Nghiên cứu dòng phun tác động vuông góc lên bề mặt ứng dụng trong hệ thống làm mát chu trình kín

L IC M
Tác gi xin chân thành c m n th y giáo h
TS Ph m V n B ch Ng c đã t n tình h

N
ng d n TS. Nguy n Anh Tu n và

ng d n, đ nh h

ng và đóng góp ý ki n đ

tác gi hoàn thành lu n v n.
Tác gi c ng xin trân tr ng g i l i c m n t i các th y, cô giáo trong khoa C
Khí, các cán b phòng T Ch c Cán B và phòng ào T o
thu c Tr

ng

i H c & Sau

iH c

i H c Th y L i đã t o đi u ki n trong quá trình h c t p và nghiên

c u.
Tác gi c ng xin bày t lòng bi t n t i gia đình đã đ ng viên và t o m i đi u
ki n t t nh t cho tác gi h c t p và nghiên c u.
Do th i gian th c hi n đ tài không nhi u, m c dù đã h t s c c g ng nh ng
trong lu n v n không tránh kh i nh ng h n ch , sai sót nh t đ nh, tác gi r t mong
nh n đ

c nh ng ý ki n đóng góp c a các th y cô cùng các b n đ ng nghi p đ

lu n v n hoàn thi n h n.
Hà N i, ngày 04 tháng 12 n m 2014
Tác gi lu n v n

Nguy n V n L p


B N CAM K T
Tên tôi là:

Nguy n V n L p

Sinh ngày:

20/11/1990

Quê quán:

Hà Thái – Hà Trung – Thanh Hóa

H c viên cao h c:

L p 21CK11

N i công tác:

Khoa C khí tr

ng

i h c Th y L i

Tôi xin cam đoan lu n v n t t nghi p cao h c ngành k thu t c khí ‘‘Nghiên
c u dòng phun tác đ ng vuông góc lên b m t ng d ng trong h th ng làm mát
chu trình kín’’ là lu n v n do tôi th c hi n. Các k t qu tính toán trong lu n v n
không sao chép b t c tài li u nào khác. Trong lu n v n có m t s n i dung trích
d n c a tác gi khác, nh ng n i dung đ

c trích d n này tác gi đã ghi ngu n c

th .
Hà N i, ngày 04 tháng 12 n m 2014
Tác gi lu n v n

Nguy n V n L p


M CL C
M

U

CH

NG 1 – GI I THI U CHUNG .................................................................... 1

1.1 Gi i thi u chung v dòng phun .............................................................................1
1.1.1 Dòng phun tia và các ng d ng c a dòng phun tia ...........................................1

1.1.2 T ng quan các k t qu nghiên c u trong n

c và trên th gi i. .......................2

1.2. M c đích c a đ tài nghiên c u ...........................................................................5
1.3. N i dung chính c a đ tài nghiên c u ..................................................................5
CH

NG 2 - C

S

LÝ THUY T V

DÒNG PHUN TÁC

NG VUÔNG

GÓC LÊN B M T .................................................................................................. 7
Gi i thi u v dòng phun tác đ ng tr c giao lên b m t c ng ............................7

2.1

2.1.1 C u trúc dòng phun ............................................................................................7
2.1.2 nh h

ng c a hình d ng vòi phun t i c u trúc dòng phun tia .......................11

2.2 Tác đ ng truy n nhi t c a dòng phun tia ............................................................12
2.3. Các ph

2.3.1. Các ph

ng trình c b n dòng phun ..................................................................17
ng trình v dòng ..............................................................................17

2.3.2. Các mô hình r i ..............................................................................................19
CH

NG 3 - KH O SÁT H

TH NG S

D NG DÒNG PHUN TIA TÁC

NG VUÔNG GÓC LÊN B M T ................................................................... 24
3.1 Các ng d ng c a dòng phun ..............................................................................24
3.2 Kh o sát h th ng làm mát CPU s d ng dòng phun tia ....................................27
3.2.1. C u t o h th ng..............................................................................................27
3.2.2. Nguyên lý làm vi c và thông s h th ng .......................................................28
CH

NG 4 - MÔ PH NG BÀI TOÁN DÒNG PHUN TÁC

NG VUÔNG

GÓC LÊN B M T B NG PH N M M ANSYS FLUENT ............................ 31
4.1 Gi i thi u v ph n m m Ansys Fluent ...............................................................31
4.1.1 Gi i thi u v Ansys Fluent...............................................................................31
4.1.2 S d ng Ansys đ mô ph ng bài toán dòng ch y ............................................32

4.2. Tính toán mô ph ng c u hình c th bài toán dòng phun tr c giao tác d ng lên
b m t ........................................................................................................................37
4.2.1. Mô t bài toán..................................................................................................37
4.2.2. Các b

c thi t l p mô hình bài toán, đi u ki n biên và tính toán ...................39

4.3. K t qu và th o lu n ...........................................................................................43
4.3.1 Tr

ng v n t c dòng phun tia ..........................................................................43

4.3.2 Dòng ch y trong ng và dòng phun t do ........................................................46
4.3.3. Dòng ch y trên t

ng ch n .............................................................................50

4.3.4 Dòng r i ...........................................................................................................58
4.3.5 S phân b truy n nhi t ...................................................................................60
4.5 K t lu n ...............................................................................................................64
K T LU N VÀ KI N NGH ................................................................................... 65
TÀI LI U THAM KH O ......................................................................................... 67


DANH M C HÌNH NH
Hình 1.1 Dòng phun tia ...............................................................................................1
Hình 1.2

ng d ng c a dòng phun tia .......................................................................4

