử góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ vậnhành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sinh khối-năng lượng mặt trời

3 Tính mới và sáng tạo:

Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử góc đánh lửa sớm

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

- Cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tạiđiều khiển điện tử góc đánh lửa sớm nhờ bộ điều khiển điện tử ECU đặc thù gồmmột bộ vi điều khiển được cài đặt chương trình kiểm soát hoạt động hệ thống đánhlửa; một cảm biến từ Hall để kích hoạt chương trình trình tính toán các thông số chutrình; một cảm biến xác định vị trí bướm ga; một vòi phun nhiên liệu khí; một cụm

đánh lửa tổ

hợp Các cấu phần của hệ thống được kết nối vào vi điều khiển thông qua mạchcông suất-chống nhiễu.

- Mô hình động cơ tĩnh tại điều khiển điện tử góc đánh lửa sớm theo thành phầnnhiên liệu và chế độ vận hành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sinh khối-năng lượng mặt trời

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

+ Tài liệu và mô hình phục vụ tốt cho giảng viên, sinh viên ngành Công nghệ ô tôtrong quá trình đào tạo và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài

+ Đề tài cung cấp mô hình, công cụ cho quá trình giảng dạy thực hành đến sinh viêntheo học chuyên ngành cơ khí động lực

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Sơ đồ bố trí thực nghiệm

Sơ đồ mạch điện của hộp điều khiển

Mô hình động cơ thực tế sau khi cải tạo

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT

KT HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS TS Võ Trung Hùng

Mẫu 4 Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Research on automatically adjusting advanced ignition angle using

hybrid renewable energy: biomass-solar energy

Code number: MSc Bui Van Hung

Coordinator:

Implementing institution: University of Technology and Education, The University

of Danang Duration: from 3/2023 to 11/2023

2 Objective(s):

Converting traditional stationary engines supplied gasoline by carburetor intostationary engines with electronic control of advanced ignition angle according to fuelcomposition and operating mode in a hybrid renewable energy system: biomass-solarenergy

3 Creativeness and innovativeness:

Converting a traditional stationary engine supplied gasoline by carburetor into astationary engine with electronic control of advanced ignition angle

4 Research results:

+ Converting a traditional spark-ignition stationary engine into a stationary enginewith electronic control of the advanced ignition angle via a special ECU electroniccontroller consisting of a microcontroller with an operating control programinstalled, ignition system included a sensor from Hall to activate the program tocalculate cycle parameters; a sensor that determines throttle position; an gas fuelinjector; a combination ignition assembly The system components are connected

to the microcontroller through a power-anti-interference circuit

+ Stationary engine model with electronic control of advanced ignition angleaccording to fuel composition and operating mode in a hybrid renewable energysystem: biomass-solar energy.

5 Products:

+ Engine model using hybrid renewable energy: biomass-solar energy for training

+ Articles published in scientific journals: Journal of Science and Technology, The

University of Danang

6 Effects, transfer alternatives of research results, and applicability:

+ Materials and models to well serve lecturers and students of AutomotiveTechnology in the training and researching content related to the topic

+ The topic provides models and tools for the practical teaching process to studentsmajoring in mechanics

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Do tác động của biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng trầm trọng, việc chuyểnđổi năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới.Trong bối cảnh đó thì hệ thống năng lượng tái tạo hybrid gồm năng lượng mặt trời và sinhkhối là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm

Động cơ đốt trong thường được thiết kế để làm việc với một loại nhiên liệu chotrước và trong điều kiện vận hành xác định Trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid,thành phần nhiên liệu thay đổi thường xuyên theo nguyên liệu đầu vào và nguồnhydrogen do điện mặt trời cung cấp Mặt khác, chế độ tải của động cơ cũng thay đổithường xuyên để cung cấp tải bù cho hệ thống Do đó, động cơ phải được điều chỉnh mộtcách linh hoạt các thông số vận hành, đặc biệt là góc đánh lửa sớm Động cơ tĩnh tạitruyền thống khó có thể đáp ứng được yêu cầu này

2 Mục đích, ý nghĩa của đề tài

Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động

cơ tĩnh tại điều khiển điện tử góc đánh lửa sớm theo thành phần nhiên liệu và chế độ vậnhành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sinh khối-năng lượng mặt trời

