Tối ưu hóa quá trình giải nhiệt áo nước xylanh của xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm

vi

MC LC

Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Xác nhận ca cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học i
Li cam đoan ii
Cm tạ iii
Tóm tắt iv
Abstract v
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ix
Danh mục các hình x
Danh mục các bng xiii


Chng 1. TNG QUAN 1
1.1 Tính cp thit của đ tài 1
1.2 Tng quan kt qu nghiên cu liên quan 2
1.3 Mc đích của đ tài 9
1.4 Nhim v của đ tài và gii hn đ tài 9
1.5 Phng pháp nghiên cu 9


Chng 2. C S LÝ THUYT 10
2.1 Lý thuyt truyn nhit 10
2.2 Làm lnh - gia nhit đi lu vƠ h s truyn nhit 12
2.3 Đi lu t nhiên ậ h s Grashof 15
2.4 H s Nusselt 16
2.5 Dòng chy lu cht 16

2.6 Navier-Stokes chu nén yu 23
2.7 Gii thiu phn mm COMSOL 24

vii

Chng 3. PHNG PHÁP THC NGHIM VÀ MÔ PHNG S 26
3.1 Mô hình thc nghim 26
3.1.1 Lắp đặt hệ thống thí nghiệm 26
3.1. 2 Mẫu áo nước xylanh không xẻ rãnh 27
3.1. 3 Thiết kế áo nước xylanh có xẻ rãnh 28
3.1.4 Dụng cụ đo 30
3.2 Mô phng s 31
3.2.1 Thiết lập miền con 31
3.2.2 Điều kiện biên 32


Chng 4.
KT QU VÀ THO LUN 34
4.1 Kt qu hình nh mô phng của áo nc xẻ rãnh và không xẻ rãnh vi lu
lng nc 1000 ml/phút và nhit độ thay đi. 34
4.1.1  nhiệt độ 500
0
C 34
4.1.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và
không xẻ rãnh. 34
4.1.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36
4.1.2  nhiệt độ 550
0
C 37
4.1.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 37

4.1.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 38
4.1.3  nhiệt độ 600
0
C 39
4.1.3.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 39
4.1.3.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 40
4.1.4  nhiệt độ 650
0
C 41
4.1.4.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 41
4.1.4.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 42
4.2 Kt qu hình nh mô phng của áo nc xẻ rãnh và không xẻ rãnh vi lu
lng nc 500 ml/phút và nhit độ thay đi. 44
4.2.1  nhiệt độ 500
0
C 44
4.2.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 44
viii

4.2.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 45
4.2.2  nhiệt độ 550
0
C 46
4.2.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 46
4.2.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 47
4.3 So sánh kt qu thc nghim và mô phng của áo nc xylanh  lu lng
1000 ml/phút 49
4.3.1 Nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49
4.3.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không
xẻ rãnh 50

4.4 So sánh kt qu thc nghim và mô phng của áo nc xylanh  lu lng
500 ml/phút. 51
4.4.1 Nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh 51
4.4.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xylanh 52
4.5 S truyn nhit qua vách thành xylanh 53
4.5.1 Áo nước xylanh xẻ rãnh  lưu lượng 500 ml/phút 53
4.5.2 Áo nước xylanh không xẻ rãnh  lưu lượng 1000 ml/phút 54
4.6 Nhit độ vách thành xylanh nh hng đn nhit độ đu ra của nc 55
4.6.1 Trưng hợp 1000 ml/phút 55
4.3.2 Trưng hợp 500 ml/phút 56


Chng 5. KT LUN VÀ KIN NGH 57
5.1 Kt lun 57
5.2 Kin ngh 57
TÀI LIU THAM KHO 58





ix

DANH MC CÁC Kụ HIU VÀ CHỮ VIT TT

A
c
: diện tích mặt cắt, m
2

BTĐN : bộ trao đổi nhiệt
D
h
: đưng kính quy ước, m
F : hệ số ma sát Fanning
H : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m
2
K
k : hệ số truyền nhiệt tổng, W/m
2
K
L : chiều dài kênh mini, m
m : lưu lượng khối lượng, kg/s
NTU : chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)
Nu : chỉ số Nusselt
p : áp sut, Pa
P : đưng kính ướt, m
Q : lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W
q : mật độ dòng nhiệt, W/m
2
Re : chỉ số Reynolds
T : nhiệt độ, K
 : độ nhớt động lực học, Ns/m
2
 : khối lượng riêng, kg/m
3
 : hệ số dẫn nhiệt, W/m

K
 : vận tốc, m/s

 : hiệu sut
 : chỉ số hoàn thiện, W/kPa
T : nhiệt độ chênh lệch, K
p : tổn tht áp sut, Pa


x

DANH MC CÁC HỊNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe 2
Hình 1.2: Áo nước động cơ 6 xilanh thẳng hàng model 2. 3
Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh 4
Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh 5
Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh 6
Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc ca xe 6
Hình 1.7: Khong cách giữa các cánh tn nhiệt 7
Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu 13
Hình 2.2: Một mô phỏng số học về đặc tính truyền nhiệt ca bộ trao đổi nhiệt kênh
micro sử dụng phần mềm COMSOL 25
Hình 3.1: Hệ thống thí nghiệm 26
Hình 3.2: Mô hình thực nghiệm 27
Hình 3.3: Mẫu áo nước xylanh 27
Hình 3.4: Mẫu thí nghiệm 28
Hình 3.5: Mặt bích và đệm chống vênh 28
Hình 3.6: Bulong-đai ốc và dụng cụ làm kín 29
Hình 3.7: Hình nh sau khi lắp và cổ pô 29
Hình 3.8: Thiết bị đo bề mặt bằng tia laser và bộ đo nhiệt độ 30
Hình 3.9: Nhiệt kế thy ngân và Nhiệt kế điện tử + đầu đo nhiệt độ 30

Hình 4.1: Hình nh nhiệt độ phía ngoài ca áo nước xẻ rãnh, không xẻ rãnh 35
 nhiệt độ 500
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 35
Hình 4.2: Hình nh nhiệt độ đầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36
 nhiệt độ 500
0
C và lưu lượng nước 1000 ml/phút. 36
Hình 4.3: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 550
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 37
xi

Hình 4.4: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 550
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 38
Hình 4.5: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 600
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 39
Hình 4.6: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 600
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 40
Hình 4.7: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 650
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 41

Hình 4.8: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 650
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 42
Hình 4.9: Thể hiện kết qu mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách
thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra  lưu lượng 1000 ml/phút 43
Hình 4.10: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 500
0
C và lưu lượng nước 500ml/phút. 44
Hình 4.11: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 500
0
C và lưu lượng nước 500ml/phút. 45
Hình 4.12: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 550
0
C và lưu lượng nước 500ml/phút. 46
Hình 4.13: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 550
0
C và lưu lượng nước 500ml/phút. 47
Hình 4.14: Thể hiện kết qu mô phỏng nhiệt độ trong lòng xylanh, bề mặt ngoài vách
thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra  lưu lượng 500 ml/phút 48
Hình 4.15: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng  nhiệt độ nước đầu ra ca áo
nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49
Hình 4.16: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía
bên ngoài ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 50
Hình 4.17: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng  nhiệt độ nước đầu ra ca áo
nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 51

xii

Hình 4.18: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía
bên ngoài ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 52
Hình 4.19: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 53
 các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 500 ml/phút 53
Hình 4.20: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 54
 các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 1000 ml/phút 54
Hình 4.21: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 55
 lưu lượng 1000 ml/phút 55
Hình 4.22: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 56
 lưu lượng 500 ml/phút 56













xiii


DANH MC CÁC BNG
BNG TRANG

Bng 1. Dụng cụ đo và độ chính xác 31

1

Chng 1
TNG QUAN

1.1 Tính cp thit của đ tài
Trong những năm gần đây sự phát triển vượt bật ca ngành công nghệ ô tô và xe
máy đã cho ra đi xe có hộp số tự động, để đáp ng nhu cầu phát triển ca con ngưi
ngày càng cao cần tính đến cái đẹp, thi trang, công sut động cơ lớn, tốc độ cao và đi
lại dễ dàng không cần sang số thì xe máy có hợp số tự động gọi là xe tay ga như Air
Blade, SH, Lead, Nouvo LX… ra đi đáp ng được nhu cầu đó.
Để có những ưu điểm đó thì kết cu hệ thống làm mát trên xe ga cũng có nhiều
khác biệt so với xe số là hệ thống làm mát bằng dung dịch, có áo nước bao quanh thành
xylanh để làm mát xylanh, toàn bộ thân bao kín, tốc độ lưu thông không khí thp dù xe
chuyển động  tốc độ cao.
Nhưng bên cạnh đó có một số loại xe khi đi vào sử dụng động cơ rt nóng làm
cho nhiệt độ động cơ tăng lên, công sut làm việc động cơ gim, nếu tiếp tục có thể dẫn
đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh.
Vì lý do đó ngưi thực hiện chọn đề tài “Tối ưu hóa quá trình gii nhiệt từ thành
xylanh ra áo nước trên xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm”
nhằm mục đích tăng hiệu sut làm mát động cơ, giúp động cơ tăng công sut làm việc,
làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ.


.

2


1.2 Tng quan kt qu nghiên cu liên quan
Xut phát từ quá trình làm việc ca động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi
tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, nm xupap, thành xylanh) chiếm
khong 25%  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra. Vì vậy các
chi tiết thưng bị đốt nóng mnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600
o
C, nhiệt
độ nm xupap có thể lên tới 900
o
C. Hình 1.1 thể hiện sự phân bố năng lượng trên xe.
Trong đó bao gồm 30% là ti nhiệt làm mát, 35% là ti nhiệt theo khí thi và 35% là
năng lượng nhiệt có ích [1]



Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe [1]

3


Khot và Santosh [2] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và
so sánh tính năng ca hai áo nước làm mát khác nhau ca động cơ Diesel 6 xylanh
thẳng hàng. Từ phân tích cho thy rằng model 2 có vận tốc  đầu áo nước được ci
thiện và tổn tht áp sut gim đã được trình bày  hình 1.2.

Hình 1.2: Áo nước động cơ 6 xilanh thẳng hàng model 2.

4

Qingzhao wang [3] đã trình bày và phân tích sự phân bố áp sut, vận tốc, hệ số
truyền nhiệt và nhiệt độ cho áo nước  đầu xylanh. Kết qu phân tích cho thy rằng
nước làm mát trong đầu xylanh đã thực hiện phân phối lưu lượng dòng chy tốt và sự
phân phối áp sut tương đối chp nhận được. Sự bố trí ca các phần trong đầu xylanh
đã cung cp sự tác động cần thiết để tăng kh năng làm mát trong vùng nguy hiểm, như
là xupap thi, kim phun nhiên liệu. Vì vậy các chi tiết nóng sẽ không quá nóng để phá
hy. Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh ca nghiên cu thể hiện  hình 1.3.




Hình 1.3: Mẫu thiết kế hình học áo nước đầu xylanh

5

Một phân tích trạng thái truyền nhiệt ổn trên phần đầu xylanh đã được thực hiện bi
Andrew powell [4] ti nhiệt ca mặt độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh với phương thc
truyền nhiệt đối lưu từ không khí phía trên cánh tn nhiệt đầu xylanh và màng dầu trên các bộ
phận trục khuỷu. Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh đã được thể hiện trong hình 1.4.


Hình 1.4: Mật độ dòng nhiệt tập trung trên đầu xylanh

6

Paul cùng cộng sự [5] đã nghiên cu việc dùng không khí để gii nhiệt cho xylanh
động cơ bằng cách gi định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh
được thể hiện  hình 1.5 .

.
Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh
Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt ca các
thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí
khi độ dày ca cánh tăng lên. Khong cách giữa các cánh gim dần, nh hưng đến quá
trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt. Số lượng cánh lớn tương ng độ dày cánh nhỏ
để gii nhiệt cho xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết qu làm cho kh năng
trao đổi nhiệt cao hơn.

Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc ca xe

7

Pulkit cùng cộng sự [6] đã nghiên cu sự truyền nhiệt bằng phương pháp mô
phỏng số CFD. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc ca xe, hình dạng cánh tn
nhiệt và nhiệt độ xung quanh.  vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt
đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933.56W và 1123.03W tương ng được
mô phỏng qua hình vẽ 1.6.
Masao cùng cộng sự [7] đã nghiên cu nh hưng ca số lượng cánh, khong
cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy. Kết qu
cho thy rằng nhiệt tỏa ra từ xylanh không được ci thiện khi thân xylanh có quá nhiều
cánh và khong cách giữa các cánh quá hẹp tại những tốc độ gió quá thp, do vậy mà
nhiệt độ giữa chúng sẽ tăng lên. Ngoài ra kích thước cánh tối ưu khi xe đng yên là
20mm và khi xe di chuyển là 8mm được thể hiện như hình 1.7.

Hình 1.7: Khong cách giữa các cánh tn nhiệt
Công cụ CFD cho phép tối ưu hóa hình dạng vỏ bộ tn nhiệt ca xe ti TATA
Mini đã được thực hiện bi Chackol cùng cộng sự [8]. Kết qu cho thy rằng từ việc
gii quyết các thiết kế cơ bn đã loại bỏ được vùng tuần hoàn khép kín và tăng lưu
lượng gió thông qua cánh tn nhiệt khong 34%.

8

Robert S. Laramee [9] đã áp dụng một loạt tính năng cao ca sự trích đặc điểm
công nghệ hiện đại và kỹ thuật hình nh để kho sát dòng chy ca lưu cht xuyên qua
áo nước làm mát. Phương pháp mô phỏng số CFD, nghiên cu này đã đưa ra hình nh
không gian hình dạng tia phun, dòng chy, dòng bề mặt…để xác định chính xác sự
phân bố nhiệt độ, lưu lượng dòng chy và áp sut.
Một số nghiên cu bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm cũng được
thực hiện bi Dang cùng cộng sự [10-11]. Trong nghiên cu này tác gi đã sử dụng
phần mềm COMSOL để mô phỏng đặt tính truyền nhiệt và tổn tht áp sut ca một số
bộ trao đổi nhiệt kênh micro và mini. Bên cạnh đó, các tác gi cũng đã nghiên cu
thành công bộ tn nhiệt kênh mini thay cho két nước truyền thống.
Hệ thống làm mát trên xe tay ga hiện nay ch yếu dùng dung dịch ethylene, có áo
nước bao quanh thành xylanh để làm mát xylanh. Tuy nhiên, hiện nay một số loại xe
khi đưa vào sử dụng, động cơ rt nóng làm cho nhiệt độ động cơ tăng lên cao nếu tiếp
tục có thể dẫn đến cháy xe hoặc bó kẹt piston vào thành xylanh. Từ những nghiên cu
liên quan trên, cũng có nhiều nghiên cu liên quan đến việc tăng cưng gii nhiệt cho
xylanh xe gắn máy. Tuy nhiên, nghiên cu thực nghiệm và mô phỏng số về tăng cưng
gii nhiệt cho áo nước xylanh xe máy bằng cách xẻ rãnh là đề tài khá mới, đặc biệt
trong trưng hợp mô phỏng 3D cho toàn bộ xylanh. Vì vậy, việc nghiên cu tăng
cưng làm mát cho xylanh bằng cách xẻ rãnh áo nước là hết sc cần thiết. Nghiên cu
này sẽ giúp động cơ tăng công sut, làm việc ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ. Do
dung dịch ethylene  nồng độ thp có hiệu qu truyền nhiệt tương đồng với nước tinh
khiết [10] nên trong nghiên cu này, nước tinh khiết được sử dụng làm lưu cht làm

việc. Thêm vào đó, nghiên cu này chỉ tập trung vào nghiên cu các đặc tính truyền
nhiệt ch không nghiên cu về cơ tính ca xylanh khi xẻ rãnh.
Về tình hình nghiên cu gii nhiệt két nước và áo nước trên xe ô tô cũng như xe
máy  Việt Nam, rt ít nhà nghiên cu đã đề cập vn đề này và công bố kết qu trên
các nguồn dữ liệu chính thống.