Hình 2.1 a) dòng phun chìm b) dòng phun t do ........................................................7
Hình 2.2 a)tia phun không b h n ch b) Tia phun b h n ch ....................................8
Hình 2.3 C u hình dòng phun .....................................................................................8
Hình 2.4 Các khu v c dòng ch y c a bài toán dòng phun tia.....................................9
Hình 2.5 C u trúc dòng phun t i vùng phun t do ......................................................9
Hình 2.6 a) vòi phun d ng ng; b) vòi phun d ng ng côn c) vòi phun d ng l .....11
Hình 2.7 Mô hình truy n nhi t đ i l u trong bài toán dòng phun ............................12
Hình 2.8 S phân b xuyên tâm t c đ truy n nhi t c a Baughn và Shimizu [12] ..14
Hình 2.9

ng dòng t i khu v c tác đ ng ..............................................................15

Hình 2.10 Hi n t

ng xoáy xu t hi n m nh khi

kho ng cách vòi phun H/D=6 ...15

Hình 2.11 Vùng chuy n ti p ch đ ch y t ng sang ch y r i ...................................16
Hình 2.12 K t qu thí nghi m c a Katti, V.and Prabhu, S.V. [15] ..........................16
Hình 2.13 Ba lo i l i ra vòi phun đ

c Lee và Lee nghiên c u [17] .......................17

Hình 2.14 S đ th hi n l ch s phát tri n các mô hình r i.....................................19
Hình 3.1

ng c tua bin khí ....................................................................................24

Hình 3.2 Bi u đ th hi n nhi t đ đ t và nhi t đ cho phép c a v t li u ..............25
Hình 3.3 S phân b nhi t đ trên cánh tua bin [20] ...............................................25
Hình 3.4 Làm mát cánh b ng dòng phun tia .............................................................25
Hình 3.5 Hi n t

ng n không khí ...........................................................................26

Hình 3.6 Dòng phun đ

c ng d ng trong hàng không ...........................................26

Hình 3.7 C u t o h th ng làm mát b ng ch t l ng ..................................................27
Hình 3.8 M t s hình d ng kh i n

c làm mát ........................................................28

Hình 3.9 Máy b m và bình ch a ch t l ng ...............................................................29
Hình 3.10 H th ng t n nhi t ....................................................................................30
Hình 4.1 Mô ph ng và x lý k t qu mô ph ng b ng Ansys Fluent ........................31
Hình 4.2 Mô hình hóa kh i đi u khi n đ i v i các lo i l

i khác nhau ...................35


Hình 4.3 Mi n r i r c d ng đo n th ng ...................................................................36
Hình 4.4 Mi n r i r c d ng hình tam giác ................................................................36
Hình 4.5 Mô hình làm mát CPU ...............................................................................37
Hình 4.6 Mô hình bài toán ........................................................................................38
Hinh 4.7 Trình t mô ph ng trên Ansys Fluent ........................................................39
Hình 4.8 Trình t tính toán trong Ansys Fluent .......................................................40

Hình 4.9 Chia l

i trên mô hình H/D=2 ...................................................................40

Hình 4.10 Mô hình bài toán sau khi kích ho t mô hình mô ph ng đ i x ng ...........41
Hình 4.11 i u ki n biên mô ph ng .........................................................................42
Hình 4.12 Tr

ng v n t c dòng phun tia v i H/D =2, Re=23000 ............................44

Hình 4.13 Tr

ng v n t c dòng phun v i H/D=2 Re=70000 ...................................44

Hình 4.14 Tr

ng v n t c dòng phun v i H/D=6, Re=23000 ..................................45

Hình 4.15 Tr

ng v n t c dòng phun v i H/D=6, Re=70000 .................................45

Hình 4.16 Phân b v n t c so sánh v i tiêu chu n Power – law, Re=70000 ...........47
Hình 4.17 Biên đ v n t c d c tr c t i v trí x/D =0.852 v i Re = 23000 ...............47
Hình 4.18 V n t c t i d c tr c t i v trí x/D =0.075 v i Re = 23000, H/D=2 ..........48
Hình 4.19 V n t c d c tr c v i Re = 70000, H/D=2 ................................................48
Hình 4.20 Thành ph n v n t c vuông góc v i t

ng ch n v i Re =23000, H/D=6 .49

Hình 4.21 Thành ph n v n t c vuông góc v i t

ng ch n v i Re =70000, H/D=6 .49

Hình 4.22 Thành ph n v n t c vuông góc v i t

ng ch n t i x/D=0.075 ................50

Hình 4.23 V n t c d c theo t

ng ch n t i y/D =0.0, H/D=2,Re=23000 ...............51

Hình 4.24 V n t c d c theo t

ng ch n t i y/D =1.0, H/D =2, Re=23000 ..............52

Hình 4.25 V n t c d c theo t

ng ch n t i y/D =1.5, H/D=2; Re=23000 ...............52

Hình 4.26 V n t c d c theo t

ng ch n t i y/D =2.0, H/D=2; Re=23000 ...............53

Hình 4.27 V n t c d c theo t

ng ch n t i y/D =2.5, H/D=2; Re=23000 ...............53

Hình 4.28 V n t c d c theo t

ng ch n t i y/D =3.0, H/D=2; Re=23000 ...............53

Hình 4.29 V n t c d c t

ng ch n t i y/D=1.0, H/D=6; Re=23000 ........................54

Hình 4.30 V n t c d c t

ng ch n t i y/D=2.0, H/D=6; Re=23000 ........................54

Hình 4.31 V n t c d c t

ng ch n t i y/D=3.0, H/D=6; Re=23000 ........................55


Hình 4.32 V n t c d c t

ng ch n t i v trí y/D=0.0, H/D=2, Re=70000 ...............56

Hình 4.33 V n t c d c t

ng ch n t i v trí y/D=1.0, H/D=2, Re=70000 ...............56

Hình 4.34 V n t c d c t

ng ch n t i v trí y/D=1.5, H/D=2, Re=70000 ...............56

Hình 4.35 V n t c d c t

ng ch n t i v trí y/D=2.0, H/D=2, Re=70000 ...............57

Hình 4.36 V n t c d c t

ng ch n t i v trí y/D=2.5 , H/D=2, Re=70000 ..............57

Hình 4.37 V n t c d c t

ng ch n t i v trí y/D=3.0, H/D=2, Re=70000 ...............57

Hình 4.38 Thành ph n v n t c d c t

ng ch n , H/D=6, Re=70000 .......................58

Hình 4.39 Bi n d ng v n t c m ch đ ng U’/U .........................................................59
Hình 4.40 Bi u đ đ ng n ng r i dòng phun Re=23000, H/D=2 .............................60
Hình 4.41 Bi u đ đ ng n ng r i Re=23000, H/D=6 ...............................................60
Hình 4.42 S phân b nhi t v i Re=23000, H/D=2 .................................................61
Hình 4.43 S phân b nhi t đ v i Re=23000, H/D6 ...............................................61
Hình 4.44 H s Nusselt trên b m t t m ph ng m ng nhi t v i Re=23000 ............62
Hình 4.45 H s Nusselt trên b m t t m ph ng m ng nhi t v i Re=70000 ............62


DANH M C B NG BI U

B ng 2.1 – Các h ng s hi u ch nh mô hình k- tiêu chu n ....................................21
B ng 2.2 – H s hi u ch nh mô hình r i k- Realisable ..........................................22
B ng 2.3 – Các h ng s hi u ch nh mô hình RNG k- ............................................22
B ng 2.4 – H s hi u ch nh mô hình k -

..............................................................23

DANH M C VI T T T
D–

ng kính vòi phun

H – Kho ng cách t mi ng vòi phun t i t m ph ng
Nu – H s Nusselt
Pr – H ng s Prantl
Re – H s Reynols
q w – Thông l

ng nhi t

T jet - Nhi t đ l u ch t
T wall - Nhi t đ t

ng ch n

U c – V n t c d c tr c vòi phun
U b – V n t c trung bình t i c a ra vòi phun
V – Thành ph n v n t c theo ph

ng h

U – Thành ph n v n t c theo ph

ng vuông góc v i t m ph ng

x,y – Các tr c h t a đ

các

PIV - Particle Imaging Velocimetry
k – đ ng n ng r i

ε - điêu tán r i epsilon
ω - tiêu tán r i omega
µ - đ nh t
U’ – V c t c m ch đ ng
i, j – các ph

ng h t a đ

các

ng tâm trên t m ph ng


M

U

1. Tính c p thi t c a đ tài
Hi n nay dòng phun đang đ

c s d ng r t ph bi n cho nhi u ng d ng k

thu t nh làm mát tuabin khí, s y khô gi y ho c v i trong d t may, làm mát trong

s n xu t thép b ng ph

ng pháp cán nóng, làm mát linh ki n đi n, đi n t , CPU

máy tính (trong các máy tr m). Trong quân s , dòng phun tia đ
mát b phóng tên l a, g

c s d ng đ làm

ng ph n x c a v khí lazer, trong y t nó đ

làm mát thi t b ch p X-quang. D

c dùng đ

i quan đi m ng d ng, dòng phun tác đ ng

vuông góc lên b m t có nhi t đ cao đ

c s d ng nhi u trong h th ng làm mát

chu trình kín b i vì hi u su t cao và c u hình đ n gi n. D

i quan đi m lí thuy t,

c u hình dòng phun tác đ ng tr c giao trên b m t nh n đ

c quan tâm c a nhi u

nhà nghiên c u vì nó là t h p c a nhi u bài toán dòng nh dòng phun t do, dòng

l p biên, hi u qu truy n nhi t c a bài toán ph thu c vào thông s c u hình bài
toán. Hi n nay, ch a có lý thuy t c th đ có th đánh giá toàn di n v b n ch t c
h c, v t lý, c u trúc đ c tính dòng ch y c a bài toán này, các nghiên c u v n đ này
đ

c đánh giá qua nghiên c u th c nghi m. Trên th gi i, bài toán v c u hình

dòng này r t đ

c quan tâm nghiên c u. Tuy nhiên vi c nghiên c u, phân tích đánh

giá c u hính dòng phun tia tác đ ng tr c giao lên b m t và ng d ng c a nó trong
th c t v n còn h n ch

Vi t Nam.

Vi c nghiên c u này r t quan tr ng không nh ng đ a ra các ph

ng án thi t

k t i u, nâng cao hi u su t truy n nhi t mà còn t o ti n đ thúc đ y các ngành
khác phát tri n. Chính vì v y tôi xin đ xu t đ tài “Nghiên c u dòng tia tác đ ng
vuông góc lên b m t ng d ng trong h th ng làm mát chu trình kín”
2. M c đích c a đ tài
- Nghiên c u c s lý thuy t v dòng phun tia tác đ ng tr c giao lên b m t,
phân tích b n ch t v t lí, b n ch t c h c, các thông s c u hình, các đ c tính dòng
trong dòng phun tác đ ng tr c giao lên b m t.
- Dùng ph n m m đ mô ph ng m t c u hình c th v dòng phun ng p tác
đ ng lên b m t ph ng.

