MÔ PHỎNG số QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG bộ TRAO đổi NHIỆT KÊNH MINI DÙNG để THAY THẾ két nước TRONG XE TAY GA

M CL C
TRANG
LÝ L CH KHOA H C ................................................................................................i
L I CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
C M T ................................................................................................................... iii
TÓM T T ..................................................................................................................iv
ABSTRACT ................................................................................................................ v
DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ VI T T T ........................................................... x
DANH M C HÌNH NH .........................................................................................xi
DANH M C B NG BI U .....................................................................................xiv
CH

NG 1

T NG QUAN ............................................................................. 1

1.1. Tính cấp thi t c a đ tài .........................................................................1
1.2. Tổng quan các nghiên c u liên quan ......................................................2
1.2.1. Nghiên c u ngoài nư c ..................................................................2
1.2.2. Nghiên c u trong nư c ..................................................................7
1.3. M c đích đ tài .......................................................................................7
1.4. Nhi m v và gi i h n đ tài ...................................................................8
1.5. Phương pháp nghiên c u ........................................................................8
CH

NG 2

C

SỞ LÝ THUY T................................................................ 9

2.1. Lý thuy t truy n nhi t ............................................................................9
2.2. Làm l nh ậ gia nhi t đối lưu và h số truy n nhi t ...............................11
2.3. Đối lưu tự nhiên ậ h số Grashof...........................................................14
2.4. H số Nusselt .........................................................................................15
2.5. Dòng ch y lưu chất ................................................................................16

vi


2.6. Mô hình dòng ch y rối k-ε.....................................................................22
CH

NG 3 PH

NG PHÁP MỌ PH NG S

B NG COMSOL

MULTIPHYSICS ....................................................................................................24
3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ................................................................24
3.1.1. Thi t k mô hình. .........................................................................24
3.1.2. V mô hình mô phỏng trên Inventor ............................................25
3.2. Mô phỏng bằng COMSOL MULTIPHYSICS 4.3b. .............................25
3.2.1. Nh p mô hình hình h c và phương trình gi i. .............................25
3.2.2. Cài đặt mi n con và đi u ki n biên. .............................................26
3.2.3. Cài đặt v t li u cho mô hình ........................................................28
3.2.4. T o lư i và gi i mô hình ..............................................................29
3.2.5. Xử lý và hi n th k t qu ..............................................................30
CH

NG 4

PH

NG PHÁP TH C NGHI M.................................... 32

4.1. Mô hình bộ trao đổi nhi t kênh mini (Minichannel Heat Exchanger) ..32
4.1.1. Kích thư c bộ trao đổi nhi t ........................................................32
4.1.2. Hoàn thi n mẫu thí nghi m ..........................................................34
4.2. Mô hình thực nghi m.............................................................................34
4.3. D ng c thí nghi m ...............................................................................36
4.3.1. Bơm ..............................................................................................36
4.3.2. Bộ gia nhi t ..................................................................................36
4.3.3. Bộ thi t b đo lư ng nhi t độ .......................................................37
4.4. Đo đ t số li u .........................................................................................38
4.4.1. Đo nhi t độ ...................................................................................38
4.4.2. Đo lưu lư ng ................................................................................38
4.5. Phân tích sai số ......................................................................................38
vii


CH

NG 5

K T QU MÔ PH NG S

VÀ TH C NGHI M ................... 40

5.1. Các k t qu mô phỏng ........................................................................................ 40

5.1.1. V n tốc gió 0,8 m/s ......................................................................41
5.1.2. V n tốc gió 1,2 m/s ......................................................................43
5.1.3. V n tốc gió 2,2 m/s ......................................................................45
5.1.4. V n tốc gió 3 m/s .........................................................................46
5.1.5. V n tốc gió 3,5 m/s ......................................................................48
5.2. K t qu thực nghi m ..............................................................................50
5.2.1. Lưu lư ng khối lư ng c a nư c

1,64 g/s ........................................50

5.2.2. Lưu lư ng khối lư ng c a nư c

2,46 g/s ........................................52

5.2.3. Lưu lư ng khối lư ng nư c

3,28 g/s ...............................................53

5.2.4. Lưu lư ng khối lư ng nư c

4,1 g/s .................................................55

5.2.5. Thay đổi lưu chất làm vi c là hỗn h p nư c ethylene. ................57
5.2.6. So sánh giữa kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass v i lưu chất
làm vi c là hỗn h p nư c-ethylene ............................................................58
5.3. So sánh k t qu thực nghi m và mô phỏng số ......................................59
5.3.1. Lưu lư ng gió đư c giữ cố đ nh

3m/s ......................................59

5.3.2. K t qu v i lưu lư ng khối lư ng nư c đư c giữ cố đ nh t i
4,1g/s ..........................................................................................................60
5.4. Thực nghi m v i công ngh hàn tấm nhôm thay th công ngh dán UV
Light tấm PMMA trên bộ trao đổi nhi t kênh mini 5 pass .......................................61
CH

NG 6

K T LU N VÀ KI N NGH .................................................. 64

6.1. K t lu n. .................................................................................................64
6.2. Ki n ngh . ..............................................................................................65
TÀI LI U THAM KH O ...................................................................................... 66

viii


PH L C ................................................................................................................. 69
1. K t qu phân tích dòng ch y lưu chất và truy n nhi t trong két nư c làm
mát trên xe ô tô. .........................................................................................................69
2. K t qu mô phỏng và thực nghi m bộ trao đổi nhi t kênh mini 5 pass ...71
2.1. K t qu mô phỏng ...........................................................................71
2.2. K t qu thực nghi m .......................................................................72
2.3. So sánh k t qu thực nghi m và mô phỏng ....................................73

ix


DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ VI T T T
Ac

:

di n tích mặt c t, m2

BTĐN

:

bộ trao đổi nhi t

Dh

:

