Chương 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
3.2. Thiết lập các thông số cơ bản trong phần mềm AVL Fire công cụ ESE
3.2.4. Thiết lập các tham số mơ hình hóa (Simulation Parameters)
Các thơng số điều khiển tính tốn (Solver Control) được nhập thong qua file .ssf (Solver Steering File) tương ứng với từng mơ hình tính tốn cụ thể (Case).
a.Chế độ chạy (Run mode)
Trong Fire đã định nghĩa sẵn các chế độ chạy là: tĩnh (Steady), theo thời gian (Timestep) và theo góc quay trục khuỷu (Crank-Angle). Với mơ hình tính cho động cơ 2KD-FTV chọn chế độ theo góc quay trục khuỷu (Crank-Angle).
- Góc tính tốn: 560 đến 850 độ
- Tốc độ động cơ: 800-5000 vịng/phút
- Bước tính tốn (Delta_alpha): thay đổi tùy theo kỳ làm việc. Dựa theo tài liệu tham khảo, kinh nghiệm và nhận thấy sự ổn định khi mơ phỏng, bước tính tốn sẽ được thiết lập theo bảng 3.3.
Hình 3. 16. Thiết lập chế độ mơ phỏng Bảng 3. 3. Thay đổi bước tính tốn Bảng 3. 3. Thay đổi bước tính tốn
Thứ tự Vị trí piston Bước tính tốn (Delta_alpha)
1 560 0.5 2 600 1 3 640 0.25 4 660 0.5 5 700 0.5 6 760 0.5 7 800 1 8 850 1
b.Lựa chọn mơ đun tính tốn (Module Activation)
Lựa chọn mơ đun Species transport, Spray, Combustion và Emission.
- Species transport: Cung cấp các phương trình vi phân chuyển động của các hợp chất hóa học thể khí trong vùng mơ phỏng.
- Combustion: Tính tốn q trình hịa trộn hoặc chuyển động của các thành phần và mơ phỏng q trình cháy của động cơ đốt trong hoặc thiết bị lò đốt trong các điều kiện chuẩn bị trước, chuẩn bị một phần hoặc không chuẩn bị trước hỗn hợp.
Hình 3. 17. Thiết lập các mơ đun tính tốn
- Spray: Tính tốn các vấn đề liên quan đến hiện tượng dòng nhiều pha, giải các phương trình bảo tồn đối với hỗn hợp pha lỏng và pha khí đồng thời. Mơ đun này mô phỏng các tia phun theo phương pháp giọt rời rạc (Discrete Droplet Method – DDM) [6].
c.Các điều kiện biên (Boundary Conditions)
Điều kiện biên là điều kiện cần phải thỏa mãn cho nghiệm của bài toán tại mỗi thời điểm, nó phụ thuộc vào từng bài tốn cụ thể. Nói riêng, nếu bài tốn về dịng chảy, nhiệt độ bao quanh vật rắn có bề mặt khơng thẩm thấu thì điều kiện biên là điều kiện để không bị thẩm thấu, truyền nhiệt qua bề mặt vật rắn.
Trong thiết lập mô phỏng, nhiệt độ bề mặt (bạc lót xy lanh, đầu xy lanh, piston) dựa trên kinh nghiệm thực nghiệm và phụ thuộc vào điểm vận hành (tải và tốc độ). Các điều kiện biên của nắp máy được chỉ định là mặt cố định, các điều kiện biên của biên dạng đỉnh piston là mặt di chuyển [30].
Hình 3. 18. Tổng quan về các loại điều kiện biên [18].
Các điều kiện biên đối xứng được áp dụng cho bề mặt bán kính dọc theo trục trung tâm của lưới phân đoạn. Điều kiện biên đối xứng này có thể gây ra vấn đề với kết quả tính tốn liên quan đến nhiệt độ. Trong trường hợp này, điều kiện biên tường cố định đáng tin cậy có thể được sử dụng thay thế [30].
Các điều kiện biên liên quan đến thể tích bù được áp dụng tại các mặt ở phía bên ngoài, bên trong và bên dưới của phần thể tích phải được xác định là mặt di chuyển đoạn nhiệt (thơng lượng nhiệt = 0) [30].
Hình 3. 20. Vị trí mặt di chuyển đoạn nhiệt [18]. Các mặt theo hướng cực được chỉ định là điều kiện biên tuần hồn.
Hình 3. 22. Thiết lập điều kiện biên Piston
Nhiệt độ bề mặt piston của động cơ Diesel nằm trong khoảng 295-375˚C. Vì vậy ta có thể chọn nhiệt độ trong điều kiện biên Piston là 570.15˚K [32].
Bảng 3. 4. Thiết lập điều kiện biên Piston
BND_Piston Điều kiện đầu cho piston
Sel. for BC BND_Piston
Name of BC BND_Piston Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Thermal Temperature
570,15 K
Hình 3. 23. Thiết lập điều kiện biên cho xy lanh
Trong quá trình làm việc của động cơ, nhiệt truyền cho các chi tiết tiếp xúc với khí cháy như: xecmăng, xupap, nắp xylanh, thành xylanh chiếm khoảng 25-35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy toả ra. Ở cuối kỳ nén nhiệt độ trong xy lanh vào khoảng 550-630˚C. Từ đó ta có nhiệt độ điều kiện biên cho xy lanh khi bắt đầu mô phỏng vào khoảng 470˚K [28][31]. Bảng 3. 5. Thiết lập điều kiện biên cho xy lanh
BND_Liner Điều kiện đầu cho piston
Sel. for BC BND_Liner
Name of BC BND_Liner Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Thermal Temperature
470,15 K
Hình 3. 24. Thiết lập điều kiện biên của trục
Bảng 3. 6. Thiết lập điều kiện biên của trục
BND_Axis Điều kiện biên của trục
Sel. for BC BND_Axis
Name of BC BND_Axis Tên điều kiện biên
Hình 3. 25. Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển
Bảng 3. 7. Thiết lập điều kiện biên đầu mặt chuyển
BND_Segment _1 Điều kiện đầu mặt chuyển tiếp 1
Sel. for BC BND_Segment_1
Name of BC BND_Segment_1 Tên điều kiện biên
Type of BC Inlet/Outlet Loại điều kiện biên: Cổng vô/ Cổng ra
Inlet/Outlet Periodic Chu kỳ
Boundary connection Boundary_connection1 Sel. for shadow
boundary
Hình 3. 26. Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù
Bảng 3. 8. Thiết lập điều kiện biên phần thể tích bù
BND_Comp_ Vol Điều kiện biên phần thể tích bù
Sel. for BC BND_Comp_Vol
Name of BC BND_Comp_Vol Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Mesh Movement Sự chuyển động
Hình 3. 27. Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xy lanh
Nhiệt độ của nắp xy lanh và piston là khá tương đồng nên ta có nhiệt độ của nắp xy lanh là 570.15˚K.
Bảng 3. 9. Thiết lập điều kiện biên đầu nắp xy lanh
BND_Head Điều kiện biên đầu nắp xy lanh
Sel. for BC BND_Head
Name of BC BND_Head Tên điều kiện biên
Type of BC Wall Loại điều kiện biên: Vách
Movement Velocity Sự chuyển động
d.Thuộc tính nhiên liệu (khơng khí):
Trong thư mục Thuộc tính chất lỏng trong cây tham số, chọn FP (1): NoName để truy cập thuộc tính chất lỏng của trường đầu vào. Các tính chất chất lỏng của khơng khí được chọn tự động.
e.Điều kiện đầu (Initial Conditions)
Điều kiện đầu ứng với mỗi động cơ sẽ có sự khác nhau. Với động cơ CDI thì thơng số áp suất sẽ có sự thay đổi mỗi khi mô phỏng ở tốc độ khác nhau. Động cơ 2KD-FTV mô phỏng ở các tốc độ là 800, 1200, 1600, 2100, 2600, 3100, 3600, 4100, 4600, 5000 và dựa trên đồ thị đặc tính áp suất - tốc độ của một động cơ Diesel Common Rail ở hình 3.29 sau đó quy đổi tương ứng với động cơ 2KD-FTV thì ta có bảng áp suất 3.10:
Hình 3. 29. Đồ thị đặc tính áp suất – tốc độ Bảng 3. 10. Bảng áp suất ứng với từng tốc độ. Bảng 3. 10. Bảng áp suất ứng với từng tốc độ. Tốc độ (vòng/phút) Áp suất (bar) 800 220 1200 500 1600 750 2100 1100 2600 1600 3100 1850 3600 1900 4100 1950 4600 2000 5000 2050
Các giá trị nhập dùng làm điều kiện đầu cho tồn bộ mơ hình bao gồm: Bảng 3. 11. Thiết lập điều kiện ban đầu
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Pressure (Bar) 2050 Áp suất
Density (kg/m3) 0 [30] [34] Khối lượng riêng Temperature (K) 370 [33] Nhiệt độ
Turb.kin.energy (m2/s2) 10 Năng lượng động học rối Turb.length scale (m) 0.0045 Chiều dài dịng chảy rối Initialization mode Swirl/Tumble( Xốy/Trộn) Chế độ khởi tạo ban đầu
Swirl / Tumble (1/min) 2880 Tốc độ Xoáy / Trộn
Direction of rotation axes X=0 Y=0 Z=-1
Hướng của trục quay
Point of rotation axis X=0 Y=0 Z=0
Điểm của trục quay
Velocity u (m/s) 0 Vận tốc theo phương u
Velocity v (m/s) 0 Vận tốc theo phương v
Velocity w (m/s) 0 Vận tốc theo phương w
Scalar 0 Đại lượng vơ hướng
1-Equation-Turbulence model Deactivate (khơng kích hoạt) Mơ hình phương trình nhiễu loạn
Reinitialization Deactivate ( khơng kích hoạt)
Khởi tạo lại
Smoothing Deactivate ( khơng kích hoạt)
Làm mịn
Type of hydrocarbon fuel DIESEL Loại nhiên liệu hydrocarbon Equivalence ratio Activate ( kích hoạt) Tỉ số tương đương Equivalence ratio 0
f.Phương pháp giải (Solver Control):
Hình 3. 31. Thiết lập các phương trình được kích hoạt tính tốn Bảng 3. 12. Thiết lập tuyến tính hóa Bảng 3. 12. Thiết lập tuyến tính hóa
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Discretisation (Rời rạc hóa)
Simple/PISO Activated Các thuật toán
mặc định
Equation Control (Điều kiện việc giải phương trình)
Activate Equation (Các
phương trình được sử dụng
tính tốn)
Turbulence k-zeta-f Phương trình mơ phỏng rối
Energy Yes Kích hoạt giải
phương trình năng lượng enthaphy Two stage pressure correction No Hiệu chỉnh áp suất 2
cấp
Under Relaxation factors ( Các yếu
tố nhiên liệu)
Pressure 0.5 Áp suất
Turb. kin. energy 0.4 Năng lượng động học rối Turb. diss. rate 0.4 Tỷ lệ phân tán
Energy 0.95 Năng lượng
Mass source 1 Khối lượng nguồn
Viscosity 1 Độ nhớt
Scalar 0.95 Vơ hướng
Species transport equations 0.95 Phương trình vận chuyển nhiên liệu
Convergence criteria (Tiêu chuẩn hội tụ)
Max. number of iteration 100 Tối đa số lần lặp lại Min. number of iteration 10 Tối thiểu số lần lặp
lại
Reduction of residuals Activated Giảm lượng dư Pressure (activate
toggle switch)
1e-002 Áp suất (Kích hoạt cơng tắc chuyển đổi)
Momentum 1e-002 Động lượng
Turb. kin. energy Deactivate Năng lượng động học rối Turb. diss. rate Deactivate Tỷ lệ phân tán
Energy Deactivate Năng lượng
Linear Solver (Bộ giải tuyến tính)
Continuity (Liên tục)
Scalar Deactivate Vô hướng
g.Thiết kế việc xuất kết quả (Output Control):
Nhập các giá trị hiển thị cho tần số đầu ra theo hình 3.32:
Hình 3. 32. Thiết lập tần số giá trị đầu ra Thiết lập các thông số theo bảng 3.13: Thiết lập các thông số theo bảng 3.13:
Bảng 3. 13. Khởi động các mơ đun tính tốn kết quả dạng 3 chiều
Nội dung Giá trị nhập Chú thích
Density Yes Trọng lượng riêng
Mach number No Số Mach
Passive scalar No Đại lượng vô hướng bị động
Pressure Yes Áp suất
Temperature Yes Nhiệt độ
TKE and dissip. rate Yes TKE và tỉ số hòa tan
Velocity Yes Vận tốc
Viscosity Yes Độ nhớt
Vorticity No Độ xoáy
Wall heat transfer (greyed out) Yes Truyền nhiệt qua vách
Momentum error Yes Thất thoát động năng
Tạo file khởi động lại: chọn Select Write restart file và Output frequency (ghi giá trị 10)
Hình 3. 34. Tạo file khởi động lại
Tạo file sao lưu: chọn Write backup file và Output frequency (ghi giá trị 500)
h.Nhập các thơng số cho mơ đun (Model):
Hình 3. 36. Thiết lập vận chuyển nhiên liệu
Hình 3. 37. Khởi chạy đầu ra mở rộng
Hình 3. 39. Thiết lập mơ hình khí xả NO
Bảng 3. 14. Thiết lập mơ hình khí xả muội than
Module Parameter Tree GUI Options Action
Species Transport (Vận chuyển nhiên liệu)
2D Results Sum of mass fractions Activate Mean specific heat Activate Mean gas constant Activate
Emission Model (Mơ hình khí xả)
NO models Extended Zeldovich Activate
Soot models Kinetic model Activate
Combustion Model (Mơ hình cháy)
Control Extended output On
Combustion models
Coherent Flame Model Mixing model par
Ignition model Auto Ign. Param Chemical reac time
Extinction temp Activate/ECFM-3Z 0.8 Formula 1 10000 200
i. Nhập các thơng số cho mơ hình phun (Spray):
Hình 3. 42. Thiết lập đối tượng mơ phỏng
Hình 3. 44. Thiết lập kích thước hạt nhiên liệu
Bảng 3. 15. Thiết lập mơ hình phun
Nội dung Giá trị nhập
Spay Liquid properties Property set Select
Diesel-1 General settings for
all particles
Solver Solution Flags
Coupling flags Activate All Activate All, except TKE and Dissipation 2D results Mass balances
Particle size information
Activate All Activate All Submodels Turbulent dispersion
model Evaporation model E1 E2 Particle interaction model Wall interaction model Breakup model C1 C2 C3 C4 C5 Enable Dukowicz 1 1 Disable Walljet1 Wave 0.61 15 1 0.1 1
Particle introduction methods
Nozzles Activate particle
introduction from nozzle NSIZES NINTRO NCIRCD Activate 3 3 3 Nozzle[1]: NoName
General Nozzle Data Start
Duration (Thời gian phun) Mass
Total mass (Khối lượng phun)
Fluid temperature (Nhiệt độ nhiên liệu) 708 Activate 2.975 ms Selected 1.7286E-005 kg 365 K [33] Geometry Data Z-coordinate Z-direction
Nozzle diameter at holes Spray angle delta 1 Spray angle delta 2 Circumferential hole distribution Spray geometry -0.002 1 0.0035 160 0 0 Full Spray
Diagrams Injection rate
Outer diameter (Đường kính tia phun)
Half outer cone angle (Góc cơn tia phun)
Particle sizes Hình 3.46 0.00016 6 0.000169 Nozzle submodels Nozzle flow simulation C1 C2 C3 Diesel Nozzle Flow 0.075 4 0