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 NÓI ĐẦU Ngành hàng không 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 cô 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 tốn mơ .16 2.2 Các phƣơng trình tốn học giải tốn mô 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: Quá 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) .�m hóa rắn Tuy nhiên, hình dạng ban đầu giọt nƣớc góc tiếp xúc có ảnh hƣởng lớn đến q trình hóa rắn (Hình 27) Hình 27: Sự ảnh hƣởng góc 0 đến phát triển q trình hóa rắn hạt nƣớc giá trị Bo = -2.5,  = 0.12 Trang 37 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Hình 28: Sự ảnh hƣởng góc 0 đến phát triển chiều dài hạt nƣớc giá trị Bo = -2.5,  = 0.12 Hình 27 cho thấy ảnh hƣởng góc tiếp xúc giọt nƣớc với lạnh 0 đến trình hóa rắn phát triển biên chuyển pha Hạt nƣớc bám phía dƣới lạnh giá trị số Bo = -2.5  = 0.12 Với góc tiếp xúc 0 = 770, nhận thấy khơng xuất cổ thon thân giọt nƣớc nhƣng giọt có xu hƣớng kéo dài theo chiều trọng lực Khi tăng 0 =900, biên pha lỏng-khí thân giọt nƣớc xuất cổ thon, sau tƣợng tách hạt xảy Tại thời điểm, đối nghịch với trƣờng hợp 0 = 770, giọt nƣớc tách hạt góc tiếp xúc 0 = 1240 Vậy rõ ràng góc tiếp xúc ban đầu giọt nƣớc lạnh 0 có ảnh hƣởng lớn đến q trình hóa rắn giọt nƣớc, rõ tăng 0 làm tăng khả tách hạt Từ hình 28, ta thấy rõ đƣợc với góc tiếp xúc 0 = 900 0 = 1240 chiều dài hạt nƣớc ngắn lại tƣợng tách hạt xảy Điều hiểu giọt nƣớc bị tách phần nên lƣợng nƣớc cịn lại để đóng băng (Hình 29b,c) mà chiều dài hạt thu hẹp đột ngột nhƣ đồ thị Với Trang 38 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực trƣờng hợp 0 = 770 khơng xuất hiện tƣợng tách hạt chiều dài hạt tăng lên so với ban đầu dãn nở thể tích hạt hóa rắn Hình 29: Biên dạng mặt cắt giọt nƣớc trƣớc hóa rắn (nét đứt) sau hóa rắn (nét liền) Hình 30 tổng hợp trƣờng hợp thay đổi số Bond giá trị góc 0 thời điểm gần cuối q trình hóa rắn cho thấy chiều cao hạt nƣớc giảm tăng Bo trƣờng hợp không tách hạt với trƣờng hợp tách hạt (kí hiệu *) làm giảm chiều cao hạt nƣớc Hơn nữa, tăng 0 làm tăng chiều cao hạt sau hóa rắn với trƣờng hợp không tách hạt; ngƣợc lại với trƣờng hợp bị tách hạt chiều cao hạt giảm Trang 39 ... 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...: 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 thơn...t 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 ph