CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD
3.1 Mơ hình tốn học
3.3.2 Tối ưu hóa các cấu hình điện cực NACA
Các kết quả được trình bày trong phần 3.3.1 áp dụng cho một cấu hình cụ thể và một loại NACA được sử dụng (NACA0006). Tuy nhiên, sự đa dạng của cấu
hình điện cực và các loại NACA được xem xét trong phần này để tối ưu hóa thiết kế của vi bơm ECF có chứa điện cực NACA. Việc tối ưu hóa cấu hình vi bơm được thực hiện thông qua các thơng số hình học như Wn*, Lc*, Ws*. Trong đó,
khoảng cách giữa hai điện cực âm là Ws*, khoảng cách giữa điện cực dương và âm là Lc*, và cuối cùng là bề rộng của điện cực âm Wn*.
Trong vi bơm, dải lưu lượng hoạt động là đại lượng được các nhà nghiên cứu và người dùng quan tâm đến. Vì có cấu tạo nhỏ, gon nên kéo theo đó là tạo ra lưu lượng cũng nhỏ theo. Do đó, việc nâng cao dải lưu lượng là mục tiêu hàng đầu
trong việc tối ưu hóa vi bơm. Hình 3.15(a) cho thấy mối quan hệ giữa hệ số lưu
lượng lớn nhất KQmax và điện áp đặt vào Ve* đối với các giá trị khác nhau của
khoảng cách giữa điện cực dương và điện cực âm Lc* khác nhau, từ 0 đến 1. KQmax
được tìm bằng cách lấy giao điểm của các đường cong Kp–KQ với trục hồnh. Hình
này cho thấy KQmax tăng khi tăng Ve*, ngược lại khi giảm trong khi tăng Lc*. Tuy nhiên, tại Lc*≈0,25, tìm thấy giá trị lớn nhất của KQmax. Điều này là do khoảng cách
76 Tuy nhiên, Lc* phải đủ khoảng cách nhất định, giá trị Lc*≈0,25 cũng được ghi
nhận trong các nghiên cứu trước đây [80, 94]. Hình 3.15(b) cho thấy mối quan hệ giữa KQmax và Ve* với khoảng cách hai điện cực âm Ws* nằm trong khoảng từ 0,2
đến 1. Ngược lại với kết quả trước đó cho KQmax với Lc*thì KQmax tăng khi tăng Ws* và Ve*, nó đạt đến giá trị lớn nhất tại Ws*≈0,8 (đường liền nét màu đỏ trong Hình
3.15(b). Giá trị điện áp không thứ nguyên tối thiểu để vi bơm tạo ra dòng chảy là 1 và giá trị khuyến nghị tối đa được dự báo thường là 160, vì khi vượt quá giá trị
này, các điện cực thường bị đánh thủng.
Hình 3.15 Mối tương quan giữa hệ số lưu lượng cực đại và điện áp đặt vào của vi bơm ECF: (a) Lc*và (b) Ws*, NACA0024 được sử dụng
Hình 3.16 cho thấy Kpmax của vi bơm ECF dưới dạng hàm của điện áp với các giá trị khác nhau của khoảng cách giữa điện cực dương và điện cực âm (Lc*) Hình 3.16(a) và chiều rộng của hai điện cực âm, Ws* Hình 3.16(b) với NACA0024 được sử dụng cho mọi trường hợp. Kpmax tỷ lệ nghịch với cả Lc*và Ws*. Điều này một lần
nữa giải thích tại sao khoảng cách giữa điện cực âm và điện cực dương ngắn hơn và chiều rộng của khe hở hai bản cực âm gây ra điện trường mạnh hơn, dẫn đến dòng tia ECF tạo ra mạnh hơn.
Hình 3.16 Mối tương quan giữa hệ số chênh áp cực đại và điện áp đặt vào của vi bơm ECF: (a) Lc* và (b) Ws*
Ngoài hai tham số ở trên, chiều rộng của điện cực âm Wn* cũng được xem xét trong nghiên cứu này. Kpmax và KQmax là hàm của điện áp với các giá trị khác nhau
77 của Wn* được mô tả trong hình 3.17. Ban đầu, khi Wn* tăng, Kpmax cũng tăng nhanh
chóng, đến giá trị Wn* = 0,.5 thì mức tăng dường như chậm lại, và khi Wn* = 0.75 thì Kpmax bắt đầu giảm. Ngược lại, KQmax tỷ lệ nghịch với chiều rộng của điện cực
âm. Điều đó có nghĩa là chiều rộng của điện cực âm nhỏ hơn (Wn* gần bằng không),
KQmax lại càng lớn. Tuy nhiên, trong thực tế chiều rộng của điện cực âm phải đủ
rộng. Vì vậy để đảm bảo các yêu cầu về chế tạo và thí nghiệm, tham số Wn* = 0.5
(đường gạch đứt màu xanh lam) được lựa chọn trong nghiên cứu này.
Hình 3.17 (a) Hệ số chênh áp cực đại và (b) Hệ số lưu lượng cực đại như hàm của điện
áp đặt vào của Wn* với NACA0024
Để dự đoán Kpmax và KQmax của vi bơm ECF một cách nhanh chóng và chính xác, các phương trình tương quan tổng quát đã được đề xuất, như thể hiện trong PTs. 3.15, 3.16, 3.17, và 3.18. Phương pháp hồi quy phi tuyến được sử dụng để xác định các hệ số tương quan với các hệ số xác định, R2 = 0.961, 0.955, 0.953 và 0.991 lần lượt cho phương tình 3.15, phương trình 3.16, phương trình 3.17, và
phương trình 3.18. Phạm vi của Lc* là từ 0 đến 1 và của Ws* là từ 0,2 đến 1, điện áp Ve* nằm trong khoảng từ 16 đến 48, đây cũng là phạm vi thường được tìm thấy trong các ứng dụng thực tế của vi bơm ECF.
( ) * max (0.74 0.14 ) * * Q 0.71 0.53 c e Lc K = − L V + (3.15) ( ) ( 0.17) m x * a 0.57 2 * Q 0.82 5.51 * 2.87 * e Ws s s K = − + W − W V − (3.16) ( ) * max (0.07 2.45 ) * * e 1.52 1.49 Lc p c K = − L V + (3.17) ( ) ( * 0.20) max 0.03 2 * e * * 2.09 2.12 0.60 s s p W s K = − W + W V − (3.18)
Về mặt vật lý, các PTs. 3.15, 3.16, 3.17, và 3.18 cho thấy rằng: (1) Khi Ve*
tăng thì Kpmax và KQmax cũng tăng; (2) Kpmax và KQmax tỷ lệ phi tuyến theo Ve*, và
Kpmax, KQmax bằng 0 khi Ve* = 0. Nó có nghĩa là khơng có nguồn bên ngồi để điều
khiển vi bơm ECF, và do đó vi bơm sẽ dừng lại.