Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính dòng chảy trong kênh micro

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG SỐ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT

GVHD: TS ĐẶNG HÙNG SƠN SVTH: TRẦN QUỐC KHÁNH

CAO HUỲNH ANH HIẾU ĐẠI TRÍ VĨ

LƯU HIẾU ĐANG LƯU GIA HUY

Trang 2

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG SỐ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY TRONG KÊNH MICRO

GVHD: TS Đặng Hùng Sơn

Trần Quốc Khánh 20147183 Cao Huỳnh Anh Hiếu 20155081 Đại Trí Vĩ 20147359 Lưu Hiếu Đang 20142304 Lưu Gia Huy 20147175

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2024.

Trang 3

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật nhiệt

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG SỐ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TÍNH DÒNG CHẢY TRONG KÊNH MICRO

GVHD: TS Đặng Hùng Sơn

Trần Quốc Khánh 20147183 Cao Huỳnh Anh Hiếu 20155081 Đại Trí Vĩ 20147359 Lưu Hiếu Đang 20142304 Lưu Gia Huy 20147175

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2024.

Trang 4

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: 1 Trần Quốc Khánh MSSV: 20147183

(Email: 20147183@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0948461006)

2 Cao Huỳnh Anh Hiếu MSSV: 20155081

3 Đại Trí Vĩ MSSV: 20147359

4 Lưu Hiếu Đang MSSV: 20142304

5 Lưu Gia Huy MSSV: 20147175

(Email: 20147175@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0915787474)Chuyên ngành:Công nghệ Kĩ thuật Nhiệt Lớp:20147CL3A

Khóa:2020 - 2024

1 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và mô phỏng số các yếu tố ảnh hưởng tới

đặc tính dòng chảy trong kênh Micro

3 Sản phẩm đề tài

Hoàn thành mô phỏng và thực nghiệm kênh micro

4 Ngày giao đề tài: 28/02/2024

5 Ngày hoàn thành đề tài: 12/07/2024

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: CN Nhiệt – Điện lạnh

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày tháng 07 năm 2024

Trang 5

Bộ môn CN Nhiệt – Điện lạnh

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên: Trần Quốc Khánh Mssv: 20147183 Hội đồng:

Họ và tên: Cao Huỳnh Anh Hiếu Mssv: 20155081 Hội đồng:

Họ và tên: Đại Trí Vĩ Mssv: 20147359 Hội đồng:

Họ và tên: Lưu Hiếu Đang Mssv: 20142304 Hội đồng:

Họ và tên: Lưu Gia Huy Mssv: 20147175 Hội đồng: Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và mô phỏng số các yếu tố ảnh hưởng tới đặctính dòng chảy trong kênh Micro

Ngành đào tạo: Công nghệ Kĩ thuật Nhiệt

Họ và tên giảng viên hướng dẫn: Ts Đặng Hùng Sơn

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)

2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

Trang 7

4 Kết luận

Trang 8

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên: Trần Quốc Khánh Mssv: 20147183 Hội đồng:

Họ và tên: Cao Huỳnh Anh Hiếu Mssv: 20155081 Hội đồng:

Họ và tên: Đại Trí Vĩ Mssv: 20147359 Hội đồng:

Họ và tên: Lưu Hiếu Đang Mssv: 20142304 Hội đồng:

Họ và tên: Lưu Gia Huy Mssv: 20147175 Hội đồng: Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và mô phỏng số các yếu tố ảnh hưởng tới đặctính dòng chảy trong kênh Micro

Ngành đào tạo: Công nghệ Kĩ thuật Nhiệt

Họ và tên giảng viên phản biện: Ts Đoàn Minh Hùng

Trang 9

3 Kết quả đạt được

4 Những thiếu sót tồn tại (nếu có)

5 Câu hỏi

6 Đánh giá

Trang 10

7 Kết luận

Trang 11

Họ và tên sinh viên: 1 Trần Quốc Khánh MSSV: 20147183

2 Cao Huỳnh Anh Hiếu MSSV: 20155081

3 Đại Trí Vĩ MSSV: 20147359

4 Lưu Hiếu Đang MSSV: 20142304

5 Lưu Gia Huy MSSV: 20147175Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phảnbiện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn thànhđúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Trang 12

