Hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy
Giới thiệu băng thử khí thải xe máy
1.2 Chức năng nhiệm vụ hệ thống lấy mẫu CVS
1.3 Vấn đề cần nghiên cứu
Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống lấy mẫu CVS bằng phần mềm Ansys Fluent
2.1 Xây dựng mô hình hệ thống CVS
2.2 Lý thuyết tính toán dòng chảy trong CVS
2.3 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
5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: trước 20/07/2022
Hà Nội, ngày tháng năm 2022
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. 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
Trong quá trình nghiên cứu, sự giúp đỡ của các thầy cô nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ô tô và các anh tại phòng thí nghiệm khí thải động cơ đốt trong ở C15 vô cùng quý giá Em xin chân thành cảm ơn sự tận tình của các thầy cô và các anh, những người đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành 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
LỜI MỞ ĐẦU II DANH MỤC HÌNH VẼ VI DANH 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
1.1.1 Khối băng thử động lực học 3
1.1.2 Khối lấy mẫu với thể tích không đổi CVS (Constant Volume Sample) 4 1.1.3 Hệ thống phân tích khí thải CEBII (Combustion Emission Bench II) 6 1.2 Vấn đề nghiên cứu 7
Chương 2 Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống lấy mẫu CVS bằng phần mềm Ansys Fluent 9
2.1 Giới thiệu về phần mềm CFD và Ansys Fluent 9
2.2 Mô phỏng bằng lý thuyết động lực học chất lỏng CFD 10
2.2.1 Phương trình liên tục và phương trình động lượng 11
2.3 Xây dựng mô hình hệ thống CVS 15
2.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 15
2.3.2 Mô hình k-ε mô phỏng dòng chảy rối 16
2.4 Các thông số điều kiện biên cho mô hình 20
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 CVS 35 3.1.1 Lưu lượng ống Venturi Qoutlet = 1m 3 / phút 35
3.1.2 Lưu lượng ống Venturi Qoutlet = 2.5m 3 / phút 40
3.2 Xây dựng hàm số liên hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải 45 3.2.1 Lưu lượng của ống Venturi Qoutlet = 1m 3 /phút 45
3.2.2 Lưu lượng ống Venturi Qoutlet = 2.5m 3 /phút 47
Chương 4 Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài 50
4.2 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 ĐHBK Hà Nội 3
Hình 1.4 Mô phỏng lực cản trên con lăn 3
Hình 2.1 Kích thước mô hình hệ thống 15
Hình 2.2 Mô hình 3D hệ thống CVS 16
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 2.13 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 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 43
Hình 3.16 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF 43
Hình 3.17 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF 44
Hình 3.18 Đồ thị biểu thị thời gian trễ theo lưu lượng khí thải với lưu lượng Q = 1m 3 /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 = 1m 3 /phút 23
Bảng 2.4 Thông số điều kiện biên về vận tốc với Qoutlet = 2.5m 3 /phút 23
Bảng 3.1 Thời gian trễ của từng trường hợp với Qoutlet = 1m 3 /phút 45
Bảng 3.2 Quan hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải với Qoutlet 1m 3 /phút 46
Bảng 3.3 Thời gian trễ của từng trường hợp với Qoutlet = 2.5m 3 /phút 47
Bảng 3.4 Quan hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải với Qoutlet 2.5m 3 /phút 47
Chương 1 Hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy 1.1 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 thị hỗ trợ trên màn hình (Hình 1.1)
Chu trình thử xe máy
Hình 1.1 Chu trình thử theo TCVN 9726 : 2013 đối với xe máy
Quy trình thử nghiệm gồm 6 giai đoạn lặp đi lặp lại, mỗi giai đoạn kéo dài 195 giây, tổng cộng là 1200 giây, với quãng đường là 6 km Đối với tiêu chuẩn Euro III, mẫu phân tích chỉ lấy từ 4 giai đoạn sau, bắt đầu từ giây thứ 430 Hai giai đoạn đầu chỉ là thời gian khởi động xe, quãng đường lấy mẫu tổng cộng là 4 km và tốc độ tối đa là 50 km/h Khí thải từ ống xả xe máy đi vào hệ thống Constant Volume Sampling (CVS), pha trộn với không khí sạch để tạo thành hỗn hợp khí loãng Lưu lượng khí trong hệ thống CVS được tạo ra bởi quạt hút ở cuối hệ thống Một phần nhỏ hỗn hợp khí loãng được lấy ra và chứa trong các túi khí theo từng giai đoạn của chu trình thử Khi chu trình kết thúc, các túi khí này được phân tích để xác định hàm lượng các chất có trong khí thải.
- Hệ thống gồm 3 khối thiết bị chính sau: (Hình 1.2)
Hệ thống thử động lực học Chassiss Dyno; khối lấy mẫu thể tích không đổi CVS với các thành phần là lọc không khí, ống pha loãng, bộ lấy mẫu chất thải hạt PTS, ống Venturi, tủ đựng túi khí, quạt hút; các ống dẫn và khối phân tích khí thải CEBII.
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 cơ ĐHBK 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:
F 0: Lực ma sát tĩnh, F độc lập với tốc độ (N)
F 1: hệ số bậc nhất và bậc hai của vận tốc xe, mô tả lực cản không khí m điện : khối lượng đặt trên băng thử mô phỏng tải trọng của xe a: gia tốc của xe m: khối lượng của xe [kg] g: gia tốc trọng trường [m/s 2 ]; g = 9,81 [m/s 2 ] α: Độ dốc đường [°]
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.
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 12m 3 /phut Trong mô phỏng ở phần III sử dụng ống1m 3 /phút và ống 2m 3 /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.[ CITATIONTCV \l 1033 ] Lưu lượng dòng khí qua họng Venturi được tính theo công thức:
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)
Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống lấy mẫu CVS bằng phần mềm Ansys Fluent
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 tích hợp ANSYS FLUENT vào ANSYS Workbench cung cấp cho người dùng kết nối trực tiếp với hệ thống CAD, cho phép xây dựng và chỉnh sửa hình học dễ dàng bằng ANSYS DesignModeler và sử dụng công nghệ tạo lưới tiên tiến của ANSYS Meshing Nhờ khả năng liên kết này, dữ liệu và kết quả giữa các ứng dụng có thể được chia sẻ thuận tiện thông qua thao tác kéo và thả, mở ra khả năng sử dụng giải pháp dòng chảy chất lỏng cùng với các điều kiện biên từ mô phỏng cơ học cấu trúc.
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.
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:
- B x : lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo hướng x,
- V x : thể hiện các thành phần nhớt ngoài các thành phần đã được thể hiện bởi ¿ ( μ grad u )
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:
- ρ : khối lượng riêng - E: nhiệt dung riêng của chất lỏng
- ⃗ V : vevto vận tốc - keff : hệ số dẫn nhiệt dụng
- v : hệ số nhớt động học - ⃗ J j : 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 ⃗ J j 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:
- Ri là tỉ lệ sản phẩm tạo thành do phản jứng hóa học,
- Si là tỉ lệ tạo thành bởi pha khuếch tán và các nguồn do người dùng tự định nghĩa,
- ⃗ J j : là thông lượng khuếch tán của thành phần thứ i.[CITATION
Flu011 \l 1033 ] Đa thức nội suy Larange Polynomial
Nếu x1, x2, …, xn, xn+1 là n+1 số thực khác nhau, và y1, y2, …, yn, yn+1 là n+1 số thực bất kỳ Chúng ta sẽ tìm đa thức P(x) có bậc bé thua hoặc bằng n thõa mãn điều kiện
Như ở trên, chúng ta thấy rằng đa thức P(x) có thể được xây dựng từ các đa thức P 1 ( x) , P 2 ( x) , … , P n ( x) , P n+1 ( x) như sau:
P( x )= y 1 P 1 ( x )+ y 2 P 2 ( x)+⋯+ y n P n ( x)+ y n+1 P n +1 (x) trong đó, các đa thức P(x1), …, P(xn+1)được xác định như sau:
Xây dựng mô hình hệ thống CVS
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 khử mùi bằng đèn tia cực tím UV bao gồm các bộ phận chính được kết nối theo cấu trúc như sau: Ống dẫn là khớp nối mềm inox kết nối đến đường ống hòa trộn chữ T Từ đường ống hòa trộn, luồng khí oxy được pha loãng với nước thông qua ống pha loãng Hỗn hợp khí này đi qua bình chứa để phản ứng hóa học xảy ra, sau đó đi qua ống Venturi.
