nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và cấu hình đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh bằng phương pháp mô phỏng số

Lời cảm ơn nữa xin dành cho tất cả các nhà nghiên cứu và các tác giả tiền thân có liên quan đến đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và cấu hình đến hiệu quả truyền nhi

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Bộ trao đổi nhiệt là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điều hòa không khí nói riêng và các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung Tối ưu hóa khả năng trao đổi nhiệt có thể giúp tăng cường hiệu quả hoạt động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành Bằng cách nghiên cứu, mô phỏng CFD và tối ưu hóa các tham số, chúng ta có thể tìm ra cách tối ưu hóa thông số hoạt động cũng như cấu hình của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh, từ đó phát triển và mang lại những kết quả kỹ thuật tốt nhất

Nghiên cứu về bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh dựa trên các số liệu, điều kiện tại môi trường biển có thể cung cấp giải pháp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống trong những ứng dụng này Do đó đề tài "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và cấu hình đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh bằng phương pháp mô phỏng số" tập trung vào việc nghiên cứu các tham số CFD để tìm ra cách tối ưu các thông số hoạt động cũng như cấu hình cho bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh, áp dụng trong điều kiện môi trường biển Mặt khác, nhận thấy đề tài nghiên cứu này vẫn chưa được phát triển nghiên cứu rộng rãi, trong khi đó thiết bị trao đổi nhiệt trên tàu trong môi trường biển có tầm quan trọng đến nền kinh tế thế giới nói chung và một nước có đường bờ biển dài như Việt Nam chúng ta nói riêng, ngoài ra đề tài có một số điểm nổi bật so với các đề tài nghiên cứu có liên quan đến bộ trao đổi nhiệt khác, cụ thể là:

Thứ nhất, điểm đặc biệt của đề tài này là môi trường biển Môi trường biển có những yếu tố đặc thù như độ mặn, áp suất, nhiệt độ và chất lượng nước khác biệt so với môi trường đất liền Việc nghiên cứu thông số hoạt động tối ưu cũng như cấu hình phù hợp của thiết bị trong môi trường biển đòi hỏi hiểu rõ các yếu tố này và tìm hiểu cách tối ưu hóa hiệu quả trao đổi nhiệt trong môi trường đó

Thứ hai, ứng dụng trong ngành công nghiệp biển Môi trường biển đặc biệt và yêu cầu đặc thù khi xây dựng các hệ thống làm mát và làm nóng trên tàu thủy, giàn khoan, hệ thống làm mát nước biển

Thứ ba, tiềm năng ứng dụng thực tế Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc cải thiện thiết kế và hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh trong môi trường biển Kết quả nghiên cứu có thể hướng dẫn cho việc lựa chọn và thiết

2 kế bộ trao đổi nhiệt hiệu quả trong các ngành công nghiệp biển và mang lại lợi ích thực tế cho các doanh nghiệp và tổ chức liên quan Đề tài tập trung vào bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh Cấu trúc này có mục đích tối ưu hóa miền không khí giải nhiệt giữa hai tấm cánh nhằm tăng khả năng trao đổi nhiệt Sự thay đổi này trong môi trường biển có thể đòi hỏi các phương pháp và tham số CFD đặc biệt để đạt được kết quả tối ưu

Cuối cùng, đánh giá hiệu suất và tính toán phương pháp tối ưu Từ kết quả phân tích CFD, có thể đánh giá khả năng trao đổi nhiệt và đưa ra những phương pháp tối ưu từ thông số hoạt động đến hướng cải tiến hiệu quả trong bộ trao đổi nhiệt Việc này giúp đưa ra cách nhìn khoa học và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống từ đó phát triển thành một mô hình hệ thống hoàn chỉnh đạt hiệu quả tốt nhất.

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

Hình 1.1 Một số loại thiết bị trao đổi nhiệt [20],[26],[27]

Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa một hay nhiều chất tải nhiệt Những chất tải nhiệt có thể được ngăn bởi các tấm để ngăn sự pha trộn hoặc tiếp xúc trực tiếp giữa các chất tải nhiệt Những thiết bị này thường được sử dụng trong thiết bị sưởi ấm, tủ lạnh, điều hòa, nhà máy năng lượng, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu, nhà máy lọc dầu, khu chế tạo khí thiên nhiên và xử lý chất thải Một ví dụ điển hình của thiết bị trao đổi nhiệt có thể thấy trong động cơ đốt trong có một chu kỳ chất lỏng được biết như hệ thống làm mát chảy dọc ống tản nhiệt và không khí sẽ được thổi vào làm mát nước

Ngày nay, thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và giữ một một vai trò quan trọng Trong công nghiệp hóa chất, thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ chuyển đổi nhiệt độ và năng lượng giữa các chất lỏng hoặc khí: hệ thống thu hồi nhiệt thải áp suất – nhiệt độ, hệ thống ngưng tụ ethanol Trong lĩnh vực HVAC, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để cải thiện hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng không khí trong không gian sống và làm việc Trong ngành công nghiệp giấy, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để xử lý nhiệt thải từ quá trình sản xuất giấy bằng cách tách các chất ô nhiễm và tái sử dụng lại nhiệt độ để giảm chi phí điện năng Trong ngành công nghiệp điện, thiết bị trao đổi nhiệt giúp tăng hiệu suất, tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng làm mát dầu tuốc bin sử dụng nước hồ, nước suối Đặc biệt trong công nghiệp tàu thủy, thiết bị trao đổi nhiệt có vai trò quan trọng trong việc điều hòa và kiểm soát áp suất trong các hệ thống máy móc Cụ thể, bộ trao đổi nhiệt làm nóng nước sử dụng hơi, hơi ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm nước biển, làm mát dầu từ đó làm tăng hiệu suất và

4 độ tin cậy của hệ thống máy móc, giảm thiểu sự cố và giúp tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí vận hành

Về cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng phụ thuộc vào công nghệ trong sản xuất Tuy nhiên về nguyên lý làm việc các thiết bị trao đổi nhiệt có thể chia thành ba kiểu chính: thiết bị trao đổi nhiệt dạng kiểu hồi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp và thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn cách

1.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt có nguyên lý làm việc là trên cùng một bề mặt vật, bề mặt rắn nhận và tích trữ nhiệt lúc chất lỏng nóng chuyển động qua bề mặt rắn và khi tiếp xúc với chất lỏng lạnh vật sẽ nhả nhiệt cho chất lỏng lạnh Loại thiết bị trao đổi nhiệt nay thường được sử dụng trong ngành luyện kim (tháp sấy gió), trong bộ sấy không khí trong nhà máy nhiệt điện (nhà máy đốt dầu hoặc dùng khí đốt).[11]

Về ưu điểm, loại thiết bị này ít tốn kém vật tư, có kết cấu không quá phức tạp, giá thành lại thấp hơn loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt có cùng công suất

Nhược điểm của thiết bị này là mức độ vệ sinh của chất lỏng bẩn và chất lỏng sạch trong quá trình vận hành tiếp xúc với cùng bề mặt vật rắn không cao Hơn nữa yêu cầu khi làm việc của loại thiết bị này là áp suất của chất lỏng nóng và lạnh phải gần tương đương nhau, không được có chênh lệch quá lớn dẫn đến khó thực hiện phản ứng ở điều kiện áp suất cao Và sự hấp thụ, nhả nhiệt của bề mặt vật rắn có tính chu kì, do đó quá trình trao đổi nhiệt xảy ra là không ổn định, hoạt động theo chu kỳ Chính vì vậy mức độ ứng dụng của thiết bị này cũng bị hạn chế.[11]

Hình 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt HRV dùng trong hệ thống HVAC [21]

1.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp

Loại thiết bị thứ hai đó là thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp Về nguyên lý làm việc của loại thiết bị này là hai loại chất lỏng nóng và lạnh thông qua quá trình tiếp xúc trực tiếp và hòa trộn với nhau để thực hiện quá trình truyền nhiệt.[11]

Về mặt ưu điểm, loại thiết bị này có kết cấu đơn giản, giá thành rẻ, hiệu suất rất cao, có quán tính nhiệt nhỏ vì quá trình truyền nhiệt xảy ra gần như tức thời

Nhược điểm của thiết bị này là có những hạn chế nhất định, khi làm việc hai chất lỏng phải hòa trộn lẫn nhau, quá trình truyền nhiệt trong thiết bị luôn xảy ra đồng thời với quá trình truyền chất, do đó dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng

Về mặt ứng dụng, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp được ứng dụng nhiều trong thực tế: làm bộ phận phun ẩm, bộ phận hòa trộn các dòng khí, tháp giải nhiệt ; trong hệ thống điều hòa không khí; trong lò hơi có công suất lớn ở nhà máy nhiệt điện dùng để kịp thời hạ nhiệt của hơi quá nhiệt; trong thiết bị sấy lúa có buồng hòa trộn giữa các sản phẩm cháy và gió bên ngoài để tạo dòng tác nhân sấy thích hợp

Hình 1.3 Quá trình trao đổi nhiệt trong tháp nước giải nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp [22]

1.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn cách

Loại thiết bị thứ ba đó là thiết bị trao đổi nhiệt dạng vách ngăn cách Trong thiết bị trao đổi nhiệt này, nguyên lý làm việc là sự truyền nhiệt giữa môi chất thông qua bề mặt vách kim loại ngăn cách Quá trình truyền nhiệt được diễn ra trong thiết bị như sau: chất lỏng nóng truyền nhiệt cho bề mặt vách nóng qua phương thức trao đổi nhiệt đối lưu (có lúc có cả bức xạ) sau đó nhiệt được truyền bằng dẫn nhiệt từ vách nóng đến vách lạnh, bề mặt vách lạnh sẽ truyền nhiệt lại cho chất lỏng lạnh với phương thức trao đổi nhiệt đối lưu, có cả bức xạ.[11]

 Ưu điểm Ưu điểm lớn của loại thiết bị này là đảm bảo được độ tinh khiết của từng loại chất lỏng bởi vì hai loại chất lỏng và lạnh không bị hòa trộn trong quá trình làm việc Ưu điểm tiếp theo đó là cho phép sự chênh lệch áp suất giữa hai loại chất lỏng

Mặc dù ưu điểm là vậy nhưng loại thiết bị này cũng không tránh khỏi những hạn chế nhất định: tốn kém nhiều vật tư, cũng như phương pháp gia công chế tạo phức tạp hơn vì có cấu tạo không đơn giản như hai loại thiết bị trao đổi nhiệt kể trên, quán tính nhiệt lớn Với những ưu điểm riêng biệt đã kể trên ứng dụng của loại thiết bị này là phổ biến, theo thống kê của các nhà nghiên cứu đã chỉ ra trên 98% thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách được sử dụng trong các ngành công nghiệp.[11]

 Ứng dụng Ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt rộng rãi trong toàn ngành công nghiệp trong các nhà máy hóa chất, máy phát điện Bộ trao đổi nhiệt hoạt động hiệu quả trong hầu hết các dự án có quy mô, đặc biệt là quy mô vừa và nhỏ Các tính toán thiết kế cần chú ý một số điểm như: thành phần và tốc độ chảy của dòng vật chất, biên độ thay đổi nhiệt độ, áp suất hoạt động, tính chất vật lý vật liệu ứng dụng

Hình 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn cách [23]

Xét về mặt kỹ thuật chủng loại của thiết bị trao đổi nhiệt đều có những ưu, nhược điểm khác nhau nên tùy thuộc vào công nghệ sản xuất mà lựa chọn này hay loại khác Tuy nhiên trên thực tế loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn được sử dụng phổ biến hơn nhờ vào những ưu điểm nổi bật mà nó sở hữu

1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh

Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của đề tài "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hoạt động và cấu hình đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và cánh bằng phương pháp mô phỏng số" bao gồm các khía cạnh sau đây:

 Truyền nhiệt: Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt là một phần quan trọng trong nghiên cứu này Nó bao gồm các khái niệm về dẫn nhiệt, tỏa nhiệt, và truyền nhiệt hỗn hợp trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh Các phương trình và công thức truyền nhiệt, bao gồm phương trình dẫn nhiệt và phương trình truyền nhiệt dạng ống, được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu suất truyền nhiệt của hệ thống

 Động lực học chất lỏng: CFD (Computational Fluid Dynamics) là một công cụ quan trọng được sử dụng để mô phỏng dòng chảy chất lỏng trong hệ thống trao đổi nhiệt CFD sử dụng phương trình Navier-Stokes để mô tả chuyển động của chất lỏng và phương trình nhiệt để mô tả truyền nhiệt Bằng cách áp dụng CFD, có thể phân tích dòng chảy, tốc độ, áp suất và phân phối nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt, giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất truyền nhiệt và tối ưu hóa hệ thống

 Tối ưu hóa: Cơ sở lý thuyết về tối ưu hóa được áp dụng để tìm ra cách tối ưu các thông số hoạt động cũng như cấu hình của bộ trao đổi nhiệt Phương pháp tối ưu hóa được sử dụng để điều chỉnh các tham số như vận tốc, nhiệt độ đầu vào, khoảng cách giữa hai bước cánh, đồng thời thay đổi cấu hình hệ thống bằng cách bố trí thêm các cánh giữa hai cánh để đạt được hiệu suất truyền nhiệt tốt nhất

Tổng hợp cơ sở lý thuyết này cho phép nghiên cứu viên nghiên cứu và tìm hiểu sâu về truyền nhiệt, dòng chảy và tối ưu hóa để đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh

ANSYS là một phần mềm mô phỏng và phân tích mạnh mẽ được sử dụng trong lĩnh vực kỹ thuật Với một loạt các công cụ và mô đun phân tích khác nhau, ANSYS cung cấp giải pháp toàn diện cho việc mô phỏng và phân tích các vấn đề phức tạp trong các lĩnh vực như cơ khí, động lực học, điện tử, địa kỹ thuật, nhiệt và năng lượng, và nhiều lĩnh vực khác

Hình 1.7 Giao diện phần mềm ANSYS [12]

13 ANSYS bao gồm một loạt các mô đun và phiên bản khác nhau, mỗi một dành cho các ứng dụng và lĩnh vực cụ thể Các mô đun phổ biến của ANSYS bao gồm ANSYS Mechanical (dành cho phân tích cấu trúc và cơ khí), ANSYS Fluent và ANSYS CFX (dành cho mô phỏng dòng chảy), ANSYS Maxwell (dành cho mô phỏng điện từ), ANSYS HFSS (dành cho mô phỏng sóng cao tần), và nhiều mô-đun khác Với việc nghiên cứu mô hình của chúng em trong ANSYS về các lĩnh vực động lực học, nhiệt và năng lượng, phương pháp mô phỏng dòng chảy, phần mềm ANSYS Fluent được chúng em áp dụng cho mô hình chính

ANSYS đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và nghiên cứu để giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu phân tích, thiết kế và tối ưu hóa các sản phẩm và hệ thống kỹ thuật phức tạp Tính linh hoạt và khả năng mô phỏng đa lĩnh vực của ANSYS đã giúp nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và đột phá trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật

Hình 1.8 Hình ảnh mô phỏng kết cấu công trình được dựng bằng phần mềm ANSYS

Dưới đây là một số ví dụ về các lĩnh vực và ứng dụng của ANSYS:

- Động lực học: ANSYS có khả năng mô phỏng và phân tích dòng chảy, tác động của gió và các hiện tượng động lực khác trong các ứng dụng như ô tô, hàng không, hàng hải, và năng lượng gió

- Nhiệt và Năng lượng: ANSYS cho phép mô phỏng và phân tích quá trình trao đổi nhiệt, quá trình đốt cháy, hiệu suất nhiệt, và các vấn đề khác liên quan đến nhiệt và năng lượng

- Cơ khí và Kỹ thuật cơ học: ANSYS được sử dụng để mô phỏng và phân tích cấu trúc, độ bền, độ dao động và tải trọng động trên các thành phần và hệ thống cơ khí

- Điện tử và Điện: ANSYS được sử dụng để mô phỏng và phân tích các thành phần điện tử như mạch in, anten, vi mạch, cảm biến và linh kiện điện tử khác

- Ô nhiễm môi trường: ANSYS cung cấp các công cụ để mô phỏng và phân tích ô nhiễm môi trường, bao gồm quá trình truyền dẫn chất, quá trình phân tán và phản ứng hóa học

Hình 1.9 Sử dụng mô phỏng ANSYS Acoustics để giúp giảm tiếng ồn của máy bay không người lái [14]

Hình 1.10 Mô phỏng kỹ thuật ANSYS nâng tầm máy phát điện WEG Energy [15]

Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics - Động lực học tính toán) là một phương pháp tính toán và mô phỏng số học sử dụng để nghiên cứu và phân tích các dòng chảy của chất lỏng và khí trong các hệ thống kỹ thuật và môi trường

CFD sử dụng phương trình động lực học chất lưu (phương trình Navier-Stokes) để mô tả chuyển động và tương tác giữa các yếu tố như áp suất, vận tốc, nhiệt độ và nồng độ trong một không gian 3D Phương trình Navier-Stokes là một hệ phương trình vi phân phức tạp, vì vậy sử dụng phương pháp số để giải quyết chúng

Mục tiêu

Mục tiêu của việc nghiên cứu CFD tham số để tìm cách tối ưu thông số hoạt động của hệ thống và đưa ra cải tiến cấu hình của một bộ trao đổi nhiệt dạng cánh và ống với các cánh tản nhiệt bao gồm:

Thứ nhất, về mặt tối ưu hóa khả năng trao đổi nhiệt Một trong những mục tiêu quan trọng của nghiên cứu là tìm cách tối ưu hóa khả năng trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và sắp xếp ống, thay đổi cấu trúc cánh tản nhiệt và các yếu tố khác, có thể tăng cường hiệu quả truyền nhiệt, tăng đáng kể khả năng làm mát hoặc trao đổi nhiệt Thêm vào đó việc mô phỏng động lực học chất lỏng dựa vào giá trị thông số trong môi trường biển, chất lỏng này thường có các tác động động lực như dòng chảy biển, sóng biển và sự biến đổi áp lực, bằng việc sử dụng mô phỏng CFD, việc phân tích các yếu tố động lực này được thực hiện dễ dàng và hiệu quả hơn so với khảo sát thực nghiệm, từ đó chúng ta có thể đánh giả khả năng trao đổi nhiệt một cách tối ưu và chính xác nhất

Một mục tiêu quan trọng khác là giảm tổn thất áp suất trong bộ trao đổi nhiệt Tổn thất áp suất có thể làm giảm hiệu suất toàn bộ hệ thống và gây ra sự cản trở trong quá trình truyền nhiệt Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc hình dạng cánh và các thông số hoạt động khác, chúng ta có thể giảm tổn thất áp suất và tăng hiệu suất hoạt động của bộ trao đổi nhiệt

Tóm lại, mục tiêu chính của nghiên cứu là nhằm hướng đến một mô hình có khả năng trao đổi nhiệt tốt nhất, bằng cách kết hợp các thông số hoạt động tối ưu và cải tiến cấu hình hệ thống Kết quả của nghiên cứu có thể cung cấp thông tin giúp cải thiện thiết kế và thông số hoạt động của bộ trao đổi nhiệt, từ đó ứng dụng vào các lĩnh vực liên quan nằm tăng hiệu quả kinh tế cũng như phát triển kỹ thuật một cách tốt nhất.

Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh: Đây là thành phần chính trong hệ thống trao đổi nhiệt Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt và tăng cường hiệu quả hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dựa trên các tham số hoạt động của môi trường biển

Phương pháp nghiên cứu của đề tài dựa trên các tiêu chí sau:

- Phương pháp tổng quan: Tìm kiếm tham khảo và đánh giá có chọn lọc các bài báo thông tin liên quan đến đề tài, từ đó sử dụng để so sánh và cung cấp các cở sở lý luận cho bài nghiên cứu của chúng em

- Phương pháp tính toán: Tính toán dựa vào các cơ sở lý thuyết liên quan từ tài liệu tham khảo, giáo trình cũng như bài báo chính nghiên cứu

- Phương pháp mô phỏng: Nhờ vào sự hỗ trợ của phương pháp số CFD (Computational Fluid Dynamics) để mô phỏng và phân tích các quá trình chảy chất lỏng và trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt:

 Xác định thiết kế bộ trao đổi nhiệt: Xác định kiểu bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh, cấu trúc và kích thước của các ống có cánh, vị trí và hình dạng của cánh tản nhiệt

 Xây dựng mô hình CFD: Tạo ra mô hình 3D của bộ trao đổi nhiệt trong phần mềm CFD, bao gồm các ống, cánh và môi trường chảy

 Xác định điều kiện biên: Đặt các điều kiện biên như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ của không khí và môi trường, điều kiện xung quanh

 Áp dụng phương trình và mô phỏng: Sử dụng phương trình chất lưu và phương trình trao đổi nhiệt để mô phỏng quá trình chảy chất lỏng và trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt

- Phương pháp phân tích và đánh giá kết quả: Phân tích và đánh giá kết quả từ mô phỏng CFD, bao gồm thông số hiệu suất, hiệu quả trao đổi nhiệt, tổn thất áp suất, và các yếu tố liên quan khác

- Phương pháp cải tiến và tối ưu hóa hệ thống: Bằng cách khảo sát và mô phỏng dựa trên những kết quả, giá trị thông số khác nhau và từ các mô hình được dựng với các kích thước khác nhau, chúng em tiến hành đánh giá bằng cách tính toán để đưa ra các số liệu về hiệu quả trao đổi nhiệt, từ đó tìm ra được giá trị phù hợp cho mô hình

- Phương pháp nghiên cứu CFD sẽ cho phép mô phỏng và đánh giá các trường hợp khác nhau, giúp tìm ra cách tối ưu hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt được nghiên cứu chính trong bài

Nghiên cứu liên quan

Việc sử dụng mô phỏng CFD để nghiên cứu các đề tài mang tính chất khoa học cao ở các nước trên thế giới đã không còn quá xa lạ, đặc biệt là nghiên cứu về các đề tài có liên quan đến bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh Dưới đây là một số bài báo có đề cập, liên quan đến đề tài này:

Vọlikangas và cộng sự [1] đó nghiờn cứu cỏch sắp xếp ống tối ưu cho bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh tản nhiệt (FTHE) có cánh trong môi trường biển Hiệu quả nhiệt thủy lực của thiết kế được đo bằng cách so sánh tỷ lệ thay đổi của hệ số j Colburn và hệ số ma sát f Fanning sau đó mô hình hồi quy được tạo ra từ dữ liệu CFD sẽ được sử dụng để xác định hiệu quả cho hai bước cánh thiết kế riêng biệt là 3,5 mm và 1,5 mm Kết quả bước cánh 1,5 mm có thể tăng hiệu suất 36% so với bước cánh 3,5 mm Cho thấy rằng hệ thống có tiềm năng phát triển đáng kể hiệu quả nhiệt thủy lực Lindqvistvà cộng sự [2] đã tạo một mô hình CFD đã được xác thực kỹ lưỡng để áp dụng giải quyết vấn đề truyền nhiệt trong các bộ (FTHE) thử nghiệm trên 4 dạng hình học khác nhau Kết quả cho thấy từ góc độ thiết kế khi giảm bước ống ngang trong giới hạn sản xuất làm tăng khả năng truyền nhiệt, mô hình số cho thấy dữ liệu phù hợp cho tất cả ngoại trừ một dạng hình học của bộ trao đổi nhiệt nằm trong phạm vi 20%

Wang và cộng sự [3] đã nghiên cứu và trình bày hiệu suất phía không khí của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh tản nhiệt đơn giản Tổng cộng có 18 mẫu thử nghiệm, ảnh hưởng của số hàng ống, bước cánh và đường kính ống đã được kiểm tra Chỉ ra rằng tùy thuộc vào số lượng hàng ống, các đặc tính truyền nhiệt liên quan chặt chẽ đến bước cánh, N = 1 hoặc 2, hiệu suất truyền nhiệt tăng lên khi giảm bước cánh Đối với N ≥4 và Re Dc >2000, ảnh hưởng của bước cánh đến hiệu suất truyền nhiệt là không đáng kể Đối với cùng một bước cánh, ảnh hưởng của số lượng hàng ống đến hiệu suất ma sát là rất nhỏ Ảnh hưởng của đường kính ống đến hiệu suất truyền nhiệt cũng liên quan đến bước cánh

Batista và cộng sự [4] đã phân tích số lượng các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của chất lỏng trong bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh giữa không khí với nước (FTHE) bằng cách triển khai hai cấu hình của máy tạo xoáy loại cánh nhỏ delta ở phía không khí: delta-winglet ngược dòng (DWU) và delta-winglet xuôi dòng (DWD) Các bộ tạo xoáy được gắn trên một bề mặt cánh và được triển khai theo hướng “dòng chảy

24 chung hướng lên” Ảnh hưởng của các góc tấn công 15°, 30° và 45° đối với quá trình truyền nhiệt phía không khí và giảm áp suất đã được kiểm tra Số Reynolds phía không khí, dựa trên đường kính thủy lực, nằm trong khoảng 176 ≤ Re Dh ≤ 400 và số Reynolds phía nước, dựa trên đường kính ống bên trong, là hằng số Re di = 17,065 Kết quả đã chỉ ra rằng mức tăng cao nhất trong hệ số Colburn j (từ 11 – 27%) và giảm tỷ lệ trở nhiệt phía không khí (từ 78,2 – 76,9% đối với Re Dh = 176 xuống 76 – 72,4% đối với Re Dh = 400) đạt được bằng cách sử dụng cấu hình DWD với góc tấn 45° Ngoài ra, hệ số truyền nhiệt tổng thể được cải thiện lên tới 15,7% Cấu hình DWD với góc tấn 30° mang lại sự cải thiện lớn nhất trong tỷ lệ truyền nhiệt trên tổn thất áp suất, 5,2 – 15,4% trong phạm vi Re Dh được nghiên cứu

Wen và cộng sự [5] đã trình bày thông tin về một thiết kế thử nghiệm trên các thành phần của bộ trao đổi nhiệt dạng cánh và ống Trong nghiên cứu này, ba loại cánh khác nhau (cánh dạng tấm, cánh gợn sóng có cánh phức hợp) đã được nghiên cứu trong một đường hầm gió Kết quả của cánh lượn sóng đến cánh phẳng cho thấy độ giảm áp suất, hệ số truyền nhiệt, hệ số f và j tăng lần lượt trong khoảng 10,9 – 31,9%, 11,8 – 24,0%, 2,2 – 27,5% và 0,5 – 2,7% Ngoài ra, kết quả của cánh hỗn hợp so với cánh phẳng cho thấy độ giảm áp suất, hệ số truyền nhiệt, hệ số f và hệ số j tăng khoảng 33,5 – 63,1%, 27,0 – 45,5%, 6,9 – 71,1% và 9,4 – 13,2% tương ứng Tóm lại, nghiên cứu này đề xuất mạnh mẽ việc sử dụng cánh hỗn hợp được chế tạo cho bộ trao đổi nhiệt

Ameel và cộng sự [6] đã nghiên cứu bằng cách chọn hình học cánh đặc biệt, hiệu suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt có thể được nâng cao Một trong những dạng hình học cánh được đề xuất gần đây cho ống tròn là sự kết hợp của cửa chớp với bộ tạo xoáy cánh nhỏ hình tam giác (VG) Một số tham số ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết kế này, chẳng hạn như góc của mái hắt và góc tấn của bộ tạo xoáy Nó chỉ ra rằng có những tương tác quan trọng giữa chiều cao của VG, tỷ lệ khung hình của VG và góc của mái hắt Các tương tác này có cùng độ lớn với tác động chính của các tham số và do đó không thể bỏ qua Khi tính đến các tương tác này, tác động của các tham số lên hệ số truyền nhiệt, hệ số ma sát và tiêu chí đánh giá hiệu suất VG-1 (PEC) được ánh xạ Nó cho thấy rằng bước cánh cho đến nay là thông số quan trọng nhất

Bhuiyan và cộng sự [7] đã thực hiện các mô phỏng CFD ba chiều để nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt và dòng chất lỏng của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh

25 bốn hàng Các đặc tính truyền nhiệt và giảm áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt được nghiên cứu cho các số Reynolds nằm trong khoảng từ 400 đến 2000 Dòng chất lỏng và sự truyền nhiệt được mô phỏng và kết quả được so sánh bằng cách sử dụng cả mô hình dòng chảy tầng và dòng rối (k-ω) với dòng chất lỏng ổn định và không nén được Chỉ số hiệu quả tăng lên khi tăng các bước dọc và ngang của khoảng cách ống nhưng giảm khi tăng các bước cánh Đối với một số Reynolds cụ thể, chỉ số hiệu quả trong sắp xếp theo hàng cao hơn so với trường hợp so le

Wu và cộng sự [8] đã trình bày kết quả mô phỏng số 3D để truyền nhiệt dòng chảy tầng của bề mặt cánh và ống với máy tạo xoáy Ảnh hưởng của số Reynolds (từ

800 đến 2000), góc tấn (30° và 45°) của bộ tạo xoáy cánh nhỏ delta được kiểm tra Các kết quả số được phân tích từ quan điểm của nguyên lý trường hợp lực Người ta thấy rằng cơ chế vốn có của việc tăng cường truyền nhiệt bằng dòng xoáy dọc có thể được giải thích bằng nguyên lý trường hợp lực, dòng thứ hai được tạo ra bởi các máy tạo dòng xoáy dẫn đến việc giảm góc giao nhau giữa vận tốc và gradient nhiệt độ chất lỏng Ngoài ra, sự tăng cường truyền nhiệt của cánh nhỏ tam giác với góc tấn 45° lớn hơn so với 30°, trong khi cánh nhỏ tam giác có góc tấn 45° dẫn đến sự gia tăng giảm áp suất, tuy nhiên, cánh nhỏ tam giác với góc tấn 30° dẫn đến giảm nhẹ

Xie và cộng sự [9] đã nhận thấy rằng các điều kiện truyền nhiệt và dòng chất lỏng được phát triển đầy đủ khi số lượng hàng ống lớn hơn sáu và đường kính ống cũng như bước cánh có tác dụng đáng kể hơn nhiều so với bước ống và sự truyền nhiệt của vật liệu có độ dẫn điện cao lớn hơn vật liệu có độ dẫn điện thấp, đặc biệt là ở số Reynolds cao Do thực tế là các mối tương quan hiện có không hợp lệ đối với đường kính ống lớn và số lượng hàng ống, nên sự truyền nhiệt và ma sát dòng chảy của các bộ trao đổi nhiệt được trình bày có mối tương quan ở nhiều dạng Mối tương quan thu được đến mức nó có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo như dự đoán hiệu suất hoặc tối ưu hóa hình học