- N m rõ c s lý thuy t dòng phun tia, mô hình dòng trong m t s tr

ng

h p, t đó đ a ra các bi n pháp nâng cao hi u qu truy n nhi t trong các h th ng
làm mát.
3.

it

ng và ph m vi nghiên c u
it

ng nghiên c u c a đ tài lu n v n là bài toán dòng phun tia phun

ng p, tác đ ng vuông góc lên b m t ph ng
Ph m vi nghiên c u: Nghiên c u lý thuy t, mô ph ng bài toán dòng phun
ng d ng trong h th ng làm mát
4. Cách ti p c n và ph

ng pháp nghiên c u

- Cách ti p c n
Ti p c n b ng cách tr c ti p ho c gián ti p thông qua các t ch c, cá nhân
khoa h c hay các ph

ng ti n thông tin đ i chúng; Qua các k t qu nghiên c u

phân tích trên th gi i c ng nh trong n

c đã công b , k t h p tìm hi u, thu th p

và phân tích đánh giá các tài li u có liên quan. Kh o sát h th ng có s n đ mô
ph ng
- Ph

ng pháp nghiên c u

+ Ph

ng pháp nghiên c u lý thuy t k t h p s d ng mô hình toán và ph n

m m ng d ng.
+ Trên c s lý thuy t c b n, l a ch n các bài toán đ n gi n và s d ng ph n
m m đ mô ph ng bài toán chuy n đ ng, truy n nhi t c a ch t l u.


1

CH

NG 1 – GI I THI U CHUNG

1.1 Gi i thi u chung v dòng phun
1.1.1 Dòng phun tia và các ng d ng c a dòng phun tia
Dòng phun tia có th đ

c đ nh ngh a đ n gi n nh m t dòng l u ch t có

nhi t đ th p ho c cao thoát ra t m t l , khe v i v n t c cao tác đ ng lên b m t
c ng có nhi t đ khác v i nhi t đ l u ch t. Dòng l u ch t t vòi phun khi tác đ ng
vào b m t s giúp quá trình truy n nhi t đ

c di n ra nhanh h n và hi u su t cao

h n.

Hình 1.1 Dòng phun tia
Hi n nay, dòng phun tia đang đ

c ng d ng r ng rãi trong các ng d ng

công nghi p nh h th ng làm mát và h th ng s y. Khi tác đ ng vào b m t nó có
kh n ng lo i b m t l

ng nhi t l n trên di n tích b m t t

ng đ i nh . Thêm vào

đó, m t trong nh ng u đi m n i b t c a dòng phun tia đó là nó có kh n ng đi u
ch nh và ki m soát hi u su t truy n nhi t b ng cách đi u ch nh các thông s thi t k
nh biên d ng b m t, t c đ phun, kho ng cách t vòi phun t i b m t và ch t l ng
s d ng…kh n ng truy n nhi t có th đ
đ

c t ng c

ng. Vì v y dòng phun đang

c s d ng r t ph bi n trong các ng d ng công nghi p, trong hình 1.2 mô t

m ts

ng d ng ph bi n c a dòng phun tia nh : làm mát cánh tuabin, làm mát

trong s n xu t thép, làm mát linh ki n đi n, đi n t , CPU máy tính (trong các máy
tr m). Ngoài ra trong quân s dòng phun tia đ
l a, sàn tàu sân bay, g

c s d ng đ làm mát b phóng tên

ng ph n x v khí lazer, trong y t nó đ

mát thi t b ch p X-quang, s y khô gi y, v i và

th y tinh.

c dùng đ làm


2

1.1.2 T ng quan các k t qu nghiên c u trong n

c và trên th gi i.

1.1.2.1 Các nghiên c u t i Vi t Nam
Hi n nay, t i n

c ta khái niêm v dòng phun tia còn khá m i m nên vi c ti p

c n nghiên c u v lý thuy t c ng nh th c nghi m v dòng phun tia r t ít. Do đi u
ki n thí nghi m còn h n ch nên vi c nghiên c u th c nghi m v dòng phun tia là
không có. Do đó, t i Vi t Nam ch y u là các nghiên c u v dòng phun tia đ u
b ng cách s d ng ph n m m đ mô ph ng bài toán và so sánh v i các k t qu th c
nghi m đã đ

c công b

các bài báo, lu n án c a các tác gi trên th gi i. Vi c

mô ph ng b ng ph n m m nên k t qu thu đ

c ph thu c vào r t nhi u y u t

nh : đi u ki n bài toán, thu t toán...Tuy nhiên v i s phát tri n c a ngành khoa h c
máy tính, các ph n m m th

ng m i phát tri n r t m nh nên các k t qu thu đ

ct

vi c mô ph ng đã r t g n v i k t qu thí nghi m và c s lý thuy t.
Hi n t i, trong n

c đã có nh ng nghiên c u v dòng phun tia sau:

- Nguy n Quang Minh, H Tr n Anh Ng c [1] mô ph ng truy n nhi t b ng
ph n m m đ ng l c h c ch t l ng tính toán START – CCM+ . Trong nghiên c u

này các tác gi đã s d ng ph n m m START – CCM+ đ mô ph ng quá trình
truy n nhi t s d ng dòng phun tia. Trong nghiên c u này ch t p trung vào mô
ph ng 1 bài toán th c nghi m, các tác gi không đi sâu nghiên c u c u trúc dòng
ch y trong ng c ng nh dòng ch y trên t

ng ch n c a dòng phun tia. Vì v y,

nghiên c u này ch d ng l i đ a ra s so sánh tr s Nusselt gi a k t qu mô ph ng
và th c nghi m.
- Nguy n H u Huy, Nguy n T

ng Long [2] nghiên c u tr

phun r i ba chi u. Bài báo cáo này trình bày k t qu mô ph ng tr
tia phun r i ba chi u, đ ng th i cho th y s t

ng đ ng l c tia
ng đ ng l c c a

ng tác gi a các tia phun đ t g n

nhau b ng ph n m m Ansys. Nghiên c u này đã th hi n đ

c quá trình chuy n

đ ng, đ phát tri n c ng nh d ng lan to c a tia phun trong môi tr
đ ng c ng nh s t

ng t nh và

ng tác gi a các tia phun đ t g n nhau. Biên d ng v n t c, qui


3

lu t phân b v n t c d c tr c tia phun tính toán đ

c khá phù h p v i các k t qu

thí nghi m đã công b .
- Bùi V n Ga, Ph m Th Kim Loan [3] so sánh tr

ng t c đ c a tia phun r i,

khu ch tán theo mô hình tích phân và code CFD đa ph

ng Fluent 6.0. Nghiên c u

này ch ra r ng k t qu so sánh giá tr v n t c gi a 2 mô hình nh h n 10% khi s
Reynold

mi ng vòi phun nh h n 5000.

Nói chung các nghiên c u trong n

c m i ch d ng l i

vi c đ a ra k t qu

so sánh t mô hình mô ph ng v i các k t qu th c nghi m. Các nghiên c u đ

c

th c hi n v i nh ng đi u ki n phun khác nhau c a dòng phun tia, đ c bi t dòng
phun tia ng d ng trong h th ng làm mát chu trình kín ch a đ
th v đ c tính dòng ch y trong ng c ng nh dòng ch y trên t

c nghiên c u c
ng ch n. Tuy

nhiên các nghiên c u trong này c ng ch ra r ng vi c nghiên c u mô ph ng b ng
ph n m m cho ta k t qu t
c us đ

ng đ i t t so v i k t qu t th c nghi m, vi c nghiên

c rút ng n th i gian, gi m.

Bài toán dòng phun tia ng d ng trong h th ng làm mát là m t bài toán ph c
t p, vi c nghiên c u b ng th c nghi m là không kh thi t i n

c ta do đi u ki n c

s thí nghi m còn thi u. Nên trong th i gian t i nh ng nghiên c u v dòng phun tia
v n ti p t c nghiên c u b ng cách s d ng ph n m m mô ph ng và so sánh k t qu
v i các nghiên c u đã đ

c công b trên th gi i.

1.1.2.2. Các nghiên c u trên th gi i

Do kh n ng ng d ng khá r ng trong nhi u l nh v c k thu t nên dòng phun
tia đang r t đ

c quan tâm nghiên c u trên th gi i. ã có hàng ngàn nghiên c u và

tài li u đánh giá v dòng phun tia tác đ ng lên b m t đ

c công b trong h n 50

n m qua. N i b t nh t là bài đánh giá c a Martin (1977) [4], bài đánh giá này cung
c p nh ng th o lu n chung v tính ch t c a dòng phun tia, s phân b h s Nu v
truy n nhi t và m t phân tích v kho ng cách t i u gi a các vòi phun trong bài
toán làm mát theo m ng.


4

Hình 1.2

ng d ng c a dòng phun tia

Han và Goldstein [5] trình bày m t đánh giá v truy n nhi t trong h th ng làm mát
tua bin khí. H đã ti n hành nghiên c u đ c tính dòng ch y t i nh ng v trí khác
nhau cho 2 tr

ng h p bài toán dòng phun tia ng p và bài toán dòng phun t do.

Ngoài ra, h c ng đã th o lu n v các đ c tính truy n nhi t c a c hai tr
trên s d ng m t vòi phun và tr

ng h p

ng h p s d ng nhi u vòi phun. H c ng đã xem

xét các thông s quan tr ng đ i v i h th ng tua bin khí bao g m c đ cong b m t
và góc t n.
Jambunathan và các c ng s [6] t p trung hoàn toàn vào 1 dòng phun tia đ n.
Bài báo đánh giá này không ch t p trung vào s truy n nhi t mà còn nghiên c u v
hi n t

ng xoáy c a dòng phun tia.

Dano và các c ng s [7] đã nghiên c u nh h

ng c a hình h c vòi phun đ n

đ c tính dòng ch y và hi u su t truy n nhi t.. Hyung Hee Cho [8] đã nghiên c u
các ng d ng c a dòng phun tia trong công nghi p.
M t s nghiên c u b ng mô ph ng c ng đ

c th c hi n b i các tác gi Polat

và các c ng s [9], Zuckerman và Lior [10]. Polat và c ng s đã th o lu n v dòng
phun ch y t ng. Tuy nhiên h u h t các ng d ng công nghi p đ u s d ng vòi phun
ch y r i nên các nghiên c u v sau ch t p trung vào dòng phun ch y r i.


5

Ph

ng pháp mô ph ng dòng ch y r i b ng cách tính toán tr c ti p các

thông s trung bình c a dòng ch y và các thành ph n dao đ ng c a l u t c và áp
su t (DNS) g n đây đã đ

c th c hi n b i Chung và Luo [11]. H đã th c hi n mô

ph ng v i 3 giá tr Re là 300,500 và 1000, H nh n th y r ng đ c tính truy n nhi t
không n đ nh là khá m nh và t

ng đ ng v i đ ng h c xoáy c a dòng phun tia.

1.2. M c đích c a đ tài nghiên c u
Nh chúng ta đã bi t thì dòng phun tia có kh n ng ng d ng trong nhi u
thi t b k thu t. Tuy nhiên bài toán dòng phun tác đ ng khá ph c t p, nó là đ

c

c u thành b i nhi u bài toán nh dòng l p biên, dòng ch y trong ng và dòng phun
t do. Ngoài ra, v i m i c u hình bài toán khác nhau thì tr
c ng s khác nhau.
và đ a ra ph

ng dòng ch y, đ c tính

i v i bài toán dòng ch y trong ng c ng đã đ

ng cách gi i quy t d

i d ng lý thuy t thông qua các ph

c nghiên c u
ng trình vi

phân đ o hàm riêng. Tuy nhiên. hi n t i v n ch a có lý thuy t c th nào đ có th
gi i quy t đ

c t h p các bài toán này.

h u h t là dùng ph

đánh giá đ c tính b n ch t bài toán này

ng pháp nghiên c u th c nghi m. T i n

c ta đây là m t v n

đ m i hi n ch a có nghiên c u lý thuy t c ng nh th c nghi m c th v v n đ
này.

có n n t ng c b n v v n đ này thì vi c nghiên c u th c nghi m là r t c n

thi t, nh ng vi c nghiên c u th c nghiêm là không kh thi do đi u kiên thí nghi m
trong n

c còn h n ch . Chính vì v y trong n i dung nghiên c u c a lu n v n tôi s

nêu c s lý thuy t c a c u hình bài toán dòng phun, sau đó s d ng ph n m m mô
ph ng đ mô ph ng bài toán dòng phun tia, t đó đ a ra s so sánh gi a k t qu mô

ph ng và k t qu th c nghi m đã đ

c nghiên c u và công b .

1.3. N i dung chính c a đ tài nghiên c u
Do bài toán dòng phun tia là bài toán khá ph c t p, đ có hi u qu truy n
nhi t cao bài toán ph thu c vào r t nhi u y u t nh ; kho ng cách phun, v n t c
phun, lo i ch t l u, biên d ng b m t, đ

ng kính hình d ng vòi phun. Tuy nhiên,

trong nghiên c u này ch t p trung vào các m c tiêu sau:


6

1. Nghiên c u c s lý thuy t v đ c tính dòng ch y, truy n nhi t trong bài
toán làm mát s d ng dòng phun ng p tác đ ng lên b m t ph ng
2. Mô ph ng bài toán dòng phun b ng ph n m m ANSYS FLUENT t i hai giá
tr 2 giá tr h s Reynolds, Re = 23000 và 70000 t i kho ng cách không th
nguyên H/D =2 và 6.
ánh giá so sánh k t qu các tr

3.

d ct

ng ch n và v n t c t i vùng phun t do v i k t qu thí nghi m.

ánh giá đ ng n ng r i t i các tr

4.

ng h p v : thành ph n v n t c trong ng,

ng h p.

5. Mô t s phân b truy n nhi t trên t m ph ng qua tr s Nusselts t i các
tr

ng h p đ

c mô ph ng


7

CH

NG 2 - C

S

LÝ THUY T V DÒNG PHUN TÁC

NG VUÔNG

GÓC LÊN B M T
2.1 Gi i thi u v dòng phun tác đ ng tr c giao lên b m t c ng
2.1.1 C u trúc dòng phun

V đ c tính dòng phun đ

c phân bi t b ng 2 d ng phun khác nhau: Dòng

phun chìm (hay dòng phun ng p) và dòng phun không chìm (Hình 2.1). N u ch t
l u ch y ra kh i mi ng vòi đ
t
tr

ng t dòng phun thì nó đ
ng n

c phun vào môi tr

ng ch t l u có tính ch t v t lý

c g i là dòng phun chìm (ví d phun n

c) và n u ch t l u ch y ra t mi ng vòi đi vào môi tr

tính ch t khác v i tính ch t l u

dòng phun thì đ

còn g i là dòng phun hai pha (ví d phun n

c vào môi

ng xung quanh có

c g i là dòng phun t do hay

c vào trong môi tr

ng không khí)

Hình 2.1 a) dòng phun chìm b) dòng phun t do
ng l c h c ch t l u c a hai tr ng h p này là khác nhau. Trong tr ng h p
vòi phun chìm m t t ng tr t đ c hình thành t i v trí phân cách gi a môi tr ng
ch t l u xung quanh và ch t l u phun ra t vòi phun, t ng tr t này không n đ nh
và nó t o ra s r i lo n. Trong tr

ng h p dòng phun t do thì t ng tr

t này không

quan tr ng vì nó không có m t tác đ ng đáng k nào t i dòng phun.
Ngoài ra còn có m t s phân bi t c th h n gi a 2 d ng phun ng p và phun
t do (hình 2.2). Lo i th nh t, đó là dòng phun đ
h n ch v kích th

c phun vào m t không gian b

c. Lo i th 2 đó là dòng phun đ

không b h n ch các kích th

c phun vào môi tr

ng

c. Trong các ng d ng công nghi p thì dòng phun b


8

h n ch trong không gian phun đ

c s d ng nhi u trong công nghi p, tr

ng h p

này dòng ch y s chuy n đ ng tu n hoàn xung quanh vòi phun.

Hình 2.2 a)tia phun không b h n ch b) Tia phun b h n ch
phân bi t c u hình các tr

ng h p c a dòng phun tia ng

i ta còn xem xét

đ n hình d ng c a c a ra vòi phun. Trong th c t đ phù h p vào t ng tr

ng h p

c th thì hình d ng vòi phun có các d ng ph bi n nh : d ng tròn, d ng côn m
r ng và thu h p và d ng hình vuông. Nh ng thông s hình h c này có nh h
l n đ n hi u qu truy n nhi t. Trong công nghi p các b m t c n đ

ng r t

c làm mát hay

s y r t l n n u ch s d ng m t vòi phun thì s không đáp ng đ

c. Trong tr

h p này, ng

i, và dòng ch y

i ta s k t h p nhi u dòng phun b trí d

c a ch t l ng trong tr

ng h p này là khá ph c t p.

Hình 2.3 C u hình dòng phun

i d ng l

ng


9

Nh đã đ c p

trên đ i v i bài toán dòng phun tia có r t nhi u c u hình khác

nhau. Tuy nhiên, trong lu n v n này ch nghiên c u v dòng phun ng p tác đ ng
vuông góc lên b m t ph ng. Hình 2.3 mô t c u hình dòng phun thoát ra t vòi
phun tác đ ng lên b m t c ng ph ng (t
đ

ng ch n).Vòi phun có đ

ng kính D và

c đ t cách b m t c ng kho ng cách là H, ch t l ng thoát ra v i v n t c U.

đây dòng ch y khi ra kh i vòi phun là dòng đã phát tri n hoàn toàn và
tr ng dòng tia khi thoát kh i đ ng ng tác đ ng vào b m t đ c chia thành ba
vùng chính, và đ c th hi n trong hình 2.4 g m:

Hình 2.4 Các khu v c dòng ch y c a bài toán dòng phun tia
•

Vùng dòng phun t do: là vùng mà dòng ch y v a ra kh i vòi phun nh ng

ch a tác đ ng vào b m t chính, vì v y t

ng ch n không nh h

ng đ n tr

dòng ch y.

Hình 2.5 C u trúc dòng phun t i vùng phun t do

ng


10

Hình 2.5 cho ta th y trong khu v c dòng phun t i vùng phun t do đ

c chia

làm 3 vùng g m: Vùng lõi ti m n ng, vùng dòng ch y đang phát tri n và vùng dòng
ch y phát tri n hoàn toàn
T i vùng lõi ti m n ng c u trúc dòng phun t i v trí này còn đ

c chia làm 2

vùng nh :
- Vùng lõi là n i dòng ch y c b n v n duy trì v n t c ban đ u c a nó khi ra
kh i vòi phun, đây là vùng không ch u nh h
ch t gi a dòng phun và môi tr

ng c a quá trình trao đ i l

ng và

ng xung quanh. Lõi c a dòng phun thu h p d n

theo chi u dài c a nó. Qua hình 2.5 ta có th th y r ng vùng lõi có hình d ng là m t
nón tròn xoay, v i ti t di n ngang nh nh t khi

xa vòi phun nh t. Vùng này ch

kéo dài t i m t giá tr xác đ nh r i bi n m t.
- Vùng xáo tr n là vùng bao quanh vùng lõi, t i vùng này ch t l ng xu t phát
t vòi phun s t

ng tác, trao đ i ch t và n ng l

ng v i l u ch t

môi tr

ng

xung quanh. Chính vì đi u này t i vùng này s hình thành xoáy nh mô t trong
hình 2.3.
Ti p theo c a vùng dòng lõi ti m n ng là khu v c dòng ch y đang phát tri n
v i đ c tính m i và khi t i m t kho ng cách nh t đ nh dòng ch y tr thành dòng
phát tri n đ y đ . Tuy nhiên trong h u h t các bài toán v dòng phun tia trong th c
t thi kho ng cách H/D quá nh đ cho dòng phun có đ c 3 vùng này đ u xu t
hi n, ch y u là vùng lõi ti m n ng là xu t hi n.
• Vùng tác đ ng là khu v c mà dòng phun tác đ ng tr c ti p lên b m t (t
ch n). T i đây, dòng phun bu c ph i thay đ i đ t ng t c a h

ng chuy n đ ng. V n

t c t i chính gi a đi m mà dòng phun tác đ ng vào b m t s b ng không.
này đ

ng
i m

c g i là đi m d ng.

• Vùng dòng ch y trên t

ng ch n là khu v c dòng ch y r i kh i khu v c tác

đ ng và phát tri n thành m t dòng m i ch y d c theo b m t. Dòng ch y ban d u
ch y t ng sau đó chuy n sang ch đ ch y r i.


11

2.1.2 nh h

ng c a hình d ng vòi phun t i c u trúc dòng phun tia

Hình d ng vòi phun nh h

ng m nh m t i biên d ng v n t c c ng nh đ

r i c a dòng ch y t i l i ra c a vòi phun. Có r t nhi u nghiên c u v hình d ng vòi
phun ví d nh : vòi phun d ng khe h p, d ng cánh... Nhi u d ng vòi phun khác n a
c ng đ

c nghiên c u, tuy nhiên trong lu n v n này chúng ta ch t p trung vào d ng

vòi có ti t di n c t ngang là hình tròn. Trong các nghiên c u tr
c a vòi phun ti t di n ngang là hình tròn đ
ng và d ng ng côn thu nh

c đây thì hình d ng

c chia làm 3 lo i chính; d ng l , d ng

đ u ra. Hình 2.6 mô t ba d ng vòi phun có ti t di n

ngang là hình tròn, trong hình 2.6 c ng mô t biên d ng v n t c sau khi ra kh i vòi
phun và biên d ng đ ng n ng r i c a 3 tr
Vòi phun d ng ng (hình 2.6a) ít đ
kích th

ng h p vòi phun này.
c s d ng trong công nghi p do yêu c u

c l n h n so v i d ng l . Nh ng chúng v n đ

c s d ng đ nghiên c u

b i vì đ i v i vòi phun có d ng ng thì vi c nghiên c u đ c tính dòng ch y s d
dàng h n, đ c tính dòng ch y s là ch y t ng hay r i đ u ph thu c vào h s
Reynolds. Tuy nhiên khi đ chi u dài đ dòng ch y phát tri n đ y đ thì h s
Reynoylds ch là tham s đ tính toán v n t c dòng ch y.

i v i d ng ng biên

d ng v n t c t i c a ra có d ng nh 1 prabol có đ nh tù th hi n cho dòng phát tri n
hoàn toàn trong ng, đ ng n ng r i bi n đ ng m nh t i vùng g n sát thành ng do
ma sát gi a l u ch t và thành ng.
Vòi phun d ng côn (hình 2.6b) t o ra biên d ng v n t c g n nh b ng nhau

t i c a vòi phun, đ i v i d ng côn này ta th y r ng đ ng n ng r i phân b đ ng
nh t trên toàn m t c t ngang dòng ch y.

