Nghiên cứu sự chuyển pha của giọt nước đọng trên cánh máy bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO VĂN KHOA NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CỦA GIỌT NƢỚC ĐỌNG TRÊN CÁNH MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN TRƢỜNG Hà Nội - 2018 LỜI NĨI ĐẦU Ngành hàng khơng khẳng định đƣợc tầm quan trọng phát triển xã hội ngày nay, kéo theo phát triển kinh tế, cơng nghệ đại tồn giới Việc nghiên cứu tƣợng xảy hàng không không đủ Đề tài “Nghiên cứu chuyển pha giọt nước đọng cánh máy bay”, đề tài mới, thiết thực vấn đề cốt lõi tƣợng băng đá xuất máy bay Luận văn cho thấy đƣợc vai trò tƣợng ngành hàng không, mở rộng phƣơng pháp mô số ứng dụng cho tƣợng nghiên cứu đóng góp phần cho khoa học Với kiến thức nhƣ kinh nghiệm nghiên cứu hạn chế, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy giáo thuộc Viện Cơ khí Động lực, trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt TS Vũ Văn Trƣờng tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức động viên, giúp đỡ em suốt thời gian hoàn thành đề tài Nghiên cứu đƣợc tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.03-2017.01 Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN Tôi – Đào Văn Khoa – Cam kết Luận văn Thạc sỹ khoa học cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn TS.Vũ Văn Trƣờng Các kết nêu Luận văn Thạc sỹ trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Luận văn Đào Văn Khoa XÁC NHẬN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn TS VŨ VĂN TRƢỜNG Mục lục MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ảnh hƣởng băng đá ngành hàng không 1.2 Các loại băng đá hình thành máy bay 1.3 Một số phƣơng pháp chống phá băng máy bay 1.4 Tình hình nghiên cứu tốn hóa rắn giọt nƣớc bề mặt lạnh .11 CHƢƠNG 2: MÔ PHỎNG HIỆN TƢỢNG 16 2.1 Bài toán mô .16 2.2 Các phƣơng trình tốn học giải tốn mơ 18 2.3 Phƣơng pháp số thông số đầu vào 20 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ 25 3.1 Nghiên cứu độ hội tụ lƣới 25 3.2 Đánh giá phƣơng pháp: 28 3.3 Kết thảo luận 29 CHƢƠNG 4: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 47 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Cp [J/(kg.K)] Nhiệt dung đẳng áp g [m/s2] Gia tốc trọng trƣờng I [-] k [W/(m.K)] Lh [J/kg] Nhiệt ẩn chuyển pha σ [N/m] Hệ số căng bề mặt n [-] p [N/m2] Áp suất q [W/m2] Thông lƣợng nhiệt T [K] Nhiệt độ R [m] Bán kính tƣơng đƣơng Rw [m] Bán kính ƣớt t [s] Thời gian u [m/s] Véc tơ vận tốc Vn [m/s] Tốc độ hóa rắn x [m] Véc tơ vị trí δ [m-3] Hàm delta ϕ0 [°] Góc tiếp xúc ban đầu hạt nƣớc với lạnh gr [°] Góc phát triển [1] μ [Pa.s] ρ [kg/m-3] τ [-] Thời gian không thứ nguyên θ [-] Nhiệt độ không thứ nguyên [-] CHỈ SỐ DƢỚI Lạnh c Ý nghĩa Hàm thị Hệ số dẫn nhiệt Véc tơ pháp tuyến đơn vị Độ nhớt động lực học Khối lƣợng riêng f [-] Biên pha g [-] Pha khí l [-] Pha lỏng m [-] Tan,chảy s [-] Pha rắn Danh mục hình ảnh Hình 1: Băng đá hình thành máy bay [2] Hình 2: Các hạt nước khơng khí [3] Hình 3: Hạt nước nhỏ đọng bề mặt lạnh [4] Hình 4: Băng đá hình thành máy bay [9] Hình 5: Băng đá máy bay – Rime ice [10] Hình 6: Băng đá máy bay – Clear ice [9] Hình 7: Phá băng máy bay sân đỗ [12] Hình 8: Chống phá băng khí nóng [13] 10 Hình 9: Phá băng khí nén [14] 10 Hình 10: Hạt nước sau hóa rắn nhiệt độ phịng [13] 11 Hình 11: Q trình đóng băng giọt nước đĩa lạnh (T = -20 ° C) [16] 12 Hình 12: Hình dạng giọt nước đá theo thời gian nhiệt độ bề mặt thử nghiệm thiết lập Tw = -2°C [19] 13 Hình 13: Hạt nước với bán kính tương đương R 16 Hình 14: Hạt nước bề mặt lạnh: (a) Thí nghiệm [16], (b) mơ hình tính tốn 17 Hình 15: Mơ hình hóa tốn 21 Hình 16: Hình dạng ban đầu giọt nước với góc tiếp xúc bề mặt lạnh khác 23 Hình 17: Cấu trúc lưới vùng gần đường ba pha 25 Hình 18: Sự biến đổi theo thời gian chiều cao trung bình biên chuyển pha (tính từ bề mặt lạnh) Hs (b) biến đổi theo thời gian số Nusselt trung bình ứng với ba lưới khác 26 Hình 19: Sự phát triển biên chuyển pha thời điểm khác q trình chuyển pha tính tốn lưới khác 27 Hình 20: So sánh mơ (trái) thực nghiệm (phải [29]) hạt nước đóng băng 28 Hình 21: Sự phát triển theo thời gian trường nhiệt độ vận tốc giai đoạn khác nhau: (a)  = 0.01, (b)  = 0.4 and (c)  = 1.04 30 Hình 22: Sự phát triển theo thời gian độ cao trung bình biên chuyển pha Hs, chiều cao hạt nước Hd, vận tốc phát triển trung bình biên chuyển pha Vna 31 Hình 23: Sự phát triển biên chuyển pha thời điểm khác với đường mức nhiệt độ 33 Hình 24: Sự phát triển theo thời gian trường nhiệt độ vận tốc giai đoạn khác q trình hóa rắn Bo = - 3.0 0= 77 34 Hình 25: Sự phát triển theo thời gian chiều cao trung bình biên chuyển pha (tính từ bề mặt lạnh) Hs độ cao hạt nước Hd 35 Hình 26: Kết hạt nước hóa rắn  = 0.176 với giá trị số Bond khác 0 = 77 36 Hình 27: Sự ảnh hưởng góc 0 đến phát triển q trình hóa rắn hạt nước giá trị Bo = -2.5,  = 0.12 37 Hình 28: Sự ảnh hưởng góc 0 đến phát triển chiều dài hạt nước giá trị Bo = 2.5,  = 0.12 38 Hình 29: Biên dạng mặt cắt giọt nước trước hóa rắn (nét đứt) sau hóa rắn (nét liền) 39 Hình 30: Ảnh hưởng góc tiếp xúc 0 số Bond lên biên dạng giọt nước giai đoạn cuối trình hóa rắn (dấu * tương ứng trường hợp tách hạt) 40 Hình 31: Ảnh hưởng góc tiếp xúc 0 số Bond tới thời gian hóa rắn giọt nước s 40 Hình 32: Mơ với trường hợp nhiều hạt nước 43 Hình 33: Mơ với dạng toán 3D, chuyển pha lớp nước bề mặt cánh máy bay 43 Danh mục bảng Bảng 1: Một số giải pháp chống phá băng [5] Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hình 1: Băng đá hình thành máy bay [2] Băng đá hình thành máy bay (Hình 1) gây ảnh hƣởng lớn đến an toàn bay Đây nguyên nhân gây nhiều vụ tai nạn thảm khốc Nhƣ vậy, đề tài nghiên cứu tƣợng băng đá hóa rắn nƣớc máy bay cần thiết Sự hóa rắn nƣớc xảy cánh máy bay có nhiều dạng khác nhƣ tạo thành lớp rắn màu trắng kết tinh hạt nƣớc đọng cánh (Hình 2) hay tạo thành lớp rắn với màu suốt kết tinh nƣớc mƣa hạt nƣớc mây Hình 2: Các hạt nƣớc khơng khí [3] Trang Luận văn thạc sĩ Chun ngành: Kỹ thuật khí động lực CHƢƠNG 4: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN  Tổng kết: Băng đá xuất máy bay có nhiều dạng khác nhau, nhƣng nguyên nhân cốt lõi tạo nên tƣợng chuyển pha giọt nƣớc đọng bề mặt máy bay Bằng việc mở rộng phƣơng pháp mô số, xây dựng tốn nghiên cứu với thơng số khơng thứ nguyên đặc trƣng cho tính động học tốn Chạy chƣơng trình tính tốn cho tốn với ảnh hƣởng yếu tố khác Kết tƣợng đem lại sát vớt thực nghiệm, thành cơng luận án Với kết nghiên cứu thu đƣợc cho thấy rõ ảnh hƣởng lực trọng trƣờng với sức căng bề mặt góc tiếp xúc hạt nƣớc với bề mặt lạnh đến q trình hóa rắn hạt nƣớc, rõ hình dạng hạt nƣớc sau q trình chuyển pha Bằng việc thay đổi góc tiếp xúc hạt nƣớc với bề mặt lạnh làm thay đổi hình dạng làm giảm, làm lƣợng băng đá bám vào bề mặt lạnh Đây tiền đề để tạo bề mặt chống hạn chế băng đá xuất bề mặt máy bay Với việc dùng mô số vào tốn đóng góp phần cho nhiều toán nghiên cứu khoa học đại ngày  Hƣớng phát triển: - Hiện tại, đề tài nghiên cứu chuyển pha giọt nƣớc, chƣa kể đến ảnh hƣởng số yếu tố khác nhƣ nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, đối lƣu tự nhiên Do hƣớng phát triển toán xem xét chuyển pha giọt nƣớc với ảnh hƣởng đối lƣu tự nhiên, (tức có kể đến ảnh hƣởng nhiệt độ thay đổi mơi trƣờng xung quanh) - Bài tốn hiên giới hạn giọt nƣớc, hƣớng mơ q trình hóa rắn hạt, (tức mơ q trình chuyển pha nhiều hạt lúc (Hình 32)) Trang 42 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Hình 32: Mơ với trƣờng hợp nhiều hạt nƣớc Hình 33: Mơ với dạng tốn 3D, chuyển pha lớp nƣớc bề mặt cánh máy bay - Trên thực tế tƣợng chuyển pha nƣớc bề mặt máy bay đƣợc tạo nên lớp nƣớc bề mặt Vì vậy, trƣờng hợp khác mô Trang 43 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực chuyển pha lớp nƣớc (Hình 33) Khi đó, địi hỏi cần có phát triển phƣơng pháp cho tốn 3D Và ta áp dụng vào mơ hình điều kiện ảnh hƣởng nhƣ dòng cƣỡng bức, nhiệt độ thay đổi - Với tƣợng ngƣợc, tức tƣợng tan chảy băng Ta có mơ trình làm tan băng thiết bị chống phá băng Đây trƣờng hợp hoàn toàn áp dụng với tốn Trang 44 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T V Vu, G Tryggvason, S Homma, J C Wells, and H Takakura, “A front-tracking method for three-phase computations of solidification with volume change,” J Chem Eng Jpn., vol 46, no 11, pp 726–731, 2013 [2] Colin Cutler, “How To Get Perfectly Clear Ice On Your Airplane Boldmethod,” http://www.boldmethod.com/learn-to-fly/weather/how-to-get-perfectly-clear-ice-onyour-airplane/ [3] “Aircraft Icing - NOAA,” www.crh.noaa.gov/Image/lmk/Brian%20S/LMK_Icing_Show.pdf [4] L Huang, Z Liu, Y Liu, Y Gou, and L Wang, “Effect of contact angle on water droplet freezing process on a cold flat surface,” Exp Therm Fluid Sci., vol 40, pp 74–80, Jul 2012 [5] William M Leary, “We Freeze to Please: A History of NASA’s Icing Research Tunnel and the Quest for Flight Safety (The NASA history series) Hardcover – February 1, 2002,” https://www.amazon.com/We-Freeze-Please-HistoryResearch/dp/B0006RVKHE [6] “Chapter 15: Ice and Rain Protection - FAA,” https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/amt_airframe _handbook/media/ama_Ch15.pdf [7] Dr HuiHU - Advanced Flow Diagnostics and Experimental Aerodynamics Laboratory, “An Experimental Investigation on An Experimental Investigation on Surface Water Transport and Ice Surface Water Transport and Ice Accreting Process Pertinent to Accreting Process Pertinent to Wind Turbine Icing Phenomena.,” https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/54727/1_Hu.pdf;sequence=1 [8] C Tropea et al., “Physics of aircraft icing: A predictive challenge,” in ICHMT DIGITAL LIBRARY ONLINE, 2015 [9] “Democratic Underground - A not-so-brief primer on aircraft de-icing and anti-icing Democratic Underground,” https://www.democraticunderground.com/discuss/duboard.php?az=show_mesg&foru m=389&topic_id=5072543&mesg_id=5072543, Feb-17-09 [10] Mike, “Rime ice on the radome of a CRJ (photo credit: Jack Lampe),” http://training.deicinginnovations.com/?attachment_id=737 [11] Mipt90, “Các giải pháp kỹ thuật chống xuất băng máy bay,” https://mipt90.wordpress.com/2013/12/31/cac-giai-phap-ky-thuat-chong-xuat-hienbang-tren-may-bay/ [12] Airport Lifestyle, “Tis the Season: De-Icing an airplane - Airport Lifestyle,” http://airportlifestyle.com/de-icing-an-airplane/ [13] “Aircraft systems: Wing and Horizontal and Vertical Stabilizer Anti-Icing Systems Thermal Pneumatic Anti-icing,” http://okigihan.blogspot.com/2017/05/wing-andhorizontal-and-vertical.html [14] “Aircraft systems: Wing and Stabilizer Deicing Systems,” Aircraft systems [15] D M Anderson, M G Worster, and S H Davis, “The case for a dynamic contact angle in containerless solidification,” J Cryst Growth, vol 163, no 3, pp 329–338, Jun 1996 Trang 45 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực [16] O R Enríquez, Á G Marín, K G Winkels, and J H Snoeijer, “Freezing singularities in water drops,” Phys Fluids, vol 24, no 9, p 091102, Sep 2012 [17] J H Snoeijer and P Brunet, “Pointy ice-drops: How water freezes into a singular shape,” Am J Phys., vol 80, no 9, pp 764–771, 2012 [18] X Zhang, X Wu, and J Min, “Freezing and melting of a sessile water droplet on a horizontal cold plate,” Exp Therm Fluid Sci., vol 88, pp 1–7, Nov 2017 [19] H Hu and Z Jin, “An icing physics study by using lifetime-based molecular tagging thermometry technique,” Int J Multiph Flow, vol 36, no 8, pp 672–681, Aug 2010 [20] Z Jin, X Cheng, and Z Yang, “Experimental investigation of the successive freezing processes of water droplets on an ice surface,” Int J Heat Mass Transf., vol 107, pp 906–915, Apr 2017 [21] M Nauenberg, “Theory and experiments on the ice–water front propagation in droplets freezing on a subzero surface,” Eur J Phys., vol 37, no 4, p 045102, 2016 [22] X Zhang, X Wu, J Min, and X Liu, “Modelling of sessile water droplet shape evolution during freezing with consideration of supercooling effect,” Appl Therm Eng., vol 125, pp 644–651, Oct 2017 [23] W W Schultz, M G Worster, and D M Anderson, “Solidifying Sessile Water Droplets,” in Interactive Dynamics of Convection and Solidification, Springer, Dordrecht, 2001, pp 209–226 [24] A Virozub, I G Rasin, and S Brandon, “Revisiting the constant growth angle: Estimation and verification via rigorous thermal modeling,” J Cryst Growth, vol 310, no 24, pp 5416–5422, Dec 2008 [25] G Chaudhary and R Li, “Freezing of water droplets on solid surfaces: An experimental and numerical study,” Exp Therm Fluid Sci., vol 57, pp 86–93, Sep 2014 [26] H Zhang, Y Zhao, R Lv, and C Yang, “Freezing of sessile water droplet for various contact angles,” Int J Therm Sci., vol 101, pp 59–67, Mar 2016 [27] J Han and G Tryggvason, “Secondary breakup of axisymmetric liquid drops I Acceleration by a constant body force,” Phys Fluids, vol 11, no 12, pp 3650–3667, Nov 1999 [28] G Tryggvason, R Scardovelli, and S Zaleski, Direct Numerical Simulations of Gas– Liquid Multiphase Flows Cambridge University Press, 2011 [29] Z Jin, S Jin, and Z Yang, “Visualization of icing process of a water droplet impinging onto a frozen cold plate under free and forced convection,” J Vis., vol 16, no 1, pp 13–17, Feb 2013 [30] Phạm Văn Huấn, Lập trình tính tốn KHKT với ngơn ngữ Fortran Hà Nội: Nhà xuất ĐHQG Hà Nội Trang 46 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực PHỤ LỤC  Bài báo :“ Numerical simulation of freezing of a water drop attaching to a cold plate”, tác giả: “Truong V.Vu, Khoa V.Dao, Binh D.Pham”, đƣợc đăng tạp chí Journal of Mechanical Science and Technology [ISI, IF 1.128 (năm 2016)] Trang 47 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 48 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 49 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 50 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 51 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 52 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 53 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 54 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 55 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Trang 56 ... nƣớc nhỏ đọng bề mặt lạnh [4] Nhƣ vậy, điểm cốt lõi toán cần đƣợc giải hóa rắn giọt nƣớc đọng cánh (Hình3) Do đề tài ? ?Nghiên cứu chuyển pha giọt nƣớc đọng cánh máy bay? ?? giải tốn chuyển pha (hóa... tồn giới Việc nghiên cứu tƣợng xảy hàng không không đủ Đề tài ? ?Nghiên cứu chuyển pha giọt nước đọng cánh máy bay? ??, đề tài mới, thiết thực vấn đề cốt lõi tƣợng băng đá xuất máy bay Luận văn cho... tƣợng phạm vi nghiên cứu Mục đích đề tài nghiên cứu trình chuyển pha hạt nƣớc đọng cánh máy bay cánh máy bay nhiệt độ dƣới nhiệt độ chuyển pha nƣớc phƣơng pháp tính tốn số Cụ thể, đề tài hƣớng tới