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, ngoài những nỗ lực của các thànhviên trong nhóm trong việc học tập, nghiên cứu và vận dụng các kiến thức đã được họcđược trong suốt những năm học tại Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố HồChí Minh,màcòn nhờ vào sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè trong suốt quá trình nghiêncứu đề tài này

Trước hết, nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Ts ĐặngHùng Sơn người đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ dẫn cho nhóm em về những kiến thức,các nội dung, phương pháp nghiên cứu, dành cho nhóm em những lời khuyên bổ ích,góp ý để nhóm em chỉnh sửa hoàn thành đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất Xin chânthành cảm ơn quý Thầy Cô của Khoa Cơ Khí Động Lực, ngành Công nghệ kỹ thuậtNhiệt và các giảng viên luôn tận tình và nhiệt huyết, truyền đạt cho nhóm em nhữngkiến thức bổ ích và kinh nghiệm thực tế giúp nhóm em có đầy đủ kiến thức và các kỹnăng cần thiết để hoàn thiện tốt đồ án tốt nghiệp này

Lời sau cùng, nhóm em xin chân thành kính chúc các quý Thầy Cô trường Đại học

Sư phạm kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung và thầy Ts Đặng Hùng Sơn nóiriêng thật nhiều sức khỏe, khỏe mạnh và có thêm nhiều động lực để tiếp tục thực hiện

sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Vì kiến thức nhóm em còn có nhiều vấn đề hạn chế, nên đề tài này chúng em thựchiện không tránh những sai sót, nhóm em xin chân thành kính mong các quý Thầy Cô

có những ý kiến đóng góp để nhóm em bổ sung và hoàn thiện đề tài này cũng nhưhoàn thiện kiến thức của bản thân hơn

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 13

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu thiết bị tản nhiệt microchannel 1

1.2 Ứng dụng kênh tản nhiệt 1

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.4 Lý do chọn đề tài 2

1.5 Mục tiêu đề tài 3

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 4

2.1.1 Nghiên cứu trong nước 4

2.1.2 Nghiên cứu ngoài nước 4

2.2 Phương pháp và công cụ nghiên cứu 4

2.2.1 Phương pháp Taguchi 4

2.2.2 Công cụ Autodesk Inventor Professional 5

2.2.3 Công cụ Ansys WorkBench Student 6

2.2.4 Công cụ Matlab 6

2.2.5 Công cụ Minitab 6

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MODEL 7

3.1 Thiết lập model theo phương pháp Taguchi 7

3.1.1 Cơ sở sử dụng bảng Taguchi phù hợp với Model 7

3.1.2 Xây dựng Model theo phương pháp Taguchi 9

3.2 Xây dựng model bằng phần mềm Inventer 10

3.3 Mô phỏng bằng phần mềm Ansys 15

3.3.1 Thiết lập Geometry 15

3.3.2 Thiết lập Mesh 19

3.3.3 Thiết lập các thông số và chạy mô phỏng 33

Trang 14

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ KẾT QUẢ BẰNG PHẦN MỀM MINITAB 57

4.1 Tạo bảng Taguchi trong Minitab 57

4.2 Phân tích kết quả mô phỏng để tối ưu từng biến 58

4.2.1 Phân tích taguchi 58

4.2.2 Phân tích anova 63

4.2.3 So sánh kết quả giữa phương pháp taguchi và anova 64

4.3 Phân tích kết quả mô phỏng để tối ưu theo đa biến 65

4.3.1 Các bước phân tích kết quả để tối ưu theo đa biến 65

4.3.2 Kết quả của từng cặp biến 66

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ CỦA MODEL ĐƯỢC GIA CÔNG 69

5.1 Chọn mô hình gia công 69

5.2 Chọn điểm xét trường nhiệt độ, vẽ đồ thị trường nhiệt độ trên các sườn và xuất dữ liệu ra excel 70

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

6.1 Kết luận 77

6.2 Hướng phát triển 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Trang 15

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Quạt tản nhiệt micro của Intel [1] 1

Hình 1.2: Thiết bị ngưng tụ micro [2] 2

Hình 2.1: Các bước thiết kế theo phương pháp Taguchi [4] 5

Hình 3.1: Kênh tản nhiệt micro 7

Hình 3.2: Mô hình tổng quát 11

Hình 3.3: Thông số kích thước của vi kênh 11

Hình 3.4: Thông số kích thước của nắp kênh 12

Hình 3.5: Thông số kích thước của điện trở 12

Hình 3.6: Thông số kích thước của nhựa Glass 13

Hình 3.7: Thông số kích thước của nhựa Bakelite 13

Hình 3.8: Thông số kích thước của ống dẫn nước 14

Hình 3.9: Mô hình nước 14

Hình 3.10: Mô hình hoàn chỉnh 15

Hình 3.11: Giao diện ứng dụng Workbench 15

Hình 3.12: Import Geometry 16

Hình 3.13: Chọn edit Geometry 16

Hình 3.14: Giao diện DesignModeler 17

Hình 3.15: Import model 17

Hình 3.16: Sau khi import model 17

Hình 3.17: Chọn đối tượng → Booclean 18

Hình 3.18: Model nước đã được Booclean thống nhất thành 1 khối 18

Hình 3.19: Đặt tên cho các khối 18

Hình 3.20: Hợp thể các khối thành khối thống nhất 19

Hình 3.21: Liên kết mục A2 và B2 19

Hình 3.22: Giao diện Mesh 20

Hình 3.23: Thiết lập vật liệu lỏng cho khối nước 20

Hình 3.24: Thiết lập cài đặt để chia lưới 21

Hình 3.25: Thiết lập thông số Element Size 21

Trang 16

Hình 3.26: Kết quả chia lưới 22

Hình 3.27: Các thông số skewness, aspect ratio, elements 22

Hình 3.28: Bảng chất lượng thông số skewness 22

Hình 3.29: Mẫu đặt tên 23

Hình 3.30: Water outlet 24

Hình 3.31: Water inlet 24

Hình 3.32: Glass top 25

Hình 3.33: Glass wall 25

Hình 3.34: Bakelite wall 26

Hình 3.35: Bakelite bottom 26

Hình 3.36: Port wall 27

Hình 3.37: Glass port 27

Hình 3.38: Nướckenh port 28

Hình 3.39: Nướckenh glass 28

Hình 3.40: Bakelite glass 29

Hình 3.41: Kenhrib glass 29

Hình 3.42: Napkenh glass 30

Hình 3.43: nướckenh napkenh 30

Hình 3.44: Kenhrib napkenh 31

Hình 3.45: Nướckenh kenhrib 31

Hình 3.46: Bakelite kenhrib 32

Hình 3.47: Dientro kenhrib 32

Hình 3.48: Bakelite dientro 33

Hình 3.49: Kết quả hàm randn cho thông số nhiệt độ 33

Hình 3.50: Kết quả hàm randn cho thông số vận tốc 34

Hình 3.51: Kết quả hàm randn cho thông số mật độ dòng nhiệt 34

Hình 3.52: Liên kết Mesh vào setup 36

Hình 3.53: Giao diện Setup 36

Hình 3.54: Cài Gravity 36

Trang 17

Hình 3.55: Bật Energy 37

Hình 3.57: Thông số vật liệu nước 38

Hình 3.58: Thông số vật liệu thép 38

Hình 3.59: Thông số vật liệu Bakelite 39

Hình 3.60: Thông số vật liệu Plexiglass 39

Hình 3.61: Điều chỉnh vật liệu các bộ phận Model 39

Hình 3.62: Thông số mặt phẳng Water inlet 40

Hình 3.63: Thiết lập thông số mật độ dòng nhiệt 40

Hình 3.64: Setup Initialization 41

Hình 3.65: Thông báo initialization hoàn tất 41

Hình 3.66: Calculation hoàn tất 42

Hình 3.67: Thông báo Calculation hoàn tất 42

Hình 3.68: Results/Fluid Flow (fluent) 42

Hình 3.69: Giao diện Results 43

Hình 3.70: Insert/Contour 43

Hình 3.71: Location/Plane 43

Hình 3.72: Cài plane 1 44

Hình 3.73: Cài plane 2 44

Hình 3.74: Range/of Contours 44

Hình 3.75: Cài đặt lấy kết quả T khối 45

Hình 3.76: Trường nhiệt độ Tkhoi 45

Hình 3.77: Cài đặt lấy kết quả T nước 46

Hình 3.78: Trường nhiệt độ T nước (1) 46

Hình 3.79: Trường nhiệt độ T nước (2) 47

Hình 3.80: Cài đặt lấy kết quả T nước ra 47

Hình 3.81: Trường nhiệt độ T nước ra 48