Borrajo-Peláez và cộng sự [10] trình bày một mô hình nâng cao, có sự đổi mới nằm ở việc xem xét thêm dòng nước trong ống và truyền nhiệt dẫn qua cánh và ống, để chứng minh rằng việc bỏ qua hai hiện tượng này làm giảm độ chính xác của kết quả mô phỏng Các mô phỏng số 3D đã được thực hiện để so sánh cả mô hình phía không khí và phía không khí/mặt nước Ảnh hưởng của số Reynolds, bước cánh, đường kính ống, chiều dài cánh và độ dày cánh đã được nghiên cứu Hiệu suất của bộ trao đổi

26 nhiệt được đánh giá thông qua hai tham số không thứ nguyên: số Nusselt phía không khí và hệ số ma sát Người ta thấy rằng ảnh hưởng của năm tham số đối với hiệu suất cơ học và nhiệt có thể được báo cáo rõ ràng bằng cách sử dụng các hệ số không thứ nguyên này Kết quả từ mô hình cải tiến cho thấy nhiều đường viền nhiệt độ thực hơn so với mô hình đơn giản hóa Do đó, độ chính xác cao hơn của truyền nhiệt đã đạt được, mang lại dự đoán tốt hơn về hiệu suất trao đổi

Thông qua một số các bài báo có liên quan, có thể kết luận rằng những nghiên cứu này đưa ra những kết quả quan trọng về tối ưu hóa cấu trúc và sắp xếp của bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh , sử dụng phương pháp CFD để phân tích và đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt.

Bài báo nghiên cứu

Trong những bài báo liên quan trên chúng em quyết định chọn nghiên cứu bài báo [1] có tên là: “Parametric CFD study for finding the optimal tube arrangement of a fin-and-tube heat exchanger with plain fins in a marine environment” do Turo Vọlikangas, Mikko Folkersma, Miikka Dal Mas, Tuomo Keskitalo, Petteri Peltonen và Ville Vuorinen, cùng nhau nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học Elsevier vào năm 2022 Đề tài này tập trung nghiên cứu trong lĩnh vực CFD (Computational Fluid Dynamics) nhằm tìm hiểu về cách sắp xếp ống tối ưu cho một bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh

Hình 1.21 Bài báo nghiên cứu [1] Để tối ưu hóa hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt, việc sắp xếp ống có cánh một cách phù hợp là rất quan trọng Nghiên cứu này sử dụng phương pháp CFD để mô phỏng và phân tích dòng chảy của không khí xung quanh ống có cánh trong môi trường biển

27 Phân tích này giúp xác định cách sắp xếp ống tối ưu để đạt được hiệu suất trao đổi nhiệt cao nhất và giảm tổn thất áp suất

Thông qua việc thay đổi các tham số trong mô hình CFD, như số lượng ống, khoảng cách giữa các ống, chiều cao ống và các yếu tố khác, nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến hiệu suất trao đổi nhiệt Kết quả của nghiên cứu có thể giúp các kỹ sư và nhà thiết kế tối ưu hóa thiết kế bộ trao đổi nhiệt trong môi trường biển, đảm bảo hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng

Sau khi đọc và tìm hiểu về phương pháp nghiên cứu trong bài, chúng em dùng phần mềm ANSYS Version 19.2 để tạo mô hình giống với nguyên tắc kết hợp với tính toán để đưa ra những giải pháp cải tiến tối ưu nhất cho hệ thống (FTHE) Nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận văn này

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG

Miền mô phỏng bộ trao đổi nhiệt dạng ống có cánh

Nhóm chúng em tiến hành xây dựng mô hình giống với mô hình từ bài báo tham khảo Miền tính toán được vẽ và thiết kế để theo dõi rõ ràng được các đặc tính của truyền nhiệt của miền không khí trong bất kỳ điều kiện nhiệt nào tại khu vực đầu vào của bộ trao đổi nhiệt, nhưng vẫn phải đáp ứng được yêu cầu tính toán số liệu đầy đủ Miền tính toán có tính chất đối xứng và không phụ thuộc vào thời gian song song với dòng không khí và đi tới vuông góc với đường ống Miền không khí này hợp với bề mặt diện tích của bộ trao đổi nhiệt có kích thước tùy ý, tốc độ truyền nhiệt phía không khí cân bằng nhau Do đó, chỉ có một phần dòng chảy giữa các ống có cánh được mô phỏng Trong Hình 2.1 là minh họa của bộ trao đổi nhiệt ống và cánh và Hình 3.2 là miền tính toán được mô hình hóa

Hình 2.1 Miền tính toán được mô hình hóa cụ thể [1]

Hình 2.2 Miền mô phỏng của bộ trao đổi nhiệt

Trước và sau bộ trao đổi nhiệt, chúng em lập mô hình tại một vùng dòng vào và dòng ra với chiều dài bằng với chiều dài của cánh tương ứng

Hình 2.3 Miền tính toán theo phương ngang của mô hình

1 Tấm trao đổi nhiệt dạng cánh (độ dày cánh = 0,2mm, khoảng cách giữa 2 tấm cánh F p = 1,5mm)

3 Miền không khí giữa 2 tấm cánh Độ dài của cánh được biểu thị bằng độ dài của bước ống dọc (P l ) và độ rộng phụ thuộc vào bước ống ngang (P t ) được thể hiện rõ như trong hình vẽ, thể hiện mối tương quan đến đường kính thủy lực riêng của hệ thống, là yếu tố quan trọng để khảo sát và đánh giá hiệu suất truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt ống có cánh này

Thông số dữ liệu và hiệu suất của hệ thống

Trong nghiên cứu này số Reynolds được tính dựa vào đường kính thủy lực D h Đường kính thủy lực được xác định bằng bốn lần diện tích ướt A chia chu vi ướt U:

Trong cơ học chất lưu, số Reynolds là một giá trị không thứ nguyên biểu thị độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây bởi quán tính và tính nhớt đến sự cản trở đối với dòng chảy, hay biểu thị chế độ chảy của lưu chất Số Reynolds thường được kí hiệu là

𝑅𝑒 và được tính theo công thức:

Với 𝑢 𝑐𝑜𝑟𝑒 là vận tốc tại khu vực dòng chảy có mặt cắt nhỏ nhất, [m/s], 𝜐 là độ nhớt động học của không khí, [m 2 /s], 𝐷 ℎ là đường kính thủy lực [m]

Số Nusselt (𝑁𝑢) đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt giữa chất tải lạnh và thành thiết bị được tính như sau:

* Trường hợp không khí chảy tầng 𝑅𝑒 < 2300:

* Trường hợp không khí chảy rối 𝑅𝑒 > 2300:

Trong đó 𝑃𝑟 là số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của chất tải nhiệt, 𝑅𝑒 là số Reynolds

Hệ số j Colburn đặc trưng cho truyền nhiệt không thứ nguyên:

𝑅𝑒 ∙ 𝑃𝑟 1 3 Trong đó 𝑁𝑢 là số Nusselt, 𝑅𝑒 là số Reynolds, 𝑃𝑟 là số Prandtl

Hệ số ma sát f Fanning mô tả dòng chất lưu trong ống với ma sát trên tấm chắn được biểu thị bằng ứng suất trượt của nó :

Với ∆𝑃 là giá trị tổn thất áp suất (Pa) được xác định bằng mô phỏng số lấy giá trị áp suất đầu vào trừ giá trị áp suất đầu ra và L là chiều dài tấm cánh (mm), 𝑢 𝑐𝑜𝑟𝑒 là vận tốc tại khu vực dòng chảy có mặt cắt nhỏ nhất [m/s], 𝐷 ℎ là đường kính thủy lực [m], 𝜌 là khối lượng riêng, [kg/m 3 ]

Nói chung, sự gia tăng hiệu quả truyền nhiệt sẽ đi kèm sự gia tăng độ sụt áp Điều này có nghĩa là người ta phải xem xét sự đánh đổi giữa tăng truyền nhiệt và tăng độ sụt áp khi đánh giá hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt Về cơ bản, hiệu suất của hình dạng cánh được so sánh với các yếu tố tốt như như diện tích Tuy nhiên, sử dụng những cách trên gặp một số khó khăn khi chiều dài tham chiếu hoặc vận tốc, độ quy mô giữa các trường hợp là khác nhau Trong nghiên cứu này, tất cả các biến tham chiếu thay đổi giữa các trường hợp Vì vậy, mục đích mong muốn là để sử dụng một tiêu chí hiệu suất có giá trị bằng với hệ số đã tăng lên với hiệu suất đã được cải thiện, bất kể quy mô tham chiếu nào, tiêu chí hiệu suất đó gọi là tỷ lệ hiệu suất JF

Chúng em áp dụng một phiên bản của tỷ lệ hiệu suất JF trong đó tham chiếu các biến không bị trừ khỏi phương trình JF được định nghĩa là tỷ lệ của hai hiệu suất khác nhau thu được từ kết được về nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt và một bộ trao đổi nhiệt tham chiếu Một là tỷ lệ về tốc độ truyền nhiệt trên mỗi đơn vị chênh lệch nhiệt độ, trên một đơn vị diện tích bề mặt (biểu thức 1) và tỷ lệ còn lại là tỷ lệ công suất ma sát tiêu tán trên một đơn vị bề mặt khu vực (biểu thức 2) Với chỉ số R đề cập đến thiết kế tham chiếu được chọn có P l = P t = 14mm, F p = 1,5mm

ℎ ̅̅̅̅ 𝑅 là tỷ lệ về tốc độ truyền nhiệt trên mỗi đơn vị chênh lệch nhiệt độ, trên một đơn vị diện tích bề mặt, 𝑗

𝑗 𝑅 là tỷ lệ hệ số j Colburn của một thiết bị trao đổi nhiệt khảo sát và một thiết bị trao đổi nhiệt tham chiếu

(𝑃 𝐴 ⁄ ) 𝑅 là tỷ lệ công suất ma sát tiêu tán trên một đơn vị bề mặt khu vực, 𝑓

𝑓 𝑅 là tỳ lệ hệ số ma sát f Fanning của một thiết bị trao đổi nhiệt khảo sát và một thiết bị trao đổi nhiệt tham chiếu, 𝐴 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡

𝐴 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑅 tỷ lệ diện tích đầu vào, 𝐴 𝑅

𝐴 là tỷ lệ diện tích ướt

Từ đó suy ra biểu thức:

Phương trình điều khiển và điều kiện biên

Các phương trình chính của mô hình bao gồm:

3 Phương trình năng lượng cho miền không khí:

4 Phương trình vận chuyển động năng rối:

5 Phương trình vận chuyển cho tốc độ tiêu tán rối cụ thể:

𝜕𝑥 𝑖 ) = 0 Phương trình vận chuyển cho động học rối năng lượng được thể hiện trong mô phỏng là phương trình k - ω Shear-Stress Transport (SST) thường được sử dụng cho hệ thống trao đổi nhiệt dạng ống có cánh

Hình 2.4 Thiết lập phương trình chuyển động cho mô hình trong phần mềm mô phỏng

34 Điều kiện biên đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình mô phỏng vật lý hình thể Việc lựa chọn và đặt các điều kiện biên không đúng chỗ hoặc không hợp lý sẽ làm thay đổi hoặc không thể hiện hết được ảnh hưởng vật lý tới mô hình được thiết kế, tính đúng đắn của kết quả tính toán mô phỏng

Mô hình hệ thống được thiết kế với ứng với điều kiện biên ban đầu: vận tốc đầu vào u = 3m/s Các biến số khác như: đường kính ống d = 10mm, thông lượng nhiệt bề mặt cánh q = 100W/m 2 , nhiệt độ đầu vào Tin = 273K và nhiệt độ của ống T = 333K

Hình 2.5 Mô tả điều kiện biên cần thiết cho mô hình

Hình 2.6 Thông số vận tốc đầu vào của miền không khí

Hình 2.7 Thông số nhiệt độ đầu vào của miền không khí

Hình 2.8 Thông số nhiệt độ bề mặt ống của bộ trao đổi nhiệt

Hình 2.9 Thông số thông lượng nhiệt đối với bề mặt cánh của bộ trao đổi nhiệt

Bảng 2 1 Chi tiết đầy đủ điều kiện biên cho mô hình

Tên điều kiện biên Chi tiết Tên gọi

Inlet (đầu vào) Velocity inlet u = 3m/s, T in = 273K Outlet (đầu ra) Pressure outlet

Khu vực dòng chảy vào và dòng chảy ra

Top and bottom (trên cùng và dưới cùng) Fluid domain

Left and right (trái và phải) Symmetry

Top and bottom (Trên cùng và dưới cùng) Heat flux q = 100W/m 2

Left and right (Trái và phải)

– Bề mặt bên trong ống

Hình 2.10 Mô hình miêu tả điều kiện biên

Chia lưới và xác thực mô hình

Chia lưới được thực hiện bằng cách thay đổi bước cánh và kiểu ống bên trong mô hình, chia lưới có cấu trúc tham số có thể vượt trội hơn so với các chiến lược chia lưới không có cấu trúc Khi chia lưới có thể sử dụng tính năng "Element Quality" để đánh giá chất lượng lưới Giá trị trung bình của lưới gần 1 thì cho chất lượng lưới tốt hơn Để đánh giá hiệu quả lưới chúng em đã tiến hành chạy mô phỏng và tiếp nhận các thông số cần thiết dựa vào mô hình cũng như kết quả hiệu suất cần thiết, từ đó đánh giá hiệu quả và xét sự hội tụ để lấy giá trị điểm lưới tốt nhất

Việc giảm size lưới sẽ cho kết quả chính xác hơn, tuy nhiên điều này sẽ làm cho bài toán giải lâu hơn và khi lưới đã hội tụ thì bạn cố giảm size lưới, kết quả cũng sẽ thay đổi không đáng kể Vì vậy, cần cân bằng giữa độ chính xác của kết quả và thời gian tính toán cho phù hợp

Tiếp tục tiến hành khảo sát nhờ bảng công cụ tính Parameter, với giá trị tham số chính là kích thước lưới bắt đầu từ 1mm và giảm đến 0,05mm tương ứng với số phần tử từ 800 nghìn đến 3,5 triệu

Trung bình phần trăm bình phương gốc tổng thể đối với lưới tốt nhất là 1,97% đối với lưới 800 nghìn, 1,4% đối với lưới 1,6 triệu phần tử và 0,79% đối với lưới 3,5 triệu phần tử Để có sự so sánh khả thi giữa miền tính toán và độ chính xác Trước tiên, mô phỏng dữ liệu cho các mô hình thay thế được thực hiện với lưới 1,6 triệu phần tử và sau đó các giá trị tối đa được mô phỏng với lưới kích thước 3,5 triệu phần tử Để kiểm tra và so sánh nhóm tiến hành khảo sát các thông số nhiệt độ áp suát cần thiết cho bộ giải mô hình tại từng vị trí khác nhau như sau:

- Thứ nhất, tại vị trí outlet của mô hình:

Hình 2.11 Chi tiết sự hội tụ dựa vào nhiệt độ tại đầu ra hệ thống

Nhìn vào đồ thị trên, dễ dàng thấy rằng tất cả các điểm đang xét trong miền hội tụ dường như đều nằm quanh vùng có giá trị nhiệt độ 333K

Hình 2.12 Chi tiết sự hội tụ dựa vào áp suất tại đầu ra hệ thống

Cũng như đồ thị trên, áp suất trong miền hội tụ hầu như tương đương nhau và đều nằm ở giá trị là 0 Pa

- Thứ hai, tại một điểm có tọa độ (0,028;0,00095;-0,0035) (m):

Hình 2.13 Tọa độ vị trí xét hội tụ lưới

Hình 2.14 Chi tiết sự hội tụ dựa vào nhiệt độ tại một điểm có tọa độ (0,028;0,00095;-

Nhìn vào đồ thị này cho thấy giá trị ở từng điểm không hội tụ cùng nhau, mỗi vị trí ứng với một giá trị nhiệt độ bất kì Tuy nhiên, vẫn có giá trị hội tụ tại điểm lưới 1,6 triệu phần tử

Hình 2.15 Chi tiết sự hội tụ dựa vào áp suất tại một điểm có tọa độ

Nhìn chung, giá trị hội tụ ở một điểm bất kỳ trên mô hình chỉ đạt ở mức nhiệt độ trong khoảng 245K đến 248K và hội tụ ở điểm lưới 1,6 triệu phần tử Những điểm khác hầu như không thể hiện rõ mức độ hội tụ nên chúng em không đề cập đến

- Thứ ba, tại toàn mô hình:

Hình 2 16 Chi tiết sự hội tụ dựa vào nhiệt độ toàn mô hình

Dựa vào đồ thị trên, điểm có giá trị hội tụ lưới được thiết lập sau khi qua phương pháp chạy mô phỏng toàn mô hình đạt ở mức 1,6 triệu phần tử với mức chênh lệch nhiệt độ rất nhỏ và dao động ở 332,75K

42 Dựa vào các số liệu cần thiết và xem xét sự hội tụ, chọn ra giá trị điểm lưới phù hợp sử dụng cho bài toán là 1,6 triệu phần tử, tương ứng gần với 1,7 triệu phần tử trong bài báo tham khảo với trung bình phần trăm bình phương gốc tổng thể đối với lưới tốt nhất là 1,4%

Hình 2.17 Mô hình sau khi được chia lưới theo tiêu chuẩn

Hình 2.18 Cận mô hình sau khi được chia lưới theo tiêu chuẩn

Chúng em quyết định chọn lưới với số phần tử lưới là 1600386 tương ứng với kích thước lưới là 0,065mm

Hình 2.19 Bảng thông số cài đặt lưới

Mô hình sau khi chưa dưới theo tiêu chuẩn sẽ mang đến tính chính xác cao cho quá trình giải, việc chia lưới phù hợp giúp giảm được tối thiểu thời gian hoàn thành quá trình mô phỏng vì nếu lưới không phù hợp thì sẽ ảnh hưởng đến các quy trình mô phỏng tiếp theo và cần phải thực hiện lại thao tác chia lưới lại để đạt được mức độ phù hợp