Mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp cummins NTA855M

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ HUY HÀ

MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA
ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP CUMMINS NTA855M

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ HUY HÀ

MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA
ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP CUMMINS NTA855M
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

60520116

Quyết định giao đề tài:

942/QÐ-ÐHNT ngày 26/9/2014

Quyết định thành lập HÐ:

1046/QÐ-ÐHNT ngày 10/11/2015

Ngày bảo vệ:

30/11/2015

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. TRẦN GIA THÁI
Chủ tịch Hội đồng:
PGS.TS. QUÁCH ĐÌNH LIÊN
Khoa sau đại học:
HOÀNG HÀ GIANG
KHÁNH HÒA - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Mô phỏng số quá trình cháy của động
cơ tăng áp Cummins NTA855M ” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chƣa
từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, Ngày

tháng 10 năm 2015

Tác giả luận văn

iii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của quý phòng
ban trƣờng Ðại học Nha Trang, Khoa Kỹ thuật giao thông, Khoa Sau đại học đã tạo
điều kiện tốt nhất cho tôi đƣợc hoàn thành đề tài. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến PGS.TS. Trần Gia Thái, ngƣời thầy đã hƣớng dẫn, định hƣớng, truyền đạt
những kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp tôi hoàn thành đề tài này.
Xin chân thành cảm các quý thầy cô trực tiếp giảng dạy chƣơng trình cao học và
quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ luận văn đóng ghóp cho bản thân những ý kiến,
những luận cứ khoa học để bản thân tôi hoàn thiện hơn về chuyên môn và có khả năng
nghiên cứu tiếp theo, cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Khoa Cơ điện - Học viện Hải
quân đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành đề tài này.
Cảm ơn Đại lý CUMMINS BÌNH THỊNH Hòn Rớ, Phƣớc Đồng, Nha Trang,
Khánh Hòa tạo điều kiện cho tôi đƣợc đo đạc thực tế các thông số kết cấu động cơ
phục vụ thực hiện đề tài này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã giúp
đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, Ngày

tháng

Tác giả luận văn

iv

năm 2015

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iii
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................... v
DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................. vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... x
DANH MỤC HÌNH......................................................................................................xi
DANH MỤC ĐỒ THỊ ................................................................................................. xv
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN .........................................................................................xvi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
Chƣơng 1. PHẦN TỔNG QUAN ................................................................................ 2
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................................... 2
1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ............................................ 4
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ........................................................................ 4
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ......................................................................... 5
1.3. MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..... 7
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 7
1.3.2. Đối tƣợng và khách thể nghiên cứu ..................................................................... 7
1.3.3. Phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu .................................................................. 7
1.4. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU .............................................................. 9
1.4.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Cummins NTA855M ........................ 9
1.4.2. Đặc điểm cấu tạo chung của động cơ ................................................................. 10
Chƣơng 2. MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN........................................... 15
2.1. CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL ................................ 15
2.1.1. Các giai đoạn của quá trình cháy động cơ Diesel............................................... 15
2.1.2. Đặc điểm của quá trình cháy động cơ Diesel ..................................................... 18
2.1.3. Những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cháy động cơ Diesel............................. 21
2.2. TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ ................................................................................. 24
2.2.1. Các yêu cầu khi tăng áp cho động cơ ................................................................. 24

2.2.2. Các chế độ chuyển tiếp động cơ ........................................................................ 26
v


2.3. CFD VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ...................... 27
2.3.1. Khái niệm và các phƣơng trình chủ đạo của CFD ............................................. 27
2.3.2. Lý thuyết về điều kiện biên ................................................................................ 30
2.3.3. Lƣới chia trong CFD .......................................................................................... 36
2.4. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CFD- ANSYS FLUENT ........................................... 41
2.4.1. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent ................................................................... 41
2.4.2. Một số mô hình chảy rối trong ANSYS FLUENT ............................................. 43
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ..................................................................................... 46
Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 47
3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ ............................................ 48
3.1.1. Khảo sát kết cấu thực tế của buồng đốt động cơ NTA855M.............................. 49
3.1.2. Xây dựng mô hình buồng đốt 3D của động cơ khảo sát..................................... 51
3.2. CHIA LƢỚI MÔ HÌNH TRONG ANSYS WORKBENCH ................................. 53
3.3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ NTA855M ................................. 56
3.3.1. Khởi động chƣơng trình ANSYS FLUENT ....................................................... 56
3.3.2. Nhập và thiết lập thuộc tính mô hình chia lƣới buồng đốt trong Fluent ............. 57
3.3.3. Thiết lập thuộc tính cho lƣới động - Dynamic Mesh.......................................... 61
3.3.4. Thiết lập điều kiện biên tuần hoàn. .................................................................... 63
3.3.5. Thiết lập sự kiện cho lƣới động ......................................................................... 65
3.3.6. Sử dụng mã lệnh UDF thiết lập dòng nhiên liệu xoáy ban đầu cho động cơ ...... 66
3.3.7. Giải bài toán....................................................................................................... 69
3.4. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP................. .80
3.5. THẢO LUẬN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................................. .84
3.5.1. Về mặt định tính ................................................................................................ 84
3.5.2. Về mặt định lƣợng ............................................................................................. 85
Chƣơng 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................ 86

4.1. KẾT LUẬN .......................................................................................................... 86
4.2. KHUYẾN NGHỊ .................................................................................................. 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 88

vi


DANH MỤC KÝ HIỆU
Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình của không khí
CV: Nhiệt dung riêng đẳng tích trung bình của không khí
D: Đƣờng kính xi lanh
e: Nội năng (độ phân tán động năng rối)
fx, fy, fz: Các thành phần lực theo phƣơng x, y, z
gi: Lƣợng nhiên liệu đƣợc phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ
ge: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
gct: Lƣợng nhiên liệu cấp cho chu trình
Gk : Động năng chảy rối do gradient vận tốc trung bình
Gb : Động năng chảy rối do lực đẩy
i: Số xi lanh của động cơ
k: Động năng rối của dòng khí (trong lý thuyết CFD)
n: Tốc độ quay trục khuỷu động cơ
Ne: Công suất của động cơ
pz: Áp suất cháy cực đại
pc: Áp suất cuối quá trình nén
pk: Áp suất khí tăng áp
p0: Áp suất môi trƣờng
p3: Áp suất khí thải đầu vào tuabin
p4: Áp suất khí thải đầu ra tuabin
q : Lƣợng truyền nhiệt do sự dẫn nhiệt gây ra

Re: Hệ số Reynolds
S: Hành trình piston
Sk: Modul của tỉ số ứng suất tensor động học

vii


Sε: Modul của tỉ số ứng suất tensor khuyếch tán
t: Thời gian
ti: Thời gian cháy trễ
T: Nhiệt độ khí
T1: Nhiệt độ của không khí vào máy nén
T3: Nhiệt độ khí thải đầu vào tua bin
Tz: Nhiệt độ cháy cực đại
Tc: Nhiệt độ cuối quá trình nén
Tk: Nhiệt độ của môi chất sau khi qua máy nén
ui: Thành phần vận tốc rối (phân tán)
Vc: Thể tích buồng đốt
vi: Các thành phần vận tốc theo các phƣơng x,y,z
Vh: Thể tích công tác của xi lanh


V : Trƣờng véc tơ vận tốc dòng chảy
V: Thể tích kiểm soát dòng chảy
YM: Hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá trị trung bình
i: Góc cháy trễ theo góc quay trục khuỷu
s: Góc phun sớm theo góc quay trục khuỷu
μ: Độ nhớt động lực học của lƣu chất
: Khuyếch tán rối
τ: Số kỳ

τxx, τyy, τzz: Các thành phần ứng suất pháp
τyx, τzy, τzx: Các thành phần ứng suất tiếp
ρ: Trƣờng mật độ chất lỏng (density)
 : Toán tử vector

viii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CAD: Computer-Aided Design (Thiết kế đƣợc sự hỗ trợ của máy tính)
CFD: Computational Fluid Dynamics (Động lực học lƣu chất)
ĐCĐT: Động cơ đốt trong
ĐCT: Điểm chết trên
ĐCD: Điểm chết dƣới
LES: Large Eddy Simulation (Phƣơng pháp mô phỏng xoáy lớn)

ix


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Cummins NTA855M…

9

Bảng 2.1. Tiêu chuẩn về độ lệch……………………………………………...

39

Bảng 2.2. Mô hình rối trong phần mềm Ansys Fluent và phạm vi áp dụng…

44

Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả đo thực tế……………………………………….

50

Bảng 3.2. Các thông số nhập cho hộp thoại Options…………………………

62

Bảng 3.3. Các thông số nhập thiết lập quá trình phun nhiên liệu…………….

68

Bảng 3.4. Thông số nhập cho hộp Initial Values……………………………..

71

x


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Đặc điểm cấu tạo khối thân động cơ………………………………... 10
Hình 1.2. Hình chiếu đứng phía trƣớc động cơ Cummins NTA855M………...

11

Hình 1.3. Hình chiếu đứng phía sau động cơ Cummins NTA855M…………... 12
Hình 1.4. Hình chiếu bằng động cơ Cummins NTA855M……………………. 13
Hình 1.5. Hình chiếu cạnh động cơ Cummins NTA855M…………………….

13

Hình 1.6. Hệ thống nạp của động cơ…………………………………………... 14
Hình 1.7. Hệ thống xả khí……………………………………………………... 14
Hình 2.1. Đồ thị công mở rộng p-φ cho động cơ Diesel………………………. 15
Hình 2.2. Các điều kiện biên cho một vòi hội tụ -phân kỳ……………………

31

Hình 2.3. Các điều kiện biên cơ bản định nghĩa một dòng chảy………………

32

Hình 2.4. Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên inlet……………………

33

Hình 2.5. Thiết lập vận tốc dòng vào và dòng ra biên outlet…………………..

33

Hình 2.6. Mô hình thiết lập điều kiện biên đối xứng…………………………..

35

Hình 2.7. Thiết lập điều kiện biên cho buồng đốt động cơ trong Ansys………

35

Hình 2.8. Mô tả mặt phẳng chia lƣới…………………………………………..

36

Hình 2.9. Các dạng phần tử lƣới chia………………………………………….. 37
Hình 2.10. Mô tả các dạng lƣới chia…………………………………………... 38
Hình 2.11. Mô tả các dạng lƣới chia không cấu trúc…………………………..

38

Hình 2.12. Xác định độ lệch theo phƣơng pháp thể tích………………………

39

Hình 2.13. Xác định độ lệch theo phƣơng pháp độ sai lệch góc………………

39

Hình 2.14. Độ trơn lƣới chia…………………………………………………...

40

Hình 2.15. Các tỷ lệ co dãn của lƣới chia khác nhau………………………….. 40
Hình 2.16. Tỷ lệ co giãn xấp xỉ 1……………………………………………… 40
Hình 2.17. Ứng dụng Fluent trong mô phỏng động lực học chân vịt………….

xi

41

Hình 2.18. Tối ƣu hóa hình dáng mũ quả lê bằng phần mềm Ansys Fluent….

42

Hình 3.1. Trình tự giải bài toán mô phỏng số quá trình cháy động cơ tăng áp
CUMMINS NTA855M bằng phần mềm Ansys Fluent……………………….. 47
Hình 3.2. Các phƣơng án xây dựng mô hình hình học trong Ansys…………... 48
Hình 3.3. Kết cấu đỉnh piston …………………………………………………. 49
Hình 3.4. Đo kích thƣớc piston………………………………………………... 49
Hình 3.5. Đo xi lanh động cơ………………………………………………….. 49
Hình 3.6. Đo thanh truyền……………………………………………………... 49
Hình 3.7. Tổng hợp kết quả đo………………………………………………… 50
Hình 3.8. Bản vẽ kết cấu piston động cơ NTA855M………………………….

50

Hình 3.9. Sơ đồ tăng áp động cơ NTA855M………………………………….. 51
Hình 3.10. Mô hình nắp xi lanh………………………………………………..

51

Hình 3.11. Vẽ phác họa buồng đốt gắn với thông số kết cấu bằng Solidwork... 52
Hình 3.12. Mô hình buồng đốt 3D…………………………………………….. 52
Hình 3.13. Mô hình buồng đốt 3D cắt 1/8……………………………………..

52

Hình 3.14. Mô hình buồng cháy động cơ NTA855M sau khi nhập từ phần
mềm SolidWork sang phần mềm Ansys……………………………………..... 53

Hình 3.15. Thiết lập các miền cho buồng đốt trong Ansys……………………. 54
Hình 3.16. Giao diện chia lƣới trong Ansys Workbench……………………… 54
Hình 3.17. Mô hình lƣới chia trong Ansys Workbench……………………….. 55
Hình 3.18. Hiển thị hộp thoại khi khởi động CMD Shell……………………...

56

Hình 3.19. Giao diện khởi động Fluent bằng đƣờng dẫn……………………… 56
Hình 3.20. Thiết lập thuộc tính chung cho bài toán…………………………… 57
Hình 3.21. Hộp thoại Vicous Model…………………………………………... 58
Hình 3.22. Hộp thoại Species Model…………………………………………..

xii

58


Hình 3.23. Hộp thoại Autoignition…………………………………………….. 59
Hình 3.24. Hộp thoại Discrete Phase Model…………………………………... 59
Hình 3.25. Hộp thoại Reaction………………………………………………… 60
Hình 3.26. Hộp thoại Piecewise-Polynomial………………………………….. 60
Hình 3.27. Hộp thoại Dynamic Mesh………………………………………….

61

Hình 3.28. Hộp thoại Mesh Methods Settings………………………………… 61
Hình 3.29. Nhập các thông số trong hộp thoại Options……………………….. 62
Hình 3.30. Thiết lập lƣới động cho Fluid và Piston…………………………… 63
Hình 3.31. Thiết lập lƣới động cho Head……………………………………… 63
Hình 3.32. Tạo các sự kiện cho lƣới động (Dynamic Mesh Event)…………… 65

Hình 3.33. Thiết lập giá trị cho Preview Mesh Motion………………………... 66
Hình 3.34. Hộp thoại Compiled UDFs………………………………………… 67
Hình 3.35. Hộp thoại Initialization ……………………………………………. 67
Hình 3.36. Hộp thoại thiết lập thuộc tính tia phun - Set Injection
Properties……………………………………………………………………..... 68
Hình 3.37. Hộp Solution Method……………………………………………… 70
Hình 3.38. Hộp Solution Controls……………………………………………... 70
Hình 3.39. Hộp thoại Initial Values……………………………………………

71

Hình 3.40. Hộp thoại Patch……………………………………………………. 71
Hình 3.41. Hộp thoại Iso-Surface……………………………………………… 72
Hình 3.42. Hộp thoại Residual Monitors………………………………………

72

Hình 3.43. Thiết lập chế độ hiển thị đồ thị áp suất (Pressure)…………………

73

Hình 3.44. Thiết lập chế độ hiển thị đồ thị nhiệt độ (Temperature)…………… 74
Hình 3.45. Hộp thoại Autosave………………………………………………... 74
Hình 3.46. Hộp thoại Execute Comand………………………………………... 75

xiii


Hình 3.47. Hộp thoại Run Calculation………………………………………… 75
Hình 3.48. Hộp thoại Contours………………………………………………...

78

Hình 3.49. Hiển thị biểu đồ phân bố áp suất động cơ không tăng áp …………

78

Hình 3.50. Hiển thị biểu đồ phân bố nhiệt độ động cơ không tăng áp...………. 79
Hình 3.51. Hiển thị biểu đồ vận tốc động cơ không tăng áp…………………... 79
Hình 3.52. Hộp thoại Intergrate UDFs ………………………………………... 80
Hình 3.53. Hiển thị biểu đồ phân bố áp suất động cơ tăng áp ……………….

83

Hình 3.54. Hiển thị biểu đồ phân bố nhiệt độ động cơ tăng áp...…………….

83

Hình 3.55. Hiển thị biểu đồ vận tốc động cơ tăng áp…………………............

84

xiv


DANH MỤC ĐỒ THỊ
Biểu đồ 3.1. Biểu đồ Residual (là sai số khép, dung sai) động cơ không tăng áp… 76
Biểu đồ 3.2. Biểu đồ Residual (là sai số khép, dung sai) động cơ tăng áp…..

81

Đồ thị 3.1. Chu trình áp suất cháy động cơ không tăng áp ………………….. 77
Đồ thị 3.2. Chu trình nhiệt độ cháy động cơ không tăng áp………………….

77

Đồ thị 3.3. Chu trình áp suất cháy động cơ tăng áp………………………….. 81
Đồ thị 3.4. Chu trình nhiệt độ cháy động cơ tăng áp…………………………

82

Đồ thị 3.5. Áp suất khí nạp biến thiên theo thời gian đối với động cơ tăng áp….

82

xv


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Tăng áp là một trong các biện pháp hữu hiệu để tăng công suất có ích động cơ.
Thực tế cho thấy, có rất nhiều biên pháp khác nhau để thực hiện tăng áp cho động cơ,
trong đó phƣơng pháp tăng áp bằng tổ hợp tua bin-máy nén áp dụng rộng rãi hiện nay.
Tuy nhiên, hạn chế chính của tăng áp động cơ là làm tăng các giá trị ứng suất nhiệt và
ứng suất cơ, đƣợc thể hiện qua áp suất, nhiệt độ chu trình và sự hình thành hỗn hợp.
Do điều kiện khai thác, tính năng kỹ - chiến thuật của tàu, yêu cầu nhiệm vụ, các tàu
sử dụng động cơ tăng áp thƣờng xuyên phải làm việc ở các chế độ khác nhau (chế độ
ổn định, chế độ không ổn định, chế độ định mức, chế độ quay vòng, chế độ quá tải…).
Khi ở các chế độ này, tổ hợp (tuabin - máy nén) không cấp đủ khí nạp cho động cơ
làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng quá trình hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt và
trực tiếp ảnh hƣởng đến quá trình cháy, dẫn đến không phát huy hết công suất động cơ.

Việc xác định ảnh hƣởng của tổ hợp tua bin - máy nén đến quá trình cháy của động cơ
tăng áp là bài toán phức tạp, do đó cần đặt vấn đề nghiên cứu quá trình cháy diễn ra
trong động cơ tăng áp và đánh giá ảnh hƣởng sự thay đổi áp suất, nhiệt độ chu trình và
sự hình thành hỗn hợp cháy trong không gian phức tạp của buồng đốt khi tổ hợp tuabin
- máy nén không cấp đủ áp suất khí nạp ở các chế độ khai thác khác nhau của động cơ.
Thực tế cho thấy, việc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu vấn đề này là điều rất khó,
thậm chí là không thể thực hiện đƣợc trong điều kiện kỹ thuật nhƣ ở nƣớc ta hiện nay.
Trong trƣờng hợp này, việc nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp số thông qua sử dụng
các phần mềm tính toán động lực học lƣu chất (Computional Fluid Dynamics - CFD)
để mô phỏng quá trình cháy diễn ra bên trong các động cơ tăng áp và sử dụng mô hình
mô phỏng số để giải các bài toán liên quan đang đặt ra là giải pháp hữu hiệu nhất.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
vấn đề mô phỏng trên máy tính đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật.
Các phần mềm CFD xây dựng dựa trên kỹ thuật tính toán động lực học lƣu chất đã cho
phép mô phỏng chuyển động dòng lƣu chất xung quanh vật thể có hình dạng bất kỳ.
Mô phỏng là phƣơng pháp khoa học hiện đại tái hiện lại hoạt động của hệ thống thực
nên rất hiệu quả trong nghiên cứu các hệ thống phức tạp, cơ sở nghiên cứu lý thuyết và
định hƣớng nghiên cứu thực nghiệm, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hệ thống phức tạp,
và kiểm nghiệm kết quả những vấn đề tranh luận hay lý thuyết giả định đã đƣợc đặt ra.

xvi


Mô phỏng số nói chung và mô phỏng số quá trình cháy của động cơ nói riêng
đƣợc hiểu là kỹ thuật xây dựng mô hình quá trình cháy bằng phƣơng pháp số, kết hợp
công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải bài toán dòng lƣu chất bên trong động cơ và
dựa trên cơ sở đó để mô tả, giải thích và dự đoán ảnh hƣởng sự thay đổi của những
thông số đầu vào đến quá trình cháy đang diễn ra trong buồng đốt động cơ nói chung
và ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trƣờng của động cơ nói riêng.
Đối với động cơ tăng áp, mô hình số mô phỏng quá trình cháy còn đƣợc sử dụng trong

phân tích ảnh hƣởng của sự thay đổi lƣợng khí nạp và áp suất khí nạp đến chất lƣợng
quá trình cháy và các thông số đầu ra khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
Sử dụng kết hợp các phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau nhƣ phƣơng pháp điền
dã, phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết cụ thể: Đi thực tế điền dã khảo sát đo đạc kết cấu
buồng đốt động cơ tăng áp Cummins NTA855M tại đại lý Cummins để xây dựng mô
hình tính; Phân tích, lựa chọn mô hình tính phù hợp với quá trình cháy động cơ tăng
áp; Sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng số quá trình cháy động cơ tăng áp.
 Kết quả nghiên cứu
Bài toán mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp Cummins NTA855M
đƣợc giải bằng phƣơng pháp thể tích hữu hạn dựa trên phần mềm CFD Ansys Fluent,
đƣợc tiến hành theo trình tự sau:
- Xây dựng mô hình hình học

Khảo sát và đo thực tế kích thƣớc piston, xilanh hình thành nên buồng đốt của
động cơ NTA855M và dựa trên cơ sở đó xây dựng bản vẽ 2D trong AutoCAD,
sau đó sử dụng phần mềm SolidWork để dựng mô hình 3D toàn bộ buồng đốt,
và cắt 1/8 để khảo sát.
- Chia lƣới

Tiến hành chia lƣới tự động trong Workbench dƣới dạng Hex Dominant để
bảo đảm cho hai mặt biên tuần hoàn, tỉ lệ lƣới và số phần tử lƣới là nhƣ nhau
để thiết lập chế độ lƣới động trong mô phỏng.
- Thiết lập lƣới động và điều kiện biên

xvii


Tiến hành viết mã code cho các điều kiện biên đặc biệt đối với điều kiện biên
ảnh hƣởng của thay đổi áp suất khí nạp, thải khi động cơ làm việc ở các chế độ

chuyển tiếp khi tổ hợp tua bin - máy nén không phát huy đƣợc hết công suất.
- Thiết lập mô hình giải

Phân tích và sử dụng mô hình chảy rối k-ε tiêu chuẩn với dòng đa pha để giải.
Sử dụng thuật toán Coupled PISO, với lời giải dựa trên áp suất tiêu chuẩn
(standar pressure-coupled solver).
Kết quả mô phỏng đã phản ánh đúng yêu cầu bài toán đặt ra, việc xây dựng mô
hình hình học, các điều kiện biên và phƣơng pháp giải là đúng đắn.
 Kết luận và khuyến nghị
- Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và các phần mềm chuyên dùng,

vấn đề tính toán bằng mô phỏng đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong thiết kế,
kiểm nghiệm các máy móc, thiết bị nói chung và động cơ đốt trong nói riêng.
Để mô phỏng đạt đƣợc độ chính xác cao và kết quả sát với thực tế luôn cần
phải lựa chọn đƣợc mô hình tính chính xác và phù hợp.
- Sử dụng phần mềm Ansys Fluent cùng kỹ thuật CFD thực hiện mô phỏng số

quá trình cháy của động cơ tăng áp Cumins NTA855M theo các phƣơng trình
bảo toàn về khối lƣợng, động lƣợng và năng lƣợng kèm theo một số giả thiết
tại vùng biên liên kết.
- Kết quả mô phỏng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết về quá trình cháy đối với

động cơ tăng áp, đặc biệt kết quả cho dƣới dạng 3D rất sinh động và trực quan,
do đó có thể dùng kết quả này phục vụ cho công tác nghiên cứu và đào tạo,
cũng nhƣ phục vụ công tác giảng dạy của bản thân đối với môn học lý thuyết
động cơ đốt trong tại Học viện Hải quân.
- Kết quả nghiên cứu của luận văn là cơ sở quan trọng để mở ra các hƣớng

nghiên cứu mới khi sử dụng lý thuyết CFD để giải quyết nhiều bài toán trong
chuyên ngành động cơ nói riêng và trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau

nói chung nhƣ cơ khí, xây dựng và kỹ thuật giao thông...
- Đã gắn đƣợc mô hình động cơ với mô hình tăng áp thông qua việc xây dựng

thêm một đoạn mã (code) nguồn tích hợp vào phần mềm Ansys Fluent để
xviii


đánh giá ảnh hƣởng của quá trình hòa trộn nhiên liệu đến chất lƣợng quá trình
cháy nói chung và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ nói riêng.
- Xây dựng mô hình tính toán đúng các số liệu cần đo thực nghiệm.
- Lý thuyết CFD vẫn đang là lĩnh vực rất mới và tài liệu về vấn đề này còn rất ít,

các công trình nghiên cứu, tài liệu chính thức in thành sách hầu nhƣ chƣa có.
Các tài liệu về hƣớng dẫn sử dụng phần mềm ANSYS chủ yếu bằng tiếng Anh
đòi hỏi ngƣời sử dụng cần phải có đƣợc trình độ tiếng Anh tốt mới có thể hiểu
và khai thác sử dụng đƣợc phần mềm.
- Cần tổ chức thực nghiệm để đánh giá kết quả nghiên cứu đƣợc trọn vẹn hơn.

 Từ khóa
Động lực học lƣu chất, quá trình cháy, động cơ tăng áp, Computional Fluid
Dynamics

xix


MỞ ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, nguồn động lực chính trong các lĩnh vực về giao thông,
công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, kinh tế, quốc phòng vẫn là động cơ đốt trong,
trong đó, do có những ƣu điểm nổi bật nên động cơ Diesel đƣợc sử dụng rất phổ biến.

Ngành công nghiệp động cơ đốt trong đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và thu
đƣợc những thành tựu đáng kể, đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu của thực tiễn.
Trong những năm qua, do trữ lƣợng nhiên liệu giảm mạnh, sự biến đổi khí hậu trái đất,
nhu cầu nâng cao khả năng và chất lƣợng làm việc nên luôn đặt ra cho những nhà
chuyên môn nhiệm vụ nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ mới vào động cơ.
Ngoài những yêu cầu đối với động cơ nhƣ tăng tuổi thọ, làm việc tin cậy, tiêu thụ ít
nhiên liệu… thì các nhu cầu khác nhƣ tăng công suất tổng, giảm hàm lƣợng các chất
độc hại gây ô nhiễm môi trƣờng… là những hƣớng nghiên cứu đang đƣợc quan tâm.
Nhờ sự phát triển của các ngành khoa học liên quan, ngành động cơ đốt trong cũng có
những bƣớc phát triển vƣợt bậc và đã sử dụng nhiều giải pháp có hiệu quả để đáp ứng
đƣợc các yêu cầu nêu trên, trong đó tăng áp cho động cơ là một biện pháp hữu hiệu.
Tăng áp bằng tuabin khí đáp ứng tốt các yêu cầu trên nên đang đƣợc áp dụng rộng rãi.
Việc sử dụng dòng khí xả trong tuabin quay máy nén khí đã làm cho vai trò thiết bị
tăng áp càng tăng trong sự cân bằng năng lƣợng của động cơ, đồng thời làm tăng sự
nhạy cảm của động cơ với điều kiện khai thác sử dụng thực tế nhƣ nhiệt độ và áp suất
khí trƣớc máy nén, đối áp sau tuabin, nhiệt độ nƣớc trƣớc bình làm mát không khí…
Tăng áp động cơ nhằm cải thiện một số chỉ tiêu nhƣ giảm thể tích tổng, trọng lƣợng
riêng toàn bộ và giá thành sản suất tƣơng ứng với một đơn vị công suất của động cơ;
tăng hiệu suất động cơ, đặc biệt là tăng áp bằng tuabin khí và do đó giảm suất tiêu hao
nhiên liệu; có thể làm giảm lƣợng khí thải độc hại và giảm đƣợc độ ồn của động cơ.
Tuy nhiên tăng áp cho động cơ cũng gây ra nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết,
nhất là ảnh hƣởng của các thông số tăng áp đến chất lƣợng của quá trình cháy động cơ
ở các chế độ chuyển tiếp, việc tăng các giá trị của ứng suất nhiệt và ứng suất cơ…
Chính vì thế việc nghiên cứu quá trình cháy bên trong động cơ tăng áp vẫn là vấn đề
có vai trò, ý nghĩa quan trọng và là lý do để chúng tôi thực hiện luận văn cao học với
đề tài “Mô phỏng số quá trình cháy của động cơ tăng áp Cummins NTA855M”

1

Chƣơng 1. PHẦN TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Nhƣ đã trình bày, do có nhiều ƣu điểm nổi bật nên động cơ Diesel tăng áp
thƣờng đƣợc lựa chọn làm thiết bị động lực chính cho tàu đi biển, nhất là tàu quân sự.
Tuy nhiên, do điều kiện về khai thác, tính năng kỹ chiến thuật, yêu cầu nhiệm vụ…,
các tàu sử dụng động cơ tăng áp thƣờng xuyên phải làm việc ở các chế độ khác nhau
(chế độ ổn định, không ổn định, chế độ quay vòng, chế độ định mức, chế độ quá tải…)
Ở các chế độ này, tổ hợp Tuabin - máy nén thƣờng không cấp đủ lƣợng khí nạp cho
động cơ nên làm ảnh hƣởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu trong buồng đốt và ảnh
hƣởng trực tiếp đến quá trình cháy, dẫn đến không phát huy hết công suất động cơ,
mặt khác còn làm tăng hàm lƣợng độc tố trong khí thải và ảnh hƣởng đến môi trƣờng.
Do đó cần đặt vấn đề nghiên cứu quá trình cháy đang diễn ra trong động cơ tăng áp và
đánh giá ảnh hƣởng của sự thay đổi của áp suất, nhiệt độ chu trình và sự hình thành
hỗn hợp cháy trong không gian phức tạp của buồng đốt khi tổ hợp tuabin - máy nén
không cung cấp đủ áp suất khí nạp ở các chế độ khai thác khác nhau của động cơ.
Thực tế cho thấy, việc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu vấn đề này là điều rất khó,
thậm chí là không thể thực hiện đƣợc trong điều kiện kỹ thuật nhƣ ở nƣớc ta hiện nay.
Trong trƣờng hợp này, việc nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp số thông qua sử dụng
các phần mềm tính toán động lực học lƣu chất (Computional Fluid Dynamics - CFD)
để mô phỏng quá trình cháy diễn ra bên trong các động cơ tăng áp và sử dụng mô hình
mô phỏng số để giải các bài toán liên quan đang đặt ra là giải pháp hữu hiệu nhất.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
vấn đề mô phỏng trên máy tính đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật.
Các phần mềm CFD xây dựng dựa trên kỹ thuật tính toán động lực học lƣu chất đã cho
phép mô phỏng chuyển động dòng lƣu chất xung quanh vật thể có hình dạng bất kỳ.
Mô phỏng là phƣơng pháp khoa học hiện đại tái hiện lại hoạt động của hệ thống thực
nên rất hiệu quả trong nghiên cứu các hệ thống phức tạp, cơ sở nghiên cứu lý thuyết và
định hƣớng nghiên cứu thực nghiệm, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hệ thống phức tạp,
và kiểm nghiệm kết quả những vấn đề tranh luận hay lý thuyết giả định đã đƣợc đặt ra.

2


Mô phỏng số nói chung và mô phỏng số quá trình cháy của động cơ nói riêng
đƣợc hiểu là kỹ thuật xây dựng mô hình quá trình cháy bằng phƣơng pháp số, kết hợp
công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải bài toán dòng lƣu chất bên trong động cơ và
dựa trên cơ sở đó để mô tả, giải thích và dự đoán ảnh hƣởng sự thay đổi của những
thông số đầu vào đến quá trình cháy đang diễn ra trong buồng đốt động cơ nói chung
và ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - môi trƣờng của động cơ nói riêng.
Đối với động cơ tăng áp, mô hình số mô phỏng quá trình cháy còn đƣợc sử dụng trong
phân tích ảnh hƣởng của sự thay đổi áp suất khí nạp đến chất lƣợng quá trình cháy và
các thông số đầu ra khi động cơ. Từ đó có thể rút ra đƣợc vai trò và ý nghĩa lý thuyết
và thực tiễn của đề tài nhƣ sau:
- Định hƣớng việc ứng dụng lý thuyết tính toán động lực học lƣu chất - CFD
nghiên cứu động cơ đốt trong thông qua việc sử dụng phần mềm mô hình hóa
và mô phỏng hiện đại phù hợp với điều kiện nƣớc ta hiện nay.
- Việc mô tả chính xác quá trình cháy diễn ra trong xylanh của động cơ tăng áp
cho phép mô tả, giải thích đúng bản chất các hiện tƣợng xảy ra trong động cơ,
cơ sở để nghiên cứu tính toán, lựa chọn đƣợc các thông số điều chỉnh tối ƣu.
- Hoàn thiện phƣơng pháp tính các bài toán về trƣờng nhiệt độ, ứng suất nhiệt
và biến dạng nhiệt của loại động cơ đốt trong nói chung và các động cơ 4 kỳ
tăng áp nói riêng.
- Tạo tiền đề ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán
tính ứng suất và biến dạng của các chi tiết chịu nhiệt trong động cơ.
- Từ kết quả mô phỏng, kết hợp với các nghiên cứu chuyên sâu hơn và kết quả
thực nghiệm để nghiên cứu chế tạo các thiết bị điều chỉnh lƣu lƣợng khí nạp,
áp suất khí nạp, thời điểm nạp tối ƣu cho máy nén của động cơ tăng áp ở các
chế độ chuyển tiếp.
- Các kết quả tính toán mô phỏng mang tính trực quan, sinh động và cung cấp

đƣợc các tƣ liệu cần thiết cho việc giảng dạy các môn học về động cơ trong
các cơ sở đào tạo, giảng dạy.
- Sử dụng các phƣơng pháp và công cụ hiện đại để nghiên cứu và phát triển
động cơ ở các cơ sở nghiên cứu và các tại các nhà máy chế tạo.

3


1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
CFD nói chung và ứng dụng CFD mô phỏng số quá trình cháy động cơ nói riêng
đã đƣợc nghiên cứu từ lâu ở những nƣớc tiên tiến, nhất là ở Mỹ và các nƣớc Châu Âu
CFD đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, trong đó phải kể đến những
lĩnh vực chính nhƣ hàng không vũ trụ, công nghiệp đóng tàu, sinh học, y tế, khí tƣợng...
Trong ngành chế tạo máy, các hãng sản xuất lớn thế giới đã đƣa CFD vào chƣơng trình
nghiên cứu của mình để thực hiện quá trình mô phỏng và tính toán các trƣờng nhiệt độ,
ứng suất và biến dạng để phục vụ cho bài toán thiết kế tối ƣu các máy móc, thiết bị...
Đó cũng là chiến lƣợc phát triển để nâng cao chất lƣợng và tính cạnh tranh sản phẩm.
Riêng trong lĩnh vực động cơ, CFD cũng đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng giải quyết nhiều
bài toán nhƣ xây dựng các mô hình tính dòng tia phun nhiên liệu, quá trình xé nhỏ và
lan truyền của tia phun nhiên liệu, sự hình thành của hỗn hợp A/F, sự lan truyền của
ngọn lửa trong buồng đốt, sự hình thành của các chất độc hại trong khí thải động cơ,
truyền nhiệt cho nƣớc làm mát trong động cơ... và nhiều bài toán có liên quan khác.
Điển hình nhất trong các mô hình mô phỏng quá trình cháy trong động cơ đốt trong là
phƣơng pháp LES (Large - Eddy Simulation) và đã đƣợc các tác giả Ham (2006), Moin
và Apte (2007) và một số tác giả khác thực hiện trong các nghiên cứu của mình, đặc biệt
là trong bài báo “Large-eddy simulation analysis of turbulent combustion in a gas
turbine engine combustor” do D. You, F. Ham và P. Moin giới thiệu năm 2008 [14].
Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ phân tích bản chất phƣơng pháp của phƣơng pháp
LES khi nghiên cứu quá trình cháy, không đề cập đến đối tƣợng động cơ cụ thể nào.

Cùng với các nghiên cứu này là sự xuất hiện của nhiều phần mềm chuyên dụng
dùng trong lĩnh vực động cơ đốt trong nhƣ KIVA, GT-Power, Star-CD, AVL-FIRE…
Tuy nhiên theo tìm hiểu của chúng tôi, các nghiên cứu mô phỏng số quá trình cháy của
động cơ đốt trong bằng phƣơng pháp CFD hoặc bằng các phần mềm mô phỏng nói trên
hầu nhƣ chƣa đề cập động cơ tăng áp hoặc tách động cơ tăng áp ra để nghiên cứu riêng rẽ.
Ngoài các phần mềm chuyên dụng cho động cơ đốt trong nói trên, phần mềm Ansys
Fluent là một phần mềm có mã mở cho phép ngƣời khai thác sử dụng có thể nghiên cứu,
ứng dụng, phát triển giải quyết bài toán mô phỏng quá trình cháy của động cơ tăng áp
nhƣng hầu nhƣ cũng chƣa đƣợc các nhà nghiên cứu khai thác.

4


1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Về các nghiên cứu trong nƣớc, có thể kể một số đề tài có liên quan đến vấn đề
đang đặt ra nhƣ sau:
1. TS Vũ Văn Duy với đề tài nghiên cứu “Mô phỏng số dòng chảy và sự cháy
của động cơ tua bin khí” [2].
Trong nghiên cứu này, đối tƣợng nghiên cứu là động cơ tuabin khí, quá trình
cháy trong động cơ tuabin khí đƣợc giả thiết liên tục (không có tính chu kỳ).
2. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá trình
cháy trong động cơ D1146TIS sử dụng phần mềm CFD AVL-FIRE” [11] của
tác giả Trần Quang Vinh.
Luận văn chủ yếu sử dụng những công cụ có sẵn trong phần mềm AVL-FIRE
để nhập các thông số kết cấu của động cơ mà không tiến hành xây dựng mô
hình để mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy trong động cơ.
Mặt khác, mô hình hình học và các điều kiện biên không đề cập đến động cơ
tăng áp, nên nghiên cứu không trùng lặp với đề tài chúng tôi đã chọn.
3. Luận văn thạc sỹ “Ứng dụng lý thuyết CFD nghiên cứu các thông số hệ thống
cung cấp nhiên liệu động cơ sau tăng áp”[13]của tác giả Nguyễn Hoàng Vũ.

Nội dung luận văn là áp dụng lý thuyết của CFD để khảo sát ảnh hƣởng của
một số các thông số của hệ thống nhiên liệu trên động cơ B6 sau khi tăng áp
(áp suất phun, góc phun sớm ...) đến các thông số nhiệt động của chu trình
công tác, các thông số công tác của động cơ v.v..., và dựa trên cơ sở đó đƣa ra
các giải pháp để điều chỉnh các giá trị áp suất phun và góc phun sớm tối ƣu.
Tuy nhiên, động cơ B6 sử dụng trong luận văn là động cơ dùng trên xe tăng
hoạt động ở những điều kiện khác biệt so với động cơ lắp đặt dƣới tàu thủy.
4. Chuyên đề Tiến sỹ “Mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt dùng để mô phỏng,
tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong” của tác giả Nguyễn Lê Văn [10].
Chuyên đề đƣa ra các mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt nhằm xác định
ảnh hƣởng phụ tải nhiệt đến sự tƣơng tác cặp piston – xylanh động cơ Diesel.

5


5. Luận án Tiến sỹ kỹ thuật “Ảnh hƣởng của hình dáng hình học hệ thống thải
đến các chỉ tiêu kinh tế-năng lƣợng động cơ diesel 4 kỳ tăng áp bằng tuabin
biến áp” của tác giả Lê Đình Vũ [12].
Nội dung của luận án ứng dụng mô hình 3D cho đƣờng ống góp khí thải và
mô hình dòng 1D cho phần còn lại động cơ để tính toán, thiết kế hệ thống thải,
kết nối các mô hình cục bộ của đƣờng ống - tua bin - máy nén - động cơ để
khảo sát kết quả cuối cùng là những chỉ tiêu kinh tế - năng lƣợng của động cơ.
Trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu xác định các thông số hình dạng hợp lý của
đƣờng ống góp khí thải nối các xylanh động cơ với tuabin nhằm đáp ứng các
yêu cầu sử dụng hệ thống tăng áp xung, đảm bảo thuận lợi trong việc chế tạo
và bố trí chung của động cơ.
Kết luận
Từ việc phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có liên quan
đến đề tài có thể rút ra đƣợc các nhận xét sau đây:
 Mặc dù bài toán mô phỏng số quá trình cháy trong động cơ đã đƣợc thực hiện

nhƣng hầu hết các nghiên cứu chỉ đề cập đến động cơ đốt trong nói chung,
chƣa đề cập đến quá trình cháy của động cơ tăng áp, cùng với các bài toán có
liên quan đến động cơ tăng áp nhƣ đã đƣợc đặt ra trong đề tài này.
 Các nghiên cứu về đề tài này trong nƣớc thƣờng có xu hƣớng sử dụng các
phần mềm CFD chuyên dụng cho động cơ nhƣ AVL Boot, AVL-FIRE, KIVA
Tuy nhiên, khi nghiên cứu các phần mềm CFD dạng này chúng tôi nhận thấy
hầu nhƣ chúng đƣa vào trong thƣ viện của mình những kết cấu động cơ dƣới
dạng chung, không đề cập đến đặc điểm cấu tạo và kích thƣớc cụ thể của các
chi tiết, hệ thống nói chung và của buồng đốt động cơ nghiên cứu nói riêng
nhƣ đối với phần mềm Ansys Fluent và do đó, có thể sẽ làm ảnh hƣởng đến
kết quả nghiên cứu trong trƣờng hợp tăng áp cho động cơ.
 Một số nghiên cứu cũng đã có sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô phỏng
quá trình cháy của động cơ nhƣng nhƣ đã đề cập, chƣa thực hiện đối với các
động cơ tăng áp và do đó chƣa đặt vấn đề nghiên cứu sử dụng điều kiện biên
tuần hoàn cho điều kiện tăng áp nhƣ chúng tôi sẽ thực hiện trong đề tài này.

6