Hình 3.82: Cài đặt lấy kết quả P 48

Hình 3.83: Trường áp suất P (1) 49

Hình 3.84: Trường áp suất P (2) 49

Trang 18

Hình 3.85: Cài đặt lấy kết quả V 50

Hình 3.86: Trường vận tốc V (1) 50

Hình 3.87: Trường vận tốc V (2) 51

Hình 3.88: Cài đặt lấy kết quả V nước ra 51

Hình 3.89: Trường vận tốc V nước ra 52

Hình 4.1: Giao diện Create Taguchi Design 57

Hình 4.2: Giao diện Display Available Designs 57

Hình 4.3: Giao diện Designs 58

Hình 4.4: Thiết lập thông số bảng Taguchi 58

Hình 4.5: Giao diện Analyze Taguchi Design 59

Hình 4.6: Giao diện Options 59

Hình 4.7: Đồ thị Mean Effects Plot for SN ratios 60

Hình 4.8: Đồ thị Mean Effects Plot for SN ratios của T khối max 61

Hình 4.9: Đồ thị Mean Effects Plot for SN ratios của Delta P nước 62

Hình 4.10: Đồ thị Mean Effects Plot for SN ratios của V nước ra 62

Hình 4.11: Giao diện Fit Regression Model 63

Hình 4.12: Giao diện Define Custom Response Surface Design 65

Hình 4.13: Giao diện Anlyze Response Surface 66

Hình 4.14: Giao diện Response Optimizer 66

Hình 4.15: Đồ thị tối ưu hóa 66

Hình 4.16: Đồ thị tối ưu hóa cho T khối max và Delta P nước 67

Hình 5.1: Kênh 69

Hình 5.2: Nắp kênh 69

Hình 5.3: Đế ngoài (bakelite) 69

Hình 5.4: Nắp ngoài và cổng nước vào 70

Hình 5.5: Vị trí đặt các điểm xét trên mỗi sườn 70

Hình 5.6: Giao diện Details of Line 71

Hình 5.7: Giao diện Details of Point Cloud 71

Hình 5.8: Bố cục các điểm xét trên mỗi sườn 71

Trang 19

Hình 5.9: Giao diện Export 72

Hình 5.10: Đồ thị trường nhiệt độ trung bình trên Sườn 1 72

Hình 5.20: Trường nhiệt độ trung bình giữa tất cả sườn trong kênh 76

Trang 20

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Bảng trực giao Taguchi L27 8

Bảng 3.2: Các yếu tố và cấp độ theo phương pháp Taguchi 9

Bảng 3.3: Xây dựng 27 Model theo phương pháp Taguchi 9

Bảng 3.4: Bổ sung kích thước của kênh Trapezoidal 10

Bảng 3.5: Thông số đầu vào theo điều kiện thực tế 35

Bảng 3.6: Kết quả nhiệt độ mô phỏng lần 1 52

Bảng 3.7: Kết quả nhiệt độ mô phỏng lần 2 53

Bảng 3.8: Kết quả áp suất nước mô phỏng 54

Bảng 3.9: Kết quả vận tốc mô phỏng 55

Bảng 4.1: Response Table for Signal to Noise Ratios 60

Bảng 4.2: Response Table for Signal to Noise Ratios của T khối max 61

Bảng 4.3: Response Table for Signal to Noise Ratios của Delta P nước 61

Bảng 4.4: Response Table for Signal to Noise Ratios của V nước ra 62

Bảng 4.5: Phân tích Anova từ Analysis of Variance cho Delta T khối Max 63

Bảng 4.6: Phân tích Anova từ Analysis of Variance cho Delta P nước 64

Bảng 4.7: Phân tích Anova từ Analysis of Variance cho V nước ra 64

Trang 21

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu thiết bị tản nhiệt microchannel

Tản nhiệt là cụm từ không còn quá xa lạ gì với thời đại hiện nay, với mỗi thiết bịđiện tử hoạt động đều tỏa ra một lượng nhiệt nhất định ra môi trường tuy nhiên nếu cácthiết bị có khả năng tỏa nhiệt cao do đòi hỏi công suất làm việc lớn, việc tỏa nhiệt đốilưu tự nhiên sẽ không đạt được hiệu quả giải nhiệt mà còn gây hư hại cho thiết bị nhất

là khi thiết bị này đặt trong một không gian hẹp vì thế các thiết bị tản nhiệt ra đờinhằm khắc phục các yếu tố tiêu cực này

