CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD
3.1 Mơ hình tốn học
3.3.1 Ứng xử động lực học của vi bơm ECF
Hình 3.9 cho thấy kết quả định tính của vi bơm ECF với cực dương là
NACA0018. Sự phân bố vận tốc và điện tích đối với hai giá trị cụ thể của điện áp
đặt vào có cùng Ref = 0.48 (Hình 3.9a so với Hình 3.9b).
Hình 3.9 Sự phân bố vận tốc và điện tích trong vi bơm ECF với NACA0006:(a) Ve*=16, Ref=0.48; (b) Ve*=48, Ref=0.48
72 Từ Hình 3.9 (trên), điện áp đặt cao hơn dẫn đến các tia ECF mạnh hơn với
lưu lượng cao hơn trong vi bơm ECF. Thật vậy, vùng vận tốc cao hơn trở nên lớn hơn khi điện áp đặt vào tăng từ 16 lên 48, và vận tốc cực đại thay đổi từ 17.41 đến 92.46, tương ứng. Điều này là do điện áp cao hơn với năng lượng điện cao hơn có
thể tạo ra một lực lớn hơn tác dụng lên các điện tích trong ECF giữa điện cực
dương và điện cực âm, dẫn đến mật độ điện tích cao hơn (Hình 3.9 dưới), do đó
dịng chất lỏng có lưu lượng cao hơn tạo ra do tương tác giữa điện tích và dịng chất lỏng dưới sự phân bố không đồng nhất của điện trường.
Ngược lại với điều đó khi giữ nguyên điện áp (Ve* = 48) và thay đổi giá trị số Ref, cụ thể tăng lên Ref từ 0.48 đến 0.96 cho thấy sự giảm đi của phân bố vận tốc (vận tốc cực đại từ 92.46 giảm xuống còn 47.32). Tuy nhiên, sự phân bố mật độ
điện tích thay đổi khơng đáng kể (xem Hình 3.10 thấp hơn). Nó có nghĩa là số Re
cho chất lỏng ảnh hưởng không đáng kể đến sự phân bố điện tích trong vi bơm.
Điều này một lần nữa giải thích tại sao lưu lượng của một vi bơm ECF trong thực
tế thường được điều khiển bằng điện thay vì các thơng số khác như số Re cho chất lỏng.
Hình 3.10 Sự phân bố vận tốc và điện tích trong vi bơm ECF với NACA0006: (a) Ve*=48, Ref=0.48; (b) Ve*=48, Ref=0.96
Các hệ số không thứ nguyên thể hiện trong PT. (3.14). KQ được gọi là hệ số
lưu lượng, là đại lượng không thứ nguyên thường được sử dụng trong thực tế chế
tạo và vận hành máy bơm. Kp được gọi là hệ số áp suất (PDC), và Ve* là điện áp không thứ nguyên. Hệ số công suất KN của vi bơm có thể được định nghĩa là tích của hệ số lưu lượng và PDC.
73 ( ) * e Q p Q p 2 e N e iw a e iw a thresp a ; ; ; 1000 1000 / K K Q p V K K V K V L V L E L = = = = (3.14)
Dựa trên các kết quả cho các điều kiện vận hành khác nhau, hệ số áp suất – hệ số lưu lượng (Kp–KQ) và hệ số công suất – hệ số lưu lượng (KN–KQ) đã được
xem xét. Như thể hiện trong Hình 3.11 cho ba giá trị cụ thể của Ve* (16, 32 và 48),
NACA0006 được sử dụng làm cực dương. Kết quả thể hiện Kp giảm khi KQ tăng, ngược lại nó tăng khi tăng Ve*. Tuy nhiên, ở KQ thấp gần bằng không, Kp tăng nhẹ,
và nó đạt giá trị lớn nhất tại một KQ nhất định. Kết quả này phù hợp với kết quả
mô phỏng số và thực nghiệm của Yanada và cộng sự [86, 113].
Hình 3.11 Đường đặc tính Kp–KQ với nhiều giá trị điện áp, điện cực dương là NACA0006
Hình 3.12 Đường đặc tính KN–KQ với nhiều giá trị điện áp, điện cực dương là NACA0006
74 Hình 3.12 cho thấy KN có xu hướng tăng khi KQ tăng, nó đạt giá trị lớn nhất
và sau đó giảm tạo thành một đường cong có dạng prabol. Trong hình này, với một đường đặc tính Kp–KQ cụ thể tại một điệp áp sẽ có một điểm cực trị của KN đạt tại
một KQ nhất định. Ngoài ra, KN tăng khi tăng điện áp đặt vào.
