Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu kết quả mô phỏng số quá trình hòa trộn-cháy trong buồng đốt động cơ diesel thủy Hanshin 6LU32 khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ thô chưa este hóa và dầu diesel với thông số đầu vào là giống thực tế và kết quả đầu ra là các thông số đặc trưng để so sánh với kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng sử dụng loại nhiên liệu mới trên thay thế cho nhiên liệu truyền thống.
BÀI BÁO KHOA HỌC ỨNG DỤNG CFD TÍNH TỐN MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH HỊA TRỘNCHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL THỦY KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HỖN HỢP (DẦU DO-DẦU CỌ) LÀM NHIÊN LIỆU THAY THẾ Nguyễn Đức Hạnh1, Đặng Văn Uy1, Nguyễn Đại An1 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết mơ số q trình hịa trộn-cháy buồng đốt động diesel thủy Hanshin 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ thô chưa este hóa dầu diesel với thơng số đầu vào giống thực tế kết đầu thông số đặc trưng để so sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá khả sử dụng loại nhiên liệu thay cho nhiên liệu truyền thống Từ khóa: Nhiên liệu hỗn hợp, q trình hịa trộn-cháy, mơ số, động diesel thủy ĐẶT VẤN ĐỀ * Hiện tại, xu hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay cho động diesel nói chung động diesel thủy phổ biến tồn giới Bởi vì, loại nhiên liệu thay bao gồm nhiên liệu hỗn hợp nhiên liệu nhũ tương có khả tái tạo giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch tương lai Tuy nhiên, nhiên liệu hỗn hợp sử dụng để thay nhiên liệu thông thường cho động diesel ảnh hưởng đến q trình hịa trộn-cháy hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí buồng đốt động cơ, sau ảnh hướng đến hiệu suất động cơ, đặc tính lý hóa nhiên liệu hỗn hợp thay đổi Vì vậy, nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (dầu cọ thơ chưa este hóa dầu diesel) cho động diesel thủy việc ứng dụng CFD phần mềm thương mại Fluent-Ansys để mơ q trình hịa trộncháy động có độ xác cao sở khoa học tiết kiệm chi phí nghiên cứu thực nghiệm Đây vấn đề mẻ nghiên cứu Việt Nam (biodiesel tập trung nghiên cứu nhiều) nhiều bàn luận giới Do báo này, tác giả giới thiệu phương pháp ứng dụng CFD mơ q trình hòa trộn-cháy động diesel thủy Hanshin 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ thô – dầu diesel thay cho nhiên liệu truyền thống dầu diesel Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MÔ PHỎNG SỐ Q TRÌNH HỊA TRỘNCHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Giới thiệu Trong chu kỳ hoạt động động diesel, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu giai đoạn hòa trộn – cháy hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí biểu diễn Hình (phần màu xanh theo GQTK) Việc nghiên cứu phương pháp mơ số xây dựng phương trình lý thuyết liên quan đến q trình hịa trộn-cháy phương trình mơ tả dịng chảy rối, mơ hình cháy,… sau tiến hành giải theo điều kiện biên tốn (chính thơng số hình học động cơ) Hình Chu kỳ hoạt động theo GQTK Từ ta phân tích kết cách kỹ hơn, mở rộng giả định để nghiên cứu Trong nội dung báo, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu số liệu thực tế của KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 11 động diesel 6LU32 động mà nhóm tác giả nghiên cứu thực nghiệm để có sở đánh giá so sánh kết nghiên cứu phương pháp số 2.2 Lựa chọn mơ hình tính tốn (Besson, M., et al., ,2000), (Nguyen P K et al.,2004), (Roland BORGHI, Michel DESTRIAU)… - Mơ hình cháy Non-premixed: nhiên liệu khơng khí khơng trộn lẫn trước, kết hợp với hàm PDF – hàm mật độ xác suất (thống kê xác suất nhiên liệu có mặt vị trí) - Mơ hình rối k-epsilon - Mơ hình phun nhiên liệu: discrete phase – injection - Mơ hình In-Cylinder: quy định chuyển động piston, kết hợp lưới động Hình Sơ đồ khối quy trình ứng dụng CFD để mơ 2.3 Quy trình tốn tính tốn mơ Fluent Quy trình tính tốn mơ mô tả qua sơ đồ khối gồm bước theo Hình nội dung bước mơ tả chi tiết qua Bảng sau: Bảng Quy trình tính tốn mơ Nội dung TT Vẽ mơ hình theo kích thước thật chi tiết động (đường kính xi lanh, chiều cao buồng đốt, vị trí lỗ đặt vịi phun, giới hạn điểm chết vị trí trước qua cửa xả), chia lưới, đặt điều kiện biên (đầu vào, ra, tường tĩnh, tường động) xuất sang file.mesh (có thể dùng phần mềm Grid, Gambit lập trình giải trực tiếp) Kiểm tra lưới (loại lưới, kích thước lưới, số lượng lưới điều liên quan đến cấu hình máy tính thực độ xác tốn), chọn mơ hình tính tốn phù hợp Đặt cụ thể điều kiện biên cho toán (Áp suất, nhiệt độ trước trình phun nhiên liệu đưa vào theo số liệu thực nghiệm) Đặt độ xác (điều kiện hội tụ), bước thời gian, chế độ ghi kết tự động cho biến quan tâm số vòng lặp cần thiết Tiến hành tính tốn theo dõi q trình thực tốn (Kết tính tốn biến hiển thị qua đồ thị theo bước thời gian phân biệt màu sắc để tiện theo dõi, biến đạt độ xác đặt trước dừng lại, biến khác tiếp tục thực tính tốn theo u cầu) Khi tốn hội tụ theo u cầu ghi lại tồn kết tiến hành phân tích kết (lúc kết hợp thêm phần mềm khác Excel, Tecplot lập trình xử lý) sau thay đổi đặc tính hỗn hợp (khối lượng riêng độ nhớt khác) Đây tốn mơ với khơng gian tính tốn 3D dạng khối trụ, ta phải tạo mặt đối xứng khác mặt song song với lỗ phun, piston để thể kết tính tốn tồn khơng gian buồng đốt 2.4 Các phương án tính tốn 12 Như vậy, ta tổng hợp phương án tính tốn mơ CFD sau: - Các điều kiện biên xác định theo đặc điểm động 6LU32 vòi phun động theo bảng (John B.Lheywood,1988) (Dang Van Uy & Research Team,2014) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Bảng Các thông số động diesel Hanshin 6LU32 STT CÁC THƠNG SỐ Vịng quay định mức Cơng suất định mức Đường kính xy lanh Áp suất cháy lớn Góc phun sớm Suất tiêu hao nhiên liệu định mức Vòi phun trực tiếp GIÁ TRỊ n= 340 v/ph Ne=1300 HP (970kW) D=320 mm Pz= 90 bar 110 trước ĐCT [độ GQTK] ge=200g/kW.h cái, áp suất 280 bar - Đầu vào: gồm phương án nhiên liệu với tỷ lệ hỗn hợp khác Bảng Tác giả tính cho loại nhiên liệu PO20, loại nhiên liệu hỗn hợp cho có đặc tính lý hóa phù hợp dành cho động diesel 6LU32 khuyến cáo kết nghiên cứu thuộc đề tài cấp nhà nước Mã số: ĐT.04.11/NLSH thuộc “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” PGS.TS Đặng Văn Uy nghiệm thu thành công (Dang Van Uy & Research Team, 2014) Bảng Các tỷ lệ nhiên liệu hỗn hợp nghiên cứu Tỷ trọng 40 C, [kg/dm ] Các loại nhiên liệu hỗn hợp DO PO10 PO20 PO30 0.8447 0.8521 0.8582 0.8650 Độ nhớt 40oC, [kg/m.s] Nhiệt trị thấp [MJ/kg] 2.60 44.978 STT Đặc tính nhiên liệu o - Đầu đánh giá chất lượng q trình: hịa trộn - cháy động diesel 6LU32 trình nhiên liệu bắt đầu khỏi vòi phun hòa trộn - cháy với kích thước hình học vịi phun, 3.42 43.650 6.45 42.29 40.24 40.11 áp suất phun không gian buồng đốt khơng thay đổi 2.5 Xây dựng mơ hình nghiên cứu chia lưới khơng gian tính tốn Hình Hình dạng khơng gian buồng đốt động diesel 6LU32 AutoCAD Mechanical Đặc điểm lưới (Nguyen P K et al, 2004), (Roland BORGHI, Michel DESTRIAU): Lưới có cấu trúc; Lượng lưới thay đổi theo trình chuyển động piston; 5.31 42.960 PO100 0.9206 Hình Khơng gian tính tốn tương ứng với GQTK Lưới chia với kích thước khác cho vùng (buồng cháy khe hở); Số lượng lưới vào khoảng 700 ngàn đến 1,5 triệu phần tử KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 13 Hình Hình ảnh lưới mơ hình tính tốn KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân bố áp suất Bằng việc tính tốn cho khơng gian buồng đốt suốt q trình khảo sát theo bước thời gian tương ứng với góc quay trục khuỷu sử dụng loại nhiên liệu hỗn hợp PO20 cho phép ta ghi lại kết tính tốn Để thể kết ta đưa dạng trường phân bố áp suất theo mặt cắt khác thể áp suất lớn buồng cháy theo góc quay trục khuỷu Dưới phân bố áp suất tồn khơng gian buồng đốt theo góc quay trục khuỷu, để tiện theo dõi kết thể mặt phẳng đối xứng qua vị trí tia phun nhiên liệu Hình thể phân bố áp suất mặt cắt đối xứng qua tia phun nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu động diesel 6LU32 Trên hình nhỏ cửa sổ thể kết chương trình tính tốn, ta ghi lại theo bước thời gian tương ứng với góc quay trục khuỷu hay tương ứng với vị trí piston Góc bên trái thị màu sắc để thể kết tính tốn, giá trị cửa sổ bên khoảng thời gian khảo sát tương ứng, góc bên trái phía góc trục khuỷu (ở kết ghi lại theo góc quay trục khuỷu với bước ghi độ, từ 354 độ, nghĩa trước điểm chết độ tới giá trị vị trí 408 độ) Hình Phân bố áp suất mặt cắt đối xứng qua tia phun nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu động diesel 6LU32, PO20 14 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Qua kết tính tốn giá trị áp suất cho trường hợp ta thấy kết tính tốn phương pháp số chi tiết, cho giá trị áp suất lớn cao so với lý lịch động vị trí góc quay trục khuỷu tương ứng Điều lý giải sau: Mơ hình tính tốn số cho trường hợp bỏ qua loại tổn thất Các điều biên ấn định theo thực tế, thực tế vận hành điều kiện biên bị thay đổi chút Phương pháp mơ số cho ta kết tất nút tính tốn (theo nút lưới chia), ta rõ kết tính tốn so với thực tế cho ta kết vị trí đo 3.2 Phân bố nhiệt độ Tương tự việc thể kết tính tốn áp suất ta thể kết phân bố nhiệt độ sau: Hình Phân bố nhiệt độ buồng đốt theo góc quay trục khuỷu động diesel 6LU32, PO20 3.3 Phân bố vận tốc Kết thể tính tốn ta thể kết phân bố vận tốc sau: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 15 Hình Phân bố vận tốc buồng đốt theo góc quay trục khuỷu động diesel 6LU32, PO20 Bằng cách phân tích thơng số động học q trình hịa trộn - cháy cho hỗn hợp nhiên liệu khác nhằm so sánh để đưa trường hợp có chất lượng hòa trộn - cháy tốt Với cách thực bước theo toán áp dụng cho trường hợp, kết tính tốn phân tích trường hợp cho kết tốt sử dụng nhiên liệu hỗn hợp PO20 KẾT LUẬN Như việc áp dụng CFD nghiên cứu q trình hịa trộn - cháy động diesel thể rõ hiệu qua kết thu phân bố áp suất, nhiệt độ, vận tốc…đặc biệt việc nghiên cứu phương số cho phép ta phân tích kỹ sở minh chứng khoa học nghiên cứu thực nghiệm Do số lượng trang báo có hạn nên nhóm nghiên cứu trình bày kết cho trường hợp lên tính cho loại nhiên liệu hỗn hợp PO20 Trong phần nghiên cứu tiếp nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu thực nghiệm động diesel 6LU32 để đánh giá chất lượng hỗn hợp dầu dieseldầu cọ nhằm tìm loại nhiên liệu hỗn hợp cho chất lượng cháy tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO Besson, M., et al., (2000) Experimental analysis of combusting flows developing over a plane symmetric expansion Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 14(1), 59-67 Nguyen P K et al (2004): Turbulent reacting flow in a dump combustor: some specific aspects related to the boundary conditions 7th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization (APISCEU), Hong Kong Roland BORGHI, Michel DESTRIAU avec la collaboration de Gérald DE SOETE: La Combustion et Les Flammes Centre d’Instruction de Vilgenis: Formation Turbo Réacteur( édition 11/1996) Groupement Francais de Combustion (Section Francaise du Combustion Institue): Les Mots de Combustion( édition zéro 11/1993 ) John B.Lheywood (1988); Internal Combustion Engine Fundamentals by McGraw-Hill; Dang Van Uy & Research Team (2014); Research and develop a technology solution in order to convert marine diesel engines of small and medium scale to use blended straight vegetable oils as alternative fuel”, No.04.11/NLSH, Haiphong; Dang Van Uy & Research Team (2014); To Build up Technical and Management Solutions in Order to Decrease Fuel Expenditures for Vietnam National Ocean Fleet; Ministry of Transportation, Hanoi; 16 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Abstract: SIMULATION OF THE FUEL OIL MIXING-BURN PROCESSES INTO MARINE DIESEL ENGINE COMBUSTION CHAMBER USING THE MIXTURE FUEL OIL (DIESEL OIL AND PALM OIL) AS AN ALTERNATIVE ONE BY CFD SOFTWARE The paper introduces the simulation results of the number of mixing-burn processes in Hanshin marine diesel engine 6LU32 using fuel of un-esterified crude palm oil and diesel oil with the actual input and results The output is typical parameters to compare with the results of empirical research to evaluate the ability to use the new fuel to replace the traditional fuel Keywords: Mixed fuel, mixing - fire processing, simulation, marine diesel engine Ngày nhận bài: 20/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 16/8/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 17 ... gồm phương án nhiên liệu với tỷ lệ hỗn hợp khác Bảng Tác giả tính cho loại nhiên liệu PO20, loại nhiên liệu hỗn hợp cho có đặc tính lý hóa phù hợp dành cho động diesel 6LU32 khuyến cáo kết nghiên... hợp có chất lượng hịa trộn - cháy tốt Với cách thực bước theo toán áp dụng cho trường hợp, kết tính tốn phân tích trường hợp cho kết tốt sử dụng nhiên liệu hỗn hợp PO20 KẾT LUẬN Như việc áp dụng. .. chuyển động piston, kết hợp lưới động Hình Sơ đồ khối quy trình ứng dụng CFD để mơ 2.3 Quy trình tốn tính tốn mơ Fluent Quy trình tính tốn mơ mơ tả qua sơ đồ khối gồm bước theo Hình nội dung bước mô