Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU DÒNG PHUN DUNG DỊCH GIẢM LỰC CẢN SURFACTANT TÁC ĐỘNG VUÔNG GÓC LÊN BỀ MẶT PHẲNG ỨNG DỤNG TRONG LÀM MÁT CHU TRÌNH KÍN STUDYING ON THE SURFACTANT JET IMPINGEMENT ON SURFACE FOR CLOSED RECIRCULATING COOLING SYSTEM Nguyễn Hữu Tuấn1a, Nguyễn Ngọc Minh1b, Nguyễn Văn Lập1c, Nguyễn Anh Tuấn1d Khoa Cơ khí - Trường ĐH Thủy Lợi, Hà Nội, Việt Nam a b nhtuan@tlu.edu.vn; ngminh@tlu.edu.vn; clapnv@tlu.edu.vn; dtuan_na_mxd@tlu.edu.vn TÓM TẮT Cấu hình dòng phun chất lỏng khí từ vòi phun tác động lên bề mặt sử dụng thông dụng ứng dụng sấy làm mát công nghiệp khả truyền nhiệt lớn Sự tiêu thụ lượng thường lớn hệ thống làm mát tuần hoàn cho linh kiện điện tử CPU máy chủ trung tâm liệu Hiện tượng giảm lực cản chất hoạt tính bề mặt surfactant quan tâm rộng rãi vởi tượng giúp tiết kiệm lượng hiệu Việc ứng dụng dung dịch giảm lực cản surfactant hứa hẹn giúp tiết kiệm lượng ứng dụng làm mát cho CPU máy chủ Trong nghiên cứu này, khảo sát dòng chất lỏng surfactant cấu hình dòng phun tác dụng vuông góc lên bề mặt phẳng ứng dụng làm mát cho CPU máy chủ trung tâm liệu Kết mô so sánh với kết thực nghiệm Từ khóa: giảm lực cản, dòng phun vuông góc với bề mặt, hoạt chất bề mặt surfactant ABSTRACT The impinging jet of liquid or air on a surface is widely being used in heating or cooling applications in industries because of large heat transfer ability The large energy consumption is usually occurred in the closed recirculating cooling system of CPU server in data centers.The drag reduction phenomenon by adding a small surfactant additive has been received much interests of researchers because the phenonmenon helps saving a notable energy The use of drag reducing surfactant solution is promising to save notable energy in cooling system for CPU servers In the present study, we investigate the flow structures of surfactant solution in the jet impingement on a surface for cooling system of CPU server in data centers The simulating results will be compared with that of experiments Keywords: drag reduction, impinging jet, surfactant GIỚI THIỆU CHUNG Cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường “impinging jet flow” sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau: làm mát cánh tuabin khí, làm nguội sản xuất thép, làm mát linh kiện điện, điện tử, CPU máy tính (trong trạm máy chủ) Trong quân sự, cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường sử dụng để làm mát bệ phóng tên lửa, sàn tàu sân bay, y tế dùng để làm mát thiết bị chụp X-quang, sấy khô giấy, vải ủ thủy tinh Cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường tạo tốc độ truyền nhiệt/khối lượng cao Hơn nữa, ưu điểm cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường có khả điều chỉnh kiểm soát hiệu suất truyền nhiệt Khả truyền nhiệt kiểm soát cách điều chỉnh thông số thiết kế biên dạng bề mặt tường phun, tốc độ phun, khoảng cách từ vòi phun tới bề mặt tác dụng chất lỏng sử dụng 608 