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 1m 3 /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
- G k : thể hiện việc phát sinh năng lượng động học rối do gradient vận tốc trung bình
- G b : là sự phát sinh năng lượng động học rối do sức nổi ( buoyancy),
- Y M thể hiện sự góp phần của dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén được đến tỉ lệ khuếch tán chung.
- C 1 ε và C 2 ε là các hằng số C 1 ε =1.44 , C 2 ε =1.92 , C 3ε thể hiện mức độ chịu ảnh hưởng của ε vào sức nổi.
- σ k và σ ε lần lượt là các số Prandtl rối của k và ε σ k =1.0 ; σ ε =1.3
- S k và S ε là các đại lượng do người dùng tự định nghĩa.[ CITATIONLêA06 \l 1033 ]
Phương pháp giải số segregated solver trong phần mềm FLUENT sử dụng kỹ thuật thể tích hữu hạn để mô phỏng chuyển động khí thải trong đường ống Kỹ thuật này chia bài toán thành các thể tích hữu hạn nhỏ, sau đó giải các phương trình chi phối trong mỗi thể tích này.
- 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.
Các thông số điều kiện biên cho mô hình
Các điều kiện biên đóng vai trò quan trọng trong mô phỏng, đòi hỏi phải lựa chọn chính xác dựa trên dữ liệu đo đạc hoặc tính toán thực tế Đối với mô hình mô phỏng chuyển động khí xả, các điều kiện biên "velocity-inlet" được chỉ định tại đầu vào và đầu ra vì tốc độ dòng khí tại đầu ra đạt độ ổn định cao Ngoài ra, các điều kiện biên về nhiệt độ, cường độ rối, mật độ khí thành phần cũng được xác định thông qua các thử nghiệm đo đạc tại phòng thí nghiệm, mô phỏng vận hành xe máy theo chu trình 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
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:
+ 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 với giả định sử dụng nhiên liệu chuẩn là xăng, động cơ được vận hành trong điều kiện cân bằng và nhiên liệu được oxy hóa hoàn toàn Trong hệ thống CVS, lưu lượng được giữ không đổi nhờ ống Venturi Vì vậy, khi chế độ hoạt động của xe máy thay đổi, tỉ số pha loãng cũng 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 1m 3 /phuts và
2.5m 3 /phút Với các hệ số pha loãng khác nhau sẽ tính được lưu lượng của đầu vào khải, từ lưu lượng sẽ tính được vận tốc tương ứng với lưu lượng đó tại đầu vào Tương tự với đầu vào của khí pha loãng Vận tốc sẽ tính theo công thức sau: v= Q
+ v là tốc độ của dòng khí ( m/s)
+ Q là lưu lượng của khí thải hoặc khí pha loãng ( m 3 /phút)
+ A: diện tích mặt đầu vào của ống dẫn khí thải ( m 2 )
Bảng 2.3 Thông số điều kiện biên về vận tốc với Q outlet = 1m 3 /phút
Bảng 2.4 Thông số điều kiện biên về vận tốc với Q outlet = 2.5m 3 /phút
Bảng 2.3, 2.4 là các thông số vận tốc đầu vào và đầu ra theo từng hệ số pha loãng Ngoài ra, toàn bộ các trường hợp đều sử dụng các điều kiện biên khác như: Nhiệt độ (tại Inlet_emission T = 300 °C, tại Inlet_air T = 28 °C, tại Outlet T = 100°C)
2.5 Các bước xây dựng bài toán trên phần mềm mô phỏng Ansys Fluent
Nhìn chung cấu trúc của một bài toán mô phỏng trên phần mềm Ansys Fluent gồm 4 bước:
+ Bước 1: Xây dựng mô hình 2D hoặc 3D của mô hình cần mô phỏng.
+ Bước 2: Chia lưới mô hình.
+ Bước 3: Thiết lập mô hình giải cho bài toán mô phỏng.
+ Bước 4: Phân tích kết quả
Hình 2.9 Giao diện chung của Ansys Fluent 2.5.1 Xây dựng mô hình
Như đã trình bày ở trên, mô hình 3D được xây dựng trên phần mềm
Chia lưới là một phần quan trọng trong bài toán mô phỏng bằng Ansys
Fluent bởi nó ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của nghiệm
Trước khi chia lưới mô hình, cần dẫn xuất file mô hình 3D vào mụcGeometry:
Hình 2.10 Dẫn xuất file 3D vào Ansys Fluent
Sau khi có mô hình 3D, chia lưới cho mô hình bằng cách vào mục “Mesh”:
Hình 2.11 Giao diện chung của MESH
Tự động tạo lưới bằng cách ấn vào “ Generate Mesh”
Hình 2.12 Lưới sau khi được chia tự động
Lưới được tạo tự động có dạng Tetrahedral ( mỗi ô lưới là một khối gồm 4 mặt hình tam giác)
Sau khi hoàn thành lưới của mô hình, tiến hành đặt tên cho các biên của mô phỏng để thuận tiện cho quá trình thiết lập sau của bài toán mô phỏng.
Hình 2.13 Các biên được đặt tên
Tiên hành “Update” lưới và chuyển sang bước tiếp theo.
2.5.3 Thiết lập mô hình giải cho bài toán mô phỏng
Hình 2.14 Cách vào và khởi tạo ban đầu của SETUP
Bước này là bước hiệu chỉnh và bổ sung các cài đặt cần thiết cho mô hình bài toán mô phỏng Vì các cài đặt mặc định của Ansys Fluent đã khá đầy đủ, ta chỉ bổ xung và điều chỉnh một vài thông tin để phù hợp với bài toán Các cài đặt chính như sau:
Mô hình giải được thiết lập trong mục “setup” của Ansys Fluent:
Hình 2.15 Giao diện chung của SETUP
Type: chứa các phương pháp giải pháp có sẵn để tính toán một giải pháp cho mô hình giải Pressure-Based cho phép thuật toán giải pháp Navier-Stokes dựa trên áp suất.
Gia tốc trọng trường ảnh hưởng khá nhỏ đến kết quả bài toán này, tuy nhiên, để kết quả thêm chính xác, bổ sung gia tốc trọng trường cho bài toán mô phỏng Theo mô hình 3D, gia tốc trọng trường hướng theo phương -z và có độ lớn 9,81 m/s 2
Model được lựa chọn là Mutiphase Model, mô hình này cho phép giải các bài toán về dòng nhiều pha, tuy nhiên trong trường hợp có 1 pha khí vẫn có thể sử dụng chính xác.
Mục Type cần lựa chọn Dispersed bởi bài toán liên quan đến sự hòa trộn Bật On Energy để cho phép tính toán năng lượng trong mô hình
Chọn mô hình k-epsilon tại Viscous Model.
+ Cài đặt các chất tham gia mô phỏng – Materials
Không khí đã có sẵn trong database của Ansys Fluent
Hình 2.19 Thông số không khí
Khí thải: Các thông số của khí thải đã được nêu ở Bảng 2.2 , từ các thông số này thiết lập một chất mới cho Ansys Fluent:
Hình 2.20 Thông số khí thải
Các thông số về vận tốc, nhiệt độ, áp suất dã được tính toán ở mục 2.4 :
Hình 2.21 Điều kiện biên đầu vào không khí
Hình 2.22 Điều kiện biên đầu vào khí thải
Cài đặt cho bộ giải hiểu được đâu là đầu vào của không khí hay khí thải:
Hình 2.23 Định nghĩa đầu vào khí thải và không khí
Chọn phương pháp giải là Couple và các thông số tính toán bậc đến bậc 2 ( Hình 2.18 )
+ Run Calculation: Đây là bước cuối cùng trong quá trình thiết lập mô hình bài toán mô phỏng.
Time total simulation = Time Step Size x Number of Time Steps Ở đây, lựa chọn Time Step Size ( độ lớn của bước mô phỏng là) 0.1s;Number of Time Steps là 300 Max Iteration/Time Step bằng 20 là đặt số lần lặp tối đa được thực hiện trên mỗi bước thời gian Time Step, nếu các tiêu chí hội tụ được đáp ứng trước khi số lặp này được thực hiện, giải pháp sẽ chuyển sang bước thời gian Time Step tiếp theo
Cuối cùng là Calculate để bắt đầu chạy mô phỏng và chờ kết quả.
Kết quả tính toán và thảo luận
Sự phân bố về nhiệt độ, vận tốc và khối khí trong hệ thống CVS 35 1 Lưu lượng ống Venturi Q outlet = 1m 3 / phút
Sau quá trình SETUP, với từng điều kiện biên với những lưu lượng khác nhau như đã nêu ở phần trên thu được kết quả như sau:
3.1.1 Lưu lượng ống Venturi Q outlet = 1m 3 / phút
Dưới đây là hình ảnh diễn biến về nhiệt độ, vận tốc và khối khí sau quá trình mô phỏng.
Hình 3.27 Diễn biến về nhiệt độ trong hệ thống CVS
Nhiệt độ khí thải rất nóng khi ra khỏi đầu ống xả xe máy khoảng 300 0 C,nhưng khi được pha loãng bởi không khí nhiệt độ của hỗn hợp khí đã giảm xuống Cụ thể, tại điểm lấy mẫu là mặt cắt xOy, nhiệt độ của khí thải đã được pha loãng khoảng 28-30 độ C, xấp xỉ với nhiệt độ của không khí
Hình 3.28 Diễn biến về vận tốc trong hệ thống CVS
Trong quá trình thử nghiệm khí thải xe máy, tín hiệu khí thải thường bị trễ so với thời điểm thực tại ống xả do sự thay đổi liên tục của vận tốc khí thải Điều này xảy ra vì kích thước khác nhau của các ống dẫn trong hệ thống CVS, đặc biệt là sự chênh lệch đáng kể tại ống trộn Mixing-T Vận tốc khí thải cao nhất được ghi nhận ở đầu ra của ống Venturi do tiết diện nhỏ, dẫn đến hiện tượng trễ tín hiệu.
Hình 3.29 Sự hòa trộn giữa khí thải và khí pha loãng
Sau khi đi qua ống Mixing-T, khí thải được trộn đều với không khí, trở nên nhạt màu hơn so với ban đầu Việc pha loãng này không chỉ giúp giữ cho khí thải khô, tránh ngưng tụ và tích tụ trong ống, mà còn mang lại các lợi ích đã được đề cập ở phần trước.