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất vi mạch, con người thamvọng cải tiến các vi mạch tích hợp có kích thước nhỏ chẳng hạn như micro nhưngmang lại hiệu suất cao qua đó tản nhiệt cũng được thiết kế các vi kênh có diện tích phùhợp với vi mạch và tối ưu khả năng làm mát để mạch hoạt động trong nhiệt độ chophép

Trong bài viết này, chúng em thực hiện nghiên cứu kênh tản nhiệt micro cho điệntrở có công suất là 100W bằng các phương pháp mô phỏng, phân tích ANOVA và thựcnghiệm

1.2 Ứng dụng kênh tản nhiệt

a Cho máy tính

Kích thước có diện tích nhỏ hoạt động với công suất lớn đây khả năng tuyệt vời củamột vi mạch máy tính, tuy nhiên vi mạch khi hoạt động lại sản sinh nhiệt độ cao do đónhiều thiết kế tản nhiệt micro được sử dụng

Hình 1.1: Quạt tản nhiệt micro của Intel [1]

Trang 22

b Cho điều hòa không khí

Với cấu tạo từ các tấm mỏng có kích thước micro nối song song với nhau bằng cácống đồng chứa môi chất bên trong đi xuyên qua các tấm, thiết bị ngưng tụ dạng microđang mang lại các hiệu quả về khả năng trao đổi nhiệt nhờ tăng diện tích tiếp xúc,giảm tiêu thụ điện năng, do các tấm micro được thiết kế với kích thước rất nhỏ và sửdụng vật liệu là nhôm nên trọng lượng của thiết bị ngưng tụ được giảm đáng kể thêmvào đó là khả năng lưu thông khí cũng đồng đều, ít cản lại dòng khí so với thiết bịngưng tụ trước đây

Hình 1.2: Thiết bị ngưng tụ micro [2]

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Đặc tính truyền nhiệt rất đa dạng và mang tính cục bộ chưa thể khái quát thànhnhững qui luật chung cho kênh micro Nước là chất lưu cơ bản có đầy đủ các tính chấtvật lý và hóa học thuận lợi để nghiên cứu các qui luật chung cho thiết bị kênh micro.Hiện nay, các đặc tính truyền nhiệt cho quá trình giải nhiệt trong kênh micro là chưađược hoàn thiện Bởi những lý do trên, việc thực hiện đề tài “Mô Phỏng và ThựcNghiệm kênh micro” là cần thiết

1.4 Lý do chọn đề tài

Đầu tiên, khả năng giải nhiệt của một thiết bị trao đổi nhiệt micro là rất quan trọng,chủ yếu là làm tăng hiệu suất hoạt động của máy móc Nhằm tránh việc sử dụng tàinguyên quá mức, các thiết kế nhỏ gọn nhưng đạt hiệu quả cho nhu cầu con người đangrất được chú trọng

Thứ hai, việc trao đổi nhiệt trong vi kênh vẫn là đề tài đáng quan tâm của nhànghiên cứu khoa học, bởi các nhà nghiên cứu vẫn đưa các khả năng truyền nhiệt trong

Trang 23

kênh micro còn phụ thuộc các yếu tố: kích thước kênh, hình dáng kênh, lưu chất làmmát, độ dày kênh,…

Thứ ba, điều kiện tiên quyết trước khi tạo ra sản phẩm là thiết kế và tính toán sảnphẩm, đảm bảo các vi kênh tối ưu các đặc tính truyền nhiệt Các phương pháp bềnvững sẽ được dề cập nhằm giảm thiểu đi các tham số có thể gây ra lỗi từ đó việc thiết

kế các tản nhiệt vi kênh được thực hiện trong phạm vi tham số tương đối và mô phỏng

để chọn ra các tản nhiệt vi kênh chất lượng

Với ba lí do trên mà nhóm quyết định chọn đề tài “Mô phỏng và thực nghiệm kênhmicro”

1.5 Mục tiêu đề tài

Xác định khả năng truyền nhiệt của vi kênh trong thiết bị tản nhiệt thông qua nhiệt

độ, áp suất, mật độ dòng nhiệt, trường nhiệt độ và trường áp suất trong quá trình môphỏng

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu

Thiết bị tản nhiệt kênh micro có sườn hình chữ nhật, thang và tam giác

Xác định khả năng truyền nhiệt của từng kênh

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu

Vật liệu chế tạo kênh micro là nhôm

Công suất điện trở 100W

Lưu chất giải nhiệt là nước

Trang 24

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1.1 Nghiên cứu trong nước

Đoàn Minh Hùng [8] với đề tài nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của quá trìnhngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro

Đặng Thành Trung, Đoàn Minh Hùng, Nguyễn Trọng Hiếu [9] và các đồng nghiệp

đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chấtCO2 bằng phương pháp mô phỏng số

Nguyễn Huy Bích [10] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của điều kiện biên nhiệt đến sự

di chuyển của vi giọt chất lỏng trong microchannel

2.1.2 Nghiên cứu ngoài nước

Poh-Seng Lee cùng các cộng sự [5] đã nghiên cứu khả năng truyền nhiệt trong kênhmicro hình chứ nhật có kích thước khác nhau với đường kính thủy lực 318 - 903 và kếtluận rằng hệ số truyền nhiệt tăng khi giảm kích thước kênh ở tốc độ dòng chảy ổn định.Reiyu Chein và Guanming Huang [6] đã thực nghiệm hiệu suất tản nhiệt qua hai vikênh: Wch = Wfin = 100 μm và Lch = 300 μm và Wch = Wfin = 57 μm và Lch = 365

μm bằng chất lỏng nano Kết quả là chất lỏng nano có thể nâng cao hiệu suất MCHS

so với việc sử dụng nước tinh khiết làm chất làm mát Sự cải thiện là do sự gia tăng độdẫn nhiệt của chất làm mát và sự phân tán nhiệt của hạt nano

Adams và cộng sự [7] đã nghiên cứu thực nghiệm sự truyền nhiệt đối lưu hỗn loạncủa nước trong các ống siêu nhỏ có đường kính trong là 760 và 1090 μm Kết quả của

họ cho thấy số lượng Nusselt đối với các ống vi mô cao hơn so với dự đoán của cácmối tương quan thực nghiệm thông thường đối với các ống vĩ mô

2.2 Phương pháp và công cụ nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp Taguchi

Phương pháp này được biết đến bởi Tiến sĩ người nhật Genichi Taguchi vào cuốinhững năm 1950 Tiến sĩ Genichi Taguchi đã đưa ra nhiều khái niệm và phương phápcải thiện chất lượng dựa trên thiết kế chắc chắn Thiết kế chắc chắn (Robust Design)

có nghĩa là thiết kế của một sản phẩm không gây ra vấn đề gì trong mọi trường hợp

RD biểu thị việc thiết kế một sản phẩm có thể hoạt động bình thường trong các hoàncảnh khác nhau [3]

Mục đích chính của Taguchi là giảm sự biến động xung quanh giá trị mục tiêu củacác đặc tính sản phẩm Để đạt được điều này, các yếu tố có thể gây ra sự biến đổi này

Trang 25

phải được xác định trong sản phẩm và quy trình sản xuất phải được thiết kế theo cácyếu tố này Chiến lược của Taguchi là một ứng dụng có hệ thống của thiết kế thửnghiệm (DOE) và phân tích nhằm cải thiện hoặc thiết kế chất lượng sản phẩm và quytrình Chiến lược này bao gồm việc giảm thiểu thử nghiệm hàm tổn thất dự kiến để xácđịnh thiết kế sản phẩm (hoặc thiết kế quy trình) tốt nhất [3].

Hình 2.1: Các bước thiết kế theo phương pháp Taguchi [4]

2.2.2 Công cụ Autodesk Inventor Professional

Autodesk Inventor Professional là phần mềm thiết kế 3D chuyên nghiệp, được pháthành lần đầu tiên vào năm 1999 Phần mềm Autodesk Inventor là phần mềm cung cấpcác công cụ thiết kế cơ khí, thư viện và mô phỏng 3D Điểm mạnh của Inventor là tậptrung vào thiết kế do đó tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chuẩn xác khối lượng, áplực, độ ma sát, tải trọng,…, thêm vào đó còn có khả năng lắp ráp các mô hình riêng lẻ

và tạo cho chúng các khớp chuyển động Ngoài ra, Inventor mang đến các thiết kế tựđộng hóa đa dạng hơn hết là tạo ra các hoạt ảnh trực quan và bản vẽ thực tế

