38
a) Mặt trên quy lát b) Mặt cắt ngang quy lát
Hình 2.12. Quy lát nguyên thuỷ của động cơ DT95
Đặc điểm kết cấu quy lát nguyên thuỷ của động cơ DT95 như thể hiện ở hình 2.12, dễ dàng nhận thấy cổ hút trong quy lát là khá dài và gấp khúc đặc biệt có những vị trí tiết diện họng nạp bị “bóp” nhỏ lại, theo phân tích ở trên thì đây là kết cấu khơng có lợi cho việc giảm tổn thất dịng và q trình tạo xốy của dịng khí nạp. Vì vậy ta sẽ thay đổi nhằm rút ngắn phần đường nạp nằm trong quy lát và giảm độ uốn khúc.
2.2.3.2. Đường nạp cải tiến
Như đã phân tích ở trên, kết cấu đường nạp có tiết diện thay đổi từ trịn sang chữ nhật và uốn khúc lớn sẽ làm tăng tổn thất áp suất trong quá trình nạp do vậy cần tăng tiết diện ống nạp và giảm độ uốn khúc, nhờ vậy sẽ tăng được áp suất cuối quá trình nạp pa, và tăng được hệ số nạp v.
Các thay đổi cần thiết là:
- Giảm chiều dài đường ống nạp.
- Thay đổi tiết diện ống nạp sang tiết diện tròn. - Giảm độ uốn khúc.
39
Hình 2.13. Bản vẽ chi tiết ống nạp động cơ DT95 cải tiến
2.2.3.3. Quy lát cải tiến
Tương ứng với sự thay đổi của ống nạp đã dẫn đến mặt quy lát cũng cần có những thay đổi như sau:
- Rút ngắn đoạn cổ hút trong quy lát, giảm độ uốn khúc.
- Thay đổi tiết diện cổ hút cũng như ống nạp: từ dạng chữ nhật sang trịn. Quy lát sau khi cải tiến có dạng như hình 2.14.
40
a) Mặt trên quy lát b) Mặt cắt quy lát
Hình 2.1. Quy lát của động cơ DT95 cải tiến
Kết luận chương 2:
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trong chương 2 có thể đưa ra các kết luận như sau:
- Đường ống nạp cải tiến trên đáp ứng được các yêu cầu đặt ra như: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giảm độ uốn khúc và đoạn cổ hút trong quy lát được rút ngắn hơn nhờ đó sẽ giảm được tổn thất cho dịng chảy và nâng cao được hiệu suất nạp của động cơ.
- Còn khả năng tạo xoáy lốc và khối lượng khí nạp của dịng khí nạp cung cấp bởi hai mơ hình đường nạp sẽ được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm CFD được trình bày ở chương tiếp theo.
41
CHƯƠNG III
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM CFD 3.1. Giới thiệu chung
Nhiệm vụ chính của đường ống nạp là cung cấp khơng khí cho xylanh một cách hồn hảo, sự cung cấp lý tưởng là yếu tố quan trọng để động cơ làm việc tốt. Một đường nạp thô nhám và uốn khúc sẽ làm tăng hệ số cản dẫn tới giảm hiệu suất nạp, giảm công suất và tăng suất tiêu hao nhiên liệu.
Một trong những thiết kế có thể đạt được đường nạp tốt là sử dụng đường nạp đối xứng. Hình dáng đường nạp có ảnh hưởng lớn tới hiệu suất nạp trong động cơ đốt trong (ĐCĐT). Trong q trình làm việc, sóng áp suất xuất hiện do áp suất giảm trong q trình nạp và sự đóng mở của các xupap. Tùy thuộc vào biên độ và chu kỳ của sóng áp suất, lượng khí nạp có thể tăng thêm hoặc giảm đi, cịn biên độ và chu kỳ này phụ thuộc vào hình dáng hình học, tốc độ động cơ và thời điểm đóng mở xupap.
Bên cạnh khối lượng khơng khí nạp được, tốc độ xốy lốc của dịng khí trong q trình nạp cũng cần thiết cho sự hoạt động tối ưu của động cơ và giảm phát thải. nếu một đường ống nạp tạo được nhiều xốy lốc trong hành trình nạp, nó có thể tồn tại sang kỳ nén và cháy, điều đó tạo điều kiện tốt cho q trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel.
Để tối ưu đường nạp, chúng ta có thể sử dụng phương pháp truyền thống, đó là chế thử nhiều mẫu đường nạp khác nhau và kiểm tra để tìm ra hình dáng tốt nhất. Phương pháp này có thể hiệu quả nhưng rất tốn kém về thời gian và tiền bạc.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính và phần mềm mơ phỏng CFD, việc mơ phỏng 3 chiều cho dịng khí nạp có sự phát triển vượt bậc. Khi mơ phỏng dịng khí nạp trên máy tính, chúng ta có thể dự đốn, quan sát và phân tích dịng chảy trong đường ống nạp và đánh giá sự hoạt động của nó. Từ đó, có thể thực hiện các điều chỉnh về kích thước đường ống để tìm ra hình dáng phù hợp, đồng thời giảm chi phí về thời gian và tiền bạc trong q trình thiết kế hệ thống nạp thải cho động cơ.
42
3.2. Phương pháp mô phỏng CFD
Đây là phương pháp mô phỏng hiện đại cho đối tượng là dịng lưu chất trong khơng gian 3 chiều. Cơ sở lý thuyết của phương pháp CFD là hệ phương trình Navier-Stokes mơ tả trao đổi năng lượng, động lượng và trao đổi chất của dịng mơi chất là chất lỏng nhớt trong khơng gian 3 chiều. Đối với chất khí cần bổ sung thêm phương trình trạng thái, đó là nền tảng cho việc mơ phỏng CFD. Ngồi ra, cịn có các điều kiện biên để xác định các thơng số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ phương trình mơ phỏng dịng khí thực.
3.2.1. Cơ sở lý thuyết của CFD 3.2.1.1. Phương trình liên tục 3.2.1.1. Phương trình liên tục
+ ( ⃗) = (3.1)
Đây là phương trình liên tục biểu diễn dưới dạng tổng quát cho cả dịng chảy nén được và khơng nén được.
Trong đó:
- ρ: mật độ;
- ⃗: véc tơ tốc độ;
- Sm: khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ 2 (chẳng hạn như do bay hơi…) và các nguồn do người dùng định nghĩa.
Biểu diễn phương trình trên trong hệ tọa độ Đề- các sẽ có dạng sau:
+ ( )+ + ( ) = (3.2)
Trong đó:
- Số hạng đầu tiên trong vế trái của phương trình là tốc độ thay đổi theo thời gian của khối lượng riêng.
- Ba số hạng tiếp theo là lưu lượng khối lượng đi ra khỏi phần tử các biên của nó theo các phương x, y, z.
Đối với dòng chảy khơng nén được thì khối lượng riêng ρ = const, khi đó phương trình bảo tồn khối lượng có dạng đơn giản như sau:
43
3.2.1.2. Phương trình bảo tồn động lượng
( ) + ( ⃗ ) = ( ) − + + (3.4)
Trong đó:
- u: tốc độ theo phương x; - μ: độ nhớt;
- p: áp suất tĩnh;
- Bx: lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo phương x;
- Vx: các thành phần nhớt ngoài các thành phần trong div(μgrad u).
Đối với dịng lưu động là chất khí cần phải bổ sung thêm phương trình trạng thái. Ngồi ra, cịn có các điều kiện biên để xác định các thông số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ phương trình mơ phỏng dịng khí thực.
3.2.2. Trình tự giải bằng phần mềm CFD
Giải hệ phương trình mơ phỏng thường dùng phương pháp thể tích hữu hạn (tương tự như phương pháp phần tử hữu hạn FEM). Nội dung các bước cần thực hiện trong bài tốn mơ phỏng bằng CFD được thể hiện chi tiết như sau:
Bước 1: Chia vùng khảo sát (liên tục) thành các thể tích rời rạc bằng các lưới- gọi là thể tích khảo sát (cell).
Bước 2: Tích phân các phương trình đặc trưng cho dịng lưu chất trên thể tích khảo sát để xây dựng các phương trình vi phân rời rạc tại các nút lưới.
Bước 3: Rời rạc hóa các phương trình tích phân bằng cách thay thế các vi phân bằng các sai phân tương ứng (biến các phương trình tích phân thành các phương trình đại số).
Bước 4: Rời rạc hóa các điều kiện biên tương tự như bước 3.
Bước 5: Giải hệ phương trình đại số cho kết quả gần đúng của bài tốn đã cho. Kết quả tính tốn tại mỗi thời điểm, tại mỗi thể tích khảo sát thơng thường gồm 6 giá trị là vx, vy, vz (xác định vận tốc ⃗), nhiệt độ T, áp suất p và mật độ . Còn nếu
thêm vào hệ phương trình mơ phỏng các phương trình tính tốn động học phản ứng trong q trình cháy thì cịn nhận được nồng độ các chất độc hại như NOX, CO, P- M,…
44
Do số thể tích khảo sát thường rất lớn và bước thời gian tính tốn thường rất nhỏ để đảm bảo độ chính xác nên khối lượng tính tốn rất lớn cần phải sử dụng máy tính có cấu hình cao. Do vậy chúng ta cần phải tính tốn số thể tích khảo sát phù hợp với cấu hình của máy tính. Có khá nhiều phương pháp CFD, ở đây đề tài chọn phương pháp Fluent bởi u cầu về cấu hình khơng cao, cấu trúc của một bài tốn xây dựng mơ hình và mơ phỏng bằng Fluent được thể hiện như trên hình 3.1.
Hình 3.1. Cấu trúc bộ phần mềm Fluent Trong đó: Trong đó:
- Fluent: Bộ tính tốn chính;
- Gambit: xây dựng mơ hình 2D, 3D và chia lưới;
- Tgrid: điều chỉnh lưới của các mơ hình được xây dựng từ các cơng cụ khác.
- Các bộ giao tiếp chương trình: Cho phép trao đổi dữ liệu của Fluent với các
chương trình khác như ANSYS, NASTRAN,…
3.2.3. Phần mềm Gambit
Gambit là một công cụ giúp người dùng có thể xây dựng các mơ hình của bài tốn mơ phỏng. Gambit có các thanh cơng cụ để xây dựng mơ hình 2D, 3D, chia lưới mơ hình, chọn các mơ hình điều kiện biên: đầu vào, đầu ra, vách (wall),…
Quá trình xây dựng một mơ hình bằng cơng cụ Gambit được thực hiện qua các bước sau:
45
Vì mơ hình xây dựng trong Gambit có thể được giải bằng nhiều phần mềm khác nhau, người dùng lựa chọn mơ hình sẽ được giải bằng phần mềm nào. Trên thanh Solver có các cơng cụ khác nhau như: FIDAP, FLUENT/UNS, FLUENT 5/6,… [13]. Giao diện của phần mềm Gambit như hình PL1.1.
3.2.3.2. Xây dựng mơ hình
Khi kích vào thanh Geometry người dùng sẽ sử dụng các công cụ vẽ điểm, đường, mặt hay khối để xây dựng mơ hình.
Các điểm, đường, mặt hay khối được biểu diễn thông qua màu sắc.
Điểm - màu trắng, đường - màu vàng, mặt - màu xanh da trời, khối - màu xanh lá cây. Giao diện cụ thể được thể hiện trong hình PL1.2.
Ngồi ra Gambit còn cung cấp cho ta một lựa chọn khác đó là xây dựng mơ hình 3D bằng một phần mềm khác như Catia hay Solid Works,.., sau đó nhập vào Gambit và chia lưới mơ hình. Ở đây tác giả sử dụng phần mềm Catia phiên bản V5R17 để xây dựng mơ hình 3D.
3.2.4. Phần mềm Fluent
3.2.4.1. Khả năng của phần mềm Fluent
Fluent có khả năng giải quyết các bài tốn sau: Mơ hình dịng chảy 2D, 3D;
Mơ hình dịng chảy tĩnh (steady) hay dòng tức thời (unsteady) tức là dòng chảy có phụ thuộc vào thời gian;
Mơ hình dịng chảy nén được hay không nén được; Mơ hình dịng chảy tầng hoặc dịng chảy rối; Các quá trình trao đổi nhiệt;
Các đặc tính của các phản ứng hóa học, q trình phun nhiên liệu, quá trình nổ, cháy…;
Mơ hình dịng nhiều pha (lỏng - khí, lỏng - lỏng); Mơ hình có sự thay đổi pha: nóng chảy, đơng đặc,…; Mơ hình màng thấm, tấm lọc,…;
46 Mơ hình các tấm chuyển động.
Fluent chính là cơng cụ nổi bật nhất của CFD trên phương diện tính tốn mơ phỏng số cho dòng chảy hiện nay.
3.2.4.2. Các mơ hình chảy rối trong phần mềm Fluent
Dịng chảy rối là dòng đặc trưng bởi sự biến đổi của trường vận tốc. Thông thường, việc mơ tả dịng rối rất khó khăn bởi trong các phương trình đặc trưng có chứa các tham số chưa biết. Mơ hình rối có nhiệm vụ cơ bản là xác định các đại lượng này.
Fluent hỗ trợ các mơ hình rối sau: Mơ hình Splart – Allmaras; Mơ hình k – ε;
Mơ hình k – ω; Mơ hình v2
– f;
Mơ hình ứng suất Reynold (RSM); Mơ hình xốy lớn (LES).
Tuy nhiên không thể áp dụng một mơ hình rối cho tất cả các bài tốn, mỗi mơ hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trường hợp nhất định. Điều đó địi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài tốn.
3.3. Xây dựng và mơ phỏng
3.3.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng
Với đặc tính của phần mềm Fluent là chỉ quan tâm tới tính lưu động của dịng chảy, khơng liên quan tới tính bền nên ta chỉ vẽ lõi của các phần tử đó, chính là biên dạng của hệ thống nạp và các chi tiết tạo thành. Đối với piston ta chỉ cần vẽ đơn giản là 1 đĩa mỏng là thỏa mãn trong mô phỏng. Do vậy, ta giới hạn được phần tử cần mô phỏng và tạo mơ hình 3D cho biên dạng của hệ thống nạp, xupap, cụm piston & xylanh. Các khối được vẽ tách rời, rồi sau đó ghép lại. Lưu file CATIA dưới đuôi “.igs” chuyển sang môi trường Gambit và đặt tên từng khối.
47
Như đã nói ở trên, tiến hành cải tiến cổ hút trong quy lát và đường ống nạp cho động cơ nên ta sẽ xây dựng 2 mơ hình để mơ phỏng lấy kết quả so sánh (với các điều kiện biên như nhau) nhằm đánh giá hiệu quả q trình nạp của hai mơ hình.
Hai mơ hình đó là:
- Mơ hình mơ phỏng q trình nạp của đường nạp nguyên thuỷ; - Mơ hình mơ phỏng q trình nạp của đường nạp cải tiến.
Hình 3.2. Mơ hình mơ phỏng động cơ DT95 trên CATIA
Với giả thuyết rằng, bầu lọc khơng khí khơng gây cản trở trong suốt quá trình làm việc của động cơ, mơ hình mơ phỏng bao gồm các thành phần sau (các thành phần này sẽ tiếp xúc với khơng khí trong quá trình nạp):
- Ống nạp (inlet);
- Cổ hút trong quy lát (wall); - Xu páp hút (wall);
- Quy lát (wall); - Xylanh (wall); - Piston (out_let).
Tương ứng với các thành phần nêu trên, ta tiến hành xây dựng hai mơ hình mơ phỏng như sau:
48
3.3.1.1. Các trường hợp mô phỏng
Để thuận lợi cho q trình mơ phỏng, ta bắt đầu mơ phỏng tại vị trí mà xupap hút và xupap thải đã đóng hồn tồn, tức là mơ phỏng từ vị trí góc đóng muộn xupap thải 140 đến vị trí đóng muộn xupap nạp 380TK, trên đó ta xét các vị trí như bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các trường hợp mô phỏng tương ứng với các vị trí làm việc của động cơ
Góc cam (0TC) Góc trục khuỷu (0TK) Độ nâng xupap (mm) Vị trí piston (mm) 1 7 14 0,46 1,66 2 20 40 2,31 12,75 3 30 60 4,62 26,34 4 40 80 6,59 41,71 5 58 116 8,26 66,62 6 65 130 7,86 73,80 7 80 160 5,89 83,23 8 90 180 3,81 85 9 100 200 1,85 83,23 10 109 218 0 72,88
Tương ứng với mỗi vị trí trên, ta tiến hành mô phỏng diễn biến của khối khí trong đường nạp và piston. Như vậy ta sẽ mơ phỏng 9 vị trí (vị trí thứ 10 xupap nạp và xupap thải cùng đóng nên khơng mơ phỏng).
3.3.1.2. Xây dựng mơ hình 3D
Để chia lưới trên Gambit, ta cần tạo mơ hình 3D. Sau khi thực hiện ta có 2 mơ hình đường nạp nguyên thủy và đường nạp cải tiến như hình 3.3 và hình 3.4.
Thơng số Trường hợp
49
Hình 3.3. Đường nạp nguyên thuỷ của động cơ DT95
Hình 3.4. Đường nạp cải tiến của động cơ DT95
3.3.2. Chia lưới mơ hình
Dựa trên hình dạng hình học đã xây dựng ở trên, người dùng có thể chia mơ hình thành các phần tử nhỏ theo các kích thước tùy chọn. Đối với bài tốn 3D, q trình chia lưới được thực hiện theo hai bước: chia lưới 2D và chia lưới 3D.
Kích vào thanh Mesh người dùng sẽ thấy các công cụ chia lưới đường, mặt hay khối,…
Các thơng số chính dùng để chia lưới: