Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các phương pháp số giải bài toán thông thoáng bằng đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức. Phát triển các phương pháp số thích hợp để giải bài toán. Giải các bài toán cụ thể trong môi trường ở và làm việc.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *** Nguyễn Thị Thủy MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THƠNG THỐNG VÀ CHẤT LƢỢNG KHƠNG KHÍ TRONG MƠI TRƢỜNG Ở VÀ LÀM VIỆC Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng Mã số : 62 44 01 08 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2017 Công trình hồn thành Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam - Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Trản TS Bùi Thanh Tú - Phản biện 1: - Phản biện 2: - Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp sở chấm luận án tiến sĩ họp Có thể tìm luận văn tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm thông tin - Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Bài tốn thơng thống tốn thủy động lực học tính tốn ứng dụng Bài tốn quy mơ lớn thơng thống bên tịa nhà nhà máy, quy mơ vừa thơng thống phịng chức quy mơ bé làm mát thiết bị điện tử máy móc phức tạp máy tính chẳng hạn Ngồi việc thơng thống hầm lị hay đường hầm lĩnh vực nghiên cứu nhiều Gần gũi với tốn thơng thống tốn lưu thơng khơng khí đối lưu tự nhiên vùng lớn khu đô thị toán lan truyền tạp chất Đối tượng hướng đến luận án không gian sống làm việc Như biết, chất lượng khơng khí môi trường làm việc ảnh hưởng đến sức khỏe thoải mái người Vì việc thơng thống khơng gian sống, tạo bầu khơng khí để làm việc hiệu vơ cần thiết Kiểm sốt nguồn khơng khí, lọc sử dụng hệ thống thơng gió để làm giảm bớt nhiệt độ chất gây ô nhiễm phương pháp nhằm tăng chất lượng khơng khí hầu hết tòa nhà Do nghiên cứu truyền nhiệt (chất thải) đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng giới quan tâm nhiều Ngoài ý nghĩa nghiên cứu lý thuyết tốn truyền nhiệt (chất thải) kết thu áp dụng cho không gian cụ thể sử dụng để tham khảo thiết kế xây dựng tịa nhà xí nghiệp Xuất phát từ lý nêu trên, luận án chọn đề tài “một số vấn đề thơng thống chất lƣợng khơng khí mơi trƣờng làm việc” làm nội dung nghiên cứu Mục tiêu luận án Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp số giải tốn thơng thống đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng Phát triển phương pháp số thích hợp để giải toán Giải toán cụ thể môi trường làm việc Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Luận án tập trung nghiên cứu lan truyền nhiệt (chất thải) khơng gian thơng thống hình chữ nhật (2 chiều) miền hình hộp (ba chiều) Luận án tương tác hai loại dịng thơng thống đối lưu tự nhiên, đồng thời xác định ảnh hưởng hai loại điều kiện biên vị trí cửa hút – cửa xả đến hiệu thơng thoáng Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa đường đặc trưng Galerkin phương pháp sai phân hữu hạn (kỹ thuật ADI kỹ thuật tách thời gian dựa sơ đồ Samarski) để mơ số tốn thơng thống hai chiều ba chiều Bố cục luận án Luận án gồm: mở đầu, bốn chương, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục Nội dung chương trình bày đây: Chƣơng 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu tốn thơng thống Phân tích vấn đề nghiên cứu, vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Từ đề xuất mục tiêu, nội dung phương pháp luận án Chƣơng 2: Nêu số vấn đề mơ hình tốn tốn thơng thống phương pháp giải số bao gồm: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn phương pháp đa lưới phi tuyến Chương trình bày ngắn gọn phương pháp số áp dụng luận án cho nghiên cứu vấn đề đặt Chƣơng dành để trình bày số kết tốn thơng thống hai chiều Trong chương này, chúng tơi tương tác hai loại dòng: chuyển động dừng chuyển động khơng dừng miền kín hai chiều Mô số tiến hành với vài giá trị số Re R a cho hai trường hợp cửa hút cửa xả Một vài đặc điểm thú vị dịng khơng khí tìm thấy, đồng thời tính lượng nhiệt tỏa từ nguồn nhiệt lượng nhiệt lấy khỏi phịng, từ đến kết luận ảnh hưởng điều kiện biên đến hiệu thơng thống Trong chƣơng 4, đưa số kết tốn thơng thống ba chiều Tiến hành mô số cho lan truyền chất thải kèm với đối lưu tự nhiên miền hình hộp Hình hộp coi bếp nơi làm việc (phân xưởng sản xuất), nơi mà số nguồn nhiệt chất thải đồng thời hoạt động Mục đích mơ số để hiểu trình lan truyền chất thải miền hình hộp ảnh hưởng chuyển động đối lưu đồng thời xem xét vị trí cửa hút - cửa xả ảnh hưởng đến hiệu thơng thống Kết mơ hữu ích cho việc thiết lập sơ đồ thơng thoáng hiệu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đối lƣu tự nhiên đối lƣu cƣỡng Đối lưu tượng liên quan tới truyền nhiệt chất lỏng Đó cách thức trao đổi nhiệt phổ biến tự nhiên kỹ thuật Nguyên nhân hình thành đối lưu tự nhiên chênh lệch nhiệt độ dẫn đến thay đổi mật độ lòng chất lỏng Khác với đối lưu tự do, đối lưu cưỡng bị ảnh hưởng lực tác động bên khác, chẳng hạn chuyển động chất lỏng lò phản ứng xảy tác động đối lưu nhiệt lực hút bơm 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu Do tính phức tạp chuyển động đối lưu nhiệt nên toán giải chủ yếu dựa phương pháp số CFD đóng góp 70% cơng bố mơ luồng khơng khí khơng gian thơng thống Hai phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng chủ yếu cho CFD lĩnh vực Bên cạnh đó, nhà nghiên cứu sử dụng mạnh mẽ gói CFD thương mại để có lời giải số tốn Trong số gói phần mềm Fluent tỏ hiệu việc mơ số dịng chảy khơng khí ba chiều khơng gian có hình dạng phức tạp Ngồi ra, mơ hình k ε sử dụng để mơ hình hóa chuyển động rối khơng khí khơng gian kín số Re vừa phải 1.2.2 Các nghiên cứu truyền nhiệt miền hình chữ nhật Trong năm gần đây, nhiều nghiên cứu đơn giản hóa miền thơng thống hình chữ nhật thực Một phần nghiên cứu liên quan đến đối lưu cưỡng bức, đối lưu tự nhiên đối lưu hỗn hợp Các nghiên cứu đối lưu hỗn hợp trình bày tài liệu tham khảo chủ yếu tập trung vào cấu hình cụ thể cửa hút cửa xả bề mặt thẳng đứng cho vài giá trị số Reynolds số Prandtl cụ thể 1.2.3 Các nghiên cứu truyền nhiệt miền hình hộp chữ nhật Bài toán chuyển động đối lưu nhiệt tự miền khép kín ba chiều có ý nghĩa lý thuyết thực tiễn cao nên nghiên cứu từ năm 70 kỉ trước Trong nghiên cứu đó, chuyển động đối lưu tạo nên từ việc hai mặt bên hình hộp cấp nhiệt khơng đốt nóng mặt hình hộp Các tác giả sử dụng phương pháp số, kết tính tốn có độ phân giải cao phạm vi số Ra khoảng 103 106 1.3 Các kết đạt đƣợc từ cơng trình cơng bố nƣớc quốc tế Các nghiên cứu miền hình chữ nhật ảnh hưởng vị trí cửa hút – cửa xả đến hiệu thơng thống, tìm vị trí cửa hút – cửa xả cho hiệu thơng thống tốt trường hợp cụ thể, đồng thời ảnh hưởng thông số số Re, số Richardson, đến trường dịng Kết từ cơng trình nghiên cứu truyền nhiệt miền hình hộp tồn dòng chảy dừng tuần hoàn theo thời gian với điều kiện biên đồng 1.4 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu luận án Một mục tiêu luận án nghiên cứu tương tác thơng thống đối lưu để xác định loại dịng hợp thành (dừng, tuần hồn hay giả tuần hoàn) phụ thuộc vào mối quan hệ tốc độ cung cấp khí ( Re ) cường độ nguồn nhiệt (Ra) Tất mơ số có liên quan áp dụng điều kiện đồng cho tất biến dòng chảy cửa xả Lưu ý điều kiện thường tự nhiên so với điều kiện cho chúng tường cửa hút Trong thực tế, thời điểm nào, tất biến dòng khó đồng tất mặt cắt ngang cửa xả Vì luận án đặt lại điều kiện biên cửa xả cho hợp lý Mặt khác, điều kiện biên, đặc biệt điều kiện biên cửa xả ảnh hưởng đến khả truyền nhiệt (khối lượng) dòng khơng khí Mục tiêu luận án nghiên cứu ảnh hưởng hai loại điều kiện biên khác đến hiệu loại bỏ nhiệt chất thải khỏi miền thơng thống cách so sánh tổng lượng nhiệt (chất thải) từ nguồn với lượng nhiệt (chất thải) tức thời lấy qua cửa xả Trong trường hợp ba chiều, với việc đặt lại điều kiện biên cửa xả hợp lý hơn, mục tiêu luận án tìm dạng dịng chảy để xem trường hợp ba chiều dạng chuyển động khơng khí chuyển động dừng, tuần hoàn, giả tuần hoàn phát trường hợp hai chiều có cịn tồn hay khơng chế độ dịng thơng thống có số Re khơng lớn Bên cạnh đó, nghiên cứu ảnh hưởng nguồn nhiệt khơng đồng đến q trình lan truyền chất thải quy luật phân bố nồng độ tạp chất ảnh hưởng dòng đối lưu Cuối cùng, nghiên cứu ảnh hưởng vị trí cửa hút, cửa xả đến hiệu loại bỏ nhiệt chất thải khỏi miền thơng thống CHƢƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MƠ HÌNH TỐN CỦA BÀI TỐN THƠNG THOÁNG VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI SỐ Nội dung chương trình bày ngắn gọn phương pháp số áp dụng luận án bao gồm: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn phương pháp đa lưới phi tuyến Dạng không thứ nguyên hệ phương trình Navier – Stock xấp xỉ Boussinesq bao gồm: Trong trường hợp hai chiều: u1 u2 x1 x2 (2.75) u1 u u p 2u1 2u1 u1 u2 t x1 x2 x1 Re x12 x22 (2.76) u2 u u p 2u2 2u2 Gr u1 u2 T t x1 x2 x2 Re x12 x2 Re (2.77) T T T 2T 2T u1 u2 t x1 x2 Pr Re x12 x22 (2.78) Trong trường hợp chiều u u u u p 2u 2u 2u u v w , t x y z x Re x y z (2.205) v v v v p v v v u v w , t x y z y Re x y z (2.206) w w w w p w w w u v w t x y z z Re x y z Gr Gr T c2 C , Re Re u v w 0, x y z (2.207) (2.208) T T T T 2T 2T 2T u v w , t x y z Pr x y z C C C C 2C 2C 2C u v w t x y z Sc x y z (2.209) (2.210) tx uxx vyx wzx x u x y u y z u z Gr Gr xxx yyx zzx Ty c2 C y , Re Re Re y y y y x y z t ux vy wz vx v y vz Gr Gr xxy yyy zzy Tx c2 Cx , Re Re Re tz uxz vyz wzz x wx y wy z wz (2.211) (2.212) xxz yyz zzz Re uxx u yy uzz zy yz , (2.214) vxx vyy vzz xz zx , (2.215) wxx wyy wzz yx xy (2.216) (2.213) phương trình từ (2.211) đến (2.216) tích phân để xác định véc tơ xốy véc tơ vận tốc tốn in , out1 , out độ rộng cửa hút, cửa xả bên phải cửa xả trần Điều kiện (3.4), (3.5) thiết lập để giữ bảo tồn khối lượng dịng khơng khí xấp xỉ Boussinesq Điều kiện cho nhiệt độ cửa xả: Ti n Ti n 1 , Cin Cin 1 (3.6) Ti , C nhiệt độ nồng độ chất thải bước thời gian thứ n , i 1,2 tương ứng cửa xả bên phải cửa xả trần Ti n 1 , Cin 1 nhiệt độ nồng độ chất thải trung bình cửa xả i bước thời gian trước Lưu ý điều kiện (3.6) phù hợp điều kiện đồng nhiệt độ mà nhà nghiên cứu khác hay sử dụng Điều kiện (3.6) giúp tính lượng nhiệt lấy qua cửa xả bước thời gian u v 0, Tại nguồn nhiệt: (3.7a) n n i T 1, C (3.7b) 3.2 Các kết thảo luận Nghiệm hệ phương trình từ (2.75) – (2.78) với điều kiện biên (3.2) – (3.7) điều kiện đầu (3.8) u v T C t 0 0, giải phương pháp FEM dựa sơ đồ CBS Chương trình tính tốn viết ngơn ngữ Fortran 3.2.1 Một số đặc điểm chuyển động khơng khí đƣợc gây thơng thống nguồn nhiệt miền kín hai chiều Để ghi lại thay đổi thơng số dịng chảy u , v , T ta chọn bảy điểm miền tính tốn P1 1.0,0.5 , P2 1.5,0.3 , P3 1.5,0.8 , P4 1,0.8 , P5 0.5,0.8 , P6 1,0.3 P7 0.5,0.3 Trong P1 điểm phịng Trước tiên ta xét trường hợp khơng có nguồn nhiệt phịng Kết mô số cho thấy trường hợp dịng khơng khí miền thơng thống ln chuyển động không dừng số Re nhỏ 10 u 1.3 1.6 A A 0.6 0.3 -0.7 v 50 100 -0.4 50 B a/ 100 B -1.7 b/ -1.4 Hình 3.4 Sự thay đổi vận tốc điểm P1 , Re 20 Tiếp theo xét đối lưu nguồn nhiệt sàn hình 3.1 Trong trường hợp phịng khép kín khơng có cửa hút cửa xả Với Ra 105 Ra 106 đối lưu bắt đầu dừng sau thời gian ngắn, số Ra 107 điều khơng cịn T T 0.20 0.12 0.10 0.15 0.10 0.05 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.0 0.8 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Hình 3.7 Nhiệt độ điểm P1 (trái) điểm P7 (phải) (1: Ra 10 , 2: Ra 10 , 3: Ra 10 ) Cuối xem xét chuyển động dịng khơng khí gây đồng thời thơng thống đối lưu tự nhiên miền hình 3.1 Nhìn vào hình 3.10 ta thấy trường hợp B dịng khơng khí dừng Ra 105 Ra 107 không dừng Ra 108 , trường hợp A dòng dừng Ra 105 Tất nghiệm khơng dừng dường giả tuần hồn, nghiệm tương ứng với Re 103 Ra 107 trường hợp A tuần hoàn 11 v u 1.0 0.5 0.0 a/ 20 40 60 80 100 -0.5 v u 1.3 0.8 0.3 b/ -0.2 20 40 60 80 100 Hình 3.10 a) Thành phần vận tốc u , v điểm P1 cho A với Re 10 , Ra 10 (1), Ra 107 (2), Ra 108 (3); b) tương tự cho B 6.E+06 4.E+06 l Ra 2.E+06 0.E+00 -200 Re 200 400 600 800 1000 1200 Hình 3.15 Miền chuyển động dừng dịng hợp thành Mơ số đối lưu tự nhiên ( Re ) dừng Ra 5.106 Với Re 103 , tồn giá trị giới hạn R a mà giá trị dịng hợp thành cịn chuyển động dừng Giá trị giới hạn giảm Re tăng Kết tính tốn cho thấy Re 103 dịng ln chuyển động khơng dừng 3.2.2 Ảnh hƣởng điều kiện biên đến hiệu loại bỏ nhiệt chất thải khỏi miền thơng thống Bây giờ, xem xét kết mô tập trung vào ảnh hưởng điều kiện biên (3.2b) (3.2c) đến hiệu