CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG CUNG CẤP SYNGAS VÀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ
3.3. Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng lƣỡng nhiên liệu diesel/syngas
3.3.2. Cơ sở tính toán đường ống cấp syngas trên đường nạp của động cơ
Đối với động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel syngas thì đường cấp syngas trên đường nạp của động cơ phải thể hiện các bước hay các nội dung chạy mô phỏng để tối ưu (xác định) kích thước và hình dạng ống:
- Mục đích của mô phỏng là thiết kế đưa ra kích thước hình dạng đường cấp syngas trên đường nạp hạn chế các dòng cản phù hợp với điều kiện thực tế;
- Đầu tiên có thiết kế sơ bộ từ đường nạp nguyên bản, cơ sở cấp khí có kích thước sơ bộ kết quả cuối cùng của mô phỏng là đưa ra được bản vẽ thiết kế của hệ thống cấp khí, cụ thể như được thể hiện trên bản vẽ chi tiết trong phụ lục 1.10 của luận án;
- Quy trình (các bước thực hiện chạy mô phỏng, các nội dung chạy mô phỏng nhằm tối ưu để xác đinh kích thước và hình dạng của đường cấp syngas), với kích thước sơ bộ ban đầu sau khi thực hiện chạy mô phỏng và đánh giá lại hệ số nạp chưa đạt yêu cầu, hiện tượng rối dòng đã xảy ra cho nên NCS đã thay đổi kích thước như đường kính và chiều dài của đường ống, t lệ đường kính của đường ống từ giá trị Ф21 đến giá trị Ф37 nhằm tối ưu xác định kích thước và hình dạng, như thể hiện trên bản vẽ chi tiết trong phụ lục 1.10.
-59-
- Độ mở van tiết lưu được thiết lập trước thuận tiện cho các chế độ thực nghiệm…
Phần sau đây sẽ mô tả quá trình tính toán thiết kế và mô phỏng đường cấp syngas trên đường nạp của động cơ thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm (syngas được cấp trực tiếp tại nơi sản xuất).
Đường cấp syngas trên đường nạp của động cơ diesel - máy phát điện thể hiện chi tiết như trên hình vẽ 3.2 được đưa vào phần mềm CFD Fluent để tính toán. Đường ống cấp syngas được làm bằng thép ống có tiết diện và chiều dài đường ống thay đổi, chi tiết được thể hiện trong các phụ lục (phụ lục 1.9÷1.11 và phụ lục 2.3) để làm cơ sở thiết kế và vị trí thực nghiệm của động cơ diessel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/syngas.
Nếu dòng chảy đường cấp syngas và đường nạp của động cơ là dòng chảy rối phần mềm CFD Fluent có thể mô phỏng chính xác các đặc tính của dòng chảy. Có nhiều mô hình toán trong CFD Fluent để mô phỏng dòng chảy của chất khí, trong đó mô hình k-ε là mô hình thông dụng và được ứng dụng rộng rãi trong các công trình nghiên cứu với (k:
động năng dòng chảy rối, ε: hệ số khuếch tán chảy rối). Mô hình này để mô phỏng dòng cháy rối của 2 dòng khí (không khí-syngas) trên đường ống nạp của động cơ diesel - máy phát điện có thể dự đoán dòng chảy của chất lỏng - chất khí và có nhiều thuật toán sát với thực tế của dòng chảy.
Để giảm bớt sự phức tạp của kích thước hình học, mô hình hình học 2 chiều đã được đưa vào để mô phỏng dòng chảy. Các phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để rời rạc hóa các phương trình vi phân từng phần của mô hình. Các mô phỏng được thực hiện với lưu lương syngas được cấp vào khác nhau (lưu lượng syngas cấp 25, 50, 70 và 100%
theo độ mở van tiết lưu). Sự thay đổi của dòng chảy đã được tính toán sử dụng động năng chảy rối (k) và hệ số khuếch tán chảy rối (ε) sử dụng đưa ra ở trên. Một giải pháp hội tụ đã được sử dụng trong mô phỏng sau khoảng nhiều lần lặp cho các điều kiện đầu vào khác nhau.