Hình 2.6 a) vòi phun d ng ng; b) vòi phun d ng ng côn c) vòi phun d ng l


12

D ng l (Hình 2.6c) đ
Dòng ch t l ng đ

c s d ng nhi u trong nhi u ng d ng công nghi p.

c cung c p t 1 ngu n t ng sau đó đ

trên m t t m ph ng m ng. Dòng ch y qua l này có đ
đ

ng kính l và v n t c

ng kính th y l c nh h n

c nh l n h n t i tâm. Trong tr

l và vòi phun d ng côn có cùng đ

c thoát qua các l nh

ng h p vòi phun d ng

ng kính thì v n t c trung bình c a vòi phun

d ng l s l n h n. i u này do hi u ng thu h p (vena contracta effect), đ ng n ng
r i c ng l n nh t t i c nh do s s c c nh c a l .
2.2 Tác đ ng truy n nhi t c a dòng phun tia
Trong bài toán dòng phun tia thì ph
ph

ng pháp truy n nhi t

đây chính là

ng pháp truy n nhi t đ i l u. Truy n nhi t đ i l u t t m ph ng mang nhi t có

th đ

c mô t b ng đ nh lu t Newton. S chênh l ch nhi t đ gi a nhi t đ t m

ph ng và nhi t đ ch t l ng là nguyên nhân c a quá trình đ i l u

=
qw h(Twall − T jet )

(2-1)

Trong đó:
q w – thông l ng nhi t truy n qua t m ph ng
T jet – là nhi t đ dòng ch t l ng t vòi phun
T wall – là nhi t đ t m ph ng
h – h s truy n nhi t đ i l u

Hình 2.7 Mô hình truy n nhi t đ i l u trong bài toán dòng phun
H s Nusselts là thông s quan tr ng và đ

c s d ng r ng rãi trong truy n

nhi t nh m t giá tr không th nguyên c a h s truy n nhi t, và thông s này


13

đ

c dùng đ đánh giá t c đ và hi u qu truy n nhi t.

ngh a

đây s Nusselt đ

c đ nh

d ng t ng quát nh sau:

Nu =

hD
k

(2-2)

Trong đó:
D – là đ

ng kính vòi phun

h – h s truy n nhi t
k – h s d n nhi t
Tuy nhiên đ i v i m i bài toán c th thì h s Nusselt ph thu c vào hình d ng
hình h c, v n t c dòng ch y, tính ch t v t lý c a ch t l ng. Theo m t cách khác h
s Nusselt s ph thu c vào các thông s nh : h s Reynols, h ng s Prandtl, và
hình d ng hình h c.

Nu = α1 Reα 2 Prα3 f (geometry)
đây

1,

2

và

3

(2-3)

là nh ng h ng s ph thu c vào ch đ dòng ch y (ch y r i,

chuy n ti p và ch y t ng), và f là m t hàm ph thu c vào đi u ki n hình h c c a mô
hình.

i v i bài toán dòng phun tia thì f đ

c tính qua kho ng cách không th

nguyên H/D.
H s Reynolds đ

c đ nh ngh a là:
Re =

U .D

(2-4)

ν
Trong đó: U - v n t c dòng ch y trong ng

v – h s nh t đ ng
H s Prandt là đ nh t không th nguyên đ c tr ng cho tính ch t v t lý c a l u
ch t

Pr =

ν
; – là h s d n nhi t c a l u ch t (m2/s)
α

(2-5)

Vi c truy n nhi t s d ng dòng phun tia ph thu c vào r t nhi u thông s , và

c ng có r t nhi u nghiên c u v v n đ này. D
lý thuy t v

nh h

i đây là m t đánh giá mô t c s

ng c a đi u ki n hình h c nh h

c a dòng phun tia trong ng d ng làm mát.

ng đ n hi u qu truy n nhi t


14

•

nh h

ng c a kho ng cách t vòi phun t i b m t t m ph ng

Hình 2.8 S phân b xuyên tâm t c đ truy n nhi t c a Baughn và Shimizu [12]
Baughn và Shimizu [12] đã nghiên c u các đ c tính truy n nhi t c a vòi phun
không khí phun t m t đ
nh h

ng ng dài và tác đ ng đ n b m t. H đã nghiên c u

ng c a kho ng cách vòi phun d a trên h s Nusselts. Hình 2.8 trình bày s

phân b h s Nu theo ph

ng h

ng tâm v i h s Reynolds đ

23750. H s Nu trên t m ch n đ
không th nguyên đ
(r/D), và

c xây d ng nh m t hàm c a kho ng cách

c tính t đi m d ng theo h

đây 4 giá tr (H/D) đ

h p đ u l n nh t t i đi m d ng.

c tính toán Re=

ng xuyên tâm d c theo t m ch n

c kh o sát. Nhìn chung, tr s Nu

c 4 tr

ng

i u này có cho ta th y t i chính gi a khu v c tác

đ ng thì hi u qu làm vi c là cao nh t, tr s Nu gi m d n khi kho ng cách t đi m
d ng càng l n.

i u này có th đ

c gi i thích nh sau: Ta coi ch t lòng chuy n

đ ng t vòi phun t i b m t nh nh ng c t ch t l ng đ

c th hi n trong hình 2.9.

T i khu v c tác đ ng nh ng c t ch t l ng này tác đ ng m nh vào b m t sau đó đ i
h

ng t ng t c và chuy n đ ng ra xa đi m d ng, khi va ch m dòng ch y va ch m

m nh vào t

ng d n đ n hi u qu truy n nhi t cao. Tuy nhiên, khi đi xa đi m d ng

do s hình thành l p biên nhi t trên t

ng ch n, v n t c c a vòi phun gi m d n khi

đi xa đi m d ng nên hi u qu truy n nhi t s gi m đi xa đi m d ng.