c) Sự hội tụ số
3.1.4. Tính toán và so sánh kết quả trên mô hình 3D
Mô hình mà Jun Hua tính toán là mô hình có một ống Piccolo có tiết diện là được kính D= 10 mm với nhiều lỗ có kích thước hình vuông 2 mm x 2 mm được sắp xếp như hình khoảng cách cách nhau là 15 mm.
Hai hàng lỗ hình vuông đó được sắp xếp đều đặn thành hai hàng hợp với nhau một góc là 150 lên trên hoặc xuống dưới so với mặt phẳng dây cung của tiết diện cánh. Phần tường là phần cần trao đổi nhiệt với vật liệu được quy định là nhôm. Có hai lỗ ở dưới mặt cánh để cho đầu ra của dòng khí.
Hình 3. 15 Mô hình 3D của Jua Hua [40]
Mô hình tính toán của Jun Hua tính toán là mô hình lưới có cấu trúc cho toàn bộ vùng bên trong cánh và vùng bên ngoài cánh. Với vùng lưới bên trong và bên ngoài được liên kết qua phần lỗ xả khí. Với lưới cấu trúc được sử dụng cho phần bên trong vỏ lá cánh để tính toán độ dẫn nhiệt.
Điều kiện biên tính toán cũng giống như trường hợp tính toán mô hình 2D. Điều kiện biên “far field” được áp dụng cho dòng ngoài của mô hình với điều kiện số Mach M = 0,31, độ cao H = 6500.
Quá trình xử lý bài toán chạy trên mô hình rối Spalart-Allmaras được sử dụng. Bước thời gian lựa chọn là 0,5s và chạy 50 vòng lặp với mỗi bước thời gian.
Tác giả cũng xây dựng mô hình giống như mô hình của Jun Hua, áp dụng điều kiện biên như vậy và quá trình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Fluent 6.23. Kết quả mô phỏng nhận được rất khả quan.
Hình ảnh dưới đậy là đường dòng bên trong và bên ngoài của dòng chảy của nhiệt độ tĩnh với khoảng thời gian t=36s. Qua đó ta nhận thấy sự trao đổi nhiệt giữa bên trong và bên ngoài qua lớp vỏ, cùng với nhiệt độ thoát ra vùng ống xả.
Hình 3. 16 Đường dòng vận tốc tại thời điểm t = 36s
Nhìn hình ảnh trên ta thấy dòng khí từ ống Piccolo chảy qua ống có tiết diện 2 mm x 2 mm. dòng khí đó đập vào thành cong của mô hình. Với dòng khí bao ngoài có nhiệt độ thấp. Dòng khí từ ống Piccolo có nhiệt độ cao hơn, dòng nhiệt sẽ trao
đổi với thành cong của mô hình. Nhiệt độ trên thành cong thay đổi theo thời gian dòng khí va chạm.
Hình 3. 17 Đường dòng của nhiệt độ tổng
Hình 3. 18 Nhiệt độ tổng trên thành cong mô hình
của mô hình thì quan sát hình ảnh về trường nhiệt độ tĩnh trên vỏ mô hình tại khoảng thời gian t=10s dưới đây.
Hình 3. 19 Trường nhiệt độ tĩnh trên thành cong tại thời điểm t = 10 s
Dễ dàng nhận thấy có sự trao đổi nhiệt giữa dòng khí nóng từ ống Piccolo đập vào vỏ của mô hình. Các vùng hình tròn đồng tâm giao thao với nhau tạo lên bên mặt có nhiệt độ cao. Rõ ràng có tác động truyền nhiệt từ ống Piccolo tới bề mặt cong của mô hình.
Sự trao đổi nhiệt giữa dòng khí từ ống Piccolo tới thành cong của mô hình không còn thể hiện theo bước lặp của thời gian. Với mỗi bước lặp thì quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí và thành cong thay đổi. Cụ thể nhiệt độ tĩnh trên thành cong thay đổi theo thời gian. Nhừng dòng khí từ lỗ trên ống Piccolo phun trực tiếp, va chạm vào thành cong của mô hình là hình cong đồng tâm. Hình cong này sự phân bố nhiệt độ thành vành khăn đồng tâm. Tại tâm của vòn thày thì nhiệt độ cao nhất, nhiệt độ giảm dần theo bán kính. Để thấy rõ điều này tác giả xét một đường thẳng MN
Hình 3. 20 Sơđồ dòng chảy phun trực tiếp lên bề mặt cong công bố bời Jua Han [2]
Để thấy rõ là xuất kết quả trên đường thằng MN có vị trí như hình
Hình 3. 21 Vị trí tọa độđường thẳng MN
Với M tác giả chọn là tâm hình tròn, nó cũng chính là tâm của lỗ chiếu lên bề mặt cong. Trên đó tác giả lấy giá trị nhiệt độ trên đường MN. Kết quả đó thể hiện theo bảng
Bảng 3. 3 Giá trị nhiệt độ trên đường thẳng Vị trí điểm (mm) M (0) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N (10) Nhiệt độ (K) 314, 5 314, 1 313, 7 311, 6 309, 4 307, 9 306, 1 305, 0 304, 3 302 300, 4
Hình 3. 22 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và vị trí trên đường thẳng MN
Biểu đồ này cho ta thấy rõ nhiệt độ giảm dần khi cách xa tâm điểm (hay gọi là điểm Stagnation). Theo nghiên cứu của Jua Hua cũng đưa ra nhận xét về số Nu theo vị trí r/do. Như vậy nhiệt độ trên đường thẳng MN thảo mãn, đúng quy luật.
Những hình ảnh sau đây sẽ thể hiện rõ sự thay đổi nhiệt độ trên thành cong theo thời gian. Qua hình ảnh ta thấy nhiệt độ trên thành cong đã thay đổi, từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độ cao và duy trì nhiệt độ đó khi thời gian đến một thời gian tới hạn. Khi đó cho dù tăng thời gian nhưng nhiệt độ đó sẽ duy trì đến giá trị nhiệt độ tới hạn. Kết quả này hoàn toàn phù hợp về thực tế cũng như về mặt khoa học.
Hình 3. 24 Trường nhiệt độ trên thành cong với thời điểm thời gian khác nhau
Về hình ảnh thể hiện trường nhiệt độ trên thành cong của mô hình tại các khoảng thời gian t = 0 , t = 10 , t = 20, t = 50, t = 150 và t = 400 giây đều gần giống với những kết quả mà Jun Hua đã công bố.
Không chỉ vậy tác giả còn so sánh về kết quả tính toán tại điểm mép trước của mô hình tức là điểm M có tọa độ M(-50, 10, 0).
Bảng 3. 4 Bảng kết quả nhiệt độ tại điểm M (Điểm mép trước trên bề mặt phía trước, M(-50, 10, 0)) như sau:
Tại thời điểm thời gian t (giây) Nôi dung
0 10 20 150 300 400
Theo mô phỏng công bố Jun Hua 267 275 298 317 342 327
Theo mô hỏng của tác giả 285 288 310 326 350 335
Sự sai số 6,7 % 4,7 % 4,1 % 3,1% 2,3% 2,4%
Qua đây ta thấy sự sai số đều nhỏ hơn 10 %, tất cả các giá trị này đều nằm trong khoảng cho phép của tính toán. Như vậy về mặt hình ảnh và giá trị thì sự nghiên cứu của tác giả và Jua Hua có mặt tường đồng, giống nhau. Nếu có sự sai lệch thì sai lệch đó đều nằm trong khoảng cho phép. Sự sai số đều do khách quan và hoàn toàn có thể chấp nhận được.