Chương 3 : MÔ PHỎNG SỐ
3.1 Thiết kế mơ hình mơ phỏng
3.1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
Mẫu micro 1
Dựa trên nghiên cứu trước đó cơng bố [31], trong nghiên cứu này thiết bị ngưng tụ kênh micro được thiết kế có cơng suất 150 W. Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro gia công từ vật liệu Nhơm có hệ số dẫn nhiệt k=237[W/mK], khối lượng
riêng ρ=2700[kg/m3], nhiệt dung riêng đẳng áp Cp=904[J/kgK]. Thiết bị trao đổi
nhiệt kênh micro bao gồm 10 kênh có Dh500m với chiều dài mỗi kênh 32 mm. Các kênh có mặt cắt ngang là hình vng, chiều rộng kênh 0,5 mm, chiều sâu 0,5 mm. Khoảng cách giữa các kênh 0,5 mm, các vách có chiều rộng 2,5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA (như Hình 3.1). Các ống góp có chiều rộng 2,5 mm độ sâu 0,5 mm. Hai tấm PMMA (Polymethyl methacrylate) có kích thước dài x rộng x cao: 42 x 14,5 x 10 (mm) được gắn phía trên và phía dưới của bộ trao đổi nhiệt.
Mẫu micro 2
Dựa trên nghiên cứu trước đó cơng bố [31], trong nghiên cứu này thiết bị ngưng tụ kênh micro được thiết kế có cơng suất 200 W. Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro gia công từ vật liệu Nhơm có hệ số dẫn nhiệt k=237[W/mK],khối lượng riêng
ρ=2700[kg/m3], nhiệt dung riêng đẳng áp Cp=904[J/kgK].Thiết bị trao đổi nhiệt
kênh micro bao gồm10 kênh có Dh 500m với chiều dài mỗi kênh 52 mm. Các kênh có mặt cắt ngang là hình vng, chiều rộng kênh 0,5 mm, chiều sâu 0,5 mm. Khoảng cách giữa các kênh 0,5 mm, các vách có chiều rộng 2,5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA (như Hình 3.2-3.4). Các ống góp có chiều rộng 2,5 mm độ sâu 0,5 mm. Hai tấm PMMA có kích thước dài x rộng x cao: 62 x 14,5 x 10 (mm) được gắn phía trên và phía dưới của bộ trao đổi nhiệt.
Mẫu micro 3
Dựa vào các nghiên cứu liên quan thiết bị trao đổi nhiệt mẫu micro 3 được thiết kế .Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro gia cơng từ vật liệu Nhơm có hệ số dẫn nhiệt k=237[W/mK], khối lượng riêng ρ=2700[kg/m3], nhiệt dung riêng đẳng áp
Cp=904[J/kgK] Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bao gồm 10 kênh có Dh 500m
với chiều dài mỗi kênh 52 mm. Các kênh có mặt cắt ngang là hình vng chiều rộng kênh 0.5 mm chiều sâu 0.5 mm. Khoảng cách giữa các kênh 0.5 mm, các vách có chiều rộng 2.5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA. Các ống góp có chiều rộng 2.5 mm độ sâu 0.5 mm. Hai tấm PMMA ( Polymethyl methacrylate ) có kích thước dài x rộng x cao : 62 x 14.5 x 10 (mm) được gắn phía trên và phía dưới của bộ trao đổi nhiệt
Mẫu micro 4
Dựa vào các nghiên cứu liên quan thiết bị trao đổi nhiệt mẫu micro 4 được thiết kế. Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro gia cơng từ vật liệu Nhơm có hệ số dẫn nhiệt k=237[W/mK], khối lượng riêng ρ=2700[kg/m3], nhiệt dung riêng đẳng áp
Cp=904[J/kgK] .Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bao gồm 10 kênh có Dh 420m
với chiều dài mỗi kênh 52 mm. Các kênh có mặt cắt ngang là hình chữ nhật chiều rộng kênh 0.7 mm chiều sâu 0.3 mm. Khoảng cách giữa các kênh 0.278 mm, các vách có chiều rộng 2.5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA. Các ống góp có chiều rộng 2.5 mm độ sâu 0.3 mm. Hai tấm PMMA ( Polymethyl methacrylate ) có kích thước dài x rộng x cao : 62 x 14.502 x 10 (mm) được gắn phía trên và phía dưới của bộ trao đổi nhiệt
Mẫu micro 5
Dựa vào các nghiên cứu liên quan thiết bị trao đổi nhiệt mẫu micro 5 được thiết kế.Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro gia cơng từ vật liệu Nhơm có hệ số dẫn nhiệt k=237[W/mK], khối lượng riêng ρ=2700[kg/m3], nhiệt dung riêng đẳng áp
Cp=904[J/kgK].Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bao gồm 10 kênh có Dh 420m
với chiều dài mỗi kênh 52 mm. Các kênh có mặt cắt ngang là hình chữ nhật chiều rộng kênh 0.55 mm chiều sâu 0.4 mm. Khoảng cách giữa các kênh 0.445 mm, các vách có chiều rộng 2.5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA. Các ống góp có chiều rộng 2.5 mm độ sâu 0.4 mm. Hai tấm PMMA ( Polymethyl methacrylate ) có kích thước dài x rộng x cao : 62 x 14.505 x 10 (mm) được gắn phía trên và phía dưới của bộ trao đổi nhiệt
Bảng 3. 1 So sánh kích thước các mẫu micro
Mẫu Substrate, mm
Kênh micro phía hơi nước,
L W T Wc Dc Dh M1 42 14.5 0.7 500 500 500 M2 62 14.5 0.7 500 500 500 M3 62 14.5 1.2 500 500 500 M4 62 14.5 1.2 700 300 420 M5 62 14.5 1.2 550 400 420 3.2 Mô phỏng số
3.2.1 Giới thiệu mô phỏng số
Như chúng ta đã biết, ngày nay các nghiên cứu được thực hiện dựa trên các phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp mơ phỏng số học đi liền với phương pháp thực nghiệm là chủ yếu.
Mô phỏng số học là công nghệ tạo ra các mơ hình hoạt động gần giống với các hiện tượng, sự vật xảy ra trong thực tế. Mô phỏng số học đem lại nhiều lợi ích trong việc tiết kiệm thời gian, chi phí, nguyên vật liệu và đặc biệt là có thể tránh được các rủi ro trong điều kiện thực.
Ngày nay, các phần mềm mô phỏng số được sử dụng rộng rãi như MATLAB, FORTRAN, ANSYS, CFD FLUENT, CFD ACE+. Bên cạnh đó, phần mềm mới đáng chú ý là COMSOL Multiphysics.
COMSOL Multiphysics là phần mềm mô phỏng số đa vật lý tích hợp rất nhiều mơ hình vật lý. Cơ sở mơ phỏng của phần mêm này là dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các bài toán vật lý và kỹ thuật ứng dụng, đặc biệt là các hiện tượng kết hợp hoặc đa tính chất.
Bằng việc sử dụng các chế độ ứng dụng của chương trình, ta có thể thực hiện được rất nhiều kiểu phân tích bao gồm:
o Phân tích ổn định và khơng ổn định.
o Phân tích tuyến tính và phi tuyến tính.
o Phân tích theo phương pháp tần số riêng.
COMSOL Multiphysics có thể được sử dụng để mô phỏng rất nhiều ứng dụng như là:
Âm học MEMs Các tần số vô tuyến Các phản ứng hóa học Kỹ thuật sóng cực ngắn Các thiết bị bán dẫn
Sự khuếch tán Quang học Cơ kết cấu
Điện tử Lượng tử ánh sáng Hiện tượng luân chuyển
Động lực học chất lưu
Cơ học lượng tử Địa vật lý
Pin nhiên liệu và điện hóa học
3.2.2 Các điều kiện mô phỏng bằng COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a Bảng 3.2 Các điều kiện được sử dụng trong mô phỏng số kênh micro Bảng 3.2 Các điều kiện được sử dụng trong mô phỏng số kênh micro
Mơi chất Kích thước kênh
(W,H,L) mm Vật liệu Điều kiện mô phỏng
Hơi nước ( hơi bão hịa khơ )
Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 oC ( bằng với nhiệt độ môi trường ) Mẫu micro M1: W=14,5; H= 0,7 L=42 Nhôm + msteam 0, 06 /g s + _ 105o steam in t C + _ 29o water in t C + mwater 3 /g s
Hơi nước ( hơi bão hịa khơ )
Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 oC ( bằng với nhiệt độ môi trường ) Mẫu micro M2: W=14,5; H= 0,7 L=62 Nhôm
Hơi nước ( hơi bão hịa khơ )
Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 oC ( bằng với nhiệt độ môi trường ) Mẫu micro M3: W=14,5; H= 1.2 L=62 Nhôm
Hơi nước ( hơi bão hịa khơ )
Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 oC ( bằng với nhiệt độ môi trường ) Mẫu micro M4: W=14,5; H= 1.2 L=62 Nhôm
Hơi nước ( hơi bão hịa khơ )
Nước giải nhiệt có
Mẫu micro M5: W=14,5; H= 1.2 L=62
nhiệt độ 29 oC ( bằng với nhiệt độ môi trường )
3.2.3 Trình bày mơ phỏng số bằng phần mềm comsol 5.2a
3.2.3.1 Lựa chọn lời giải, cách nhập mơ hình hình học.
1. Khởi động phần mềm Comsol. Chọn thẻ Model Wizard để tạo một mô
phỏng hoặc Blank Model để tạo một mơ hình tự thiết lập theo người dùng.
Ở đây ta chọn Model Wizard như hình 3.5.
Hình 3.8: Chọn Model
Hình 3.9 Chọn Modun
2. Trong khung cây Select Physics , chọn Heat Transfer>Conjugate Heat
Transfer>Turbulent Flow, click Turbulent Flow, k- ε .Click Add và
click Study như hình 3.9.
3. Ở cửa sổ tiếp theo trong khung Select Physic Interface click Stationary with
Initialization , Click Done .
4. Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click Import như hình 3.10.
Hình 3.10 Nhập mơ hình vào Comsol
5. Click Geometry trong khung Model Builer, ở bên khung Setting Geometry chuyển kích thước Length unit về mm như hình 3.11.
6. Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click BuildAll, hoặc nhấp
BuildAll trong khung Setting Geometry.Sau khi Build All, sẽ thấy xuất hiện
mơ hình bên khung Graphics như hình 3.12.
.
Hình 3.12 Mơ hình graphics
Thiết lập các giá trị - Parameters:
Thiết lập các giá trị thông số điều kiện biên cho bài toán như sau:
1. Trong khung Model Builder, ta nhấp phải vào Glodal Definitions chọn
Parameters.
2. Thiết lập thông số theo bảng 3.2
Bảng 3.3 Thông số các giá trị ban đầu của bài tốn mơ phỏng số
Tên Giá trị Mô tả
T_Steam 105[degC] Nhiệt độ hơi nước vào T_Water 29[degC] Nhiệt độ nước giải nhiệt vào m_steam 0.06[g/s] Lưu lượng khối lượng hơi nước
Cài đặt vật liệu cho bài tốn
1. Trên thanh cơng cụ Home click Add Material như hình 3.13.
Hình 3.13 Chọn thêm vật liệu
2. Trong khung Add Material window, chọn Built-In, click chọn vật liệu như hình 3.14.
Hình 3.14 Vật liệu sau khi đã được thêm vào
Cài đặt miền con và điều kiện biên
Thiết lập thông số điều kiện biên cho bài tốn truyền nhiệt của mơ hình. Khối rắn 1
Phần này dùng để thiết lập bài tốn truyền nhiệt cho khối nhơm, ở đây tác giả giữ nguyên thiết lập mặc định của comsol , khơng can thiệp hay chỉnh sửa như hình 3.15.
Lưu chất 1
Phần này dùng để thiết lập bài tốn truyền nhiệt cho phía nước giải nhiệt ở đây tác giả giữ nguyên thiết lập mặc định của comsol , khơng can thiệp hay chỉnh sửa như hình 3.16.
Điều kiện ban đầu 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ban đầu của mô hình, giá trị nhập 31oC như hình 3.17.
Hình 3.17 Điều kiện ban đầu 1 Cách nhiệt 1 Cách nhiệt 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện ranh giới mặc định cho nhiệt độ như hình 3.18.
Hình 3.18 Cách nhiệt 1 Thiết lập nhiệt độ 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu vào phía ngưng tụ, chỉ định đầu vào của hơi nước, nhập giá trị T_Steam như hình 3.19.
Đầu ra lưu chất 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu ra phía ngưng tụ như hình 3.20.
Hình 3.20 Đầu ra lưu chất 1 Thiết lập nhiệt độ 2
Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu vào phía ngưng tụ, chỉ định đầu vào của hơi nước, nhập giá trị T_Water như hình 3.21.
Hình 3.21 Thiết lập nhiệt độ 2 Đầu ra lưu chất 2
Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu ra phía giải nhiệt như hình 3.22.
Thiết lập dịng nhiệt 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện trao đổi nhiệt của mơ hình với mơi trường bên ngồi, hình thức trao đổi nhiệt chủ yếu là đối lưu, bỏ qua bức xạ. Ta chỉ định các mặt biên có xảy ra trao đổi nhiệt đối lưu, chọn điều kiện trao đổi nhiệt đối lưu, ở đây chọn điều kiện Convctive heat flux và nhập các giá trị h = 10, Text =
31oC như hình 3.23.
Thiết lập thơng số điều kiện biên cho bài tốn dịng chảy lưu chất của mơ hình. Thiết lập lưu chất 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng chảy cho phía nước giải nhiệt ở đây tác giả giữ nguyên thiết lập mặc định của comsol , khơng can thiệp hay chỉnh sửa như hình 3.24.
Điều kiện ban đầu 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dòng chảy ban đầu của mơ hình, giá trị nhập , u = 0, p = 0 như hình 3.25.
Hình 3.25 Điều kiện ban đầu 1
Điều kiện vách 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện vách cho dòng chảy, ở đây chọn điều kiện Wall Function như hình 3.26.
Thiết lập lực trọng trường 1
Phần này dùng để thiết lập ảnh hưởng của trọng lực đến dòng chảy lưu chất, ở đây chọn phương tác dụng của lực trọng trường đến dòng chảy lưu chất theo phương z như hình 3.27.
Hình 3.27 Thiết lập lực trọng trường 1 Đầu vào lưu chất 1 Đầu vào lưu chất 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng chảy đầu vào phía ngưng tụ, chỉ định đầu vào của hơi nước, chọn điều kiện dòng chảy đầu vào Mass Flow và nhập giá trị m_steam như hình 3.28.
Đầu ra lưu chất 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dòng chảy đầu ra phía ngưng tụ, chỉ định đầu ra của nước ngưng tụ, chọn điều kiện dòng chảy đầu ra pressure và nhập giá trị 0 như hình 3.29.
Hình 3.29 Đầu ra lưu chất 1 Đầu vào lưu chất 2 Đầu vào lưu chất 2
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng chảy đầu vào phía giải nhiệt, chỉ định đầu vào của nước giải nhiệt , chọn điều kiện dòng chảy đầu vào Mass Flow và nhập giá trị m_water như hình 3.30.
Đầu ra lưu chất 2
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng chảy đầu ra phía giải nhiệt, chỉ định đầu ra của nướcgiải nhiệt, chọn điều kiện dòng chảy đầu ra pressure và nhập giá trị như hình 3.31.
Hình 3.31 Đầu ra lưu chất 2 Thiết lập lưu chất 2 Thiết lập lưu chất 2
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng chảy cho phía ngưng tụ ở đây tác giả giữ nguyên thiết lập mặc định của comsol , không can thiệp hay chỉnh sửa như hình 3.32.
Tạo lưới và giải mơ hình Tạo lưới
Phần này dùng để thiết lập cách chia lưới cho mơ hình , ở đây tác giả chọn chia lưới kiểu Free Tetrahedral. Mơ hình được tách ra 3 phần chính để chia lưới.
Phần 1: Phần lưu chất, ở đây tác giả chọn điều kiện Fluid dynamics, kích thước lưới Coarse.
Phần 2: Phần tấm nhôm, ở đây tác giả chọn điều kiện General physics, kích thước lưới Coarse.
Phần 3: Phần tấm PMMA, ở đây tác giả chọn điều kiện General physics, kích thước lưới Extremely Coarse.
Kết quả sau khi chia lưới mô hình ta được như hình 3.30 với 47362 phân tử miền, 13961 phân tử biên và 3305 phân tử cạnh.
Giải mơ hình
Phần này dùng để thiết lập lời giải mặc định cho mơ hình như hình 3.34, ở đây tác giả giữ nguyên lời giải mặc định của comsol , không can thiệp hay chỉnh sửa, sau khi giải xong sẽ được biểu đồ hội tụ lời giải của mơ hình như hình 3.35.
Hình 3.34 Lời giải mặc định của comsol
Hình 3.35 Biểu đồ hội tụ của lời giải của mơ hình Hiển thị kết quả mô phỏng Hiển thị kết quả mô phỏng
Phần này dùng để hiển thị kết quả sau khi mơ phỏng, giao diện như hình 3.36.
4 Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀ THẢO LUẬN
Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên 5 mẫu micro M1, M2, M3, M4 và M5. Các thông số đưa vào mô phỏng như trong bảng 4.1.
Bảng 4.1 Thơng số các giá trị ban đầu của bài tốn mô phỏng số
Tên Giá trị Mô tả
T_Steam 105[degC] Nhiệt độ hơi nước vào