9

1.3 Mc đích của đ tài
Đề tài này tập trung nghiên cu đánh giá quá trình gii nhiệt giữa thành
xylanh và áo nước trên xe tay ga. Mục đích ca đề tài nhằm nghiên cu đánh giá để
làm tăng hiệu sut làm mát cho động cơ, giúp động cơ tăng công sut làm việc, hoạt
động ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ.
1.4 Nhim v của đ tƠi vƠ gii hn đ tài
Tập trung nghiên cu đánh giá quá trình trao đổi nhiệt áo nước và thành xylanh
trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan.
Nghiên cu tạo rãnh trên thành áo nước xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số
học và thực nghiệm.
Nghiên cu này thực hiện  điều kiện truyền nhiệt ổn định, nắp máy không đổi.
Đề tài này chỉ tập trung vào nghiên cu các đặc tính truyền nhiệt ch không
nghiên cu về cơ tính ca xylanh khi xẻ rãnh.
Do kh năng và thi gian có hạn nên tác gi chỉ tập trung vào phân tích quá trình
trao đổi nhiệt giữa áo nước và thành xylanh trên xe tay ga, không có nghiên cu về
phần kết cu.
1.5 Phng pháp nghiên cu
Tổng quan các kết qu phân tích ca các nghiên cu liên quan.
Phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm.
So sánh kết qu.

10

Chng 2
C S Lụ THUYT
2.1 Lý thuyt truyn nhit
 Lý thuyết nền tng
Về cơ bn có ba phương thc sau:
Dẫn nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật cht có nhiệt độ khác nhau khi
tiếp xúc trực tiếp nhau. Trong quá trình này, nhiệt lượng truyền qua, còn vật cht đng yên.
Trao đổi nhiệt đối lưu: xy ra giữa lưu cht (khí) và bề mặt rắn mà  đó có nhiệt độ
khác nhau. Lúc này truyền nhiệt gắn liền với dòng chy.
Trao đổi nhiệt bc xạ: Ch yếu là do trao đổi ca năng lượng sóng điện từ. Trong
trao đổi nhiệt bc xạ không cần tiếp xúc. Nó là quá trình trao đổi nhiệt qua lại giữa
năng lượng sóng điện từ và nhiệt năng.
Các định luật cơ bn chi phối tt c sự truyền nhiệt là định luật th nht ca nhiệt
động lực học, thưng được gọi là nguyên tắc bo toàn năng lượng [7, 8]. Tuy nhiên,
nội năng U, là một đại lượng khá phc tạp để đo lưng và sử dụng trong mô
phỏng. Vì vậy, các định luật cơ bn thưng được viết lại trong điều kiện nhiệt độ,
T. Đối với một lưu cht, có phương trình nhiệt là:
( . ). ( . ) ( . )
p
TT
C u T q S u p Q
tT




  
   
          
   
  
   
(2-1)
Trong đó:
•

là khối lượng riêng, kg/m
3

•
p
C
là nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K
•
T
là nhiệt độ tuyệt đối, K
•
u
là vector vận tốc, m/s
•
q
là khối lượng riêng dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m
2

•
p
là áp sut, Pa

11

•

là ng sut nhớt tensor, Pa
•
S
là biến dạng tensor, 1/s

1
( ( ) )
2
T
S u u   

•
Q
nguồn gia nhiệt, W/m
3

Xut phát từ phương trình (2-1), một số quan hệ nhiệt động lực học đã được sử
dụng. Phương trình cũng cho rằng khối lượng luôn luôn được bo toàn, có nghĩa
là khối lượng riêng và vận tốc phi được liên hệ thông qua:

.( ) 0v

t



 


Chế độ ng dụng truyền nhiệt tổng quát sử dụng luật Fourier về dẫn nhiệt,
q
thì tỷ
lệ thuận với gradient nhiệt độ:

T
qi k
xi



(2-2)
Trong đó k là hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K). Trong cht rắn, hệ số dẫn nhiệt có thể
khác nhau theo các hướng khác nhau. Sau đó, k tr thành một tensor

xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
k k k
k k k k
k k k








và mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt được cho bằng:

i ij
j
j
T
qk
x





Phần th hai bên phi ca phương trình (2-1) đặc trưng gia nhiệt nhớt ca lưu
cht. Một phần tương tự xy ra từ bên trong làm gim độ nhớt ca cht rắn. Toán tử ":"
thể hiện  dạng thu gọn và trong trưng hợp này nó có thể được viết với hình thc sau đây:
n nm nm
m
a b a b

(2-3)

12

Phần th ba đặc trưng cho áp sut làm việc và mang ý nghĩa vật lý cho việc gia

nhiệt ca một lưu cht trong quá trình nén đoạn nhiệt và cho một số hiệu ng âm
thanh nhiệt. Nói chung thành phần này có giá trị nhỏ đối với các dòng chy có số Mach thp.
Thay phương trình (2-2) vào phương trình (2-1), sắp xếp lại các phần và bỏ qua gia
nhiệt nhớt và áp sut làm việc ta được phương trình nhiệt có hình thc đơn gin hơn:

.( ) .
pp
T
C k T Q C u T



     

(2-4)
Phương thc truyền nhiệt th ba đó là truyền nhiệt bc xạ. Nhiệt bc xạ
biểu thị các dòng sóng điện từ phát ra từ một vật  nhiệt độ nht định. Phần
này nghiên cu lý thuyết sau quá trình truyền nhiệt bc xạ xy ra trên bề mặt ca một vật.
2.2 LƠm lnh - gia nhit đi lu vƠ h s truyn nhit
Một trong các điều kiện biên chung nht ca mô hình truyền nhiệt là làm mát
hoặc gia nhiệt đối lưu, trong đó một lưu cht làm mát bề mặt bằng đối lưu tự nhiên
hoặc cưỡng bc. Về nguyên tắc, nó có thể để mô hình hóa quá trình này trong hai cách:
• Sử dụng một hệ số truyền nhiệt trên bề mặt làm mát bằng đối lưu.
• M rộng mô hình để mô t dòng chy và truyền nhiệt trong lưu cht làm mát.
Phương pháp đầu tiên rt mạnh và hiệu qu. Ngoài ra, chế độ ng dụng truyền
nhiệt tổng quát cung cp xây dựng dựa trên việc sử dụng hệ số truyền nhiệt. Đối với
hầu hết các mục đích kỹ thuật, sự sử dụng các hệ số này là một cách tiếp cận mô hình
chính xác và hiệu qu. Sau đó bạn mô hình hóa làm mát đối lưu bằng cách xác định
mật độ dòng nhiệt trên biên tiếp xúc với các lưu cht làm mát, nó tỷ lệ thuận với độ
chênh lệch nhiệt độ trên một lớp cách nhiệt gi định. Bạn mô t hệ số truyền nhiệt h,

theo phương trình:

inf
( ) ( )n k T h T T    
(2- 5 )
Cách tiếp cận th hai, nó bao gồm c dòng chy ca lưu cht làm mát và truyền
nhiệt trong mô hình, nó có thể hữu ích trong một số trưng hợp nht định. Bạn có thể
thử phương pháp này, ví dụ, hình dạng ca mô hình làm cho hệ số truyền nhiệt để thay

13

đổi đáng kể với vị trí. Nhiệt độ trong lưu cht cũng nh hưng đến hệ số truyền nhiệt.
Trong những trưng hợp như vậy, các điều kiện biên tại các mặt chung liên tục.
Tuy nhiên, tính phc tạp ca mô hình tăng đáng kể do sự cần thiết ca việc gii
các trưng dòng chy cũng như trưng nhiệt độ. Thêm vào đó, yêu cầu bộ nhớ và thi
gian tính toán tăng đáng kể. Phần này tập trung vào phương pháp sử dụng hệ số truyền
nhiệt để mô t làm mát đối lưu.
Khó khăn chính trong việc sử dụng hệ số truyền nhiệt là việc tính toán hoặc xác
định giá trị thích hợp ca hệ số h. Hệ số này phụ thuộc vào lưu cht làm mát, đặc tính
vật liệu ca lưu cht, nhiệt độ bề mặt và đối lưu làm mát cưỡng bc, cũng như về vận
tốc dòng chy ca lưu cht. Ngoài ra, sơ đồ hình học cũng nh hưng đến hệ số này.
Nó có thể chia làm mát đối lưu thành bốn loại chính tùy thuộc vào loại điều kiện
đối lưu (tự nhiên hoặc cưỡng bc) và các loại hình học (bên trong hoặc bên ngoài dòng
chy đối lưu). Ngoài ra, bốn trưng hợp đều có thể là dòng chy đối lưu chy tầng hoặc
chy rối, dẫn đến có tổng số tám loại đối lưu, như trong hình 2.1.

Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu
Sự khác biệt giữa đối lưu tự nhiên và cưỡng bc trong thể hiện rõ khi có một
lực bên ngoài như một quạt tạo ra dòng chy. Đối lưu tự nhiên, lực nổi gây ra bi sự
khác biệt nhiệt độ và gin n nhiệt ca dòng chy môi cht.

14

Đối với mỗi loại, các mối quan hệ khác nhau cho hệ số truyền nhiệt đã được đưa ra
trong các tài liệu lien quan. Đối với hầu hết các trưng hợp, phương trình mô t hệ số h
thay đổi đáng kể với các hình dạng hình học. ví dụ, công thc khác nhau cho dòng
chy tầng đối lưu cưỡng buwscbeen trong giữa một ống và một cụm những tm song
song.
Thư viện hệ số truyền nhiệt ca Module truyền nhiệt bao gồm một tập hợp
con ca chúng. Thư viện hệ số truyền nhiệt sử dụng cuốn sổ tay biểu thc dựa trên các
thiết lập sau đây ca các số không th nguyên:
• Số Nusselt
(Re,Pr, ) /
L
Nu Ra hL k

• số Reynolds
Re /
L
UL



• Các số Prandtl
Pr /
p
Ck



• số Rayleigh,
23
.Pr / ( )
p
Ra Gr g C TL k
  
  

Trong đó
•
h
là hệ số truyền nhiệt, W/(m
2
.K)
•
L
là độ dài xác định, m
•
T
là độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và cht ti lạnh, K
•
g
là hằng số gia tốc trọng trưng, m/s
2

•
k
là độ dẫn nhiệt ca lưu cht, W/(m.K)
•


là khối lượng riêng, kg/m
3

•
U
là vận tốc cht ti, m/s
•

là độ nhớt, Pa.s
•
p
C
là nhiệt dung riêng đẳng áp, (J/(kg.K)
•

là độ giãn nỡ nhiệt, 1/K
•
Gr
được viết tắt bi Grashof, được định nghĩa là tỷ số
giữa lực nâng và lực nhớt.

15

2.3 Đi lu t nhiên ậ h s Grashof
Trong bt kỳ mô hình dòng chy lưu cht nào, trước khi thiết lập mô hình là cần
thiết để biết bn cht ca dòng chy, một khía cạnh nh hưng đến việc lựa chọn
các mô hình toán học.
Trong trưng hợp dòng chy bên ngoài, chẳng hạn như đối lưu cưỡng bc, bn
cht ca dòng chy được đặc trưng bi hệ số Reynolds (Re), trong đó mô t tỷ
lệ ca lực quán tính và lực nhớt. Nó dựa trên vận tốc, độ nhớt, khối lượng riêng và kích

thước tính toán.
Tuy nhiên, phần lớn vận tốc là các biến chưa biết cho các dòng chy bên trong
như đối lưu tự nhiên. Trong những trưng hợp như vậy hệ số Grashof (Gr), đặc trưng
cho dòng chy. Nó mô t tỷ lệ ca các lực bên trong (lực nâng) để một lực nhớt tác
động lên lưu cht. Tương tự như vậy với hệ số Reynolds nó đòi hỏi xác định kích
thước tính toán, tính cht vật lý ca lưu cht và chênh lệch nhiệt
độ. Số Grashof được định nghĩa là:
0
2
()
s
L
g T T
Gr








(2 - 6)
Trong đó:
g
là gia tốc trọng trưng,

là hệ số giãn n nhiệt ca lưu cht,
T
biểu

thị nhiệt độ ca bề mặt nóng,
0
T
là nhiệt độ ca không khí xung quanh,
L
là kích
thước tính toán,

đặc trưng cho độ nhớt động học ca lưu cht và

là khối lượng
riêng.
Đối với khí lý tưng, hệ số giãn nỡ nhiệt bằng:

1
T


(2 – 7 )
Việc chuyển đổi từ dòng chy tầng đến dòng chy rối xy ra trong khong giá trị
Gr là 10
9
, dòng chy rối cho các giá trị lớn hơn.


16

2.4 H s Nusselt
Thư viện hệ số truyền nhiệt có cha đựng trong Module truyền nhiệt, hệ số h được
dựa trên hệ số Nusselt từ cuốn sổ tay và được thể hiện như một chc năng ca các đặc

tính vật liệu, nhiệt độ, lưu lượng dòng chy và hình dáng hình học.
Đối với đối lưu tự nhiên, mối quan hệ cho hệ số Nusselt thưng có dạng:

( Pr)
n
Nu C Gr
(2 – 8 )
Tham số C
’
phụ thuộc vào hình học. Số mũ n ly bằng 0.25 cho chy tầng và 0.33
đối với dòng chy rối. Quan hệ Nusselt cho đối lưu cưỡng bc thay đổi đáng kể và
không có công thc chung.
Có hai loại số Nusselt: trung bình,
L
Nu
; và cục bộ,
y
Nu
. Loại trung bình là một
hình thc tích phân. Nó được xác định dựa trên tổng chiều dài ca bề mặt làm mát và
sinh ra một hệ số truyền nhiệt trung bình h
ave
. Số Nusselt cục bộ đưa đến hệ số truyền
nhiệt cục bộ tùy thuộc vào vị trí. Trong trưng hợp này, biến L trong các biểu thc
được thay thế bi y, khong cách từ mép đầu (hoặc khong cách từ điểm tiếp xúc đầu
tiên theo hướng dòng chy). Trong thư viện các hệ số truyền nhiệt c hai loại Nusselt
này đều được xem xét.
2.5 Dòng chy lu cht
Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chy lưu cht, một số gi thiết
được đưa ra:

- Lưu cht có tính liên tục
- Truyền nhiệt ổn định
- Bỏ qua truyền nhiệt bc xạ.
Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên
tục, phương trình mômen và phương trình năng lượng.



17

Phương trình liên tục

0



























z
w
y
v
x
u
z
w
y
v
x
u
t


(2 – 9 )
Phương trình Moment

z
u
w

y
u
v
x
u
u
t
u
































2
2
2
2
2
2
1
z
u
y
u
x
u
x
p



(2 - 9a)

z

v
w
y
v
v
x
v
u
t
v
































2
2
2
2
2
2
1
z
v
y
v
x
v
y
p



(2 - 9b)

z
w
w
y
w
v
x
w
u
t
w
































2
2
2
2
2
2
1
z
w
y
w
x
w
z
p




(2 - 9c)
Phương trình năng lượng

z
T
w
y
T
v
x
T
u
t
T











i
p
Q
z

T
y
T
x
T
c


















2
2
2
2
2
2



(2- 10)
Trong đó: Q
i
là sự phát sinh nhiệt bên trong, T là nhiệt độ, C
p
là nhiệt dung riêng
đẳng áp,  là hệ số dẫn nhiệt
Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên cu này, những đặc tính ca lưu
cht như mật độ dòng nhiệt, hiệu sut truyền nhiệt, tổn tht áp sut và chỉ số hoàn thiện
ca bộ trao đổi nhiệt sẽ được đề cập như sau.
Q = m
w
Cp(T
w0
– T
wi
) (2 - 11)
Trong đó: Q là tốc độ truyền nhiệt
m
w
là khối lượng
C
p
là nhiệt dung riêng đẳng áp
T
wi
là nhiệt độ đầu vào
T

w0
là nhiệt độ đầu ra
Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính