Nghiên cứu mô phỏng hiệu chỉnh hệ thống lấy mẫu CVS của băng thử khí thải xe máy

Vấn đề nghiên cứu

- Trong quá trình lấy mẫu khí thải trong hệ thống CVS, khí thải được ghi lại bị trễ so với đầu ống xả do thời gian vận chuyển trong ống của hệ thống đến máy phân tích, quá trình hòa trộn với không khí và cũng do thời gian mà máy phản hồi kết quả. - Để kết quả đo khí thải tức thời đúng với từng thời điểm, vận tốc của xe thì cần phải đưa ra phương pháp hiệu chỉnh để kết quả giữa vận tốc và nồng độ khí thải đo được phải tương đương với nhau. - Và phương pháp hiệu chỉnh là sử dụng mô phỏng chuyển động của khí thải chuyển động trong hệ thống CVS nhằm xác định các nguyên nhân gây ra hiện tượng sai lệch tín hiệu đo của hệ thống lấy mẫu CVS.

+ Khảo sát và xác định độ trễ tín hiệu khí thải đo được so với tín hiệu thực tại nơi chúng được hình thành ( cửa xả của động cơ ) khi chế độ tốc độ và tải trọng thay đổi.

Giới thiệu về phần mềm CFD và Ansys Fluent

Những khả năng thiết lập bộ giải tương tác, quá trình giải và hậu xử lý của ANSYS FLUENT làm cho dễ dàng có thể tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả với quá trình hậu xử lý đã được phân tích, thay đổi bất cứ thiết lập nào và sau đó tiếp tục tính toán với từng ứng dụng. Sự sát nhập của ANSYS FLUENT vào ANSYS Workbench sẽ cung cấp cho người sử dụng với 2 hướng kết nối tới toàn bộ hệ thống CAD, xây dựng và thay đổi về hình học một cách hữu hiệu với ANSYS DesignModeler , và những công nghệ chia lưới tiên tiến trong ANSYS Meshing. Những chức năng cơ bản này cũng cho phép dữ liệu và kết quả được chia sẻ giữa các ứng dụng bằng cách kéo và thả dễ dàng, cho tới việc sử dụng một phép giải dòng chảy chất lỏng với các điều kiện biên của mô phỏng về kết cấu cơ khí.

Sự kết hợp của những lợi ích này với hàng loạt các khả năng mô hình hóa mô hình vật lý và những kết quả CFD nhanh chóng, chính xác, phần mềm ANSYS FLUENT cung cấp các kết quả dưới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD trên thế giới hiện nay.

Mô phỏng bằng lý thuyết động lực học chất lỏng CFD

Các chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung những mô hình mới hay những tương tác người dùng trên mô hình đang tồn tại. Các tệp dữ liệu và các trường hợp tính có thể được đọc vào ANSYS CFD-Post với mục đích phân tích kĩ hơn bằng các công cụ xử lý kết quả tiên tiến. Phần mềm ANSYS FLUENT có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng.

- Pre – Processor: Xây dựng mô hình, định nghĩa các miền tính toán, sinh lưới (chia mô hình thành những phần nhỏ), lựa chọn các quá trình lý hóa cần mô phỏng, định nghĩa các thuộc tính của chất lỏng, xác định các điều kiện biên chính xác tại các phần tử trùng hoặc dính với vùng biên trên phần mềm AutoCad. - Xây dựng phương trình tích phân điều khiển (governing equations) của dòng chảy cho tất cả các phần tử (cells) thuộc mô hình tính toán. - Rời rạc hóa, bao gồm việc thay thế các biến trong phương trình tích phân dại diện cho các quá trình của dòng chảy như đối lưu, khuếch tán và nguồn kích thích bằng một loạt các xấy xỉ hữu hạn.

Mô hình vật lý đơn giản nhất thường chỉ bao hàm quá trình dẫn nhiệt hoặc đối lưu, trong khi dòng chảy nổi hoặc các mô hình đợi lưu tự nhiên và bức xạ thường rất phức tạp. Mô hình mô phỏng chuyển động của khí thải ở đây chỉ bao hàm các quá trình dẫn nhiệt và đối lưu mà bỏ qua quá trình bức xạ. Ở đây keff là hệ số dẫn nhiệt dụng ( k+kt với kt là hệ số dẫn nhiệt xoáy được định nghĩa theo mô hình xoáy), và ⃗Jj là thông lượng khuếch tán ( diffusion flux) của thành phần thứ j.

Ba hạng tử đầu tiên của về phải phương trình trên lần lượt thể hiện sự dẫn nhiệt của phản ứng hóa học và các nguồn nhiệt do người dùng sử dụng. Do bài toán không sử dụng thêm nguồn nhiệt nào từ bên ngoài và bỏ qua các phản ứng hóa học nên đại lượng Sh bằng 0.

Xây dựng mô hình hệ thống CVS 1. Xây dựng mô hình mô phỏng

Mô hình k-ε cho dòng chảy rối là mô hình đầy đủ nhưng đơn giản nhất, bao gồm 2 phương trình, trong đó việc giải độc lập 2 phương trình chuyển động cho phép xác định tốc độ rối và tỉ lệ chiều dài độc lập với nhau. Trong hai phương pháp số được sử dụng trong phần mềm FLUENT (segregated solver và coupled solver), dựa trên tính ưu việt về mặt thời gian tính toán cũng như không đòi hỏi phải chạy mô hình trên máy có cấu hình cao, phương pháp segregated solver được dùng để mô phỏng chuyển động của khí thải trong đường ống. - Tích phân các phương trình điều khiển theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng các phương trình đại số cho các biến rời rạc độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng như các đại lượng vô hướng.

Các phương động lượng được giải độc lập bằng cách lần lượt sử dụng các giá trị hiện thời của áp suất và các thông lượng khối lượng nhằm cập nhật trường vận tốc. Nếu vận tốc tính theo bước 2 không đáp ứng được phương trình liên tục thì phương trình hiệu chỉnh áp suất “poisson-type” được lấy ra từ phương trình liên tục và các phương trình động lượng tuyến tính hóa. Đối với cả 2 phương pháp segregated solver và coupled solver, trong quá trình rời rạc hóa, các phương trình điều khiển không tuyến tính hóa để thiết lập hệ các phương trình cho các biến độc lập ở mỗi phần tử (cell).

Sử dụng phương pháp “implicit” đối với một biến nào đó thì giá trị chưa biết của mỗi phần tử được tính toán theo các cả giá trị chưa biết của mỗi phần tử được tính toán theo các giá trị đã biết và giá trị chưa biết của các phần tử liền kề. Do mô hình phức tạp nên để có kết quả hội tụ đòi hỏi phải có các thức mô phỏng thích hợp cho dòng chảy rối phụ thuộc vào thời gian, như chiến lược đối với việc sinh lưới, độ chính xác cũng như chiến lược hội tụ. Để đạt được độ chính xác cao, hàm ẩn bậc 2 (second order implicit) được lựa chọn cho dòng chảy không ổn định còn đối với các thành phần (species) thì sử dụng hàm bậc 2 theo chiều dòng chảy (second order upwind).

Thêm vào đó, số lượng các bước lặp trong mỗi bước tính toán được nâng tới 600 trong một số giây tính toán đầu tiên, sau đó giảm dần để tiết kiệm thời gian tính toán.[ CITATION Zal05 \l 1033 ]. - Bắt đầu quá trình tính toán với độ chính xác thấp ( đặt giá trị under- relaxation nhỏ) sau đó tăng dần lên khi mà số vòng lặp cần thiết cho mỗi bước tính giảm xuống.

Các thông số điều kiện biên cho mô hình

Trong mô hình CVS, tại đầu vào Inlet là khí xả chưa được pha loãng (undiluted side) và phần từ ống T-mixing là phần khí xả đã được pha loãng (diluted side). Hệ số pha loãng DF là tỉ lệ giữa tỉ lệ thể tích của khí thải pha loãng ( tổng đầu ra) và khí thải thô ( tại đầu ống xả). Hệ số pha loãng DF phụ thuộc vào lưu lượng của khí thải thô tại đầu ống xả.

Khi lưu lượng càng lớn thì hệ số pha loãng càng giảm và ngược lại. Trong trường hợp đo CVS, các hệ số pha loãng không được đo bằng lưu lượng mà được ước tính từ nồng độ CO2, CO và HC trong các túi khí thải đã pha loãng. + CCO2, CCO, CHC là nồng độ của các chất CO2, CO và HC trong khí thải đã được pha loãng.

+ 13.4 : là nồng độ CO2 lý thuyết, giả sử sử dụng nhiên liệu chuẩn là xăng, động cơ được vận hành trong điều kiện đo cân bằng và nhiên liệu được oxy hóa hoàn toàn mà không còn dư. Do đó, khi chế độ hoạt động của xe máy thay đổi dẫn đến tỉ số pha loãng thay đổi. Do vậy để mô phỏng lại các chế độ hoạt động khác nhau thì đồ án thay đổi một số giá trị pha loãng thể hiện sự thay đổi của lưu lượng khí thải khi chế độ hoạt động của xe máy thay đổi.

Dưới đây là bảng biểu thị vận tốc tại các đầu vào theo từng hệ số pha loãng khác nhau với 2 lưu lượng ống Venturi khác nhau là 1m3/phuts và. Với các hệ số pha loãng khác nhau sẽ tính được lưu lượng của đầu vào khải, từ lưu lượng sẽ tính được vận tốc tương ứng với lưu lượng đó tại đầu vào.