Hình 3.30 Thời gian trễ của khí thải
Với cách xác định thời gian đã được nêu ở phần trên, sau quá trình mô phỏng, kết quả thu được sau khoảng 7.9s thì khí thải xe máy với vận tốc 4.642(m/s) đến được điểm lấy mẫu( cụ thể là mặt cắt xOy )
Hình 3.31 Mặt cắt xOy ( màu xanh lá)
Tương tự với các hệ số pha loãng còn lại có những diễn biến về nhiệt độ,vận tốc và hệ số thể tích của khối khí
Hình 3.32 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời gian DF = 8
Hình 3.33 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời giankhi DF = 12
Hình 3.34 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời gian khi DF = 16
Hình 3.35 Phân bố về khí, nhiệt độ, vận tốc và thời gian khi DF = 20
3.1.2 Lưu lượng ống Venturi Q outlet = 2.5m 3 / phút
Tương tự với loại ống Venturi trên, cũng có những diễn biến về nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích cũng như đồ thị thời gian trễ trong mỗi trường hợp hệ số pha loãng khác nhau
- Hệ số pha loãng DF = 4:
Hình 3.36 Thời gian trễ khi hệ số pha loãng DF = 4
Có thể thấy cùng hệ số pha loãng DF= 4, nhưng khi lưu lượng ốngVenturi tăng lên, thời gian trễ đã giảm đi vài giây so với trường hợp ốngVenturi ở phần 1 Ở đây, với vận tốc khoảng 11, 65 m/s thời gian khí thải đi từ đầu ống xả đến điểm lấy mẫu ( mặt cắt xOy) khoảng 6.6 giây
Hình 3.37 Diễn biến vận tốc trong hệ thống với Hệ số pha loãng DF = 4
Cũng giống như với ống Venturi có lưu lượng là 1m 3 /phút Vận tốc trong hệ thống CVS cũng thay đổi theo kích thước của ống, đặc biệt nó thay đổi rõ rệt khi qua điểm pha loãng với không khí, khi đó, cộng hưởng với tốc độ của không khí, tốc độ của khí thải đã pha loãng sẽ nhanh hơn so với ở đuôi ống xả.
Hình 3.38 Diễn biến nhiệt độ trong hệ thống với hệ số pha loãng DF = 4
Về nhiệt độ, không có sự khác biệt quá lớn so với trường hợp trước, nhiệt độ khí thải cao sau khi được pha loãng bởi không khí đã giảm xuống gần bằng với nhiệt độ phòng, và tại điểm lấy mẫu ( mặt cắt xOy) nhiệt độ đo được khoảng 28-30 độ C
Hình 3.39 Diễn biến hệ số thể tích trong hệ thống với hệ số pha loãng DF = 4
Hỗn hợp khí thải đã được hòa trộn và pha loãng bơi không khí nên có màu nhạt hơn so với lúc đầu.
Tương tự với các hệ số pha loãng khác có diễn biến về vận tốc, nhiệt độ, hệ số thể tích và thời gian trễ
- Hệ số pha loãng DF = 8:
Hình 3.40 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF =8
- Hệ số pha loãng DF = 12:
Hình 3.41 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF
- Hệ số pha loãng DF = 16:
Hình 3.42 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF
- Hệ số pha loãng DF = 20:
Hình 3.43 Diễn biến thời gian, nhiệt độ, vận tốc và hệ số thể tích DF
Qua 2 trường hợp với 2 lưu lượng ống Venturi khác nhau, ta thấy, nhờ có hệ thống CVS, dòng ra luôn được giữ ở một lưu lượng không đổi, từ đó có thể tính được các lưu lượng ở các đầu vào khí thải và đầu vào không khí của hệ thống CVS Đó là lí do vì sao ta cần sử dụng hệ thống này thay vì đo trực tiếp lại đuôi ống xả
Và qua 2 trường hợp với những hệ số pha loãng khác nhau, có thể thấy vận tốc tốc trong hệ thống có sự thay đổi liên tục do sự khác nhau về kích thước và bị ảnh hưởng bởi dòng khí pha loãng đi vào Về nhiệt độ, tại điểm lấy mẫu khí thải, nhiệt độ luôn được giữ ở múc phù hợp ( khoảng 28-30 độ C) để thuận lợi cho việc phân tích.
Xây dựng hàm số liên hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải 45 1 Lưu lượng của ống Venturi Q outlet = 1m 3 /phút
Sau quá trình mô phỏng, thu được thời gian khí thải chạy từ ống đầu vào đế đầu ra ống CVS như sau:
3.2.1 Lưu lượng của ống Venturi Q outlet = 1m 3 /phút
Kết quả về thời gian được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.5 Thời gian trễ của từng trường hợp với Q outlet = 1m 3 /phút
Phương pháp đo thời gian trong Ansys Fluent được thực hiện bằng cách tạo mặt cắt xOy Hệ số khối khí ban đầu bằng 0, sau đó tăng dần khi khí thải đi qua mặt cắt Thời gian được ghi lại ngay khi hệ số khối khí bắt đầu tăng, đánh dấu thời điểm khí thải đến mặt cắt xOy.
Mối tương quan giữa thời gian trễ (∆t) và lưu lượng thể tích khí thải của hệ thống lấy mẫu ( lưu lượng ống Venturi) với tổng chiều dài ống xả xấp xỉ 3 mét được thể hiện bảng dưới đây:
Bảng 3.6 Quan hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải với Q outlet = 1m 3 /phút
Dựa vào bảng trên ta có đồ thị biểu thị mối liên hệ giữa thời gian và lưu lượng của khí thải của hệ thống CVS với tổng chiều dài ống khoảng 2m như sau:
Lưu lượng khí thải ( m3/phút)
Hình 3.44 Đồ thị biểu thị thời gian trễ theo lưu lượng khí thải với lưu lượng Q =
Hàm thời gian trễ theo lưu lượng của khí thải là hàm được xác định là một hàm bậc 2 của lưu lượng khí thải tại đuôi ống xả, hàm số biểu thị đồ thị trên là: y = 140.7x2 - 59.792x + 14.148 (1) R² = 0.969
3.2.2 Lưu lượng ống Venturi Q outlet = 2.5m 3 /phút
Tương tự phần trên, ta cũng có các bảng kết quả về thời gian của từng trường hợp sau quá trình mô phỏng:
Bảng 3.7 Thời gian trễ của từng trường hợp với Q outlet = 2.5m 3 /phút
Cũng có bảng thể hiện mối quan hệ giữa thời gian trễ (∆t) và lưu lượng thể tích khí thải của hệ thống lấy mẫu ( lưu lượng ống Venturi):
Bảng 3.8 Quan hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải với Q outlet = 2.5m 3 /phút
Từ bảng trên, cũng sử dụng Excel để lập đồ thị thể hiện sự tương quan. Đồ thì có dạng như sau:
Lưu lượng khí thải ( m3/phút)
Hình 3.45 Đồ thị biểu thị thời gian trễ theo lưu lượng khí thải với lưu lượng
Sử dụng hàm số y = 15.204x2 - 15.973x + 10.706 (2) do công cụ hỗ trợ Excel xác định được để mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng khí thải tại ống xả (x) và thời gian (y) Hệ số R² = 0,9639 chỉ ra rằng hàm số này có độ phù hợp cao với dữ liệu thực tế.
Phương trình (1) và (2) là một giải pháp đơn giản và hiệu quả vì lưu lượng thể tích khí thải (Vexh) có thể đạt được từ phép đo trực tiếp hoặc từ hệ số pha loãng (DF) được tính toán thông qua lượng phát thải tức thời đo được
Từ 2 phương trình (1) và (2), ta thấy độ thị thời gian trễ phụ thuộc quan hệ tuyến tính với lưu lượng khí thải, khi lưu lượng tăng thời gian sẽ giảm và ngược lại khi lưu lượng tăng thì thời gian sẽ tăng
Tìm được mối liên hệ giữa thời gian trễ và lưu lượng khí thải là chìa khóa quan trọng để hiệu chỉnh tín hiệu đo được tại máy phân tích so với tín hiệu khí thải tại đuôi ống xả để tương ứng đúng với công suất cũng như mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Khi công suất cao, mức tiêu thụ nhiên liệu cũng cao dẫn đến lưu lượng khí thải cũng tăng lên tương ứng và ngược lại Công việc hiệu chỉnh sẽ được tiếp tục vào hướng phát triển đề tài.
