-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 Nh iệ t đ ộ ( oC) Thời gian (phút)
Nhiệt độ bề mặt -25oC nhiệt độ bề mặt -30oC nhiệt độ bề mặt -35oC
43
Hình 3.9 Sự sai khác giữa trường nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá hồi trong chế độ thí nghiệm 01. -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 N h iệ t độ Thời gian (phút)
Nhiệt độ tại tâm thực nghiệm Nhiệt độ ở giữa thực nghiệm
Nhiệt độ bề mặt thực nghiệm Nhiệt độ tại tâm lý thuyết
Nhiệt độ ở giữa lý thuyết Nhiệt độ bề mặt lý thuyết
t = -25oC v = 4 m/s
44
Hình 3.10 Sự sai khác giữa trường nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá hồi trong chế độ thí nghiệm 02. -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Nh iệ t đ ộ ( oC) Thời gian (s)
nhiệt độ tại tâm thực nghiệm nhiệt độ ở giữa thực nghiệm
nhiệt độ bề mặt thực nghiệm Nhiệt độ tại tâm lý thuyết
Nhiệt độ giữa lý thuyết Nhiệt độ bề mặt lý thuyết
t = -30oC v = 4 m/s
45
Hình 3.11 Sự sai khác giữa trường nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá hồi trong chế độ thí nghiệm 03. -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 N h iệ t độ ( oC) Thời gian (phút)
nhiệt độ tại tâm nhiệt độ giữa
nhiệt độ bề mặt nhiệt độ tại tâm
nhiệt độ giữa lý thuyết nhiệt độ bề mặt lý thuyết
t = -35oC v = 4 m/s
46
Hình 3.12 Sự sai khác giữa trường nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá hồi trong chế độ thí nghiệm 04. -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 N h iệ t độ ( o C) Thời gian (phút)
nhiệt độ tại tâm thực nghiệm nhiêt độ giữa thực nghiệm
nhiệt độ bề mặt thực nghiệm nhiệt độ tại tâm lý thuyết
nhiệt độ giữa lý thuyết nhiệt độ bề mặt lý thuyết
t = -40oC v = 4 m/s
47
Hình 3.13 Sự sai khác giữa trường nhiệt độ tính toán và thực nghiệm với cá hồi trong chế độ thí nghiệm 05.
Với các kết quả thể hiện trên hình 3.9 đến 3.13, ta có các nhận xét sau:
- So sánh đánh giá kết quả đồ thị thể hiện thời gian cấp đông giữa phần mềm với đồ thị thể hiện thời gian cấp đông thí nghiệm thực tế thể hiện ở hình 3.9 đến hình 3.13, ta thấy do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thực nghiệm nên xuất hiện mức độ sai khác nhưng không nhiều.
- Thực nghiệm xác định trường nhiệt độ và thời gian cấp đông cá hồi bằng hệ thống buồng cấp đông gió cùng đầy đủ các thiết bị đo cần thiết nhằm kiểm chứng lời giải bài toán dẫn nhiệt bên trong thực phẩm được cấp đông. Việc so sánh trường nhiệt độ và thời gian cấp đông đã chứng minh lời giải của bài toán dẫn nhiệt là phù hợp với thực tiễn kỹ thuật. Thí nghiệm đã chỉ ra sự biến đổi của trường nhiệt độ và thời gian cấp đông khi thay đổi nhiệt độ môi trường cấp đông. -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 N h iệ t độ ( oC) Thời gian (phút) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nhiệt độ tại tâm thực nghiệm nhiệt độ bề mặt thực nghiệm
nhiệt độ bề mặt thực nghiệm nhiệt độ tại tâm lý thuyết
nhiệt độ giữa lý thuyết nhiệt độ bề mặt lý thuyết
t = -50oC v = 4 m/s
48
CHƯƠNG 4.MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG CÁ HỒI 4.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng CFD
CFD - Computational Fluid Dynamics là một lĩnh vực khoa học sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa của các quá trình trong môi trường đang xét, đặc tính sức bền của môi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính động lực học hoặc khí động lực học, đặc tính lực, hoặc lực mô-ment và tương tác của các môi trường với nhau, … phụ thuộc vào từng đối tượng và phạm vi cụ thể của từng vấn đề, từng lĩnh vực khoa học mà CFD có thể ứng dụng được. Như vậy, CFD không chỉ đơn thuần là Computational Fluid Dynamics - khí động lực học tính toán như cái tên ban đầu của nó.
CFD được phát triển, ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực cơ học môi trường chất lưu (khí, lỏng, plasma, …) và môi trường biến dạng, đàn hồi, … Trên thực tế, CFD được ứng dụng rộng rãi vào các ngành khoa học tiên tiến và công nghệ cao cũng như các ngành khoa học phục vụ dân sinh. Chẳng hạn, CFD được ứng dụng để mô phỏng về chuyển động của tàu vũ trụ với vận tốc siêu thanh và dòng chảy bao cũng như các yếu tố khí động tác dụng lên các vật thể bay nói chung. CFD được ứng dụng vào ngành Đại dương học để mô phỏng tìm quy luật các dòng biển nóng, lạnh và tác động của chúng lên khí hậu toàn cầu, … CFD được ứng dụng trong y tế để mô phỏng quá trình hoàn lưu máu ở hai vòng tuần hoàn, ảnh hưởng của các yếu tố bên trong, bên ngoài lên nhịp đập cũng như sức khỏe của nội tạng nói riêng, toàn bộ cơ thể nói chung, …
Thật khó có thể kể hết phạm vi ứng dụng của CFD. Dưới đây chúng ta chỉ liệt kê sơ qua những lĩnh vực nổi bật nhất mà CFD đóng vai trò như một công cụ hữu hiệu không thể thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, cũng như phát triển chúng lên cấp độ công nghiệp, mang lại nhiều thành tựu rực rỡ nhất. Đó là:
- Cơ học chất lưu và thủy khí động lực học, - Vật liệu học và sức bền vật liệu,
- Công nghiệp chế tạo máy, - Ngành năng lượng nguyên tử, - Ngành chế tạo ô tô,
- Và còn nhiều lĩnh vực khác nữa …
Công nghệ CFD được áp dụng để nghiên cứu lĩnh vực thủy - khí động lực học rất sớm, và tên gọi CFD cũng bắt nguồn từ đây. Lĩnh vực thuộc ngành thủy khí động lực học sử dụng các phương pháp CFD được phát triển sớm, nhanh, rộng rãi, ngày càng nhanh và đạt nhiều thành tự vô cùng to lớn - Cơ học chất lưu và thủy - khí động lực học tính toán (CFD – Computational Fluid Dynamics), hay thường gọi ngắn gọn là khí động lực học tính toán.
49
Hình 4.1Quá trình chuyển động của nước qua van bằng mô phỏng dòng chảy chậm [12].
Trong bài viết này, CFD được dùng để xác định sự biến thiên trường nhiệt độ và những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cấp đông của cá hồi.
4.2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 4.2.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2.1 Đối tượng nghiên cứu
4.2.1.1. Thông số hình học
Đối tượng nghiên cứu là các mẫu cá hồi fillet dạng hình hộp có kích thước Dài x Rộng x Dày: 170x50x40 (mm x mm x mm)
4.2.1.2. Phân tích thành phần cá
Theo bảng 2.2, thành phần cá hồi SaPa: hàm lượng nước 76,1 %; protein 19,62%; chất béo 3,15%; tro 1,13%
4.2.1.3. Thông số nhiệt vật lý của cá hồi
Thông số nhiệt vật lý được xác định theo công thức của các tác giả như bảng sau
Bảng 4.1 Thông số nhiệt vật lý.
Thông số nhiệt vật lý Tác giả
Hàm lượng băng Chen (2.17)
Nhiệt dung riêng Schwartzberg (2.27)
Hệ số dẫn nhiệt Murakami và Okos (2.53)
Khối lượng riêng Choi và Okos (2.22)
4.2.2 Phương pháp nghiên cứu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.2.2.4. Xây dựng mô hình cho bài toán cấp đông
Trên thực tế miếng cá fillet thường có hình dạng hình học phức tạp, phi tiêu chuẩn, có độ dày thay đổi dọc theo chiều dài miếng cá. Có thể coi đối tượng nghiên cứu cá hồi fillet được xem là dạng hình hộp có thông số trình bày như bảng 3.1. Khi mô phỏng quá trình cấp đông về mặt lý thuyết đây sẽ là bài toán dẫn nhiệt không ổn định phi tuyến trong không gian ba chiều với dạng phương trình (2.1). Việc giải các
50
các bài toán này hiện nay không quá khó khăn vì các công cụ phần mềm hỗ trợ như TRANSYS, ANSYS, MATLAB, FREEZING… Do đó hệ số dẫn nhiệt thay đổi rất lớn phụ thuộc vào tọa độ cũng như thời gian. Các công trình nghiên cứu, đã cho thấy đối với một số loại thịt, hệ số dẫn cục bộ dọc và ngang thớ thịt chênh lệch nhau tới vài chục lần. Đồng thời việc mô phỏng hệ số dẫn nhiệt theo tọa độ là điều đến nay vẫn chưa giải quyết được vì như vậy cần phải đưa được cấu trúc của vật thể cụ thể vào mô phỏng kết hợp với các mô hình nhiệt vật lý. Đây là điều bất khả thi ở quy mô nghiên cứu quá trình cấp đông của thực phẩm hiện nay. Do đó việc giải các phương trình vi phân dẫn nhiệt 3 chiều trong khi các đại lượng đặc trưng cho các tính chất nhiệt vật lý ảnh hưởng tới quá trình cấp đông như: C(T), λ(T), ρ(T) vẫn được xác định như là đại lượng “dung thông hiệu dụng” vô hướng là hoàn toàn vô nghĩa về bản chất vật lý của hiện tượng. Do đó hiện nay trong phần lớn các nghiên cứu gần đây trên thế giới về mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm, thường bài toán 3 chiều được quy về bài toán một chiều hoặc tối đa là 2 chiều. Trong khuôn khổ của luận văn này chúng ta sẽ xây dựng mô hình mô phỏng quá trình cấp đông cá da trơn như bài toán dẫn nhiệt 2 chiều. Khi giải bài toán hai chiều này chúng ta đã phải chấp nhận giả thiết các hệ số C(T), λ(T), là các đại lượng hiệu dụng cho lát cắt đó vô hướng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Do các mẫu sản phẩm cá trên có kích thước chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều rộng và dày, truyền nhiệt dọc theo chiều dài sản phẩm rất nhỏ có thể bỏ qua, nên coi nhiệt độ chỉ thay đổi theo hai hướng chiều rộng x và chiều dày z.
Sản phẩm cá hồi có thể coi là vật thể xốp cấu trúc tổng thể là một miền liên tục. Trong quá trình kết đông, các tính chất vật lý biến đổi theo nhiệt độ theo các mô hình đã trình bày ở chương hai.
4.2.2.5. Các giả thiết khi thiết lập mô hình toán
Như đã trình bày ở quy trình cấp đông cá hồi fillet các thông số của hệ thống cấp đông (vận tốc và nhiệt độ không khí môi trường cấp đông) sẽ thay đổi trong buồng cấp đông, tuy nhiên mức độ thay đổi này không nhiều nên quá trình nghiên cứu chấp nhận một số giả thiết sau:
Xem nhiệt độ môi trường cấp đông là không đổi cho từng chế độ cấp đông 𝑇𝑓 =const.
Vận tốc không khí trong buồng là không đổi, đồng thời bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số tỏa nhiệt bề mặt. Do đó hệ số tỏa nhiệt bề mặt không đổi. α=const
Do nhiệt độ môi trường cấp đông thấp, bề mặt sản phẩm xem như vật sáng màu hoàn toàn, do đó trong quá trình tính toán bỏ qua trao đổi nhiệt bức xạ. Trong quá trình cấp đông cá hồi bỏ qua tổn thất nhiệt giữa hệ thống với môi
trường.
4.3 Quy trình tiến hành mô phỏng cá hồi
51
Hình 4.2Lưu đồ thuật toán.
4.4 Xác định miền mô phỏng, dựng hình
Mô hình hóa hình học trong môi trường ANSYS Workbench được tự động hóa cao và cũng cung cấp cho người dùng sự linh hoạt để tùy chỉnh theo loại phân tích hoặc ứng dụng. Phần mềm ANSYS DesignModeler dựa trên tính năng có thể được sử dụng để tạo hình học tham số từ đầu hoặc để chuẩn bị hình học CAD hiện có để phân tích. Nó bao gồm các tùy chọn tự động để đơn giản hóa, dọn dẹp, sửa chữa và loại bỏ đối tượng không cần thiết. ANSYS DesignModeler cung cấp chức năng xây dựng mô hình độc đáo cho mô phỏng bao gồm tạo tham số hình học, khái niệm sáng
Không hội tụ H ộ i t ụ Bắt đầu Xác định miền mô phỏng
Tạo mô hình khối của miền mô phỏng
Thiết kế và tạo lưới
Định nghĩa thuộc tính vật liệu và điều kiện biên Chọn phương pháp giải và bước thời gian
Mô phỏng quá trình kết đông sản phẩm Thực hiện
giải bài toán
Xuất kết quả tính toán
Kết thúc Tính mới
52
tạo mô hình, sửa đổi hình học CAD, dọn dẹp tự động và sửa chữa, và một số công cụ được thiết kế riêng cho dòng chất lỏng, kết cấu và các loại phân tích. Xác định miền mô phỏng đảm bảo khái quát được không gian đối tượng mô phỏng. ANSYS DesignModeler hỗ trợ cách tiếp cận việc xây dựng tạo ra hình học tham số. Nó hỗ trợ các thao tác đúc hình, tạo khối, quay vòng, quét, vát và các tính năng tạo hình học tiêu chuẩn khác để tạo ra các mô hình tham số đầy đủ. Ngoài ra, nó hỗ trợ các thao tác cơ bản để tạo hình học mới hoặc thêm hình học bổ sung vào mô hình hiện có. Các mô hình này có thể được sử dụng với bất kỳ sản phẩm mô phỏng cốt lõi nào từ ANSYS hoặc với sản phẩm ANSYS DesignXplorer để thực hiện tối ưu hóa thiết kế.
Trong bài luận văn này, mô hình của buồng cấp đông được xây dựng có dạng khối lập phương kích thước: Dài x Rộng x Cao là 0,36 x 0,36 x 0,36 (m3).
Hình 4.3 Buồng cấp đông với hai quạt cấp và hồi trong không gian 3 chiều.
Hai quạt nằm bên trên có đường kính D = 0,115m với khoảng cách như hình 4.3:
53 Vị trí miếng cá đo từ thực nghiệm được được đặt trên giá bằng nhôm cao 0,275m và được mô phỏng trong không gian 3 chiều như hình 4.4: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.5 Vị trí miếng cá đặt dưới quạt cấp trong không gian 3 chiều.
Sau khi xây dựng được mô hình hình học, bước tiếp theo là chia lưới. Chia lưới là một phần không thể thiếu của quy trình mô phỏng kỹ thuật nơi hình học phức tạp được chia thành các phần tử đơn giản có thể được sử dụng như các xấp xỉ cục bộ riêng biệt của miền lớn hơn. Lưới ảnh hưởng đến độ chính xác, độ hội tụ và tốc độ của mô phỏng. Hơn nữa, vì việc chia lưới thường tiêu tốn một phần thời gian đáng kể để có được kết quả mô phỏng, các công cụ chia lưới càng tốt và tự động, giải pháp càng nhanh và chính xác. ANSYS cung cấp phần mềm chia lưới thông minh, hiệu suất cao, tự động, hiệu suất cao, tạo ra lưới phù hợp nhất cho các giải pháp đa vật lý chính xác, hiệu quả - từ chia lưới dễ dàng, tự động đến lưới được chế tạo cao. Các phương pháp có sẵn bao gồm phổ chia lưới của các phần tử bậc cao đến tuyến tính và tứ diện nhanh và đa diện cho hình lục giác và khảm chất lượng cao. Mặc định thông minh được tích hợp vào phần mềm để tạo chia lưới một nhiệm vụ không gây trở ngại và thực tế mang lại độ phân giải cần thiết để nắm bắt độ dốc của giải pháp đúng cách cho kết quả đáng tin cậy.
Chỉ số cần quan tâm trong chia lưới thể hiện trong hình 4.5 và hình 4.6: