CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD
2.4 Kết quả và thảo luận
59 Trong các nghiên cứu trước đây, hình dạng điện cực của vi bơm ECF như hình đầu chơng (prism–triangular) hay hình viên đạn (bullet) thường được sử dụng
làm điện cực dương [109, 110]. Do đặc điểm tập trung cường độ điện trường rất
cao tại vùng xung quanh mũi nhọn của điện cực, điều này tạo ra dòng tia ECF từ chính phần mũi nhọn này. Trong nghiên cứu hiện tại, tác giả đã kế thừa đặc điểm này từ các điện cực trước đó và đề xuất biên dạng NACA với đặc tính thủy động tốt. Các biên dạng điện cực này được minh họa trên Hình 2.7 với cùng Re = 12, ta và diện tích. Chất lỏng DBD với các tính chất như trình bày trong Bảng 1 được sử dụng cho khảo sát ở đây.
Hình 2.7 Các biên dạng điện cực (a) NACA; (b) Hình viên đạn; (c) Hình đầu chơng
Hình 2.8 thể hiện kết quả sự biến thiên của hệ số lực cản theo góc tấn với 3 Hình dạng điện cực đề cập đến ở trên. Ở đây, các biên dạng NACA0006, NACA0015, NAC0021 và NACA0030 được đưa vào khảo sát tướng ứng với các
Hình 2.8a, 2.8b, 2.8c và 2.8d. Dựa vào kết quả trên hình này, ta nhận thấy rằng lực cản sinh ra bởi điện cực NACA (đường nét liền) có giá trị nhỏ nhất trong 3 hình dạng điện cực kể trên. Điều này đúng cho tất cả các biên dạng NACA kể cả
NACA0030 có chiều dày lớn nhất. Ngồi ra, kết quả trên Hình 2.8 cũng chỉ ra rằng
độ giảm hệ số lực cản giữa điện cực NACA và các điện cực còn lại đạt giá trị lớn
nhất tại góc tấn 0° mà thường được sử dụng trong các vi bơm ECF [79, 111]. Cụ thể, hệ số lực cản của biên dạng NACA0006 giảm lên đến 66% và 44% lần lượt so với hình đầu chơng và hình viên đạn. Cịn đối với NACA0015, độ giảm CD đến
50% và 37% và đối với NACA0021 lần lượt là 46% và 34%. Cuối cùng đối với NACA0030, độ giảm CD đến 38% và 26%. Các kết quả này hàm ý rằng lực cản
sinh ra bởi các điện cực giảm đáng kể khi sử dụng dạng điện cực NACA so với các dạng điện cực truyền thống. Điều này dự báo cho sự tăng hiệu suất điện thủy của vi bơm ECF trong tương lai.
60
Hình 2.8 Sự biến thiên hệ số lực cản theo góc tấn với các hình dạng điện cực khác nhau và Re = 12: (a) NACA0006, (b) NACA0015, (c) NACA0021 và (d) NACA0030
2.4.2 Các đặc tính của NACA đặt trong dịng ECF
Từ các kết quả thu được trong Mục 2.4.1 đã trình bày ở trên, tác giả tiếp tục tiến hành xác định các đặc tính của NACA nói chung khi đặt trong dịng ECF ở chế độ chảy tầng. Hình 2.9 thể hiện sự biến thiên của hệ số lực cản CD theo góc tấn α (Hình 2.9a) và theo Re (Hình 2.9b) cho nhiều loại biên dạng NACA khác nhau. Chất lỏng FF–1EHA2 được lựa chọn trong trường hợp này. Kết quả cho thấy hệ số lực cản tăng lên khi tăng góc tấn nhưng lại giảm khi tăng số Re. Ý thứ nhất của kết luận này trùng khớp với kết quả đã được xác định rõ ràng cho dòng chảy rối [108]. Tuy nhiên, ý thứ 2 về mối quan hệ giữa CD và Re thì lại phát triển theo chiều ngược lại. Đây cũng là điểm khác biệt của 2 chế độ dòng chảy. Ngoài ra,
một điểm quan trọng được khám phá ra ở đây đó là sự thay đổi đáng kể hệ số lực cản tại dải Re rất thấp mà thường áp dụng cho dòng chảy trong các vi kênh nói
chung và trong vi bơm nói riêng. Thật vậy, giá trị CD xác định tại Re=10–2 lớn gấp khoảng 600 lần so với CD tại Re=102. Do đó, việc nghiên cứu đặc tính về hệ số lực
cản đặc biệt có giá trị và được dự báo ảnh hưởng đáng kể đến khả năng vận hành và hiệu suất chung của vi bơm khi xem xét ở dải Re rất thấp.
61
Hình 2.9 (a) Sự thay đổi hệ số lực cản theo góc đặt cánh của các NACA đối xứng (Re = 12, FF–1EHA2); (b) Sự thay đổi hệ số lực cản theo dải Re của các góc đặt cánh
Hình 2.10 Sự thay đổi hệ số lực cản theo độ dày lớn nhất ta
Hình 2.10 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số lực cản và độ dày lớn nhất ta của các
điện cực NACA với dải Re từ 0.1 đến 10. Hình này chỉ ra rằng hệ số lực cản tăng
tuyến tính theo độ dày của điện cực NACA. Ngoài ra, CD giảm khi tăng số Re.
Điều này một lần nữa khẳng định cho kết luận đưa ra ở trên. Nhằm dự báo một
cách nhanh chóng và chính xác giá trị hệ số lực cản của các điện cực NACA, tác giả đã đề xuất một phương trình tương quan tổng quát như thể hiện trong PT.
(2.27). Phương pháp hồi quy phi tuyến được sử dụng để xác định các hệ số tương quan với hệ số xác định R2=0.997. Trong phương trình này, Re chạy từ 10–2 đến 102 và tại góc tấn đặt bằng 0° (thường được sử dụng cho vi bơm).
( 0.0123Re 0.97 4.43Re 0.93)
D a
62 Về mặt vật lý, PT. (2.27) chỉ ra một số điểm quan trọng như sau: (i) hệ số lực cản CD tỷ lệ thuận tuyến tính với ta và khi ta=0 tức vậy khơng có độ dày thì khơng sinh ra lực cản (CD=0), (ii) CD tỷ lệ nghịch với số Re do các số mũ tương ứng có giá trị âm.
Hình 2.11 Sự thay đổi hệ số lực nâng theo Re (Re=10–2~102, FF–1EHA2)
Việc xác định góc thất tốc mà tại đó lực nâng trên mỗi biên dạng NACA giảm
đột ngột và lực cản tăng nhanh hơn cũng được xem xét trong nghiên cứu này. Hình
2.11 biễu diễn góc thất tốc là hàm của số Re từ 10–2~102 với nhiều biên dạng
NACA đối xứng. Chất lỏng FF–1EHA2 vẫn được sử dụng trong trường hợp này.
Kết quả trên hình này cho thấy rằng góc thất tốc có xu hướng tăng nhẹ khi tăng Re từ 10–2 đến 10–1, sau đó giảm dần hoặc nằm ngang tùy theo biên dạng NACA được
sử dụng, với giá trị Re đủ lớn thì góc thất tốc đều giảm cho tất cả các biên dạng. Theo ghi nhận, góc thất tốc nằm trong dải từ 29° đến 46° lớn hơn góc thất tốc cho dịng chảy rối thường xấp xỉ 18°. Sự thay đổi này cho thấy sự khác biệt giữa chế
độ dòng chảy cũng như đặc tính của mỗi loại chất lỏng. Góc thất tốc có giá trị lớn trong trường hợp này được lý giải là do sự chảy bao tốt được duy trì trong dòng
chảy tầng với Re thấp và lực nhớt chiếm ưu thế. Do đó, khi tăng góc tấn lên cao, hiện tượng tách thành vẫn khó xảy ra so với dịng chảy nhanh. Độ dày của cánh khơng ảnh hưởng đáng kể trong trường hợp này. Nhưng với dòng chảy nhanh, lực quán tính chiếm ưu thế làm cho hiện tượng tách thành nhanh chóng xảy ra hơn với cùng góc tấn cho trước. Khi Re càng tăng thì hiện tượng trên càng xảy ra nhanh
hơn, do đó góc thất tốc càng giảm nhanh hơn và ảnh hưởn của độ dày cánh cũng
lớn hơn trong trường hợp này.