Làm mát cánh lá tuabin động cơ máy bay bằng phương pháp phun trực tiếp

Những nghiên cứu làm mát trên đầu mút cánh tuabin Đầu mút cánh tuabin thì được tiếp xúc trực tiếp với những dòng khí xả rò rỉ bởi sự chênh áp suất khác nhau giữa các tiết diện các tầng.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Bá Việt Tôi xin cam đoan toàn bộ số liệu, nội dung và kết quả dưới đây là đúng sự thật Sự nghiên cứu này là hoàn toàn duy nhất và chưa từng được báo cáo hoặc giới thiệu ở bất cứ đâu Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn dưới đây, nếu có điều gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn:

Nguyễn Bá Việt

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Tiến sỹ Nguyễn Phú Hùng Người đã hướng dẫn, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong học tập và nghiên cứu Tiến sỹ đã cho tôi lời khuyên của Tiến sỹ và chia sẻ thời gian của Tiến sỹ để giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi biết ơn cha mẹ, em gái và em trai của tôi, những người đã cho tôi những lời động viên, tình cảm của họ và sự hỗ trợ về vật chất cũng như tinh thần Những người thân đã luôn luôn ủng hộ và động viên tôi rất nhiều để hoàn thành luận văn Tôi cũng cảm ơn tới người bạn gái của tôi, người luôn bên tôi, động viên, cổ

vũ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để trở thành thạc sỹ Tôi biết ơn và cám ơn họ rất nhiều

Đặc biệt cảm ơn các thầy cô trong Viện cơ khí động lực, đồng nghiệp và bạn

bè của tôi đã tư vấn giúp đỡ, và tình bạn của họ được tôi đánh giá và biết ơn rất nhiều Tôi cũng muốn cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy tự động thủy khí và Hàng Không Vũ Trụ đã giúp tôi và cung cấp tài liệu trong nghiên cứu của tôi

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

LỜI NÓI ĐẦU xv

Chương 1 – TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu tổng quan 1

1.2 Tại sao phải làm mát tuabin khí 3

1.3 Lý do của sự nghiên cứu đề tài 5

1.4 Những công trình đã nghiên cứu làm mát trên lá cánh trên tuabin 5

1.4.1 Những nghiên cứu làm mát trên đầu mút cánh tuabin 5

1.4.2 Những nghiên cứu làm mát trên mép trước của lá cánh tuabin 7

1.4.3 Làm mát phun trực tiếp và sự trao đổi nhiệt trên chân lá cánh rotor 8

1.5 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 10

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 10

Chương II – LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP SỐ 12

2.1 Lý thuyết về phương pháp làm mát phun trực tiếp 12

2.2 Lý thuyết về phương pháp số 14

2.2.1 Lý thuyết mô tả về phương trình bảo toàn khối lượng .14

2.2.2 Mô hình dòng rối ứng suất Reynolds 17

2.2.3 Phương trình gần tường 19

2.2.4 Các thủ tục chính của việc mô phỏng số 21

2.2.4.1 Yêu cầu chọn mô hình lưới 21

a) Thời gian 21

b) Chi phí tính toán 21

c) Sự hội tụ số 22

2.2.4.2 Cách tạo lưới 23

2.2.5 Giới thiệu cơ bản về phần mềm Fluent 23

2.2.5.1 Cấu trúc của phần mềm Flunet 24

2.2.5.2 Khả năng của Flunet 24

2.2.6 Giới thiệu cơ bản về phần mềm Gambit 25

Chương III – NGHIÊN CỨU LÀM MÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN TRỰC TIẾP 27

3.1 Giới thiệu mô hình làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp 27

3.1.1 Giới thiệu mô hình 27

3.1.2 Giới thiệu về điều kiện biên 30

3.1.3 Tính toán và so sánh kết quả trên mô hình 2D 31

3.1.4 Tính toán và so sánh kết quả trên mô hình 3D 37

3.2 Kết luận 44

Chương 4 – NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ TỚI CHẾ ĐỘ

LÀM MÁT TRÊN LÁ CÁNH TUABIN 46

4.1 Nghiên cứu sự ảnh hưởng “tĩnh” và “động” của lá cánh 47

4.2 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dạng lỗ tới phương pháp làm mát trực tiếp 51

4.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cách sắp xếp lỗ tới phương pháp làm mát phun trực tiếp 53

4.3.1 Xét sự ảnh hưởng về vận tốc 54

4.3.2 Xét sự ảnh hưởng về trường áp suất 55

4.3.3 Xét sự ảnh hưởng về trường nhiệt độ 56

4.4 Nghiên cứu sự ảnh hưởng góc phun tới chế độ làm mát 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC A 71

PHỤ LỤC B 78

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A Diện tích trao đổi nhiệt (m2)

c Tốc độ âm thanh (m/s)

C Khe hở đầu cánh và vỏ máy bay (% với chiều dài dây cung)

Cp Hệ số dẫn nhiệt với áp suất không đổi (J/kg-K)

Cx Chiều dài dây cung của lá cánh rotor

D Độ dày của đường kính thủy lực (m)

DR Tỷ số khối lượng riêng =ρc/ ρ

E Năng lượng tổng (J)

F Lực tác dụng (N)

g Gia tốc trong trường

h Chiều cao của lá cánh hoặc là hệ số nhiệt đối lưu =qw/(Tw-Taw)

hoverall Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu toàn bộ =qw/(Tw-Tin,o) (W/m2K)

Nu Số Nusselt =h D / K

P Áp suất tĩnh (pa)

Pr Số Prandtl = µ/ρ Cp

PR Tỷ số áp suất

q Thông lượng nhiệt (w/m2)

Q Thông lượng nhiệt tổng (w)

Re Số Reynold, được xác định bằng = uD/ν

S Entropy tổng (J/kgmol-K)

St Số Stanton

T Nhiệt độ (K)

Tu Mức độ rối của đầu vào

U Tốc độ quay của rotor (m/s)

V Vận tốc tuyệt đối đầu vào của rotor (m/s)

W Vận tốc tương đối đầu vào của rotor (m/s)

u,v,w Thành phần vận tốc (m/s)

x,y,z Hệ trục tọa độ

Ký hiệu Hy Lạp

α Góc vào tuyệt đối của dòng chảy

β Góc vào tương đối hoặc hệ số nhiệt mở rộng (K-1)

η Hiệu suất làm mát =(T t∞−Taw,f)/(T t∞−T tc)

aw

η Hiệu suất làm mát đẳng nhiệt =(Taw,0−Taw,f) (/ Taw,0 −T tc)

ι Góc tác động của dòng chảy

φ Nhiệt độ không thứ nguyên =(T t∞ −T t) (/ T t∞ −T tc)

ρ Khối lượng riêng (kg/m3)

ave Trung bình tầng của đầu vào và đầu ra

a Đoạn nhiệt (adiabatic)

c Chất lỏng làm nguội (coolant)

f Tấm làm mát (film cooling)

out Đầu ra của ống (outlet)

inlet Đầu vào của ống (inlet)

p Mắt lưới đầu tiên sát tường i,j,k Các thành phần của tensor

in Đầu vào của ống (inlet)

w Tường (wall)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3 1 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm M (Điểm mép trước trên bề mặt phía trước, M(-80; 10)) như sau: 32 Bảng 3 2 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm N (trên lỗ thoát khí của ống, N(80; -100)) như sau: 33 Bảng 3 3 Giá trị nhiệt độ trên đường thẳng 42 Bảng 3 4 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm M (Điểm mép trước trên bề mặt phía trước, M(-50, 10, 0)) như sau: 44

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Các động cơ phản lực Trent 1000 2

Hình 1 2 a) Một sơ đồ khối của tuabin đơn giản và b) chu trình Joule- Brayton .4

Hình 2 1 Hình ảnh này thể hiện kết quả của nghiên cứu Kreith và Bohn [36] ……… 13

Hình 2 2 Sơ đồ khối của dòng khí va chạm vơi bề mặt phẳng [37] 13

Hình 2 3 Lớp biên trên tường 14

Hình 2 4 Sơ đồ khối cấu trục của tính toán CFD 24

Hình 3 1 Mô hình mô phỏng của Jun Hua [39] ……….27

Hình 3 2 Tiết diện của đầu mút cánh 28

Hình 3 3 Hình ảnh chia lưới trên cánh và ống Piccolo ở mép trước 28

Hình 3 4 Hình ảnh chia lưới trên đầu mút cánh 29

Hình 3 5 Hình ảnh dạng 3D của mô hình Jun Hua 29

Hình 3 6 Lưới trên thành ngoài và thành trong ở mép trước mô hình 30

Hình 3 7 Mô hình 2D 31

Hình 3 8 Trường nhiệt độ tại thời điểm t =200 s 32

Hình 3 9 Đồ thi biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại điểm M 33

Hình 3 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại điểm N 33

Hình 3 11 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại M, N theo hai quy luật 34

Hình 3 12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian tính toán tại

điểm M, N theo hai quy luật mà Jua Hua [40] 34

Hình 3 13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ tại điểm M, N theo quy luật hình sin 35

Hình 3 14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ tại điểm M, N đã được công bố bới Jun Hua .36

Hình 3 15 Mô hình 3D của Jua Hua [40] 37

Hình 3 16 Đường dòng vận tốc tại thời điểm t = 36s 38

Hình 3 17 Đường dòng của nhiệt độ tổng 39

Hình 3 18 Nhiệt độ tổng trên thành cong mô hình 39

Hình 3 19 Trường nhiệt độ tĩnh trên thành cong tại thời điểm t = 10 s 40

Hình 3 20 Sơ đồ dòng chảy phun trực tiếp lên bề mặt cong công bố bời Jua Han [2] .41

Hình 3 21 Vị trí tọa độ đường thẳng MN 41

Hình 3 22 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và vị trí trên đường thẳng MN 42

Hình 3 23 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số Nu và tỷ số r/d [37] 42

Hình 3 24 Trường nhiệt độ trên thành cong với thời điểm thời gian khác nhau 43

Hình 3 25 Sự thay đổi mô hình tính toán của Jun Hua sang mô hình của tác giả 45

Hình 4 1 Hình ảnh mặt cắt trung bình của tầng Stator và Rotor ……….46

Hình 4 2 Lưới trên mặt đầu vào và cạnh 47

Hình 4 3 Tầng turbin cao áp của động cơ GE90 48

Hình 4 4 Chia lưới có cấu trúc đối với một cặp lá cánh 48

Hình 4 5 Trường số Mach trên mặt phẳng trung bình đối với trường hợp quay 49

Hình 4 6 Trường áp suất tĩnh trên mặt phẳng trung bình đối với trường hợp quay 49 Hình 4 7 Tỷ số áp suất và vị trí tại mặt phẳng trung bình trên lá cánh Stator 50

Hình 4 8 Tỷ số áp suất và vị trí tại mặt phẳng trung bình trên lá cánh Rotor 50

Hình 4 9 Mô hình nghiên cứu làm mát tại mép trước lá cánh Rotor tại mặt cắt trung bình 51

Hình 4 10 Hình dạng của lỗ phun từ thành trong ra thành ngoài của lá cánh 52

Hình 4 11 Trường số Nu trên bề mặt mép trước lá cánh Rotor 52

Hình 4 12 Mặt cắt ngang của lá cánh Stator và vị trí lỗ thổi 53

Hình 4 13 Sơ đồ bố trí lỗ trên thành cong lá cánh Stator và Rotor ở trường hợp A53 Hình 4 14 Cách chia lưới trên lỗ thổi 54

Hình 4 15 Số Mach thay đổi trên khi chảy qua tầng 55

Hình 4 16 Trường áp suất tĩnh tại thời điểm t = 1380 s 55

Hình 4 17 Trường nhiệt độ tĩnh tại thời điểm t = 1380 s 56

Hình 4 18 Sơ đồ bố trí lỗ trên thành cong lá cánh Stator và Rotor ở trường hợp B 57 Hình 4 19 Vị trí đường thằng AB trên mép cánh Rotor 57

Hình 4 20 Đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa vị trí y và nhiệt độ trong ba trường hợp 58

Hình 4 21 Chi tiết góc hệ thống lỗ trên trên thành trong trong trường hợp 4 59

Hình 4 22 Trường vận tốc tại mặt phẳng cát ngang lỗ trong trường hợp I 60

Hình 4 23 Trường nhiệt độ tại mặt phẳng thẳng đứng trong trường hợp I 60

Hình 4 24 Mối quan hệ giữa vận tốc và vị trí trong trường hợp I 61Hình 4 25 Trường số Nu trong bốn trường hợp 61Hình 4 26 Mối quan hệ giữa số Nu và vị trí trên thành cong của mép trước lá cánh Rotor 61

LỜI NÓI ĐẦU

Tuabin khí được sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đẩy máy bay và phát điện trên mặt đất để ứng dụng trong ngành công nghiệp Dòng khí được trộn với nhiên liệu được cháy liên tục trong buồng cháy và được giãn nở qua các tầng cao áp và thấp áp của tuabin khí Luồng khí giản nở này mạng một lượng nhiệt rất lớn, áp suất cao sẽ truyền năng lượng vào lá cánh trên các tầng tuabin để làm quay các tầng rotor của tuabin Các lá cánh trên các tầng cao áp và thấp áp của tuabin luôn luôn phải chịu một môi trường nhiệt độ quá nhiệt rất cao và áp suất lớn Những lá cánh này không chỉ làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất tốt và còn phải được làm mát bằng các phương pháp tốt, hiệu quả thì các lá cánh mới chịu được sự quá nhiệt của dòng khí giãn nở

Do đó, để làm mát các lá cánh tuabin để quá trình hoạt động an toàn là một nhu cầu hết sức cần thiết Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu làm mát lá cánh

tuabin, trong luận văn này tác giả nghiên cứu đề tài: “ Làm mát cánh lá tuabin

động cơ máy bay bằng phương pháp phun trực tiếp” Luận văn được kết cấu

làm bốn chương, cuối cùng là kết luận và kiến nghị

• Chương I: Giới thiệu tổng quan về làm mát lá cánh tuabin, lý do của

đề tài, những công trình – kết quả đã nghiên cứu về làm mát lá cánh tuabin, đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, và ý nghĩa khoa học – tính thực tiễn của đề tài

• Chương II: Nghiên cứu các phương pháp làm mát, lý thuyết phương pháp làm mát bằng phương pháp trực tiếp, cùng với lý thuyết của mô phỏng

số

• Chương III: Nghiên cứu làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp Qua đó nhận xét và so sánh kết quả nghiên cứu với kết quả đã được công nhận

• Chương IV: Nghiên cứu sự ảnh hưởng các thông số tới chế độ làm mát trên lá cánh tuabin Các thông số hình dạng lỗ phun, cách sắp xếp lỗ, góc phun và mô hình “tĩnh” – “động” sẽ được nghiên cứu cụ thể trong chương 4

• Chương cuối là những kết luận chủ quan cũng như khách quan, hướng phát triển của đề tài, những kết quả có thể áp dụng vào thực tế

Những nghiên cứu này hoàn toán mới, được tiến hành trong thời gian ngắn, nhưng đã mang lại ứng dụng và đưa ra những định hướng nghiên cứu sau này của tác giả Bên cạnh đó cũng không thể tránh khỏi điều thiếu xót, nên tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Tiến sỹ Nguyễn Phú Hùng, người đã tận tình định hướng, và giúp tác giả hoàn thành luận văn này

Đặc biệt xin cảm ơn các thầy cô trong Viện cơ khí động lực, các thầy cô trong

bộ môn Máy tự động thủy khí và Hàng Không Vũ Trụ, và các đồng nghiệp – bạn bè

đã tư vấn, cung cấp tài liệu và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong luận văn này

Chương 1 – TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tổng quan

Tuabin là một động cơ quay tròn mà năng lượng nhận được từ chất lỏng truyền chuyển động Theo thuật ngữ của Claude Burdin thì tuabin là thuật ngữ Latin, có nghĩa là quay cuồng Nguồn gốc của tuabin đầu tiên chính là bánh xe quay nước mà nó phát minh ở Ba Tư hay Trung Quốc Nó được sử dụng cho việc xay ngô, xay giã thóc lúa lương thực vào những thế kỷ trước công nguyên Tuabin đầu tiên được xác định nằm trong thế kỷ sau công nguyên (A.D – Ano Domin) được thiết kế bởi Heron của Alexandria và nó được đặt tên là Aeolipile (Latin Pila- Ball)

và gió đến từ Aeolus - theo tiếng Hy Lạp là thần gió Aeolipile là một cối xoay gió được dẫn động bởi gió thổi qua cánh quạt Nó có thể xoay 1500 rpm và phát triển thành công suất mưỡi mã lực (một mã lực là sức mạnh của một đàn ông) và mặc dù

nó chỉ có hiệu xuất 1% Aeolipile chỉ là một món đồ chơi và nó đã không có bất kỳ ứng dụng công nghiệp Xung quanh thế kỷ bảy thì sự phát triển các cối xoay gió phát triển Trong thời kỳ tiền công nghiệp châu Âu, cối xay gió đã được sử dụng để nghiền hạt, bơm tưới tiêu bằng cách sử dụng bánh xe muỗng, trong chế biến gỗ, xẻ

gỗ thành những tấm, trong sản xuất giấy và trong chế biến các mặt hàng khác như gia vị, ca cao, sơn và thuốc lá Sự thật vấn đề đó làm thay đổi thế giới và trong ngành công nghiệp, giao thông vận tải được xảy ra trong thế kỷ mười chín Nó đã được đưa ra bởi các sáng động cơ hơi nước (Thomas Savery trong năm 1698) và ứng dụng mạnh mẽ trong ngành công nghiệp Tuabin khí đầu tiên sáng chế bởi J.F.Stolze và được cấp bằng sáng chế vào năm 1899 Mặc dù nó chỉ đạt hiệu suất 4%, điều này tuabin khí là một nền tảng cho nhiều tuabin khí khác ra đời

Ngày nay, tuabin nằm trong số các máy có công suất mạnh nhật mà được chế tạo Người ta đã sử dụng tuabin tạo lực đẩy của máy bay và tàu thủy, tao nguồn cho tàu điện, tàu và xe tăng mà còn tạo ra điện để ứng dụng cho ngành công nghiệp Các tuốc bin khí đơn giản bao gồm một dòng có công suất từ máy nén cùng với dòng công suất nhỏ và buồng đốt cháy xen giữa máy nén và tuabin (xem Hình 1.2a) Năng lượng được bổ sung vào dòng khí trong buồng đốt, nơi không khí được trộn

với nhiên liệu và đốt cháy Đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nén sẽ làm tăng nhiệt độ, tốc độ và khối lượng của khí, sau đó hỗn hợp đó chảy trên các cánh tuabin, truyền năng lượng dòng khí cho lá cánh tuabin và tuabin truyền năng lượng cho máy nén thông qua trục đồng ống Tuabin khí tạo ra năng lượng điện thì hiệu suất đặc biệt Hiệu suất lớn hơn 40% và nó có thể đạt tới 60% nếu tránh lãng phí nhiệt từ tuabin khí được thu hồi bằng một tua bin hơi nước theo một chu trình Một tuabin khí được sử dụng để bay là điều quan tâm thú vị nhất và yêu cầu có hiệu suất cao Một động cơ phản lực là một vài động cơ mà tăng tốc và thải một máy bay phản lực chuyển động nhanh chất lỏng tạo ra lực đẩy được ứng dụng theo định luật thứ ba của Newton Thành phần chính của tuabin khí, mà nó được sử dụng chính của phản lực là tốc độ khí xả để tạo lực đẩy Ở Anh vào ngày 16 tháng 1 năm 1930, Frank Whittle được công nhận bằng sáng chế cho động cơ máy bay hoàn toàn Cũng thời điểm đó, nghiên cứu độc lập Hans von Ohain bắt đầu làm việc trên một thiết kế tương tự như ở Đức vào năm 1935 Ohain và Ernst Heinkel tạo ra máy bay phản lực đầu tiên Các thử nghiệm Heinkel He bay trên bầu trời vào ngày 27 tháng

8 năm 1939 Động cơ máy bay điều khiển máy bay lực đẩy là 3,7 kN Ngày nay, tuabin khí quay được hơn 10000 vòng / phút và máy bay phản lực động cơ tạo ra một lực đẩy 410 kN của (xem Hình 1.1)

Hình 1 1 Các động cơ phản lực Trent 1000

Động cơ phản lực Trent là một phản lực hai luồng được sản xuất cho máy bay của Boeing787 Nó tạo ra một lực đẩy của 333kN và nó bao gồm một tầng cánh

quạt, 8 tầng máy nén thấp áp và 6 tầng máy nén cao áp Sau một buồng đốt dòng khí được trộn với nhiên liệu cháy nổ và hỗn hợp khí xả được giãn nỡ qua tuabin, nơi có

1 tầng tuabin cao áp, 1 tầng trung gian và 6 tầng tuabin thấp áp [Hình ảnh động cơ Rolls-Royce, copyright năm 2005]

1.2 Tại sao phải làm mát tuabin khí

Tuabin khí lý tưởng là nhiệt động được được mô tả với các chu trình Brayton (xem Hình 1.2b) Trong chu kỳ lý tưởng, nén và giãn nở của khí là đoạn nhiệt và đẳng entropy Sự thay đổi của động năng là không đáng kể Không có tổn thất áp lực trong buồng đốt và ống dẫn hết Sự hoạt động chất lỏng là một khí hoàn hảo có thành phần cố định

Joule-Đối với chu kỳ lý tưởng thì hiệu suất và làm việc ròng có thể được tính như một chức năng của tỷ lệ áp suất và tỷ lệ nhiệt độ Từ định luật thứ nhất nhiệt động lực học chúng được đưa ra là:

( ) 1( 2 2)

2

q = h −h + ν −ν +ω (1.1) trong đó q và w là trao đổi nhiệt và làm việc mỗi khối đơn vị trong số các điểm A và B Entanpy được biểu thị bằng h và vận tốc v tại điểm A và B Các chu

kỳ hiệu suất e và sản lượng công việc cụ thể, cho chu kỳ Joule, có thể được tính như (cho xem thêm Cohen et al [1]):

việc cụ thể, mà là một thông số quan trọng đối với một động cơ phản lực, hàm tỷ số giữa nhiệt độ và áp suất (để biết them xin mời xem Cohen et al [1]) Từ phương trình 1.3, thì giá trị T1 không đổi, nó sau đó một tuabin lớn hơn đầu vào nhiệt độ đầu ra tuabin T3 có nghĩa là công việc lớn hơn và hiệu suất cao, nơi mà trong thí nghiệm và tính toán Trong tua bin khí nhiệt độ đầu vào tuabin vượt quá 2000K Điều này nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của các vật liệu dùng để sản xuất khí-tuabin Do đó, lá cánh tuabin, các thiết bị gần buồng đốt cần phải làm mát Chất làm mát không khí là chiết xuất từ các máy nén của động cơ phản lực Khi đó giảm hiệu suất của nhiệt, điều cần thiiết và tối ưu các kỹ thuật làm mát, các điều kiện hoạt động và mô hình lá cánh tuabin

Hình 1 2 a) Một sơ đồ khối của tuabin đơn giản và b) chu trình Joule- Brayton

Lá cánh tuabin cánh quạt khí được làm mát bên trong và bên ngoài Chất làm mát hòa trộn với chất làm mát, một mặt chúng đi qua khe rãnh bên trong lá cánh, một phần dòng khí làm mát phun ra ngoài bền mặt của lá cánh Cả hai phương pháp làm mát phun trực tiếp hoặc làm mát màng mỏng đều sử dụng sự va cham dòng khí vào bề mặt cần làm mát

Bên ngoài lá cánh thì phương pháp làm mát cũng được gọi là làm mát màng Chất làm mát không khí được đẩy ra qua các lỗ riêng biệt (xem Hình 1.3a) hoặc khe để cung cấp một bộ phim làm mát, bảo vệ các bề mặt bên ngoài lá cánh từ nóng khí đốt Ưu điểm của kỹ thuật này là tránh tiếp xúc trực tiếp giữa cánh tuabin và các khí nóng Phương pháp này phun dòng khí trực tiếp vào vùng lá cánh mà có nhiệt

độ cao và khi đó nguồn khí làm mát lấy nhiệt ở lá cánh từ đó nhiệt trên lá cánh sẽ giảm xuống

1.3 Lý do của sự nghiên cứu đề tài

Tuabin khí được sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đẩy máy bay và phát điện trên mặt đất để ứng dụng trong ngành công nghiệp Dòng khí được trộn với nhiên liệu được cháy liên tục trong buồng cháy và được giãn nở qua các tầng cao áp và thấp áp của tuabin khí Luồng khí giản nở này mạng một lượng nhiệt rất lớn, áp suất cao sẽ truyền năng lượng vào lá cánh trên các tầng tuabin để làm quay các tầng rotor của tuabin Các lá cánh trên các tầng cao áp và thấp áp của tuabin luôn luôn phải chịu một môi trường nhiệt độ quá nhiệt rất cao và áp suất lớn Những lá cánh này không chỉ làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất tốt và còn phải được làm mát bằng các phương pháp tốt, hiệu quả thì các lá cánh mới chịu được sự quá nhiệt của dòng khí giãn nở Do đó, để làm mát các lá cánh tuabin để quá trình hoạt động an toàn là một nhu cầu hết sức cần thiết Những lá cánh được làm mát bởi dòng khí được trích

từ tầng máy nén của động cơ Khi máy bay hoạt động thì các lá cánh trong các tầng tuabin phải chịu một sự quá nhiệt, điều đó đỏi hỏi cần thiết phải nghiên cứu để đưa

ra những công nghệ làm mát tối ưu nhất Han và các cộng sự [2] đã thực hiện một tổng kết về truyền nhiệt và công nghệ làm mát của tua bin khí Vùng mép cánh tuabin bao gồm đầu cánh, mép trước cánh, phần gốc cánh, mép sau của cánh Hầu hết các khu vực này rất quan trọng do sự quá nhiệt cao của dòng khí xả Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ nghiên cứu tập trung vào mép trước của lá cánh Stator và Rotor ở tầng tuabin cao áp với chế độ làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp

1.4 Những công trình đã nghiên cứu làm mát trên lá cánh trên tuabin

1.4.1 Những nghiên cứu làm mát trên đầu mút cánh tuabin

Đầu mút cánh tuabin thì được tiếp xúc trực tiếp với những dòng khí xả rò rỉ bởi sự chênh áp suất khác nhau giữa các tiết diện các tầng Với kinh nghiệm và kiến thức đã được nghiên cứu thì việc làm mát hiệu quả đầu mút cánh là công việc rất khó khăn Để làm giảm sự rò rỉ đầu mút và truyền nhiệt người ta đã phải nghiên cứu

với các dạng hình đầu mút khác nhau để đánh giá sự cản trỏ dòng khí, độ giảm rò rỉ

và tốt độ làm mát với các lá cánh

Nhiều nghiên cứu số đã được tiến hành gần đây để điều tra việc trao đổi nhiệt giữa dòng khí và đầu mút cánh Như Ameri và các cộng sự [3] đã sử dụng TRAF3D.MB mã để nghiên cứu hiệu quả tác động của sự trao đổi đầu mút cánh -

vỏ bọc động cơ, cũng như khe hở giữa các tầng rotor Ngoài Ameri và các cộng sự [4] nghiên cứu những hiệu quả khoảng cách giữa đầu mút cánh và khe hở của động

cơ khi dòng nhiệt đi qua và hiệu quả hình học cả đầu mút cánh Ameri và Bunker [5] thực hiện một tính toán nghiên cứu chi tiết về sự phân phối trao đổi nhiệt trên bề bặt đầu cánh của tuabin tổng quan và so sánh những nghiên cứu đó với dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu Bunker và các cộng sự [5] Ameri [6] tính toán dòng chảy

và trao đổi nhiệt của đầu cánh với đường trung bình dây cung của đầu cánh Yang

và các cộng sự [7-8] đã nghiên cứu phương pháp số dòng chảy và trao đổi nhiệt xung quanh cánh GE với đầu cánh và diện tích của đầu mút cánh với mô hình dòng rối

Nghiên cứu thực nghiệm cũng đã được tiến hành để nghiên cứu sự trao đổi nhiệt và dòng chảy khí vào đầu mút lá tuabin Có rất nhiều các nghiên cứu về dòng khí chuyển động qua các tầng lá tuabin, có nghiên cứu thì nghiên cứu dòng chảy chuyển động và sự trao đổi nhiệt giữa dòng khí với các tầng lá tuabin tại đầu mút cánh, tại đường trung bình của cánh, tái mép trước, mép sau hoặc có thể là chân của cánh Nói chung các nhà nghiên cứu đều muốn tìm biện pháp để nâng cao chất lượng cải thiện tính vật liệu của các lá cánh tuabin để nâng cao hiệu suất của chúng, cải thiện tính làm việc

Một cách phổ biến là để giảm nhiệt độ trên cánh lá tuabin nói chung mọi người đều trích dòng không khí lạnh từ tầng máy nén để làm mát, thông qua các lỗ phim để làm mát bề mặt, đầu cánh, mép trước hoặc mép sau, hoặc chân cánh Điều quan trọng là nghiên cứu hệ thống sắp xếp hệ thống lỗ, vận tốc thổi, hình dạng đầu thổi và phương pháp làm mát Tất cả điều trên sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát

và hệ số truyện nhiệt giữa dòng khí và cánh lá tuabin Hiện nay, các thí nghiệm làm mát trên các cánh tuabin chỉ có thể được thực hiện cho các trường hợp không quay hoặc quay với vận tốc tương đối thấp để đánh giá đầu vào/ đầu ra của dòng khí Để

sử dụng các dữ liệu thực nghiệm làm minh họa cho ứng dụng trong điều kiện làm mát động cơ thực sự, đó là mong muốn để sử dụng phương pháp tiên tiến trong việc

mô phỏng số Trong mô phỏng số thì khả năng mô phỏng các tác động của vòng quay của tầng rôtor tuabin ảnh hưởng tới dòng chảy, tốc độ làm mát và minh họa thực tế sự hoạt động dòng khí làm mát các lá cánh trong thực tế

1.4.2 Những nghiên cứu làm mát trên mép trước của lá cánh tuabin

Bên cạnh việc nghiên cứu của sự trao đổi nhiệt và phương pháp làm mát phun trực tiếp trên đầu mút cánh, thì có một vài nghiên cứu sự trao đổi nhiệt và phương pháp làm mát trên mép cánh của tầng rôtor tuabin Dunn và các cộng sự [9-10] sử dụng một đầy đủ tầng Rotor của tuabin đông cơ Garrent TFE 731-2 trong một ống được cung cấp dòng nhiệt lớn để nghiên cứu sự trao đổi nhiệt trên lá cánh, mép và rôtor Abhari và Epstein [11] nghiên cứu thời gian cho việc truyền nhiệt cho lá cánh

để làm mát và làm mát bằng lớp màng mỏng Họ đã nhận thấy rằng sự trao đổi nhiệt

là không ổn định cao cho tốc độ quay tuabin gần với tốc độ âm thanh Takeishi và đồng sự [12] sử dụng khối lượng CO2 kỹ thuật tương tự để đo lường hiệu quả của màng làm mát trên bề mặt một cánh rotor, và tìm thấy cao hiệu quả làm mát ở phía hút so với mặt áp lực của lá cánh Họ tin rằng hiện tượng này là do ảnh hưởng của dòng chảy xuyên tâm và trộn mạnh mẽ trên áp lực bề mặt Camci và Arts [13-14] nghiên cứu các lá cánh tuabin ở tầng rotor cao áp trao đổi nhiệt với ống gió trong khoảng thời gian ngắn Họ nhận thấy rằng hiệu quả làm mát tăng với sự giảm Tc /

Tin (tức là tỷ lệ giữa nhiệt độ làm mát với nhiệt độ khí gas đầu vào) Mehendale và các cộng sự [15-16] nghiên cứu hiệu quả dòng rối tốc độ cao và dòng ngược trên sự trao đổi nhiệt và tấm làm mát trên lá cánh Rotor trong ống khí với vận tốc dòng là thấp Họ kết luận rằng với dòng rối và dòng thổi ngược lại làm sự trao đổi nhiệt tăng nhẹ nhưng làm giảm đáng kể các bộ phim làm mát hiệu quả cho các điều kiện

tỷ lệ thấp hơn thổi Ngoài ra, Du và các cộng sự [17] được sử dụng cùng một cơ sở

nghiên cứu tác động hiệu quả của dòng không dừng mô phỏng chi tiết trên số Nusselt và miêu tả chi tiết hiệu quả làm mát của phun trực tiếp của lá cánh rotor Phương pháp số dự báo sự trao đổi nhiệt và phương pháp làm mát phun trực tiếp trên lá cánh thì được chuẩn bị và nghiên cứu nhiều Abhari và các cộng sự [18] xem xét thời gian giải quyết khí động học và trao đổi nhiệt của dòng khí gần âm Rotor tuabin Ho kết luận rằng khác nhau rất ít giữa trạng thái dòng ổn định và thời gian trung bình tính toán của dòng không ổn định Nói chung, đo số Nusselt cao hơn hoặc bằng số Nusselt dự báo Dunn và các cộng sự [19] báo cáo rằng thời gian trung bình số Stanton và phân phối áp suất trên bề mặt cho hàng cánh đầu tiên của giai đoạn và giai đoạn đầu tiên hàng tầng cánh

Họ thấy rằng việc truyền nhiệt cho thấy sự khác biệt nhỏ giữa các dự báo mô hình dòng rối Mép cánh trước của lỗ fin làm mát, góc hợp của các lỗ cũng đã được nghiên cứu đưa ra bởi Lin và các cộng sự [20] khi sử dụng chương trình mã CFL3D So sánh với các dữ liệu thử nghiệm, các dự báo cho thấy một số tốt thỏa thuận trong các xu hướng hiệu quả làm mát phun trực tiếp, nhưng dự đoán Garg và Ameri [21] được sử dụng mô hình dòng rối q-ω, k-ε, và mô hình k-ω để dự đoán sự trao đổi nhiệt trên cánh Nhìn chung, các mô hình q-ω và mô hình k-ε dự đoán kết quả giống nhau, trong khi các mô hình k-ω dự báo hệ số truyền nhiệt cao hơn

1.4.3 Làm mát phun trực tiếp và sự trao đổi nhiệt trên chân lá cánh rotor

Ngoài các bộ phim làm mát nghiên cứu trên đầu mút cánh và khu vực mép trước của cánh, thì vị trí gốc cánh hàng đầu đã đề cập trước, nền tảng của một lưỡi cánh quạt đã được nghiên cứu để điều tra ảnh hưởng dòng chảy trung vào các phim làm mát và chuyển nó nhiệt Ngày càng có nhiều tỉ lệ thấp và độ bền vững thấp rotor đã được sử dụng để cải thiện tuabin hiệu suất, vì vậy hiệu quả endwall-trở nên quan trọng đáng kể Harasgama và Burton [22-23] báo cáo đo chuyển nhiệt trên endwalls làm mát bằng bộ phim của một tầng hình vòng của tua bin van vòi hướng dẫn, và họ đã tìm thấy số lượng tăng dần Nu từ mép dẫn đến theo sau cạnh trên endwall này Friedrichs và các cộng sự [24] trình bày hiệu quả làm mát đoạn nhiệt

phim phân phối trên endwall của một quy mô lớn, tốc độ thấp tuyến tính tuabin thác

sử dụng ammonia-diazo kỹ thuật Họ báo cáo rằng các xoáy móng ngựa từ phía áp lực di chuyển qua đoạn văn đẩy hầu hết các chất làm mát từ giữa đoạn đối với bề mặt hút Gần đây, Roy và cộng sự [25] sử dụng phương pháp thử nghiệm và số để nghiên cứu dòng chảy và truyền nhiệt vào các trung tâm cánh

Bên cạch đó các nghiên cứu bằng sử dụng phần mềm mô phỏng CFD Fluent kết hợp với dữ liệu được thử nhiệm thì Burd và Simon [26-27] đã nghiên cứu hiệu quả của tác dụng việc trích khí thành vòi ở gốc cánh tuabin và thấy rằng dòng khí làm mát tích tụ gần bề mặt hút với tốc độ rất thấp (có sự tạo xoáy ở gốc lá cánh) Radomsky và Thole [28] sử dụng sử dụng (Tia laze dò vị trí: Laser Doppler Velocimeter (LDV)) và camera hồng ngoại (IR) để nghiên cứu tác động của cường

độ nhiễu loạn của sự trao đổi nhiệt trên mép tường Họ đã đưa ra kết luận rằng các xoáy móng ngựa là thấp và cao đối với điều kiện là dòng rối, và với dòng rối cao thì

số St sẽ cao Lin và Shih [29] sử dụng phần mềm CFL3D phiên bản 5 với mô hình dòng rối k-ω và sự trượt dòng khí ở biên (shear-stress-transport: SST) để nghiên cứu khe hở sự rò rỉ dòng chảy trên vòng mép cánh Họ thấy rằng toàn bộ những vòng tròng giữa vỏ động cơ và đầu mút rotor có sự rò rỉ những để làm giảm bớt lưu lượng dòng khí thì tại đó cần làm đường viền lưỡi sẽ làm tăng tính làm mát tại đầu cánh và giảm sự rò rỉ dòng khí

Gần đây nhất, Suryanarayanan và các cộng sự [30] sử dụng các kỹ thuật PSP

để đo làm mát phun trực tiếp trên lá cánh tuabin trong toàn bọ một tầng tuabin, với các điều kiện làm việc thực của tuabin Một lần nữa, thí nghiệm của họ đã được thực hiện trong điều kiện áp suất cao, nghiên cứu cơ sở tuabin được tiến hành lại phòng thí nghiệm ở Texas trường đại học A&M Thêm vào đó, ngoài các thông tin được kiểm tra theo nghiên cứu của Schobeiri [31-32] PSP là kỹ thuật trao đổi khối lượng với yêu cầu độ truyền nhiệt gần ở lỗ và hiệu quả việc làm mát lá cánh tuabin bằng phương pháp phun trực tiếp Họ nhận ra rằng hiệu quả làm mát sẽ tăng với tốc

độ của rotor quay là 1500, 2000 và 2500 vòng trên phút Cho đến nay, rất ít nghiên

cứu được báo cáo trong các tài liệu để nghiên cứu sự tương tác Stato - Rotor trong việc làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp chính điều này cũng là mục đích của

đề tài Trong hiện tại nghiên cứu, mô phỏng số được thực hiện để nghiên cứu phương pháp làm mát và truyền nhiệt giữa dòng khí với lá cánh tuabin, với việc nghiên cứu thực nghiệm được đưa ra bởi nghiên cứu của Suryanarayanan [33]

1.5 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Trong tất cả các nghiên cứu đã được công bố, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu làm mát trên lá cánh tuabin rất nhiều Nhưng chưa có một công trình nào nghiên cứu về phương pháp làm mát trên lá cánh tuabin có ảnh hưởng của vận tốc quay giữa hai dãy cánh Stator và Rotor và sự ảnh hưởng của Stator – Rotor Do đó luận văn tập trung vào phương pháp làm mát lá cánh tuabin bằng phương pháp phun trực tiếp, có xét đến ảnh hưởng của Stator – Rotor và vận tốc quay của hai dãy cánh Luân vân tập trung nghiên cứu các lá cánh tầng hai của tuabin cao áp trên đông cơ GE90 Trên mỗi lá cánh luận văn tập trung vào việc nghiên cứu làm mát trên mép trước của cánh Từ đó đưa ra những nhận xét kết quả và kết luận của tác giả

Tác giả nghiên cứu phương pháp làm mát, lý thuyết phương pháp làm mát bằng phương pháp trực tiếp, cùng với lý thuyết của mô phỏng số sẽ được thể hiện ở chương 2 Sau khi nghiên cứu lý thuyết và phương pháp mô phỏng số tác giả tiến hành lại nghiên cứu mô phỏng số trên mô hình của Yang và công sự [2] Qua đó nhận xét kết quả mô phỏng giữa tác giả và Yang Nhưng nghiên cứu này được thể hiện ở chương 3 Khi đã khẳng định được sự nghiên cứu của tác giả là đúng đắn so với kết quả đã công bố của Yang thì tác giả tiến hành nghiên cứu trên mô hình của tác giả đưa ra Những nghiên cứu và kết quả này sẽ được thể hiện trong chương 4 Chương cuối là kết luận của tác giả chủ quan cũng như khách quan, hướng phát triển của đề tài, những kết quả có thể áp dụng vào thực tế

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Như đã đề cập trước đây, các khu vực mép trước của cánh rất quan trọng do

sự quá nhiệt sẽ ảnh hưởng độ bền của cánh Mặc dù các có rất nhiều các nghiên cứu

về lá cánh nhưng hầu hết các nghiên cứu đó đều nghiên cứu chúng với điều kiện bình thường, hoặc không đúng với điều kiện hoạt động của lá cánh Đối với đầu mút cánh, mép trước cánh, do những hạn chế trong các cơ sở thử nghiệm, hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện theo đầu vào tương đối thấp / đầu ra áp lực

tỷ lệ và điều kiện tầng lá cánh không quay được, đến nay các điều kiện tuabin điều hành thực sự Chính điều đó, do đó, mong muốn để nghiên cứu những sự ảnh hưởng cao của phương pháp làm mát phun trực tiếp tới mép cánh trong điều kiện thực tế hơn của động cơ là mục tiêu của đề tài luận văn mà tác giả nghiên cứu Nghiên cứu

đề xuất sẽ tập trung vào các dự đoán quá trình làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp, đánh giá sự trao đổi nhiệt trên các lá cánh tuabin ở tầng thứ hai tuabin cao

áp trên động cơ GE90 Tác giả sẽ tính toán tầng lá cánh trên ở điều kiện quay và không quay, với số Mach thay đổi, với điều kiện tỷ lệ áp suất giống thực tế để so sánh với nghiên cứu của Kwak [14]

Đối với mép trước của cánh, hầu hết các nghiên cứu trước đậy được thực hiện trên một dãy cánh đơn không quay tầng rotor, trong khí một động cơ tuabin hoạt động thì chúng chịu rất nhiều sự ảnh hưởng các tầng, trong một tầng thì ảnh hưởng giữa stators và rotors Trong phần luận văn của tác giả, nghiên cứu làm mát lá cánh bằng phương pháp phun trực tiếp với việc xem xét toàn bộ giai đoạn của một tuabin tức là bao gồm sự tương tác cả Stato - Rotor Trên đây là toàn bộ sự tổng kết về sự làm mát trên lá cánh tuabin cũng như mục đích, nội dung của sự nghiên cứu của tác giả Sự nghiên cứu này là hoàn toàn duy nhất và nó chưa từng được báo cáo hoặc giới thiệu ở bất cứ đâu

Chương II – LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT VÀ

PHƯƠNG PHÁP SỐ

Trong chương này tác giả xin trình bày lý thuyết về làm mát bằng phương pháp phun trực tiếp và lý thuyết, các phương trình toán học dùng trong việc mô phỏng số

2.1 Lý thuyết về phương pháp làm mát phun trực tiếp

Dòng khí phun trực tiếp vào bề mặt có nhiệt độ cao hơn và làm nguội bề mặt

đó là kết quả của tác dụng đối lưu nó xuất hiện giữa quá trình làm nguội giữa dòng khí và bề mặt cần làm mát Giả sử dòng khí phun ra từ vòi phun có nhiệt độ là T1, vận tốc là V phun vào bề mặt cong của lá cánh tuabin Hệ số trao đổi nhiệt của trường hợp này được định nghĩa là:

q h

=

− (2.1)

trong đó q là thông lượng nhiệt ở trên lá cánh (hoặc trên tường – the wall), Tw

và Tj là nhiệt độ trên tường và của dòng khí phun ra từ miệng ống Số Nusselt (ký hiệu là Nu), Nu so sánh với hệ số trao đổi đối lưu nhiệt và dẫn suất nhiệt của chất lỏng (kf) Theo Kau-Fui Vincen Wong [34] trong tài liệu (Trao đổi nhiệt trung cấp – Intermediate Heat Transfer) đã đưa ra số Nusselt như sau:

f

hL Nu k

= (2.2)

Với L là chiều dài của bề mặt Số Nusselt có thể còn sử dụng để xác định trao đổi nhiệt của kết quả dòng chảy và hàm số Reynoids và số Prandtl, được định nghĩa theo công thức sau

trong đó ν là hệ số nhiệt động học và U là vận tốc của dòng chảy, và α là hệ

số khuếch đại nhiệt Với phương pháp làm mát phun trực tiếp tại mép trước của cánh, thì số Nu tính bằng xấp xỉ theo công thức sau (được đưa ra bởi Frank Kreith

và Mark S.Bohn [35] trong tài liệu Nguyên tắc cơ bản của sự trao đổi nhiệt)

trong đó 0< <θ 800 Có thể xác định số Nu theo góc dựa theo hình ảnh sau:

Hình 2 1 Hình ảnh này thể hiện kết quả của nghiên cứu Kreith và Bohn [36]

Theo nghiên cứu của Kito và đồng sự [37] về sự trao đổi nhiệt khi một dòng khí qua vòi phun có nhiệt độ là T1, vận tốc là V phun vào một bền mặt với một góc

α khoảng cách từ miệng vòi phun tới là S vào bề mặt phẳng thì có dạng hình ảnh như sau

Hình 2 2 Sơ đồ khối của dòng khí va chạm vơi bề mặt phẳng [37]

Khi đó dòng có vùng dòng khí kích thích mạnh (stagnation region), tiếp theo

là đến vùng dòng chảy theo lớp (boundary layer region) nơi đó dòng khí chảy theo tầng, sau đó qua vùng đồng dạng (similarity region) rồi đến vùng dòng chảy rối

Hình 2 3 Lớp biên trên tường

Dòng khí phun trực tiếp vào bề mặt sau đó chúng chảy theo hình dạng như trên Trong quá trình đó chúng trao đổi đối lưu với bề mặt

Điểm Stagnation là điểm trung tâm của dòng chảy khi phun trực tiếp Tại điểm đó thì hệ số trao đổi nhiệt xảy ra lớn nhất Do đó số Nu cũng cao nhất tại điểm Stagnation và giảm theo độ giảm của r Với r là bán kính trên bề mặt phẳng tính từ điểm Stagnation

2.2 Lý thuyết về phương pháp số

2.2.1 Lý thuyết mô tả về phương trình bảo toàn khối lượng

Toàn bộ việc mô phỏng số được thực hiện bằng cách sử dụng gói phần mềm tính toán động lực dòng chảy (Computer Fluid Dynamic_CFD) là Fluent [38] (phiên bản 6.23) Các giải pháp đã thu được bằng cách giải quyết dựa trên phương trình toán học RANS (Reynolds – Averaged Navier – Stokes), sử dụng phương pháp phần tử khối ứng dụng phương trình liên tục, phương trình bảo toàn momen và phương trình năng lượng; và thuật toán SIMPLEC được sử dụng để tính song song giữa áp suất và vận tốc

Tất cả các mô hình rối đều xuất phát từ hai phương trình cơ bản là phương trình cơ bản và phưong trình động lượng

Với dòng rối hai phương trình này được viết lại như sau:

Trong mô hình k− , các phương trình thêm được xây dựng như sau: ε

Theo giả thiết về độ nhớt rối của Boussinesq, ta có:

' '

ij

23

j

i u u

ε ε

ε

ερ

εσ

µµρε

ρε

ρεσ

µµρ

ρ

S k C G C G k

C x

x

u t

S Y G

G x

k x

x

ku t

k

b k

t j

i i

k M b

k j k

t j

i i

+

− +

∂

∂

2 2 3

) ( ) (

) ( ) (

(2.8)

Prt: hằng số Prantl

Gi: thành phần gia tốc trọng trường theo phương i

β: hệ số giãn nở nhiệt của môi trường

- YM: hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá trị trung bình Y M =2ρεM t2

Trong đó: Mt: số Mach của rối: 2

µt = Cµ k2

- Các hệ số còn lại là các hằng số, có giá trị mặc định như sau:

3 1

; 0 1

; 09 0

; 92 , 1

; 44

Mô hình k−ε là mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác khá tốt

2.2.2 Mô hình dòng rối ứng suất Reynolds

Mô hình ứng suất Reynolds tính toán dựa vào ứng suất của Reynolds sử dụng phương trình trao đổi Tính toán ứng suất Renolds sử dụng bình phương trình động lực

Các hình thức chính xác của các phương trình trao đổi ứng suất Reynolds có thể được xuất phát bởi chính xác phương trình động lực Đây là một quá trình mà trong đó các phương trình động lực chính xác là một nhân biến động tài sản, các phương trình sau đó được Reynolds - trung bình hóa Tuy nhiên, một số các điều kiện trong chính xác phương trình chưa được biết và mô hình giả định là cần thiết

để xác định các phương trình Phương trình ứng suất Reynolds trao đổi được trình bày cùng với các giả định mô hình cần thiết để đạt được cô lập

Phương trình trao đổi của trao đổi ứng suất Reynolds, ' '

i j

u u

ρ có thể viết thành diễn giải như sau:

Trong phương trình trên thì điều kiện đối lưu Cij , phần tử khuếch tán D L, ij , ứng suất căng P ij, và vận tốc quay tròn F ij không yêu cầu với một số mô hình Tuy nhiên,điều kiện khuếch đại dòng rối D T,ij, điều kiện buoyancy G ij, ứng suất của

áp suất hạn ij φ, và điều kiên tiên tán ε ij cần phải được có các phương trình Các phần sau đây mô tả các giả định mô hình yêu cầu phải thiết lập phương trình

D T,ij có thể được mô hình bằng cách sử dụng một khuếch tán hỗn loạn vô hướng như sau:

' ' ,ij

t T

u u D

µ σ

Điều kiện ứng suất chậm, φij, 1được mô hình hóa như sau:

' '

23

Điều kiện phản chiếu tường (the wall-reflection), φij, wlà có thể chịu trách nhiệm phân phối lại ứng suất tiếp ở gần tường Nó có xu hướng ứng xuất pháp với tường mà trượt trên chúng, trong khi đó tăng cường những ứng suất tiếp song song với tường Điều kiện này được mô hình theo công thức sau:

1) Phương trình vận tốc trung bình là nhạy cảm với hiệu ứng gradient áp suất,do đó các chức năng tường tiêu chuẩn không thể xử lý dòng chảy phức tạp liên quan đến việc nghiên cứu hiện nay

2) Các khái niệm hai lớp biên (do Chen và Patel, [56]) được áp dụng để tính toán ngân sách của các nhiễu loạn động năng (Gk, ε) trong các phần tử lưới lân cận Định luật hàm logarit cho trung bình vận tốc nhạy cảm với gradient áp lực được biểu diễn như sau

w

1ln/

E k

Sử dụng các cấu hình này, các lưới trung bình của k, Gk, và trung bình tỷ số lưới, ε, có thể được tính từ trung bình khối lượng của Gk và ε của lưới lân cận Nó

có hiệu quả thư giãn địa phương cân bằng giả định (sản xuất = tản) được thông qua bởi các chức năng tường tiêu chuẩn tính toán ngân sách của năng lượng bất ổn động tại các tế bào tường-lân cận Như vậy, nonequilibrium thành chức năng, có hiệu lực, một phần tài khoản cho người không cân bằng tác dụng bỏ qua trong các tiêu chuẩn chức năng tường

Do khả năng một phần tài khoản cho các hiệu ứng gradient áp lực và khởi hành từ cân bằng, khi không cân bằng chức năng tường được đề nghị bởi thành thạo

để sử dụng trong dòng chảy phức tạp liên quan đến tách, reattachment, và va đập, nơi lưu lượng trung bình và bất ổn đang phải chịu gradient áp lực nặng nề và thay đổi nhanh chóng Trong dòng chảy đó, cải tiến có thể đạt được, đặc biệt các dự báo tiếp tuyến tường (da-ma sát hệ số) và truyền nhiệt (Nusselt hoặc số Stanton)

2.2.4 Các thủ tục chính của việc mô phỏng số

CFD chỉ là thuật toán để giải các bài toán dựa trên lưới có sẵn chứ bản thân chương trình CFD không thể tạo lưới và trong CFD cũng không bao gồm thuật toán tạo lưới (mặc dù nó là một bước quan trọng của bài toán CFD bởi vì không tạo lưới thì CFD không thể tiến hành được) Thông thường, các chương trình CFD cần có một công cụ tạo lưới riêng, có thể tích hợp vào hoặc riêng rẽ

Việc tạo lưới thực chất là quá trình xác định vị trí của các điểm sẽ tiến hành giải các phương trình cơ học chất lưu Một bài toán có thể giải chính xác không phụ thuộc vào việc rời rạc hoá nó có phù hợp không Việc phù hợp ở đây gồm: Tạo số điểm chia hợp lý với từng yêu cầu bài toán, không bỏ sót tại các vùng nhạy cảm

2.2.4.1 Yêu cầu chọn mô hình lưới

Để giải mỗi bài toán lại cần xây dựng một lưới riêng Vậy việc xây dựng lưới

đó phụ thuộc vào các yếu tố nào

a) Thời gian

Mỗi bài toán đều có giới hạn về thời gian, do vậy việc xây dựng lưới cũng phải căn cứ vào yêu cầu trên để thực hiện Nếu thời gian cho phép là lớn thì có thể tiến hành tạo lưới lớn, số phần tử nhiều để tính toán Tuy nhiên nếu thời gian bị hạn chế thì chỉ nên tạo các lưới có kích cỡ và số phần tử nhỏ Thường thì, lưới có cấu trúc đòi hỏi thời gian xây dựng lâu hơn lưới không có cẩu trúc (do số đường và số mặt lớn hơn)

b) Chi phí tính toán

Đây là một vấn đề liên quan đến lưới Các lưới đồ sộ luôn đòi hỏi cầu hình tính toán cũng như thời gian sử dụng lớn hơn Do vậy, khi phác thảo một mô hình lưới cho bài toán ta phải tự xem xét khả năng của mình đến đâu Nếu kích thước lưới là quá lớn so với khả năng tính toán hiện tại có thể dẫn đến không tính toán được

c) Sự hội tụ số

Mỗi mô hình tính toán phải đảm bảo tính hội tụ Tiêu chuẩn hội tụ được đánh giá qua một đại lượng gọi là chất lượng lưới Chất lượng lưới được đánh giá thông qua các điều kiện sau

i) Mật độ lưới:

Khi rời rạc hoá một mô hình liên tục, giá trị các đại lượng được tính toán dựa trên phân bố các điểm lưới Trong một vài trường hợp, mật độ phân bố các điểm lưới tại vùng quan trọng có thể dẫn tới thay đổi tính chất dòng chảy

Thông thường trong các vùng có các đại lượng biến đổi mạnh đòi hỏi phải có

sự phân bố các lưới thật dày, tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi bộ nhớ của máy tính cũng như khả năng xử lý của CPU do vậy phải cân đối hai mặt này Trong Fluent, sau khi nhập lưới có thể kiểm tra bằng cách: Grid / Memory Usage

ii) Độ mượt của lưới:

Việc thay đổi hình dạng các phần tử lưói quá đột ngột có thể dẫn tớí những sai

số lớn trong tính toán Trong trường hợp này ta phải làm mượt lại lưới bằng cách chia nhỏ phần tử Đặc biệt là các vùng là sẽ có hiện tượng muốn quan tâm sẽ diễn

ra Ví dụ: Sự thay đổi chiều dòng chảy sẽ đi qua một khu vực nào đó thì khu vực đó nên được làm mượt hơn các vùng khác

iii) Hình dạng của lưới:

Hình dạng các lưới không đồng đều, quá méo mó có thể dẫn đến sai số Thông thường trong một dạng phần tử, việc đưa giá trị độ dài các cạnh và các góc càng gần nhau càng tốt Ví dụ trong tứ giác các góc gần bằng 90o Tỷ lệ các cạnh không vượt quá 1/5

Các thông số về chất lượng lưới ở trên có thể được kiểm tra trong quá trình tạo lưới bằng cách dùng các công cụ kiểm tra của chương trình

2.2.4.2 Cách tạo lưới

Thực tế của phương pháp thực hành là xác định sự biến đổi các giá trị tại các giao điểm (node ), sự thay đổi môi trường chính là sự biến đổi tại các mắt lưới của mặt và đường mà ta đã tạo ra Chính vì thế việc tạo lưới đóng vai trò then chốt trong

độ chính xác của kết quả thu được

Bước 1: Vẽ mô hình

Bước 2: Tạo lưới cho đường

Bước 3: Tạo lưới cho mặt

Bước 4: Tạo lưới cho khối

Bước 5: Đặt các thông số cho biên

• Đặt tấm phẳng là tường

• Đặt đầu vào

• Đặt đầu ra

Bước 6 : Xuất file ở dạng “mesh ” để xử lý ở Fluent

2.2.5 Giới thiệu cơ bản về phần mềm Fluent

Fluent là phần mềm chuyên dụng trong tính toán cơ học chất lưu và truyền nhiệt dựa trên nền tảng CFD – Computational Fluid Dynamics (tính toán động lực học chất lưu có trợ giúp của máy tính ), còn Gambit là một công cụ tạo lưới mạnh cho các bài toán CFD và phương pháp phần tử hữu hạn dùng trong tính toán kết cấu

2.2.5.1 Cấu trúc của phần mềm Flunet

Hình 2 4 Sơ đồ khối cấu trục của tính toán CFD

Trong đó:

• Fluent: Bộ tính toán chính,

• Gambit: Tạo lưới 2D và 3D

• Tgrid: Tạo lưới 3D từ lưới 2D

• PrePDF: Bộ tiền sử lý cho tính toán quá trình cháy trong Fluent Các bộ giao tiếp chương trình: Cho phép trao đổi dữ liệu của Fluent với các chương trình khác như ANSYS, NASTRAN…

2.2.5.2 Khả năng của Flunet

Fluent có khả năng giải quyết các bài toán sau:

• Dòng 2D, 3D đối xứng, tọa độ trục và dòng 3D

• Dòng tĩnh hay dòng tức thời ( phụ thuộc vào thời gian hay không)

• Dòng nén được hay không nén đựoc ở mọi vận tốc ( low subsonic, transonic, supersonic và hypersonic flows )