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Một ứng dụng quan trọng cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường hệ thống làm mát CPU trạm máy chủ Việc làm mát vi xử lý CPU định đến khả làm việc, hiệu xử lý trạm Hoạt động để làm mát trạm máy chủ chiếm đến 45% [8] tổng lượng tiêu thụ sử dụng công nghệ làm mát cũ (làm mát khí) Ở Mỹ lượng điện tiêu thụ vào việc làm mát máy chủ khoảng 45 tỷ kWh tương ứng với số tiền khoảng 3,3 đến tỷ USD bao gồm thuế môi trường Vấn đề ngày trầm trọng số lượng trạm máy chủ tăng khoảng 10 đến 20% hàng năm Riêng Mỹ gia tăng tiêu thụ điện cho công tác làm mát trạm xử lý trung tâm khoảng 1,5%, với tốc độ đến năm 2030 trạm máy chủ tiêu thụ hết toàn sản lượng điện làm Hiện trạm xử lý trung tâm hầu hết sử dụng công nghệ làm mát khí Tuy nhiên, chất khí lại hiệu làm mát có khả truyền nhiệt thấp, mật độ nhỏ Việc sử dụng hệ thống làm mát khí đảm bảo mà công suất vi xử lý trạm ngày tăng lên Trong tương lai, vi xử lý yêu cầu làm mát đến với thông lượng nhiệt 100W/cm2 không xa Trong thông lượng nhiệt lớn mà không khí truyền 37W/cm2.Để giải vấn đề này, người ta sử dụng phương pháp làm mát trực tiếp CPU trạm máy tính trung tâm dòng chất lỏng Các báo cáo gần bốn công nghệ làm mát CPU trực tiếp như: dòng chất lỏng pha qua vi kênh, chất lỏng qua cấu trúc tổ ong, sử dụng cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường dòng chất lỏng hai pha qua vi kênh Leonard Philip [1] công nghệ làm mát CPU tiết kiệm lượng tiêu thụ 60% Đối với phương pháp sử dụng cấu hình dòng phun vuông góc với thành tường hệ thống tuần hoàn kín người ta sử dụng dung dịch giảm lực cản có hoạt tính bề mặt surfactants để giảm lực cản ma sát bề mặt, tăng lưu lượng dòng, qua giảm lượng tiêu thụ hệ thống Ở Việt Nam trạm máy tính trung tâm chưa nhiều với tốc độ phát triển nước ta tương lai gần trạm máy tính trung tâm xây dựng để phục vụ cho phát triển đất nước Do vậy, việc giảm lượng tiêu thụ cho công tác làm mát trạm xử lý trung tâm vô thiết, góp phần làm giảm ảnh hưởng đến môi trường mà ảnh hưởng đến kinh tế an ninh lượng nước giới nói chung Việt Nam nói riêng tương lai Hiện tượng giảm lực cản xảy thêm lượng nhỏ (vài phần triệu) phụ gia có hoạt tính bề mặt surfactant vào dòng chất lỏng chảy rối lực cản ma sát với thành ống giảm đáng kể Ưu điểm chất giảm lực cản surfactant không bị thoái biến vùng có lực cắt cao Với ưu điểm surfactant làm cho có tính ứng dụng lớn đặc biệt hệ tuần hoàn kín Hình Cấu hình dòng phun vuông góc tường phẳng làm mát CPU Cấu hình dòng phun tác động vuông góc với thành tường phức tạp, khả truyền nhiệt phụ thuộc nhiều vào chất lỏng sử dụng cấu trúc dòng chảy Cấu hình dòng 609 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV phun tác động trực giao bề mặt nhận quan tâm nhiều nhà nghiên cứu tổ hợp nhiều toán dòng dòng phun tự do, dòng lớp biên Trong nghiên cứu này, tiến hành quan sát dòng phun vuông góc với thành tường ứng dụng làm mát chu trình kín sử dụng chất lỏng giảm lực cản surfactants Chúng mô dòng phun vuông góc với thành tường phẳng sử dụng dung dịch giảm lực cản surfactant 500ppmx1 sử dụng mô hình Herschel – Buckley so sánh kết mô với kết quan sát trực tiếp Bảng Các ký hiệu Ký hiệu d H p Re w r, x v V ρ γ η Diễn giải Đường kính ống (m) Khoảng cách từ lối vòi phun đến tường va đập (m) Áp suất (Pa) Số Reynold dung môi hòa tan Các thành phần hệ tọa độ trụ Vận tốc (m/s) Vận tốc trung bình ống tròn (m/s) Khối lượng riêng (kg/m3) Tốc độ cắt (s-1) Độ nhớt (kg/m-s) THIẾT LẬP CÁC THÍ NGHIỆM Dung dịch thí nghiệm đo độ nhớt Trong thí nghiệm sử dụng surfactant ion dương Ethoquad 0/12 sản suất công ty Lion Corp., Tokyo Muối organic Salicylate (NaSal) sản xuất công ty Wako Pure Chemiscals Industries Ltd sử dụng làm đối ion (counter-ion) Nồng độ Surfactant 500ppm Nồng độ đối ion cân phân tử với nồng độ surfactant Sau pha chế, hỗn hợp dung dịch thí nghiệm surfactant đối ion giữ ổn định 24h để cân lý hóa trước thí nghiệm Sau hỗn hợp dung dịch thí nghiệm ký hiệu 500ppmx1 100 Surfactant 500ppmx1 η (mPa.s) Herschel-Buckley model 10 10 100 1000 10000 Tốc độ cắt (s-1) Hình Độ nhớt dung dịch surfactant 500ppmx1 Độ nhớt dung dịch surfactant đo máy đo độ nhớt StressRheometer Haake RS-600 Trong suốt trình đo độ nhớt, dung dịch surfactant 500ppmx1 trì nhiệt độ 20±10C Hình biểu diễn độ nhớt dung dịch surfactant 500ppmx1 hàm tốc độ cắt Khi tốc độ cắt tăng độ nhớt dung dịch surfactant 500ppm x1 giảm (shear-thinning behavior) 610 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thí nghiệm đo hệ số ma sát dòng ống Thí nghiệm đo giảm lực cản dung dịch surfactant 500ppmx1 thực mạch kín dùng để tuần hoàn dung dịch thí nghiệm Các thiết bị mạch tuần hoàn kín bao gồm 01 bơm li tâm, thiết bị đo lưu lượng, sensor đo áp suất, bể ổn định nhiệt độ dung dịch thí nghiệm Dung dịch thí nghiệm trì nhiệt độ 20±10C Quan sát trực tiếp cấu trúc dòng phun vuông góc với tường phẳng Việc quan sát dòng phun vuông góc tường chắn thực trongmạch thí nghiệmđược mô tả hình Dung dịch thí nghiệm luân chuyển tuần hoàn sử dụng mạch tuần hoàn thí nghiệm đo hệ số ma sát Ống có đường kính 10mm tường va đập kính đặt ngập bể chứa có dung tích 100 lít dung dịch thí nghiệm Khoảng cách từ miệng ống đến tường va đập đường kính ống 10mm Chúng sử dụng laser để quan sát dòng phun vuông góc với tường Chùm tia laser mở rộng thấu kính phân kỳ trước vào bể thí nghiệm Các hạt hình cầu có đường kính 30µm cho vào dung dich thí nghiệm để phản chiếu ánh sáng tia laser chiếu vào dòng chất lỏng Các hạt chuyển động với dung dịch tuần hoàn mạch thí nghiệm Hình ảnh phản chiếu hạt dòng phun chụp máy ảnh kỹ thuật số Cannon D100 Các hình ảnh cho ta thấy cấu trúc dòng phun Hình Sơ đồ thí nghiệm quan sát dòng MÔ PHỎNG DÒNG PHUN VUÔNG GÓC VỚI BỀ MẶT PHẲNG 22 Phương trình chủ đạo dòng phun vuông góc với bề mặt phẳng đối xứng hệ tọa độ trụ: - Phương trình liên tục ∂v ∂ ( rvr ) + x = r ∂r ∂x (1) - Phương trình động lượng τ ∂v r ∂v ∂τ ∂p ∂ + vx r = − − ( rτ rr ) − θθ + rx r ∂r ∂x ∂r r ∂r ∂x (2) ∂v x ∂v ∂τ ∂p ∂ + vx x = − − ( rτ rx ) + xx ∂r ∂x ∂x r ∂r ∂x (3) ρ vr ρ vr Trong đó: v i τ ij với i, j = (r, θ, x) thành phần vận tốc tensor ứng suất thành phần tọa độ trụ, p áp suất, ρ khối lượng riêng chất lỏng Tensor ứng suất xác định từ phương trình trạng thái rheology cho mô hình chất lỏng nhớt phi Newton 611 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 𝜏𝜏𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝜂𝜂(𝛾𝛾̇ )𝐷𝐷𝑖𝑖𝑖𝑖 (4) Tốc độ cắt xác định từ bất biến thứ 𝐷𝐷𝑖𝑖𝑖𝑖 𝛾𝛾̇ = �2𝐷𝐷𝑖𝑖𝑖𝑖 𝐷𝐷𝑖𝑖𝑖𝑖 (5) Mô hình Herschel – Buckley dùng để mô tả loại chất lỏng chảy có ứng suất cắt lớn giá trị giới hạn định Nếu ứng suất cắt nhỏ ứng suất giới hạn định dung dịch chảy Chính đặc trưng này, mô hình Herschel – Buckley dùng để mô dòng phun vuông góc với tường chắn dung dịch surfactant 500ppmx1 Độ nhớt dung dịch tuân theo mô hình Herschel – Buckley mô tả sau Khi tốc độ cắt γ < γc thì: τ ( − γ / γc ) γ + k ( − n ) + ( n − 1) γc γc = η (6) Khi tốc độ cắt γ > γc thì: γ τ η= + k γ γc n −1 (7) Trong đó: γ : tốc độ cắt; γc : tốc độ cắt tới hạn; η : độ nhớt dung dịch; n: số Power; k: số độ sệt; τ o : ứng suất cắt giá trị tốc độ cắt không Chúng sử dụng kết đo độ nhớt hình để xác định thông số mô hình Herschel – Buckley cho dung dịch surfactant 500ppm x1 Cụ thể thông số mô hình là: γc = 550 s-1; n = 0,95; k = 0,002 kg/m-s; τ o = 0,8 Pa Mô hình toán điều kiện biên Hình mô tả miền tính toán điều kiện biên Miền tính toán có thông số sau: R D = 8H = 80mm, X D =6H = 60mm Các phương trình tổng quát giải phương pháp phần tử hữu hạn, miền tính toán chia thành 22162 phần tử 22835 nút mạng Các tính toán thực phần mềm Ansys Fluent 15.0 InFlow H X D = 6H Axis of symmestry Wall OutFlow x r R D = 8d Hình Mô hình toán KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hệ số ma sát dòng ống: Hình cho thấy hệ số ma sát dung dịch surfactant hàm số Reynolds, số Reynolds lấy theo số Reynolds nước Dung dịch surfactant 500ppm x1 bắt đầu xuất giảm hệ số ma sát thành ống giá trị số Re khoảng 5000 hệ số ma sát thành ống 612 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV giảm lớn Re = 10000 Khi số Re >10000, dung dịch surfactant 500ppmx1 cho thấy hệ số ma sát ống giống nước Hình Giảm lực cản dung dịch surfactant 500ppmx1 với dòng chảy ống tròn Dòng lớp biên chảy tầng Hình biểu diễn hình ảnh quan sát trực tiếp dòng phun tác dụng vuông góc lên mặt phẳng dung dịch surfactant 500ppm x1 số Re=1000 Re=3000 Ở số Re=1000, dòng chất khỏi vòi phun tiếp tục phát triển đập vào thành tường chắn Tuy nhiên không phát triển thành dòng lớp biên thành tường chắn (hình 6a) Khi số Reynolds tăng lên 3000, dòng chất lỏng sau va chạm với tường chắn bị chuyển hướng phát triển thành dòng lớp biên bề mặt Nhưng bị hạn chế khoảng cách hướng kính lần đường kính vòi phun tính từ tâm vòi phun (hình 6b) Các hình 7, kết mô phỏngtrường vận tốc dòng phun vuông góc với bề mặt phẳng cho chất lỏng nước dung dịch surfactant 500ppmx1 Đối với chất lỏng nước, dòng phun va đập thành tường phát triển thành dòng lớp biên chảy dọc tường chắn đến cửa mà không bị hạn chế (hình 8a) Đối với dung dịch surfactant 500ppmx1,mô hình Herschel – Buckleyđược sử dụng để mô với số Reynolds xác định cửa vào vòi phun 1000 3000 Kết mô sử dụng mô hình Herschel – Buckleycho thấy dòng chất lỏng sau khỏi vòi phun tác động vuông góc lên tường chắn phát triển thành dòng lớp biên chảy dọc theo tường chắn Tuy nhiên dòng lớp biên bị hạn chế khoảng cách lần đường kính vòi phun (tính từ tâm) Re=1000 (hình 8a) khoảng cách lần đường kính vòi phun Re=3000 (hình 8b) b) Re=3000 a) Re=1000 Hình Kết quan sát trực tiếp dòng impinging jet sử dụng surfactant 500ppmx1 So sánh kết phương pháp mô số phương pháp quan sát trực tiếp Như thảo luận trên, hình ảnh quan sát trường vận tốc dung dịch cho thấy dòng chảy bị hạn chế không phát triển thành dòng lớp biên Re=1000 Kết mô (với Re=1000) thể dòng chất lỏng khỏi vòi phun phát triển thành dòng lớp biên thành tường chắn Tuy nhiên, kết mô cho thấy dòng lớp biên mỏng hướng kính thành tường chắn bị hạn chế khoảng cách khoảng lần đường 613 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV kính vòi phun tính từ tâm vòi phun Sự khác biệt khác dòng cấu hình vòi phun khác với dòng thiết bị đo độ nhớt để xác định thông số mô hình Herschel – Buckley Hơn nữa, dòng chất lỏng surfactant 500ppmx1 chất lỏng phức tạp, nên mô hình Herschel – Buckley chưa phù hợp để mô tả Khi Re = 3000 hình ảnh quan sát trực tiếp cho thấy dòng chất lỏng sau va chạm với thành tường chắn bị chuyển hướng phát triển thành dòng lớp biên thành tường chắn, bị hạn chế khoảng cách hướng kính lần đường kính vòi phun tính từ tâm vòi phun Nhưng kết mô cho thấy dòng chảy lớp biên dọc theo thành tường bị hạn chế khoảng cách lần đường kính vòi phun tính từ tâm vòi phun Kết có phù hợp mặt định tính a) Nước, độ nhớt số nhiệt độ 200C b) 500ppmx1, Herschel-Buckley model Hình Trường vận tốc với Re=1000 a) Re=1000 b) Re=3000 Hình Trường vận tốc, dung dịch surfactant 500ppmx1, Herschel-Buckley model KẾT LUẬN Trong báo quan sát trực tiếp trường dòng chảy cấu hình dòng phun vuông góc với bề mặt phẳng với chất lỏng nước dung dịch surfactant 500ppmx1 Bài báo dừng lại việc nghiên cứu cấu trúc dòng phun vuông góc thành tường trường hợp dòng chảy tầng Ở số Reynolds 1000 dòng phun tác dụng vuông góc lên bề mặt phẳng với dung dịch surfactant 500ppmx1 không phát triển thành dòng lớp biên thành tường chắn Khi số Reynolds tăng lên 3000, dòng chất lỏng sau va chạm với thành tường chắn bị chuyển hướng phát triển thành dòng lớp biên thành tường chắn, bị hạn chế khoảng cách hướng kính lần đường kính vòi phun tính từ tâm vòi phun Mô hình Herschel- Buckleyđược dùng để mô dòng chất lỏng surfactant 500ppmx1 Khi so sánh hình ảnh quan sát trực tiếp với kết mô phỏng, có phù hợp định tính hình ảnh quan sát trực tiếp kết mô với số Reynolds 3000.Ở số Re=1000 có khác biệt hình ảnh quan sát trực tiếp kết mô 614 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV phỏng.Sự khác biệt khác dòng cấu hình vòi phun khác với dòng thiết bị đo độ nhớt để xác định thông số mô hình Herschel – Buckley Hơn nữa, dòng chất lỏng surfactant 500ppmx1 chất lỏng phức tạp, nên mô hình Herschel – Buckley chưa phù hợp để mô tả Một mô hình phù hợp để mô tả dòng chất lỏng surfactant 500ppmx1 cấu trúc dòng phun vuông góc với tường chắn nên tiếp tục nghiên cứu * Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.03-2014.12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạp chí/Tuyển tập: [1] Leonard, P.L and Phillips, A.L., 2005 “The Thermal Bus Opportunity, “A Quantum Leap in Data Center Cooling Potential”, in ASHRAE Transactions, Denver, CO [2] Tuan NA, Hiroshi Mizunuma, Laminar and Turbulent Impinging Jet In Drag Reducing Surfactant Solution, Nihon Reoroji Gakkaishi Vol.41, No.2, 67~73 (2012) [3] Mizunuma H, Kobayashi T, Tominaga S, Drag reduction and heat transfer in surfactant solutions with exess counterion, J Non-Newtonian Fluid Mech, 165, 292 (2010) [4] Nguyen Anh Tuan and Hiroshi Mizunuma, Influence of Counter-Ion Concentration on the Impinging Jet of Surfactant Solutions, ASME-JSME-KSME 2011 Joint Fluids Engineering Conference, Hamamatsu, Japan, July 24–29, 2011 [5] J.L.Zakin and J.Myska,"NewLimitingDragReduction andVelocityProfileAsymptotesfornon-PolymericAdditives Systems," AIChE J., 42, 35443546 (1996) [6] Y.Qi, L.K.Weavers, J.L.Zakin, “Enhancing heat -transfer abilityofdragreducingsurfactantsolutionswithultrasonic energy”, J Non-Newtonian Fluid Mech 116 (2003) 71-93 [7] Y Qi, Y Kawaguchi, Z Lin, M Ewing, R.N Christensen, J.L Zakin, “Enhanced heat transfer of drag reducing surfactant solutions with fluted tube-in-tube heat exchanger”, Int Journal of heat and mass Transfer 44 (2001) 1495-1505 Web site: [8] Koomey, J.G., 2007 “Estimating Total Power Consumption by Servers in the U.S and the World”, Analytics Press, Oakland, CA, February 15 (http://enterprise.amd.com/usen/AMD-Business/Technology-Home/PowerManagement.aspx) THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Hữu Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi, nhtuan@tlu.edu.vn, 098 9890 36 74 Nguyễn Ngọc Minh, Trường Đại học Thủy Lợi, ngminh@tlu.edu.vn, 0983 666 765 Nguyễn Văn Lập, Trường Đại học Thủy Lợi, lapnv@tlu.edu.vn, 0976821915 Nguyễn Anh Tuấn, Trường Đại học Thủy Lợi, tuan_na_mxd@tlu.edu.vn, 0918891809 615 ... toán dòng dòng phun tự do, dòng lớp biên Trong nghiên cứu này, tiến hành quan sát dòng phun vuông góc với thành tường ứng dụng làm mát chu trình kín sử dụng chất lỏng giảm lực cản surfactants... báo dừng lại việc nghiên cứu cấu trúc dòng phun vuông góc thành tường trường hợp dòng chảy tầng Ở số Reynolds 1000 dòng phun tác dụng vuông góc lên bề mặt phẳng với dung dịch surfactant 500ppmx1... đồ thí nghiệm quan sát dòng MÔ PHỎNG DÒNG PHUN VUÔNG GÓC VỚI BỀ MẶT PHẲNG 22 Phương trình chủ đạo dòng phun vuông góc với bề mặt phẳng đối xứng hệ tọa độ trụ: - Phương trình liên tục ∂v ∂ ( rvr