- A: diện tích bề mặt buồngđốt (m2) được tính bằng công thức:
1 dQht dQhrdpp d
2.4.2 Tính toán và phương pháp mô phỏng
2.4.2.1Phương pháp mô phỏng CFD sử dụng mô-đun ICE trong Ansys
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Với các chương trình dựa trên nền tảng FEM, ứng xử của các đối tượng trong kỹ thuật đều có thể tính toán, mô phỏng được. Bên cạnh đó, các chương trình FEM còn được liên kết với các chương trình CAD/CAM để tạo ra một quá trình: mô phỏng - tính toán – chế tạo.
Có rất nhiều chương trình FEM được thương mại hóa trên thế giới hiện nay, mỗi chương trình có điểm mạnh riêng. Trong số đó, ANSYS® là một trong những chương trình khá mạnh mẽ trong tính toán mô phỏng, và được sử dụng phổ biến. Ngoài khả năng thực hiện các bài toán nhiệt (Thermal), lưu chất (Flotran, điện (Emag 2D-3D)… Một trong những thế mạnh của ANSYS® là giải bài toán dạng cấu trúc (Structural). [13]
Các bài toán được giải quyết trong module Structural Tính toán cấu trúc tĩnh (Structural Static Analysis). Tính toán dạng dao động (Modal Analysis).
Tính toán đáp ứng điều hòa (Harmonic Respone Analysis). Tính toán động lực học quá độ (Transient Dynamic Analysis). Phân tích phổ (Spectrum Analysis).
Tính toán bất ổn định Buckling Analysis).
Tính toán cấu trúc phi tuyến (Nolinear Structural Analysis).
Cơ học nứt (Fracture Mechanic), cơ học vật liệu composite (composites), tính toán mỏi (Fatigue).
Tính toán tương tác giữa lưu chất – cấu trúc (Fluid – Structural Interaction) Mô phỏng tương tác lưu chất - điện trường.
Trong tính toán mô phỏng CFD, các hiện tượng của hỗn hợp khí xăng và các tương tác phức tạp xuất hiện bên trong xy lanh động cơ có thể được hình dung dễ dàng trên hình học 3D [11][12]. Nó giúp chúng ta so sánh các thiết kế động cơ đốt trong khác nhau từ tỉ lệ xoáy với tỉ lệ cuộn và độ rối, hiệu suất cháy với lượng khí
thải, từ đó đưa ra thiết kế tối ưu cho động cơ. Vì vậy, CFD được sử dụng rộng rãi như một phần không thể thiếu của quá trình thiết kế tối ưu động cơ đốt trong. Với sự trỗi dậy của sức mạnh tính toán hiện đại ít tốn kém và hệ thống CAD 3D, phân tích CFD trở nên dễ dàng hơn. Theo độ phức tạp tăng dần, phân tích mô phỏng CFD có thể được phân loại như sau:
+ Phân tích dòng nạp: Tính toán tốc độ dòng lưu chất, độ xoáy và độ cuộn với dạng hình học tĩnh ở các vị trí khác nhau trong một chu kỳ của động cơ đốt trong.
+ Phân tích dòng lạnh: Tính toán dòng khí với dạng hình học động và không xét đến quá trình phun và không xét đến các phản ứng hóa học trong quá trình cháy.
+ Mô phỏng quá trình cháy trong xy lanh: Mô phỏng quá trình cháy có xét đến quá trình phun, các phản ứng hóa học và khí thải với dạng hình học của động cơ thay đổi.
+ Mô phỏng toàn chu kỳ của động cơ: Mô phỏng toàn bộ hiện trượng có trong một chu kỳ của động cơ đốt trong như dòng chảy hỗn hợp xăng khí, quá trình phun xăng, quá trình cháy và các phản ứng hóa học. [18]
Hình 2.2Mô hình thành phần của dòng khí trong buồng chày trong chế độ “Mô
phỏng toàn chu kỳ động cơ”
Mô hình K-epsilon là một trong những mô hình chảy rối phổ biến nhất. Nó là một mô hình hai phương trình, có nghĩa là nó gồm có thêm hai phương trình đối lưu
đối lưu thứ hai trong trường hợp này là tiêu tán rối ϵ, nó là biến xác định quy mô rối, biến k xác định năng lượng trong chảy rối.
Mô hình tiêu chuẩn K-epsilon.Phương trình đối lưu cho mô hình tiêu chuẩn K- epsilon bao gồm.
Động năng chảy rối k Tiêu tán rối ϵ
Mô hình độ nhớt chảy rối.
Độ nhớt chảy rối được mô hình hóa như sau:
(2.49) Trong đó: i j j i k u u u u P ∂ ∂ − = ρ ' ' 2 S Pk =µt
S là modul của tỉ số ứng suất tensor trung bình
ij ijS S S = 2
(2.50) Ảnh hưởng của lực đẩy
i t t i b x T g P ∂ ∂ = Pr µ β (2.51) Prt = 0.85: số Prandtl p T ∂ ∂ − = ρ ρ β 1 hệ số giãn nở nhiệt 44 . 1 1ε = C C2ε =1.92Cµ =0.09σk =1.0σε =1.3
2.4.2.2Tính toán các tham số thứ cấp dựa trên ngôn ngữ lập trình tính toán MATLAB
a. Công chỉ thị
Công chỉ thị là công do môi chất sinh ra trong xy lanh trong thời gian một chu trình công tác mà ta có thể sử dụng được.
Hình 2.3Đồ thị công chỉ thị
Đường cong ABC biễu diễn sự thay đổi áp suất của môi chất công tác trong hành trình nén, đường cong CDA’’ biểu diễn sự thay đổi áp suất trong hành trình giãn nở.
- Diện tích tương ứng với công tiêu hao để nén môi chất công tác trong xy lanh động cơ.
- Diện tích tương ứng với công do môi chất công tác sinh ra.
Diện tích giới hạn bởi đồ thị công chỉ thị là sẽ tương ứng với công chỉ thị . Áp suất chỉ thị trung bình là áp suất quy ước có trị sô không đổi, tác dụng lên pitston trong thời gian một chu trình, sinh ra công bằng công chỉ thị của chu trình
(2.53)
Công suất của động cơ là công do môi chất công tác giãn nở sinh ra trong một đơn vị thời gian.
, với (2.54)
Hình 2.4Phân bố lực giữa pít tông-thanh truyền và trục khuỷu
Momen xoắn của động cơ ở các góc quay trục khuỷu khác nhau
, (với ) (2.55)
c. Hiệu suất chỉ thị
Là tỷ số giữa phần nhiệt lượng biến thành công chỉ thị chia cho tổng nhiệt lượng đưa vào động cơ.
, (2.56)
Với, nhiệt trị riêng của nhiên liệu, (
)
d. Công suất động cơ
Công suất chính là thước đo bao nhiêu công sinh ra có thể được thực hiện trong một thời gian quy định. Công suất được tính toán từ mô men xoắn theo công thức sau.
/ 9.5488 (2.57)
Trong đó
T là mô men xoắn của động cơ, đơn vị là N m, P là công suất của động cơ đơn vị là kW
n là số vòng quay của trục khuỷu trong một đơn vị thời gian, đơn vị là vòng/phút
Nếu chu trình công tác được cung cấp một lượng nhiên liệu gct(kg/ct) với nhiệt trị
thấp QH (kJ/kg) thì nhiệt lượng toả ra trong buồng cháy Q1 được xác định bằng phương
trình:
(2.58) Trong đó:
là hệ số tỏa nhiệt, biểu diễn phần trăm nhiệt lượng tỏa ra tính từ thời điểm nhiên liệc bốc cháy (biến thiên từ x=0 tại thời điểm bắt đầu cháy đến x=0.98 – 0.99 tại thời điểm cuối quá trình cháy.
Lấy vi phân của theo góc quay trục khuỷu , ta được tốc độ tỏa nhiệt trong buồng cháy:
(2.59) Việc tính toán nhiệt lượng tỏa ra được thực hiện trong phần mềm ANSYS ICE
Chương 3 MÔ HÌNH HÓA