Nghiên cứu quá trình vận động của dòng khí trong đường nạp của động cơ diesel 1 xi lanh bằng phần mềm CFD

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO l TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - LÊ VĂN BÌNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬN ĐỘNG CỦA DỊNG KHÍ TRONG ĐƯỜNG NẠP CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL XI LANH BẰNG PHẦN MỀM CFD CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS KHỔNG VŨ QUẢNG HÀ NỘI – NĂM 2012 LỜI MỞ ĐẦU Việt Nam nước đứng thứ giới xuất lúa gạo, đạt triệu năm 2011, đứng sau Thái Lan (8,5 triệu tấn) Trong năm gần nhu cầu sử dụng máy móc nơng nghiệp để nâng cao hiệu suất canh tác ngày lớn Tổng công ty Máy động lực Máy nông nghiệp Việt Nam Tổng công ty đầu lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo động Diesel có lịch sử phát triển 50 năm Trong năm gần Tổng công ty trọng vào việc cải tiến công nghệ đầu tư dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao sức cạnh tranh phân khúc thị trường [2] Đề tài: Nghiên cứu trình vận động dịng khí đường nạp động diesel xylanh phần mềm CFD xuất phát từ đề tài sản xuất thực nghiệm : Nghiên cứu thiết kế, chế thử seri động xylanh công suất nhỏ làm sản phẩm chủ lực Công ty Cơ khí Trần Hưng Đạo Cấp Tổng cơng ty, thực giai đoạn 2010- 2011 Đề tài đề cập đến vấn đề nghiên cứu thiết kế ống nạp cho động đốt sử dụng phương pháp mô phần mềm CFD Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến: TS Khổng Vũ Quảng nội dung hướng dẫn khoa học; Trường ĐHBK Hà nội, Viện Đào tạo sau đại học đặc biệt Cán giáo viên thuộc Bộ môn Động đốt phịng Thí nghiệm Động đốt trong; Tổng cơng ty Máy Động lực Máy nông nghiệp Việt Nam nói chung phịng Nghiên cứu Phát triển nói riêng tạo điều kiện thời gian giúp đỡ chun mơn q trình theo học làm Luận văn; Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình ln bên động viên giúp đỡ suốt trình học tập Hà nội, tháng 10/ 2012 Lê văn Bình LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết tính tốn Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà nội, tháng 10 năm 2012 Tác giả Lê Văn Bình i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi GIỚI THIỆU CHUNG 1 Tổng quan Mục đích, nội dung đối tượng nghiên cứu đề tài .2 2.1 Mục đích .2 2.2 Nội dung đề tài 2.3 Đối tượng nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi .5 1.2 Tình hình nghiên cứu nước CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG NẠP 10 2.1 Quá trình nạp động .10 2.2 Phương pháp đo xoáy lốc 13 2.3 Dịng xốy tạo trình hút 17 2.4 Đánh giá ảnh hưởng kết cấu đường nạp đến động 22 2.4.1 Ảnh hưởng tới hình thành hỗn hợp .22 2.4.2 Ảnh hưởng tới hệ số nạp .23 2.4.3 Ảnh hưởng tới hệ số khí sót 24 2.4.4 Ảnh hưởng tới phát thải độc hại 25 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ỐNG NẠP CHO ĐỘNG CƠ DT95 VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 26 3.1 Một số phương án cải tiến đường nạp .26 3.2 Đặc điểm kết cấu đường nạp động diesel 01 xi lanh 28 ii 3.3 Thiết kế ống nạp động DT95 29 3.3.1 Ống nạp nguyên thuỷ 29 3.3.2 Ống nạp cải tiến 30 3.3.3 Quy lát cải tiến 32 3.4 Xây dựng mơ hình mơ 32 3.4.1 Mơ hình ngun thuỷ 34 3.4.2 Mô hình cải tiến 34 CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ CFD, Q TRÌNH MƠ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ 36 4.1 Sơ lược lịch sử phát triển CFD 36 4.2 Cơ sở lý thuyết CFD 38 4.2.1 Phương trình liên tục (phương trình bảo tồn khối lượng) 38 4.2.2 Phương trình bảo tồn động lượng 39 4.3 Giới thiệu chung phần mềm Fluent 39 4.3.1 Cấu trúc phần mềm Fluent .40 4.3.2 Khả Fluent 40 4.3.3 Các mơ hình tính tốn phần mềm Fluent 41 4.4 Công cụ Gambit 42 4.4.1 Lựa chọn mơ hình giải 42 4.4.2 Xây dựng mơ hình 43 4.4.3 Chia lưới mơ hình 43 4.4.4 Đặt kiểu điều kiện biên 44 4.4.5 Xuất file mesh 45 4.5 Điều kiện biên cho tốn mơ Fluent 46 4.5.1 Lựa chọn mơ hình điều kiện biên 46 4.5.2 Các giả thuyết sử dụng q trình mơ .47 4.5.3 Điều kiện đầu 47 4.5.4 Nhập điều kiện biên Fluent 47 4.5.5 Điều kiện hội tụ .48 iii 4.6 Kết mô 49 4.6.1 Kết chung .50 4.6.2 Kết mô mặt cắt 1-1 54 4.6.3 Kết mô mặt cắt 2-2 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iv CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu CD CFD Diễn giải Đơn vị Hệ số lưu lượng Computational Fluid Dynamics CS Hệ số xoáy lốc CO Khí thải Monoxit Cácbon ĐCD Điểm chết ĐCT Điểm chết HC Khí thải Hydro Cácbon HP Mã lực ge Suất tiêu hao nhiên liệu NOx Khí thải Ơxít Nitơ P Cơng suất động P-M Phát thải dạng hạt g/kWh kW v DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1: Thông số động DT95 Bảng 3.1: Các trường hợp mô tương ứng với vị trí làm việc động 35 Bảng 4.1: Điều kiện biên chung cho hai mơ hình 48 Bảng 4.2: Điều kiện biên đầu cho hai mô hình 48 Bảng 4.3: Các giá trị đặt điều kiện hội tụ 49 Bảng 4.4: Kết mô mặt cắt 1-1 59 Bảng 5.5: Kết mô mặt cắt 2-2 66 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1: Động DT 95 Hình 2.1: Hình dạng chuyển động dịng khí nạp bên xy lanh 11 Hình 2.2: Các ảnh hưởng vị trí xu páp đến dịng khí nạp 12 Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp đo xốy mơmen xung lượng dịng ổn định Hình 2.4: Các kiểu họng nạp tạo xốy lốc 14 18 Hình 2.5: Phương pháp sử dụng xu páp có chắn dịng cản dịng 18 Hình 2.6: So sánh xốy lốc ổn định đo kiểu họng nạp 20 Hình 2.7: Vận tốc xốy, hướng trục hướng kính 21 Hình 3.1: Buồng cháy hình bán cầu 26 Hình 3.2: Động có ln hồi khí thải 27 Hình 3.3: Động tăng áp tuabin-máy nén 27 Hình 3.4: Đường ống nạp nguyên thuỷ 29 Hình 3.5: Đường ống nạp nguyên thuỷ dựng lại CATIA 30 Hình 3.6: Quy lát nguyên thuỷ động DT95 30 vi Hình 3.7: Đường ống nạp động DT95 cải tiến 31 Hình 3.8: Bản vẽ chi tiết ống nạp động DT95 cải tiến 31 Hình 3.9: Quy lát động DT95 cải tiến 32 Hình 3.10: Mơ hình mơ động DT95 CATIA 33 Hình 3.11: Mơ hình mơ q trình nạp đường nạp ngun thuỷ 34 Hình 3.12: Mơ hình mơ q trình nạp đường nạp cải tiến 34 Hình 4.1: Ứng dụng CFD Fluent mô động đốt 39 Hình 4.2: Cấu trúc phần mềm Fluent 40 Hình 4.3: Giao diện chương trình Gambit 42 Hình 4.4: Giao diện chương trình xây dựng mơ hình ống nạp 43 Hình 4.5: Giao diện hình chia lưới mơ hình 44 Hình 4.6: Cửa sổ hình lựa chọn kiểu điều kiện biên 45 Hình 4.7: Giao diện hình xuất file msh 45 Hình 4.8: Mơ hình nhập điều kiện biên Fluent 47 Hình 4.9: Hình ảnh cho kết hội tụ Fluent 49 Hình 4.10: Kết mơ chung 140TK 50 Hình 4.11: Kết mơ chung 400TK 50 Hình 4.12: Kết mơ chung 600TK 51 Hình 4.13: Kết mơ chung 800T 51 Hình 4.14: Kết mơ chung 1160TK 52 Hình 4.15: Kết mơ chung 1300TK 52 Hình 4.16: Kết mơ chung 1600TK 53 Hình 4.17: Kết mơ chung 1800TK 53 Hình 4.18: Kết mơ chung 2000TK 54 Hình 4.19: Vị trí mặt cắt 1-1 54 Hình 4.20: Kết mô mặt cắt 1-1 140TK 55 Hình 4.21: Kết mơ mặt cắt 1-1 400TK 55 Hình 4.22: Kết mơ mặt cắt 1-1 600TK 56 vii Hình4.23: Kết mơ mặt cắt 1-1 800TK 56 Hình 4.24: Kết mô mặt cắt 1-1 1160TK 57 Hình 4.25: Kết mơ mặt cắt 1-1 1300TK 57 Hình 4.26: Kết mơ mặt cắt 1-1 1600TK 58 Hình 4.27: Kết mô mặt cắt 1-1ở 1800TK 58 Hình 4.28: Kết mơ mặt cắt 1-1 2000TK 59 Hình 4.29: Diễn biến vận tốc khí nạp mặt cắt 1-1 60 Hình 4.30: Diễn biến lưu lượng khối mặt cắt 1-1 60 Hình 4.31: Diễn biến áp suất mặt cắt 1-1 61 Hình 4.32: Vị trí mặt cắt 2-2 61 Hình 4.33: Kết mô mặt cắt 2-2 140TK 62 Hình 4.34: Kết mơ mặt cắt 2-2 400TK 62 Hình 4.35: Kết mơ mặt cắt 2-2 600TK 63 Hình 4.36: Kết mơ mặt cắt 2-2 800TK 63 Hình 4.37: Kết mô mặt cắt 2-2 1160TK 64 Hình 4.38: Kết mơ mặt cắt 2-2 1300TK 64 Hình 4.39: Kết mơ mặt cắt 2-2 1600TK 65 Hình 4.40: Kết mô mặt cắt 2-2 1800TK 65 Hình 4.41: Kết mơ mặt cắt 2-2 2000TK 66 Hình 4.42: Diễn biến vận tốc khí nạp mặt cắt 2-2 67 Hình 4.43: Diễn biến lưu lượng khối mặt cắt 2-2 67 Hình 4.44: Diễn biến áp suất mặt cắt 2-2 68 viii a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.22 Kết mơ mặt cắt 1-1 600TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình4.23 Kết mơ mặt cắt 1-1 800TK 56 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.24 Kết mơ mặt cắt 1-1 1160TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.25 Kết mô mặt cắt 1-1 1300TK 57 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.26 Kết mơ mặt cắt 1-1 1600TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.27 Kết mơ mặt cắt 1-1ở 1800TK 58 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.2.: Kết mơ mặt cắt 1-1 2000TK Bảng 4.4 Kết mơ mặt cắt 1-1 Mơ hình ngun thuỷ Góc STT trục khuỷu Vận tốc Lưu lượng trung bình khối trung (0TK) (m/s) bình (kg/s) 14 19 0,016 40 123 60 Áp suất (atm) Mô hình cải tiến Vận tốc Lưu lượng trung bình khối trung Áp suất (atm) (m/s) bình (kg/s) -0,209 52 0,024 -0,122 0,058 -0,669 120 0,060 -0,499 147 0,075 -0,674 151 0,076 -0,682 80 84 0,046 -0,738 148 0,076 -0,728 116 90 0,050 -0,791 113 0,058 -0,773 130 72 0,046 -0,865 90 0,046 -0,796 160 79 0,014 -0,943 91 0,018 -0,905 180 81 0,012 -0,915 111 0,016 -0,765 59 200 200 180 160 140 120 100 180 0,011 -0,310 190 0,018 Cải tiến (m/s) Nguyên thuỷ 80 60 40 20 Hình 4.29 Diễn biến vận tốc khí nạp mặt cắt 1-1 0.1 (kg/s) Cải tiến Nguyên thuỷ 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 Hình 4.30 Diễn biến lưu lượng khối mặt cắt 1-1 60 -0,220 -0.1 -0.2 -0.3 Cải tiến Nguyên thuỷ -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1 (atm) Hình 4.31 Diễn biến áp suất mặt cắt 1-1 4.6.3 Kết mô mặt cắt 2-2 Mặt cắt 2-2 vng góc với đường tâm xi lanh cách mặt quy lát khoảng 5mm, cho ta thấy diễn biến dịng khí nạp xy lanh thay đổi qua trường hợp mơ phỏng, theo phương vng góc với đường tâm xy lanh mơ hình: Hình 4.32 Vị trí mặt cắt 2-2 61 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.33 Kết mô mặt cắt 2-2 140TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.3 Kết mô mặt cắt 2-2 400TK 62 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.35 Kết mơ mặt cắt 2-2 600TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.36 Kết mơ mặt cắt 2-2 800TK 63 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.37 Kết mô mặt cắt 2-2 1160TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.38 Kết mô mặt cắt 2-2 1300TK 64 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.39 Kết mơ mặt cắt 2-2 1600TK a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.40 Kết mơ mặt cắt 2-2 1800TK 65 a) Mơ hình ngun thuỷ b) Mơ hình cải tiến Hình 4.41 Kết mô mặt cắt 2-2 2000TK Bảng 4.5 Kết mô mặt cắt 2-2 Mô hình ngun thuỷ Góc STT trục Vận tốc Lưu lượng khuỷu trung bình khối trung (0TK) bình (kg/s) (m/s) Mơ hình cải tiến Áp suất (atm) Vận tốc Lưu lượng trung bình khối trung (m/s) bình (kg/s) Áp suất (atm) 14 55 0,214x 10-2 -0,256 53 0,296x 10-2 -0.208 40 127 0,473x 10-2 -0,675 141 0,508x 10-2 -0,636 60 121 0,749x 10-2 -0,695 145 0,814x 10-2 -0,709 80 67 0,854x 10-2 -0,731 127 1,013x 10-2 -0.714 116 86 0,574x 10-2 -0,776 94 0,688x 10-2 -0,723 130 68 0,481x 10-2 -0,836 73 0,498x 10-2 -0,759 160 59 0,285x 10-2 -0.907 65 0,388x 10-2 -0,872 180 51 0,268x 10-2 -0,656 60 0,271x 10-2 -0,594 66 200 180 0,128x 10-2 204 -0.327 171 0,156x 10-2 Cải tiến Nguyên thuỷ (m/s) 160 140 120 100 80 60 40 20 Hình 4.42 Diễn biến vận tốc khí nạp mặt cắt 2-2 1.2 (E-2 kg/s) Cải tiến Nguyên thuỷ 0.8 0.6 0.4 0.2 Hình 4.43 Diễn biến lưu lượng khối mặt cắt 2-2 67 -0.230 -0.1 -0.2 Cải tiến Nguyên thuỷ -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 -1 (atm) Hình 4.44 Diễn biến áp suất mặt cắt 2-2 68  Kết luận: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mô dựa lý thuyết CFD cho phép thể cách rõ nét, trực quan gần với thực tế trình lưu động dịng khí suốt q trình vận động đường nạp Để sử dụng cơng cụ mơ vào q trình động đốt đòi hỏi, người sử dụng kiến thức động đốt phải có kiến thức định thủy khí động lực học Những kiến thức sở để xây dựng mơ hình sát với thực tế, lựa chọn mơ hình điều kiện biên nhập thơng số phù hợp cho mơ hình mơ Đề tài mơ diễn biến dịng khí nạp suốt chu trình nạp, nhằm so sánh đánh giá chất lượng q trình nạp mơ hình Kết mô thu cho ta thấy, xu hướng tạo xốy lưu lượng khối dịng khí nạp mơ hình thiết kế tốt so với mơ hình ngun thủy động Kết mô khẳng định phương pháp cải tiến ống nạp theo phương án hoàn tồn khả thi mang tính tích cực  Hướng phát triển Đề tài: Vì thời gian Đề tài cịn hạn chế nên mơ q trình nạp động cơ, chưa mơ trình động như: trình nén, cháy dãn nở,…khi có nhìn tổng quan Trong thời gian tới, Công ty THHH NN 1TV khí Trần Hưng Đạo đầu tư xong dây chuyền gia công, lắp ráp động Đề tài tiếp tục sâu vào việc sản xuất thử nghiệm động cơ, chạy thử công suất đối chứng với động nguyên thủy 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Nông Nghiệp Công nghiệp Thực Phẩm, công ty Meiwa Kubota (1984), Sổ tay bảo dưỡng Động Điêden RK50- RK60- RK70- RK80RK95- RK105- RK125 [2] Hoàng Minh Đức (2004), Nghiên cứu thiết kế động Diesel xy lanh, công suất 30 mã lực/2600v/ph, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Nguyễn Đức Khánh (2010), Ứng dụng phần mềm mô CFD Fluent để thiết kế ống venturi cho hệ thống luân hồi khí xả động diesel tăng áp, Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật động nhiệt, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội [4] Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế (1995), Kết cấu tính tốn động đốt trong, Trường ĐHBK Hà Nội [5] Nguyễn Năng Thắng, Hà Quang Minh (2002), Tính tốn động học cháy động diesel có xét đến quy luật cung cấp nhiên liệu mức độ vận động rối dịng khí, ICAT 2002,069 [6] GS.TS Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động đốt trong, Nhà xuất Giáo Dục [7] Tổng công ty Máy Động lực máy Nông nghiệp Việt Nam (2010), Nghiên cứu thiết kế, chế thử seri động xy lanh công suất nhỏ làm sản phẩm chủ lực Cơng ty Cơ khí Trần Hưng Đạo, Đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ (Mã số VEAM 10.01) [8] PGS.TS Phạm Minh Tuấn (2008), Lý Thuyết động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật [9] John B.jHeywood (1998) “Internal Combustion Engine Fundamentals” McGraw-Hill, Inc [10] Tutorial guide Gambit 2.4 [11] Tutorial guide Fluent 6.3 70 ... nhận trình học tập nghiên cứu, tác giả vận dụng suốt trình nghiên cứu thiết kế động DT 95 nói Vì vậy, tác giả chọn đề tài ? ?Nghiên cứu q trình vận động dịng khí đường nạp động diesel 1xi lanh phần. .. ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. 1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi .5 1. 2 Tình hình nghiên cứu nước CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT DÒNG CHẢY TRONG ĐƯỜNG NẠP 10 2 .1 Quá trình nạp động .10 ... Việt Nam, nghiên cứu động phương pháp mô số với trợ giúp máy tính dành nhiều quan tâm nhà khoa học nước Đề tài ? ?Nghiên cứu trình vận động dịng khí đường nạp động diesel xilanh phần mềm CFD? ?? đề