3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu

3.1 Quan điểm nghiên cứu

Quan điểm của nghiên cứu này là tạo ra sản phẩm mới thân thiện với môi trườngtrên cơ sở cải tạo, lắp ráp những sản phẩm, cụm chi tiết, các bộ phận có sẵn, trên thịtrường để giảm giá thành chế tạo Vì thế trong nghiên cứu này chúng tôi hạn chế tối đaviệc chế tạo chi tiết mới, thay vào đó, thay vào đó là tận dụng những cụm chi tiết có sẵn,cải tạo chúng để động cơ đạt được những tính năng như mong đợi

3.2 Giới hạn nghiên cứu

a Phạm vi nghiên cứu của đề tài này giới hạn các nghiệm vụ chính

Cải tạo động cơ tĩnh tại truyền thống cung cấp xăng bằng bộ chế hòa khí thành động

cơ tĩnh tại điều khiển điện tử góc đánh lửa sớm

b Đối tượng nghiên cứu

+ Động cơ Honda GX160 gắn trên máy phát điện Honda EP 2500CX tạo hỗn

hợp không khí- nhiên liệu bằng bộ chế hòa khí

+ Nhiên liệu thay thế sinh khối-năng lượng mặt trời

+ Hệ thống đánh lửa điều khiển điện tử

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

1.1 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID

Để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0, các nước cần dừng triển khai các dự án thanmới, cũng như đưa ra lộ trình tiến tới loại bỏ các dự án điện than hiện tại và thay vào đó làphát triển các dự án điện tái tạo Tuy nhiên, như trên đã nêu, nhược điểm chính của nănglượng tái tạo nói chung là không ổn định, công suất nguồn phát năng lượng thay đổi theothời gian trong ngành hay thay đổi ngẫu nhiên theo điều kiện khí hậu, thời tiết Vì vậy, đểđảm bảo tính ổn định của hệ thống năng lượng, chúng ta cần phối hợp sử dụng nhiềunguồn năng lượng tái tạo khác nhau, gọi là hệ thống năng lượng tái tạo hybrid HRES [1-5] Hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp có thể bao gồm nhiều loại nguồn khác nhau vànói chung, bao gồm hai hoặc nhiều nguồn tái tạo cũng như không tái tạo [6] Kết nối cácnguồn năng lượng gián đoạn khác nhau với các nguồn năng lượng có thể chuyển đổi đượcnhư pin nhiên liệu, khí sinh học và accu hoặc kết nối với hệ thống điện lưới là giải pháphữu hiệu để khắc phục những hạn chế của RES HRES có thể làm giảm dao động côngsuất phát điện và tăng sản xuất năng lượng tổng thể, giúp giảm nhu cầu lưu trữ nănglượng

Giá thành năng lượng của hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp rẻ hơn khoảng 30%

so với giá thành năng lượng chạy bằng nhiên liệu hóa thạch [7] Mặt khác, các hệ thốngnày còn có thể tối ưu hóa kích thước của các thành phần hệ thống, do đó có thể giảm giáthành và giảm chi phí vận hành để đảm bảo giá thành năng lượng hấp dẫn người tiêu dùng[8-9] Nhiều tài liệu cũng đã tập trung vào việc sử dụng hệ thống điện kết hợp dựa trêncác nguồn năng lượng tái tạo Các HRES có thể hoạt động ở các chế độ hòa lưới và khôngnối lưới một cách bền vững, giảm thiểu các tác động môi trường như khí thải carbondioxide từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, hạ giá thành điện và cải thiện độ tin cậy của

hệ thống Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ thống năng lượng kết hợp là phùhợp với việc phát triển điện ở nông thôn, đặc biệt là cho các vùng sâu vùng xa [10]

Hình 1.3 minh họa các loại HRES khác nhau và cách sử dụng đầu ra đa dạng Nănglượng mặt trời có thể được tích hợp vào nhiều HRES khác nhau Chi phí của pin năng

nay, tức là

mức giảm trung bình hàng năm là 62% [11] Do nhược điểm về tính không ổn định, phụthuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời nên việc sử dụng phối hợp năng lương mặt trời với cácnguồn năng lượng khác là cần thiết.

Hình 1.1 Các dạng hệ thống năng lượng tái tạo

Trong các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng kết hợp với năng lượng mặt trời thì sinhkhối rất đáng chú ý Sinh khối hiện là nguồn năng lượng lớn thứ tư trên toàn thế giới [12].Một số tác giả đã nghiên cứu kết hợp sử dụng sinh khối trong các hệ thống quy mô nhỏvới các nguồn năng lượng tái tạo khác Perkins [13] đã so sánh chi phí năng lượng củagiải pháp sản xuất điện năng hybrid năng lượng mặt trời và sinh khối và kết luận rằng giảipháp này cho giá thành thấp hơn khi sử dụng riêng rẽ sinh khối hay năng lượng mặt trờivới pin lưu trữ Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các hệ thống lai tạo sửdụng năng lượng mặt trời và sinh khối ở các vùng nông thôn để sản xuất điện

Việc sản xuất điện từ các nhà máy sinh khối, đặc biệt là từ các nhà máy khí sinh họckhông phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, do đó, cho phép cung cấp năng lượng linh hoạt

và có thể điều chỉnh theo nhu cầu của phụ tải [14] Việc vận hành linh hoạt các công trìnhhybrid năng lượng mặt trời-biogas giúp nâng cao chất lượng nguồn điện và hiệu quả sửdụng năng lượng, dẫn đến giảm giá thành năng lượng, mang lại lợi ích cho toàn bộ nềnkinh tế [14] Ngoài ra, tỷ lệ các công trình khí sinh học linh hoạt ngày càng tăng sẽ làmgiảm nhu cầu của các nhà máy điện truyền thống, được đặc trưng bởi chi phí vận hànhtương đối cao và phát thải ô nhiễm [14] Do đó, biogas có thể xem là một giải pháp giúp

ổn định hệ thống điện mặt trời vỗn dĩ phụ thuộc vào sự thay đổi ngẫu nhiên của bức xạ[14-16]

Hệ thống phát điện kết hợp năng lượng mặt trời/khí sinh học đang trở thành một lựachọn phổ biến cho các vùng sâu vùng xa hoặc những nơi mạng lưới điện chưa vươn tớivới phụ tải điện nhỏ [17] Việc sản xuất điện từ các nhà máy sinh học không phụ thuộcvào điều kiện thời tiết, do đó, chúng ta có thể kiểm soát được sự cân bằng giữa nguồnđiện sản xuất và nhu cầu tiêu thụ Trên thế giới, những công trình sản xuất biogas qui môlớn tập trung ở Châu Âu, Bắc Mỹ [18] Ở các nước đang phát triển, biogas được sản xuấtvới qui mô nhỏ ở hộ gia đình, cơ sở sản xuất, chăn nuôi nhưng với số lượng hầm biogasrất lớn, đặc biệt ở các vùng nông thôn Mặt khác, những vùng dân cư chưa tiếp cận đượcvới nguồn điện hiện nay phần lớn ở châu Phi và Nam Á, nơi có bức xạ mặt trời lớn Việckết hợp sử dụng biogas và điện mặt trời là một lựa chọn hấp dẫn để điện khí hóa các vùngnày [17- 19]

Hệ thống điện hỗn hợp năng lượng mặt trời-biogas có thể cung cấp năng lượng antoàn và hiệu quả cho các khu vực được kết nối lưới và không nối lưới điện [20] Hệ thốngnăng lượng kết hợp khí sinh học-năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin quang điện, bộchuyển đổi điện, và máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khí sinh học Hệ thống sử dụngcác thiết bị chuyển đổi điện để điều hòa công suất Hệ thống có thể hoạt động ổn định vàhiệu quả khi được đấu lưới hay không đấu lưới Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện đểđánh giá hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp điện mặt trời-biogas Nixon và cộng sự [21] đã tiến hành nghiên cứu các tiêu chí khác nhau về các vấn

đề kinh tế, môi trường và kỹ thuật của hệ thống năng lượng kết hợp Kết luận rút ra từ

nghiên cứu cho thấy hệ thống năng lượng tái tạo kết hợp tiết kiệm chi phí tốt hơn so vớinăng lượng tái

tạo đơn lẻ để phát điện [21] Rajbongshi và cộng sự [22] đã thực hiện thiết kế và tối ưuhóa hệ thống PV/sinh khối/diesel kết hợp cho các cấu hình tải trọng khác nhau Kết quảcủa nghiên cứu chỉ ra rằng một hệ thống được kết nối với lưới điện khả thi hơn về mặtkinh tế so với hệ thống không nối lưới trong cùng một cấu hình phụ tải Ahmad và cộng

sự [23], Rajbongshi và cộng sự [22] đã tiến hành các nghiên cứu về khả năng kinh tế - kỹthuật của các hệ thống kết hợp nối lưới và không nối lưới Các tác giả đi đến kết luận rằngkết nối lưới có hiệu quả kinh tế cao hơn so với hệ thống ngoài lưới Tuy nhiên, đối với cáckhu vực xa xôi và dân cư thưa thớt, giải pháp không nối lưới có thể tiết kiệm chi phí hơn

so với giải pháp nối lưới Shahzad và cộng sự [24] đã phân tích hiệu quả kinh tế kỹ thuậtcủa hệ thống điện hybrid điện mặt trời-biogas ngoài lưới và nhận thấy rằng hệ thống nàyđáng tin cậy và hiệu quả về chi phí vì nó có thể cung cấp điện ở mức giá năng lượng thấpnhất Hệ thống phát điện năng lượng kết hợp điện mặt trời-biogas khả thi hơn về mặt kỹthuật trong cung cấp nguồn năng lượng ổn định cho cộng đồng dân cư ở vùng sâu vùng

xa Trong trường hợp đó, hệ thống này cũng có lợi hơn về mặt kinh tế so với các giảipháp khác [25]

1.2 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HYBRID ĐIỆN MẶT TRỜI-SINH KHỐI

Việt Nam là một nước nông nghiệp, có nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh họckhá dồi dào Những sản phẩm từ chăn nuôi, trồng trọt sẽ cung cấp nguyên liệu khổng lồcho sản xuất khí sinh học Trong cả nước, sản phẩm phụ của nông nghiệp có khả năngcung cấp nhiên liệu cho điện sinh khối từ 8-11 triệu tấn Riêng sản lượng trấu có thể thugom ở Đồng bằng sông Cửu Long lên tới 1,4 đến 1,6 triệu tấn Bên cạnh đó, rác thải sinhhoạt nếu được xử lí tốt cũng là nguồn nhiên liệu đầu vào để sản xuất khí biogas Tổng sảnlượng biogas có thể sản xuất mỗi năm ở nước ta có thể lên đến 4 tỷ m3

Khó khăn trong khai thác biogas để phát điện của chúng ta là nguồn nhiên liệukhông tập trung và qui mô không đều Những nơi có sản lượng biogas lớn như các bãichôn lấp rác, các trạm xử lý nước thải có thể sử dụng động cơ cỡ lớn để kéo máy phátđiện Các trại chăn nuôi trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động cơ cỡ lớn thì không đủbiogas để chạy liên tục, nếu dùng động cơ cỡ nhỏ thì không đảm bảo được công suất cầnthiết cho sản xuất

Vì thế để có thuận lợi trong việc áp dụng năng lượng tái tạo trong thực tế chúng ta cần cógiải pháp phối hợp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo phù hợp.

Tuy được thiên nhiên ưu đãi về bức xạ mặt trời, gió và sinh khối nhưng hiện nayhơn 45% tổng năng lượng của nước ta vẫn được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá,khí đốt ) Để thúc đẩy việc khai thác tiềm năng năng lượng tái tạo, Thủ tướng Chính phủ

đã ban hành Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25-11-2015 về chiến lược phát triển nănglượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 Chính phủ đã đặt ramục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp đạt khoảng31,0% vào năm 2020; khoảng 32,3% vào năm 2030 và đạt khoảng 44,0% vào năm 2050;

tỷ lệ điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo trong tổng điện năng sản xuất toàn quốctăng từ khoảng 35% vào năm 2015 tăng lên khoảng 38% vào năm 2020, đạt khoảng 32%vào năm 2030 và khoảng 43% vào năm 2050 Đồng thời tăng quy mô sử dụng công nghệkhí sinh học với thể tích xây dựng từ khoảng 4 triệu m3 vào năm 2015 lên khoảng 8 triệu

m3 vào năm 2020; khoảng 60 triệu m3 vào năm 2030 và khoảng 100 triệu m3 vào năm2050

Quyết định 2068 cũng chỉ rõ, trong giai đoạn từ nay đến 2030 tập trung phát triển và

sử dụng nguồn năng lượng tái tạo độc lập nhằm đáp ứng mục tiêu điện khí hóa nông thôn:Xây dựng các chương trình phát triển hệ thống điện độc lập từ năng lượng tái tạo và điệnquy mô gia đình cho khu vực khó khăn và đặc biệt khó khăn, vùng sâu, vùng xa, miềnnúi, hải đảo nhằm mục đích xóa đói giảm nghèo và phát triển kinh tế xã hội để đạt mụctiêu đến năm 2020 hầu hết các hộ dân nông thôn có điện, năm 2030 hầu hết các hộ dânnông thôn được sử dụng nguồn năng lượng sạch

Để đạt được mục tiêu này, Quyết định 2068 đưa ra giải pháp tập trung nguồn lựccho nghiên cứu phát triển và chuyển giao công nghệ năng lượng tái tạo, đầu tư khảo sát vàxây dựng cơ sở dữ liệu của các nguồn năng lượng tái tạo cho mục đích dài hạn; tăngcường hỗ trợ hoạt động đầu tư, nghiên cứu, phát triển và sử dụng nguồn năng lượng táitạo cho mục đích sử dụng nhiệt nhằm giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môitrường; tập trung nguồn lực, khai thác và sử dụng tối đa tiềm năng năng lượng tái tạotrong nước bằng những công nghệ tiên tiến, phù hợp với điều kiện thực tế của từng vùngmiền, mang lại hiệu quả cao về kinh tế, xã hội và môi trường; phát triển mạnh mẽ thị

trường công nghệ năng lượng

tái tạo, ngành công nghiệp sản xuất máy móc thiết bị, cung cấp dịch vụ năng lượng tái tạotrong nước; tăng cường mạnh tiềm lực cho nghiên cứu, phát triển, chuyển giao và ứngdụng các dạng năng lượng tái tạo mới

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống năng lượng tái tạo hybrid năng lượng mặt trời-năng lượng

thống điện phân Syngas, biogas và hydrogen được lưu trữ chung trong túi chứa nhiên liệukhí Khi công suất tải yêu cầu lớn hơn công suất của hệ thống điện mặt trời thì cụm máyphát điện do động cơ chạy bằng nhiên liệu khí hoạt động để cung cấp năng lượng Do tínhngẫu nhiên của nguyên liệu sản xuất nhiên liệu khí nên thành phần của hỗn hợp khíbiogas- syngas-hydrogen thay đổi Vì vậy hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ sửdụng nhiên liệu khí cũng phải được điều chỉnh linh hoạt để nâng cao hiệu quả quá trìnhcháy và giảm phát thải ô nhiễm.

Trong các công trình [26, 27], chúng tôi đã nhấn mạnh chất lượng quá trình cháyđược cải thiện đáng kể khi bổ sung hydrogen vào biogas Hệ số tương đương tối ưu củahỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen thấp hơn hệ số tương đương khi chạy bằng biogashoàn toàn nên mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC giảm so với khi động cơ chạybằng biogas Tuy nhiên khi tăng hàm lượng hydrogen thì phát thải NOx tăng do tăng nhiệt

độ cháy Cùng chế độ vận hành và hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu, khithành phần biogas thay đổi thì qui luật cung cấp nhiên liệu cũng cần được điều chỉnh [27-29] Do đó, khi động cơ chạy bằng hỗn hợp biogas-syngas-hydrogen với thành phần thayđổi trong phạm vi rộng như trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, việc cung cấp nhiênliệu cần được điều chỉnh để đảm bảo hệ số tương đương nằm trong giới hạn tối ưu Việcđiều chỉnh linh hoạt quá trình cung cấp nhiên liệu như vậy khó có thể được thực hiệnbằng bộ chế hòa khí thông thường Trong công trình này chúng tôi sẽ trình bày hệ thốngđiều chỉnh thời gian phun bằng vi điều khiển để cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡngbức truyền thống thành động cơ có thể sử dụng phù hợp trong hệ thống năng lượng tái tạohybrid Trong số các dạng năng lượng tái tạo khác nhau, sinh khối là nguồn năng lượnglớn thứ 4 [30] Sinh khối có thể lưu trữ được nên công suất phát điện có thể điều chỉnhđược để đáp ứng nhu cầu của phụ tải [31] Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời-sinhkhối tích hợp đang trở thành một lựa chọn phổ biến cho các vùng sâu vùng xa hoặc cácvùng thiếu điện lưới [32] Các nước vùng nhiệt đới có nguồn sinh khối và năng lượng mặttrời dồi dào Do đó, sự kết hợp hai nguồn năng lượng năng lượng này trong hệ thốngHRES có tiềm năng phát triển rất lớn trong bối cảnh các nước thực hiện chiến lược Net-Zero

HRES năng lượng mặt trời-sinh khối cơ bản bao gồm các tấm pin mặt trời PV, một

bộ chuyển đổi điện năng và một máy phát điện chạy bằng nhiên liệu khí Hệ thống có thể

hoạt động ổn định và hiệu quả trong điều kiện đấu lưới hay ngoài lưới điện Mặc dù hệthống năng lượng này có nhiều lợi thế nhưng các nghiên cứu chuyên sâu vẫn còn hạn chế[33] Các công trình nghiên cứu về HRES chủ yếu tập trung vào các tính năng kinh tế-kỹthuật, tính toán kích thước và các giải pháp điều phối tối ưu các nguồn năng lượng trong

hệ thống [34] Điều quan trọng và cấp bách hiện nay là nghiên cứu phát triển các mô-đuncủa HRES để người sử dụng có thể lắp đặt thuận lợi mà không cần hỗ trợ kỹ thuật đặcbiệt

Hiện tại, các thành phần cơ bản để lắp đặt HRES năng lượng mặt trời-sinh khối nhưpin mặt trời PV, biến tần, máy điện phân hydrogen đã được thương mại hóa rộng rãi trênthị trường Tuy nhiên, động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu khí linh hoạt (tương tự nhưđộng cơ sử dụng nhiên liệu lỏng linh hoạt trên ô tô FFV) chưa được phổ biến Trong thực

tế, đặc tính của động cơ phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu và điều kiện vận hành.Trong HRES năng lượng mặt trời-sinh khối, việc lưu trữ năng lượng mặt trời có thể đượcthực hiện thông qua hydrogen thay vì dùng accu Sinh khối có thể chuyển thành biogasđối với những chất hữu cơ dễ phân hủy hay thành syngas (khí tổng hợp) thông qua quátrình khí hóa đối với những chất hữu cơ khó phân hủy Do đó, động cơ kéo máy phát điệncủa hệ thống có thể chạy bằng hỗn hợp syngas-biogas-hydrogen với thành phần nhiên liệuthay đổi Mặt khác, do máy phát điện chỉ cung cấp năng lượng bổ sung cho HRES nênchế độ tải của động cơ thường xuyên thay đổi Các đặc tính này của động cơ cần đượcnghiên cứu để nâng cao hiệu quả tổng thể của HRES

Các công trình nghiên cứu mới đây của Bùi Văn Ga và cộng sự [35-37] cho thấy gócđánh lửa sớm ảnh hưởng đáng kể đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm củađộng cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen Khi tăng hàm lượng hydrogentrong hỗn hợp với biogas thì góc đánh lửa sớm tối ưu giảm [35-36] Trên các động cơ tĩnhtại đánh lửa cưỡng bức, góc đánh lửa sớm của động cơ thường được cố định nên khôngthể điều chỉnh linh hoạt theo thành phần nhiên liệu Các nghiên cứu được công bố gần đâycho thấy động cơ tĩnh tại truyền thống có thể cải tạo thành động cơ điều khiển điện tử nhờ

sử dụng ECU mở và bộ cảm biến của xe gắn máy phun xăng [38-39] Hệ thống như vậyphức tạp, khó có thể bố trí trên động cơ tĩnh tại có sẵn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong có thể phân chia thành quá trình cháykhông hòa trộn trước, tức quá trình cháy khuếch tán đối với động cơ diesel, quá trình cháycủa hỗn hợp hòa trộn trước đối với động cơ xăng truyền thống và quá trình cháy hòa trộntrước cục bộ đối với động cơ cháy phân lớp hoặc động cơ nhiên liệu kép

Lý thuyết cơ bản về các quá trình cháy cơ bản đã được phân tích trong các tài liệu[40-42] Tính toán gần đúng quá trình cháy có thể giải bài toán 1 chiều để nhận được cácgiá trị trung bình của các đại lượng đặc trưng quá trình cháy Khi đó phương trình trạngthái khí lý tưởng và định luật nhiệt động học thứ nhất được áp dụng trong không gianbuồng cháy được chia thành 2 khu vực (đối với quá trình cháy của hỗn hợp hòa trộntrước) hay nhiều khu vực (đối với quá trình cháy của hỗn hợp không hòa trộn trước)

Phân tích tỷ mỉ diễn biến quá trình cháy phải được thực hiện bằng cách giải hệphương trình đa phương trong đó hai biến số cơ bản là thành phần hỗn hợp f và biến diễnbiến phản ứng c Trong phần sau đây chúng tôi sẽ tổng hợp lý thuyết quá trình cháy sửdụng trong phần mềm FLUENT để áp dụng trong việc xây dựng các mô hình tính toánquá trình cháy động cơ biogas

2.1 LÝ THUYẾT CHÁY CỦA HỖN HỢP KHÔNG HÒA TRỘN TRƯỚC

2.1.1 Lý thuyết về thành phần hỗn hợp

a Định nghĩa thành phần hỗn hợp

Nền tảng của mô hình hóa cháy không hòa trộn trước là trạng thái nhiệt hóa họctức thời của lưu chất phụ thuộc vào một đại lượng bảo toàn gọi là thành phần hỗn hợp f,với một số giả định đơn giản hóa Thành phần hỗn hợp có thể được viết dưới dạng thànhphần khối lượng nguyên tử như sau:

f ZZi  Zi,ox

Trong đó Zi là tỉ lệ khối lượng phân tử của phân tử i ox ký hiệu giá trị của dòngchất oxy hóa ở đầu vào còn fuel chỉ giá trị liên quan đến nhiên liệu đầu vào Nếu hệ sốkhuếch tán của tất cả các chất đều như nhau thì phương trình 2.1 đồng nhất cho các phân

tử, và định nghĩa thành phần hỗn hợp cũng đồng nhất Vì vậy thành phần hỗn hợp là tỉ lệkhối lượng phân tử bắt nguồn từ dòng nhiên liệu

Nếu có thêm một dòng thứ cấp (nhiên liệu hay chất oxy hóa khác hay dòng khítrơ), nhiên liệu và các thành phần hỗn hợp thứ cấp đơn giản là những tỉ lệ khối lượngphân tử của nhiên liệu và những dòng thứ cấp tương ứng Tổng của cả 3 thành phần hỗnhợp trong hệ thống (nhiên liệu, dòng thứ cấp và chất oxy hóa) luôn luôn bằng 1:

Điều này có nghĩa là chỉ những điểm trên mặt phẳng ABC (hình 2.1) trong khônggian thành phần hỗn hợp mới có giá trị Vì vậy hai thành phần hỗn hợp, ffuel và fsec, khôngthể biến thiên độc lập; giá trị của chúng chỉ có nghĩa khi cả hai nằm trong tam giác OBCtrên hình 2.1

Hình 2.1 Quan hệ giữa f fuel , f sec và f ox

FLUENT chi tiết hóa tam giác OBC như hình 2.2 Chủ yếu thành phần hỗn hợp sơcấp, ffuel, được phép thay đổi giữa 0 và 1, như đối với trường hợp một thành phần hỗnhợp, trong khi đó thành phần hỗn hợp thứ cấp nằm trên những đường thẳng theo phươngtrình sau:

fsec  psec(1  ffuel) (2.3)Trong đó psec là giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp Lưu ý rằngkhông giống như fsec, psec bao quanh giữa 0 và 1 bất kỳ giá trị nào của ffuel.

Hình 2.2: Quan hệ giữa f fuel , f sec và p sec

Một đặc tính quan trọng của giá trị tương đối của thành phần hỗn hợp thứ cấp, psec,

là nó được giả định độc lập với thành phần hỗn hợp nhiên liệu, ffuel Lưu ý rằng khônggiống như fsec, psec không phải là một đại lượng bảo toàn Định nghĩa thành phần hỗn hợptương đối đối với đại lượng thay đổi thứ cấp được sử dụng mọi nơi trừ khi định nghĩa giớihạn giàu đối với dòng nhiên liệu thứ cấp, khi đó được định nghĩa theo fsec

b Các phương trình chuyển đối với thành phần hỗn hợp

Với giả định khuếch tán đồng nhất, các phương trình bảo toàn các chất được rút lạithành một phương trình duy nhất đối với thành phần hỗn hợp f Những đại lượng nguồnphản ứng được loại bỏ và vì vậy f là một đại lượng bảo toàn Trong khi giả định khuếchtán đồng nhất là vấn đề đối với các dòng chảy tầng thì nó thường được chấp nhận đối vớinhững dòng chảy rối trong đó đối lưu rối lấn át khuếch tán phân tử Phương trình đối vớigiá trị trung bình kiểu Favre (trung bình theo trọng số khối lượng riêng) của thành phầnhỗn hợp được viết như sau:

Độ lệch bình phương của thành phần hỗn hợp được dùng để khép kín mô hình mô

tả mối tương tác hóa học và rối

Đối với bài toán hai thành phần hỗn hợp, f và f

fuel fuel

2.4 và 2.5 bằng cách thay thế f bằng f và f '2 bằng f '2 f nhận được từ phương trình

2.4 bằng cách thay thế f bằng fsec Từ đó psec được tính từ phương trình 2.3, và 2

với 2sec là cơ bản giống f '2

Phương trình đối với 2

sec thay vì 2sec có ý nghĩa khi lưu lượng của dòng thứ cấptương đối nhỏ so với lưu lượng tổng cộng

c Thành phần hỗn hợp theo hệ số tương đương

Định nghĩa thành phần hỗn hợp có thể được hiểu trong mối tương quan với nhữngphép đo chung trong hệ thống phản ứng Hãy xét một hệ thống cháy đơn giản gồm mộtdòng nhiên liệu (F), một dòng chất oxy hóa (O), và dòng sản phẩm (P) được biểu diễn ở

p'

p'

'

F  rO  (1 r)P (2.6)

Phương trình 2.9 cho phép tính thành phần hỗn hợp ở điều kiện phản ứng hoàntoàn (=1) hay ở điều kiện hỗn hợp giàu (e.g., >1), hay điều kiện hỗn hợp nghèo (e.g.,

< 1)

c Mối quan hệ giữa f với thành phần khối lượng các chất, khối lượng riêng và nhiệt độ

Thế mạnh của các cách tiếp cận mô hình thành phần hỗn hợp là về hóa học đượcrút gọn thành một hay hai thành phần hỗn hợp bảo toàn Với giả định cân bằng hóa học,tất cả các đại lượng hóa nhiệt (thành phần các chất, khối lượng riêng, nhiệt độ) chỉ quan

hệ duy nhất vào thành phần hỗn hợp

Đối với hệ thống đoạn nhiệt, một thành phần hỗn hợp, các giá trị tức thời của thànhphần khối lượng các chất, khối lượng riêng và nhiệt độ chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thờicủa thành phần hỗn hợp f

Trong các phương trình 2.10 và 2.11, i chỉ giá trị tức thời của thành phần khốilượng các chất, khối lượng riêng hay nhiệt độ Trong trường hợp hệ thống một thành phầnhỗn hợp, không đoạn nhiệt, ảnh hưởng của lượng nhiệt sinh ra hay mất đi được viết nhưsau:

có thể được đưa vào cơ chế động hóa học

Có 3 cách tiếp cận trong mô hình hóa quá trình cháy để mô phỏng không cân bằnghóa học Cách tiếp cận thứ hai là mô hình Steady Laminar Flamelet trong đó không cânbằng hóa học do sự trải rộng ngọn lửa khuếch tán có thể được mô hình hóa Cách tiếp cậnthứ ba là mô hình Unsteady Laminar Flamelet trong đó những chất trong sản phẩm hìnhthành chậm khác xa cân bằng hóa học có thể được mô hình hóa

2.1.2 Mô hình tương tác giữa rối và hóa học

Các phương trình từ 2.10 đến 2.13 mô tả các mối quan hệ tức thời giữa thành phầnhỗn hợp và nồng độ các chất, khối lượng riêng và nhiệt độ với giả định cân bằng hóa học.Kết quả mô phỏng của FLUENT đối với dòng chảy phản ứng liên quan đến việc tính toángiá trị trung bình của những đại lượng dao động này Giá trị trung bình quan hệ với giá trịtức thời như thế nào phụ thuộc vào mô hình tương tác rối-hóa học FLUENT sử dụngcách tiếp cận hàm mật độ xác suất (pdf) như là mô hình khép kín khi mô hình không hòa

trộn trước được sử dụng Mô hình khép kín pdf được mô tả trong chương này.

a Mô tả hàm mật độ xác suất

Hàm mật độ xác suất ký hiệu p(f), có thể được hiểu như là khoảng thời gian mà lưuchất trải qua ở trạng thái lân cận f Hình 2.3 biểu diễn biến thiên của thành phần hỗn hợptheo thời gian của một điểm trong dòng chảy (phía phải) và hàm mật độ xác suất của f(phía trái) Giá trị dao động của f được biểu diễn phía phải của hình vẽ nhận giá trị saocho diện tích phía dưới đường cong trong dải khảo sát f bằng khoảng thời gian mà f tồntại trong dải này Có thể biểu diễn dưới dạng toán học như sau:

Hình 2.3 Biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất p(f)

b Đạo hàm các giá trị đại lượng trung bình từ thành phần hỗn hợp tức thời

Hàm mật độ xác suất p(f) mô tả sự dao động của f trong dòng chảy rối có thể được

dùng để tính giá trị tức thời của các biến số phụ thuộc vào f Đối với hệ thống một thành