Hình 3.2. Hình dạng đường cấp syngas trên đường nạp động cơ diesel
-60- 3.3.2.1. Xây dựng và chia lưới mô hình
Hình 3.3. Mô hình sau khi chia lưới và đặt điều kiện biên
Mục tiêu của bài toán là xác định mức độ xoáy và chuyển động rối của dòng syngas và không khí trên đường nạp của động cơ diesel. Trên cơ sở kết cấu đường nạp thực tế như đã trình bày ở trên tiến hành xây dựng mô hình để đưa ra phương án điều chỉnh đường cấp syngas phù hợp với chế độ tải mà hệ số nạp giảm không nhiều. Do vậy quá trình mô phỏng đường cấp syngas trên đường nạp của động cơ được tiến hành các bước sau: chia lưới và lựa chọn mô hình điều kiện biên:
Chia lưới:
- Kiểu phần tử: tứ diện;
- Kích thước phần tử nhỏ nhất: 5 mm;
- Kích thước phần tử lớn nhất: 20 mm.
Định nghĩa điều kiện biên:
- Đầu vào (không khí): inlet_air;
- Đầu vào (syngas): inlet_gas;
- Đầu ra (hỗn hợp khí): outlet.
Tiến hành chia lưới trên Meshing xong và Update để chuyển sang môi trường mô phỏng Fluent.
3.3.2.2. Điều kiện biên cho mô hình
Trong môi trường này, điều kiện biên nhập cho mô hình ở cửa nạp của động cơ, cửa
-61-
cung cấp syngas trên đường nạp và cửa ra của hỗn hợp 2 dòng khí đi vào động cơ.
Đây là các thông số của khí nạp (không khí), dòng syngas và hỗn hợp khí ở chế độ tải tại 80% với tốc độ 1500 vòng/phút.
Bảng 3.2. Các giá trị nhập cho điều kiện biên
3.3.2.3. Điều kiện đầu
Trong Fluent, điều kiện đầu có thể chọn là thông số ở một cửa bất kỳ, có thể là cửa vào, cửa ra hoặc có thể lựa chọn tất cả các cửa.
Để giải bài toán này cần lựa chọn điều kiện đầu của mô hình là thông số ở cửa vào được trình bày trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giá trị điều kiện đầu
TT Thông số Giá trị Mô tả
1 Gauge Pressure [Pa] 1 Áp suất tĩnh
2 X velocity [m/s] 4 Vận tốc phương X
3 Y velocity [m/s] 0 Vận tốc phương Y
4 Z velocity [m/s] 0 Vận tốc phương Z
5 Turbulent Kinetic Energy [ 1 Năng lượng động học rối 6 Turbulent Dissipation Rate [ 1 Tốc độ khuếch tán rối
7 Temperature [K] 300 Nhiệt độ
3.3.2.4. Điều kiện hội tụ
Trong quá trình mô phỏng, chương trình giải bài toán CFD cần biết khi nào thì kết Điều kiện biên
Vị trí
Mô hình
Thông số
Đơn vị Ký hiệu Giá trị
Cửa vào không khí Inlet_air
p 1 bar
V 4 m/s
T 300 K
Cửa vào syngas Inlet_gas
p 1,1 bar
V 2,15 m/s
T 310,7 K
Cửa ra Outlet p 0,9 bar
-62-
thúc quá trình tính toán đối với bài toán tĩnh hoặc nhảy sang bước tính toán tiếp theo trong bài toán chuyển tiếp. Có hai cách thức mà chương trình có thể lựa chọn đó là:
- Nếu số vòng 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 toán tĩnh) hoặc thực hiện bước tính tiếp theo (bài toán chuyển tiếp).
Các điều kiện hội tụ có liên quan trực tiếp đến chế độ chạy đã chọn. Bảng 3.4 sẽ trình bày các điều kiện hội tụ cần xác lập khi chạy mô hình.
Bảng 3.4. Giá trị điều kiện ban đầu
TT Nội dung Các tùy chọn Giá trị đặt
1 Iterations Số vòng lặp tối đa mà mô hình được phép chạy 1000
2 Residual Sai số
3 Continuity Tính liên tục 0,001
4 x-velocity Vận tốc theo phương x 0,001
5 y-velocity Vận tốc theo phương y 0,001
6 z-velocity Vận tốc theo phương z 0,001
7 Energy Năng lượng 0,001
8 K Hệ số k 0,001
9 Epsilon Hệ số epsilon 0,001
3.3.2.5. Kết quả và đánh giá
Kết quả mô phỏng thể hiện rõ sự ảnh hưởng bởi kết cấu của đường nạp nguyên bản của động cơ được thể hiện trên hình 3.4 và 3.5:
Dựa vào kết quả mô phỏng hình 3.4 và 3.5 cho thấy được quá trình lưu động của 2 Hình 3.4. Kết quả xuất ra dưới dạng trường vận tốc
-63-
dòng khí trong đường ống nạp của động cơ, những vòng rối và vòng xoáy tại vùng 2 dòng khí giao nhau. Tại điểm gấp khúc vuông góc dẫn đến quá trình lưu thông của dòng khí không mượt, lưu lượng khí đi vào bị tổn thất. Dựa vào kết quả ta thấy nguyên nhân dẫn đến dòng rối và xoáy của dòng khí nạp vào động cơ như sau:
- Do hình dạng kết cấu;
- Do góc hợp của hai dòng khí;
- Do đường kính của hai đường ống của hai dòng khí;
- Vị trí đặt đường syngas.
Căn cứ vào các nguyên nhân trên, thì các biện pháp và cách khắc phục để tối ưu hóa biên dạng đường nạp mà không ảnh hưởng tới kết cấu của động cơ nên ta cần chọn phương pháp thay đổi biên dạng đường nạp sao cho phù hợp để tạo được dòng khí lưu thông tốt hơn trong đường nạp, giúp nâng cao hệ số nạp, cải thiện quá trình nạp; phương án đưa ra như đã được phân tích ở trên nhưng trong điều kiện thực tế thì quá trình tính toán, thiết kế đường cấp syngas trên đường nạp của động cơ được chỉ ra như sau:
- Thông qua mô phỏng CFD Fluent cho phép thể hiện một cách rõ nét, trực quan và khá gần với thực tế quá trình lưu động của 2 dòng khí nạp vào động cơ diesel. Đưa ra các phương án điều chỉnh hệ thống nạp để nâng cao hiệu quả thực nghiệm (phụ lục 2.3) nhằm cung cấp lượng syngas phù hợp với chế độ thử nghiệm mà không làm thay đổi hệ số nạp của động cơ diesel - máy phát điện;
- Việc sử dụng phần mềm CFD Fluent để tính toán mô phỏng quá trinh cấp khí syngas vào đường nạp đã xác định được vị trí, kích thước và hình dạng của đường cấp syngas phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ;
- Mục tiêu thực hiện đề tài là thiết kế đường cấp syngas trên đường nạp của động cơ Mitsubishi S3L2 có được kích thước, hình dạng phù hợp với hệ thống sản xuất syngas tại phòng thí nghiệm và vị trí đặt động cơ thử nghiệm. Mặt khác, syngas được cấp trực tiếp cho động cơ tại nơi sản xuất; đường nạp của động cơ không thay đổi, yêu cầu đường cấp syngas trên đường nạp động cơ là gọn nhất và thuận lợi lắp đặt các chi tiết trong quá trình thực nghiệm...
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng dưới dạng đường dòng
-64-