L ập trình điều khiển hệ thống
4.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng
Mơ phỏng số quá trình làm việc của động cơ đốt trong ngày càng đĩng vai trị quan trọng trong việc thiết kế, cải tiến động cơ. Mơ phỏng CFD (Computational Fluid dynamics) động cơ cĩ thể cung cấp một gĩc nhìn tồn diện về các hiện tượng vật lý vật lý xảy ra trong động cơ, chẳng hạn như quá trình trộn lẫn nhiên liệu và khơng khí, quá trình đánh lửa và quá trình xảy ra phản ứng hĩa học đốt cháy. Biết được chi tiết quá trình các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, sẽ giúp chúng ta dự đốn, phân tích, đánh giá được chính xác các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình làm việc của động cơ, làm cơ sở để cải tiến, nâng cao hiệu suất động cơ, giảm phát thải ra mơi trường.
Khơng ngồi mục đích trên, trong chương này, trong nội dung nghiên cứu này xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực hiện các trường hợp mơ phỏng khác nhau cho quá trình cháy xảy ra trong CVCC. Các kết quả tính tốn mơ phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm chứng, đồng thời từ đĩ đưa ra các phân tích đánh giá cho quá trình cháy xảy ra trong CVCC.
Phương trình cơ bản mơ tả quá trình cháy
Quá trình cháy nhiên liệu là quá trình đa vật lý, tổng hợp của các hiện tượng: phản ứng giữa các chất hĩa học, đối lưu của dịng chảy, truyền nhiệt. Để mơ phỏng được chính xác quá trình cháy, cần xác định rõ các đại lượng vật lý tồn tại trong mơ hình, các hiện tượng vật lý liên quan các đại lượng vật lý đĩ, và các phương trình mơ tả quan hệ của các đại lượng vật lý được dưới dạng vi phân đạo hàm riêng. Trong mơ phỏng này, hành trình piston được đặt với một giá trị đủ nhỏ để biến thiên thể tích rất nhỏ, do đĩ dV lúc này là vơ cùng nhỏ. Khi đĩ buồng cháy sẽ trởnên tương đương với CVCC. Hệ phương trình liên hệ các đại lượng vật lý mơ tả hiện tượng cháy của nhiên liệu trong một cùng thể tích hữu hạn V được bao bởi bề mặt kín A gồm cĩ các phương trình viết dưới dạng tích phân sau đây:
- Phương trình biến thiên động lượng dịng chảy chất lỏng, mơ tả quan hệ giữa vận tốc hỗn hợp khí, nhiên liệu với áp suất, nhiệt độ, lực khối [81].
𝜕 𝜕𝑡∫ 𝜌𝑣𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝑣®𝑣. 𝑑𝑎 = − ∮ 𝑝𝐼. 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇. 𝑑𝑎 +𝑉 𝐴 𝐴 𝐴 ∮ 𝑓𝑉 𝑏𝑑𝑉 + ∫ 𝑠𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.1) Trong đĩ: p: là áp suất T: là tensor ứng suất nhớt fb: là vectơ lực tổng hợp Su: là nguồn chất lỏng
83
𝜕
𝜕𝑡∫ 𝜌𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝑣. 𝑑𝑎 = ∫ 𝑆𝑉 𝑉 𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.2) - Phương trình năng lượng mơ tả liên hệ qua lại giữa động năng dịng chảy,
nhiệt độ [81]. 𝜕 𝜕𝑡∫ 𝜌𝐸𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝐻𝑣. 𝑑𝑎 = − ∮ 𝑞. 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇. 𝑣. 𝑑𝑎 + ∫ 𝑓𝑉 𝐴 𝐴 𝐴 𝑉 𝑏. 𝑣𝑑𝑉 + ∫ 𝑆𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.3) Trong đĩ: E: là tổng năng lượng H: là tổng entanpy q: là thơng lượng nhiệt
- Phương trình trạng thái với khí thực Van der Waals [9].
(p +va2) . (v − b) = R. T (4.4) Trong đĩ:
a
b: là hệ sốđiều chỉnh về áp suất khi cĩ lực hút giữa các phân tử b: hệ số tính đến thể tích của các phân tử
Các hệ số a và b được xác định qua trạng thái tới hạn của chất khí và tính theo cơng thức:
a = 2764.R2.Tk
pk ; b =18.R.Tk
pk (4.5) Trong đĩ:
Tk và pk là nhiệt độ và áp suất của mơi chất ở trạng thái tới hạn - Phương trình chuyển động
Phương trình vận chuyển của động năng và tốc độ phân tán hỗn loạn [81]. 𝜕 𝜕𝑡(𝜌𝑘) + ∇. (𝜌𝑘∇) = ∇. [(𝜇 +𝜇𝑡 𝜎𝑘) ∇𝑘] + 𝑃𝑘− 𝜌(𝜀 − 𝜀0) + 𝑆𝑘 (4.6) 𝜕 𝜕𝑡(𝜌𝜀) + ∇. (𝜌𝜀∇̅) = ∇. [(𝜇 +𝜇𝑡 𝜎𝜀) ∇𝜀] +𝑇1 𝑒𝐶𝜀1𝑃𝜀 − 𝐶𝜀2𝑃2𝜌 (𝑇𝜀 𝑒−𝜀0 𝑇0) + 𝑆𝜀 (4.7) Trong đĩ: 𝑣̅: là vận tốc trung bình. μ: là độ nhớt động học. 𝜎𝑘, 𝜎𝜀, 𝐶𝜀1, 𝐶𝜀2: là hệ số mơ hình. Pk và Pε: là điều kiện mơ phỏng. f2: chức năng giảm chấn.
Sk và Sε là các điều kiện nguồn.
ε0 là giá trị nhiễu loạn xung quanh trong điều kiện nguồn chống lại sự phân rã nhiễu loạn. Khả năng áp đặt thuật ngữ nguồn xung quanh cũng dẫn đến định nghĩa về một thang thời gian cụ thể được định nghĩa là:
𝑇0 = 𝑚𝑎𝑥 (𝑘0
𝜀0, 𝐶𝑡√𝜀𝑣
84 Trong đĩ:
Ct: là hệ số của mơ hình
- Phương trình năng lượng trong chất lỏng
Simcenter STAR-CCM + thực hiện phương trình năng lượng ở dạng tích phân sau [81]. 𝜕 𝜕𝑡∫ 𝜌𝐸𝑑𝑉 + ∮ 𝜌𝐻𝑣𝑑𝑎 = − ∮ 𝑞𝑉 𝐴 𝐴 ′′. 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇. 𝑣𝑑𝑎 + ∫ 𝑓𝐴 ̇𝑉 𝑏. 𝑣𝑑𝑉 + ∫ 𝑆𝑉 𝑢𝑑𝑉 (4.9) Trong đĩ: E: là tổng năng lượng H: là tổng entanpi
𝑞̇′′: vector thơng lượng nhiệt là T: là tensor ứng suất nhớt v: là vectơ vận tốc
Su: là vectơ lực tổng hợp cho các thành phần cịn lại: quay, trọng lực, quạt…
Su nguồn năng lượng, chẳng hạn như nguồn bức xạ, nguồn năng lượng xen kẽ hoặc nguồn năng lượng do phản ứng hĩa học. Các nguồn thể tích do người dùng xác định cũng nhập thơng qua thuật ngữ này.
Tổng năng lượng liên quan đến tổng entanpi H bằng:
𝐸 = 𝐻 −𝜌𝑝 (4.10)
𝐻 = ℎ + |𝑣|2/2 (4.11) Để mơ phỏng quá trình cháy nhiên liệu, mơ hình ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model Three Zone) được áp dụng nhờ khả năng mơ phỏng các cơ chế phức tạp quá trình trộn lẫn hỗn hợp nhiên liệu, đánh lửa, lan truyền ngọn lửa và cháy khuếch tán đặc trưng của động cơ đốt trong.
Các phản ứng xảy ra trong buồng cháy:
C2H2+ O2+ N2 → CO2+ H2O + N2 𝐶8𝐶18+ 2O2 → 𝐶𝑂2+ 𝐻2O 𝐶17𝐻32𝑂2+ O2 → 𝐶𝑂2+ 𝐻2𝑂
Phương pháp mơ phỏng
Để mơ phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong, Simcenter Star-CCM+ đã xây dựng riêng một cơng cụ bổ sung (Add-on) chuyên dụng cho lớp các bài tốn cháy trong xi-lanh. Với tên gọi In-Cylinder, cơng cụ này được phát triển riêng cho lớp các bài tốn cháy của nhiên liệu trong thể tích khơng gian hình trịn. In-Cylinder cho phép mơ phỏng đầy đủ quá trình làm việc, phối kết hợp của các bộ phận trong động cơ, nĩ cho phép đặt chính xác các điều kiện đầu vào về thơng số hình học, vật lý, và động học của các bộ phận trong động cơ. Để thuận tiện, giảm độ phức tạp cài đặt mơ hình mơ phỏng, trong In-Cylinder xây dựng sẵn các thơng số xác định hình dạng vật lý và điều kiện làm việc cho xi-lanh, van, kim phun, và bộ đánh lửa.
