CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM CFD
3.3. Xây dựng và mô phỏng
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:
50
Hình 3.5. Giao diện màn hình chia lưới mơ hình
tứ giác/tam giác (Quad/Tri).
- Type: map, submap, pave, tri primitive. - Kích thước phần tử (Spacing).
Số mắt lưới của các mơ hình được trình bày trong bảng PL1.1 trong phần phụ lục của luận văn.
3.3.3. Đặt các kiểu điều kiện biên
Trong phần Zones, người dùng sẽ lựa chọn kiểu điều kiện biên, đâu là đầu vào, đâu là đầu ra, kiểu điều kiện biên loại gì.
Với phiên bản Fluent 5/6 thì Gambit có hỗ trợ các mơ hình điều kiện biên sau: Wall, axis, Exhaust_fan, inlet_vent, intake_fan, interface, interior, internal, mass_flow_inlet, outflow, outlet_vent, periodic,...
Trong đó ta quan tâm đến các mơ hình sau: mass_flow_inlet, outflow, pressure_inlet, pressure_outlet. Đây là những mơ hình điều kiện biên sẽ được sử dụng khi mô phỏng trong Fluent [13].
Với những mơ hình này người dùng sẽ đưa được những thơng số cần thiết của dịng khí vào mơ hình cụ thể của bài tốn để kết quả mơ phỏng gần với thực tế hơn.
51
Hình 3.6. Cửa sổ màn hình lựa chọn các kiểu điều kiện biên
3.3.4. Xuất file Mesh
Trong mục Export, người dùng sẽ xuất mơ hình vừa xây dựng sang file định dạng *.msh để sử dụng khi mô phỏng bằng phần mềm Fluent.
Hình 3.7. Giao diện màn hình khi xuất file msh
File mesh có tên mặc định giống với tên của file mơ hình trong Gambit, chỉ khác phần định dạng file là *.msh.
Ngồi ra chúng ta có thể sử dụng các mơ hình được xây dựng từ các phần mềm khác như CAD, SolidWork, Catia,… để chỉnh sửa hoặc có thể xây dựng mơ hình trực tiếp bằng các thanh công cụ của phần mềm.
52
3.3.5. Mô phỏng trên phần mềm Fluent
3.3.5.1. Điều kiện biên
Khi xây dựng mơ hình trong Gambit, sau khi chia lưới ta phải chọn mơ hình điều kiện biên cho các phần tử. Vì đây là q trình mơ phỏng chuyển động của dịng khí nạp trong đường ống nạp, nên các đối tượng mô phỏng là lõi (ruột) của các phần tử trong đường ống nạp của động cơ. Như vậy, trong mơ hình trên ta có các phần tử sau:
- Ống nạp (inlet);
- Cổ hút trong quy lát (wall); - Xupap hút (wall);
- Quy lát (wall); - Xylanh (wall); - Piston (out_let).
Trong cả hai mơ hình, điều kiện biên đầu vào (inlet) ta chọn “áp suất-
pressure_inlet”, đầu ra (outlet) ta chọn “vận tốc- velocity_outlet” (vận tốc khí đầu
ra có thể lấy giá trị xấp xỉ bằng vận tốc piston).
3.3.5.2. Các giả thuyết sử dụng trong q trình mơ phỏng
- Bỏ qua sức cản của bầu lọc khơng khí tại đầu ống nạp, lấy áp suất đầu vào (inlet) cho cả hai mơ hình là áp suất khí quyển (p= 1atm) và ổn định trong suốt quá trình nạp;
- Coi lớp khí mỏng của khối khí nạp tiếp xúc với piston có vận tốc tương đối bằng nhau và bằng vận tốc tức thời của piston và lấy vận tốc này là điều kiện biên đầu ra (outlet) cho cả hai mơ hình;
- Nhiệt độ tại những vị trí bất kì của mỗi phần tử (ống nạp, piston,.v.v.) trong quá trình suốt nạp là bằng nhau trên mỗi phần tử đó.
3.3.5.3. Điều kiện đầu vào
Trong Fluent, điều kiện đầu có thể chọn là thơng số ở một cửa bất kỳ, có thể là cửa vào, cửa ra hoặc có thể lựa chọn tất cả các cửa.