thơng thống Từ hình 3.20a ta thấy cửa xả trần nhà (trường hợp C) giúp giảm T C vài lần so với trường hợp A hỗ trợ dòng chảy đạt trạng thái dừng nhanh Một kết rút từ hình 3.20a điều kiện (3.2b) làm cho T có giá trị nhỏ chút so với C điều 12 kiện (3.2c) hai trường hợp A C Từ hình 3.20b ta thấy nhiệt độ trung bình dịng chảy dao động nhỏ nhiệt độ trung bình dịng dừng (đường số nằm bên đường 1) 0.15 0.03 0.10 0.01 50 0.01 0.00 0.02 a/ 0.03 0.02 0.05 0.04 100 b/ 50 100 c/ 50 100 Hình 3.20 (a) Dao động nhiệt độ, chất thải trung bình phòng với Re 10 , Gr 105 , A (3 – nhiệt độ, – chất thải), C (1 – nhiệt độ, – chất ô thải), (b) dao động 5 nhiệt độ trung bình phịng A (1 - Re 10 , Gr 10 , - Re 10 , Gr 10 , - Re 103 , Gr 107 ), (c) dao động nhiệt độ trung bình phịng B (1 - Re 103 , Gr 105 , - Re 103 , Gr 107 , – C, Re 103 , Gr 105 ) 2.0 2.0 1 1.5 1.0 1.0 0.5 0.0 a/ 0.0 20 40 60 80 100 b/ 50 100 Hình 3.22 Sự biến thiên (dịng nhiệt /chất thải) vào với Re 10 , Gr 10 , (a) trường hợp A: – vào, – ra, (b) trường hợp C: – vào, - Xét ảnh hưởng điều kiện (3.2b) (3.2c) dòng vào dịng cách phân tích tỷ lệ (dịng nhiệt/dòng chất thải) vào cho trường hợp giống với giá trị số Re Gr Hình 3.22 cho thấy thay đổi tỷ lệ cho trường hợp A C Như hình 3.22 dịng nhiệt vào ln ln lớn dịng chất thải thời điểm 13 CHƢƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÀI TỐN THƠNG THỐNG BA CHIỀU 4.1 Mơ hình tốn ba chiều z y S2 S3 S4 S1 S4 x Hình 4.1 Hộp với mặt đáy chia thành miền với điều kiện biên khác nhiệt độ chất thải Xét miền thơng thống hình hộp có chiều dài L Sau đưa dạng khơng thứ ngun trở thành hộp đơn vị Để nghiên cứu ảnh hưởng nguồn nhiệt không đồng đáy hộp đến trình lan truyền chất thải chia mặt đáy hộp thành số phần dọc theo trục ox (hình 4.1) Các tỷ lệ diện tích S1 , S2 , S3 S so với đáy là: 1/16, 3/8, 3/8 3/16 Nguồn chất thải chiếm toàn miền S1 Các điều kiện biên cho hệ phương trình từ (2.205) – (2.216) thiết lập sau: u v w all sides (4.1a) u v w all sides Si So 0; Si : v w 0, u 1; So : v w 0, u Si / So u v w all sides Si So 0; Si : u w 0, v 1; 14 (4.1b) So : u w 0, v Si / So (4.1c) (4.1a) áp dụng cho tốn đối lưu tự nhiên, (4.1b) cho đối lưu hỗn hợp có cửa hút mặt bên trái, cửa xả mặt bên phải, (4.1c) cho trường hợp dịng thơng thống có hướng từ mặt trước mặt sau Từ (*) (4.1) điều kiện biên cho thành phần xoáy thiết lập sau: x y z Sl , SR 0, x 0, y SF , SK SB , ST SF , SB SL , SR 0, z SL , SR wy , x SB , ST wx , y vx , z vz , (4.2) uz , (4.3) u y (4.4) S B , ST SF , SK Điều kiện biên cho nhiệt độ chất thải (khơng có dòng nhiệt dòng chất thải qua biên cứng): Tn Cn Tn Cn Tn So SF SK SL SR ST S F S K S L S R ST Si So kT T Tn Cn S2 So T out 1, T S2 , S3 , S4 T ,C S3 , S4 T 1, S1 kC C So C out , 0, S1 (4.5a) 0, T C Si 0, n So 0, Cn S1 0, 1, (4.5b) (4.6) (4.7) (4.8a) (4.8b) (4.5a) dùng cho đối lưu tự nhiên, (4.5b) cho đối lưu hỗn hợp Theo (4.6) S miền nóng cịn S3 , S miền mát Điều kiện (4.8a) (4.8b) có nghĩa nguồn gây thải S1 „nóng‟ „mát‟ tương ứng Hầu hết cơng trình có liên quan đến mơ số tốn loại bỏ nhiệt chất thải từ miền kín áp dụng điều kiện