đư ng kính quy ư c, m

F

:

h số ma sát Fanning

H

:

h số tỏa nhi t đối lưu, W/m2K

k

:

h số truy n nhi t tổng, W/m2K

L

:

chi u dài kênh mini, m

m

:

lưu lư ng khối lư ng, kg/s

NTU

:

ch số truy n nhi t đơn v (Number of Transfer Unit)

Nu

:

ch số Nusselt

p

:

áp suất, Pa

P

:

đư ng kính ư t, m

Q

:

nhi t lư ng trao đổi qua bộ trao đổi nhi t, W

q

:

m t độ dòng nhi t, W/m2

Re

:

ch số Reynolds

T

:

nhi t độ, oC / oK



:

độ nh t động lực h c, Ns/m2



:

khối lư ng riêng, kg/m3



:

h số dẫn nhi t, W/m K

ω

:

v n tốc, m/s

η

:

hi u suất nhi t



:

ch số hoàn thi n, W/kPa

T

:

nhi t độ chênh l ch, oC

p

:

tổn thất áp suất, Pa

x


DANH M C HÌNH NH
TRANG
Hình 1.1: Sự phân bố năng lư ng trong xe ................................................................3
Hình 2.1: Tám lo i làm mát đối lưu .........................................................................13

Hình 3.1: Kích thư c thi t k mô hình. ....................................................................24
Hình 3.2: Bộ trao đổi nhi t đư c v bằng Inventor. ................................................25
Hình 3.3: K t qu quá trình nh p mô hình vào COMSOL ......................................26
Hình 3.4: Cài đặt mi n con.......................................................................................26
Hình 3.5: Cài đặt giá tr ban đầu. .............................................................................27
Hình 3.6: Cài đặt đi u ki n biên cho mô hình truy n nhi t .....................................28
Hình 3.7. Cài đặt v t li u cho mô hình .....................................................................28
Hình 3.8. K t qu phân lư i. ....................................................................................29
Hình 3.9. Lựa ch n l i gi i cho mô hình..................................................................29
Hình 3.10: Phân bố v n tốc trong các kênh mini .....................................................30
Hình 3.11: Trư ng nhi t độ

các biên c a bộ trao đổi nhi t. .................................30

Hình 3.12: Trư ng nhi t độ c a dòng nư c trong bộ trao đổi nhi t ........................31
Hình 3.13: Phân bố áp suất trong dòng nư c ...........................................................31
Hình 4.1: Bộ trao đổi nhi t kênh Mini .....................................................................32
Hình 4.2: So sánh kích thư c hai bộ trao đổi nhi t kênh mini .................................33
Hình 4.3: Bộ trao đổi nhi t kênh mini và két nư c dùng v t li u Nhôm .................33
Hình 4.4: Bộ trao đổi nhi t sau khi đã hoàn thành và thử kín..................................34
Hình 4.5: Sơ đồ và l p đặt h thống thí nghi m. ......................................................35
Hình 4.6: Màn hình đi u ch nh bộ gia nhi t.............................................................36
Hình 4.7. Màn hình hi n th và thi t b đo lư ng nhi t độ. ......................................37
Hình 5.1: Trư ng nhi t độ c a bộ t n nhi t kênh mini 5 pass .................................40
Hình 5.2: Biên d ng c a gradient nhi t độ c a bộ t n nhi t lo i 5 pass ..................41
Hình 5.3. Độ chênh l ch nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

v n

tốc gió 0,8m/s ............................................................................................................42

Hình 5.4: Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng v n tốc gió 0,8 m/s. ....................................................................43
xi


Hình 5.5: Độ chênh l ch nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

v n

tốc gió 1,2 m/s ...........................................................................................................43
Hình 5.6: Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng v n tốc gió 1,2 m/s. ....................................................................44

Hình 5.7: Độ chênh l ch nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

v n

tốc gió 2,2 m/s ...........................................................................................................45
Hình 5.8. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng v n tốc gió là 2,2 m/s. ................................................................46

Hình 5.9. Độ chênh nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

cùng v n

tốc gió 3 m/s. .............................................................................................................47
Hình 5.10. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng v n tốc gió 3m/s .........................................................................48

Hình 5.11. Độ chênh l ch nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

cùng

v n tốc gió 3,5 m/s. ...................................................................................................49
Hình 5.12. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng v n tốc gió 3,5 m/s .....................................................................49

Hình 5.13. Độ chênh l ch nhi t độ

kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

lưu

lư ng 1,64 g/s. ...........................................................................................................50
Hình 5.14. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng lưu lư ng 1,64 g/s. .....................................................................51

Hình 5.15. Độ chênh l ch nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

cùng

lưu lư ng 2,46 g/s. ....................................................................................................52
Hình 5.16. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng lưu lư ng 2,46 g/s ......................................................................53

Hình 5.17. Độ chênh nhi t độ c a kênh mini 5pass và kênh mini 3 pass

cùng lưu

lư ng 3,28 g/s. ...........................................................................................................54
Hình 5.18. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng lưu lư ng là 3,28 g/s. .................................................................55

Hình 5.19. Độ chênh nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass

cùng lưu

lư ng 4,1 g/s. .............................................................................................................56
xii


Hình 5.20. Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí
mini 3 pass

kênh mini 5 pass và kênh

cùng lưu lư ng 4,1 g/s ........................................................................57

Hình 5.21. Độ chênh nhi t độ giữa hỗn h p nư c-ethylene và nư c cho bộ t n nhi t
kênh mini 5 pass. .......................................................................................................57
Hình 5.22. Độ chênh nhi t độ giữa kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass dùng hỗn
h p nư c-ethylene. ....................................................................................................58
Hình 5.23. So sánh giữa k t qu thực nghi m và mô phỏng số t i v n tốc gió 3m/s
...................................................................................................................................59
Hình 5.24. So sánh giữa k t qu thực nghi m và mô phỏng số t i lưu lư ng khối
lư ng 4,1g/s. ..............................................................................................................60

xiii

DANH M C B NG BI U
TRANG
B ng 2.1: Các hằng số mô hình dòng ch y rối .........................................................23
B ng 4.1: Độ chính xác và các d i thang đo c a d ng c thử nghi m ....................37
B ng 1.1: K t qu thực nghi m [1] .........................................................................69
B ng 1.2: Tóm t t k t qu CFD................................................................................69
B ng 1.3: So sánh giữa k t qu thực nghi m và k t qu CFD .................................70
B ng 1.4: K t qu

nh hư ng c a kho ng cách. ......................................................71

B ng 2.2. K t qu mô phỏng số h c bằng COMSOL Multiphysics ........................71
B ng 2.3. Tổng h p k t qu thực nghi m.................................................................72
B ng 2.4. So sánh giữa k t qu thực nghi m và mô phỏng .....................................73

xiv


CH

NG 1

T NG QUAN
1.1. Tính cấp thi t của đ tài
Hi n nay, giao thông

Vi t Nam ch y u sử d ng xe máy đ di chuy n.

Trên th trư ng có rất nhi u lo i xe c a những hãng xe khác nhau nhưng có 2 lo i
chính là: xe số và xe tay ga. Xe tay ga đư c ưa chuộng hơn vì h thống truy n động
vô cấp cho phép ngư i sử d ng không cần sang số khi tăng tốc, d di chuy n trên
đư ng phố. Đ có những ưu đi m đó thì h thống làm mát trên xe tay ga cũng có
nhi u khác bi t so v i xe số. Toàn bộ thân bao kín, động cơ đặt
thông không khí thấp dù xe chuy n động

giữa, tốc độ lưu

tốc độ cao, không t n d ng đư c dòng

không khí cưỡng b c từ chuy n động c a xe đ làm mát động cơ.
Ngoài ra, hầu h t xe tay ga đ u sử d ng h truy n động vô cấp. So v i lo i
truy n động xích trên xe số thì h thống này sinh ra nhi u nhi t hơn. Nhà s n xuất
thư ng lựa ch n một trong hai gi i pháp: dùng qu t thổi gió cưỡng b c vào động cơ
hoặc thi t k h thống làm mát bằng dung d ch.
V i ki u thổi gió cưỡng b c, động cơ truy n công suất làm quay qu t.
Không khí từ bên ngoài đư c hút vào, ch y theo các đư ng hư ng gió làm mát thân
máy. Động cơ ho t động thì qu t quay do đó làm gi m công suất c a động cơ. Nên
đ đ t đư c cùng một hi u suất động cơ thì lo i xe này thư ng có dung tích xylanh
l n hơn. Tuy nhiên, h số tỏa nhi t đối lưu c a không khí nhỏ hơn rất nhi u so v i
h số tỏa nhi t đối lưu c a dung d ch. Ngoài ra, nó cũng ph i tính đ n nh hư ng
c a lư ng hơi nóng tỏa ra khi động cơ đư c làm mát bằng gió.
Trong khi đó, động cơ làm mát bằng dung d ch v i kh năng ki m soát quá
trình đốt nhiên li u tốt hơn cũng như hi u suất ho t động và độ ổn đ nh cao hơn so
v i gi i pháp làm mát bằng gió cưỡng b c. H thống làm mát bằng dung d ch đã
đư c sử d ng trên một số dòng xe m i như: Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX…
Tuy nhiên trên thực t , két nư c làm mát trên xe tay ga vẫn còn một số
như c đi m như: các cánh t n nhi t thì mỏng d b móp méo, d b bám bẩn. Bên
1

c nh đó, các cánh t n nhi t này đư c hàn vào ống dẫn dung d ch nên kh năng
truy n nhi t kém hơn so v i các cánh t n nhi t li n khối. Thêm vào đó bộ t n nhi t
két nư c c a các nhà s n xuất hi n nay ph i cần một qu t gió đ t n nhi t nên tiêu
hao một phần công suất c a động cơ, làm gi m hi u suất c a động cơ. Ngoài ra bộ
t n nhi t này vẫn dừng l i

k t cấu d ng Macro nên còn cồng k nh, hi u qu

truy n nhi t chưa cao và giá thành đ t. Từ những như c đi m trên, công ngh
truy n nhi t Mini/Microchannel th hi n rõ tính ưu vi t c a mình trong trư ng h p
này. Bộ t n nhi t két nư c c a nhà s n xuất s đư c thay th bằng bộ t n nhi t kênh
mini sử d ng công ngh dán UV light. Bộ trao đổi nhi t kênh mini này s nhỏ g n
hơn và t n d ng đư c dòng gió cưỡng b c từ chuy n động c a xe mà không cần
qu t gió và hi u qu truy n nhi t l i cao hơn hẳn so v i bộ trao đổi nhi t trên xe
d ng Macro.
Dư i dự hư ng dẫn c a thầy PGS.TS Đặng ThƠnh Trung, h c viên quy t
đ nh thực hi n đ tài ắMô ph ng s quá trình truy n nhi t trong bộ trao đ i
nhi t kênh mini dùng đ thay th két n

c trong xe tay ga”. Đ tài nghiên c u

và mô phỏng quá trình truy n nhi t trên bộ trao đổi nhi t kênh mini v i m c đích
c i ti n nâng cao hi u suất gi i nhi t c a két nư c xe tay ga, làm cho động cơ ho t
động ổn đ nh, nâng cao hi u suất làm vi c c a động cơ, ti t ki m nhiên li u, t n
d ng đư c dòng gió cưỡng b c từ chuy n động c a xe đ thay th qu t làm mát,
k t cấu g n nhẹ và độ b n cao làm tăng độ tin c y cho h thống.
1.2.

T ng quan các nghiên c u liên quan
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước
Xuất phát từ quá trình làm vi c c a động cơ đốt trong, nhi t truy n cho các

chi ti t máy ti p xúc v i khí cháy (piston, xéc măng, nấm xupap, thành xylanh)
chi m kho ng 25%  35% nhi t lư ng do nhiên li u cháy trong buồng cháy tỏa ra.
Vì v y các chi ti t thư ng b đốt nóng mãnh li t: nhi t độ đ nh piston có th lên t i
600oC, nhi t độ nấm xupap có th lên t i 900oC. Hình 1.1 th hi n sự phân bố năng
lư ng trên xe. Trong đó bao gồm 30% là t i nhi t làm mát, 35% là t i nhi t theo khí
th i và 35% là năng lư ng nhi t có ít
2


Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trên xe
Các k t qu nghiên c u liên quan đ n h thống làm mát trên xe ô tô và xe g n
máy cũng đã đư c một số nhà khoa h c nghiên c u. Trivedi và Vasava [1] sử d ng
phần m m mô phỏng số ANSYS 12.1 đ phân tích dòng ch y lưu chất và truy n
nhi t trong két nư c làm mát ô tô. K t qu phân tích cho thấy rằng khi kho ng cách
giữa các ống gi m hoặc tăng, gi m tốc độ truy n nhi t. Hi u qu tối ưu cho h số
truy n nhi t khi kho ng cách giữa các ống là 12 mm. K t qu thực nghi m đư c th
hi n trong b ng 1.1.
K t qu phân tích bằng CFD nhi t độ đầu vào và đầu ra c a ống đư c th hi n
trong hình 1.2 và hình 1.3.

Hình 1.2: Nhiệt
độ đầu vào của
ống 950C

3

Hình 1.3: Nhiệt độ đầu ra của ống 86,940C
K t qu nhi t độ hai mặt bên c a két nư c đư c th hi n trong hình 1.4 và 1.5
v i các thông số th hi n

b ng 1.2 - 1.4.

Hình 1.4: Nhiệt độ mặt bên đầu vào 350C

4


Hình 1.5: Nhiệt độ mặt bên đầu ra 61.250C
Pawan và Sangram [3] đã xem xét ki m tra l i hi u suất c a bộ trao đổi nhi t
trên ô tô. K t qu cho thấy hi u suất c a h thống làm mát động cơ b

nh hư ng

nhi u b i các y u tố như không khí, lưu lư ng nư c gi i nhi t, nhi t độ không khí
đầu vào, lo i nư c gi i nhi t, cánh, kích thư c cánh, ống và kích thư c ống,…
Peyghambarzadeh [4] đã nghiên c u vi c nâng cao hi u qu truy n nhi t trong thi t
b gi i nhi t ô tô bằng cách sử d ng nư c/ethylene glycon trong vi c áp d ng lưu
chất ắnano” (nanofluids) như một lo i nư c gi i nhi t m i. K t qu cho thấy rằng
đối v i lưu chất nano bộ trao đổi nhi t có h số truy n nhi t tổng th l n hơn so v i
nư c lên đ n 9%. Hơn nữa, vi c tăng m t độ h t nano, v n tốc không khí và v n tốc
dòng ch y lưu chất s nâng cao đáng k hi u suất truy n nhi t. Ngư c l i, khi tăng
nhi t độ lưu chất đầu vào, s làm gi m h số truy n nhi t tổng th .
nh hư ng c a kho ng cách cánh đ n hi u qu truy n nhi t đã đư c Jajja
cùng cộng sự [5] nghiên c u. K t qu cho thấy, vi c làm gi m kho ng cách cánh
c a bộ trao đổi nhi t kênh mini s làm tăng h số truy n nhi t và làm gi m nhi t tr .

Có th làm gi m nhi t độ và nhi t tr c a bộ trao đổi nhi t bằng cách làm gi m
kho ng cách giữa các cánh và tăng lưu lư ng khối lư ng nư c ch y qua kênh mini.
Một nghiên c u thực nghi m v hi u suất truy n nhi t c a động cơ dựa trên các h t
nano Al2O3 và h t MEPCM (microencapsulated phase change material) trong bộ
5


trao đổi nhi t kênh mini đã đư c thực hi n b i Ho cùng cộng sự [6]. Trong bài báo
này, tác gi đã cho thấy hi u qu c a truy n nhi t đối lưu cưỡng b c dựa trên ho t
động c a các h t nano oxit nhôm (nanofluids), MEPCE, và (PCM) đ thay th nư c
tinh khi t trong bộ trao đổi nhi t kênh mini. K t qu cho thấy hi u qu trao đổi
nhi t ph thuộc đáng k vào lưu chất nano và PCM dựa trên tốc độ dòng ch y c a
nó trong bộ trao đổi nhi t.
Myhren và Holmberg [7] sử d ng CFD mô phỏng và các phương pháp tính
toán đ phân tích nh hư ng c a các dòng ch y khác nhau t i cơ ch truy n nhi t.
Vi c mô phỏng truy n nhi t cho bộ trao đổi nhi t kênh mini và micro đã đư c Xie
và các cộng sự mô phỏng đặc tính truy n nhi t và áp suất rơi trên dòng ch y tầng
[8] và dòng ch y rối c a bộ trao đổi nhi t kênh mini [9]. K t qu cho thấy bộ trao
đổi nhi t kênh mini có th cho một nhi t lư ng khá cao v i áp suất rơi nhỏ trên
kênh. Shahril cùng cộng sự [10] đã sử d ng CFD và phần m m ANSYS đ mô
phỏng đặc tính truy n nhi t c a cánh t n nhi t trên xe g n máy dư i các đi u ki n
khí h u khác nhau. K t qu cho thấy rằng hi u suất truy n nhi t và tùy thuộc và v n
tốc c a phương ti n, d ng hình h c c a cánh và nhi t độ môi trư ng. Dang và Teng
[11] đã nghiên c u bằng phương pháp mô phỏng và thực nghi m c a bộ trao đổi
nhi t kênh Micro ngư c chi u, k t qu thu đư c từ phương pháp thực nghi m đồng
thu n v i k t qu thu đư c từ phương pháp mô phỏng v i sai số tối đa 9%.
Pulkit cùng cộng sự [15] đã nghiên c u sự truy n nhi t bằng phương pháp mô
phỏng số CFD. Tốc độ truy n nhi t ph thuộc vào v n tốc c a xe, hình d ng cánh
t n nhi t và nhi t độ xung quanh.

v n tốc 40 km/h, 60 km/h và 72 km/h h số

truy n nhi t đã đư c tính toán từ giá tr dòng nhi t 724 W, 933,56 W và 1123,03 W
tương ng.
Masao cùng cộng sự [16] đã nghiên c u nh hư ng c a số lư ng cánh,
kho ng cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe
máy. K t qu cho thấy rằng nhi t độ tỏa ra từ xylanh không đư c c i thi n khi thân
xylanh có quá nhi u cánh và kho ng cách giữa các cánh quá hẹp t i những tốc độ

6


gió quá thấp, do v y mà nhi t độ giữa chúng s tăng lên. Ngoài ra kích thư c cánh
tối ưu khi xe đ ng yên là 20 mm và khi xe di chuy n là 8 mm.
1.2.2. Nghiên cứu trong nước
Dựa trên tầm quan tr ng c a vi c gi i nhi t trên xe g n máy. Dang cùng
cộng sự [2] đã nghiên c u c i ti n két nư c trên xe tay ga bằng bộ t n nhi t kênh
mini 3 pass, sử d ng phương pháp thực nghi m. K t qu cho thấy, bộ trao đổi nhi t
kênh mini có giá tr nhi t lư ng cao hơn so v i két nư c nhà s n xuất nhưng kích
thư c ch vào kho ng 64% so v i két nư c c a nhà s n xuất. Tuy nhiên, do công
ngh gia công còn chưa cao nên một lư ng nư c không đi theo kênh. Ngoài ra mẫu
thí nghi m ch có 3 pass nên th i gian lưu chất ch y trong bộ trao đổi nhi t không
đư c lâu, dẫn t i hi u qu trao đổi nhi t không đ t đư c như mong muốn.
Trong các nghiên c u liên quan đã thực hi n

Vi t Nam, Trung và Hùng

[22] đã thực hi n một nghiên c u thực nghi m những nh hư ng c a lực tr ng
trư ng đ n các đặc tính nhi t và dòng ch y lưu chất c a những bộ trao đổi nhi t
microchannel. Trong nghiên c u này, hai bộ trao đổi nhi t đã đư c dùng làm thực

nghi m v i đi u ki n tăng lưu lư ng khối lư ng

phía l nh. Trung và Hùng [23]

cũng đã nghiên c u nh hư ng tính chất v t lý c a lưu chất trong bộ trao đổi nhi t
kênh micro. Trong nghiên c u này, các đặc tính truy n nhi t và tổn thất áp suất c a
lưu chất một pha bên trong bộ trao đổi nhi t kênh micro đã đư c xác đ nh. Cho
những đi u ki n khác nhau đã đư c nghiên c u, ch số hoàn thi n đ t đư c 10,7
W/kPa

giá tr lưu lư ng 0,2 g/s. Xa hơn nữa, toàn bộ bộ trao đổi nhi t kênh micro

gồm các kênh, ống góp, tấm đ gia công kênh micro (substrate) cũng như tấm n p
phía trên đã đư c mô phỏng số b i sử d ng phần m m mô phỏng chuyên nghi p
CFD ậ ACE+ .
1.3.

M c đích đ tài
Đ tài này t p trung nghiên c u mô phỏng số quá trình truy n nhi t trong bộ

trao đổi nhi t kênh mini khi thay th két nư c c a h thống làm mát bằng dung d ch
trên xe tay ga. Tìm ra sự nh hư ng c a lưu lư ng khối lư ng nư c và v n tốc gió
đ n quá trình truy n nhi t trong bộ t n nhi t kênh mini. Dựa vào k t qu mô phỏng
7


số và thực nghi m quá trình truy n nhi t kênh mini đ tối ưu hóa k t cấu bộ trao đổi
nhi t kênh mini làm tăng hi u qu làm mát c a động cơ, ti t ki m nhiên li u, tăng
hi u suất làm vi c c a động cơ, tăng độ tin c y c a h thống làm mát, gi m giá
thành s n xuất. Thêm vào đó k t cấu bộ t n nhi t nhỏ g n, có th l p đư c trên

nhi u lo i xe. Từ đó có th thay th đư c các phương th c trao đổi nhi t trên xe g n
máy liên quan.
1.4.

Nhi m v và gi i h n đ tài
T p trung nghiên c u đánh giá quá trình mô phỏng số quá trình truy n nhi t

trong bộ trao đổi nhi t kênh mini.
Lựa ch n thi t k bộ trao đổi nhi t phù h p đ thay th cho bộ t n nhi t két
nư c trên xe tay ga hi n nay.
Phân tích đánh giá quá trình trao đổi nhi t c a bộ t n nhi t kênh mini 5 pass
đã lựa ch n so v i bộ t n nhi t kênh mini 3 pass bằng phương pháp thực nghi m và
mô phỏng số.
Dựa vào k t qu mô phỏng số bộ trao đổi nhi t kênh mini 5 pass đưa ra các
gi i pháp hoàn thi n bộ t n nhi t két nư c trên xe g n máy liên quan và các ng
d ng khác trong thực t .
Do kh năng và th i gian có h n nên nghiên c u ch t p trung vào phân tích
quá trình trao đổi nhi t trong bộ t n nhi t kênh mini 5 pass.
1.5.

Ph

ng pháp nghiên c u

Tổng quan phân tích các nghiên c u liên quan.
Nghiên c u mô phỏng số
Thực nghi m đánh giá k t qu mô phỏng.
So sánh đánh giá, đi u ch nh, sửa chữa

8

NG 2

CH

C
2.1.

SỞ LÝ THUY T

Lý thuy t truy n nhi t
 Lý thuy t n n t ng
V cơ b n có ba phương th c sau:
Dẫn nhi t: là quá trình trao đổi nhi t giữa các v t chất có nhi t độ khác nhau

khi ti p xúc trực ti p nhau. Trong quá trình này, nhi t lư ng truy n qua, còn v t
chất đ ng yên hoặc ti p xúc v i nhau (thư ng đ ng yên đối v i v t r n).
Trao đổi nhi t đối lưu: x y ra giữa lưu chất (lỏng, khí) và b mặt r n mà

đó

có nhi t độ khác nhau. Lúc này truy n nhi t g n li n v i dòng ch y.
Trao đổi nhi t b c x : Ch y u là do trao đổi c a năng lư ng sóng đi n từ.
Trong trao đổi nhi t b c x không cần ti p xúc. Nó là quá trình trao đổi nhi t qua
l i giữa năng lư ng sóng đi n từ và nhi t năng.
Các đ nh lu t cơ b n chi phối tất c sự truy n nhi t là đ nh lu t th nhất c a
nhi t động lực h c, thư ng đư c g i là nguyên t c b o toàn năng lư ng. Tuy nhiên,
nội năng U là một đ i lư ng khá ph c t p đ

đo lư ng và sử d ng trong mô

phỏng. Vì v y, các đ nh lu t cơ b n thư ng đư c vi t l i trong đi u ki n nhi t độ
T. Đối v i một lưu chất có phương trình nhi t là:
 T

C p 

 t



  u.  .T     .q     S 


T   

  u.  p   Q

 T p  


Trong đó:

 : Khối lư ng riêng, kg/m3
C p : Nhi t dung riêng đẳng áp, J/kg.K
T : Nhi t độ tuy t đối, K

u : Vector v n tốc, m/s

9

(2-1)


q : Khối lư ng riêng dòng nhi t bằng dẫn nhi t, W/m2
p : Áp suất, Pa

:

ng suất nh t tensor, Pa

S : Bi n d ng tensor, 1/s
1
S  (u  (u)T )
2

Q: Nguồn gia nhi t, W/m3
Xuất phát từ phương trình (2-1), một số quan h nhi t động lực h c đã đư c
sử d ng. Phương trình cũng cho rằng khối lư ng luôn luôn đư c b o toàn, có nghĩa
là khối lư ng riêng và v n tốc ph i đư c liên h thông qua:

 .(  v)  0
t

Ch độ ng d ng truy n nhi t tổng quát sử d ng lu t Fourier v dẫn nhi t, q
tỷ l thu n v i gradient nhi t độ:
qi  k

T

xi

(2-2)

Trong đó k là h số dẫn nhi t, W/ (m.K). Trong chất r n, h số dẫn nhi t có
th khác nhau theo các hư ng khác nhau. Sau đó, k tr thành một tensor
 k xx

k   k yx
k
 zx

k xy k xz 

k yy k yz 
k zy k zz 

Và m t độ dòng nhi t do dẫn nhi t đư c cho bằng:

qi   kij
j

Phần th hai bên ph i c a phương
nhi t nh t c a lưu

chất. Một

phần tương

T

x j

trình
tự x y

10

(2-1)

đặc

ra từ bên

trưng

gia

trong làm

gi m


độ nh t c a chất r n. Toán tử ":" th hi n

d ng thu g n và trong trư ng h p

này nó có th đư c vi t v i hình th c sau đây:

a  b   n  m anmbnm

(2-3)

Phần th ba đặc trưng cho áp suất làm vi c và mang ý nghĩa v t lý cho
vi c gia nhi t c a một lưu chất trong quá trình nén đo n nhi t và cho một số hi u
ng âm thanh nhi t. Nói chung thành phần này có giá tr nhỏ đối v i các dòng ch y
có số Mach thấp.
Thay phương trình (2-2) vào phương trình (2-1), s p x p l i các phần và bỏ
qua gia nhi t nh t và áp suất làm vi c ta đư c phương trình nhi t có hình th c đơn
gi n hơn:

C p

T
 C pu.T  .  kT   Q
t

(2-4)

Phương th c truy n nhi t th ba đó là truy n nhi t b c x . Nhi t b c x
bi u th các dòng sóng đi n từ phát ra từ một v t

nhi t độ nhất đ nh. Phần

này nghiên c u lý thuy t sau quá trình truy n nhi t b c x x y ra trên b mặt c a
một v t.
2.2. Làm l nh ậ gia nhi t đ i l u và h s truy n nhi t
Một trong các đi u ki n biên chung nhất c a mô hình truy n nhi t là làm
mát hoặc gia nhi t đối lưu, trong đó một lưu chất làm mát b mặt bằng đối lưu tự
nhiên hoặc cưỡng b c. V nguyên t c, nó có th đ mô hình hóa quá trình này
trong hai cách:

 Sử d ng một h số truy n nhi t trên b mặt làm mát bằng đối lưu.
 M rộng mô hình đ mô t dòng ch y và truy n nhi t trong lưu chất làm
mát.
Phương pháp đầu tiên rất m nh và hi u qu . Ngoài ra, ch độ

ng d ng

truy n nhi t tổng quát cung cấp xây dựng dựa trên vi c sử d ng h số truy n
nhi t. Đối v i hầu h t các m c đích kỹ thu t, sự sử d ng các h số này là một cách

11


ti p c n mô hình chính xác và hi u qu . Sau đó b n mô hình hóa làm mát đối lưu
bằng cách xác đ nh m t độ dòng nhi t trên biên ti p xúc v i các lưu chất làm mát,
nó tỷ l thu n v i độ chênh l ch nhi t độ trên một l p cách nhi t gi đ nh. B n mô
t h số truy n nhi t h, theo phương trình:

n(kT )  h(Tinf  T )

(2-5)

Cách ti p c n th hai, nó bao gồm c dòng ch y c a lưu chất làm mát và
truy n nhi t trong mô hình, nó có th hữu ích trong một số trư ng h p nhất đ nh. Ta
có th thử phương pháp này, ví d , hình d ng c a mô hình làm cho h số truy n
nhi t đ thay đổi đáng k v i v trí. Nhi t độ trong lưu chất cũng nh hư ng đ n h
số truy n nhi t. Trong những trư ng h p như v y, các đi u ki n biên t i các mặt
chung liên t c.
Tuy nhiên, tính ph c t p c a mô hình tăng đáng k do sự cần thi t c a vi c
gi i các trư ng dòng ch y cũng như trư ng nhi t độ. Thêm vào đó, yêu cầu bộ nh

và th i gian tính toán tăng đáng k . Phần này t p trung vào phương pháp sử d ng h
số truy n nhi t đ mô t làm mát đối lưu.
Khó khăn chính trong vi c sử d ng h số truy n nhi t là vi c tính toán hoặc
xác đ nh giá tr thích h p c a h số h. H số này ph thuộc vào lưu chất làm mát,
đặc tính v t li u c a lưu chất, nhi t độ b mặt và đối lưu làm mát cưỡng b c, cũng
như v v n tốc dòng ch y c a lưu chất. Ngoài ra, sơ đồ hình h c cũng nh hư ng
đ n h số này.
Nó có th chia làm mát đối lưu thành bốn lo i chính tùy thuộc vào lo i đi u
ki n đối lưu (tự nhiên hoặc cưỡng b c) và các lo i hình h c (bên trong hoặc bên
ngoài dòng ch y đối lưu). Ngoài ra, bốn trư ng h p đ u có th là dòng ch y đối lưu
ch y tầng hoặc ch y rối, dẫn đ n có tổng số tám lo i đối lưu, như trong hình 2.1.

12


Hình 2.1: Tám loại làm mát đối lưu
Sự khác bi t giữa đối lưu tự nhiên và cưỡng b c trong th hi n rõ khi có một
lực bên ngoài như một qu t t o ra dòng ch y. Đối lưu tự nhiên, lực nổi gây ra b i sự
khác bi t nhi t độ và gi n n nhi t c a dòng ch y môi chất.
Đối v i mỗi lo i, các mối quan h khác nhau cho h số truy n nhi t đã đư c
đưa ra trong các tài li u liên quan. Đối v i hầu h t các trư ng h p, phương trình mô
t h số h thay đổi đáng k v i các hình d ng hình h c. Ví d , công th c khác nhau
cho dòng ch y tầng đối lưu cưỡng b c bên trong giữa một ống và một c m những
tấm song song.
Thư vi n h số truy n nhi t [21] c a Module truy n nhi t bao gồm một t p
h p con c a chúng. Thư vi n h

số truy n nhi t sử d ng cuốn sổ tay bi u

th c dựa trên các thi t l p sau đây c a các số không th nguyên:

• Số Nusselt: NuL  Re,Pr, Ra   hL / k
• Số Reynolds: ReL  UL / 
• Các số Prandtl: Pr  C p / k

13


• Số Rayleigh: Ra  Gr.Pr   2 g  C p TL3 /  k 
Trong đó


h : H số truy n nhi t, W/(m2.K)



L : Độ dài xác đ nh, m



T : Độ chênh l ch nhi t độ giữa b mặt và chất t i l nh, K



g : Hằng số gia tốc tr ng trư ng, m/s2



k : Độ dẫn nhi t c a lưu chất, W/(m.K)



 : Khối lư ng riêng, kg/m3

 U : V n tốc chất t i, m/s


 : Độ nh t, Pa.s



C p : Nhi t dung riêng đẳng áp, (J/(kg.K)



 : Độ giãn nỡ nhi t, 1/K



Gr : Đư c

vi t

t t

b i

Grashof,

đư c

đ nh

nghĩa

là tỷ

số

giữa lực nâng và lực nh t.
2.3. Đ i l u t nhiên ậ h s Grashof
Trong bất kỳ mô hình dòng ch y lưu chất nào, trư c khi thi t l p mô
hình là cần thi t đ bi t b n chất c a dòng ch y, một khía c nh nh hư ng đ n vi c
lựa ch n các mô hình toán h c.
Trong trư ng h p dòng ch y bên ngoài, chẳng h n như đối lưu cưỡng
b c, b n chất c a dòng ch y đư c đặc trưng b i h số Reynolds (Re), trong đó mô
t tỷ l c a lực quán tính và lực nh t. Nó dựa trên v n tốc, độ nh t, khối lư ng
riêng và kích thư c tính toán.
Tuy nhiên, phần l n v n tốc là các bi n chưa bi t cho các dòng ch y bên
trong như đối lưu tự nhiên. Trong những trư ng h p như v y h số Grashof (Gr),
đặc trưng cho dòng ch y. Nó mô t tỷ l c a các lực bên trong (lực nâng) đ một
lực nh t tác động lên lưu chất. Tương tự như v y v i h số Reynolds nó đòi hỏi xác

14


đ nh kích thư c tính toán, tính chất v t lý c a lưu chất và chênh l ch nhi t
độ. Số Grashof đư c đ nh nghĩa là:

GrL 

g  (Ts  T0 ).L3

 


(2 - 6)

2

Trong đó: g là gia tốc tr ng trư ng, β là h
chất, Ts bi u th nhi t độ c a b

số giãn n nhi t c a lưu

mặt nóng, T0 là nhi t độ c a không khí xung

quanh, L là kích thư c tính toán, μ đặc trưng cho độ nh t động lực c a lưu
chất và ρ là khối lư ng riêng.
Đối v i khí lý tư ng, h số giãn nỡ nhi t bằng:



1
T

(2-7)

Vi c chuy n đổi từ dòng ch y tầng đ n dòng ch y rối x y ra trong kho ng
giá tr Gr là 109, dòng ch y rối cho các giá tr l n hơn.
2.4. H s Nusselt

H số tỏa nhi t đối lưu h có ch a đựng trong Module truy n nhi t, nó đư c
tính toán dựa trên h số Nusselt và đư c th hi n như một hàm số c a các đặc tính
v t li u, nhi t độ, lưu lư ng dòng ch y và hình dáng hình h c.
Đối v i đối lưu tự nhiên, mối quan h cho h số Nusselt thư ng có d ng:
Nu  C  Gr Pr 

n

(2-8)

Tham số C ph thuộc vào hình h c. Số mũ n lấy bằng 0,25 cho ch y tầng và
0,33 đối v i dòng ch y rối. Quan h Nusselt cho đối lưu cưỡng b c thay đổi đáng
k và không có công th c chung.
Có hai lo i số Nusselt: trung bình NuL và c c bộ Nu y . Lo i trung bình là một
hình th c tích phân. Nó đư c xác đ nh dựa trên tổng chi u dài c a b mặt làm mát
và sinh ra một h số truy n nhi t trung bình have. Số Nusselt c c bộ đưa đ n h số
truy n nhi t c c bộ tùy thuộc vào v trí. Trong trư ng h p này, bi n L trong các
15


bi u th c đư c thay th b i y, kho ng cách từ mép đầu (hoặc kho ng cách từ đi m
ti p xúc đầu tiên theo hư ng dòng ch y). Trong thư vi n các h số truy n nhi t c
hai lo i Nusselt này đ u đư c xem xét.
2.5. Dòng ch y l u chất
Đ phân tích những đặc tính truy n nhi t và dòng ch y lưu chất, một số gi
thi t đư c đưa ra:
- Lưu chất có tính liên t c
- Truy n nhi t ổn đ nh
- Bỏ qua truy n nhi t b c x .
Những phương trình chính y u trong h thống này bao gồm phương trình

liên t c, phương trình momentum và phương trình năng lư ng.
Phương trình liên t c
 u v w 




u
v
w    0
t
x
y
z
 x y z 

(2-9)

Phương trình momentum (phương trình động lư ng)

1 p    2u  2u  2u 
u
u
u
u
u v  w  
 




t
x
y
z
 x   x 2 y 2 z 2 

(2-9a)

v
v
v
v
1 p    2v  2v  2v 
u v  w  
 



t
x
y
z
 x   x 2 y 2 z 2 

(2-9b)

1 p    2 w  2 w  2 w 
w
w
w

w
u
v
w

 



t
x
y
z
 x   x 2 y 2 z 2 

(2-9c)

Phương trình năng lư ng

   2T  2T  2T 
T
T
T
T
u
v
w





Q
C p  x 2 y 2 z 2  i
t
x
y
z

(2-10)

Trong đó: Qi là sự phát sinh nhi t bên trong, T là nhi t độ, Cp là nhi t dung
riêng đẳng áp,  là h số dẫn nhi t
16