đồ án tốt nghiệp nghiên cứu mô phỏng dòng khí trong hệ thống lấy mẫu cvs của băng thử khí thải xe máy

School of Mechanical Engineering ********

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nghiên cứu mô phỏng dòng khí trong hệ thống lấy mẫuCVS của băng thử khí thải xe máy

(A simulation study on gas flow in CVS system of motorcycle’semission testing system )

NGUYỄN KHẮC HOÀN

Ngành CTTT Kĩ thuật ô tô

Giảng viên hướng dẫn : PGS Phạm Hữu Tuyến Chữ kí của GVHDBộ môn : Hệ thống động lực trên ô tô

Trường : Cơ khí

Hà Nội, 07/2022

PHIẾU GIAO

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Sinh viên: Nguyễn Khắc Hoàn Lớp: Ô tô ElitechKhóa: 63 Ngành: Kỹ thuậ Ô tôGiáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hữu Tuyến

1 Tên đề tài tốt nghiệp:

Nghiên cứu mô phỏng dòng khí trong hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy

2 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy

1.1.Giới thiệu băng thử khí thải xe máy

Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống lấy mẫu CVS bằng phầnmềm Ansys Fluent

2.1 Xây dựng mô hình hệ thống CVS

2.2 Lý thuyết tính toán dòng chảy trong CVS2.3 Các thông số điều kiện biên cho mô hình

Chương 3: Kết quả tính toán va thảo luận

3 Số lượng và tên các bản vẽ: 3

- Bản vẽ 1: Sơ đồ băng thử và bản vẽ CVS

- Bản vẽ 2: Mô hình CVS và các phương trình tính toán- Bản vẽ 3: Điều kiện biên và kết quả mô phỏng

4 Ngày giao làm ĐATN: 04/03/2022

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: trước 20/07/2022

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của xã hội, con người luôn tìm hiểu, sáng tạo ra các thiết bị sản phẩm nhằm thỏa mãn các nhu cầu của mình Sự đi lại là một trong những nhu cầu thiết yếu đó Chính vì vậy động cơ xe máy đã ra đời phục vụ cho nhu cầu này Tuy nhiên, sự ra đời của xe máy cũng ảnh hưởng lớn đến môi trường sống xung quanh chúng ta và ảnh hưởng đến chính con người bởi khí thải mà nó cũng không hề nhỏ Chính vì vậy, luôn có những tiêu chuẩn về khí thải rất khắt khe nhằm giảm tối đa lượng khí thải phát ra môi trường Và để đo được lượng khí thải từ xe máy, cần một hệ thống với những máy móc hiện đại, một trong đó là hệ thống đo khí thải với thể tích không đổi (CVS – Constant Volume Sampling) để đo được lượng khí thải phát ra tức

thời Và với hệ thống hiện đại như vậy, em xin chọn đề tài: Nghiên cứu mô

phỏng dòng khí trong hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy.

Đồ án thực hiện mô phỏng dòng khí trong hệ thống pha loãng CVS, tính toán tốc độ dòng chảy ở các tỷ lệ pha loãng khác nhau Qua đó có thể tính toán thời gian trễ từ đuôi ống xả xe máy đến điểm lấy mẫu khí thải sau pha loãng, hỗ trợ cho quá trình xử lý dữ liệu đo khí thải liên tục trên băng thử sử dụng hệ thống lấy mẫu CVS Với nghiên cứu này em mong muốn vận dụng các kiến thức lý thuyết chuyên ngành đã được học để giải quyết một vấn đề đặt ra trong thực tế.

Đối với một sinh viên Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồ án tốt nghiệp là một minh chứng cho những kiến thức có được sau những năm học tập Trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, ngoài những cố gắng của bản thân, em sẽ không thể hoàn thành tốt được đồ án nếu không có sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Thầy

Ngoài ra, trong suốt quá trình nghiên cứu em cũng nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình của các thầy cô nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ô tô cùng với các anh đang công tác tại phòng thí nghiệm khí thải động cơ đốt trong ở C15 Em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy cô và các anh đã tạo điều kiện để em có thể thực hiện Đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án

Mô phỏng chuyển động của khí thải chuyển động trong hệ thống CVS nhằm xác định các nguyên nhân gây ra hiện tượng sai lệch tín hiệu đo của hệ thống lấy mẫu CVS Công cụ hỗ trợ là phần mềm mô phỏng Ansys Fluent Kết quả của đồ án đã chỉ ra nguyên nhân gây sai lệch tín hiệu đo của hệ thống CVS Từ kết quả của đồ án này, có cơ sở định hướng cho việc phát triển đồ án là xây dựng phương pháp hiệu chỉnh các thử nghiệm khí thải liên tục

Qua quá trình làm đồ án, em đã có kiến thức về hệ thống lấy mẫu với thể tích không đổi CVS ( Constant Volume Sampling) và cách lấy mẫu để kiểm định khí thải Ngoài ra, em còn học được thêm các sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys Fluetn – một phần mềm mô phỏng sát với thực tế.

Hà Nội, ngày … tháng 07 năm 2022 Sinh viên

Nguyễn Khắc Hoàn

LỜI MỞ ĐẦU IIDANH MỤC HÌNH VẼ VIDANH MỤC BẢNG BIỂU IX

Chương 1 Hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy 1

1.1.Giới thiệu băng thử khí thải xe máy 1

2.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 15

2.3.2 Mô hình k-ε mô phỏng dòng chảy rối 16

2.3.3 Thuật toán mô phỏng 17

2.4.Các thông số điều kiện biên cho mô hình 20

Fluent 24

2.5.1 Xây dựng mô hình 24

2.5.2 Chia lưới mô hình 25

2.5.3 Thiết lập mô hình giải cho bài toán mô phỏng 26

Chương 3 Kết quả tính toán và thảo luận 35

3.1.Sự phân bố về nhiệt độ, vận tốc và khối khí trong hệ thống CVS35 3.1.1 Lưu lượng ống Venturi Qoutlet = 1m3/ phút 35

3.1.2 Lưu lượng ống Venturi Qoutlet = 2.5m3/ phút 40

3.2.Xây dựng hàm số liên hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải45 3.2.1 Lưu lượng của ống Venturi Qoutlet = 1m3/phút 45

3.2.2 Lưu lượng ống Venturi Qoutlet = 2.5m3/phút 47

Chương 4 Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài 50

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy 2

Hình 1.3 Hệ thống thử nghiệm khí thỉa xe máy tại phòng thí nghiệm động cơ

Hình 2.3 Giao diện chung của Ansys Fluent 24

Hình 2.4 Dẫn xuất file 3D vào Ansys Fluent 25

Hình 2.5 Giao diện chung của MESH 25

Hình 2.6 Lưới sau khi được chia tự động 26

Hình 2.7 Các biên được đặt tên 26

Hình 2.8 Cách vào và khởi tạo ban đầu của SETUP 27

Hình 2.9 Giao diện chung của SETUP 27

Hình 2.10 SETUP General 28

Hình 2.11 SETUP Multiphase Model 29

Hình 2.13 Thông số không khí 30

Hình 2.14 Thông số khí thải 30

Hình 2.15 Điều kiện biên đầu vào không khí 31

Hình 2.16 Điều kiện biên đầu vào khí thải 31

Hình 2.17 Định nghĩa đầu vào khí thải và không khí 32

Hình 2.18 Setup Solution Method 32

Hình 2.19 Initialization 33

Hình 2.20 Run Calculation 34

Hình 3.1 Diễn biến về nhiệt độ trong hệ thống CVS 35

Hình 3.2 Diễn biến về vận tốc trong hệ thống CVS 36

Hình 3.3 Sự hòa trộn giữa khí thải và khí pha loãng 36

Hình 3.4 Thời gian trễ của khí thải 37

Hình 3.5 Mặt cắt xOy ( màu xanh lá) 37

Hình 3.6 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời gian DF = 8 38

Hình 3.7 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời giankhi DF = 12 38

Hình 3.8 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời gian khi DF = 16 39

Hình 3.9 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời gian khi DF = 20 39

Hình 3.10 Thời gian trễ khi hệ số pha loãng DF = 4 40

Hình 3.12 Diễn biến nhiệt độ trong hệ thống với hệ số pha loãng DF = 4 41 Hình 3.13 Diễn biến hệ số thể tích trong hệ thống với hệ số pha loãng DF = 4 42 Hình 3.14 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF =8 42 Hình 3.15 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF =12 43 Hình 3.16 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF =16 43 Hình 3.17 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF =20 44 Hình 3.18 Đồ thị biểu thị thời gian trễ theo lưu lượng khí thải với lưu lượng Q = 1m3/phút 46 Hình 3.19 Đồ thị biểu thị thời gian trễ theo lưu lượng khí thải với lưu lượng 48

Bảng 2.1 Tính năng và phương pháp mô phỏng 19

Bảng 2.2 Thông số của không khí và khí thải 21

Bảng 2.3 Thông số điều kiện biên về vận tốc với Qoutlet = 1m3/phút 23

Bảng 2.4 Thông số điều kiện biên về vận tốc với Qoutlet = 2.5m3/phút 23

Bảng 3.1 Thời gian trễ của từng trường hợp với Qoutlet = 1m3/phút 45

Bảng 3.2 Quan hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải với Qoutlet = 1m3/phút 46

Bảng 3.3 Thời gian trễ của từng trường hợp với Qoutlet = 2.5m3/phút 47

Bảng 3.4 Quan hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải với Qoutlet = 2.5m3/phút 47

Chương 1 Hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy1.1 Giới thiệu băng thử khí thải xe máy

Xe máy trước khi thử nghiệm cần đặt trong phòng chuẩn bị để quen với nhiệt độ, độ ẩm và áp suất trong phòng thử Khi thử, xe được kéo lên con lăn của bệ thử Người lái điều khiển xe chạy theo chu trình nhất định được hiển

Hình 1.1 Chu trình thử theo TCVN 9726 : 2013 đối với xe máy

Chu trình thử bao gồm 6 giai đoạn lặp lại, mỗi giai đoạn tương ứng 195 (s), tổng cộng là 1200 s, chiều dài quãng đường là 6 km Đối với tiêu chuẩn Euro III thì mẫu phân tích chỉ lấy 4 giai đoạn sau tức là từ giây thứ 430, hai giai đoạn đầu chỉ là thời gian chạy ấm máy, tổng quãng đường lấy mẫu là 4 km, tốc độ lớn nhất là 50 km/h Khí thải từ ống xả của xe máy sẽ đi vào hệ thống Constant Volume Sampling (CVS) và pha trộn với không khí sạch môi trường tạo thành khí pha loãng, lưu lượng của dòng khí trong CVS được tạo ra bởi

quạt hút đặt ở cuối hệ thống Một phần nhỏ khí pha loãng được lấy và chứa trong các túi khí theo từng pha của chu trình thử Khi chu trình kết thúc, tủ phân tích khí thải sẽ lấy khí trong các túi khí để phân tích hàm lượng các chất Để đánh giá phát thải của các mẫu xe được lựa chọn theo tiêu chuẩn Euro III, các xe lần lượt được thử nghiệm theo chu trình thử WMTC, khí thải được phân tích liên tục cũng như tính trung bình trên toàn bộ chu trình thử và so sánh với giới hạn tiêu chuẩn của châu Âu [ CITATION Phạ05 \l 1033 ]

- Hệ thống gồm 3 khối thiết bị chính sau: (Hình 1.2)

Khối băng thử động lực học Chassiss Dyno với đường kính 20”; khối lấy

mẫu với thể tích không đổi CVS gồm bộ lọc không khí, ống pha loãng, bộ lấy mẫu chất thải dạng hạt PTS ( Particular Sample), ông Venturi, tủ đựng túi khí, quạt hút, các ống dẫn và khối phân tích khí thải CEBII (Combustion Emission Bench II).

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy

Hình 1.3 Hệ thống thử nghiệm khí thỉa xe máy tại phòng thí nghiệm động cơĐHBK Hà Nội

1.1.1 Khối băng thử động lực học

Bằng thử động lực học Chasssiss Dynamometer 20” có chức năng mô phỏng điều kiện mặt đường khi xe lăn bánh tại chỗ trong phòng thử nghiệm Hệ thống băng thử được thiết kế với một động cơ điện xoay chiều đặt giữa 2 con lăn

Hình 1.4 Mô phỏng lực cản trên con lăn

- Xác định tốc độ của xe

Tốc độ của xe được xác định qua tốc độ của con lăn bằng bộ cảm biến kiểu quang học được gắn ở đầu trục của con lăn.

- Mô phỏng các lực cản khi xe chuyển động

Các lực cản khi xe chuyển động được quy định về điểm tiếp xúc giữa bánh xe và con lăn và được tạo ra trên nguyên lý phanh điện xoay chiều

Stato của động cơ điện xoay chiều được đặt tự do trên hai gối trục, có thể quay tương đối với roto Khi con lăn quay quanh trục kéo roto quay theo, do tác dụng tương hỗ với từ trường của roto nên stato của động cơ điện chịu lực từ và có xu hướng xoay chiều quay của roto, lực tương hỗ này được đo bằng một cảm biến đo lực.

Lực FRL được tạo ra và thay đổi nhờ sự thay đổi cường độ dòng điện trong stato.

Lực FRL được xác định theo công thức: FRL=F0+F1× v + F2x v2± mđiện× a+mg sin α

1.1.2 Khối lấy mẫu với thể tích không đổi CVS (Constant Volume Sample)

Hệ thống CVS có nhiệm vụ pha trộn khí thải với không khí được lọc sach từ môi trường tại thành khí pha loãng nhằm mô phỏng điều kiện phát thải của khí thải ra môi trường tạo thành khí pha loãng nhằm mô phỏng điều kiện phát

thải của không khí thải ra môi trường và tránh hiện tượng ngưng tụ hơi nước trong khí thải động cơ Lưu động của dòng khí trong hệ thống được tạo ra bởi quạt hút, lưu lượng của khí pha loãng được giữ không đổi nhờ ống Venturi Phía trước ống Venturi có cảm biến đo nhiệt độ, áp suất khí và đầu lấy mẫu khí đi vào các túi khí

Ống pha loãng có nhiệm vụ pha trộn khí thải động cơ với không khí môi

trường nhằm mô phỏng điều kiện thực tế vận hành của xe Điều này đặc biệt cần thiết với động cơ diesel vì một phần chất thải dạng P-M được hình thành sau khi khí thải thải ra ngoài môi trường Do vậy ống pha loãng của động cơ diesel cần có kích thước lớn hơn của động cơ xăng Pha loãng của khí thải còn tránh hiện tượng ngưng tụ hơi nước trên đường ống làm sai lệch kết quả phân tích.

Hình 1.5 Ống Venturi

Thiết bị xác định lưu lượng trong hệ thống CVS là ống Venturi (Hình 1.5)

để xác định và giữ cố định lưu lượng dòng khí Ống Venturi lớn nhất ở điều kiện tiêu chuẩn là 12m3/phut Trong mô phỏng ở phần III sử dụng ống 1m3/phút và ống 2m3/phút Quạt hút khí pha loãng có lưu lượng là 10m3/phút Như vậy, dòng khí qua họng ống Venturi luôn đạt giữ không đổi.[ CITATION TCV \l 1033 ] Lưu lượng dòng khí qua họng Venturi được tính theo công thức:

Trong đó:

Qv : lưu lượng của khí pha loãng

Kv: hệ số, đặc trưng cho từng ống Venturi, do nhà chế tại quy định Pv, Tv: áp suất, nhiệt độ của dòng khí phía trước ống Venturi

Phía trước ống Venturi đặt một đầu lấy mẫu để chứa vào trong các túi khí

Tủ chứa khí mẫu gồm có 6 túi khí, trong đó có 3 túi dùng để chứa khí pha

loãng động cơ xăng và 3 túi chứa không khí môi trường Trước khi lấy mẫu mới, các túi khí được làm sạch sẽ bằng các thổi và hút khí nén nhiều lần Để tránh nổ, vỡ túi, các cảm biến vị trí túi sẽ báo động khi túi khí quá căng

Bộ lọc không khi pha loãng lọc sạch các tạp chất cơ học và hạn chế tối đa

với các thành phần ô nhiễm có trong không khí trước khi hòa trộn với khí thải động cơ.

1.1.3 Hệ thống phân tích khí thải CEBII (Combustion Emission Bench II)

Hình 1.6 Analyazer CEBII

Hệ thống CEBII phân tích các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tùy vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự chọn dải đo phù hợp Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo.

Bộ phân tích CO (CO2) có nhiệm vụ xác định thành phần CO (CO2) bằng

phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại Khi chiếu tia hồng ngoại qua hỗn hợp

khí, tia sẽ bị CO (CO2) trong hỗn hợp hấp thụ và yếu đi Thông qua mức độ

suy giảm của tia đo được sẽ xác định hàm lượng CO trong hỗn hợp khí mẫu

Bộ phân tích HC xác định thành phần HC bằng phương pháp ion hóa ngọn

lửa Khí lấy mẫu được phun vào ngọn lửa hidro, các phần tử HC sẽ cháy và bịion hóa Cường độ dòng ion được xác định tỉ lệ với thành phần HC trong mẫu

thử

Bộ phân tích NOx xác định thành phần NOx bằng phương pháp quang hóa.

Mẫu thử đi qua bộ xúc tác nhiệt, tại đây NO2 bị phân hủy thành NO và O2, sau

đó khí mẫu với NO được đưa vào bộ phân tích quang hóa Tại đây thành NOsẽ tác dụng với O3 tạo thành NO2 có mức năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn, nhảy về mức năng lượng thấp và phát ra tia bức xạ Cường độ bức

xạ đo được sẽ phản ánh thành NOx trong mẫu thử ban đầu

1.2 Vấn đề nghiên cứu

- Trong quá trình lấy mẫu khí thải trong hệ thống CVS, khí thải được ghi lại bị trễ so với đầu ống xả do thời gian vận chuyển trong ống của hệ thống đến máy phân tích, quá trình hòa trộn với không khí và cũng do thời gian mà máy phản hồi kết quả

- Để kết quả đo khí thải tức thời đúng với từng thời điểm, vận tốc của xe thì cần phải đưa ra phương pháp hiệu chỉnh để kết quả giữa vận tốc và nồng độ khí thải đo được phải tương đương với nhau

- Và phương pháp hiệu chỉnh là sử dụng mô phỏng chuyển động của khí thải chuyển động trong hệ thống CVS nhằm xác định các nguyên nhân gây ra hiện tượng sai lệch tín hiệu đo của hệ thống lấy mẫu CVS Đây là nhiệm vụ không thể thiếu làm cơ sở cho việc xây dựng phương pháp hiệu chỉnh các thử nghiệm khí thải liên tục Nghiên cứu được trình bày báo cáo này bao gồm:

+ Khảo sát và xác định độ trễ tín hiệu khí thải đo được so với tín hiệu thực tại nơi chúng được hình thành ( cửa xả của động cơ ) khi chế độ tốc độ và tải trọng thay đổi

+ Phân tích và tìm ra các nguyên nhân gây ra hiện tượng san phẳng tín hiệu khí thải đo được so với tín hiệu tại cửa xả của động cơ.

Chương 2 Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống lấy mẫu CVS bằng phần mềm Ansys Fluent

2.1 Giới thiệu về phần mềm CFD và Ansys Fluent

Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) là phân tích các dòng chất lỏng bằng cách sử dụng phương pháp giải số Sử dụng CFD, bạn có thể phân tích các vấn đề phức tạp liên quan đến tương tác chất lỏng-chất lỏng, chất lỏng-rắn hoặc chất lỏng-khí Các lĩnh vực kỹ thuật nơi phân tích CFD thường được sử dụng, chẳng hạn như khí động học và thủy động lực học, nơi thu được các đại lượng như lực nâng và lực cản hoặc các đặc tính của trường như áp suất và vận tốc Động lực học chất lỏng liên quan đến các định luật vật lý dưới dạng phương trình vi phân riêng Những người giải CFD tinh vi biến đổi các định luật này thành các phương trình đại số và có thể giải các phương trình này bằng số một cách hiệu quả Từ những yêu cầu của bài toán đặt ra, nghiên cứu phân tích khả năng của phần mềm, tôi sử dụng phần mềm Ansys Fluent để xác định các đặc tính của dòng khi chảy trong ống của hệ thống CVS ( Constant Volume Sampling) [ CITATION Ver95 \l 1033 ]

ANSYS FLUENT là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến sự cháy trong 1 lò lửa, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ cylinder, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm.

Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến giúp đưa ra những kết quả CFD nhanh và chính xác, lưới chuyển động hay biến dạng và khả năng tăng tốc chạy song

song Các chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại Những khả năng thiết lập bộ giải tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của ANSYS FLUENT làm cho dễ dàng có thể tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng Các tệp dữ liệu và các trường hợp tính có thể được đọc vào ANSYS CFD-Post với mục đích phân tích kĩ hơn bằng các công cụ xử lý kết quả tiên tiến Ta có thể xem xét đánh giá song song các trường hợp khác nhau

Sự sát nhập của ANSYS FLUENT vào ANSYS Workbench sẽ cung cấp cho người sử dụng với 2 hướng kết nối tới toàn bộ hệ thống CAD, xây dựng và thay đổi về hình học một cách hữu hiệu với ANSYS DesignModeler , và những công nghệ chia lưới tiên tiến trong ANSYS Meshing Những chức năng cơ bản này cũng cho phép dữ liệu và kết quả được chia sẻ giữa các ứng dụng bằng cách kéo và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng một phép giải dòng chảy chất lỏng với các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu cơ khí.

Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt các khả năng mô hình hóa mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng, chính xác, phần mềm ANSYS FLUENT cung cấp các kết quả dưới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay Phần mềm ANSYS FLUENT có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng.

2.2 Mô phỏng bằng lý thuyết động lực học chất lỏng CFD

Lý thuyết động lực học chất lỏng (CFD) là công cụ phân tích hệ thống dòng chảy và truyền nhiệt cũng như các hiện tượng liên quan như các phản ứng hóa học bằng công cụ mô phỏng dựa vào sự trợ giúp của máy tính

Quá trình mô phỏng dựa trên lý thuyết CFD gồm có 3 bước:

- Pre – Processor: Xây dựng mô hình, định nghĩa các miền tính toán, sinh lưới (chia mô hình thành những phần nhỏ), lựa chọn các quá trình lý hóa cần mô phỏng, định nghĩa các thuộc tính của chất lỏng, xác định các điều kiện biên chính xác tại các phần tử trùng hoặc dính với vùng biên trên phần mềm AutoCad Nhập số liệu các thông số ban đầu, điều kiện biên và lựa chọn giải pháp trên các phần mềm mô phỏng Cụ thể là phần mềm ANSYS Fluent

- Solver: Chạy chương trình theo các giải pháp lựa chọn trên Fluent - Post – Processor: Xử lí và hiển thị kết quả tính toán.

Lý thuyết CFD tích hợp trong phần mềm mô phỏng Fluent,… được dùng để giải quyết các bài toàn dựa trên phương pháp thể tích hưu hạn, thuật toán số hóa gồm các bước sau:

- Xây dựng phương trình tích phân điều khiển (governing equations) của dòng chảy cho tất cả các phần tử (cells) thuộc mô hình tính toán.

- Rời rạc hóa, bao gồm việc thay thế các biến trong phương trình tích phân dại diện cho các quá trình của dòng chảy như đối lưu, khuếch tán và nguồn kích thích bằng một loạt các xấy xỉ hữu hạn Túc là chuyển đổi các phương trình vi phân thành hệ các phương trình đại số.

- Giải các hệ phương trình đại số bằng phương pháp tương tác [CITATION Flu01 \l 1033 ]

2.2.1 Phương trình liên tục và phương trình động lượng

Phương trình bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục)

- Sm: khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ 2 và các nguồn do người dùng định nghĩa

Phương trình vi phân điều khiển của động lượng được thể hiện như sau:

- Bx: lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo hướng x,

- Vx: thể hiện các thành phần nhớt ngoài các thành phần đã được thể hiện

Phương trình năng lượng:

Quá trình trao đổi nhiệt thường diễn ra dưới 3 dạng: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Mô hình vật lý đơn giản nhất thường chỉ bao hàm quá trình dẫn nhiệt hoặc đối lưu, trong khi dòng chảy nổi hoặc các mô hình đợi lưu tự nhiên và bức xạ thường rất phức tạp Mô hình mô phỏng chuyển động của khí thải ở đây chỉ bao hàm các quá trình dẫn nhiệt và đối lưu mà bỏ qua quá trình bức xạ Sức nổi sẽ được đề cập tới trong mô hình dòng chảy rối FLUENT sử dụng phương trình năng lượng dưới dạng sau:

- ⃗V: vevto vận tốc - keff : hệ số dẫn nhiệt dụng - v: hệ số nhớt động học - ⃗Jj : là thông lượng khuếch tán - ⃗F: lực khối đơn vị - p: áp suất

Ở đây keff là hệ số dẫn nhiệt dụng ( k+kt với kt là hệ số dẫn nhiệt xoáy được định nghĩa theo mô hình xoáy), và ⃗Jj là thông lượng khuếch tán ( diffusion flux) của thành phần thứ j Ba hạng tử đầu tiên của về phải phương trình trên lần lượt thể hiện sự dẫn nhiệt của phản ứng hóa học và các nguồn nhiệt do người dùng sử dụng Do bài toán không sử dụng thêm nguồn nhiệt nào từ bên ngoài và bỏ qua các phản ứng hóa học nên đại lượng Sh bằng 0 E là nhiệt dung riêng của chất lỏng

Phương trình chuyển động của các thành phần dòng chảy

Đối với dòng chảy có nhiều thành phần thì thành phần khối lượng của mỗi thành phần trong dòng chảy Y được tính toán theo phương trình bảo toàn sau:

Như ở trên, chúng ta thấy rằng đa thức P(x) có thể được xây dựng từ các đa

2.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng.

Mô hình của hệ thống CVS (Constant Volume Sampling) được xây dựng trên phần mềm AutoCad dựa theo kích thước đo trực tiếp tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong C15 của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mô hình bao gồm 1 đường ống là khớp nối mềm inox, đường ống hòa trộn chữ T, ống pha loãng, bình chứa và ống Venturi được thể hiện như hình dưới đây.

Hình 2.7 Kích thước mô hình hệ thống

Đường ống dẫn từ ống xả là khớp nối mềm inox có chiều dài là 770 mm, đường kính ống tại đầu vào mô hình ( Inlet1) là 34 mm, đường kính ống dẫn khí pha loãng tại cửa vào (Inlet 2) là 150 mm Tại đầu ra của mô hình (Outlet) đường kính của ống là 96 mm Đường ống pha loãng có chiều dài 1815 mm và đường kính 100mm Bình chứa là một hình trụ với chiều cao 600mm và đường kính đáy là 300mm Ống Venturi lưu lượng 1m3/phút có số đo cụ thể chi tiết có trong bản vẽ kĩ thuật

Mô hình 3D của hệ thống CVS để thực hiện quá trình mô phỏng trong phần mềm Ansys Fluent, được thể hiện như hình dưới đây.

Hình 2.8 Mô hình 3D hệ thống CVS

2.3.2 Mô hình k-ε mô phỏng dòng chảy rốiε mô phỏng dòng chảy rối

Mô hình k-ε cho dòng chảy rối là mô hình đầy đủ nhưng đơn giản nhất, bao gồm 2 phương trình, trong đó việc giải độc lập 2 phương trình chuyển động cho phép xác định tốc độ rối và tỉ lệ chiều dài độc lập với nhau Mô hình này là mô hình bán thực nghiệm dựa trên các phương trình chuyển động rối (k) và tỷ lệ khuếch tán của nó (ε) Năng lượng động học rối, k và tỷ lệ khuếch tán của nó, ε nhận được từ các phương trình sau:

Mô hình k-ε mô phỏng dòng chảy rối

- Gb: là sự phát sinh năng lượng động học rối do sức nổi ( buoyancy), - YM thể hiện sự góp phần của dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén

được đến tỉ lệ khuếch tán chung.

- C1 ε và C2 εlà các hằng số C1 ε=1.44 , C2 ε=1.92 , C3 εthể hiện mức độ chịu ảnh hưởng của ε vào sức nổi.

- σk và σε lần lượt là các số Prandtl rối của k và ε σk=1.0 ; σε=1.3 - Sk và Sε là các đại lượng do người dùng tự định nghĩa.[ CITATION

LêA06 \l 1033 ]

2.3.3 Thuật toán mô phỏng

Trong hai phương pháp số được sử dụng trong phần mềm FLUENT (segregated solver và coupled solver), dựa trên tính ưu việt về mặt thời gian tính toán cũng như không đòi hỏi phải chạy mô hình trên máy có cấu hình cao, phương pháp segregated solver được dùng để mô phỏng chuyển động của khí thải trong đường ống Phương pháp số giải các bài toán động lực học chất lỏng CFD sư dụng kĩ thuật thể tích hữu hạn, bao gồm các bước sau:

- Sử dụng lưới chia mô hình thành các thể tích hữu hạn rời rạc.

- Tích phân các phương trình điều khiển theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng các phương trình đại số cho các biến rời rạc độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng như các đại lượng vô hướng

- Tuyến tính hóa các phương trình rời rạc và giải hệ phương trình tuyến tính có được để lấy các giá trị cập nhật của các biến độc lập

Sử dụng segregated solver, các phương trình được giải lần lượt Do các phương trình điều khiển không tuyến tnhs nên nhiều vòng lặp tính toán được sử dụng trước khi nhận được kết quả hội tụ Mỗi vòng lặp bao gồm các bước sau đây:

1 Dựa trên phương pháp tính mà các thuộc tính của chất lỏng được cập nhật Khi mới bắt đầu tính toán thì các thuộc tính này nhận từ các giá trị ban đầu.

2 Các phương động lượng được giải độc lập bằng cách lần lượt sử dụng các giá trị hiện thời của áp suất và các thông lượng khối lượng nhằm cập nhật trường vận tốc.

3 Nếu vận tốc tính theo bước 2 không đáp ứng được phương trình liên tục thì phương trình hiệu chỉnh áp suất “poisson-type” được lấy ra từ phương trình liên tục và các phương trình động lượng tuyến tính hóa Phương trình hiệu chỉnh áp suất này sẽ được giải để lấy các hiệu chỉnh

cần thiết cho trường áp suất và tốc độ và các thông lượng khối lượng theo hướng thỏa mãn phương trình liên tục.

4 Các phương trình đối với các đại lượng vô hướng như mức độ rối, năng lượng, các thành phần bức xạ được giải trên các đại lượng cập nhật của các biến khác.

5 Khi có sử dụng các mặt với nhau các thành phần nguôn trong các phương trình phaa liên tục tương ứng sẽ cập nhật với việc tính toán xa rời rạc gần kề.

6 Kiểm tra hội tụ của hệ phương trình.

Đối với cả 2 phương pháp segregated solver và coupled solver, trong quá trình rời rạc hóa, các phương trình điều khiển không tuyến tính hóa để thiết lập hệ các phương trình cho các biến độc lập ở mỗi phần tử (cell) Hệ tuyến tính đó tiếp tục được giải để cập nhật trường dòng chảy Có 2 phương pháp tuyến tính hóa đó là “implicit-ẩn” và explicit-hiện” được áp dụng cho các biến độc lập hoặc họ các biến Phương pháp “implicit” được sử dụng cho bài toán cụ thể trình bày trong báo cáo này

Sử dụng phương pháp “implicit” đối với một biến nào đó thì giá trị chưa biết của mỗi phần tử được tính toán theo các cả giá trị chưa biết của mỗi phần tử được tính toán theo các giá trị đã biết và giá trị chưa biết của các phần tử liền kề Như vậy mỗi biến sẽ xuất hiện trong ít nhất một phương trình của hệ thống và các phương trình này phải được giải đồng thời với nhau.

Cần nói thêm rằng, khi lựa chọn segregated solver thì chỉ có một phương pháp tuyến tính hóa duy nhất có thể lựa chọn đó là “implicit” Đối với phương pháp coupled solver thì cả hai phương pháp tuyến tính hóa “implicit” và “explicit” đều có thể lựa chọn

Tính năng và phương pháp mô phỏng được sử dụng trong mô hình được thể hiện trong bảng.