đồng cho 15 tất biến cửa xả Đối với tốn chúng tơi điều kiện (4.5b) phù hợp Không điều kiện (4.5b) cịn hỗ trợ tính tốn tổng lượng nhiệt chất thải lấy qua cửa xả thông qua số Nusselt số Shewood tương ứng Như biết giá trị tính cách tích phân dịng nhiệt chất thải qua cửa xả Vì ta có: Nu Tn ds; Sh Cn ds So (**) So Bài toán dòng đối lưu tự nhiên với nguồn thải bên hộp bao gồm phương trình từ (2.211) - (2.216) ( Re ), phương trình (2.209), (2.210), điều kiện biên (4.1a), (4.2) – (4.4), (4.5a), (4.6), (4.7) (4.8a) (4.8b) Cho toán đối lưu hỗn hợp, ta có hệ phương trình tương tự (nhưng Re ), điều kiện biên bao gồm (4.1b) (4.1c), (4.5) – (4.7), (4.8a) (4.8b) Ta ký hiệu toán bao gồm điều kiện (4.8a) toán A, toán với điều kiện (4.8b) toán B 4.2 Các kết thảo luận 4.2.1 Sự lan truyền chất thải hình hộp đối lƣu tự nhiên Mô số thực cho trường hợp chất thải CO2 lan truyền đối lưu tự nhiên hộp chứa đầy khơng khí Số Gr lấy khoảng từ 104 5.105 Grc lấy cố định 105 Một đặc điểm chung phổ biến mà kết mô số nghiên cứu [43] – [49] có tồn dòng dừng số Ra vừa phải điều kiện biên cho nhiệt trường hợp khác với điều kiện biên nghiên cứu Hơn chuyển động đối lưu tự nhiên nghiên cứu tương tác với q trình lan truyền chất thải Các thơng số dòng chảy ghi lại ba điểm P1 0.5,0.5,0.175 , P2 0.5,0.5,0.5 , P3 0.5,0.5,0.875 giúp xác định loại chuyển động dừng hay không dừng 16 20.0 0.6 v1 15.0 0.5 10.0 T1 0.4 w1 5.0 0.3 u1 u2 0.0 0.0 0.5 T2 u3 1.0 w3 1.5 10C1 0.2 2.0 v2 -5.0 10C3 T3 w2 -10.0 0.1 10C2 v3 0.0 -15.0 A 8.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.30 V1 6.0 100C1 0.25 4.0 w3 0.20 2.0 u1 0.0 0.0 0.5 u2 1.0 u3 w2 1.5 -2.0 0.15 T2 2.0 0.10 T1 v2 100C3 -4.0 0.05 -6.0 -8.0 -10.0 T3 w1 100C2 0.00 v3 0.0 B 0.5 1.0 1.5 2.0 -0.05 Hình 4.2 Sự thay đổi thành phần vận tốc u, v, w , nhiệt độ T chất thải C điểm P1 , P2 , P3 với Gr 2.10 , Grc 10 A: tốn A, B: tốn B Hình 4.2 thể thay đổi theo thời gian vận tốc, nhiệt độ nồng độ chất thải điểm Các dòng chảy hai toán trở nên dừng sau khoảng thời gian tương đối ngắn Ảnh hưởng điều kiện biên (4.20) tới lượng chất thải phát sinh từ nguồn S1 thể rõ hình 4.2 Lượng chất thải toán A ( S1 phát sinh nhiệt chất thải) lớn gấp gần 10 lần toán B (khơng có nhiệt phát từ S1 ) Điều hợp lý nhiệt ln hỗ trợ phát sinh lan truyền chất thải Mặt khác toán A, trục đối xứng hộp nhiệt độ giảm từ điểm P1 đến điểm P3 với tốn B T2 T1 T3 Điều hồn tồn tốn A khơng khí nóng lên trực tiếp từ miền S1 , cịn tốn B lớp khơng khí tiếp giáp với S1 luôn tương đối mát ổn định Rayleigh – Taylor Cấu trúc dòng chảy thay đổi Gr tăng lên 2.105 Hình 4.4 cho thấy với Gr 2.105 , Grc 105 dịng chảy tốn A rõ ràng khơng dừng cịn dịng chảytrong tốn B chuyển động tuần hoàn theo thời gian 17 0.7 100 v 0.5 50 10*C 0.3 -50 T 0.0 u 0.5 w 1.0 0.1 -0.1 0.0 -100 w T 20 0.10 v 0 -40 1.0 0.15 40 -20 0.5 A 0.05 10 u 10*C 0.00 B 10 Hình 4.4 Sự thay đổi thành phần vận tốc, nhiệt độ nồng độ chất thải với Gr 2.105 , Grc 105 A: toán A, B: tốn B Hình 4.8 Bài tốn A: Các đường đẳng nhiệt (ba hình đầu) chất thải mặt x 0.875, z 0.125 z 0.875 với Gr 2.105 , Grc 105 Quan tâm phân bố chất thải đáy hộp có có nguồn nhiệt không đồng từ bên thể 18 điều kiện (4.6) (4.8) Các mô nguồn chất thải phát sinh từ miền S1 liên tục thời điểm lượng chất thải miền có nhiệt độ cao đáy hộp lớn so với miền có nhiệt độ tương đối thấp Hình 4.8 phân bố nhiệt độ chất thải ba mặt x 0.875, z 0.125 z 0.875 Lưu ý miền nóng x 1,0.625 y , miền mát x 1, y 0.625 Sự phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang hợp lý Cụ thể nhiệt độ khơng khí miền nóng cao miền mát, gradient nhiệt độ theo hướng y giảm, theo hướng z tăng chuyển động đối lưu hộp Hình 4.8 cho thấy phân bố chất thải có đặc điểm tương tự nhiệt độ 4.2.2 Ảnh hƣởng vị trí cửa hút - cửa xả đến hiệu loại bỏ nhiệt chất thải Bây đưa dịng chảy thơng thống vào chuyển động đối lưu xét mục 4.3.1 Hệ thống thông thoáng gồm cửa hút cửa xả đặt hai mặt đối diện trái - phải hay trước - sau Đặt trường hợp X-X Y-Y tương ứng Cửa hút cửa xả hình vng có chiều dài L Cửa hút đặt mặt trái mặt trước ba vị trí có độ cao từ sàn đến mép mặt , 3L 3L Các vị trí ký hiệu chữ L, M, H tương ứng Ta xét ba vị trí tương tự cho cửa xả mặt đối diện Như cho hai trường hợp X-X Y-Y có tổng cộng mười tám trường hợp vị trí cửa hút – cửa xả Ký hiệu LM cho trường hợp cửa hút bên – cửa xả giữa, LL cho trường hợp cửa hút bên – cửa xả bên dưới,… Kết bảng 4.1 cho thấy rằng, với tốc độ thơng thống vừa phải theo hướng X-X, vị trí LL, HL lựa chọn tốt cho hai tốn vị trí HL, HM tốt cho tốn B số Reynolds cao Theo hướng thơng thống Y-Y vị trí LL, ML, HL có hiệu loại bỏ gần tương đương Nếu mục đích loại bỏ chất thải vị trí LM, MM HM lựa chọn 19 Bảng 4.1 Hiệu loại bỏ nhiệt chất thải vị trí cửa hút – cửa xả khác so với vị trí LL Để so sánh hiệu loại bỏ theo hướng X-X Y-Y, chia Nu Sh cho vị trí cửa hút - cửa xả tương ứng Kết trình bày bảng 4.2 Với Re 150 dịng khơng khí tất 36 cấu hình dừng giả dừng Vì với vị trí cửa hút – cửa xả lượng nhiệt loại bỏ theo hướng Y-Y lớn theo hướng X-X Điều phù hợp theo vị trí nguồn nhiệt hình 4.1, dịng thơng thống theo hướng Y-Y chứa nhiều khơng khí “nóng” theo hướng X-X Một kết liên quan đến vấn đề loại bỏ chất thải, tốn A: vị trí có cửa xả thấp cho hiệu loại bỏ tốn B, điều xảy với ba vị trí có cửa xả cao Nói chung tốc độ thơng thống thấp tốn xét hướng X-X lựa chọn tốt 20 Bảng 4.2 So sánh hiệu loại bỏ theo hướng X-X Y-Y Với Re 200 , vài vị trí cửa hút – cửa xả có dịng chảy trở nên không dừng thay đổi tốc độ hỗ trợ khuếch tán nhiệt Vì điều kiện dịng khơng dừng xuất nhiều dịng dừng Các kết mơ cho thấy rằng, ba vị trí LH, HM, HH tốn A MH, HM tốn B có thay đổi tham số dòng chảy theo hướng X-X lớn so với hướng Y-Y Điều thể bảng 4.2 Các giá trị ô giao cột với hàng 6, 11, 12 lớn Tương tự toán B, giá trị ô giao cột với hàng 11 lớn Các kết bảng 4.2 không giống trường hợp Re 150 , hướng X-X có ưu điểm rõ ràng hướng Y-Y Khi Re 200 theo hai hướng X-X hay Y-Y tồn số vị trí cửa hút – cửa xả tốt Cuối so sánh lượng nhiệt chất thải loại bỏ khỏi hộp hai toán A B Kết bảng 4.3 cho thấy, hai trường hợp giá trị số Re với vị trí cửa hút – cửa xả, chất thải 21 loại bỏ tốn A (nguồn “nóng”) lớn tốn B (nguồn “mát”) Điều phù hợp với thực tế nhiệt độ làm tăng tốc độ phát sinh chất thải Với vị trí cửa hút – cửa xả, lượng nhiệt lấy toán A nhiều tốn B số lượng nguồn nhiệt toán A lớn Bảng 4.3 So sánh lượng nhiệt chất thải loại bỏ hai toán A B 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết luận án: Tính tốn lượng nhiệt/ chất thải lấy qua cửa xả miền thơng thống hình chữ nhật, từ đánh giá hiệu thơng thống ứng với vị trí khác cửa hút - cửa xả Chỉ cách định lượng ảnh hưởng hai loại điều kiện biên khác đến hiệu thơng thống Phát dạng chuyển động dòng chảy bao gồm: chuyển động dừng, chuyển động tuần hoàn hay giả tuần hoàn Trong trường hợp ba chiều, tìm dạng dịng chảy trường hợp hai chiều Mô tốn thơng thống với vị trí khác cửa hút cửa xả để đánh giá hiệu q trình truyền tải nhiệt/chất nhiễm miền hình hộp Kiến Nghị Hướng phát triển luận án Hoàn thiện phần mềm phát triển luận án để có tính linh hoạt định hướng ứng dụng thực tiễn nội dung nghiên cứu Phát triển mơ hình gần với thực tế (có tính đến tính chất rối) dịng thơng thống có lưu lượng lớn Phát triển phần mềm tương ứng có áp dụng kỹ thuật tính tốn song song hệ máy tính cơng suất lớn trang bị tương lai 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [1] Trần Văn Trản, Nguyễn Thị Thủy, Nguyễn Ngọc Thắng, Trần Thị Huyền Giang (2014), “Mơ số tốn thơng thống”, Hội nghị khoa học Cơ học thủy khí tồn quốc, pp 575-581 [2] T V Tran and N T Thuy (2015), “The effect of boundary conditions on the efficiency of heat or contaminant removal from a ventilated room”, Vietnam Journal of Mechanics, 37(2), pp 133–144 [3] T V Tran and N T Thuy (2015), “Some characteristics of the resultant air flow from motions induced by ventilation and heat source in a two – dimensional enclosure”, Vietnam Journal of Mechanics, 37(3), pp 177–186 [4] Tran Van Tran, Nguyen Thi Thuy (2015), “The Interaction Between Ventilation and Natural Convection Flows in a Two-Dimensional Enclosure”, Proceedings of International Conference on Scientific Computing, CSC’15, Las Vegas, USA, pp 213-218 [5] Tran Van Tran, Nguyen Ngoc Thang, Nguyen Thi Thuy (2016), “Contaminant spreading by natural convection in a box”, Vietnam Journal of Mechanics, 38(2), pp 141-152 [6] Tran Van Tran, Nguyen Ngoc Thang, Nguyen Thi Thuy (2016), “Effect of inlet-outlet location on heat and mass removal from a box heterogeneously heated from below”, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 13(4), pp 16-26 24 ... thơng khơng khí đối lưu tự nhiên vùng lớn khu đô thị toán lan truyền tạp chất Đối tượng hướng đến luận án không gian sống làm việc Như biết, chất lượng không khí mơi trường làm việc ảnh hưởng đến... không gian cụ thể sử dụng để tham khảo thiết kế xây dựng tịa nhà xí nghiệp Xuất phát từ lý nêu trên, luận án chọn đề tài ? ?một số vấn đề thơng thống chất lƣợng khơng khí mơi trƣờng làm việc? ?? làm. .. phát sinh chất thải Với vị trí cửa hút – cửa xả, lượng nhiệt lấy toán A nhiều tốn B số lượng nguồn nhiệt toán A lớn Bảng 4.3 So sánh lượng nhiệt chất thải loại bỏ hai toán A B 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN