Giáo trình Lý thuyết cháy dùng cho SV các ngành Cơ khí Động lực và công nghệ Nhiệt - lạnh cũng có một số thí nghiệm liên quan đến lửa có thể dùng phương pháp mô phỏng để mô tả (bảng 1.3)
Bảng 1.3: Một số thí nghiệm về lửa trong giáo trình lý thuyết cháy
STT Bài học ND mô phỏng
1 Buồng lửa
- Các quá trình trong buồng lửa: hỗn hợp, nung nóng, phản ứng, truyền nhiệt.
- Mô phỏng diễn biến quá trình hỗn hợp và cháy theo chiều chuyển động của dòng.
2 Cháy
nhiên liệu Phản ứng cháy: Cháy đồng thể & Cháy không đồng thể
3 Mô phỏng các loại ngọn lửa cơ bản - Hỗn hợp trước chảy tầng - Hỗn hợp trước chảy rối
- Hỗn hợp trước 1 phần chảy tầng - Không hỗn hợp trước chảy tầng - Không hỗn hợp trước chảy rối
4 Cháy nhiên liệu khí 4.1 Cháy động học Cháy tầng Cháy rối
Sự ổn định của ngọn lửa hỗn hợp trước
4.2 Cháy
khuếch tán
Cháy tầng
Cháy khuếch tán rối
Sự ổn định ngọn lửa khuếch tán và vật giữ ngọn lửa 4.3 Ngọn lửa
xoáy
Ngọn lửa của dòng khí xoáy Ngọn lửa của các dòng xoáy kép
5 Cháy dầu Ngọn lửa dầu
6 Cháy than.
- Cháy than trong buồng đốt lớp chặt - Cháy than trong buồng đốt tầng sôi - Cháy than trong buồng đốt than bụi
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Chƣơng 2
MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LỬA 2.1. Mô phỏng lửa bằng phƣơng pháp Physically-based
Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based phù hợp cho ngọn lửa mịn và hỗn loạn. Nó có thể được sử dụng để tạo hiệu ứng đốt nhiên liệu rắn hoặc khí. Sử dụng phương trình Navier-Stokes không nén được để mô hình độc lập nhiên liệu bay hơi và các sản phẩm khí nóng. Phát triển mô hình Physically-based cho việc mở rộng diễn ra khi nhiên liệu bốc hơi phản ứng để tạo thành sản phẩm khí nóng và một mô hình liên quan đến việc mở rộng tương tự diễn ra khi nhiên liệu rắn bay hơi vào trạng thái khí. Sản phẩm khí nóng, khói và bồ hóng tăng dưới ảnh hưởng của sức nổi và kết xuất bằng cách sử dụng mô hình bức xạ vật đen. Mô hình và đưa ra các lõi màu xanh là kết quả của gốc tự do trong múi phản ứng hóa học trong đó nhiên liệu được chuyển đổi thành các sản phẩm. Phương pháp Physically-based cho phép lửa và khói tương tác với các đối tượng và các vật dễ cháy có thể bắt lửa.
2.1.1. Kỹ thuật mô phỏng Physically-based
2.1.1.1. Định nghĩa Physically System
Physically System được định nghĩa như sau:
Một Physically System là một hệ vật lý được mô phỏng lại (thông thường với kích cỡ được thu nhỏ) sao cho các lực chủ yếu tác dụng lên hệ được mô phỏng ở mô hình bằng một tỷ lệ chính xác với hệ vật lý thực tế.
2.2.1.2. Đặc tính của Physically System (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mục tiêu dài hạn của Physically System là phát triển phương pháp cho phép xác định, thiết kế, xây dựng và kiểm soát mô hình tính toán của các hệ thống vật lý không đồng nhất của các đối tượng.
Physically System đã trở thành thuật ngữ cho một loạt các kỹ thuật mà tất cả các phương pháp chia sẻ xác định các nguyên tắc vật lý về hành vi của
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
mô hình. Một Physically System là đại diện toán học của một đối tượng (hoặc hành vi) trong đó kết hợp các đặc tính vật lý như lực tác động, lực truyền động và năng lượng vào mô hình, cho phép mô hình hành vi của đối tượng. Trong đồ họa máy tính, các yếu tố phổ biến là động lực cổ điển (chuyển động dựa trên lực lượng, khối lượng, quán tính, …) với các cơ quan, cứng hoặc có linh hoạt, tương tác giữa các cơ quan kiểm soát…
Trong tầm nhìn máy tính tiền tố Physical-based được sử dụng để biểu thị hai phương pháp tiếp cận:
1. Trong phương pháp tiếp cận đầu tiên, hình ảnh được đưa vào xem xét để liên kết thế giới thực 3D cho hình ảnh đầu vào tới một hệ thống thị giác. Mô hình hóa các tính chất của bề mặt và bộ cảm biến để khai thác các hiện tượng như màu sắc, che bóng, điểm nổi bật, phân cực và liên phản ánh… giải thích hình ảnh. Các mô hình vật lý dẫn đến thuật toán mới cho phân khúc hình ảnh và thu được các kết quả của bề mặt như hình dạng, phản xạ quang phổ và vật chất.
2. Cách tiếp cận thứ hai sử dụng các nguyên tắc vật lý để tạo thành mô hình trừu tượng. Bề mặt của mô hình được cấu tạo từ vật liệu đàn hồi mô phỏng mà làm biến dạng để đáp ứng với lực áp dụng. Xây dựng các mô hình, tạo ra khuôn mô hình mẫu mong muốn. Ví dụ, sự phát triển của các mô hình thông qua thời gian có thể được mô tả bằng phương trình vi phân, có thể được giải quyết số lượng ước tính hình dạng và các thông số chuyển động của một đối tượng di chuyển.
Mô hình mới này nhằm mục đích tạo ra khái niệm trừu tượng và các đại diện toán học của đối tượng di chuyển và hình dạng của chúng thay đổi theo thời gian. Tính chất ràng buộc hình học, tính chất cơ học của các đối tượng, các thông số đại diện cho hình dạng của một đối tượng và sự kiểm soát của chuyển động của nó được đưa vào khuôn khổ khái niệm tương tự.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
2.1.2. Mô hình mô phỏng hiệu ứng lửa bằng phương pháp Physically-based
2.1.2.1. Khái quát thuật toán
Cũng giống như các chương trình mô phỏng chất lưu khác, chúng ta chia thủ tục mô phỏng thành một số bước chính. Đầu tiên trường vận tốc được cập nhật, và ở bước sau trường vận tốc này được sử dụng để cập nhật sự thay đổi của bề mặt.
Trong phương pháp này, người ta sử dụng một lưới 3D. Vận tốc của chất lưu được biểu diễn bằng mặt của các ô lưới. Bề mặt giữa các chất lỏng - khí được biểu diễn bằng trường khoảng cách. Trường khoảng cách là trung tâm của cách tiếp cận này vì nó là trường được thay đổi để tạo ra bề mặt ảo. Tóm lại, lửa được thể hiện dựa vào bề mặt, việc tìm bề mặt được giải quyết bằng phương pháp ngoại suy bề mặt ảo và việc theo dõi sự vận động của bề mặt thoáng của chất lỏng được giải quyết bằng phương pháp level set.
Ngoài ra, người ta còn có thể áp dụng các phương pháp cơ sở vào thuật toán này vẫn thực hiện được mục đích mô phỏng. Ví dụ đầu tiên sử dụng phương pháp Implicit Euler [11] để giải quyết khuyếch tán mômen, phương pháp semi-lagrangian [11] để tính toán bình lưu vận tốc và cuối cùng là giải phương trình Possion.
2.1.2.2. Mô hình mô phỏng lửa
Mô hình các hiện tượng tự nhiên như lửa và ngọn lửa vẫn còn là một vấn đề khó khăn trong đồ họa máy tính. Mô phỏng hành vi của chất lỏng cho các hiệu ứng đặc biệt như mô tả khói, nước, lửa và các hiện tượng thiên nhiên khác. Hiệu ứng lửa do tính chất nguy hiểm của nó, mô phỏng lửa cũng quan tâm các hiệu ứng thực tế ảo.
Lực tác động Khuyếch tán Bình lưu Chiếu với sức căng bề mặt Tạo khoảng cách
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Quá trình đốt có thể được phân loại một cách lỏng lẻo thành hai loại riêng biệt chứ không phải hiện tượng: vụ nổ và bùng cháy. Trong quá trình phản ứng hóa học chuyển đổi nhiên liệu thành sản phẩm khí nóng, bùng cháy là những sự kiện tốc độ thấp như lửa và ngọn lửa, trong khi vụ nổ những sự kiện tốc độ cao là quan trọng như vụ nổ nơi sóng chấn động và các hiệu ứng nén khác. Các sự kiện tốc độ thấp, bùng cháy có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình cho dòng chảy không nén, phương trình không nén nhớt Euler. Phương trình này có thể được giải quyết một cách hiệu quả bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận dịch ổn định bán Lagrange.
Hình 2.1: Mô hình ngọn lửa khí hỗn loạn của súng phun lửa
Một khía cạnh quan trọng thường bị bỏ quên của mô hình lửa và ngọn lửa liên quan đến việc mở rộng các nhiên liệu phản ứng để tạo thành sản phẩm khí nóng. Mở rộng này là lý do cho sự viên mãn thị giác quan sát trong nhiều ngọn lửa và bảo vệ thị giác trước sự bất ổn. Từ các phương trình không nén mở rộng, đề xuất mô hình ngọn lửa mỏng đơn giản. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một bề mặt tiềm ẩn đại diện cho khu vực phản ứng, nơi nhiên liệu khí được chuyển thành sản phẩm khí nóng. Khu vực phản ứng thực tế có bề dày khác không (nhỏ), xấp xỉ ngọn lửa mỏng hoạt động tốt cho các mô hình trực quan.
2.1.2.3. Mô hình mô phỏng ngọn lửa mỏng [11]
Thực hiện mô hình ngọn lửa mỏng như sau:
1. Đầu tiên, một mặt ngầm động được sử dụng để theo dõi các khu vực phản ứng, nơi nhiên liệu khí được chuyển thành sản phẩm khí nóng.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
2. Sau đó sử dụng phương trình dòng chảy không nén được mô hình hoá độc lập nhiên liệu khí và sản phẩm khí nóng.
3. Cuối cùng, các phương trình dòng chảy không nén được cập nhật lại với nhau kết hợp sử dụng khối lượng thực tế và động lực bảo tồn như là khí phản ứng tại giao diện.
Điều này khá phù hợp cho tìm kiếm ngọn lửa thành lớp (mịn), hạn chế xoáy. Vì lý do hiệu quả trong máy tính mô phỏng đồ họa, mô hình quy mô cấu trúc ngọn lửa hỗn loạn lớn lưới thô khó có thể nắm bắt đối tượng sử dụng. Nó cũng bao gồm các tính năng khác quan trọng đối với mô phỏng hình ảnh, chẳng hạn như các tác động nổi được tạo ra bởi khí nóng và sự tương tác của lửa với vật dễ cháy và không cháy. Ngọn lửa như một phương tiện tham gia với bức xạ vật đen, trong dựng hình chú ý thích ứng màu sắc của người quan sát để có được màu sắc chính xác của đám cháy.
2.1.3. Cơ sở vật lý
Một ngọn lửa nhiều lớp kết cấu đơn giản đã được ánh xạ lên một ngọn lửa ngầm và sau đó áp dụng một mô hình vận tốc lan truyền từ đốt đến ngọn lửa. Trao đổi nhiệt giữa các đối tượng bằng cách chiếu đến môi trường. Sự lây lan của ngọn lửa là chức năng của nhiệt độ và nhiên liệu. Một mô hình sáng tạo tương tự trong không gian ba chiều cho chữa cháy và lây lan của lửa. Sự lây lan của ngọn lửa được điều khiển bởi lượng nhiên liệu có sẵn, môi trường không gian và các điều kiện ban đầu. Trường vận tốc được xác định trước, sau đó các trường nhiệt độ và mật độ được bình lưu sử dụng một loại phương trình bình lưu - khuếch tán. Tích hợp hệ thống tạo ra môi trường thiết kế dựa trên mô phỏng cho xây dựng hệ thống phòng cháy chữa cháy. Một ứng dụng của ánh lửa vật lý chính xác, tác động của các loại nhiên liệu khác nhau về màu sắc của ngọn lửa và cảnh thắp sáng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở đây không xem xét hiện tượng đốt tốc độ cao như vụ nổ mà tập trung vào phần đám mây bùng nổ của các sự kiện nổ sử dụng phương pháp phân đoạn tiếng ồn. Mô hình và hình dung phần sóng nổ của một vụ nổ dựa
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
trên phương pháp đường cong nổ. Đồng thời kết hợp các mô hình sóng nổ với một thân mô phỏng chuyển động cứng nhắc để sản xuất hình ảnh động thực tế của mảnh vụn bay. Mô hình một vụ nổ trong không khí bằng cách sử dụng động lực học chất lỏng để giải quyết các phương trình nén, dòng chảy nhớt. Hệ thống gồm hai cách khớp nối giữa các đối tượng rắn và chất lỏng xung quanh và sử dụng công nghệ gãy. Trong khi các phương trình dòng chảy nén rất hữu ích cho mô hình sóng xung kích và hiện tượng nén khác, một bước thời gian hạn chế rất nghiêm ngặt liên quan đến sóng âm. Sử dụng phương trình dòng chảy không nén được để tránh sự hạn chế này làm cho phương pháp tính toán hiệu quả hơn.
2.1.4. Phương pháp mô phỏng
Mô phỏng lửa bằng phương pháp Physically-based xem xét ba hiện tượng thị giác khác biệt liên quan đến lửa. [11]
1. Đầu tiên là lõi màu xanh hoặc hơi xanh xanh nhìn thấy trong nhiều ngọn lửa. Những màu sắc được vạch phát xạ từ các loại hóa chất trung gian như các gốc carbon sản xuất trong phản ứng hóa học. Trong mô hình ngọn lửa mỏng, lõi màu xanh mỏng nằm tiếp giáp với bề mặt ngầm. Vì vậy, để theo dõi lõi màu xanh, cần phải theo dõi sự chuyển động của bề mặt ngầm.
2. Hiện tượng hình ảnh thứ hai là bức xạ vật đen phát ra bởi các sản phẩm khí nóng, đặc biệt là bồ hóng cacbon liên kết với lửa được đặc trưng bởi màu vàng - cam. Để mô hình này đạt tới độ chính xác hình ảnh cần phải theo dõi nhiệt độ liên kết với một ngọn lửa (hình 2.2 từ trái sang phải). Nếu nhiên liệu rắn (lỏng) bước đầu tiên là làm nóng chất rắn (lỏng) cho đến khi nó chuyển sang trạng thái khí (đối với nhiên liệu khí, bắt đầu là trạng thái khí). Sau đó, khí nóng lên cho đến khi nó đạt đến nhiệt độ đánh lửa tương ứng với bề mặt tiềm ẩn và bắt đầu của vùng lõi màu xanh mỏng. Nhiệt độ tiếp tục tăng để thu được phản ứng đạt tối đa trước khi làm mát bức xạ và các hiệu ứng pha trộn làm giảm nhiệt độ.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Hình 2.2: Nhiệt độ ngọn lửa cho một chất rắn (hoặc khí) nhiên liệu
3. Khi nhiệt độ giảm, bức xạ vật đen rụng đi cho đến khi không nhìn thấy màu vàng - cam. Các hiệu ứng hình ảnh thứ ba và cuối cùng cần giải quyết là khói hoặc muội. Trong một số ngọn lửa sau khi nhiệt độ nguội đi tới điểm các bức xạ vật đen không còn nhìn thấy được. Có thể mô hình hiệu ứng này bằng cách thực hiện cùng một biến mật độ tương tự như nhiệt độ. Người ta có thể dễ dàng thêm các phần tử đại diện cho mảnh nhỏ của bồ hóng, trọng tâm là ngọn lửa không khói. Hình 2.3 cho thấy hút thuốc cùng với ngọn lửa khí, sản phẩm khí nóng và bồ hóng phát ra bức xạ vật đen chiếu sáng khói.
Hình 2.3: Hút thuốc cùng với ngọn lửa khí
2.1.4.1. Lõi màu xanh
Bề mặt tiềm ẩn tách nhiên liệu khí từ các sản phẩm khí nóng và không khí xung quanh. Ví dụ như bơm nhiên liệu khí vào một ống hình trụ. Nếu nhiên liệu không được đốt cháy, bề mặt tiềm ẩn chỉ cần di chuyển với tốc độ tương tự như các nhiên liệu khí được bơm. Tuy nhiên, khi nhiên liệu phản ứng, di chuyển trên bề mặt ngầm tại vận tốc của nhiên liệu không phản ứng cộng với tốc độ ngọn lửa S nhiên liệu nhanh chóng được chuyển đổi thành các sản phẩm khí. S cho tốc độ của nhiên liệu khí không phản ứng được băng qua bề mặt tiềm ẩn trở thành sản phẩm khí nóng.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Diện tích xấp xỉ bề mặt lõi màu xanh AS được ước tính bằng công thức:
S f
fA SA
v (1)
f
v : tốc độ nhiên liệu được bơm trên bề mặt phun
f
A : khu vực, ví dụ Af là mặt cắt ngang của ống hình trụ.
Kết quả từ phương trình này làm mất đi mật độ trong phương trình bảo toàn khối lượng. Vế trái là nhiên liệu được bơm vào khu vực giới hạn bởi bề mặt tiềm ẩn và vế phải là nhiên liệu để lại khu vực này vượt qua bề mặt tiềm ẩn biến thành sản phẩm khí. Từ phương trình này, chúng ta thấy rằng việc bơm nhiều (ít) khí tương đương với tăng (giảm) vf