Hcmute nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu truyền nhiệt đến hiệu quả giải nhiệt cho led

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HUỞNG CỦA VẬT LIỆU TRUYỀN
NHIỆT ĐẾN HIỆU QUẢ GIẢI NHIỆT CHO LED
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2012-12

S KC 0 0 3 8 4 9

Tp. Hồ Chí Minh, 08/2012

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ ðỘNG LỰC
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT - ðIỆN LẠNH

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ðề Tài:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU TRUYỀN
NHIỆT ðẾN HIỆU QUẢ GIẢI NHIỆT CHO LED
MSðT : SV2012-12

GHVD : TS.ðẶNG THÀNH TRUNG
SVTH : Vũ Quốc ðạt
08113008
Hà Văn Chung
08113003

TPHCM 20/08/2012

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

**********

**********

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Khoa

:

CƠ KHÍ ðỘNG LỰC

Bộ Mơn

:

CƠNG NGHỆ NHIỆT - ðIỆN LẠNH

Niên Khóa

:

2008 - 2012

MSðT

:

SV2012-12

ðề Tài:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU TRUYỀN NHIỆT ðẾN
HIỆU QUẢ GIẢI NHIỆT CHO LED

Ngày giao ñề tài

:

20/10/2012

Ngày hồn thành đề tài :

20/08/2012

Giáo Viên Hướng Dẫn

:

TS . ðặng Thành Trung

Sinh Viên Thực Hiện

:

Vũ Quốc ðạt

08113008

Hà Văn Chung 08113003

Chủ Nhiệm Bộ Mơn

Giáo Viên Hướng Dẫn

GVC.TS. Lê Xn Hịa

TS. ðặng Thành Trung

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

LỜI MỞ ðẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, công nghệ truyền
nhiệt và lưu chất ñang ñược nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, gắn bó mật thiết với nhiều ngành
kỹ thuật khác nhau. Trong đó, việc nghiên cứu q trình tản nhiệt của các thiết bị ñiện tử là một
vấn ñề rất ñược coi trọng, nó góp phần cho các thiết bị ñiện tử có thể ñáp ứng các ñiều kiện về
kỹ thuật, tính thẩm mỹ, kinh tế và bảo vệ mơi trường,… Việc ứng dụng rộng rãi của công nghệ
tản nhiệt vào các linh kiện điện tử sẽ góp phần đem lại nhiều lợi ích cho các nhà sản xuất cũng
như với người tiêu dùng.
Dựa trên cơ sở các bài báo về tản nhiệt cho ñèn LED, các kiến thức ñã học trên ghế nhà
trường và đặc biệt là từ cơng trình nghiên cứu q trình truyền nhiệt thơng qua phần

mềm mơ phỏng số COMSOL Mutiphysics, nhóm chúng em đã tiến hành thực hiện ñề tài “
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU TRUYỀN NHIỆT ðẾN HIỆU QUẢ
GIẢI NHIỆT CHO LED “ . Mục tiêu của ñề tài là nghiên cứu hiệu quả giải nhiệt cho LED
khi chế tạo bộ giải nhiệt bằng các loại vật liệu khác nhau. Qua đó chúng ta biết được loại vật
liệu nào sẽ có hiệu quả nhất khi làm việc cũng như hiệu quả tối ưu về mặt kinh tế và tiết kiệm
năng lượng.
Nghiên cứu hiệu quả giải nhiệt cho LED là một hướng mới, tuy vây nó cũng có ý nghĩa rất
lớn đến nhiều ngành cơng nghiệp và đời sống kinh tế xã hội. Cơng nghệ này khơng những giúp
các bóng đèn LED bớt ñi ñộ nóng, tăng tuổi thọ bóng ñèn mà có thể tạo ra một nguồn sáng lớn
hơn trong khi sử dụng mức năng lượng thấp hơn so với khi không ứng dụng công nghệ này. Cơ
cấu làm mát mới cũng giảm bớt số lượng chip LED sử dụng trong một bóng đèn và kết quả là
giá thành và trọng lượng của ñèn cũng giảm theo. Như vậy sẽ giảm ñược chi phí sản xuất rất
lớn của hệ thống cơng nghiệp, giao thông, tiết kiệm năng lượng mà hiệu suất vẫn khơng thay
đổi.
Qua đây, nhóm chúng em xin được gởi lời cám ơn chân thành đến các Thầy Cơ trong bộ
mơn ñã tận tình hướng dẫn và giúp ñỡ trong suốt thời gian học tập vừa qua. Bên cạnh đó, một lần
nữa nhóm chúng em xin được gởi lời cám ơn chân thành ñến Thầy ðặng Thành Trung - là người
ñã trực tiếp hướng dẫn đồ án tốt nghiệp và cơng trình nghiên cứu khoa học này.
Do nguồn tài liệu có hạn và ñây cũng ñược xem như một trong những nghiên cứu mang tính
tiên phong trong lĩnh vực này nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong q Thầy Cơ tận
tình chỉ bảo.

Nhóm sinh viên thực hiện

2

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

NHẬN XÉT CỦA GVHD
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………

Ngày

tháng

năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

TS. ðặng Thành Trung
3

Luan van


GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

MỤC LỤC
LỜI MỞ ðẦU……………………………………………………………………………..2
NHẬN XÉT CỦA GVHD…………………………………………………………………3
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN……………………………………………………………..6
CHƯƠNG 2 : MỤC ðÍCH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI VÀ LÝ
THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG SỐ BẰNG COMSOL MULTIPHYSICS……………………..8
2.1 Mục đích của đề tài……………………………………………………………………8
2.2 Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………………..8
2.3 Mơ phỏng số học bằng Comsol Multiphysics………………………………………..8
2.3.1 Môi trường trong COMSOL Multiphysics………………………………….8
2.3.2 Các Module của COMSOL Multiphysics…………………………………10
CHƯƠNG 3 : HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG…………...21
3.1 Giới thiệu hệ thống thí nghiệm………………………………………………………21
3.1.1 Giới thiệu vi xử lý ATMEGA 32……………………………………………24
3.1.2 Giới thiệu vi xử lý ATMEGA 8……………………………………………..25
3.2 Hướng dẫn sử dụng thiết bị…………………………………………………………25
3.2.1 Cài ñặt phần mềm hiển thị………………………………………………….25
3.2.2 Kết nối các thiết bị trong hệ thống đo……………………………………..26
3.2.3 Thí nghiệm, khảo sát………………………………………………………..27

3.3 Giới thiệu mơ hình …………………………………………………………………..28
3.3.1 Mơ hình thiết kế…………………………………………………………….28
3.3.2 Các ñiều kiện chung………………………………………………………..29
3.4 Kết quả ……………………………………………………………………………..30
3.4.1

Bộ tản nhiệt có xẻ một rảnh ở giữa cho đèn LED– vật liệu : Nhơm……30

3.4.2

Bộ tản nhiệt có xẻ một rảnh ở giữa cho ñèn LED – vật liệu : ðồng……33

3.4.3 Bộ tản nhiệt có xẻ một rảnh ở giữa cho đèn LED – vật liệu : Silicon……36
3.4.4 So sánh và nhận xét…………………………………………………………39
4

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN
NGHỊ……………………………………………40
4.1 Kết luận………………………………………………………………………………..40
4.2 Kiến nghị………………………………………………………………………………40
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………..41

5

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
Ngày nay, nền khoa học kỹ thuật của các nước trên thế giới rất phát triển. Những bước tiến
dài của khoa học ñã ñem ñến cho con người vô số những tiện nghi cả về vật chất lẫn tinh thần.
Những sản phẩm có các ưu điểm nổi bật hơn sẽ dần thay thế cho các sản phẩm có ít ưu điểm
hơn. Chẳng hạn các đèn LED ngày nay ñược sử dụng rộng rãi ñể thay thế cho các loại đèn
thơng thường do chúng có các ưu điểm sau: tuổi thọ cao, tiêu thụ ñiện năng thấp, thân thiện với
mơi trường. Nhưng bên cạnh đó, chúng cịn bộc lộ nhược điểm như khi nhiệt độ bóng đèn cao
thì tuổi thọ của bóng đèn giảm xuống, tiêu hao nhiều ñiện năng. Với nhược ñiểm trên các
chuyên gia trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm mục ñích giảm nhiệt ñộ ñèn
LED xuống ñể mang lại sự hồn hảo cho đèn LED. Sau đây là các cơng trình nghiên cứu đã
được thực hiện :
Deng và Liu [1] ñã dùng kim loại lỏng ( gallium ) và nước để làm chất tải nhiệt cho thí
nghiệm cho mơ hình giải nhiệt cho LED. Nguồn nhiệt của LED tỏa ra được mơ phỏng bằng
một khối hình vng được gia nhiệt. Hệ thống làm mát của thí nghiệm gồm một mặt lạnh, một
quạt, một bơm. Kim loại lỏng ñược vận chuyển bằng bơm qua các bộ phận để thực hiện q
trình giải nhiệt cho LED bằng phương thức bức xạ. Tiếp theo nước ñược sử dụng làm chất tải
nhiệt. Sau các thí nghiệm này ơng rút ra được các kết quả là: Với lưu lượng thể tích giống
nhau, trở nhiệt của hệ thống làm mát bằng kim loại lỏng nhỏ hơn hệ thống làm mát bằng nước.
Tức là hiệu quả giải nhiệt của gallium tốt hơn nước. Ông Lin và cộng sự [2] đã làm các thí
nghiệm nghiên cứu được thực hiện để làm rõ các đặc tính truyền nhiệt của tấm nhơm các ống
nhiệt rung động, nó bao gồm các kênh song song và vng góc. Các mặt cắt ngang có kích
thước và số ống khác nhau được áp dụng cho các thí nghiệm.Trong các thí nghiệm, aceton

được sử dụng là chất lỏng tải nhiệt. Các mẫu dịng chảy được thay ñổi và hiệu suất nhiệt của
ống nhiệt rung ñộng ñược cải thiện với sự tăng lên của nguồn nhiệt. Các kiểm tra chỉ ra rằng
lực hấp dẫn tốt ảnh hưởng tốt ñến hiệu suất nhiệt của ống nhiệt rung ñộng bề mặt nhôm. Tăng
số lượng pass và vùng mặt cắt ngang của kênh sẽ cải thiện công suất tải nhiệt của ống nhiệt
rung động bề mặt nhơm. Từ đó lựa chọn một tấm nhôm và phát triển chúng thành thiết bị giải
nhiệt cho đèn LED. Các thí nghiệm cho thấy rằng nhiệt ñộ của ñèn LED giảm một cách ñáng
kể khi ống nhiệt rung ñộng bề mặt nhôm ñược sử dụng trong thiết bị giải nhiệt. Bộ giải nhiệt
với tấm nhơm được xem như là một giải pháp hiệu quả để làm mát LED.
Ngồi các nghiên cứu trên cịn có các nghiên cứu của Cheng và cộng sự [3]. Tác giả này
sử dụng phần mềm mơ phỏng ANSYS để mô phỏng sự phân bố nhiệt diễn ra trong dãy LED
trong 2 trường hợp có dãy cánh ( đối lưu tự nhiên và cưỡng bức) và khơng có dãy cánh. Họ đã
thiết kế một mơ hình để mơ phỏng phân bố nhiệt độ của dãy LED cơng suất lớn. Chip LED ñặt
trên tấm sophia. Tấm sophia ñược gắn vào khối hợp kim ñồng và chúng ñược phủ một lớp
mỏng Polyphthalamide. Hợp kim ñồng, bảng bo mạch bằng kim loại và nhơm được đặt phía
dưới đế LED và chúng kết hợp lại thành một thiết bị giải nhiệt. Sau các kết quả mô phỏng cho

6

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

ta thấy sự giải nhiệt sử dụng phương pháp có cánh đối lưu cưỡng bức thì có hiệu quả cao nhất.
Cũng có nghĩa là nhiệt độ đèn LED giảm xuống đáng kể.
Như chúng ta đã biết thì ngày nay việc nghiên cứu khoa học ñang diễn ra mạnh mẽ và phát
triển sâu rộng trong nhiều lĩnh vực, ñặc biệt là lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Các nghiên cứu này
thường ñược thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phổ biến nhất hiện nay là

phương pháp mô phỏng và thực nghiệm.
Khi có một mơ hình tốn học của hệ thống thực người ta có thể tìm hiểu thơng tin về hệ
thống bằng nhiều cách. Trong trường hợp mơ hình tương ñối ñơn giản, người ta có thể dùng
phương pháp giải tích, ngược lại người ta dùng phương pháp số. Phương pháp giải tích cho ta
lời giải tổng qt cịn phương pháp số cho ta lời giải của từng bước tính với những ñiều kiện
xác ñịnh, muốn lời giải ñạt ñộ chính xác cao, các bước tính phải được tăng lên ñủ lớn. ðối với
các hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp, có quan hệ tác động qua lại giữa các hệ con với trung
tâm ñiều khiển, giữa hệ thống với mơi trường xung quanh, có các yếu tố ngẫu nhiên tác
động,…thì phương pháp giải tích tỏ ra bất lực. Trong trường hợp này người ta phải dùng
phương pháp mô phỏng. Bản chất của phương pháp mô phỏng là xây dựng một mơ hình số
được thể hiện bằng các phần mềm máy tính. Người ta mơ hình hóa bản thân hệ thống với các
mối quan hệ nội tại ñồng thời mơ hình hóa cả mơi trường xung quanh, nơi hệ thống làm việc,
với các quan hệ tác ñộng qua lại giữa hệ thống và mơi trường xung quanh. Khi có mơ hình số
người ta tiến hành các thực nghiệm trên mơ hình. Các thực nghiệm đó được lặp đi lặp lại nhiều
lần và kết quả ñược ñánh giá theo xác suất. Kết quả càng chính xác nếu số lần thực nghiệm
càng nhiều.
Như vậy, phương pháp mơ phỏng số địi hỏi một khối lượng tính tốn rất lớn, điều này đã
được giải quyết cùng với sự phát triển của khoa học cơng nghệ, đặc biệt là cơng nghệ phần
mềm và máy tính. Do đó phương pháp mơ phỏng số ngày càng được hồn thiện.
Mơ phỏng là q trình xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống thực và sau đó tiến hành
tính tốn thực nghiệm trên mơ hình để mơ tả, giải thích và dự đốn hành vi của hệ thống thực.
Theo đó, ta thấy có ba điểm cơ bản mà mơ phỏng phải đạt được. Thứ nhất là phải có mơ
hình tốn học tốt tức là mơ hình có tính đồng nhất cao với hệ thực đồng thời mơ hình được mơ
tả rõ ràng thuận tiện cho người sử dụng. Thứ hai là mơ hình cần phải có khả năng làm thực
nghiệm trên mơ hình tức là có khả năng thực hiện các chương trình máy tính để xác ñịnh các
thông tin về hệ thực. Cuối cùng là khả năng dự đốn hành vi của hệ thực tức là có thể mơ tả sự
phát triển của hệ thực theo thời gian.

7

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

CHƯƠNG 2 : MỤC ðÍCH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI VÀ LÝ
THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG SỐ BẰNG COMSOL MULTIPHYSICS
2.1 Mục đích của đề tài
Dùng các phương pháp mơ phỏng số ( sử dụng phần mềm mô phỏng số COMSOL
MULTIPHYSICS ) và thực nghiệm ñể nghiên cứu hiệu quả giải nhiệt cho ñèn LED khi sử
dụng bộ tản nhiệt ñược chế tạo bằng các vật liệu khác nhau gồm : Nhơm, đồng và Silicon.
Thực hiện các phân tích, đánh giá các tính chất của các loại vật liệu truyền nhiệt, các kết
quả giữa mô phỏng và thực nghiệm của bộ tản nhiệt đó hay giữa các bộ tản nhiệt với nhau.
ðưa ra các kết luận về loại vật liệu sẽ ñược sử dụng ñể làm bộ tản nhiệt dựa trên các yếu tố
: hiệu quả giải nhiệt tối ưu , tính kinh tế, thẩm mỹ và tiết kiệm năng lượng.
ðưa ra một bước ñi mới cho việc ứng dụng phần mềm COMSOL cũng như các phần mềm
mô phỏng số khác ñể nghiên cứu trong lĩnh vực Kỹ thuật Nhiệt, lĩnh vực này ñang ñược thế
giới quan tâm nhiều
2.2 Phương pháp nghiên cứu
-

Dịch tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm COMSOL.

-

Nghiên cứu sử dụng phần mềm COMSOL.
Tham khảo các mô hình mẫu của nhà sản xuất, từ đó thiết kế các mơ hình khác để làm thực
nghiệm và mơ phỏng.

Chọn một mơ hình bộ tản nhiệt thiết kế để gia công bằng các loại vật liệu khác nhau.
Tiến hành làm các mô phỏng và thực nghiệm với các mẫu gia công.
ðưa ra kết luận
2.3 Mô phỏng số học bằng Comsol Multiphysics

-

2.3.1 Mơi trường trong COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics có mơi trường tương tác mạnh mẽ đối với các mơ hình và các lời
giải cho rất nhiều hiện tượng khoa học và kỹ thuật dựa trên các phương trình vi phân từng
phần (PDEs). Chương trình này sử dụng các quy ước nhất quán với nhau, nên sẽ dễ dàng trong
việc tìm hiểu, sử dụng và thảo luận các kết quả mơ phỏng.
Nó có thể mở rộng các mơ hình thơng thường một cách dễ dàng trong các mơ hình đa vật
lý để giải các hiện tượng cũng như làm cho nó tương thích. Chúng ta có thể tiếp cận COMSOL
Multiphysics như các chương trình bình thường khác thơng qua giao diện đồ họa rất linh hoạt
hoặc bởi chương trình biên soạn trong ngôn ngữ biên soạn COMSOL hoặc trong ngôn ngữ
MATLAB.
Khi giải các mơ hình vật lý này, COMSOL Multiphysics sử dụng phương pháp phần tử
hữu hạn. Chương trình chạy các phép phân tích phần tử hữu hạn cùng với lưới tương ứng và
8

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

kiểm soát lỗi bằng cách sử dụng các cách giải số học khác nhau. Sử dụng các chế ñộ ứng
dụng này, chúng ta có thể thực hiện được rất nhiều kiểu phân tích bao gồm:

•
•
•

Các phân tích phụ thuộc vào thời gian và ổn định.
Các phân tích tuyến tính và phi tuyến.
Các phân tích phương thức.

Phương trình vi phần từng phần ñược hình thành dựa trên nền tảng của các ñịnh luật khoa
học và tạo nên các mơ hình với một dải rộng của khoa học và các hiện tượng trong kỹ thuật.
Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng COMSOL Multiphysics để mơ phỏng số học trong rất nhiều
phạm vi ứng dụng, như là :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

•

Âm học.
Sinh học.
Các phản ứng hóa học.
Khuếch tán.
ðiện tử.
ðộng lực học chất lưu.
Pin nhiên liệu và ñiện hóa học.
ðịa vật lý.
Truyền nhiệt.
Cơ ñiện tử micro (MEMS).
Kỹ thuật sóng cực ngắn.
Quang học.
Lượng tử ánh sáng.
Chuyển động giữa không gian rỗng.
Cơ học lượng tử.
Các bộ phận tần số vơ tuyến.
Thiết bị bán dẫn.
Cơ kết cấu.
Sự lan truyền sống.

Có rất nhiều ứng dụng thực tế bao gồm các liên kết ñồng thời trong hệ thống ña vật lý
ñược giải thơng qua các phương trình vi phân từng phần. Có rất nhiều các liên kết ña vật lý
ñược cài ñặc sẵn ñể cung cấp cho người dùng dễ sử dụng khi nhập các ứng dụng ña vật lý phổ
biến. ðối với các phạm vi ứng dụng chủ chốt chúng ta ñược cung cấp các module tùy chọn.
Các module tùy chọn riêng này sử dụng các công nghệ và phương pháp giải riêng theo các
quy tắc ñặc biệt. Bao gồm các module tùy chọn riêng sau:
•
•

Module AC/DC.
Module âm học.
9

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
•
•
•
•
•
•

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Module kỹ thuật hóa học.
Module khoa học trái đất.
Module Truyền nhiệt.
Module MEMS.
Module RF (tần số).
Module cơ học kết cấu.

2.3.2 Các Module của COMSOL Multiphysics

Module âm học: Cung cấp giao diện hồn tồn thích hợp cho việc mơ phỏng âm học
trong chất lỏng và chất rắn. Module này cũng hỗ trợ các phân tích về thời gian điều hịa,
phương thức chuyển tiếp đối với áp suất dịng lưu chất như là một phép phân tích ổn định,
chuyển tiếp tần suất riêng và tần suất ñặc trưng cho các cấu trúc. Các chế độ ứng dụng có sẵn

bao gồm:
• Áp suất âm thanh.
• Aeroacoustic ( âm thanh trong khí lý tưởng với dịng trung bình khơng xốy).
• Dịng khơng xốy chịu nén.
• Biến dạng phẳng, biến dạng nén/ ñối xứng trục và biến dạng nén 3D
Các phạm vi ứng dụng ñặc trưng ñối với module âm học bao gồm:
•
•
•
•

Các ứng dụng linh hoạt như bộ tiêu âm và bên trong ô tô.
Mô hình của loa phóng thanh và ống phóng thanh.
Âm học khơng gian.
Âm học dưới nước

Hình 2.1: Mức áp suất âm thanh trong ống phun

10

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Hình 2.2: Sự phân bố áp suất âm thanh trong bộ chuyển ñổi của âm thanh Piezo


Module truyền nhiệt : Hỗ trợ tất cả các cấu tạo cơ bản của sự truyền nhiệt, bao gồm

truyền nhiệt dẫn nhiệt, ñối lưu và bức xạ ( bức xạ giữa bề mặt với bề mặt hoặc bề mặt với môi
trường). Việc sử dụng chế ñộ ứng dụng trong module này phụ thuộc vào chức năng đa vật lý
có sẵn của COMSOL Multiphysics, chúng ta có thể mơ phỏng một trường nhiệt độ song song
với các vật chất khác. Các chế ñộ ứng dụng có sẵn gồm:
• Truyền nhiệt tổng qt bao gồm dẫn nhiệt, ñối lưu và bức xạ từ bề mặt này đến bề mặt
khác.
• Phương trình nhiệt sinh học đối với sự truyền nhiệt trong hệ thống y sinh.
• Vật dẫn nhiệt tốt đối với các mơ hình của truyền nhiệt trong các cấu trúc mỏng.
• Chế độ ứng dụng dịng chảy khơng đẳng nhiệt đối với dịng lưu chất khơng chịu nén,
khơng đẳng nhiệt.
• Dịng chảy rối sử dụng mơ hình chảy rối k-ߝ và k-߱.

11

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Hình 2.3: Một mơ phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt của bộ trao ñổi nhiệt kênh micro sử
dụng phần mềm COMSOL.

Module MEM : Một trong những phạm vi gây chú ý của cơng nghệ đã xuất hiện
trong các năm gần ñây là MEMs (micro electro mechanical systems), nơi mà các kỹ sư thiết
kế và xây dựng các thiết bị với các kích thước micro. Các thiết bị micro này yêu cầu các công
cụ thiết kế và mô phỏng ña vật lý bởi vì hầu hết các thiết bị của MEMs bao gồm sự kết nối
của các hiện tượng điện, cơ khí và dịng chảy lưu chất. Các chế độ ứng dụng sẵn có bao gồm:
• Ứng suất mặt phẳng.
• Biến dạng phẳng.

• ðối xứng trục, ứng suất biên dạng.
• Áp dụng mơ phỏng trong ứng suất phẳng 2D và biến dạng phẳng, đối xứng trục và
khối rắn 3D.
• Khối rắn 3D.
• Màng giảm chấn.
• Dịng điện động.
• Dịng chảy tầng tổng quá bao gồm dòng chảy Stokes và dòng nhiều pha.
Module MEMs cũng bao gồm các cặp ghép ña vật lý ñược ñịnh trước với nhiệt - kết cấu,
nhiệt - ñiện - kết cấu, âm học - kết cấu, lưu chất - tương tác cấu trúc. MEMs Module Model
Library chứa đựng một bộ các mơ hình của thiết bị MEMs như cảm biến, ñộ dẫn ñộng và hệ
thống dòng chảy micro.

12

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Hình 2.4: Dịng chảy trong kênh micro của thiết bị MEMs

Hình 2.5: Nồng độ trên các biên của mơ hình hịa trộn Lamella

Module AC/DC : Cung cấp môi trường làm việc cho mơ phỏng điện từ AC/DC trong
2D và 3D. Module AC/DC là một cơng cụ hết sức hữu ích cho việc phân tích chi tiết lõi, tụ
điện và các thiết bị điện. Với module này chúng ta có thể chạy các mơ phỏng ở chế độ ổn
định, gần như ổn định, tức thời và khơng ổn định trong điều kiện thời gian như một hàm điều
hịa. Các chế độ ứng dụng có sẵn trong việc mơ phỏng trường điện từ bao gồm các kiểu sau :
• Tĩnh điện.

• Mơi trường dẫn điện DC.
• Từ tĩnh .
• ðiện từ tần suất thấp.
13

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Hình 2.6 : ðường sức từ trong một thiết bị ñiện tử

Hình 2.7: Mật độ từ thơng và thế tĩnh điện

Module kỹ thuật hóa học : Trình bày một cách đầy đủ các thiết bị và q trình mơ
phỏng trong kỹ thuật hóa học. Module này bao gồm các ứng dụng như sau:
• Các phản ứng kỹ thuật và thiết kế.
• Q trình phân ly.
14

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
•
•

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Pin nhiên liệu và điện phân trong cơng nghiệp.
Q trình điều khiển cùng với Simulink

COMSOL Multiphysics có phần trội hơn trong việc giải quyết các bài tốn PDEs khơng
tuyến tính bao gồm:
•
•
•
•
•

Truyền nhiệt.
Truyền chất và sự khuếch tán, đối lưu và chuyển vị.
ðộng lực học chất lưu.
Phản ứng hóa động học.
Các thuộc tính vật liệu biến thiên.

Hình 2.8: Sự phân bố áp suất trong các kênh của cụm pin nhiên liệu

Hình 2.9 : Các đường vịng vận tốc và sự cơ ñặc pha rắn
15

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG


Sự hiển thị và lựa chọn các thanh công cụ trong COMSOL

COMSOL Multiphysics cung cấp một số thanh công cụ hiển thị để điều chỉnh các mơ hình
như phóng to, thu nhỏ và các vấn đề xung quanh nó. Những công cụ khác hỗ trợ trong việc
chọn các miền cho q trình mơ hình hóa. Các đặc tính chiếu sáng và phối cảnh nâng cao có
thể tạo ra các sự hiển thị đặc biệt. Chi tiết các tính năng này như sau:

Hiển thị một mơ hình
COMSOL Multiphysics cung cấp một số thanh cơng cụ như phóng to, thu nhỏ, qt để
điều chỉnh hình dạng của mơ hình như trước xử lý, sau xử lý và hiển thị tổng quan. Giao diện
người dùng COMSOL Multiphysics bao gồm một thanh công cụ hiển thị/ lựa chọn ở bên trái
khu vực vẽ. Nó cung cấp đường dẫn vào các lựa chọn và cơng cụ khác, hình dưới đây thể hiện
trong giao diện 2D.

Hình 2.10 : Thanh cơng cụ hiển thị /lựa chọn

Sự lựa chọn các miền:
COMSOL Multiphysics chỉ thị các ñối tượng ñược lựa chọn bằng cách làm nổi bật chúng.
Thêm vào đó, các đường thẳng được lựa chọn có bề rộng dày hơn và các ñiểm lựa chọn sẽ lớn
hơn.

Sử dụng thư viện các vật liệu và hệ số
COMSOL Multiphysics tập hợp một thư viện khổng lồ các ñặc tính vật lý của vật liệu.
COMSOL Material Library là một sản phẩm bổ xung riêng biệt, nó cung cấp dữ liệu, chủ yếu
16

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

là các hàm ña thức theo nhiệt ñộ, tương ñương 2500 loại vật liệu. Material/Coefficients
Library chứa ñựng một số cơ sở dữ liệu mở rộng với các thuộc tính cho bộ sưu tập mở rộng

của ña vật lý, sự ñàn hồi, ñiện từ, chất lỏng, ñiện áp và các ñặc tính nhiệt ñộng của vật liệu như
hệ số truyền nhiệt. Trong hộp thoại Material/Coefficients Library bạn có thể thêm vào và
thay ñổi những mục nhập vào của thư viện. Ngoài ra, bạn có thể định nghĩa nhiều thư viện đa
vật liệu, mỗi thứ ñược chứa trong một tập tin dữ liệu riêng biệt.

Xác ñịnh ñiều kiện biên
ðiều kiện biên xác định các mặt phân cách giữa mơ hình học và mơi trường xung quanh
của nó. Chúng ta cũng có thể thiết lập các ñiều kiện giao diện bên trong một mơ hình hình học.
ðối với các phương thức vật lý và module tùy chọn trong COMSOL, chọn từ các ñiều kiện cho
trước. Chúng ta có thể thiết lập các điều kiện biên khác nhau trên mỗi biên. ðể xác ñịnh hệ số
biên chung cho bất kỳ mơ hình COMSOL Multiphysics ta sử dụng hộp thoại Boundary
Settings cho tất cả các hệ phương trình.
- ðiều kiện biên trong truyền nhiệt và lưu chất:
+ Phương trình nhiệt chấp nhận hai loại điều kiện biên cơ bản: xác ñịnh nhiệt ñộ và mật ñộ
dòng nhiệt.
+ Một trong các ñiều kiện biên chung nhất của mơ hình truyền nhiệt là làm mát hoặc gia
nhiệt ñối lưu, trong ñó một lưu chất làm mát bề mặt bằng ñối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức. Về
nguyên tắc, nó có thể để mơ hình hóa q trình này trong hai cách:
•
•

Sử dụng một hệ số truyền nhiệt trên bề mặt làm mát bằng đối lưu.
Mở rộng mơ hình để mơ tả dịng chảy và truyền nhiệt trong lưu chất làm mát.


Cách phân lưới trong COMSOL
Lưới là một phân vùng nhỏ của mơ hình hình học có hình dạng đơn giản. Nó có thể được
tạo theo dạng tự do, bản ñồ, ép ñùn, xoay quét và các lưới lớp biên. Các bộ sinh lưới tạo ra các
lưới tự do, là lưới duy nhất có thể được sử dụng trên tất cả các đối tượng hình học.

Lựa chọn một lời giải trong COMSOL Multiphysics
Tùy theo mỗi mô hình mà ta lựa chọn một lời giải phù hợp. Trong COMSOL Multiphysics
liệt kê nhiều lời giải khác nhau và ta xem xét làm thế nào ñể lựa chọn tốt nhất cho ứng dụng

nhất định. Nó cũng xem xét những thiết lập ñể lựa chọn khi giải quyết một loạt các vấn ñề khác
nhau và làm thế nào ñể phân tích tính chính xác của giải pháp và cải thiện lời giải được hội tụ.
ðối với hầu hết các mơ hình bạn khơng cần phải chọn một lời giải rõ ràng. Thay vào đó,
bạn chọn một loại phân tích. Các loại phân tích có sẵn phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, bạn
có thể mong đợi sự phân tích ổn ñịnh, giá trị riêng, sự chuyển tiếp hoặc sự phụ thuộc vào thời
gian và phân tích tham số.
17

Luan van


GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Bảng 1: Liệt kê các lời giải trong COMSOL
SOLVER TYPE

USAGE

(Kiểu lời giải)

(Cách sử dụng)

Stationary

For stationary PDE problems

(Sự ổn ñịnh)

(Cho các bài tốn PDE ổn định)

Time dependent

For time-dependent PDE problems

(Phụ thuộc thời gian)

(Cho các bài toán PDE phụ thuộc thời gian)

Eigenvalue

For eigenvalue PDE problems

(Trị số đặc trưng)

(Cho các bài tốn PDE có trị số ñặc trưng)

Parametric

For parameterized sets of stationary PDE problems

(Tham số)

(Cho các bộ tham số của các bài toán PDE tham số)

Stationary segregated

For stationary multiphysics PDE Problems

(Sự ổn ñịnh bị cơ lập)

(Cho các bài tốn đa vật lý PDE cố ñịnh)

Parametric segregated

For parameterized sets of stationary multiphysics PDE
problems

(Tham số bị cô lập)

Time dependent segregated
(Phụ thuộc thời gian bị cô lập)

Adaptive
(mang tính thích nghi)

Sensitivity
(ðộ nhạy)

(Cho các bộ tham số của bài tốn đa vật lý PDE cố định)
For time-dependent multiphysics PDE problems
refinement
( Cho các bài tốn đa vật lý nâng cao phụ thuộc vào thời
gian)
For stationary PDE problems or linear eigenvalue
PDE problems using adaptive mesh refinement
( Cho các bài toán ổn định hoặc các bài tốn
tuyến tính sử dụng cho lưới thích nghi cao)
For sensitivity analysis of stationary PDE

problems
(Cho sự phân tích nhạy của các bài tốn PDE ổn
định)

Optimization

For optimization of stationary PDE problems

(Sự tối ưu hóa)

(Cho sự tối ưu hóa của các bài tốn PDE ổn định)

18

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG


Sự hiển thị kết quả
+ Hiển thị các kết quả sau xử lý: ðể giúp bạn phân tích các kết quả từ các lời giải trên,
COMSOL Multiphysics cung cấp nhiều thanh cơng cụ cho q trình sau xử lý và hiển thị các
đại lượng của mơ hình: nó bao gồm ñồ họa nâng cao, dữ liệu hiển thị, các hàm suất và một
báo cáo được tạo ra. Nó tạo ra một loạt các biểu đồ sau:
•
•
•
•

•
•
•
•

Các biểu đồ bề mặt.
Các biểu ñồ mặt cắt.
Các biểu ñồ ñẳng bề mặt.
Các biểu ñồ ñường viền.
Các biểu ñồ dòng.
Các biểu ñồ ñường dẫn.
Các biểu đồ ứng suất chính.
Kết hợp của nhiều biểu đồ.

Các biểu đồ trong mơ hình 2D được trình bày như sau:

Hình 2.11 : Các biểu đồ mơ hình trong 2D
+Các kết quả sau xử lý trong 3D: Biểu ñồ chuẩn trong mơ hình 3D hiển thị ra các lời giải
như một phần của hình học. Nó có thể kết hợp một trong các biểu ñồ sau:
19

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
•
•
•
•
•

•
•
•
•
•

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Biểu ñồ lát cắt.
Biểu ñồ mặt chuẩn.
Biểu ñồ con.
Biểu ñồ biên.
Biểu ñồ cạnh.
Biểu ñồ mũi tên .
Biểu ñồ ứng suất/ biến dạng chính.
Biểu đồ biến dạng.
Biểu đồ đường dịng.
Biểu đồ đường dẫn(truy bắt điểm).

Hình sau đây cho thấy thanh cơng cụ biểu đồ của mơ hình 3D

Hình 2.12 Thanh cơng cụ biểu đồ của mơ hình 3D

20

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

CHƯƠNG 3 : HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
3.1 Giới thiệu hệ thống thí nghiệm

Hình 3.1: Bộ đo áp suất và nhiệt độ
Bộ nguồn
Sử dụng bộ nguồn có các đầu nối

•
•
•
•

Hình 3.2 : Bộ Nguồn thí nghiệm
ðầu dây nối nguồn 220V.
1 chân nối ñất.
2 chân mass (COM).
2 chân dương (+V)

21

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Mạch ño áp suất, nhiệt ñộ

Hình 3.3 : Mạch ño nhiệt ñộ áp suất
Thứ tự các chân mạch ño nhiệt ñộ, áp suất
• 1: mass cảm biến áp suất.
• 2, 3: dương vào nguồn.
• 4,5: dương ra cảm biến áp suất (màu đỏ).
• 6: tín hiệu cảm biến áp suất (7) cảm biến áp suất kênh 1.
• 8: tín hiệu cảm biến áp suất (vàng), (9) cảm biến áp suất kênh 0. (trắng)
Các kênh cảm biến nhiệt độ:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

+10, -11: cảm biến nhiệt ñộ số 10.
+12, -13: cảm biến nhiệt ñộ số 9.
+14, -15: cảm biến nhiệt ñộ số 8.
+16, -17: cảm biến nhiệt ñộ số 7.
+18, -19: cảm biến nhiệt ñộ số 6.
+20, -21: cảm biến nhiệt ñộ số 5.
+22, -23: cảm biến nhiệt ñộ số 4.
+24, -25: cảm biến nhiệt ñộ số 3.
+26, -27: cảm biến nhiệt ñố số 2.

+28, -29: cảm biến nhiệt ñộ số 1.
30: mass.

Ghi chú: Chân 1 đối diện với chân 30, nằm ở phía cổng USB.

22

Luan van


BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

GVHD: TS. ðẶNG THÀNH TRUNG

Hình 3.4 : Chú thích sơ đồ chân của mạch đo nhiệt độ, áp suất
Mạch gia nhiệt

Hình 3.5 : Mạch gia nhiệt

Hình 3.6 : Sơ đồ chân mạch gia nhiệt
23

Luan van