Do mô hình phức tạp nên để có kết quả hội tụ đòi hỏi phải có các thức mô phỏng thích hợp cho dòng chảy rối phụ thuộc vào thời gian, như chiến lược đối với việc sinh lưới, độ chính xác cũng như chiến lược hội tụ

Để đạt được độ chính xác cao, hàm ẩn bậc 2 (second order implicit) được lựa chọn cho dòng chảy không ổn định còn đối với các thành phần (species) thì sử dụng hàm bậc 2 theo chiều dòng chảy (second order upwind) Tiêu chuẩn hội tụ được đặt với giá trị rất nhỏ (tới giá trị 1e-06 cho độ chính xác của continuity) Thêm vào đó, số lượng các bước lặp trong mỗi bước tính toán được nâng tới 600 trong một số giây tính toán đầu tiên, sau đó giảm dần để tiết kiệm thời gian tính toán.[ CITATION Zal05 \l 1033 ]

Bảng 2.1 Tính năng và phương pháp mô phỏng

Chiến lược hội tụ bao gồm các bước sau:

- Bắt đầu quá trình tính toán với độ chính xác thấp ( đặt giá trị under-relaxation nhỏ) sau đó tăng dần lên khi mà số vòng lặp cần thiết cho mỗi bước tính giảm xuống

- Tính toán ở chế độ ổn định trước để chuẩn bị các thông số đầu vào tốt cho việc tính toán ở chế độ chuyển tiếp Do mô hình phức tạp nên các thuộc tính vật lý được thay đổi cùng với việc thay đổi môi chất theo thứ tự khí lý tưởng không nén được đến khí lý tưởng nén được.

- Tính toán ở chế độ không ổn định với việc áp dụng phương pháp đạt độ chính xác cao

2.4 Các thông số điều kiện biên cho mô hình

Có nhiều loại điều kiện biên được tích hợp trong phần mềm mô phỏng để người dùng lựa chọn Tuy nhiên các điều kiện biên được lựa chọn nhất thiết phải là thông số được đo đạc hoặc tính toán chính xác Đối với mô hình mô phỏng chuyển động của khí xả này, các điều kiện biên velocity-inlet được lựa chọn cho dòng chảy ở đầu ra của mô hình, còn velocity-inlet cho đầu ra do trên thực tế tốc độ dòng khí tại đầu ra của mô hình đạt độ ổn định rất cao Ngoài ra còn có các điều kiện biên về nhiệt độ, cường độ rối, mật độ của khí thành phần tại đầu vào của mô hình, thuộc tính của môi chất,…

Để có được các điều kiện biên dưới đây, một loạt các thử nghiệm được thiết lập để đo đạc các thông số cần thiết tại phòng thí nghiệm, trong đó xe máy được vận hành trong phòng thử nghiệm theo một chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn.

Các điều kiện ban đầu cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình mô phỏng, các giá trị nhập vào mô hình càng sát với thực tế thì bài toán sẽ hội tụ càng nhanh và ngược lại.

Bảng 2.2 Thông số của không khí và khí thải

Trong mô hình CVS, tại đầu vào Inlet là khí xả chưa được pha loãng (undiluted side) và phần từ ống T-mixing là phần khí xả đã được pha loãng (diluted side) Tại 2 phần này sự khác nhau được biểu thị bởi hệ số pha loãng DF (Dilution Factor)

Hệ số pha loãng DF là tỉ lệ giữa tỉ lệ thể tích của khí thải pha loãng ( tổng đầu ra) và khí thải thô ( tại đầu ống xả) Hệ số pha loãng DF phụ thuộc vào lưu lượng của khí thải thô tại đầu ống xả Khi lưu lượng càng lớn thì hệ số pha loãng càng giảm và ngược lại Hệ số pha loãng lí tưởng nhất là 10:1 và không được nhỏ hơn tỉ lệ 4:1 Trong trường hợp đo CVS, các hệ số pha loãng không được đo bằng lưu lượng mà được ước tính từ nồng độ CO2, CO và HC trong các túi khí thải đã pha loãng Trong trường hợp xe chạy xăng, DF được xác định theo Công thức sau:

DF = 13.4 CCO2+CCO+CHC

- Trong đó:

+ CCO2, CCO, CHC là nồng độ của các chất CO2, CO và HC trong khí thải đã được pha loãng

+ 13.4 : là nồng độ CO2 lý thuyết, giả sử sử dụng nhiên liệu chuẩn là xăng, động cơ được vận hành trong điều kiện đo cân bằng và nhiên liệu được oxy hóa hoàn toàn mà không còn dư.

Ở hệ thống CVS, lưu lượng luôn được giữ không đổi nhờ ống Venturi Do đó, khi chế độ hoạt động của xe máy thay đổi dẫn đến tỉ số pha loãng thay đổi Do vậy để mô phỏng lại các chế độ hoạt động khác nhau thì đồ án thay đổi một số giá trị pha loãng thể hiện sự thay đổi của lưu lượng khí thải khi chế độ hoạt động của xe máy thay đổi

Dưới đây là bảng biểu thị vận tốc tại các đầu vào theo từng hệ số pha loãng khác nhau với 2 lưu lượng ống Venturi khác nhau là 1m3/phuts và