Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu sự giảm lực cản dòng lớp biên chảy rối bằng cách sử dụng rãnh răng cưa (RIBLETS)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÁO THÀNH HÔN

NGHIÊN CỨU SỰ GIAM LỰC CAN DONG LỚP BIEN CHAY ROI BẰNG CÁCH SU DỤNG RANH RANG CUA

LUAN VAN THAC SI

NINH THUAN, NAM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÁO THÀNH HÔN

NGHIÊN CỨU SỰ GIÁM LUC CAN DONG LỚP BIEN CHAY ROI BẰNG CÁCH SU DỤNG RANH RANG CUA

Chuyén nganh: Ky thuat co khi Ma s6: 8520103

NGUOI HUONG DAN KHOA HOC 1 TS NGUYEN ANH TUAN

NINH THUAN, NAM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận văn

Chữ ký

Báo Thành Hôn

LỜI CÁM ƠN

Đề hoàn thành cuốn luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám

Hiệu trường Đại học Thủy Lợi, phòng Đào tạo Đại học và sau đại học đã tạo

moi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.

Tôi trân trọng cảm ơn quý thầy, cô Khoa Cơ khí đã tận tâm giảng dạy và truyền đạt đến tôi những kiến thức mới hữu ích dé tôi vận dụng vào làm đề tai

nghiên cứu.

Xin chân thành cảm ơn TS Doan Yên Thế và TS Nguyễn Ngọc Linh vì

những góp ý chân thành, sâu sắc đề tôi hoàn thiện luận văn.

Đặc biệt, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy TS Nguyễn Anh Tuấn, Người đã tận tình hướng dẫn cho tôi từng chỉ tiết trong luận văn Nhờ có những hướng dan, chỉ bảo của Thay trong suốt quá trình

nghiên cứu mà luận văn tốt nghiệp của tôi đã hoàn thành một cách tốt nhất

theo đúng thời gian quy định.

Cuôi cùng, Tôi rât mong nhận được sự đóng góp ý kiên và nhận xét từ quý

thầy, cô và các bạn đọc dé luận van tốt nghiệp được hoàn thiện hơn

il

MỤC LỤC

LỚỠI CAM DOAN.LOLCAM ON.

MỤC LUC

DANH MUC CAC HINH ANH DANH MỤC CÁC TU VIET TAT MO DAU

'CHƯƠNG | TONG QUAN VE PHƯƠNG PHAP GIAM LỰC CAN

1.1 Giới thiệu chung về phương pháp giảm lực cản.

CHƯƠNG 2 _ LÝ THUYET CHUNG VE GIẢM LỰC CAN BANG RIBLETS9

3.1 Phương pháp giảm lực cản bằng RibletS2.1.1 Giới thiệu chung

2.1.1.1 Sự ra đổi của bề mặt Riblets 2.1112 Khái niệm về

2.1.1.3 Các biên dạng hình học của Riblets2.1.1.4 Phân tích lý thuyết về cơ chế Riblets

2.1.1.5 Phương pháp chế tạo Riblets

2.1.1.6 Sự tối ưu hóa của các tắm Riblets

2.2 Lớp biên

2.2.1 Khái niệm cơ bản về lớp biên2 Cấu trúc dong chảy

CHUONG 3 MÔ PHONG BÀI TOÁN DONG CHAY TRONG KÊNH BANG PHAN MEM ANSYS FLUENT 29

3.1 Giới thiệu về phn mém Ansys Fluent

3.1.1 Giới thiệu về Ansys Fluent

3.1.2 Sử dụng Ansys dé mô phông bài oán dong chảy32 Tinh toán mô phỏng

32.1 Mô bài toán

CHƯƠNG 4ˆ THỰCNGHIỆM VÀ KET QUA.4.1 Giới thiệu chung về hệ thông thực nghiệm.

4.1.1 Sơ đồ thực nghiệm

4.1.2 Giới thiệu các thiế bị sử đọng trong thực nghiệm4.2 Thiết kế mạch thực nghiệm, vật liệu thực nghiệm

ing của đỉnh và rãnh.iblets

Hình 2 5 Bảng so sánh hiệu suất giảm lực cản với các biên dạng khác nhau.Hình 2 6 B

Hình 2, 7 Kí

¢ Riblets (Bechert and Bartnwerfer, 1989) [27]

jua mô phòng từ Garcia-Mayorl & J Jiménez (2012) [32]Hình 2 8 Khói được thôi thẳng góc với mặt giấy ở hai tốc độ 3m/s và Sms đi quamặt phẳng (hình trên) và mặt mô phóng da cá mập (hình đưới)21

Hinh 2 9 Các thử nghiệm cho việc làm giảm lực cản bing Riblets trên máy bay 23 2 10 Profile tốc độ lớp biên: a, chảy tang; b, chảy rồi

Hình 3.1 Ding

Hình 3, 2 Xứ lý kết quả mồ phỏng

Hình 3 3 Biên dạng các kênh hình chữ nhật dùng làm mô phỏng.

Hình 3,4 Trình tự mô phòng trên Ansys Fluent

Hình 3 5 Trình tự tính toán trong Ansys FluentHình 3 6 Mô hình mô phỏng.

Hình 3 7 Lưới được chia theo mặt cắt ngang.

Hình 3,8 Trường vận tóc kênh tim phẳng

Hình 3,9 Trường vận tóc mắt cắt Oyz kênh tam phẳngHình 3, 10 Trường vận tốc mat cắt Oxy kênh tắm phẳng

Hình 3, 11 Trường vận tốc mat eit ngang kênh có Riblets tam giácmặt cắt ngang kênh có Riblets chữ nhậtHình 3 12 Trường vận

Hình 3 13 Trường áp suất mô hình 3D.Hình 3 14 Profle vận ốc ken

Hình 3 15 Đồ thị ứng suất tác dụng lên tường

Hình 3 16 Đồ thị biểu didn vận te không thứ nguyên

Hình 4 1 Sơ đỗ thực nghiệm.

Hình 4 2 Bom Ebara được sử dụng trong thực nghiệmHình 4 3 Biến tan sử dụng trong thực nghiệm.

Hình 4 4 Cảm biến lưu lượng được sử dụng trong thực nghiệm.Hình 4 5 Cảm biến áp suất

Hình 4 6 Thiết bị chuyên đổi dtr

Hình 4 7 Bộ thu dit liệu được sử dụng trong thực nghiệm.Hình 4 8 Thông số của kênh hình chữ nhật.

Hình 4 9 Thông số tắm Riblets hình tam giác

Hình 4 10 Kích thước biên dang Riblets hình tam giácHình 4 11 Kích thước biên dang Riblets hình chữ nhậtHình 4 12 Chế tạo chỉ tiết

Validyne DP4S được sử dung trong thực nghiệm.“được sử dụng trong thực nghiệm.

13 Tim Riblets biên dạng tam giác14 Tắm Riblets biên dang chữ nhật

15 Hé thông kênh sau khi lap hoàn chinh

16 Hệ thông thực nghiệm sau khi đã lắp đặt va chảy thứ 17 Hệ số ma sát theo số Reynolds của kênh biên dạng phẳng 18 Biểu đồ hệ số ma sát theo RE khi đo với tắm Riblets tam giác 19 Biểu đồ hệ số ma sát theo RE khi đo với tắm Riblets chữ nhật

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT

CAD Computer-Aided DesignCFD Computional fluid dynamicsDR Drag Reduction

DHC istrict Heatnd Cooling

HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning

RE Reynolds

$M _ Minnesota Mining and Manufacturing Company

MỞ DAU

1 Tính cắp thiết cũn đề tầi: Năng lượng đông va trò quan trọng rong công cuộc

tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường Với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 tìnhu cầu sử dựng năng lượng toàn cầu đã tăng lên nhanh chống,

Bên cạnh đó, việc khai thác và sử dụng không hợp lý các nguồn năng lượng thiênnhiên đã gây hậu quả nghiêm trọng và đặt thể giới trước bài toán di tim các nguồnnăng lượng thay thé trong tương lai để thay thé nguồn tải nguyên năng lượng truyền

thống (than, dầu khí, thủy điện) ngày càng khan hiếm, các nguồn năng lượng mới

chưa phát triển, thì chủ đkiệm năng lượn" có ý nghĩa vô cũng quan trong.Một trong những phương pháp tiết kiệm năng lượng ắt hiệu quả đó là giảm lực cảnGiảm lực cản đem lại lợi ích to lớn trongTĩnh vực khác nhau như: vận chu)

các chit lông bằng đường ống, các hệ thing kim lạnh, sưởi, hệ thống fim mát và hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v Giảm lực can sẽ giúp giảm chi phí vận hành,

sửa chữa và bảo dưỡng.

Nghiên cứu thực nghiệm giảm lục cin đã được các nhà khoa học thục biện bằng

nhiều phương thức khác nhau như sử đụng soi Fibers, sử đụng chất phụ gia

polymer,nhs

lớp biên chảy rỗi bằng cách sic dụng rũnh răng cưa (Riblts) ” đẻ lim luận văn

tiactant, sử dụng phương pháp tạo bot khí, Chính vì vậy trong phạmcứu nhà trường giao, tôi đã chọn đề di Nghiém cứu sựy giảm lực cán dong

tốt nghiệp.

Kết qua thực nghiệm cho phép đánh giá vỀ khả năng giảm lực cân của các biện

dang Riblets trong kênh kín và tính ứng đụng trong một số trường hợp Nghiên cứu.

sắc tài liệ liên quan nhằm tổng hợp các yêu tổ ảnh hưởng đến lưu lượng trước và

sau khi sử dụng Riblets Xây dựng và làm thí nghiệm về hệ thống kênh kín Kiểm

chứng kết quả dga vào lý thuyết, mô phỏng và quá trình thực nghiệm

2 Mục đích của đề t ‘ap trung nghiên cứu về giải phá

lưu lượng đồng chảy bằng Riblets, Để xuất được phương pháp điều khiển nhằmgiảm lực căn và tănggiảm thiểu năng lượng tiêu thụ khi sử dụng thêm Riblets trong dng chảy kin,

Nghiên cửu các tải liệu liên quan nhằm tổng hợp các yếu t8 ảnh hưởng đến lưu lượng trước và sau khi sử dụng Riblets Xây dựng và kim thực nghiệm về hệ thông kênh kin, Kiểm chứng kết quả đựa vào lý thuyết, mô phòng với kết quả thực

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Chit lòng (nước) chảy trong hệ thing kênh kính có bé mặt là các Riblets.

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu các tải liệu liên quan

nhằm tổng hợp các yếu tổ ảnh hưởng đến lưu lượng trước và sau khi sử dụngRiblets

Ti hành mô phòng khả năng giảm lực cản bằng bề mặt răng cưa (Riblets)trén

phần mềm ANSYS

“Chọn vật liệu để xây đựng và làm thí nghiệm trên hệ thống kênh kin hình chữ nhật

Kiểm chứng kết quả dựa vào lý thuyết, mô phỏng và quá trình thực nghiệm.

5 CẤu trúc của luận văn: Gồm 4 chương.

¥ CHƯƠNG 1 TONG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢM LUC CAN

¥ CHƯƠNG 2 LY THUYET CHUNG VE GIAM LUC CAN BANG

¥ CHƯƠNG 3 MÔ PHONG BÀI TOÁN DONG PHUN TÁC ĐỘNG

VUÔNG GÓC LEN BE MAT BANG PHAN MEM ANSYS FLUENT ¥ CHUONG 4 THỰC NGHIỆM VA KET QUA

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE PHƯƠNG PHAP GIẢM LỰC CAN

1.1 Giới thiệu chung về phương pháp giảm lực cản

"Ngày nay, nhủ cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn thé giới dang gia ting mạnh mẽ,

trong bối cảnh đang phải phần đầu vượt qua những thách thức to lớn vỀ nguy cơ

"hủy hoại mỗi trường, nguồn tải nguyên năng lượng hóa thạch (than, dẫu khí, thủy,

thi chủ đềdign ) ngày cảng khan hiểm, các nguồn năng lượng mới chưa phát tid

kinh tế củanăng lượng có nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự ph

mỗi quốc gia, một trong những giải pháp để giải quyết vin đề trên là phương pháp

lâm giảm lực cản.

u thụ nhiênCác phương pháp giảm lực cản có giá tri lớn trong việc giảm mức

liệu, vi nhiên liệu đóng vai trò quan trọng việc vận chuyển hàng hóa, chất lưu trong,

nhiễu lĩnh vực khác nhau của đồi sống con người Bên cạnh đó giảm lực cản (DR)

được ứng dung nhiều tong các trường hợp khác nhau thu được hiệu qua cao, có thé

kế đến một số phương pháp làm giảm lực cán như các phương pháp chủ động gdm

sử dụng chất phụ gia polymer, surfactant, sử dung sợi Fibers phương pháp tạo botkhí và các phương pháp thụ động gdm Thiết kế khí động học, Lim bóng, nhẫn bŠ

1.2 - Các phương pháp giảm lực cản12.1 Sie đụng Fiber (sợi)

Ci dung dịch với tỷ lệ kích thước của các sợi (Ud) từ 25-35 cho thấy sự giảm lực

cán với ni 1g độ sợi cao Với tỷ lệ kích thước tăng lên và giảm bớt đường kinh sợi,

hiệu quả của các sợi hóa học tăng lên Các hệ thống của các sợi hóa học hòa trộn

với polymer đã đạt được hiệu quả giảm lực cản lên tới 95% Mức độ giảm lực cản

này cao hơn mức độ giảm lực cản đối với các polymer hoặ với các sợi đơn Các

polymer trong loại hệ thống này cũng bền hơn với sự phân rã

Tuy nhiên, việc sử dụng các sợi hóa học bị han chế bởi các trở ngại mà chúng có thể

sty ta các vin dễ kin trong các đường Ống nước do nồng độ cao (khoảng một vài phiin trim) yêu cầu cho sự giảm lực cản Ngoài ra, chúng chỉ được ứng dụng vào

việc giảm lực cản trong các hệ thống nhà máy công nghiệp và gần như không được

sử dụng nhiều vào các hệ thông sinh hoạt, nguồn nước dân cư do các vấn đề về sứckhỏe và các chỉ phí liên quan lọc bỏ các tạp chất trong nguồn nước Trong.

hộ thống dễ âm thi bị bị mãi môn 1.2.2 Sử dụng chit phụ gia Polymer

Sự giảm lực cản của các dung dich polymer đã được nghiên etu rộng rãi trong cảmôi trường nước và môi trường hydrocarbon bởi nhiều nhà nghiên cứu Nghiên cứu.

an đầu đã đề xuất hai loại giảm lực cản rong các dung địch polymer loãng Các

dung dich qué loãng cho thấy sự giảm lực căn lắc ban đầu được phát triển hoàn toàntrong vũng chảy rồi, sự giảm lực cản chi xuất hiện trên một số Reynolds ngay từ lúc

ban đầu, nơi mà hệ số ma sit giảm xuống đưới hệ số ma sit đối với dòng chủy rồi của chit lòng Newton bình thường Với số Reynolds thấp hơn giá tị lúc bắt đầu, sự giảm lực cản không xảy ra, Như vậy, có một ứng suất tiếp lúc bắt đầu và một giá trị

‘ing suất tiếp lúc bắt đầu.

Với dung dich polymer cô đặc, sự giảm lực can xuất hiện bởi sự mở rộng của các.

vũng chay ting Trong trường hop này, các điều kiện ban đầu đạt được cúc gi tỉ số

Reynolds thấp, điều đó có nghĩa là vùng chuyển tiếp giữa chảy ting và chảy rồikhông được tuân theo vi chuyên động chảy tầng của chat lỏng được mở rộng tớimột vùng chảy ting được mỡ rộng hơn, nơi ma hệ số ma sit thấp hơn hệ số ma sát

của ding chất long Newton chảy réi thông thường tại cùng một số Reynolds Sy

giảm lực cân tại đây và cũng rong sự giảm lực cin lúc ban đầu tăng cũng lưu lượngcho đến khi có một ứng suất tiếp tới han ở thành ống được đạt đến nơi mà tốc độ.

phân ly polymer trong vùng thành Sng vượt qué tốc độ nơi mã polymer được cung

cấp thêm trong vùng này và sự giảm lực cản giảm bớt.

1.2.3 Sử dụng chit phụ gia surfactant

Cie surfactant thường là các hợp chất hữu cơ bao gồm các nhớm ky nước (phần

đuôi) và các nhóm wa nước (phần đầu) Bởi vậy, một surfactant bao gdm một thành

phan không hoa tan trong nước (hoặc hoà tan trong dầu) và một thành phần hoa tan

trong nước Các surfactant sẽ khuếch tan trong nước và hip thụ tại mặt phân cách

giữa khí và nước hoặc tại mặt phân cách giữa dẫu và nước, trong trường hợp nơi mà

nước được trộn với dầu Hiệu quả giảm lực cản phụ thuộc vào loại chit phụ gia surfactant được sử dụng và sự bố trí hệ thống Khả năng tiết kiệm năng lượng khi sir dụng chất giảm lực cân sẽ tăng nếu hệ thống có it nhánh rẽ hoặc các ông ải hơn và

cổ ít cút nối.

Uu điểm của dung dich surfactant cao hơn các polymer là vì các cấu trúc nano của chúng cổ thể hồi phục li sau hi bị phá vỡ đo biển dang cắt lớn Cấu trúc mixen của

chất giảm lực cản surfactant thi lại có khả năng tự hẳn gắn sau kh bị suy thoái cơ

học do ứng suất cắt Các cấu trúc vĩ mô bị phá vỡ sẽ dB dàng lắp rip lại nhiều lần

trong thời gian rất ngắn Do đồ các chit giảm lục cản surfactant không bị suy thoái

sơ học trong vũng có ứng suất cắt cao như trong buỗng bom, Tuy nhiền các dưng

dich surfactant cũng có một nhược điểm lớn do không thể sử dụng trong các hệ

thống nước sinh hoạt cho các hộ din ew do sự ảnh hướng tí sức khỏe concực

công nghiệp như các hệngười và chỉ được sử đụng trong các hệ thống sản x

thống làm mát, sưởi ấm và điều hòa.

Giảm lực cân sử dụng chất surfactant được ứng dung trong các hệ thing sisi âm và

lâm lạnh khu vực Các hệ thống này cung cắp hoặc loại bỏ nhiệt trong các tòa nhà

hoặc một khu vực bằng sự tin hoàn của nước nông hoặc lạnh ti các trạm trung

tâm, Năng lượng yêu cầu dé ạo đồng nước tuin hoàn chiếm khoảng 15% tổng nănglượng cho một hệ thông DHC.

1.2.4 Sie dụng phương pháp tạo bạt khí

Lực cản sinh ra khi một vật thé chuyển động trong chất ling với tốc độ khác biệt

"Để giảm lực cân ma sét người ta tạo ra một đệm mỏng cổ định để ngăn cích dòng

chiy với biên cứng bằng cách cấp (phun, thôi) khí liên tục qua bộ tạo khí vào lớp

biên rối Phương pháp nay còn được gọi là khí hỏa lớp biên hay bôi trơn bằng khíPhương pháp này chi phí it 6 tính khả thi cao Với sự phát triển của các công nghệtao bot khí nhỏ, có thể giảm (20 + 75)% lực cản ma sit, (10 ~ 15)% lực cản toàn

phần của tau thuyền Việc nghiên cứu lý thuyết giảm lực cán vật khi phun khí vào.

lớp biên sit bŠ mặt vật vẫn côn nhiều hạn chế so với nghiên cứu thực nghiệm do

tính phức tạp của lớp biên đây đặc bot khí bao quanh vật Về mặtlý thuyết, phương

pháp phun khí vio lớp biên lim giảm lực cản ma sit là do tương quan giữa khối

lượng riêng của nước và khối lượng tiêng của không khí đến hing tăm lần (chưa

tính đến tổn thất năng lượng tạo lớp khí bôi tron)

MeCormick và Bhattacharyya đã ghi lại các thí nghiệm giảm lực cản tàu

vào năm 1973 bằng phương pháp tạo bọt khi nhờ hiện tượng điện phản Nhóm tác

gid này tiến hành thực nghiệm với vật thể có chiều dai 91,5 em được kéo trong bể

thứ với tốc độ đi chuyên là 2,6 nưc và nhận thấy cổ sự ảnh hướng của bợi khí tới

gidm lực cản, đặc biệt là khi thử nghiệm với số Reynolds thấp Sau thử nghiệm tiên hong này, nhiều nhà khoa học đã tgp tục nghiên eu và thử nghiệm phun bọt khí

‘Gi nhiều cách thức khác nhau Không chỉ dùng lại ở nghiên cứu lý thuyết và thi

hành th nghiệm hệ thống phun bọt

nghiệm trên mô hình, các nhà khoa học đã

khí trên tau thực Các nghiên cứu cholige can ma sắt giảm theo từng điều kiện

phun khí tối ưu tương ứng Phun khí ở khu vực thượng nguồn có hiệu quả hơn so

với khu vực ha nguồn Điều thú vị là hiệu quả giảm lực cản ma sit của đông khí

phun không tuyển tính với phần thể tích khí trong lớp biên, Các công nghệ giảm lực

cân dựa trên cơ sở phun khi gồm có: xâm thực toàn phần, xâm thực một phần và

phun khí tạo bọt nhỏ Sự xâm thực có thể giảm lực cản, bởi vì một bề mặt bị xâm

thực trên thự tế là không có ma sit, Đối với xâm thực toàn phin, thì lực căn này

nhỏ hơn, giảm ma sát chỉ xây ra đối với

lượng xâm thực cực thấp (nhỏ hơn 6%).

với xâm thực một phần, không có bat lợi về lực cán và giảm lực cán đạt được ở

các mức độ vừa phải Dang xâm thực một phần không có sự bất lợi về lực cản có

thể tồn tại với sự bổ sung của các xung xâm thực do gradien áp suất xuôi theo ding

chiy của đuôi xâm thực Từ các thứ nghiệm trên mô hình với các cánh thiết kế đặc

biệt trong bé thử ở Trường Đại học Minesota vàở trên biển với tu trọng tải 100

tấn, đo được giảm lục cân (25+30)% nhờ xâm thực một phần Sự giảm lực cân masát tỷ lệ với điện tích bị xâm thực Các chiều đài xâm thực và điện tích bị xâm thực.

phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của vật thể, Ngược lại với xâm thực toàn phản,

lực cân của các bọt khí giảm so với tốc độ dòng (kết quả tốt nhất thu được ở tốc độ

dong v = 4,7 mis), tác động của nó phụ thuộc vào hướng bổ mat Công nghệ này có

thể áp dung cho các tau diy phẳng tốc độ thấp Tuy nhiên trong thực tế khai thác

tàu, việc phun khí tại đáy cần quan tâm lớn tới vị tí đặt thiết bị phun khí sao chokhí không lot vào chân vị

12.5 Sử dụng Rilles

Tir những hạn chế của các phương pháp ding sợi vả các chất phụ gia lim giảm lực

cản th sử dụng Riblet cũng là một phương pháp làm giảm lực cản Việc sử đụngriblet được đểgiảm lục cin được lấy cảm himg từ bé mặt của da cá mập Da củanhững con cá mập bơi nhanh được bao phủ bởi những vảy nhỏ có tên là da liễu

(ring da) và có hình dạng tương tự như những chiếc ruy băng nhỏ được đặt theo.

hướng của đồng chất long Chúng có kích thước siêu nhỏ và được quan sát kính

hiển vi, chúng có hình dạng của một răng cưa.Quan sắt khả năng bơi lội của con cá

mập Các nhà khoa học đã chế Ho các Riblets trên bề mật của một chiếc mây bay

kết quả đã cho thấy một tỷ lệ phần trăm giảm lực cản đáng kể cho chiếc máy bay.

CCudi cùng việc áp dụng riblets trên máy bay đã chứng minh một kết qu tốt Kích thước Riblets được tối ưu hóa tiếp tue giảm lực kéo lên tới khoảng 46% Sau nhiều

nghiên cứu, Riblets đã tỏ ra khá hứa hẹn Riblets rằnh chữ V được hiển thị trong

Hình 1.1 đã cho thấy một kết quả dy hửa hen trong việc giảm lực cân và đã tạo ra tới 8% cung cấp chiều cao và khoảng cách của các rãnh được đo chính xác Riblets 443 được thử nghiệm trên nhiều loi may bay để giảm lực cản và đã cho kết quả rit

khả quan,

Hình 1 1 Riblets rãnh chữ V

Trong quá trình thử nghiệm Riblets các nhà nghiên cứu đã tiến hành bằng cáchsử

dang các phương pháp mô phỏng Vi việc sản xuất màng riblets rt hạn chế và khó

sản xuất do kích thước vi mô của nó rắt nhỏ Điều này đã mang lại kết quả cho từngloại Riblets và phương pháp này được chứng minh là đễ dng hơn để xác định thi

iblet kết quả tố nhất, Tuy nhiên, các cơ chế liên quan đến việc giảm lực cin vẫn chưa được hiểu 13, Hai cơ chế có thé đã được đề xuất Diu tiên là việc giảm ma sit trong các ving riblets cổ thé bằng cách khắc phục sự ting ma sắt gần các đều

rãnh răng cưa, Thứ hai là các Riblel thực sự làm giảm vận tốc chuyển động bingcách cân trở chuyển động dòng chảy chéo.

Uu điểm của Riblet so vớile phương pháp trên là in toàn khí sử dụng trong nguồn

nước dân dụng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như giảm lực cản cho

máy bay, thang máy, tiu thiy, vv Tuy nhiên việc sử dụng Riblets dé giảm lực cảnthì tinh hiệu quả của chúng không bin,những phương pháp kể trên, mặc khác tính.

hiệu quả của chúng còn phụ thuộc vào từng loại biên dạng của Riblets,và việc thiết

tạo cũng như vận hành, bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn hơn.Các ưu nhược

điểm, ứng dụng và đặc tính cụ thể của Riblets sẽ được áp đến chỉ tiết hon trong

chương 2 dưới đây,

1.3 Ứng dụng của Riblet về giảm lực cân

C6 thể nói sử dun;riblets là một phương pháp có tính ứng dụng cao so với cácphương pháp làm giảm lực cản khác, từ những phương tiện dĩ chuyển hiện đại như

máy bay, tàu siêu ốc cho đến mái golf hay bộ đồ bơi, ắt cả đều có thể ứng dụng từ

phương pháp giảm lực cản bing Riblets,

“Trong những thập niên 80 của thể ky trước công ty 3M của Mỹ đã mô phỏng những

đường gân vi mô (Riblets) của da cá mập để chế tạo bÈ mặt polymer chứa những đường gin o6 mật cất hình răng cưa để dân vào mạn thuyền của những chiếc tàu

dua trong các sự kiện thé thao lớn như Olympic hay American Cup Những chiếc

thuyén này đoạt giải vô địch tại Thế Vận Hội Los Angeles 1984 và American Cup

1987 khién cho ban tổ chức cuộc đua bắt ngờ Từ đó về sau các loại bỀ mặt làm, thay đổi dong chảy bị cam triệt để Tại Thể Vận Hội Bắc Kinh 2008, áo tắm.

FastSkin của công ty Speedo mô phòng da cả mập đã được vận động viên MichaelPhelps sử dụng khiến cho nhiều kỷ lục bơi lội bị bức phá Speedo đã cho biết rằng.

áo tim FastSkin có th lim giảm lực cản 3% cho nữ và 4% cho nam Lực cin bị

giảm íthơn ở người nữ vì phin nhỗ ra ở ngực và hông.

Hinh 1, 2 Các ứng đụng thực tế của việc sử dụng Riblets

Ngoài công ty 3M va hãng áo tim Speedo, cơ quan NASA, công ty máy bay

Bocing, Airbus công tích cực đầu tư vào các công tình nghiền ei cải tạo bE mặt“của tau vũ trụ và máy bay Tắm phim có những đường gin được dán vào thân máybay làm giảm được 3% lực cản không khí tương đương với 3% giảm sự tiêu hao

năng lượng Gin đây nhất vào năm 2011, hãng hing không Đức Lufthansa tạo ra

mặt giảm lực can không khí với một phương pháp thực dụng hơn bằng cách phi

một lớp sơn lên thân và cảnh máy bay rồi dùng bản khắc có những đường gân nhỏ

áp sit lên sơn ớt đọc theo hướng di của không khí Sau khi hoàn thành, lớp sơn có

võ số đường gin nhỏ có chiễu ngang 50-60 jum và chiễu sâu 20-30 jim Lớp sơn này

mn xăng dầu, trên dưới 1 widtạo ra độ giảm khiêm tổn 1%, tiết kiệm được 1% phí

6 la hing năm cho Lufthansa,

“Các img dung trong hệ thống kin của Riblets cũng rất phổ biển như hệ thẳng nước

nồng trung tâm, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa Không khí gọi tt là

HVAC, HVAC được ứng dụng rổng rã trong cuộc sống hing ngày của chúng tanhư ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí và thông gió tại các tòa nhà cao.ting, trung tâm thương mai các ngành công nghiệp nặng như nhà máy điện, máybay, tàu vũ trụ Ngoài ra việc áp dung Riblets vio ông din năng lượng như gas,

dầu, hệ thống nước nóng trong các tỏa nha cũng mang lại hiệu quả cao giúp tiết

kiệm chỉ phí nhiên ig, tăng hiệu quả vã tuổi thọ của bơm,

L4 Kết luận

`Vối các phương pháp làm giảm lực cin đã nh bày ở trên, có thể thấy những hạn chế của các phương pháp lâm giảm lục cản chủ động như chất phụ gia như polymer

làm mat khả năng tải tạo khi di qua bơm nên không thé ứng dụng vào chu trình kín

trong hệ thống làm mat, dung dịch surfactant cỏ khả năng lam giảm lực cản ối ưu lên đến 70-80% nhưng lại làm giảm khả năng truyền nhiệt khi áp dụng vào 1 số ứng dung cụ thể và không được áp dung trong các hệ thông nguồn nước dân sinh do vấn

đề về sức khỏe Trong khi đó giảm lực cản bằng Riblets tuy có hiệu suất thấp hơn

nhưng lại không làm thay đổi tinh chất vật lý của chất lưu và giảm đi khả năng

truyền nhiệt của dung dịch

Ngoài ra các ứng dụng của Riblets được ứng dụng trong rit nhiễu lĩnh vực ngành nghề khác nhau đặc biệt là rong hệ thống HVAC Chính vỉ thế trong đề ny tôi tập trung nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả của phương pháp giảm lực cản bằng

Riblets với các biên dang tam giác và chữ nhật trong kênh kin từ đó xây dụng bitoán mô phòng 3D bằng phẫn mém ANSYS dénh đính giá hiệu quả tôi ưu củaRiblets vé giảm lực cản.

“rong đề tii này những phương pháp đồ sẽ được tỉnh bay chỉ tết trong chương

chương 3 và chương 4.

CHƯƠNG 2 LÝ THUYET CHUNG VỀ GIẢM LỰC CAN BANG.

2.1 Phương pháp giảm lực can bing Riblets.2.1.1 Giới thiệu chung

"Từ hàng chục năm trước, con người đã nhắn mạnh đến tinh tính hữu dụng và sự cần

thiết của ví vàSe giảm lực cản nhằm tăng hiệu suất làm vi kigm chí phínguyên liệu Một trong những phương phí giảm lực cânsir dụng bé mặt Riblets.Bê mặt Riblets mở ra một trang sử mới vé phương pháp ning cao hiệu suit trong

các ngành ô4ô, hàng không, hàng hãi, xe quân sự, và trong đường ống dẫn chất

“Các ứng dụng lim giảm lực cân và chống các chất bin vô cùng phong phú trong các Vinh vực y té bảng hải và công nghiệp, Một vải ứng dụng có thé lấy lam ví dụ bao

sỗm, các loại máy bay,16, tuabin gió, thân tâu thủy, các thiết bị thủy lực nhỏ, các

thiết bị y tế và các đường ống dẫn Các bé mặt o6 lực cản thấp thường đồng nghĩa

với việc có ithom các chất bản và sự bảo toàn năng lượng Vi dụ, trong công nghiệp

dầu khí, dòng chảy trong các ống dẫn phải vượt qua các lực cản có độ lớn cao phát

sinh ra đo các ảnh hưởng của độ nhớt và các bùn ban có thể chứa trong ống (với số

Reynolds lên đến 1 x 105) Lực cản có giá tị độ lớn thấp hơn trong các 5 giảm bớt năng lượng yêu cầu cho bơm va lưu lượng được tăng lên với các giá trị tối ưu hơn Theo truyền thống lực cn được giảm bớt bằng việc sử dung các phụ gia thêm vào chất lưu hoặc cải thiện sự hoạt động ôn định bên trong các ông dẫn cùng với các lớp phũ epoxy chống mài mòn Các lớp ph như vậy có hiệu quả cao nhất

khi bùn ban không hiện diện, như khi thấy được với các dòng dầu chảy từ giếng với

vận tốc và nhiệt độ cao.

Ngoài việc hạ thấp lực cản, các bé mặt kháng chất bin có thể làm giảm sự lan

en của các bệnh truyền nhiệm bằng cách hạn chế các chất bản sinh học Các chất bin sinh học rong y tế rong các bộ phận như sự cấy ghép bộ phận giá các bộ

dò tín hiệu sinh lý, các ống thông, các thiết bị cấy ghép nha khoa vả các thiết bị y tế,

loại bỏ các mồ cấy, sự trục tặc của thếtbị dd tín hiệu sinh lý

Ci chất bản sinh học thông thường được lên kết với các môi trường biển nơi mà sự phát tiễn nhiều hơn một cách ding

chú ý tại môi trường nước với sự xuất hiện nhiều hơn của các con thuyén, con tàutrình đưới nước Điều này làm tăng lực cản tác dụng lên thân

tàu, mức tiêu thụ năng lượng và các áp lực, ứng suất tác dụng đến động cơ Các chất

thải công nghiệp tạo ra trong các khu vực như các nhà máy điện, các hệ thống xử lý

vấn để bao gồm sự tắc nghén

nước và công nghiệp thực phẩm nước giải khát

đường ống, nguồn nước ô nhiễm và hiệu suất trao đổi nhiệt bị giảm xuống

Trong tạo hóa th„ các hệ thực vật và các quin thể động vật tạo ra các lợi

ich ding kể tử việc giảm bit lực cản và chẳng bin, Nồi cụ th, da của các loài cả

mập boi nhanh là các loài cá mập được chi ý đặc biệt do đặc tính hạ thấp lực cin xung quanh và chống bản của chúng Ví dụ như trong môi trường biển, các con cá

voi thường được bao phủ bởi các con hiu, tuy nhiên loài cá mập vẫn giữ được sựsạch sẽ như minh họa trong hình 2.1 Mặc đù bai loài sinh vật biển nảy sống trong.môi trường như nhau, tuy vậy loài cá mập dường như không bị ảnh hưởng bởi cácchất biển sinh học Chúng ta tin rằng các con cá mập giữ được tính sạch sẽ do cácRiblets có cấu trúc tế vi của chúng, độ tốn của các răng nhỏ trên da và một lớp

cho sự

nhấy Giảm bát lực ean cằn th tại của loài cá mập bởi vi nó cho phép.

các loài cá mập bơi nhanh hơn với mục dich săn mỗi Vận tốc của dòng chất lưu.

theo sau ác động trên da chúng tăng lên giảm bới thời gian săn bắt các sinh vật nhỏvà nâng cao quá trình chống bản Ngoài ra , các sinh vật có kích thước lớn hon

không gian giữa các Riblets không thé gắn chặt trên da và không thể bảm vào da,

điều này nâng cao qué tinh chồng bin

10

Clean shark skin

(Mako, lsurus oxyrinchus)

100 jam

Hinh 2 1 So sánh sự khác nhau giữa da cá voi Hunpback và các loài cả mập

‘Ce bề mặt có lực cản thấp và chống ban vẫn là đối tượng từ nhiều thử nghiệm cho việc sử dụng các Riblets giống như trên da cá mập gắn trên các bề mặt có cấu trúc

nhỏ Một bề mặt lý tưởng sẽ chống lại các môi trường khắc nghiệt, gắn chặt vớin, kết hợp với các đặc tính làm giảm lực cản, chống

tương đối rẻ.

Xác định hình dạng bề mặt của Riblets một cách tối ưu cho việc làm giảm lực cán tới mức ti đa vẫn là vnđ trọng tâm với nhiều nỗ lực, giải pháp Các kết quả thử

nghiệm cho thấy các bề mặt có cấu tạo giống với da cá mập có tác dụng làm giảm.

lực cin một cách higu quả trong đồng chảy chảy trong kênh kín và kênh hở, mặc dt

các dữ liệu có sin một cách han chế với các kênh kin, Vi hại, các thử nghiệm đổivới kênh kí là được dẫn dit vào để nghiền cứu đến cá ảnh hưởng đối với cácthành ống bên cạnh bing các kênh dẫn kin có kích thước được cho là nhỏ hơn hẳn

so với thực tế, Trong kênh hở, lực cân được đo với nước, dầu và không khi Tương

tự trong các kênh kin, lực cản cũng được đo đối với nước, dẫu và không khí Các

phép do lường lực căn (đối với kênh hở) và sự ạt áp (đối với kênh kín) mổ tả tới

hiệu quả giảm lực cản của Riblets

Các thử nghiệm trước đó đã dùng nhiều đặc trưng hình học, các hình dạng và vật liệu làm Riblets, các chất lưu và các điều kiện dòng chảy (cháy ting và chảy rồi)

Cée dạng hình học bao gồm hình lưỡi kiểm, răng cưa, vỏ sò và chôm edu cùng vớisắc hình dạng liên tục và thành các ming ong nước, dầu và không khí Các thínghiệm bằng dầu với các Riblets kim loại cho thấy kha năng giảm lực edn gần 10%,

trong khi các thí nghiệm bằng nước trong kênh kín với các Riblets polymer cho thấy

s giảm độ hạ áp lê tới 34%, Các mô hình da cá mập cũng được đánh giá đã giảm

"ớt sự hạ áp lên tới 30% trong dòng chảy trong kênh dẫn kín.

"Những nỗ lực nhằm tăng khả năng làm giảm lục cản trên quy mô lồn hơn bao gỗ các tắm riblet làm bằng vật liệu vinyl trong các thử nghiệm của tập đoàn 3M

(Minneapolis, MN) cũng như thương hiệu đỗ bơi FastSkin đảnh cho các vận độngviên bơi lội của công ty Speedo được dùng trong thương mại Các công nghệ riblet

như vậy đã gây được sự chú ¥ đến cơ quan hang không vũ trụ Mỹ (NASA), cục

năng lượng Mỹ, hai quân Mj, tập đoàn sản xuất máy bay Airbus, Boeing cũng như.

các vận động viên Olympic Vào thé vận hội Olympic 1984 tại Los Angeles và cúp

châu Mỹ năm 1987, các tim Riblets của công ty 3M đã được áp dụng dối với các thuyền đua của đội tuyển Mỹ có lẽ đã giúp ích cho việc đảm bảo chiến thắng Vào năm 2008, thể vận hội tổ chức tại Bắc Kinh ta đã thấy được lợi ích của đỗ bơi

FastSkin thương higu của công ty Speedo khi kinh ngư người Mỹ Michael Phelps

đã thiết lập ky lục Olympic và đạt nhiễu huy chương ving, Theo báo cáo, bộ đỗ bơi

có tác dụng làm giảm lực cân lên tới 4% đối với vận động viên bơi nam và 3% đối

với vận động viên bơi nữ Tại đây, ta đã thấy được các nghiên cứu liquan đến daca mập một cách tổng quan, những nghiên cửu đã được dn dit và áp dung trong

các thir nghiệm đổi với cả kênh hở và kênh kín Thử nghiệm đánh chú ý đã được

thực hiện với ding chảy trong kênh hở và ít được thực hiện hơn với dòng chảytrong kênh kín Các kết quả cung cắp đến các sự hướng dẫn trong thết kế khi phát

triển các phương pháp mối cho việc giảm lực cin và các bŠ mặt tự làm sạch ứng

dụng trong ác linh vực tế, hàng hải và công nghiệp Các thông số thử nghiệm bao

gốm các thông số hình học của Riblets, các hình dạng liên tục và theo các mảnh, vân tốc của chất lưu (đồng chảy ting và chay rối), độ nhớt của chất lưu (nước, dầu và không khi, ích thước chiều cao của kênh kin Khả năng cho phép chất long đi

«qua bề mặt và khả năng thay đổi vận tốc Các kết quả được bản luận và các kiểu

khái niệm được biểu hiện nhằm trình bày rõ về những ảnh hưởng của độ nhớt, các lớp phủ và sự ảnh hướng qua ại giữa các xoáy nước và các bễ mặt của Riblets “Các lớp bao chảy ting và chảy rồi giúp ich cho việc mô tả vỀ dong chay của chất

lưu, nơi ma các lớp bao chảy rồi gây ra các lực cản do ma sắt mặt ting lên cao hơn

Lớp bao là lớp chất lưu gần k với bb mặt với lớp ở tận tong cùng được gọi là lớp

đệm nhớt Trong lớp này, dòng chảy ting hoạt động một cách trơn tru, nh lặng vànhiên và

theo chế độ chảy trong khi đó đồng chảy rối hoạt động một cách mị

loạn Ngoài ra, dòng chảy tang được kiểm soát bởi các lực nhớt giữa các phân tử.

chit Iu, trong khí đó dng chảy rồi bị kiểm soát bởi các lực quán tinh, Các xodynước hỗn loạn trong lớp đệm nhớt chuyển tiếp một cách tự nhiên theo hướng đồngchiy giao nhau và huéng ding chảy lim cho các xoấy nước hòa trộn vio nhau và

phun ra từ lớp đệm nhớt Chuyển động này làm tăng sự truyén động lượng và ứng suất cắt làm tăng lực cản lên cao hơn Bởi vậy, ding chảy ting được ưu tiền cho mức lực căn thấp: tuy nhiên trong nhiều ứng dung thực tế đổi với đồng chất la, cic lớp bao chuyển tiếp một cách tự nhiên từ chảy ting sang chảy rồi Sự chuyển này có thể được mô tả với số Reynolds ~ một giá t không thứ nguyên (Re) l

giữa lục quán tính với lực nhớt, hoặc ta có công thức sau đây:Re=Qn

Trong đó V là vận ốc tương đối của dòng chit King, 9 là độ nhớt động học và D là

đường kinh thủy lực (đối với kênh kin) hoặc khoảng cách xuôi dng từ đường biên

chính Với một kênh din kín hình chữ nhật, D = 4A/c, tong đó A là diện tích mặt

cắt ngang và e là chu vi ướt Sự chuyển ti từ chấy ting sang chảy rối phụ thuộc

vào các thông số trong phương trình trên cũng như độ nhắm bé mặt và cúc sự tối

loạn đối với đồng chảy tự do noi mà các tinh chất như vậy có thể khiến cho lớp bao

trở thành chiy rối Sự chuyển tiếp như vậy xảy ra với giá tị Re = 2300 đối với ding

chiy trong kênh kin và Re = 500 000 đổi với dòng chảy trong kênh hở,

-21.L-1 Sịc ru đời cia Bề mặt RiBles

(Qua sự nghiên cứu đặc tính chuyển động của loài cá mập các nhà khoa học đã phát

hiện ra rằng ngoài việc chúng titra các nước nhầy dể làm giảm lực cản khi chuyển động, bảo vệ lớp đa khỏi sự mài mòn thì cấu trúc da của chúng cũng có tác động không nhỏ dé làm giảm lực cản khi chuyển động giúp chúng có một tốc độ tối da để săn mỗi Chính việc nghiên cứu về cấu trúc bé mặt của cá mập đã tạo cảm hứng để hình thành lên một bé mặt tối ưu về giảm lực cản qua đó ứng dụng vào cuộc sống.

của con người, Để chin 1g minh cho sự hiểu quả của cấu trúc da này các nhà khoahọc đã sử dụng phương pháp Mô phỏng sinh học để kiếm chứng Và kết quả khôngngoài mong đợi của nhứng người thực hiện, bé mặt nghiên cứu đã được chứng minh

được việc giảm lực cán của mình từ 4-10% tùy vào từng kích thước và cấu trúc khác nhau của bé mặt Những người nghiên cứu về vẫn để này gọi ứng dụng là sử

‘dung b mặt Riblets để giảm lực cân.

2.1.1.2 Khải niệm về Riblets

Riblet là những lỗi lõm bề mặt nhỏ phủ hợp với hưởng chảy, có độ nhắm dị hướng

lên bÈ mặt Riblets là một tong số ít công nghệ đã được áp dụng thành công đểgiảm lực cân trong các đòng chảy ri, cả trong phỏng thí nghiệm và trong khí động

học đầy đủ biên dạng hình học Riblets có rất nhiễu hình học khác nhau đã được

thử nghiệm trong các đường him gid, thé hiện sự giảm lực cản trên đưới 10% so với.

sắc tim phẳng Walsh & Lindemann [2] đã thử nghiệm nhiều hình dạng, bao gồm

hình tam giác, đỉnh hình chữ nhật, ribets hình sin va hình chữ U, có được mức giảm

lực cản tối đa 7-8% cho Riblets khoảng 15 rãnh Một đảnh giá ban đầu khả rộng là

của Walsh [3] , và những cái gin đây hơn là của Choi [4], người nhắn mạnh công.việc của nhóm giảm lực cản ERCOFTAC, và Bushnell, được định hướng hướng tớikỹ thuật lực cin cho máy bay Trong đánh giá của ông về dòng chiy rồi trên các

bức tường thô, Jiménez [5] xem lực cản bởi Riblets như là một chuyển tiếp hiệu.

ứng gỗ ghề.

‘BE mặt Riblet là: Là bề mặt có cấu trúc rãnh thắng theo hướng của dòng chảy mục dich giảm lục ma sắt của chất lông dịch chuyển

2113 Các biên dạng hình học của Riblets

Da cá mập thật có hình dang và cầu hình ba chiều phúc tap, vì vay dé dB dàng hon

trong việc chế tạo, da cá mập được đơn giản hóa bằng các mẫu Riblets nhân tạo bao

gồm các biên dạng: tam giác, bán nguyệt hình chữ nhật, hình thang và hình

parabol Kích thước quan tâm bao gồm chiều cao Riblets (h), chiều rộng (9), và độ

aT ~_§- te

tal 4//V/\

©) Biên dang Riblets hình parabol

Hình 2, 3 Các dang hình học phổ biển của Riblets

ĐỂ so sánh sự khác biệt giữa các loại hình học riblets trên, năm 2016 nhóm nghiên

cứu của X.Q.Bai, X.Zang, C.Q.Yuan [6] đã thực hiện mô phòng số bằng cách sửdụng phn mềm Ansys Fluent, Các thông số, kích thước, đu kiện ban đầu và điều

kiện biên được thiết lập Cúc vận tốc ban đầu Uo là Sms, và chiều rộng Riblets (s) là

“Theo kết quả bằng số RO ring là các bE mặt hình học của mỗi biến dang cố năng

lượng động hoc hỗn loạn khác nhau trên các đỉnh và các rãnh Riblets Động năng,

hỗn loạn trên các đình của Riblets cao hơn nhiễu so với các rãnh Riblets

“able 1 Turbulent Knee energy dstibuton of diferent elt geometry

Diferent geometry ible ips?) ible valleys?)

Hình 2 4 Bang phân bổ động năng của đỉnh và ranh Riblets

Kt quả cho thấy rằng với cũng s và Un(s= 0,1 mm, Up= Š m/s), biên dang

Riblets hình chữ nhật có hiệu suất giảm lực cân tốt nhất, tiếp theo là biên dang hìnhtam giác, biên dạng hình bin nguyệt và cudi cũng là biển dang bình thang TrongKhi đó

Table 2 Comparison of dag reduction to of đấợrznlthletgecmsty (==, 75m2) 5]Different geometry Famoohh Friblets Drag reduction aio (% )

Hình 2 5 Bang so sinh hiệu suất giảm lực cản với các biên dạng khác nhau.

biên dang riblet hình parabol làm tăng lực cản tới 5.057% như hình 2.5

Mic dù có hiệu suất giảm lực cản tốt nhất ty nhiên dang hình chữ nhật khó

chế tạo và tuổi thọ không cao Vi vay, biên dạng Riblets hình tam giác là thực tế hơn và có tỷ lệ giảm lực cản t6t hơn so với các biên dang còn lại, KẾt quả này tương đằng với các nghiên cửu trước đây Các gi tri tốt nhất đã đạt được với các Riblets biển dạng nhỏ, trong khi các biên dang được sử dụng nhiễu trong thực tế là biển

dang tam giác và bin nguyệt,

2.1L Phân ích lý thuyết về cơ chế Riblets

Co chế vật lý của việc giảm kéo bởi riblets đã được nghiên cứu một cách chỉ tiết bởi nhiều nhà nghiên cứu, chẳng han như Wilkinson etal (1987) [7], Walsh (1990) [3] và Coustols va Savill (1992) [8], mặc dù một số khía cạnh vẫn còn gây tranh cãi Nó đã được chứng minh rằng Riblcts có thể làm giảm hiện tượng dang xoấy của của

một dong chất long tại lớp biên (Starling và Choi, 1997) [9] Do đó, các nghiên cứu.

ơ chế giảm lực cân bởi Riblets tập trung vào việc kéo dài lớp nhớt trong bé mặt của Riblet nơi ma các bề mặt chịu ứng suất là rt nhỏ Nội cách khác, là làm tăng độ

nhám của bÈ mặt theo một chiều hướng nhất định so với bỀ mặt phẳng: giảm cường

độ biến động, hỗ trợ và giảm dong xoáy của dòng chảy roi (Tullis, 1992) [10].

Kramer (1937) [11] đã đưa ra giả thuyết đầu tiên về giảm lực cản của bể mặt

Riblets, ông đã không cung cấp một li giải thích thỏa đáng về ảnh hưởng củaRiblets (Granola, Muresy-Milian và Tamasch, 1991) [12]

Cé vài giả thuyết được đưa trong các thí nghiệm về việc thực hiện Riblets trong khi hầu hết trong số đó tập trung vào sự phát triển của các dòng chảy ngang Các lý thuyết đầu tiên cho thấy rằng các đồng xoấy bị suy yếu khi chấy trên bề mặt Riblets

(Bacher và Smith, 1985) [13] Robinson (1988) [14] và Smith et al (1989) [15] cho.

ring Riblets ngăn cản với các chuyển động xody thành những dòng có tốc độ nhỏ

gần tường Tương tự như váy, Chơi (1987) [16] và Crawford (1996) [17] khẳng

định rằng Riblets giảm lục cin do ma sit bằng cách cân tử sự chuyển của đồng xoáy theo chiều doc Kamiadakis và Choi (2003) [181 k luận rằng các dong xoáy trên bể mặt Riblets có xu hướng ngắn hơn so với trên một bề mặt phẳng; và khoảng

dng xoáy là lớn hơn, qua đó cho ta thấy sự giảm lục can tên b mặt

cách gi

Riblets Ngoài ra gn đây hơn, Goldstein và Tuan (1998) [19] va Goldstein, Handler

và Sirovich (1995) [20] đề xuất rằng sự suy giảm là do các các dong xoáy trên bề mặt Riblets, giống như sự phân biệt giữa các dong chảy không ổn định được tích ra và phân tấn các dòng xoáy Mặc dù lý thuyết này đã được chứng mình bởi nhiều

et al, 1992 [21], Jimenez, 1992; ) [22], họ phát hiện ra rằng bề mặt có độ nhám thấp trái chiều (Jung nhà nghiên cứu như đã để cập ở trên tuy nhiên vẫn có một s

lam dồng xoáy gin tường giảm lực cin lớn hơn của các bé mặt có độ nhắm lớn như

Riblets và tác động quán tính của dòng ngang không ảnh hưởng đến giảm lực cản(Garefi-Mayorll,2011) [23]

CCác lý thuyết khác nhắn mạnh đến tỷ lệ của các cắu trúc của tưởng dể tối ưu hỏa

(Choi et al, 1993 [24]; Suzuki và Kasagi, 1994 [25]; Lee và Lee, 2001) [26] Mặcda họ đã cho th 1 dé nghị nàying các xoáy khi ở trên bể mặt Riblet có sự suy y

được thuyết phục bing các nghiên cứu cho một sự gia tăng lực cản khi ở trên bE

mặt của b mặt Riblets (Garcfa-Mayoral, 2011) [23]

Bên cạnh những ý p vẫn còn một số ý kiến đáng được lưu ÿ như:

Bechert và Bartnwerfer (1989) [27] xác định hiệu quả là do các thông số của vận.

tốc và một kích thước lỗi của bé mặt, cũng với dé là khoảng cách giữa vận tốc đầu vào có và những cấu trúc của các dinh Riblets (Hình 26) Với bề mặt này có thể inh giá trị ứng suất cất, thấy việc phân bố ứng suất cắt trên tường bằng trung.

nhưng không thể có được dự đoán giảm lực cản Cũng với bé mặt này, Bechert etal(1997) [28] kết luận rằng thành phần dòng chéo chảy biến động giảm, việc chuyển.

giao chay rồi cũng sẽ giảm; do đồ, ứng suất cit sẽ được giảm

Hình 2, 6 Bề mặt Riblets (Bechert and Bartnwverfer, 1989) [27]

việc của Bechert và Batenwerfer đã được tiếp tục xây đựng bởi một nhóm các nhà

nghiên cứu tại Dai học Milan (Luchini etal, 1991 (29) Luchini và Trombetta, 1995

2 cách tối đa L0), Họ đề xuất ring việc giảm lực cân có thể được tối ưu hóa bi

hóa sự thay ddi giữa chiễu cao lồi của Ribletscho đồng chảy theo chigu dọc và đổi

với dòng chảy chéo Ngoài ra, Luchini nghiên cứu tác dụng của Riblets về sự ôn

dinh lớp biên bằng cách sử dụng phương pháp e ^ N điều tra của ông đã chỉ ra rằng

những dòng sóng Tollmien-Schlichting (T-S) qua đó tìm thấy kích thước tối ưu trên

st Riblet tam giác ở một sé Reynolds thấp, Một nhóm khác, những người theo Becher và Batenwerfer, định nghĩa các khái niệm rằng việc giảm lực cin của Riblet có th liên quan đến sự khác bit giữa những đình lỗi và chiều cao lỗi đồng

ngang (Baron etal, 1993) [31]

fin đây nhất, Garcfa-Mayoral và Jiménez (2012) [32] thực hiện các thí nghiệm để

tìm ra kích thước tối ưu cho bề mặt dựa trên diện tích rãnh và so với khoảng ci

Ribletshoge chiều âu (Hình 27) Họ cho ring "sự giảm lực cả của bê mặt Riblets

không được liên kết với các vận tốc theo chiều dọc dọc theo rãnh Riblet

thuật này không cung cấp luận cứ lý thuyết phục khi một dòng chảy nhiễu loạn ba chiều nay ra ở một độ cao nhất định trên bÈ mặt, nơi mã các ứng suit cất ong đồng

xoáy và theo các hướng dòng chéo sẽ khác nhau.)

i m

Hình 2.7 Kết quả mô phỏng từ Garcia-Mayorl & J Fiménez (2012) [32]

(Giảm lực cản (a) như là một ham của khoảng cách s + và () như là một chức năngcủa căn bậc hai của rãnh cắt ngang

Cée Riblets có cấu trúc rất nhỏ điều chỉnh các dong chảy không đẳng hướng cũng như kiểm soát các xoáy nước xuất hiển trong đồng chiy rối một cách tự nhiên, các xoáy nước được nâng lên khỏi bé mặt và được giữ ở các đình của Riblets Lực nâng

làm giảm bớt ứng suất cắt tổng hợp do các xoáy nước chỉ tiếp xúc với các đỉnh nhỏ.cia Riblets Quá trình giữ các xoáy nước được cho là sẽ giảm bớt chuyển động củasấc đồng giao nhau trong chất lỏng và hạn chế sự xuất hiện của các xody nước từlớp đệm nhớt, giảm bớt sự trù cạnh đó các xoáy hỗn loạn cũngđộng lượng Bexuất hiện trong các chất lưu ngoài nước, bởi vậy các Riolets cũng mang lạ lợi fh

cho việc làm giảm lực cân tương tự đối với bắt cứ chất lưu nào ngoài nước như không khí và dẫu

20

Dé làm rõ hơn về cơ chế của Riblets, một thí nghiệm đã được thực hiện bằng cách

thôi một đồng khói di dọc theo mặt phẳng và mặt mô phỏng da cá mập.

mức3mMs

Hình 2 8 Khói được thổi thẳng góc với mặt giấy ở hai tốc độ 3m/s và Sm/sđi qua mặt phẳng (hình trên) và mặt mô phỏng da cá mập (hình đưới)

Hình 2.8 cho thấy, ở cả hai tốc độ, vòng xoáy tiếp giáp với mặt phẳng nhưng bị

nâng ra ngoài vùng lm trong mặt mô phỏng vả thay vào đó là dong chảy ting.

Vong xoáy là nguyên nhân của sự ma sát, nhưng trên mặt mô phỏng da cá mập,

vong xoáy được nâng ra ngoài vùng lõm của mặt Mặt mô phỏng này loại trừ các

vong xoáy ra khỏi khu vực tiếp giáp với bé mặt vật thé lâm giảm lực cản.

2.1.1.5 Phương pháp chế tạo Riblets

“Các loại Riblets đã được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như acrylic,polymer, kim loại cùng với việc sử dụng nhiều quy trình sản xuất va lắp rip khácsu tổ như chỉ phí, biên dang

nhau Quy trình sản xuất thực tế phụ thuộc vào nhiề y

hình học, độ bên, độ chính xác, vật liệu cơ sở, các thiết lập thử nghiệm,

thích hóa học và các kích thước thiết lập cho mẫu Những kỹ thật chế tạo Ribletssự tươngcó khả thi bao gồm việc sử dung các miếng chèn kim loại, các tim Acrylic đã gia

sông, tim nhôm đã gia công, polymer di ép, polymer dập, mãi, cán và khắc laser

Nhìn chung các Riblets có dạng hình lưỡi kiếm và dang vỏ sò kém bén hơn so với

các Riblets có dang răng cưa và các Riblets dạng liên tiếp dé chế tạo hơn so với

Riblets có dạng các đoạn nhỏ, Các Riblets có dang răng cưa có nhiều wu điểm như

lễ lắp đặt trên các bề mặt phẳng và bé mặt cong có bề rộng lớn và độ bén cao Các

tắm riblets được sin xuất bằng phương pháp din ép qua một khuôn có thể cham

khắc trên bé mặt hoặc chạm nổi nhiều hơn với một khuôn ép cái có sử dụng nhiệt hay ấp suit, Ngoài hình dang và thông số hinh học của Riblets, các nhà nghiên cứu

đã thử nghiệm đến các ảnh hưởng của vie áp dạng các lớp phủ để thay đội các tinh

chit có thể ướt Vi dụ, các nghiên cứu gợi ý vỀ các b mặt rất ky nước cho thấy các

tính chất làm giảm lực cin với nước và tự làm sạch, những điều đã được cho rằng

có tác dụng thúc day việc làm sạch chất bản Với lại, một nghiên cứu khác đã gợi ý về các bê mặt rất ưa dẫu và có th rất ky dầu cũng có thé giảm bớt lực cản trong dầu Trong một nghiên cứu gần đây, một lớp phủ cấu trúc nano được tạo ra với các

hạt silica và áp dụng với các Riblets polymer được khắc laser có sử dụng mộtphương pháp phủ nhúng đặc biệt cùng với các hạt nano lơ lửng trong một chất kếtdính, Lớp phủ này được cho ring có thể cải thiện độ bóng của các Riblets được

khắc laser hoặc các Riblets được phay

Hang hàng không Airbus đã thử nghiệm tắm phim Riblet trên máy bay thương mại A320 và có được những kết quả mong đợi, chiếc may bay được che phù một phần

khoảng 70% với bộ phim Riblets do tip đoàn 3M sản xuất Theo tính toán, chỉ phí

nhiên liệu là khoảng 30% chỉ phí hoạt động trực tiếp, người ta sẽ tiết kiệm được

khoảng 0,7% chỉ phí hoạt động trực tiếp bằng cách giảm 21 mức tiêu thụ aliệu, quan trong hơn, khoảng 1,6 tắn nhiên liệu có thể được thay thể bằng trong tải

bổ sung có thể tăng 3.3% tương đương với 10 hành khách Do đó, bao gồm tiết kiệm nhiên liệu, hãng hàng không có thể kiếm được nhiều lợi nhuận hơn khoảng.

4%, điều này sẽ giúp tăng lợi nhuận 1 tiệu đô la mỗi máy bay mỗi năm,

Hình 2 9 Các thử nghiệm cho việc làm giảm lực cản bằng Riblets trên máy bay

“Trong các chuyển bay thử nghiệm, tổng nhiên liệu tiêu thy sẽ xác định khả năng

Jam giảm lực cản Hình ảnh thông qua kính hiển vi điện từ quết cho thấy tết điệnccủa Riblets dang răng cưa, nơi mi các đường rãnh trên Riblets có hướng song songvới thin máy bay.

2.1.1.6 Sự tối uu hia của các tắm Riblets

"Ngoài việc thir nghiệm với da cá mập thật hoặc các mô hình da cá mập, sự nghiên

cứu đã được thực hiện ing việc sản xuất ra các tắm Riblets nhân tạo dựa trên da cả mập Các Riblets như vậy dùng để thay thé các Riblets được thấy trên da cá mập trong tự nhiền: tuy nhiên hình dạng và lách thước của ching là khác nhau nhằm tôi

tu hóa sự thỏa mãn giữa các kỹ thuật làm giảm lực cản và các kỹ thuật chế tạo có

khả thì i ưu hóa các thông số hình học của Riblets gấp đổi: một li để nâng và giữ chặt các ding xoáy và ha là để tối thêu hóa lực cản (do ma sắt mặt) bằng chính các tắm Riblet Do các tim Riblets nh vào bên trong kênh dẫn đồng: diện tch bé mặt tiếp xúc của Riblets được tăng lên đồng nghĩa với việc lực cin tang lên DS ối ru

hóa quá trình làm giảm lực cản, các Riblets nên nâng va giữ chặt các dòng xoáy:

cũng như thúc diy các ding chảy không ding hướng dọc theo bé mặt Các đồng chảy có hiệu quả như vậy được tạo ra bằng việc cân nhắc về hình dang và kích.

thước mỗi thung lũng (rảnh) hỗa chu vi ưới, do chủ vitướt được tăng lên gây ra sự tăng lên của lực cản.

23

Một sự cân nhắc cho việc tối vu hóa Riblets bao gồm việc sử dụng các thông số

kích thước không thứ nguyên (được do trong các đơn vị thành, vách), Những thông

sổ này được biễ thị với ký tự + cho phép so sinh tốt hơn đối với các thí nghiệm với sắc thông số hình học khác nhau của Riblets và các điều kiện của dòng chảy Tối thiêu hóa sự mắt mát năng lượng có thé đạt đến bằng các Ribletstgo ra lực nâng và

6 lẽ giữ chặt các dòng xody rồi một cách cỏ hiệu quả Nhin chung, ma sắt mặt hoặc

lực cản nhớt tăng với các giá trị Re cao hơn liên quan đến năng lượng tỏa ra do sự.

mắt mát nbigt, Như da biết lẤy giá tị kách thước nhân với vận tốc trung bình của

dong chảy và chia cho độ nhớt động học mang đến giá trị của số Reynolds, Tương

tur số Reynolds đựa trên các thông số của Riblets cing có thé được tinh toán, một diều hữu ích cho việc tối uu hóa Riblest Các thông số quan trọng của Riblets bao

gdm chiều rộng (s), chiều cao (h) và chiều day ( được mô tả bên dưới

Số Reynolds dựa rên chiều rộng và chiều cao của riblet được xác định bởi công

“Trong đỏ ¥, là vận tốc tạo ra ứng suất cắt tại thành Ống

oi động năng như một năng lượng tạo ra ứng suất cắt tại thinh ống được mô tả bằng phương trinh tp = p:Ẻ, vận tốc to ra ứng suất cất tai thành ống được tỉnh

như sau:

=2 @9

“Trong đó p là khối lượng riêng của chất lưu.

ôi với đồng chảy trong éng, ứng suất cắt tại thành ống gin đúng rọ có thể tim được bằng cách kết hợp giữa các công thức ma sát Blasius và Fanning Cong

thức Blasius mô tả hệ số ma sắt đối với dòng chảy rồi như sau:

Có thể xác định kích thước tối ưu của Riblets với các điều kiện chảy khác nhau.

bing việc sử dụng các thông số không thử nguyễn Vĩ dụ, chiều rộng tối ưu của Riblets đối với một chất lưu đã cho có thể xác định bằng cách vi ại phương trình

2.2 tong đồ = `” Phương tin này biểu với một gi khổng đỗïs", diều

rộng yêu cầu với Riblets cho việc tố đa hóa sự giảm lực cn tăng lên khi độ nhốt động học tăng lên Các giá tris* phù hợp có thể được xác định bằng cách thay đổi

chiều rộng của Riblets cùng với một giá trị vận tốc ding chảy không đổi và ngược

lại, nơi mà các gi ti vận tốc khác nhau nhìn chung có nhiễu khả thi hơn Các kết

‘qua thí nghiệm sẽ được trình bày sau đó biểu thị giá trịs* gần bằng 15 là mức tối ưu

cho tối đa hóa sự lâm giảm lực cản cũng với các thông số hình học khắc nhau của Riblets, Vi lại chúng ta sẽ thấy được sau dé về một mỗi tương quan giữa chiều

rộng của Riblets, đường kính của đồng xoáy và chiều rộng kế bên của xoây nước.Hình dung ra sự ảnh hưởng qua lại giữa các Riblets và các dòng xody mang đến sựthấu hi nhằm tối ưu hóa các Riblets Các thir nghiệm cho sự hình dung về dong chiy rối biểu hiện rằng các xoây nước có kích thước đường gn bằng 35-50 lần

đơn vị thành vách Ngoài ra, các phép đo này được xác định với các thir nghiệm có.

sử dung đến phẩm nhuộm trong nước vi các phân tích về lớp bao chảy tối Các kích thước như vậy có vai trở quan trọng nhằm tối wu hóa chiều rộng của Riblets, Với thí nghiệm được thấy trong hình 2.8, ác giá tỉ vận the V = 3m/s và V = Sms tạo ra các giá trịs°lẫn lượt là 25,2 và 40,6 Như đã thấy, trường hợp

25