85
Trong mơ phỏng số, tạo lưới là quá trình phức tạp, tốn nhiều thời gian, ảnh hưởng tới độ chính xác mơ phỏng, đặc biệt đối với các bài tốn cĩ dạng hình học phức tạp, thể tích khơng gian vật lý thay đổi theo thời gian, đa vật lý xảy ra cùng lúc – như bài tốn cháy trong động cơ. In-cylinder cung cấp chức năng tự động chia lưới theo các thơng số đầu vào về dạng hình học của xy-lanh, pit-tơng, chuyển động của piston, các van xả, van nạp. Lưới chuyển động được tính tốn phù hợp với vị trí chuyển động của piston và các van. Thuật tốn nội suy dữ liệu trong quá trình thay đổi lưới được xây dựng dựa trên các quy luật bảo tồn khối lượng, động lượng, và năng lượng.
Với các đặc điểm trên, In-Cylinder là một cơng cụ mạnh trong mơ phỏng quá trình cháy của động cơ đốt trong, và được dùng rất phổ biến trong các nhĩm nghiên cứu mạnh.
Khi mơ hình cần mơ phỏng cĩ dạng giống với mơ hình cháy trong động cơ truyền thống, cơng cụ In-Cylinder sẽ phát huy được tối đa hiệu quả, ngược lại khi mơ hình mơ phỏng khơng đồng nhất với mơ hình động cơ truyền thống, chẳng hạn khơng cĩ piston, hoặc khơng cĩ quá trình xả khí, thì cần phải đưa vào những hiệu chỉnh cần thiết để In-Cylinder làm việc như ý muốn.
Vấn đề mơ phỏng Buồng cháy cĩ thể tích khơng đổi cĩ những đặc trưng khơng được mơ tả trong cơng cụ In-Cylinder: Quá trình diễn biến cháy khơng phụ thuộc vào gĩc quay trục khuỷ, khơng cĩ piston, các van nạp khơng đĩng mở theo chu kỳ... Do đĩ, khi sử dụng cơng cụ In-Cylinder để mơ phỏng quá trình cháy trong Buồng cháy cĩ thể tích khơng đổi cần những hiểu biết đầy đủ về phương pháp vận hành của In- Cylinder để đưa ra các hiệu chỉnh phù hợp nhằm mơ phỏng chính xác các hiện tượng thực tế xảy ra trong buồng cháy.
Trong Simcenter STAR-CCM + In-Cylinder, quá trình cháy trong động cơ được mơ phỏng sử dụng mơ hình ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model Three Zone). Mơ hình ECFM-3Z cĩ khả năng mơ phỏng các cơ chế phức tạp quá trình trộn lẫn hỗn hợp nhiên liệu, đánh lửa, lan truyền ngọn lửa và cháy khuếch tán đặc trưng của động cơ đốt trong.
Đối tượng mơ phỏng
Đối tượng mơ phỏng là CVCC cĩ đường kính xylanh 80 mm, chiều cao 90 mm và bề dày thành xylanh là 60 mm
86
Nhiên liệu sử dụng trong mơ phỏng là nhiên liệu B0 và B10. Nhiên liệu B0 sử dụng cho động cơ đốt trong là sản phẩm chưng cất từ dầu mỏ. Nhiên liệu này ngày càng khan hiếm do nhu cầu khai thác và sử dụng của con người trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội. Việc nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống là nhiệm vụ mang tính cấp thiết. Nhiên liệu B10 cĩ tính chất gần với nhiên liệu diesel truyền thống, chỉ khác biệt một chút về các thuộc tính (trị số xê tan, tỉ lệ C/H/O, nhiệt trị thấp và độ nhớt...). Tuy nhiên, sự khác biệt này nhỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu đối với nhiên liệu B10 sẽ thuận lợi hơn khi phân tích các kết quả nghiên cứu và so sánh kết quả với nhiên liệu B0. Mặt khác, nhiên liệu hĩa thạch đang dần cạn kiệt, theo dự báo với mức độ sử dụng nhiên liệu như hiện nay thì trong khoảng 40 - 50 năm nữa nhiên liệu hĩa thạch sẽ cạn kiệt. Ngồi ra, các nước trong khối EU đã sử dụng nhiên liệu này tư lâu. Từ năm 2007 đến 2012 ở Châu Âu đã tiêu thụ dầu biodiesel tăng 57% và hội đồng của nghị viện EU ủng hộ phê duyệt giới hạn 7% với nhiên liệu biodiesel vào tháng 6 năm 2014 (nguồn https://www.eubia.org/cms/wiki-biomass/biofuels/biodiesel/). Vì vậy, nghiên cứu đặc tính cháy nhiên liệu B10 là cần thiết trong việc sử dụng nhiên liệu này ở Việt Nam trong tương lai.
Mơ hình mơ phỏng
Mơ hình mơ phỏng sốđược xây dựng dựa trên các thơng số thiết kế hình học của buồng cháy cĩ thể tích khơng đổi, các thơng số quá trình nạp, đốt cháy nhiên liệu cũng được đặt thống nhất với các thơng số của mơ hình thực nghiệm. Vì vậy các kết quả mơ phỏng số cĩ thể được dùng để so sánh, đánh giá, và phân tích các kết quả đạt được trong thực nghiệm Bảng 4. 1
Bảng 4. 1. Thơng số hình học của mơ hình mơ phỏng
Thơng số Giá trị Ghi chú
Đường kính buồng đốt 80mm Độ dài buồng đốt 90mm Đường kính van nạp 5mm Đường kính van xả 5mm Đường kính vịi phun 0,14mm
Sử dụng các thơng số hình học trong Bảng 4.1, mơ hình lưới tính tốn được xây dựng sử dụng cơng cụ 3D-CAD tích hợp trong Star-CCM+. Theo quy định của In- Cylinder mơ hình CAD phải chứa cĩ 3 thành phần: Cylinder-phần thể tích sảy ra phản ứng cháy của nhiên liệu trong buồng cháy; IntakeValve, ExhaustValve-được định nghĩa là các van xupáp nạp nhiên liệu và xả hỗn hợp sản phẩm sau khi cháy.
Miền khơng gian xảy ra phản ứng cháy (Cylinder), và các van nạp, xả trong mơ hình mơ phỏng được hiển thị trong Hình 4. 2.
87
Hình 4. 2. Mơ hình mơ phỏng CVCC
Cơng cụ In-Cylinder yêu cầu piston phải chuyển động theo vịng quay trục khủyu trong quá trình cháy. Khi sử dụng In-Cylinder để mơ phỏng CVCC, cần điều chỉnh các hệ số để piston khơng chuyển động. Qua tìm hiểu các thống số cài đặt của cơng cụ In- Cylinder, cho thấy rằng chuyển động của piston dựa trên các thơng tin cụ thể về hình dạng của động cơ, sử dụng các đặc tính hình học di chuyển piston dọc theo trục z âm, độ lệch từ vị trí điểm chết trên được tính theo phương trình 4.12, Trong đĩ S là hành trình dịch chuyển của vấu cam, CA là gĩc quay trục khuỷu tính bằng độ (từ 0 đến 720°), CRL là chiều dài thanh truyền, PO là vị trí xác định ban đầu. Trong mơ hình mơ phỏng tham số S được đặt bằng 0.05mm (tương ứng bằng 1 nửa kích thước ơ lưới cơ bản).
Để mơ phỏng quá trình phun nhiên liệu trong xylanh, cơng cụ In-Cylinder cho phép đưa vào mơ hình kim phun một hoặc nhiều vịi phun với các dạng phun khác nhau và được đặt ở bất kỳ bên trong buồng cháy. Trong mơ phỏng này, nhiên liệu phun được điều chỉnh theo 4 tham số: vận tốc tia phun, tỉ lệ phun, nhiệt độ và kích thước hạt nhiên liệu phun vào buồng cháy. Các tham số nhiệt độ và kích thước hạt được nội suy trực tiếp từ bảng dữ liệu đầu vào. Các tham số vận tốc và tỉ lệ phun được xác định như sau:
Vận tốc được xác định như sau:
𝑢𝑖 = 𝑚̇ 𝑛⁄ 𝐶𝑑.𝑖𝑃(𝑑𝑖
2
⁄ )2𝜋 (4.12) Trong đĩ: 𝑚,̇ 𝑛, 𝐶𝑑,𝑖, 𝑃, 𝑑𝑖 lần lượt là tỉ lệ phun, số lượng vịi phun, hệ số xả, khối lượng riêng của nhiên liệu, và là đường kính thủy lực tiết diện phun.
Tỉ lệ phun được tính như sau :
𝑚̇ = 𝐹𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑝𝑜𝑙𝑎𝑡𝑒(𝐶𝐴𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 − 𝐼𝐶𝐴𝑇 + 𝐼𝐶𝐴𝐴) (4.13) Trong đĩ:
𝑚̇; 𝐹𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑝𝑜𝑙𝑎𝑡𝑒; 𝐶𝐴𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒, 𝐼𝐶𝐴𝑇, 𝐼𝐶𝐴𝐴 lần lượt là hàm nội suy từ bảng dữ liệu, gĩc quay trục khuỷu tính bằng độ (0-720°), các gĩc quay trục khủy xác định thời điểm phun nhiên liệu.