Trong bài toán này ta lựa chọn điều kiện đầu của mơ hình là thơng số ở cửa vào (inlet), bao gồm nhiệt độ và áp suất (được trình bày trong bảng 3.2).
53
3.3.5.4. Nhập điều kiện biên trong Fluent
Hình 3.8. Mơ hình nhập điều kiện biên trong Fluent
Từ các giả thuyết sử dụng trong quá trình mơ phỏng nói trên ta có bảng điều kiện biên sử dụng cho 2 mơ hình trong Fluent như bảng 3.2, 3.3, 3.4 và 3.5.
Bảng 3.2. Điều kiện biên chung cho hai mơ hình
STT Vị trí Điều kiện biên
Mơ hình Thơng số Đơn vị
Kí hiệu Giá trị 1 Ống nạp inlet p 1 bar T 300 K 2 Cổ hút Wall T 373 K 3 Xupap Wall T 473 K 4 Quy lát Wall T 773 K 5 Xylanh Wall T 753 K 6 Piston out_let V Bảng 3.3, 3.4, 3.5 m/s T 573 K
Bảng 3.3. Điều kiện biên đầu ra cho hai mơ hình, tại tốc độ 1000 v/ph
Trường hợp 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vận tốc piston (m/s) 1,41 3,56 4,47 4,63 3,44 2,71 1,06 0 -1,06
Bảng 3.4. Điều kiện biên đầu ra cho hai mơ hình, tại tốc độ 1400 v/ph
Trường hợp 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vận tốc piston (m/s) 1,97 4,98 6,25 6,47 4,81 3,79 1,49 0 -1,49
Bảng 3.5. Điều kiện biên đầu ra cho hai mơ hình, tại tốc độ 2200 v/ph
Trường hợp 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vận tốc piston (m/s) 3,10 7,83 9,83 10,18 7,57 5,96 2,34 0 -2,34 Outlet
54
3.3.5.5. Điều kiện hội tụ
Trong q trình mơ phỏng, chương trình giải bài tốn CFD cần biết khi nào thì kết thúc q trình tính tốn đối với bài tốn tĩnh hoặc nhảy sang bước tính tốn tiếp theo trong bài tốn chuyển tiếp.
Có hai cách thức mà chương trình có thể lựa chọn đó là:
- Nếu số vịng lặp vượt quá giá trị do người dùng định nghĩa thì chương trình sẽ dừng hoặc nhảy sang bước tiếp theo;
- Nếu sai số nhỏ hơn giá trị do người dùng định nghĩa thì chương trình sẽ coi như bài toán hội tụ và sẽ dừng chương trình (bài tốn tĩnh) hoặc thực hiện bước tính tiếp theo (bài tốn chuyển tiếp).
Các điều kiện hội tụ có liên quan trực tiếp đến chế độ chạy đã chọn. Bảng 4.6 dưới đây sẽ trình bày các điều kiện hội tụ cần xác lập khi chạy mơ hình.
Bảng 3.6. Các giá trị đặt điều kiện hội tụ
Nội dung Các tùy chọn Giá trị đặt
Solver Lựa chọn phương pháp giải cho dòng chảy Unsteady Iterations Số vịng lặp tối đa mà mơ hình được phép chạy 1000
Continuity Tính liên tục 0,001
x-velocity Vận tốc theo phương x 0,001
y-velocity Vận tốc theo phương y 0,001
Energy Năng lượng 0,001
k Hệ số k 0,001
Epsilon Hệ số epsilon 0,001
55
Hình 3.9. Hình ảnh cho kết quả hội tụ trong Fluent
Kết luận chương 3:
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về phần mềm CFD tác giả đã thực hiện quá trình chia lưới mơ hình trên Gambit, nhập mơ hình vào phần mềm Fluent, sau đó chọn mơ hình, lựa chọn các trường hợp mơ phỏng, đặt các điều kiện,.. sau đó kiểm tra điều kiện hội tụ. Các kết quả của quá trình mơ phỏng sẽ được trình bày và phân tích ở chương tiếp theo.
56
CHƯƠNG IV
KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ BÌNH LUẬN
Sau khi hồn thành các cơng đoạn xây dựng mơ hình 3D, chia lưới và chạy mơ hình trên phần mềm Fluent, ta thu được khá nhiều thơng số của q trình nạp như: vận tốc dịng khí, nhiệt độ T, áp suất p và mật độ . Để có thể phân tích q trình nạp, tác giả chú trọng đến q trình vận động của dịng khí nạp vào xylanh và khối lượng nạp thực tế. Khi tăng tải, nhiệt độ các chi tiết trong buồng cháy tăng nên DT tăng làm cho hệ số nạp v giảm đôi chút. Theo kinh nghiệm, khi tăng tải từ không tải đến tồn tải thì v giảm khoảng (3 ÷4)% [7]. Do vậy đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng đường nạp và tốc độ tới chất lượng của quá trình nạp.
4.1. Ảnh hưởng của biên dạng đường nạp đến q trình vận động của dịng
khí nạp
4.1.1. Theo biên dạng đường nạp
Theo lý thuyết về động cơ đốt trong, động cơ sẽ đạt hiệu quả nạp cao nhất tại tốc độ đạt mô men lớn nhất và dịng khí nạp sẽ có vận tốc lớn nhất tại tốc độ cao nhất của động cơ. Do vậy ta sẽ khảo sát đường nạp trên mơ hình tại 2 tốc độ đạt mô men lớn nhất và tốc độ định mức. Cụ thể là từ tốc độ nM (1400 v/ph) và nđm (2200 v/ph).
4.1.1.1. Tại tốc độ 1400 v/ph
Dưới đây là kết quả mô phỏng theo biên dạng đường nạp tại tốc độ 1400 v/ph. Trên hình 4.1 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 14oTK, kết quả cho thấy: Ở vị trí này, dịng khí lưu động trong mơ hình đường nạp nguyên thủy phân bố đều hơn, cịn ở mơ hình sau xuất hiện chảy rối trên ống nạp.
Trên hình PL2.1 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 40oTK, kết quả cho thấy: Ở mơ hình đường nạp ngun thủy dịng khí đã xuất hiện hiện tượng xoáy hướng vào tâm xylanh và phân bố đều hơn so với mơ hình cải tiến.
Trên hình 4.2 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 60oTK, kết quả cho thấy: Ở vị trí này, dịng khí chuyển động trong 2 mơ hình đều có xu hướng tạo xoáy theo phương hướng tâm, tuy nhiên ở mơ hình cải tiến lại xuất hiện vùng rối cục bộ.
57
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.1. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 14oTK tại 1400 v/ph
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.2. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 60oTK tại 1400 v/ph
Trên hình 4.3 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 80oTK, kết quả cho thấy: Ở mơ hình đường nạp ngun thủy, dịng khí chuyển động trên ống nạp kém mơ hình cải tiến, cịn ở trong xylanh dịng khí chuyển động mạnh hơn.
58
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.3. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 80oTK tại 1400 v/ph
Trên hình PL2.2 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 116oTK, kết quả cho thấy: Ở vị trí này, tâm xốy ở mơ hình đường nạp ngun thủy vẫn được duy trì nhưng tốc độ giảm xuống, cịn trên mơ hình cải tiến tốc độ dịng khí tăng lên và phân bố khá đều.
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.4. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 130oTK tại 1400 v/ph
59
Trên hình 4.4 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 130oTK, kết quả cho thấy: Ở mơ hình đường nạp ngun thủy, hiện tượng rối vẫn duy trì và có xu hướng tăng lên, cịn ở mơ hình cải tiến tâm xốy cục bộ vẫn cịn và tốc độ dịng khí giảm.
Trên hình PL2.3 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 160oTK, kết quả cho thấy: Hiện tượng rối vẫn tiếp tục gia tăng trong mơ hình đường nạp nguyên thủy, tuy nhiên dịng khí trong mơ hình cải tiến phân bố đều và mạnh hơn.
Trên hình 4.5 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 180oTK, kết quả cho thấy: Hiện tượng chảy rối trong mơ hình đường nạp ngun thủy có xu hướng giảm. Cịn ở mơ hình sau lại xuất hiện hiện tượng xốy trong xylanh mạnh hơn.
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.5. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 180oTK tại 1400 v/ph
Trên hình 4.6 là hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại 200oTK, kết quả cho thấy: Vị trí này cho ta thấy, ở mơ hình nguyên đường nạp thủy hiện tượng rối vẫn duy trì. Cịn trong mơ hình cải tiến xuất hiện các tâm xốy rất mạnh khắp thể tích xylanh và hiện tượng rối trong đường nạp tăng mạnh.
60
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.6. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 200 oTK tại 1400 v/ph
4.1.1.2. Tại tốc độ 2200 v/ph
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.7. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 14 oTK
tại 2200 v/ph
Trên hình 4.7 là hình ảnh mơ phỏng thu được tại vị trí 14oTK, từ kết quả thu được ta thấy: Ở vị trí này dịng khí lưu động trong 2 mơ hình chưa thấy rõ sự khác
61 biệt.
Trên hình PL2.4 là kết quả mơ phỏng tại 40oTK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: ở mơ hình đường nạp ngun thủy dịng khí đã xuất hiện hiện tượng xoáy hướng vào tâm xylanh, còn ở đường nạp cải tiến dòng khí lại có xu hướng chuyển động dọc theo phương chuyển động của piston.
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.8. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 60oTK tại 2200 v/ph
Trên hình 4.8 là kết quả mô phỏng tại 60oTK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: Ở vị trí này, dịng khí chuyển động trong 2 mơ hình đều có xu hướng tạo xốy theo phương hướng tâm, tuy nhiên ở đường nạp cải tiến lại xuất hiện điểm rối cục bộ.
Trên hình 4.9 là kết quả mô phỏng tại 80oTK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: Ở mơ hình đường nạp ngun thủy dịng khí chuyển động có xu hướng theo hướng chuyển động của piston và có xuất hiện một tâm xốy nhỏ gần nắp máy. Ở mơ hình cải tiến, dịng khí chuyển động phân bố đều hơn vào xylanh.
Trên hình PL2.5 là kết quả mô phỏng tại 116oTK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: Ở vị trí này, tâm xốy của cả 2 mơ hình vẫn được duy trì. Tuy nhiên mơ hình đường nạp cải tiến hiện tượng rối diễn ra mạnh hơn, còn đường nạp nguyên thủy tốc độ vùng xoáy cục bộ giảm.
62
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.9. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 80oTK tại 2200 v/ph
Trên hình 4.10 là kết quả mơ phỏng tại 130oTK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: Ở mơ hình ngun thủy, hiện tượng rối vẫn duy trì và có xu hướng tăng lên, cịn ở mơ hình cải tiến tâm xốy cục bộ vẫn cịn và xuất hiện hiện tượng xốy trên ống nạp và trong xylanh với tốc độ tăng.
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.10. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 130oTK
63
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.11. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 180oTK tại 2200 v/ph
Trên hình PL2.6 là kết quả mơ phỏng tại 160oTK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: Hiện tượng rối vẫn tiếp tục gia tăng trong đường nạp nguyên thủy, cịn tâm xốy cục bộ trong đường nạp cải tiến đã giảm đi rất nhiều. Tuy nhiên chuyển động của dịng khí trong đường nạp cải tiến đều và mạnh hơn.
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.12. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp biểu thị theo mầu tại 200 oTK tại 2200 v/ph
64 Trên hình 4.12 là kết quả mô phỏng tại 2000TK. Dựa vào kết quả thu được ta thấy: Trong mơ hình đường nạp cải tiến xuất hiện các tâm xoáy rất mạnh và hiện tượng rối trong đường nạp tốt hơn mơ hình ngun thủy.
4.1.2. Theo phương vng góc với
đường tâm xylanh
Để quan sát quá trình vận động của dịng khí sau khi qua xupap ta thiết lập mặt cắt 2-2
vng góc với đường tâm xylanh và cách mặt quy lát một khoảng 5mm như hình 4.13.
4.1.2.1. Tại tốc độ 1400 v/p
Đường nạp nguyên thủy Đường nạp cải tiến
Hình 4.14. Hình ảnh mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp tại mặt cắt 2-2 tại 14 oTK tại 1400 v/ph
Trên hình 4.14 là kết quả mơ phỏng vận tốc dịng khí nạp đi qua tiết diện 2-2 tại 14oTK: ở trường hợp này, dịng khí của mơ hình cải tiến có xu hướng tạo ra 2 vùng xoáy nhỏ, tâm xoáy đã xuất hiện. Dịng khí của mơ hình ngun thủy có vận tốc tương đối đều và khơng tạo ra các vùng xốy cục bộ.