8. Cấu trúc của luận án
3.2.1.2. Điều kiện mô phỏng phân bố nhiệt độ
Phần mềm ANSYS với mô đun CFX được sử dụng để mô phỏng phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn vì đây là tính năng chuyên nghiệp đối với các dòng chảy lưu chất. Trong đó, dòng khí gia nhiệt có hệ số nhớt động lực khoảng 1.83e-5 kg/ms nên có hệ số Re rất lớn và là dòng chảy rối. Do đó, mô hình sử dụng cho mô phỏng là mô hình k- ε tiêu chuẩn [55,56], là một trong những mô hình chảy rối phổ biến nhất, là một mô hình hai phương trình, trong đó có thêm 2 biến đối lưu để mô tả tính rối của dòng chảy. Biến đối lưu đầu tiên là động năng chảy rối k, xác định năng lượng chảy rối cho dòng khí, biến đối lưu thứ 2 trong trường hợp này là tiêu tán rối ε là biến xác định quy mô chảy rối. Hệ phương trình gồm hai phương trình của mô hình k- ε tiêu chuẩn (phương trình 2.62 và 2.63) được trình bày chi tiết trong chương 2 mục 2.10. Trong nghiên cứu này, các phương trình vi phân chính và điều kiện biên của quá trình gia nhiệt khuôn được giải bằng phần mềm ANSYS dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) cho dòng khí. Trong kỹ thuật này, vùng quan tâm
59
được chia thành các vùng nhỏ, được gọi là thể tích kiểm soát [55,57]. Các phương trình được rời rạc và giải quyết lặp đi lặp lại cho mỗi thể tích kiểm soát. Kết quả thu được là giá trị gần đúng của từng biến số tại các điểm cụ thể trên toàn miền.
Với mô hình sản phẩm thành mỏng được mô tả như hình 3.17, mô hình gia nhiệt bằng khí nóng gồm bốn cổng phun khí được thiết kế và bố trí tại các vị trí đã được xác định như hình 3.20.
a. Vị trí gia nhiệt b. Mô hình khối gia nhiệt c. Mô hình chia lưới Khối insert Hệ thống làm nguội Bề mặt gia nhiệt Đầu phun khí
Hình 3.20: Mô hình mô phỏng gia nhiệt lòng khuôn bằng khí nóng
Để nâng cao năng suất gia nhiệt khí nóng bề mặt khuôn, quá trình diễn ra chủ yếu tập trung trên tấm gia nhiệt bên trong lòng khuôn. Tấm gia nhiệt khuôn được chia theo lưới hex dominent do cấu tạo đơn giản, khối khí được chia lưới terahedrons do cấu trúc phức tạp (hình 3.20 c), cho phép tăng số lượng phần tử tại các vùng đòi hỏi độ chính xác mô phỏng cao.
Đồng thời, thông số mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng, cũng như đặc tính vật liệu mô phỏng được thiết lập lần lượt như bảng 3.4 và bảng 3.5.
Bảng 3.4: Thông số mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng
Nhiệt độ không khí đầu vào 30 oC
Nhiệt độ không khí đầu ra bộ gia
nhiệt (oC) 30 200 250 300 350 400
60
Nhiệt dung riêng không khí
(J/kgoC) 1004 1026 1035 1046 1057 1068
Hệ số dãn nở không khí 3,32 2,1 1,93 1,76 1,64 1,52
Nhiệt độ ban đầu của khuôn 30 oC
Tỉ trọng nhôm 2702 kg/m3
Nhiệt dung riêng nhôm 903 J/kgoC
Hệ số truyền nhiệt nhôm 237 W/moC
Tỉ trọng thép 7870 kg/m3
Nhiệt dung riêng của thép P20 460 J/kgoC
Hệ số truyền nhiệt của thép P20 29 W/moC
Thời gian gia nhiệt 0 s 30 s
Điều kiện ban đầu của không khí
- Vận tốc không khí: 0 m/s - Áp suất không khí: 1 atm - Nhiệt độ không khí: 30 °C
Bảng 3.5: Thông số vật liệu trong mô phỏng gia nhiệt bằng khí nóng
Vật liệu Thông số Đơn vị Giá trị
Khí
Khối lượng phân tử kg/kmol 28,96
Khối lượng riêng kg/m3 1,185
Độ nhớt động lực học kg/ms 1,831e-5
Hệ số dẫn nhiệt W/moC 0,0261
Thép
Khối lượng phân tử kg/kmol 55,85
Khối lượng riêng kg/m3 7854
Hệ số dẫn nhiệt W/moC 60,5