Tối ưu hóa quá trình giải nhiệt áo nước xylanh của xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm

vi MC LC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận ca cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i Li cam đoan ii Cm tạ iii Tóm tắt iv Abstract v Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ix Danh mục các hình x Danh mục các bng xiii Chng 1. TNG QUAN 1 1.1 Tính cp thit của đ tài 1 1.2 Tng quan kt qu nghiên cu liên quan 2 1.3 Mc đích của đ tài 9 1.4 Nhim v của đ tài và gii hn đ tài 9 1.5 Phng pháp nghiên cu 9 Chng 2. C S LÝ THUYT 10 2.1 Lý thuyt truyn nhit 10 2.2 Làm lnh - gia nhit đi lu vƠ h s truyn nhit 12 2.3 Đi lu t nhiên ậ h s Grashof 15 2.4 H s Nusselt 16 2.5 Dòng chy lu cht 16 2.6 Navier-Stokes chu nén yu 23 2.7 Gii thiu phn mm COMSOL 24 vii Chng 3. PHNG PHÁP THC NGHIM VÀ MÔ PHNG S 26 3.1 Mô hình thc nghim 26 3.1.1 Lắp đặt hệ thống thí nghiệm 26 3.1. 2 Mẫu áo nước xylanh không xẻ rãnh 27 3.1. 3 Thiết kế áo nước xylanh có xẻ rãnh 28 3.1.4 Dụng cụ đo 30 3.2 Mô phng s 31 3.2.1 Thiết lập miền con 31 3.2.2 Điều kiện biên 32 Chng 4. KT QU VÀ THO LUN 34 4.1 Kt qu hình nh mô phng của áo nc xẻ rãnh và không xẻ rãnh vi lu lng nc 1000 ml/phút và nhit độ thay đi. 34 4.1.1  nhiệt độ 500 0 C 34 4.1.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh. 34 4.1.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36 4.1.2  nhiệt độ 550 0 C 37 4.1.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 37 4.1.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 38 4.1.3  nhiệt độ 600 0 C 39 4.1.3.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 39 4.1.3.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 40 4.1.4  nhiệt độ 650 0 C 41 4.1.4.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 41 4.1.4.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 42 4.2 Kt qu hình nh mô phng của áo nc xẻ rãnh và không xẻ rãnh vi lu lng nc 500 ml/phút và nhit độ thay đi. 44 4.2.1  nhiệt độ 500 0 C 44 4.2.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 44 viii 4.2.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 45 4.2.2  nhiệt độ 550 0 C 46 4.2.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 46 4.2.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 47 4.3 So sánh kt qu thc nghim và mô phng của áo nc xylanh  lu lng 1000 ml/phút 49 4.3.1 Nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49 4.3.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 50 4.4 So sánh kt qu thc nghim và mô phng của áo nc xylanh  lu lng 500 ml/phút. 51 4.4.1 Nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh 51 4.4.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xylanh 52 4.5 S truyn nhit qua vách thành xylanh 53 4.5.1 Áo nước xylanh xẻ rãnh  lưu lượng 500 ml/phút 53 4.5.2 Áo nước xylanh không xẻ rãnh  lưu lượng 1000 ml/phút 54 4.6 Nhit độ vách thành xylanh nh hng đn nhit độ đu ra của nc 55 4.6.1 Trưng hợp 1000 ml/phút 55 4.3.2 Trưng hợp 500 ml/phút 56 Chng 5. KT LUN VÀ KIN NGH 57 5.1 Kt lun 57 5.2 Kin ngh 57 TÀI LIU THAM KHO 58 ix DANH MC CÁC Kụ HIU VÀ CHỮ VIT TT A c : diện tích mặt cắt, m 2 BTĐN : bộ trao đổi nhiệt D h : đưng kính quy ước, m F : hệ số ma sát Fanning H : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m 2 K k : hệ số truyền nhiệt tổng, W/m 2 K L : chiều dài kênh mini, m m : lưu lượng khối lượng, kg/s NTU : chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit) Nu : chỉ số Nusselt p : áp sut, Pa P : đưng kính ướt, m Q : lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W q : mật độ dòng nhiệt, W/m 2 Re : chỉ số Reynolds T : nhiệt độ, K  : độ nhớt động lực học, Ns/m 2  : khối lượng riêng, kg/m 3  : hệ số dẫn nhiệt, W/m K  : vận tốc, m/s  : hiệu sut  : chỉ số hoàn thiện, W/kPa T : nhiệt độ chênh lệch, K p : tổn tht áp sut, Pa x DANH MC CÁC HỊNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe 2 Hình 1.2: Áo nước động cơ 6 xilanh thẳng hàng model 2. 3 Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh 4 Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh 5 Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh 6 Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc ca xe 6 Hình 1.7: Khong cách giữa các cánh tn nhiệt 7 Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu 13 Hình 2.2: Một mô phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt ca bộ trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng phần mềm COMSOL 25 Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm 26 Hình 3.2: Mô hình thực nghiệm 27 Hình 3.3: Mẫu áo nước xylanh 27 Hình 3.4: Mẫu thí nghiệm 28 Hình 3.5: Mặt bích và đệm chống vênh 28 Hình 3.6: Bulong-đai ốc và dụng cụ làm kín 29 Hình 3.7: Hình nh sau khi lắp và cổ pô 29 Hình 3.8: Thiết bị đo bề mặt bằng tia laser và bộ đo nhiệt độ 30 Hình 3.9: Nhiệt kế thy ngân và Nhiệt kế điện tử + đầu đo nhiệt độ 30 Hình 4.1: Hình nh nhiệt độ phía ngoài ca áo nước xẻ rãnh, không xẻ rãnh 35  nhiệt độ 500 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 35 Hình 4.2: Hình nh nhiệt độ đầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36  nhiệt độ 500 0 C và lưu lượng nước 1000 ml/phút. 36 Hình 4.3: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 550 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 37 xi Hình 4.4: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 550 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 38 Hình 4.5: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 600 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 39 Hình 4.6: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 600 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 40 Hình 4.7: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 650 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 41 Hình 4.8: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 650 0 C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 42 Hình 4.9: Thể hiện kết qu mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra  lưu lượng 1000 ml/phút 43 Hình 4.10: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 500 0 C và lưu lượng nước 500ml/phút. 44 Hình 4.11: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 500 0 C và lưu lượng nước 500ml/phút. 45 Hình 4.12: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 550 0 C và lưu lượng nước 500ml/phút. 46 Hình 4.13: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh  nhiệt độ 550 0 C và lưu lượng nước 500ml/phút. 47 Hình 4.14: Thể hiện kết qu mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra  lưu lượng 500 ml/phút 48 Hình 4.15: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng  nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49 Hình 4.16: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 50 Hình 4.17: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng  nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 51 xii Hình 4.18: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 52 Hình 4.19: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 53  các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 500 ml/phút 53 Hình 4.20: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 54  các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 1000 ml/phút 54 Hình 4.21: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 55  lưu lượng 1000 ml/phút 55 Hình 4.22: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 56  lưu lượng 500 ml/phút 56 xiii DANH MC CÁC BNG BNG TRANG Bng 1. Dụng cụ đo và độ chính xác 31 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1 Tính cp thit của đ tài Trong những năm gần đây sự phát triển vượt bật ca ngành công nghệ ô tô và xe máy đã cho ra đi xe có hộp số tự động, để đáp ng nhu cầu phát triển ca con ngưi ngày càng cao cần tính đến cái đẹp, thi trang, công sut động cơ lớn, tốc độ cao và đi lại dễ dàng không cần sang số thì xe máy có hợp số tự động gọi là xe tay ga như Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX… ra đi đáp ng được nhu cầu đó. Để có những ưu điểm đó thì kết cu hệ thống làm mát trên xe ga cũng có nhiều khác biệt so với xe số là hệ thống làm mát bằng dung dịch, có áo nước bao quanh thành xylanh để làm mát xylanh, toàn bộ thân bao kín, tốc độ lưu thông không khí thp dù xe chuyển động  tốc độ cao. Nhưng bên cạnh đó có một số loại xe khi đi vào sử dụng động cơ rt nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên, công sut làm việc động cơ gim, nếu tiếp tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh. Vì lý do đó ngưi thực hiện chọn đề tài “Tối ưu hóa quá trình gii nhiệt từ thành xylanh ra áo nước trên xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm” nhằm mục đích tăng hiệu sut làm mát động cơ, giúp động cơ tăng công sut làm việc, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ. . 2 1.2 Tng quan kt qu nghiên cu liên quan Xut phát từ quá trình làm việc ca động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, nm xupap, thành xylanh) chiếm khong 25%  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra. Vì vậy các chi tiết thưng bị đốt nóng mnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600 o C, nhiệt độ nm xupap có thể lên tới 900 o C. Hình 1.1 thể hiện sự phân bố năng lượng trên xe. Trong đó bao gồm 30% là ti nhiệt làm mát, 35% là ti nhiệt theo khí thi và 35% là năng lượng nhiệt có ích [1] Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe [1] [...]... 1.4 Nhi m v của đ tƠi vƠ gi i h n đ tài Tập trung nghiên c u đánh giá quá trình trao đổi nhiệt áo nước và thành xylanh trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan Nghiên c u tạo rãnh trên thành áo nước xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm Nghiên c u này thực hiện điều kiện truyền nhiệt ổn định, nắp máy không đổi Đề tài này chỉ tập trung vào nghiên c u các đặc tính truyền nhiệt ch không... đổi nhiệt là áo nước xylanh có xẻ rãnh đã được dùng làm thí nghiệm Quá trình truyền nhiệt c a những thiết bị này được thực hiện bằng nước Nhiệt được truyền cho lưu ch t từ nguồn gia nhiệt vào thành xylanh sau đó lưu ch t ra két nước rồi tiếp tục bơm vào áo nước xylanh, một hình nh c a hệ thống thí nghiệm được thể hiện hình 3.2 Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm 26 Hình 3.2: Mô hình thực nghiệm 3.1 2 M u áo. .. a lưu ch t xuyên qua áo nước làm mát Phương pháp mô phỏng số CFD, nghiên c u này đã đưa ra hình nh không gian hình dạng tia phun, dòng ch y, dòng bề mặt…để xác định chính xác sự phân bố nhiệt độ, lưu lượng dòng ch y và áp su t Một số nghiên c u bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm cũng được thực hiện b i Dang cùng cộng sự [10-11] Trong nghiên c u này tác gi đã sử dụng phần mềm COMSOL để mô phỏng. .. chung nh t c a mô hình truyền nhiệt là làm mát hoặc gia nhiệt đối lưu, trong đó một lưu ch t làm mát bề mặt bằng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng b c Về nguyên tắc, nó có thể để mô hình hóa quá trình này trong hai cách: • Sử dụng một hệ số truyền nhiệt trên bề mặt làm mát bằng đối lưu • M rộng mô hình để mô t dòng ch y và truyền nhiệt trong lưu ch t làm mát Phương pháp đầu tiên r t mạnh và hiệu qu Ngoài... truyền nhiệt ch không nghiên c u về cơ tính c a xylanh khi xẻ rãnh Do kh năng và th i gian có hạn nên tác gi chỉ tập trung vào phân tích quá trình trao đổi nhiệt giữa áo nước và thành xylanh trên xe tay ga, không có nghiên c u về phần kết c u 1.5 Ph ng pháp nghiên c u Tổng quan các kết qu phân tích c a các nghiên c u liên quan Phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm So sánh kết qu 9 Ch C S ng 2 Lụ THUY... m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh mini, c là nhiệt dung riêng, Tw,i và Tw,o là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, k là hệ số truyền nhiệt tổng, và độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến mặt tư ng (c p nhiệt) (2 -17) Nhiệt dẫn xuyên qua tư ng (dẫn nhiệt) (2 - 18) Nhiệt truyền từ mặt tư ng tới lưu thể lạnh (c p nhiệt) ... Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc c a xe 6 Pulkit cùng cộng sự [6] đã nghiên c u sự truyền nhiệt bằng phương pháp mô phỏng số CFD Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc c a xe, hình dạng cánh t n nhiệt và nhiệt độ xung quanh vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933.56W và 1123.03W tương ng được mô phỏng qua hình vẽ 1.6 Masao cùng... hệ số truyền nhiệt c hai loại Nusselt này đều được xem xét 2.5 Dòng ch y l u ch t Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng ch y lưu ch t, một số gi thiết được đưa ra: - Lưu ch t có tính liên tục - Truyền nhiệt ổn định - Bỏ qua truyền nhiệt b c xạ Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục, phương trình mômen và phương trình năng lượng 16 Phương trình liên tục... tiếp tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh Từ những nghiên c u liên quan trên, cũng có nhiều nghiên c u liên quan đến việc tăng cư ng gi i nhiệt cho xylanh xe gắn máy Tuy nhiên, nghiên c u thực nghiệm và mô phỏng số về tăng cư ng gi i nhiệt cho áo nước xylanh xe máy bằng cách xẻ rãnh là đề tài khá mới, đặc biệt trong trư ng hợp mô phỏng 3D cho toàn bộ xylanh Vì vậy, việc nghiên... không quá nóng để phá h y Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh c a nghiên c u thể hiện Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh 4 hình 1.3 Một phân tích trạng thái truyền nhiệt ổn trên phần đầu xylanh đã được thực hiện b i Andrew powell [4] t i nhiệt c a mặt độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh với phương th c truyền nhiệt đối lưu từ không khí phía trên cánh t n nhiệt đầu xylanh và màng . xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh. Vì lý do đó ngưi thực hiện chọn đề tài Tối ưu hóa quá trình gii nhiệt từ thành xylanh ra áo nước trên xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và. sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng  nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 51 xii Hình 4.18: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt. qu mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra  lưu lượng 500 ml/phút 48 Hình 4.15: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng  nhiệt độ nước