44
Hình 3.9:Model sau khi được chia lưới.
Dựa theo tài liệu hướng dẫn sử dụng ANSYS - Appendix A -Mesh Quality - ANSYS Meshing Application Introduction 2009 về yêu cầu chất lượng lưới cho FLUENT ta thấy chỉ số Aspect Ratio Max là 11.002 là rất tốt vì nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu dưới 40.
3. Xét thơng số Othogonal Quality
Giá trị min của Orthogonality thì càng cao càng tốt, trong nhiều trường hợp chỉ cần có min. Orthogonality trên 0.01 cũng là đủ để hội tụ và cho kết quả phù hợp với thực
nghiệm.
Bảng 3.2: Bảng tiêu chuẩn đánh giá thông số Othor Quality. [20]
Hình 3.8: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Orthogonal Quality.
Dựa theo bảng tiêu chuẩn và so sánh với kết quả thu được thì giá trị Min Orthogonal Quality bằng 0.155 và nằm trong khoảng chấp nhận được.
0-0.001 0.001-0.14 0.15-0.2 0.2-0.69 0.7-0.95 0.95-1 Unacceptable Bad Acceptable Good Very good Excellent
45
Bước 4: Tạo và thiết lập Fluent
1. Chọn trên Analysis Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;
2. Nhấp đúp chuột Fluid Flow (Fluent) để đưa vào Project Schematic;
3. Ở Project Schematic nháy vào Mesh của ô B3và kéo thả chuột sang Setup của ô C2 > nháy đúp chuột vào Setup và tiến hành thiết lập thông số.
Bước 5: Setup Fluent a.Setup General
1. Nháy chọn General trong Problem Setup;
2. Trong bảng giá trị General, chọn Pressure-Based cho Type, Absolute cho Velocity Formulation, Steady cho Time;
3. Nháy chọn ô Gravity và điền giá trị y = -9.81 (𝑚/𝑠2);
b.Setup Models
1. Nháy chọn Models trong Problem Setup;
2. Ở bảng thông số Models, nháy chọn Energy - off > Energy Equation > OK để chuyển sang Energy - On;
46 3. Ở bảng thông số Models, nháy chọn Viscous - Laminar > Strandard k-epsilon (2 eqn)
> OK.
c.Setup Materials
1. Nháy chọn Materials trong Problem Setup;
2. Ở bảng thông số, nháy Create/Edit Materials > FLUENT Database Materials > water liquid (h2o<l>) > Copy.
Hình 3.11: Thêm thuộc thính vật liệu cho mơ hình.
e. Setup Cell Zone Conditions
1. Nháy chọn Cell Zone Conditions trong Problem Setup;
2. Ở bảng thông số Cell Zone Conditions > part-cold_water > Edit… > Edit…Material Name > water liquid > OK. Tương tự với part-hot_water.
3. Đối với part_shell chọn Aluminium.
47
f. Setup Boundary Conditions
1. Nháy chọn Boundary Conditions trong Problem Setup;
2. Ở bảng thông số Boundary Conditions:
+ Chọn wall_shell > Edit… > thẻ Thermal > Convection (trong Thermal Conditions); + Nhập giá trị nhiệt độ môi trường là 20℃ cho Free Stream Temperature;
+ Chọn velocity_inlet_hot_water > Edit… > thẻ Momentum > nhập giá trị Velocity Magnitude là 2,25 (m/s), Specification Method > K and Epsilon. Sang thẻ Thermal > nhập giá trị nhiệt độ nước vào Temperature là 85 0C;
+ Chọn velocity_inlet_cold_water > Edit… > thẻ Momentum > nhập giá trị Velocity Magnitude là 1,5 (m/s), Specification Method > K and Epsilon. Sang thẻ Thermal > nhập giá trị nhiệt độ nước vào Temperature là 20 0C.
Hình 3.13:Setup thơng số wall_shell.
48
Bước 6: SetupSolving & Run Solution Initialization
1. Ở phần Solving, chọn Hybrid;
2. Ở phần Run Calculation, chọn Number of Iterations > Calculate.
Hình 3.15: Thiết lập Momentum của Velocity inlet cold and hot water.
49
* Kết quả mơ phỏng
Hình 3.17: Thiết lập Run Calculate.
50
Hình 3.19: Trường nhiệt độ mặt cắt model.
51
3.2.Kiểm nghiệm lưới và mơ phỏng 3.2.1.Kích thước và tính độc lập của lưới 3.2.1.Kích thước và tính độc lập của lưới
Bảng 3.3: Grid independence study details.
Mesh type No. of elements Nhiệt độ Hot_water_out (oC)
Coarse 695457 79.76
Medium 1033749 79.62
Fine 3624135 80.12
Theo lý thuyết ngoại suy Richardson, tỷ lệ sàng lọc phải lớn hơn 1,3:
Tỷ lệ sang lọc 1 = Fine mesh/Medium mesh = 3624135/1033749 = 3.5;
Tỷ lệ sang lọc 2 = Medium mesh/Coare mesh = 1033749/695457 = 1.48; Kết quả nhiệt độ chênh lệch khá nhỏ giữa 3 loại mesh;
Những kết quả này xác nhận rằng lưới được tạo ở trong tình trạng tuyệt vời.
3.2.2.Kiểm nghiệm mô phỏng
Bảng 3.4: Bảng kết quả kiểm nghiệm. Yếu tố Lân 1 Lần 2 Lần 3 Điểm hội tụ 2366 2293 2348
Nhiệt độ Hot_water_out (oC) 79.62 80.1 79.88 Dựa vào bảng 3.4:
- Độ chênh lệch về điểm hội tụ sau 3 lần khảo sát lớn nhất là 3.08%; - Độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 0.6 %;
Bảng 3.5: Bảng so sánh Viscous model.
Viscous model Kết quả nhiệt độ (oC)
k-epsilon Standard 79.62 80.1
k-epsilon Realizable 80.17 80.22
52 - Mơ hình k-ɛ Realizable khác với mơ hình k-ɛ Standard theo hai cách:
+ Thứ nhất, nó chứa một cơng thức mới cho độ nhớt hỗn loạn không phải là một hằng số như trong mơ hình tiêu chuẩn mà là một biến.
+ Thứ hai, nó chủ yếu đưa ra các dự đốn được cải thiện về tốc độ lan truyền của các tia phản lực, khả năng vượt trội để nắm bắt dịng chảy trung bình của các cấu trúc phức tạp và đối với các dòng chảy liên quan đến chuyển động quay, các lớp ranh giới dưới gradient áp suất bất lợi mạnh, phân tách và tái lưu thông.
- Mơ hình k-ω tương tự như mơ hình k-ε, nhưng nó giải quyết cho ω (omega) - tốc độ tiêu tán riêng của động năng. Đây là một mơ hình số Reynolds thấp, nhưng nó cũng có thể được sử dụng kết hợp với các chức năng tường. Nó phi tuyến tính hơn, và do đó khó hội tụ hơn so với mơ hình k-ε, và nó khá nhạy cảm với phỏng đốn ban đầu của lời giải. Mơ hình k-ω hữu ích trong nhiều trường hợp khi mơ hình k-ε khơng chính xác, chẳng hạn như các dòng chảy bên trong, các dòng chảy biểu hiện độ cong mạnh, các dòng chảy riêng biệt và các tia phản lực.
*Chọn mơ hình k-epsilon Standard là bởi vì:
- Mơ hình k-epsilon Standard chạy ổn định hơn, vì độ nhớt hỗn loạn được tính theo cách ít phức tạp hơn.
- Độ chênh lệch về kết quả của cả 3 phương pháp không quá đáng kể. - Bộ mesh sử dụng chưa thật sự tốt nhất.
- Giới hạn về thời gian và máy tính khơng đủ mạnh nên việc chọn lựa phương pháp tính nhanh nhưng vẫn đảm bảo được kết quả là thật sự cần thiết.
53
3.3.Mô phỏng và xử lý số liệu * Cơ sở mô phỏng * Cơ sở mô phỏng
Để đánh giá hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt thì nhiệt độ và vận tốc hot_water_in là giá trị không đổi. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt của mô phỏng là:
Nhiệt độ môi trường; Vận tốc cold_water_in; Nhiệt độ cold_water_in;
Các thông số và cấp độ của các yếu tố ảnh hưởng:
Bảng 3.6: Thông số các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng.
Factors Level 1 Level 2 Level 3
P1: Nhiệt độ môi trường (oC) 20 24 28
P2: Vận tốc cold_water_in (m/s) 1.5 2.25 3
54
3.4.Xử lý số liệu theo Taguchi (L9)
Bảng 3.7: Bảng ấn định thông số của các yếu tố. STT P1: Nhiệt độ môi trường (oC) P2: Vận tốc cold_water_in (m/s) P3: Nhiệt độ cold_water_in (oC) 1 20 1.5 20 2 20 2.25 25 3 20 3 30 4 24 1.5 25 5 24 2.25 30 6 24 3 20 7 28 1.5 30 8 28 2.25 20 9 28 3 25 3.4.1.Kết quả mơ phỏng
Mỗi thí nghiệm sẽ được mơ phỏng 3 lần.
Phần vận tốc và nhiệt độ của nước nóng đầu vào Hot_water_in sẽ được giữ mặc định trong tất cả các mô phỏng là 2,25 m/s tương đương với lưu lượng khoảng 6,78 (l/p) và nhiệt độ 85 oC.
a. Mô phỏng thí nghiệm 1
Mơ phỏng thí nghiệm 1 với các yếu tố:
- Nhiệt độ phòng: 20 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1,5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);
55
Hình 3.23: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 3 Hình 3.22: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 2. Hình 3.22: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 2. Hình 3.21: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 1 lần thứ nhất.
56
b. Mơ phỏng thí nghiệm 2
Mơ phỏng thí nghiệm 2 với các yếu tố:
- Nhiệt độ phòng: 20 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 2,25 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 6,78 (l/p);
- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 25 oC.
Hình 3.24: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 2 lần thứ nhất.
57
c. Mơ phỏng thí nghiệm 3
Mơ phỏng thí nghiệm 3 với các yếu tố: - Nhiệt độ phòng: 20 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 3 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 9 (l/p);
- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 30 oC.
Hình 3.26: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 3.
58
d. Mơ phỏng thí nghiệm 4
Mơ phỏng thí nghiệm 4 với các yếu tố:
- Nhiệt độ phòng: 24 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1.5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);
- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 25 oC.
Hình 3.28:Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 3 lần thứ 2.
59
e. Mơ phỏng thí nghiệm 5
Mơ phỏng thí nghiệm 5 với các yếu tố: - Nhiệt độ phòng: 24 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 2,25 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 6,78 (l/p);
- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 20 oC
Hình 3.30: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 4 lần thứ nhất.
60 - Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 30 oC.
Hình 3.32:Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 4 lần thứ 3.
61
f. Mơ phỏng thí nghiệm 6
Mơ phỏng thí nghiệm 6 với các yếu tố:
- Nhiệt độ phòng: 24 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 3 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 9 (l/p);
Hình 3.34: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 5 lần thứ 2.
62
Hình 3.36: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 6 lần thứ nhất.
63
g. Mơ phỏng thí nghiệm 7
Mơ phỏng thí nghiệm 7 với các yếu tố: - Nhiệt độ phòng: 28 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1,5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);
- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 30 oC.
Hình 3.38:Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 6 lần thứ 3.
64
h. Mơ phỏng thí nghiệm 8
Mơ phỏng thí nghiệm 8 với các yếu tố:
- Nhiệt độ phòng: 28 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 2,25 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 6,78 (l/p);
Hình 3.40: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 7 lần thứ 2.
65 - Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 20 oC.
Hình 3.42: : Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 8 lần thứ nhất.
66
i. Mơ phỏng thí nghiệm 9
Mơ phỏng thí nghiệm 9 với các yếu tố:
- Nhiệt độ phòng: 28 oC;
- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 3 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 9 (l/p);
- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 25 oC.
Hình 3.44: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 8 lần thứ 3.
67
Hình 3.46: Kết quả mơ phỏng thí nghiệm 9 lần thứ 2.
68
3.4.2.Kết quả mơ phỏng thí nghiệm hiệu quả trao đổi nhiệt
Bảng 3.8: Bảng kết quả mơ phỏng thí nghiệm độ chênh nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt.
3.4.3.Xử lý số liệu theo Taguchi
Bảng 3.9: Bảng thí nghiệm số liệu thu thập theo Mean
TN P1 P2 P3 Means 1 20 1.5 20 76.97 2 20 2.25 25 81.39 3 20 3 30 79.06 4 24 1.5 25 79.78 5 24 2.25 30 81.89 6 24 3 20 77.58 7 28 1.5 30 77.95 8 28 2.25 20 80.98 9 28 3 25 78.33
Tính giá trị trung bình của mỗi thí nghiệm:
𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠 =𝑇𝑟𝑖𝑎𝑙1+𝑇𝑟𝑖𝑎𝑙2+𝑇𝑟𝑖𝑎𝑙3
3 [3-1]
TN
P1 P2 P3 Kết quả thí nghiệm thot_out (oC) Các yếu tố thí nghiệm Trial 1 Trial 2 Trial 3
1 20 1.5 20 78.08 75.16 77.68 2 20 2.25 25 81.09 81.51 81.57 3 20 3 30 79.5 79.6 78.08 4 24 1.5 25 79.53 79.84 79.96 5 24 2.25 30 81.95 81.86 81.86 6 24 3 20 77.45 78.48 76.8 7 28 1.5 30 78.34 78.81 76.69 8 28 2.25 20 81.27 80.1 81.56 9 28 3 25 78.99 78.04 77.96
69 Với cơng thức trên, ta tính được giá trị Mean của từng mơ phỏng và ấn định vào bảng:
𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠1 = 79.08 + 75.16 + 77.68 3 = 76.97 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠2 = 81.09 + 81.51 + 81.57 3 = 81.39 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠3 = 79.5 + 79.6 + 78.08 3 = 79.06 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠4 = 79.53 + 79.84 + 79.96 3 = 79.78 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠5 = 81.95 + 81.86 + 81.86 3 = 81.89 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠6 = 77.45 + 78.48 + 76.8 3 = 77.58 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠7 = 78.34 + 78.81 + 76.69 3 = 77.95 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠8 = 81,27 + 80,01 + 81,56 3 = 80,98 𝑀𝑒𝑎𝑛𝑠9 = 78,99 + 78,04 + 77,96 3 = 78,33 Tính tỷ số SN của từng mơ phỏng SNi = −10log ∑ y̅u2 Ni Ni u=1 [3-2]
Ta cần độ chênh nhiệt độ là thấp nhất do đó ta sử dụng cơng thức tính SN tối thiểu hóa theo cơng thức số [3-2].
Trong đó: n = 1, 2, 3: số lần mơ phỏng
j = 1, 2, …, 9: số mô phỏng N = 3 : số lần mô phỏng cao nhất
70 Mô phỏng 1: SN1 = −10log(78.082+ 75.162+ 77.682) 3 = −37.72 Mô phỏng 2: SN2 = −10log(81.092+ 81.512+ 81.572) 3 = −38.21 Mô phỏng 3: SN3 = −10log(79.52+ 79.62+ 78.082) 3 = −37.76 Mô phỏng 4: SN4 = −10log(79.532+ 79.842+ 79.962) 3 = −38.04 Mô phỏng 5: SN5 = −10log(81.952+ 81.862+ 81.862) 3 = −38.26 Mô phỏng 6: SN6 = −10log(77.452+ 78.482+ 76.692) 3 = −37.79 Mô phỏng 7: SN7 = −10log(78.342+ 78.812+ 76.692) 3 = −37.84 Mô phỏng 8: SN8 = −10log(81.272+ 80.012+ 81.562) 3 = −38.17 Mô phỏng 9: SN9 = −10log(78.992+ 78.042+ 77.962) 3 = −37.88
71 Bảng 3.10: Bảng tỉ số SN TN P1 P2 P3 SN 1 20 1.5 20 -37.72 2 20 2.25 25 -38.21 3 20 3 30 -37.96 4 24 1.5 25 -38.04 5 24 2.25 30 -38.26 6 24 3 20 -37.79 7 28 1.5 30 -37.84 8 28 2.25 20 -38.17 9 28 3 25 -37.88 Yếu tố P1: SNP11 =−37.72 − 38.21 − 37.96 3 = −37.96 SNP12 =−38.04 − 38.26 − 37.79 3 = −38.03 SNP13 =−37.84 − 38.17 − 37.88 3 = −37.96 ∆P1= Max − Min = −37.96 + 38.03 = 0.07 Yếu tố P2: SNP21 =−37.72 − 38.04 − 37.84 3 = −37.86 SNP22 =−38.21 − 38.26 − 38.17 3 = −38.21 SNP23 =−37.96 − 37.76 − 37.88 3 = −37.86
72 ∆P2= Max − Min = −37.86 + 38.21 = 0.35 Yếu tố P3: SNP31 =−37.72 − 37.79 − 38.17 3 = −37.89 SNP32 =−38.21 − 38.04 − 37.88 3 = −38.04 SNP33 =−37.96 − 38.26 − 37.84 3 = −38.02 ∆P3= Max − Min = −37.89 + 38.04 = 0.15
Bảng 3.11: Bảng giá trị trung bình của tỉ số SN
Level P1 P2 P3 1 -37.96 -37.86 -37.89 2 -38.03 -38.21 -38.04 3 -37.96 -37.86 -38.02 ∆ 0.07 0.35 0.15 Rank 3 1 2
73
Hình 3.49:Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN.
74 Ở hai hình 3.48 và 3.49 thì các đồ thị từng yếu tố theo giá trị Means và SN không phải là một hàm thuận hoặc nghịch với vì các giá trị của các yếu tố được phân bố ngẫu nhiên theo