Ngoài ra những người đã và đang sử dụng AutoCAD cũng sẽ thừa hưởng đượcnhiều lợi ích của Inventor Professional Inventor cũng cấp một môi trường thiết kếtương tự với AutoCAD, hỗ trợ tập tin DWG, cho phép người dùng chuyển từ vẽ 2Dhiện hành sang xây dựng mô hình 3D Vì đó nên các kỹ sư có thể thiết kế, mô phỏng

Trang 26

sản phẩm mà không phải tạo ra các mẫu vật lý Người dùng có thể sử dụng các công

cụ thiết kế 3D cơ khi trong Inventor để nghiên cứu và đánh giá mô hình thuận tiện vàhiệu quả hơn

2.2.3 Công cụ Ansys WorkBench Student

Là phần mềm miễn phí được thiết kế dành cho sinh viên dùng cho nghiên cứu môphỏng kỹ thuật Với nhiều công cụ đa dạng Ansys cung cấp các nền tảng mô phỏng kỹthuật cho nhiều ngành khác nhau như phân tích cấu trúc, phân tích nhiệt độ, phân tíchđộng học của chất lỏng (CFD), Mặc dù Ansys WorkBench Student còn hạn chế một

số tính năng so với Ansys WorkBench nhưng nhìn chung vẫn giúp sinh viên trảinghiệm được các mô phỏng thực tế và các kết quả khả quan

2.2.4 Công cụ Matlab

Matlab [11] là viết tắt của “MATrix LABoratory”, được Cleve Moler phát minh vàocuối thập niên 1970 Là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số, ma trận, vẽ đồthị hàm số, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với nhữngchương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Matlab thường dùng để giải quyết bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồhọa mà không phải lập trình cổ điển Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ,Matlab còn có các lệnh và các hàm ứng dụng chuyên biệt trong các Toolbox để mởrộng môi trường Matlab, nhằm giải quyết các bài toán thuộc các phạm trù riêng

2.2.5 Công cụ Minitab

Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng được phát triển ở Đại học Pennsylvaniabởi Barbara F Ryan, Thomas A Ryan, Jr và Brian L Joiner năm 1972 Minitab làphiên bản thu gọn của phần mềm OMNITAB, phần mềm phân tích thống kê của NIST.Minitab[10] có khả năng cung cấp các công cụ để tính toán các thống kê cơ bản nhưtrung bình, độ lệch chuẩn, phương sai, độ tương quan Ngoài ra Minitab cung cấpnhiều loại đồ thị để trực quan hóa dữ liệu như biểu đồ đường, biểu đồ cột, biểu đồđường thẳng và biểu đồ hộp Minitab cũng cung cấp các công cụ để thực hiện các phântích thống kê nâng cao như phân tích phương sai ANOVA, phân tích chuỗi thời gian,phân tích thành phần chính và phân tích đa biến

Trang 27

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MODEL 3.1 Thiết lập model theo phương pháp Taguchi

Phần vi kênh như ở hình 3.1 và thay đổi hình dạng các kênh trong vi kênh

 Chiều cao kênh là H

 Chiều rộng kênh là W

 Tiết diện là S

 w1 là đáy bé của hình thang

Hình 3.1: Kênh tản nhiệt micro 3.1.1 Cơ sở sử dụng bảng Taguchi phù hợp với Model

Biết số lượng yếu tố và số cấp độ, có thể chọn bảng trực giao thích hợp ó thể tìmthấy tên của mảng thích hợp bằng cách nhìn vào cột và hàng tương ứng với số lượngtham số và số cấp độ Các liên kết được cung cấp cho nhiều mảng được xác định trongbảng chọn mảng Các bảng mảng trực giao: L4, L8, L9,… [13]

Nếu mảng được chọn dựa trên số lượng tham số và mức độ bao gồm nhiều tham sốhơn mức độ được sử dụng trong thiết kế thử nghiệm, hãy bỏ qua các cột tham số bổsung [14]

Trong bài này, gồm có 5 tham số: rộng sườn, cao sườn, hình dáng sườn, chiều dàikênh, dày đế kênh và có 3 mức độ ở bảng 3.2 cho nên bảng L27 được lựa chọn

Trang 29

3.1.2 Xây dựng Model theo phương pháp Taguchi

Các thông số theo các cấp bậc của yếu tố được tham khảo từ nghiên cứu đi trước, với:

 Rộng sườn, cao sườn, hình dạng sườn, dày đế kênh được tham khảo từ bài báo [22]

 Dài lòng kênh được tham khảo từ bài báo [23]

Bảng 3.2: Các yếu tố và cấp độ theo phương pháp Taguchi

Rộng sườn Cao sườn Hình dạng sườn Dài lòng kênh Dày đế kênh

Bảng 3.3: Xây dựng 27 Model theo phương pháp Taguchi.

No Rộng sườn Cao sườn Hình dạng sườn Dài lòng kênh Dày đế kênh

Trang 30

 Đế Model làm từ nhựa cách nhiệt Bakelite.

 Nắp Model làm từ nhựa Plexiglass

 Nước gồm 2 phần nước kênh và cột nước

Trang 31

Hình 3.2: Mô hình tổng quát

a Vi kênh

Hình 3.3: Thông số kích thước của vi kênh

Trang 34

f Ống dẫn nước

Hình 3.8: Thông số kích thước của ống dẫn nước

g Nước

Hình 3.9: Mô hình nước

Trang 35

h Mô hình hoàn thiện

Hình 3.10: Mô hình hoàn chỉnh 3.3 Mô phỏng bằng phần mềm Ansys

Giao diện chính ANSYS Workbench

Hình 3.11: Giao diện ứng dụng Workbench 3.3.1 Thiết lập Geometry

a Import model

B1 Tại mục Component Systems trong Toolbox hiển thị bên trái; nhấp đôi hoặc nhấp giữ chuột trái vào Geometry rồi kéo sang phía Project Schematic;

B2 Ở Project Schematic nhấp cuột phải mục Geometry và chọn Import Geometry →

Browse → Tìm file “model”.(igs)

Trang 36

Hình 3.12: Import Geometry

b Edit Geometry

B1 Nhấp chuột phải mục Geometry chọn phần Edit Geometry in DesignModeler; giao

diện DesignModeler sẽ xuất hiện như hình 3.14;

Hình 3.13: Chọn edit Geometry

Trang 37

Hình 3.14: Giao diện DesignModeler

B2 Chọn Import → Generate để tải model;

Hình 3.15: Import model

Hình 3.16: Sau khi import model

Trang 38

B3 Tại Tree Outline, chọn hai khối cột chất lỏng và khối chất lỏng bên trong kênh;

vào Create → Boolean để gộp ba khối thành một khối;

Hình 3.17: Chọn đối tượng → Booclean

Hình 3.18: Model nước đã được Booclean thống nhất thành 1 khối

B4 Lần lượt đặt tên cách khối thành phần;

Hình 3.19: Đặt tên cho các khối

Trang 39

B5 Chọn tất cả khối → From New Part để hợp toàn bộ thành một thể thống nhất.

Hình 3.20: Hợp thể các khối thành khối thống nhất 3.3.2 Thiết lập Mesh

a Khởi tạo Mesh

B1 Tại mục Component Systems trong Toolbox hiển thị bên trái; nhấp đôi hoặc nhấp giữ chuột trái vào Mesh rồi kéo sang phía Project Schematic;

B2 Nháy vào Geometry của ô A2 và kéo thả chuột sáng Geometry của ô B2 → nháy đúp chuột vào Mesh và tiến hành tạo Mesh.

Hình 3.21: Liên kết mục A2 và B2

Trang 40

b Chia lưới

B1 Tại giao diện của Mesh, ở phần Outline, nhấp chọn Geometry, chọn Part và kiểmtra lại tên và cái khối;

Hình 3.22: Giao diện Mesh

B2 Chọn Part → nướckenh, tại Details of “nướckenh”, mục Material → Fluid/Solidnhập mũi tên chọn Fluid;

Hình 3.23: Thiết lập vật liệu lỏng cho khối nước

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Và Mô Phỏng Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Tới Đặc Tính Dòng Chảy Trong Kênh Micro
Tác giả	Trần Quốc Khánh, Cao Huỳnh Anh Hiếu, Đại Trí Vĩ, Lưu Hiếu Đang, Lưu Gia Huy
Người hướng dẫn	TS. Đặng Hùng Sơn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	11,1 MB