1. 2T ng quan kt qu nghiên cu liên quan
3.1Mô hình th c ngh im
3.1.1 L p đặt h th ng thí nghi m
Trong hệ thống thí nghiệm này, bốn bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí nghiệm áo nước xilanh có xẻrãnh, bơm, hệ thống đư ng ống và nguồn gia nhiệt được thể hiện hình 3.1. Trong thí nghiệm này, phần trao đổi nhiệt là áo nước xylanh có xẻ rãnh đã được dùng làm thí nghiệm. Quá trình truyền nhiệt c a những thiết bị này được thực hiện bằng nước. Nhiệt được truyền cho lưu ch t từ nguồn gia nhiệt vào thành xylanh sau đó lưu ch t ra két nước rồi tiếp tục bơm vào áo nước xylanh, một hình nh c a hệ thống thí nghiệm được thể hiện hình 3.2.
27
Hình 3.2: Mô hình thực nghiệm
3.1. 2 M u áo n c xylanh không xẻ rƣnh
Xylanh xe Nouvo LX la dong Xy lanh DiASil - một xy lanh được chế tạo ch yếu bằng hợp kim nhôm với 20% silicon, tạo cho thành xy lanh có độ c ng và độ bền cực cao mà không cần ph i có nòng xy lanh (semi) bằng thép như các loại xy lanh truyền thống. đư ng kính lòng xylanh 54mm, bề dày thành 6mm, bề rộng áo nước 6mm, bềdày áo nước 6mm (Hình 3.2).
28
3.1. 3 Thi t k áo n c xylanh có xẻ rƣnh
Bề dày áo nước 6mm, áo nước xylanh xẻ 16 rãnh, chiều dài 15mm, chiều sâu 2 mm, chiều rộng 4mm, kho ng cách các rãnh 4mm (như Hình 3.4). Vật liệu hợp kim nhôm với độ dẫn nhiệt là 160 W/(mK), khối lượng riêng 2700 kg/m3, nhiệt dung riêng đẳng áp là 900 J/(kgK).
Hình 3.4: Mẫu thí nghiệm
Mặt bích thay thế cho nắp máy để tạo lổnước ra và đệm chống vênh tạo độ c ng vững được thể hiện hình 3.5.
Mặt bích Đệm chống vênh
29
Bulong-đai ốc, dụng cụ làm kín và cổ pô hình 3.6 và 3.7 Các thiết bị này lắp đặt vào khối xylanh để làm thực nghiệm.
Bulong-đai ốc Dụng cụ làm kín
Hình 3.6: Bulong-đai ốc và dụng cụ làm kín
Cổ pô Hình nh sau khi lắp
30
3.1.4 D ng c đo
Thiết bị đo bề mặt bằng tia laser dùng để đo nhiệt độ bề mặt thành xylanh thể hiện hình 3.8
Hình 3.8: Thiết bịđo bề mặt bằng tia laser và bộđo nhiệt độ
Nhiệt kế th y ngân dùng đểđo nhiệt độnước và nhiệt kếđiện tử+ đầu đo nhiệt độ trong lòng xylanh
Hình 3.9: Nhiệt kế th y ngân và Nhiệt kếđiện tử+ đầu đo nhiệt độ
Bơm câp nươc là loại bơm (YS – 1200) được sử dụng cho hệ thống này. Bơm này có lưu lượng dòng ch y tôi đa 1000ml/p, có su t 20 W, sử dụng dòng điện xoay chiều 220 V ÷ 240 V, 50 Hz. Độ chính xác c a dụng cụđược thể hiện rõ B ng 1.
