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
49 nhiệt độ 29 oC (
bằng với nhiệt độ mơi 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
50 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.
51 6. Trên thanh cơng 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
52
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.
53
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.
54
Điều kiện ban đầu 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ban đầu của mơ 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 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.
55
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.
56
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.
57
Thiết lập thông 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.
58
Điều kiện ban đầu 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng 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.
59
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.
60
Đầu ra lưu chất 1
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dịng 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 dòng 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.
61
Đầu ra lưu chất 2
Phần này dùng để thiết lập điều kiện dòng 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.
62
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 mơ hình ta được như hình 3.30 với 47362 phân tử miền, 13961 phân tử biên và 3305 phân tử cạnh.
63
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 mơ phỏng Hiển thị kết quả mô phỏng
64 Phần này dùng để hiển thị kết quả sau khi mơ phỏng, giao diện như hình 3.36.
65
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 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
m_water 3[g/s] Lưu lượng khối lượng nước giải nhiệt
4.1 Biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro
Hình 4.1 Kết quả mơ phỏng về độ khơ Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm [31]
Kết quả mơ phỏng ở Hình 4.1 được thực hiện trên mẫu micro M2. Kết quả mô phỏng biểu diễn sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước, cụ thể sự thay đổi từ pha hơi (phần màu đỏ) sang pha lỏng (phần màu xanh) trong mẫu micro M2, biên dạng vị trí chuyển đổi pha có dạng đường xiên theo hướng từ trên xuống. Biên dạng chuyển pha này rất phù hợp với kết quả thu được từ thực nghiệm như trong
66 hình 4.1, điều này cho thấy mơ phỏng số thống nhất tốt với các dữ liệu thực nghiệm trong [31].
4.2 Sự thay đổi khối lượng riêng khi khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh
micro
Hình 4. 3 Sự thay đổi khối lượng riêng
Kết quả mô phỏng được thực hiện trên mẫu micro M2. Một trong những thơng số cho thấy có sự chuyển đổi từ pha hơi sang pha lỏng chính là khối lượng riêng. Khối lượng riêng thay đổi rõ rệt khi nó chuyển pha. Bởi vì lưu chất ở trạng thái hơi có khối lượng riêng bé và ở trạng thái lỏng có khối lượng riêng lớn. Kết quả mơ phỏng về độ khơ ở hình 4.1 biễu diễn sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước, cụ thể sự thay đổi từ pha hơi (phần màu đỏ) sang pha lỏng (phần màu xanh) trong kênh micro M2, sự thay đổi pha này hoàn tồn thống nhất với kết quả mơ phỏng sự thay đổi khối lượng riêng hình 4.3, cụ thể khối lượng riêng pha hơi được biểu diễn là phần màu xanh đậm (khối lượng riêng bé) còn khối lượng riêng pha lỏng là phần màu xanh nhạt (khối lượng riêng lớn). Ở trạng thái lỏng, khối lượng riêng khoảng 985,41 kg/m3. Trong khi đó, ở trạng thái hơi, khối lượng riêng khoảng 66,8 kg/m3. Các kết quả này phù hợp với đặc tính vật lý của nước ở trạng thái lỏng và hơi.
67
4.3 Sự ảnh hưởng của chiều dài kênh micro đến biên dạng chuyển pha khi
ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro
Hình 4.4 Mẫu micro M2 Hình 4.5 Mẫu micro M1
Các kết quả mô phỏng về độ khô được thực hiện trên 2 mẫu micro M2 và M1 với cùng điều kiện mô phỏng như trong bảng 4.1 . Kết quả mô phỏng biễu diễn sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước trong hai mẫu micro M2 và M1 tương ứng với kết quả biễu diễn trên hai hình 4.4 và 4.5. Kết quả cho thấy biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong 2 mẫu micro M2 và M1 là gần như giống nhau, điều đó cho thấy việc thay đổi chiều dài kênh micro không làm ảnh hưởng đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước. Tuy nhiên vị trí biên dạng chuyển pha của hai mẫu lại khác nhau.
68
4.4 Sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực kênh micro đến biên dạng chuyển
pha khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro
Hình 4.6 Mẫu micro M3 Hình 4. 7 Mẫu micro M5
Các kết quả mô phỏng về độ khô được thực hiện trên 2 mẫu micro M3 (Dh 500m ) và M5 (Dh 420m ) với cùng điều kiện mô phỏng như trong bảng 4.1. Kết quả mô phỏng biễu diễn sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước trong hai mẫu micro M3 và M5 tương ứng với kết quả biễu diễn trên hai hình 4.6 và 4.7. Kết quả cho thấy biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong 2 mẫu micro M3 và M5 khá giống nhau, điều đó cho thấy việc thay đổi đường kính thủy lực kênh micro khơng làm ảnh hưởng đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước
69
4.5 Sự ảnh hưởng của chiều sâu kênh micro đến biên dạng chuyển pha khi
ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro
Hình 4. 8 Mẫu micro M4 Hình 4. 9 Mẫu Mẫu micro M5
Các kết quả mô phỏng về độ khô được thực hiện trên 2 mẫu micro M4 và M5 với cùng điều kiện mô phỏng như trong bảng 4.1. Kết quả mô phỏng biễu diễn sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước trong hai mẫu micro M4 và M5 tương ứng với kết quả biễu diễn trên hai hình 4.8 và 4.9. Kết quả cho thấy biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong 2 mẫu micro M4 và M5 là khá giống nhau, điều đó cho thấy việc thay đổi chiều sâu kênh micro không làm ảnh hưởng nhiều đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước
70
4.6 Sự ảnh hưởng của chiều dày tấm substrate đến biên dạng chuyển pha khi
ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro
Hình 4. 10 Mẫu micro M2 Hình 4. 11 Mẫu micro M3
Các kết quả mô phỏng về độ khô được thực hiện trên 2 mẫu micro M2 và M3 với cùng điều kiện mô phỏng như trong bảng 4.1. Kết quả mô phỏng biễu diễn sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước trong hai mẫu micro M2 và M3 tương ứng với kết quả biễu diễn trên hai hình 4.10 và 4.11. Kết quả cho thấy biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong 2 mẫu micro M2 và M3 là gần như giống nhau, điều đó cho thấy việc thay đổi chiều dày kênh micro không làm ảnh hưởng đến nhiều biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước. Tuy nhiên vị trí biên dạng chuyển pha của hai mẫu lại khác nhau
71
4.7 Sự ảnh hưởng của chiều dài kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ
Hình 4.12 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M1 và M2
Các kết quả mơ phỏng ở Hình 4.12 được thực hiện trên hai mẫu kênh micro M2 và M1 với cùng điều kiện cố định nhiệt độ hơi nước vào _T steam105oC, nhiệt độ nước giải nhiệt vào _T water29oC, lưu lượng nước giải nhiệt m_water = 3 g/s và thay đổi lưu lượng hơi nước vào m ste_ am0,01 0, 1 /g s. Kết quả cho thấy nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu kênh micro M2 thấp hơn đáng kể so với trên mẫu kênh micro M1, cụ thể nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu micro M2 thay đôi từ 31,6oC đến 72,5oC cịn trên mẫu micro M1 thay đơi từ 34,4oC đến 74,7oC. Điều đó cho thấy việc thay đổi chiều dài kênh micro làm ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh.
72
4.8 Sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực kênh micro đến nhiệt độ nước
ngưng tụ
Hình 4. 13 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M3 và M5
Các kết quả mô phỏng ở hình 4.13 được thực hiện trên 2 mẫu micro M3 (Dh 500m ) và M5 (Dh 420m ) với cùng điều kiện cố định nhiệt độ hơi nước vào _T steam105oC, nhiệt độ nước giải nhiệt vào _T water29oC, lưu lượng nước giải nhiệt m_water = 3 g/s và thay đổi lưu lượng hơi nước vào