Ảnh hưởng của các thông số quan trọng đến PDC đã được khảo sát một cách
toàn diện, như thể hiện trong Hình 3.13 và hình 3.14. Trong nghiên cứu này, Ref nằm trong khoảng từ 10–4 đến 5 trong khi Ree nằm trong khoảng từ giá trị rất nhỏ
0.005 đến 1. Ba giá trị cụ thể của Ve*= 16, 32 và 48 đã được sử dụng. Tồn tại giá
trị PDC lớn nhất cho từng trường hợp của Ve*, được biểu thị bằng các vòng tròn
màu đỏ trong Hình 3.13. Kết quả chỉ ra rằng PDC lớn nhất có xu hướng di chuyển lên theo hướng bên phải (mũi tên màu đỏ). Nó có nghĩa là điện áp đặt vào tăng lên
dẫn đến tăng vị trí của PDC lớn nhất dọc theo số Ref và Ree như trong Hình 3.13(a) và 3.13(b). Ref là số Re chất lỏng được định nghĩa là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt. Dải vận hành của số Re chất lỏng trong vi bơm là rất nhỏ (trong khoảng 10–3–100), PDC lớn nhất đạt trong khoảng Ref =10–3–101, và sau đó nó giảm khi tăng Ref.
Hình 3.13 Mối tương quan của PDC: (a) Ref và (b) Ree cho nhiều giá trị điện áp và điện cực dương NACA0006
Khi tăng giá trị của Ree, PDC có xu hướng tăng lên dần, sự tăng bị chững lại
từ khoảng Ree = 0.05, và sau đó nó đạt cực đại và gần như khơng đổi sau đó, như thể hiện trong Hình 3.13b. Ý nghĩa tương đối của hiệu ứng đối lưu điện tích thường
được đo bằng số Re điện, Ree được định nghĩa là tỷ số giữa đối lưu điện tích và độ
dẫn điện. Kết quả trên cho thấy từ 0.05–1 là khoảng làm việc ổn định của vi bơm ECF. Về cơ bản, độ dẫn điện (σ) tăng khi Ree giảm. Ngồi ra, trong cơng thức của số Re điện, cịn có vận tốc có thể thay đổi được. Tuy nhiên, nếu Ree ≤ 1, q trình
thay đổi có thể được điều khiển nhanh chóng và khơng phụ thuộc vào vận tốc
[112].
Ngồi các số khơng thứ nguyên Ref và Ree đã đề cập ở trên, số Pesclet (Pe) và số Mobility (Mc) cũng được xem xét trong nghiên cứu này. Hình 3.14 cho thấy mối quan hệ giữa PDC – Pe Hình 3.14(a) và Mc Hình 3.14(b) cho Ve* = 16, 32 và 48. Mc nằm trong khoảng từ 102 đến 104 trong khi Pe dao động từ 0.05 đến 104.
75
Độ chênh lệch áp suất đạt giá trị lớn nhất tại Pe = 102, sau đó giảm dần. Do Pe
tăng, độ nhớt cũng tăng, dẫn đến giảm PDC. Thật vậy, hiệu suất của vi bơm bị ảnh hưởng bởi độ nhớt [113].
Hình 3.14 Mối tương quan của PDC: (a) Ref và (b) Ree cho nhiều giá trị điện áp và điện cực dương NACA0006
Đối với Mc, xu hướng có sự khác biệt so với Pe. PDC tăng khi Mc tăng, và sau đó đạt cực đại tại Mc = 0.2 (Ve* = 16), Mc = 0.25 (Ve* = 32) và Mc = 0.3 (Ve* = 48) trước khi giảm lại khi tiếp tục tăng Mc. Độ dẫn điện và độ nhớt của chất lỏng ECF đã được đề cập đến Yokota và cộng sự [114]. Độ dẫn điện cùng với mật độ, và độ nhớt là ba thông số vật lý quan trọng của họ chất lỏng ECF. Do đó, hiệu suất
của vi bơm cũng bị ảnh hưởng bởi loại chất lỏng làm việc. Nó chứng tỏ rằng tồn tại giá trị của Ref, Ree và Mc làm cho PDC đạt cực đại. Từ đó tăng dải hoạt động của PDC và vi bơm khi có dải PDC cao dẫn đến có nhiều ứng dụng hơn.