31
B ng 1: Dụng cụđo và độ chính xác
Dụng cụđo Độ chính xác D i thang đo
Nhiệt kế th y ngân 1 oC 0 ~ 100 oC Nhiệt kếđiện tử+ đầu do nhiệt độ 0,5oC 0 ~1200 oC
Cân chính xác 0,0015g 0,0000~220 g
Thiết bị đo nhiệt độ bề mặt bằng tia laser 0,5oC 0 ~ 100 oC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2 Mô ph ng s
3.2.1 Thi t l p mi n con
Từ mô hình Incompressible Navier – Stokes ta thiết lập cài đặt miền con như sau:
Trạng thái ổn định, , ,
Đối với mô hình hiện tại lưu ch t là nước: , µ = 0,0008 Pa.s, Fx = Fy = Fz = 0, u (t0) = 0, v(t0) =0, w(t0)= 0
Từ mô hình truyền nhiệt tổng quát ta thiết lập cài đặt miền con như sau: h = CpT/Y + pa/
Với h là enthapy
Đối với mô hình hiện tại:
Đối với lưu ch t là nước: k = 0,6 W/mK, =994 Kg/m3, Cp=4179J/Kg.K, u = u0, v = v0, w = w0, T(t0) = 30
Đối với hộp kim nhôm: Đối với hộp kim nhôm: k = 160W/mK, =2700 Kg/m3, Cp= 900J/Kg.K, u = 0 m/s, v = 0 m/s, w = 0 m/s, T(t0) = 30u = 0 m/s, v = 0 m/s, w = 0 m/s, T(t0) = 30 0C
32
3.2.2 Đi u ki n biên
Từ mô hình Incompressible Navier – Stokes ta thiết lập cài đặt điều kiện biên như sau: Các điều kiện lớp biên dòng ch y đầu vào U0 = 0,8 m/s. Các điều kiện lớp biên cho dòng ch y đầu ra µ(u +( u)T)n =0 và p = p0
Trong đó: µ là độ nhớt động lực, là mật độ, u là trư ng vận tốc, u vận tốc theo x, v là vận tốc theo y và w là vận tốc theo phương z, p là áp su t, po là áp su t đầu ra.
Từ mô hình truyền nhiệt tổng quát ta thiết lập cài đặt điều kiện biên như sau: Sự truyền t i năng lượng, các điều kiện không trượt được gi định cho vận tốc và nhiệt độ các vách.
Những điều kiện này được thể hiện b i: uwall = 0 và Twall = Tfluid at wall
Tương ng với: twall là nhiệt độ vách.
Cho điều kiện ổn định, T/ t = 0, điều kiện biên đầu vào dòng ch y là T = T0. Điều kiện biên đầu ra dòng ch y là dòng đối lưu, xác định b i n(- kT) = 0. Điều kiện biên nhiệt c a vách đáy c a phần tử nhỏ được gi thuyết là mật độ dòng nhiệt không đổi, mô t b i –n.(-kT) = q0; hai vách đ ng và vách đỉnh được xem là đoạn nhiệt, mô t b i nq = 0, trong đó mật độ dòng nhiệt q = -kT + CpTu, k là hệ số dẫn nhiệt.
Nghiên c u mô phỏng số học c a tính ch t truyền nhiệt 3D b i áo nước xylanh với dòng ch y một pha đi qua đã được thực hiện bằng phần mềm Comsol, phiên b n 3.5. Thuật toán c a phần mềm này thì dựa trên cơ s phương pháp phần tử hửu hạn. Trong nghiên c u này, nước được dùng như là lưu ch t làm việc, trong lòng xy lanh được gia nhiệt với nhiệt độ 500 0C. Sự phân lưới c a mô hình này đã được sử dụng 36228 phần tử. Hệ số xác định tỉ lệ kích thước phần tử tối đa là 1,9, tỉ lệ tối đa kích thước phần tử có thể phát triển là 1,7; kích thước c a các phần tử biên so với độ cong c a biên hình học 0,8, ngăn chặn sự phát sinh một số phần tử xung quanh các bộ phận
33
nhỏ cong c a hình học 0,05, kiểm soát số lượng các lớp c a các phần tử được tạo ra trong vùng hẹp là 0,3. Hình 3.10 cho th y sự hội tụ c a phương pháp gi i quyết số cho các thông số vận tốc (u, v, w ), nhiệt độ ( T) và tổn th t áp su t (P) .
34
Ch ng 4
K T QU VÀ TH O LU N
Để tăng cư ng hiểu qu làm mát xylanh trong động cơ xe tay ga, bằng c hai phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm đã được thực hiện. Các đại lượng như lưu lượng khối lượng c a nước, nhiệt độ và hình dáng c a áo nước c a xylanh đã được chọn làm các thông số mô phỏng và thực nghiệm để kh o sát đặc tính truyền nhiệt cho khối xylanh. Các điều kiện mô phỏng và thực nghiệm đã thực hiện như sau:
Lưu ch t lỏng được sử dụng: Nước
Lưu lượng khối lượng c a lưu ch t: 500 ml/phút 1000 ml/phút Nhiệt độđầu vào c a lưu ch t: 30 0C
Nhiệt độmôi trư ng xung quanh: 29 0C đến 30 0C
4.1 K t qu hình nh mô ph ng của áo n c xẻ rƣnh vƠ không xẻ rƣnhv i l u l ng n c 1000 ml/phút vƠ nhi t độ thay đ i.
4.1.1 nhi t độ 500 0C (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.1.1.1 Hình nh nhi t độ phơn b trên b mặt phía ngoƠi áo n c xylanhxẻ rƣnh vƠ không xẻ rƣnh.
Nhiệt độ bề mặt ngoài c a áo nước xylanh được thể hiện Hình 4.1. Các kết qu này thu được điều kiện nhiệt độ đầu vào c a nước 300C, lưu lượng nước 1000 ml/phút, nhiệt độ trong lòng xylanh 500 0C. Kết qu mô phỏng cho th y nhiệt độ trung bình phía ngoài c a áo nước xylanh xẻ rãnh th p hơn 50C so với nhiệt độ trung bình phía ngoài c a áo nước xylanh không xẻrãnh. Điều này được lý gi i rằng xylanh có xẻ rãnh sẽ làm cho bề mặt truyền nhiệt tăng lên, chính những rãnh này cũng tạo ra những dòng ch y rối làm tăng hệ số tỏa nhiệt đối lưu nên tăng cư ng quá trình truyền nhiệt giữa lòng xylanh và nước gi i nhiệt. Vì vậy, khối xylanh xẻrãnh trao đổi nhiệt tốt hơn so với khối xylanh không xẻ rãnh.
35
Bề ngoài áo nước xẻ rãnh Bềngoài áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.1: Hình nh nhiệt độ phía ngoài c a áo nước xẻ rãnh, không xẻ rãnh nhiệt độ 500 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
36
4.1.1.2 Hình nh nhi t độ n c đ u racủa áo n c xẻ rƣnh vƠ không xẻ rƣnh
Kết qu mô phỏng số nhiệt độ đầu ra c a áo nước trong hai trư ng hợp có và không có xẻ rãnh đã được thể hiện Hình 4.2. Các kết qu này thu được điều kiện nhiệt độ đầu vào c a nước 30 0C, lưu lượng nước 1000 ml/phút, nhiệt độ trong lòng xylanh 500 0C. Kết qu mô phỏng cho th y nhiệt độ đầu ra trung bình c a áo nước xẻ rãnh cao hơn 3 0C so với nhiệt độ trung bình c a áo nước không xẻ rãnh. Vậy nước gi i nhiệt đã nhận nhiệt tốt hơn làm cho thành xy lanh mát hơn.Thêm vào đó, kết qu kh o sát từ mô phỏng số cho th y rằng trư ng nhiệt độ c a nước mặt cắt đầu ra có sự khác biệt rõ rệt vị trí gần và xa lòng xylanh. Nó được chú ý rằng những kết qu thu được từ hình 4.1 và 4.2 chỉ có được từ phương pháp mô phỏng số, phương pháp thực nghiệm r t khó thu được kết qu như thế này.
Áo nước xẻ rãnh Áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.2: Hình nh nhiệt độđầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 500 0C và lưu lượng nước 1000 ml/phút.
37
4.1.2 nhi t độ 550 0C
4.1.2.1 Hình nh nhi t độ phơn b trên b mặt phía ngoƠi áo n c xylanh
Bề ngoài áo nước xẻ rãnh Bề ngoài áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.3: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 550 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
Cùng điều kiện như trên nhưng gia nhiệt trong lòng xylanh lên tới 550 0C thì sự phân bố nhiệt độ trên về mặt phía ngoài áo nước xylanh tăng lên được thể hiện trong hình 4.3. Hình 4.3 cho th y rằng nhiệt độtrung bình phía ngoài áo nước xẻ rãnh th p hơn 6 0C so với áo nước không xẻ rãnh. Trư ng hợp này cũng cho th y nhiệt độ phân bốphía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻrãnh cao hơn từ 4 0C so với nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ trong lòng xylanh 500 0C.
38
4.1.2.2 Hình nh nhi t độ n c đ u racủa áo n c xẻ rƣnh vƠ không xẻ rƣnh
Áo nước xẻ rãnh Áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.4: Hình nh nhiệt độnước đầu ra c a áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 550 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
cùng điều kiện như Hình 4.3, kết qu mô phỏng nhiệt độ nước đầu ra được thể hiện rõ trong Hình 4.4. Qua phân tích hình nh này cho th y rằng nhiệt độ trung bình nước đầu ra c a áo nước xẻ rãnh cao hơn 3 0C so với áo nước không xẻ rãnh. Kết qu kh o sát từ mô phỏng số cho th y rằng trư ng nhiệt độ c a nước mặt cắt đầu ra có sự khác biệt rõ rệt vị trí gần và xa lòng xylanh. So với nhiệt độ trong lòng xylanh 500 0C thì nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước có và không xẻ rãnh trong trư ng hợp này cao hơn 3 0C .
39
4.1.3 nhi t độ 600 0C
4.1.3.1 Hình nh nhi t độ phơn b trên b mặt phía ngoƠi áo n c xylanh
Bề ngoài áo nước xẻ rãnh Bềngoài áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.5: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 600 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
Với lưu lượng cố định 1000 ml/phút, tăng nhiệt độ lên 600 0C thì nhiệt độ phía ngoài áo nước xẻ rãnh th p hơn 6 0C so với áo nước không xẻrãnh. Điều này dẫn đến lượng nhiệt truyền từ vách thành xylanh đến áo nước xẻ rãnh thông qua nước thì trao đổi nhiệt tốt hơn so với áo nước không xẻ rãnh như thể hiện hình 4.5. Trư ng hợp này cũng cho th y nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh cao hơn từ 7 0C so với nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ trong lòng xylanh 550 0C.
40
4.1.3.2 Hình nh nhi t độ n c đ u racủa áo n c xẻ rƣnh vƠ không xẻ rƣnh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cũng trong trư ng hợp này nhiệt độ nước đầu ra c a áo nước xylanh xẻ rãnh cao hơn 3 0C so với áo nước không xẻ rãnh được thể hiện như Hình 4.6. Điều này được lý gi i rằng nước trao đổi nhiệt vách thành xylanh c a áo nước xẻ rãnh nhiều hơn so với nước trao đổi nhiệt vách thành xylanh c a áo nước không xẻ rãnh nên nước ra cao hơn làm cho nhiệt độphía ngoài áo nước th p hơn.
Áo nước xẻ r nh Áo nước không xẻ r nh
Hình 4.6: Hình nh nhiệt độnước đầu ra c a áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 600 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
41
4.1.4 nhi t độ 650 0C
4.1.4.1 Hình nh nhi t độ phơn b trên b mặt phía ngoƠi áo n c xylanh
Bề ngoài áo nước xẻ rãnh Bềngoài áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.7: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 650 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
Trong cùng điều kiện mô phỏng trên, khi tăng nhiệt độ trong lòng xylanh lên đến 650 0C thì nhiệt truyền từvách thành xylanh đến phía ngoài bề mặt áo nước xẻrãnh đạt 92 0C và bề mặt phía ngoài áo nước không xẻ rãnh đạt 97 0C được thể hiện như Hình 4.7. Hình nh này cho th y nhiệt độphía ngoài áo nưóc xẻ rãnh th p hơn 50C so với áo nước không xẻ rãnh. Trư ng hợp này cũng cho th y nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh có và không xẻ rãnh cao hơn từ 7 0C so với nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ trong lòng xylanh 600 0C.
42
4.1.4.2 Hình nh nhi t độ n c đ u racủa áo n c xẻ rƣnh vƠ không xẻ rƣnh
Trong nghiên c u này nhiệt độ trong lòng xylanh cố định 650 0C, lưu lượng nước đầu vào cốđịnh 1000 ml/phút thì nhiệt độđầu ra c a áo nước xylanh xẻrãnh cao hơn 5
0C so với áo nước không xẻ rãnh được thể hiện Hình 4.8. Như vậy ch ng tỏnước nhận nhiệt truyền từ vách thành xylanh nhiều hơn so với áo nước không xẻrãnh làm cho nước nóng hơn.Thêm vào đó, kết qu kh o sát từ mô phỏng số cho th y rằng trư ng nhiệt độ c a nước mặt cắt đầu ra có sự khác biệt rõ rệt vị trí gần và xa lòng xylanh. Nó được chú ý rằng những kết qu thu được từ hình 4.1, 4.4, 4.6 và 4.8 chỉ có được từ phương pháp mô phỏng số, phương pháp thực nghiệm r t khó thu được kết qu như thế này.
Áo nước xẻ rãnh Áo nước không xẻ rãnh
Hình 4.8: Hình nh nhiệt độnước đầu ra c a áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh nhiệt độ 650 0C và lưu lượng nước 1000ml/phút.
43
Từ hình 4.1 - 4.8 thể hiện kết qu mô phỏng nhiệt độnước ra và nhiệt độ bề mặt ngoài áo nước xylanh được tổng kết lại hình 4.9. Kết qu này cho th y nhiệt độ bề mặt ngoài áo nước xylanh không xẻrãnh cao hơn nhiệt độ bề mặt ngoài áo nước xylanh xẻ