Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

DƯƠNG TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC
VÀ HÌNH HỌC ĐẾN PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT TRONG ĐỘNG
CƠ MÁY BAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN PHÚ HÙNG

Hà Nội - Năm 2011


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp của tôi với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số động học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay” đã
được hoàn chỉnh trong thời gian quy định và đã đạt được các kết quả đặt ra. Đồng
thời, giúp nâng cao khả năng tự nghiên cứu của bản thân tôi trong quá trình ứng
dụng các thành tựu khoa học vào việc phát triển công nghệ cho đất nước.
Tôi chân thành cám ơn TS Nguyễn Phú Hùng, người hướng dẫn trực tiếp cho
tôi hoàn thành luận văn này. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của thầy đã mở ra
một hướng nghiên cứu mới và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với đề tài này này.

Tôi cũng xin cảm ơn các giảng viên Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Máy và
Thiết bị thủy khí, trường ĐHBK Hà Nội đã tạo điều kiện tra cứu các tài liệu, hướng
dẫn cho tôi hoàn thành tốt đề tài của luận văn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011
Học viên

Dương Tuấn Anh

i


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số động học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay” do em
tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Phú Hùng.
Để hoàn thành bản đồ án này tôi chỉ dùng những tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu nào khác. Không hề có sự sao
chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011
Học viên

Dương Tuấn Anh

ii


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỈ SỐ ............................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ ..................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ xiv
CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ LÀM MÁT THÀNH BUỒNG CHÁY VÀ LÁ
TUABIN KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ MÁY BAY ........................................................1
I. Các công nghệ làm mát lá tuabin khí. ..................................................................1
II. Giới thiệu về công nghệ làm mát bằng tấm nhiều lỗ ..........................................3
III. Ảnh hưởng của các thông số tới hiệu quả làm mát. ..........................................4
3.1. Dạng hình học của lỗ làm mát: .....................................................................4
3.2. Ảnh hưởng của tỉ số phun. ............................................................................5
3.3. Sự sắp xếp các hàng lỗ. .................................................................................6
3.4. Hình dạng mép vào của lỗ. ...........................................................................7
3.5. Ảnh hưởng do rối của dòng tự do .................................................................7
3.6. Ảnh hưởng của hệ số tổn thất đối với hình dạng lỗ. .....................................9
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ...................................12
VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ...........................................................................12
I. Giới thiệu mô hình nghiên cứu. .........................................................................12
1.1. Xây dựng mô hình. .....................................................................................12
1.2. Lựa chọn miền nghiên cứu. ........................................................................13
1.3. Mô hình bài toán: ........................................................................................15
1.3.1. Các thông số hình học: ..........................................................................15

iii


Mục lục

1.3.2. Các thông số nhiệt động học: ................................................................16
II. Lưới và các điều kiện giới hạn..........................................................................16
2.1. Các điều kiện giới hạn. ...............................................................................16
2.2. Lưới.............................................................................................................17
2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của lưới. ................................................................19
III. Lựa chọn model tính toán trong Fluent. .........................................................20
IV. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng. ..................................................................21
4.1. Các biến nghiên cứu. ..................................................................................21
4.2. Các yếu tố ảnh hưởng. ................................................................................22
4.2.1. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học. .....................................................22
a. Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* ..........................................................22
b. ảnh hưởng của chiều dày tấm E*.............................................................23
c. Ảnh hưởng của chiều dày lớp ceramic (E2/E). ........................................23
4.2.2. Ảnh hưởng của các thông số nhiệt động học ........................................24
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH
HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM MÁT ............................................26
I. Các thông số đầu vào. ........................................................................................26
1.1. Các thông số hình học.................................................................................26
1.2. Các thông số nhiệt động học. ......................................................................26
II. Phần kết quả tính toán số. .................................................................................26
2.1. Ảnh hưởng của thông số góc nghiêng. .......................................................26
2.1.1. Kết quả tính toán số với góc nghiêng 350: ............................................27
a. Trường phân bố vận tốc: ..........................................................................27
b. Trường phân bố nhiệt độ: ........................................................................28
c. Tính toán ảnh hưởng của khoảng cách đến hiệu quả làm mát. ................29
* Tại vị trí x =1d. ...............................................................................................29

iv

Mục lục

* Tại vị trí x = 3d. ..............................................................................................31
* Tại vị trí x = 20d .............................................................................................32
d. Xây dựng các biểu thức đại số đặc trưng. ...............................................33
* Biểu thức đại số của hiệu suất max theo khoảng cách. ..................................33
* Xây dựng biểu thức đại số của vận tốc max theo khoảng cách. .....................34
* Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng ngăn cách dòng nóng và dòng làm
mát theo khoảng cách. .......................................................................................35
2.1.2. Kết quả tính toán số với góc nghiêng 450 và 600 ..................................35
a. Trường phân bố vận tốc: ..........................................................................35
b. Trường phân bố nhiệt độ: ........................................................................36
c. Tính toán ảnh hưởng của khoảng cách đến hiệu quả làm mát. ................37
d. Xây dựng các hàm tính toán. ...................................................................38
* Hàm của hiệu suất max theo khoảng cách. .....................................................38
* Xây dựng hàm của vận tốc max theo khoảng cách. .......................................39
* Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng ngăn cách dòng nóng và dòng làm
mát theo khoảng cách. .......................................................................................40
2.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng tới hiệu quả làm mát. ...........40
a. Xét tại vị trí 1d. ........................................................................................41
b. Xét tại vị trí 3d. ........................................................................................41
c. Tại khoảng cách 10d: ...............................................................................42
2.2. Ảnh hưởng của số hàng lỗ. .........................................................................43
2.2.1. Với hai hàng lỗ. .....................................................................................43
a. Trường phân bố vận tốc. ..........................................................................43
b. Trường phân bố nhiệt độ. ........................................................................43
c. Ảnh hưởng của khoảng cách đến hiệu quả làm mát ...............................44
2.2.2. Với ba hàng lỗ .......................................................................................48

v


Mục lục

a. Tính toán ảnh hưởng của hiệu suất làm mát theo khoảng cách. ..............48
b. Nghiên cứu ảnh hưởng của số hàng lỗ tới hiệu quả làm mát. .................49
2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số phun M đến hiệu quả làm mát. ..................53
a.Tại vị trí x =1d ..........................................................................................53
b. Tại vị trí x = 3d. .......................................................................................54
c. Tại vị trí x = 5d. .......................................................................................55
d. So sánh ảnh hưởng của tỉ số phun đến hiệu suất: ....................................55
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÌNH
HỌC VÀ ĐỘNG HỌC ĐẾN ỨNG XỬ NHIỆT TRÊN TẤM PHẲNG ..................57
I. Biểu diễn kết quả................................................................................................57
1.1. Kết quả dưới dạng các giá trị quan sát........................................................57
1.2. Kết quả dưới dạng hình ảnh phân bố nhiệt độ trên các bề mặt. .................57
II. Kết quả. .............................................................................................................58
2.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học. ......................................................58
2.1.1. Ảnh hưởng của chiều dày tương đối lớp ceramic (E2/E) ......................59
a. Ảnh hưởng đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic ......................................62
b. Ảnh hưởng đến sự ứng xử nhiệt trong lớp thép.......................................64
2.1.2. Ảnh hưởng của chiều dày không thứ nguyên E* ..................................65
a. Ảnh hưởng đến sự ứng xử nhiệt trong lớp ceramic .................................68
b. Ảnh hưởng đến sự ứng xử nhiệt trong lớp thép.......................................69
2.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* .......................................................70
a. Ảnh hưởng của khoảng cách P* đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic .....73
b. Ảnh hưởng của khoảng cách P* đến ứng xử nhiệt trong lớp thép ..........74
2.2. Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt động học..................................................75
2.2.1. Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt λ* ............................................................76

a. Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt tương đối trong lớp ceramic. .....................77

vi


Mục lục

b. Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt đối với ứng xử nhiệt trong lớp thép ..............79
2.2.2. Ảnh hưởng của hệ số Reynold ..............................................................80
a. Ảnh hưởng của hệ số Reynold đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic .......82
b. Ảnh hưởng đến ứng xử nhiệt trong lớp thép ...........................................83
2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tương đối Ttđ ..................................................84
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử nhiệt trong lớp ceramic .................85
2.2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng xử nhiệt trong lớp thép.............86
III. Tổng hợp kết quả. ............................................................................................87
3.1. Mặt cắt ceramic...........................................................................................88
3.2. Mặt cắt thép. ...............................................................................................90
3.3. Đánh giá kết quả .........................................................................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... i
PHỤ LỤC ................................................................................................................... ii
Phụ lục A: ............................................................................................................... ii
1. Mô hình k - ε : Standard. ................................................................................ ii
2. Mô hình k – ε RNG........................................................................................ iii
3. Mô hình k – ε Realizable .................................................................................v
Phụ lục B: Nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu quả làm mát. ........ vi
1. Góc 350 .......................................................................................................... vi
2. Góc 450 ............................................................................................................x
3. Góc 600 ......................................................................................................... xii
4. So sánh sự biến đổi của hiệu suất theo khoảng cách: .................................. xiii

Phụ lục C: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số phun đến hiệu quả làm mát. ............xv
1. Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách với M = 0.5 ...............................xv
2. Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách với M = 1 .............................. xviii

vii


Mục lục

3. Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách với M = 1.5 ............................. xix
4. So sánh ảnh hưởng của tỉ số phun đến hiệu suất: ........................................ xxi
Phụ lục D: .......................................................................................................... xxiv
1. Hai hàng lỗ. ................................................................................................ xxiv
2. Ba hàng lỗ. ...................................................................................................xxv
3. So sánh sự biến đổi của hiệu suất theo khoảng cách đối với trường hợp 1
hàng lỗ, hai hàng lỗ và ba hàng lỗ: ............................................................... xxvii

viii


Danh mục ký hiệu & chỉ số

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỈ SỐ
Kí hiệu:
d : Đường kính lỗ làm mát (m)
D : đường kính lớn lỗ làm mát sau khi nghiêng một góc α (m)
P : khoảng cách giữa hai lỗ trong cùng hàng (m)
S : khoảng cách giữa hai hàng lỗ (m)
L : chiều dài lỗ (m)
V : vận tốc (m/s)

T : nhiệt độ (K)
M : tỉ số phun ( M =

ρ c × Vc
)
ρ ms × Vms

Re : số Reynolds trong lỗ
ρ : trọng lượng riêng của khí (Kg/m3)
ν : độ nhớt động học
α : góc nghiêng của lỗ
Chỉ số.
c : dòng phun qua lỗ
ms: dòng khí chính

ix


Danh mục các bảng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ & ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Các hệ thống làm mát. .......................................................................2
Hình 1. 2. Buồng đốt động cơ ứng dụng công nghệ làm mát bằng....................3
Hình 1. 3. Dòng khí làm mát đi từ bề mặt ngoài vào làm mát ...........................4
Hình 1. 4. Sự sắp xếp các hàng lỗ (a): kiểu sole nhau, (b): kiểu thẳng hàng .....6

Hình 2. 1. Mô hình tổng quát cần nghiên cứu ..................................................12
Hình 2. 2 Phân bố các lỗ theo hình vuông và so le ..........................................13
Hình 2. 3 Các mặt phẳng đối xứng và tuần hoàn của tấm có các lỗ phân bố so le 14
Hình 2. 5. Miền được chọn để mô phỏng.........................................................14

Hình 2. 6. Mô hình bài toán làm mát lá tuabin ................................................15
Hình 2. 7. Các điều kiện giới hạn .....................................................................17
Hình 2. 8. Lưới được chia trong mặt phẳng vuông góc với OZ.......................18
Hình 2. 9. Lưới được chia trong mặt phẳng vuông góc với OX .....................19
Hình 2. 10. Biểu đồ nghiên cứu ảnh hưởng của nút lưới đến sự phân bố nhiệt
độ trên hai phần vật liệu ceramic và thép..................................................................20

Hình 3. 1. Mô tả trường phân bố vận tốc .........................................................27
Hình 3. 2. Trường phân bố vận tốc tại ống làm mát ........................................27
Hình 3. 3. Trường phân bố nhiệt độ dọc theo ống làm mát .............................28
Hình 3. 4. Trường phân bố nhiệt độ trên bề mặt lá tuabin ..............................28
Hình 3. 5. Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt ......................................................29
Hình 3. 6. Phân bố nhiệt độ và vận tốc tại mặt cắt 1d......................................30
Hình 3. 7. Hiệu suất và vận tốc tại vị trí x/d =1, y/d = 0 ..................................30
Hình 3. 8. Phân bố nhiệt độ và vận tốc tại mặt cắt 3d......................................31

x


Danh mục các bảng

Hình 3. 9. Hiệu suất và vận tốc tại vị trí x/d =3, y/d = 0 ..................................32
Hình 3. 10. Hiệu suất tại vị trí x/d = 20............................................................32
Hình 3. 11. Đồ thị tổng hợp của hiệu suất theo khoảng cách ..........................33
Hình 3. 12. Xây dựng biểu thức đại số của hiệu suất max theo khoảng cách..34
Hình 3. 13.Xây dựng biểu thức đại số của vận tốc max theo khoảng cách .....34
Hình 3. 14. Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng theo khoảng cách .........35
Hình 3. 15.Trường phân bố vận tốc với góc nghiêng 450 và 600 .....................36
Hình 3. 16. Trường phân bố nhiệt độ với góc nghiêng 450 và 600...................36
Hình 3. 17. Đồ thị tổng hợp của hiệu suất theo khoảng cách ..........................37

Hình 3. 18. Xây dựng biểu thức đại số của hiệu suất max theo khoảng cách..38
Hình 3. 19. Xây dựng biểu thức đại số của vận tốc max theo khoảng cách ....39
Hình 3. 20. Xây dựng biểu thức đại số của lớp màng theo khoảng cách .........40
Hình 3. 21. So sánh ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu suất tại vị trí 1d ....41
Hình 3. 22. So sánh ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu suất tại vị trí 3d ....41
Hình 3. 23. So sánh ảnh hưởng của góc nghiêng đến hiệu suất tại vị trí 10d ..42
Hình 3. 24. Trường phân bố vận tốc ................................................................43
Hình 3. 25. Trường phân bố nhiệt độ tại mặt periodic .....................................43
Hình 3. 26 Trường phân bố nhiệt độ, vận tốc, hiệu suất tại mặt cắt 1d ...........44
Hình 3. 27. Phân bố vận tốc và hiệu suất tại x/d =1, y/d =0 ............................44
Hình 3. 28. Phân bố vận tốc và hiệu suất tại x/d =5, y/d =0 ............................46
Hình 3. 29. Đồ thị phân bố hiệu suất tại vị trí x/d =18 ....................................46
Hình 3. 30. Đồ thị biểu diễn sự phân bố hiệu suất theo khoảng cách. .............47
Hình 3. 31. Đồ thị biến đổi hiệu suất theo khoảng cách ..................................48
Hình 3. 32. Trường phân bố vận tốc tại tâm lỗ ................................................49
Hình 3. 33. Hiệu quả làm mát tại vị trí x/d = 1 ................................................49
Hình 3. 34. Đồ thị hiệu quả làm mát tại vị trí x/d = 1 ......................................50

xi


Danh mục các bảng

Hình 3. 35. Đồ thị hiệu quả làm mát tại vị trí x/d = 5 ......................................50
Hình 3. 36. Đồ thị hiệu quả làm mát tại x/d = 12 và x/d =18 ..........................51
Hình 3. 37. Đồ thị hiệu quả làm mát tại x/d = 24.............................................52
Hình 3. 38. Hiệu quả làm mát trên bề mặt lá tuabin (1 hàng lỗ) ......................52
Hình 3. 39. Hiệu quả làm mát trên bề mặt lá tuabin (hai hàng lỗ) ...................52
Hình 3. 40. Hiệu quả làm mát trên bề mặt lá tuabin (ba hàng lỗ) ....................53
Hình 3. 41. Hiệu quả làm mát tại vị trí x/d =1 .................................................53

Hình 3. 42. So sánh ảnh hưởng của M đến hiệu suất tại vị trí 1d ....................54
Hình 3. 43. So sánh ảnh hưởng của M đến hiệu suất tại vị trí 3d ....................54
Hình 3. 44. So sánh ảnh hưởng của M đến hiệu suất tại vị trí 5d ....................55
Hình 3. 45. Hiệu suất tại các mặt cắt 1d, 2d, 3d, 4d.........................................56

Hình 4. 1. Miêu tả kết quả dưới dạng phân bố nhiệt trên các bề mặt ..............58
Hình 4. 2 Ảnh hưởng của ceramic đến phân bố nhiệt độ trên bề mặt ..............61
Hình 4. 3. Sự biến đổi nhiệt độ trong lớp ceramic ...........................................63
Hình 4. 4. Biến đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong lỗ ...........................64
Hình 4. 5. Ảnh hưởng của chiều dày tương đối lên nhiệt độ lớp thép .............65
Hình 4. 6 .Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến sự phân bố nhiệt các bề mặt ....67
Hình 4. 7. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến ứng xử nhiệt của lớp ceramic ..68
Hình 4. 8. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến ứng xử nhiệt của lớp thép ........70
Hình 4. 9 Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ đến sự phân bố nhiệt các bề mặt ...72
Hình 4. 10. Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ P* đến ứng xử nhiệt lớp ceramic73
Hình 4. 11. Sự biến đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo P*.....................74
Hình 4. 12. Ảnh hưởng của khoảng cách lỗ đến ứng xử nhiệt lớp thép...........75
Hình 4. 13 Ảnh hưởng của λ* đến sự phân bố nhiệt các bề mặt ......................77
Hình 4. 14. Ảnh hưởng của λ* đến ứng xử nhiệt lớp ceramic .........................78

xii


Danh mục các bảng

Hình 4. 15. Ảnh hưởng của λ* đến ứng xử nhiệt lớp thép ...............................79
Hình 4. 16. Biến đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo Reynold.......................80
Hình 4. 17 Ảnh hưởng của hệ số Reynold đến phân bố nhiệt độ các bề mặt ..82
Hình 4. 18. Ảnh hưởng của hệ số Reynold đến ứng xử nhiệt lớp ceramic ......83
Hình 4. 19. Ảnh hưởng của hệ số Re đến ứng xử nhiệt lớp thép .....................84

Hình 4. 20. Ảnh hưởng của nhiệt độ tương đối đến ứng xử nhiệt lớp ceramic86
Hình 4. 21. Ảnh hưởng của nhiệt độ tương đối đến ứng xử nhiệt lớp thép .....87

xiii


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
- Cùng với sự phát triển của ngành kỹ thuật hàng không, công nghệ chế tạo động
cơ máy bay ngày càng hoàn thiện, đáp ứng các yêu cầu như: tăng công suất lực đẩy,
hiệu suất nhiên liệu và độ tin cậy. Một vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay là
thiết kế buồng cháy và lá tuabin nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của động cơ.
- Như ta đã biết, buồng cháy và lá tuabin luôn hoạt động trong môi trường nhiệt
độ rất cao (khoảng 1700K đến 2500K), do đó các phương pháp làm mát đã được áp
dụng để giảm các ứng suất nhiệt sinh ra, tăng hiệu quả hoạt động và tăng hiệu quả
kinh tế. Việc nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến phương pháp làm mát là cần
thiết nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp làm mát.
- Do đó tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số động
học và hình học đến phương pháp làm mát trong động cơ máy bay” cho luận văn
tốt nghiệp của mình.
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Sử dụng phương pháp CFD và hai phần mềm Gambit và Fluent để nghiên cứu:
- Thứ nhất, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học (góc nghiêng, số
hàng lỗ) và thông số động học (tỷ số phun) tới hiệu quả làm mát trên tấm phẳng.
- Thứ hai, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố hình học và động học tới ứng
xử nhiệt trên tấm phẳng.
Phương pháp nghiên cứu:
Trên cơ sở phân tích, sử dụng hai phần mềm là Gambit và Fluent để xây dựng

mô hình bài toán, chia lưới và mô phỏng, tính toán các thông số động học và hình
học ảnh hưởng tới hiệu quả làm mát, nghiên cứu sự trao đổi nhiệt trên tấm phẳng.
Từ đó xây dựng các biểu thức đại số đặc trưng cho hiệu suất làm mát trên tấm
phẳng.

xiv


Lời nói đầu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Thông qua việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số động học và hình
học trên thành buồng cháy và lá turbin trong động cơ máy bay, sự trao đổi ứng xử
nhiệt trên tấm phẳng ta có thể rút ra kết luận về các thông số tối ưu, có thể áp dụng
trong thực tiễn để chế tạo trong động cơ máy bay.
Cấu trúc luận văn:
Chương I: Các công nghệ làm mát trong động cơ máy bay.
Chương II: Giới thiệu mô hình nghiên cứu và các thông số ảnh hưởng.
Chương III: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học và động học tới
hiệu quả làm mát trên tấm phẳng.
Chương IV: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học và động học tới ứng
xử nhiệt trên tấm phẳng
Luận văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phú Hùng. Tôi
xin chân thành cảm ơn Thầy Hùng và các Thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện cho
tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn. Kính mong được các Thầy và các bạn đồng
nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được tốt hơn.

xv

Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ LÀM MÁT THÀNH BUỒNG CHÁY VÀ
LÁ TUABIN KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ MÁY BAY
Để tăng hiệu quả làm việc của động cơ các công nghệ làm mát đã được áp
dụng. Tuy nhiên mỗi công nghệ lại có những ưu, nhược điểm riêng và phụ thuộc
vào nhiều thông số ảnh hưởng. Đánh giá về hiệu quả của mỗi công nghệ sẽ góp
phần tối ưu hoá công suất lực đẩy của động cơ.
I. Các công nghệ làm mát lá tuabin khí.
Các công nghệ làm mát đã và đang phát triển, đặc biệt là trong khoảng mười
năm trở lại đây, dựa trên nguyên tắc sử dụng dòng khí làm mát ở xung quanh buồng
cháy phun vào phía trong. Nhiệt độ của dòng khí này vào khoảng 600K đến 900K
tùy thuộc vào từng loại động cơ và các chế độ hoạt động của nó. Không khí được
phun vào phía trong qua các khe nhỏ, tạo thành một màng bảo vệ khí động, giúp
ngăn cách tấm với dòng khí nóng.
Trên cơ sở như vậy người ta đã đưa ra rất nhiều các công nghệ khác nhau
(H1.1). Dạng đơn giản nhất, không khí được phun vào phía trong qua các khe hở
của tấm. Hệ thống này hiệu quả đối với khoang phía dưới, nhưng khả năng bảo vệ
của tấm bị giới hạn do màng làm mát được tạo sẽ hòa trộn rất nhanh chóng với dòng
khí nóng phía trong (H1.1 a). Công nghệ này được gọi là công nghệ làm mát bởi
màng. Đây cũng là công nghệ đầu tiên được ứng dụng vào làm mát tuabin động cơ.
Một hệ thống làm mát tốt hơn, nó sử dụng một vật liệu có nhiều lỗ nhỏ (H1.1
b), nó cho phép không khí làm mát đi qua ở mọi vị trí cần thiết: công nghệ này
được gọi là công nghệ làm mát bằng dòng khí thẩm thấu. Tuy nhiên, công nghệ lý
tưởng này không có khả năng ứng dụng trong thực tế của các tuabin khí trong
ngành hàng không vì lý do kinh tế và công nghệ: vật liệu nhiều lỗ có giá rất đắt và
tính cơ tính của nó cũng kém.

1


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

Công nghệ làm mát bằng dòng khí thẩm thấu không được sử dụng, nhưng từ ý
tưởng của công nghệ này người ta đã nghiên cứu và đưa ra công nghệ mới là công
nghệ làm mát tấm phẳng nhiều lỗ (H1.1 c). Với công nghệ này, tấm sẽ được khoan
các lỗ nhỏ để không khí làm mát dịch chuyển qua, do đó tấm sẽ được làm mát bằng
sự kết hợp trao đổi nhiệt đối lưu ở hai bề mặt: bề mặt phía trên (sát luồng không khí
nóng), bề mặt phía dưới (sát luồng không khí lạnh) và bề mặt trong lỗ.
Dòng khí nóng

Dòng khí nóng

Dòng khí làm mát
Dòng khí nóng

Dòng khí nóng

Dòng khí làm mát

Dòng khí làm mát

Hình 1. 1. Các hệ thống làm mát.
(a) làm mát bằng màng, (b) làm mát bằng thẩm thấu qua vật liệu nhiều lỗ,
(c) làm mát bằng tấm phẳng nhiều lỗ, (d) làm mát dưới tác động của vòi phun
và màng.

Các hệ thống phức tạp hơn cũng đã được nghĩ tới nhằm kết hợp được các tác
dụng của vòi phun và dạng màng (H1.1 d) (Lakshminarayana, 1996; Lefebvre,
1999). Với hệ thống này người ta đã sử dụng rất nhiều các mặt cắt đối với tấm. Các

2


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

vòi phun được tạo ra từ mức đầu tiên của các lỗ. Tiếp đến, không khí được phun
vào phía trong buồng đốt qua một khe hẹp hoặc qua một chuỗi các lỗ liên tiếp.
Trên đây là những công nghệ làm mát đang được nghiên cứu và áp dụng trên
thế giới, mỗi công nghệ đều có những ưu, nhược điểm riêng. Tuy nhiên, để có thể
áp dụng được các công nghệ này vào thực tế thì phải đáp ứng được cả hai yêu cầu
về kinh tế và kỹ thuật. Với bốn công nghệ đã nêu, thì công nghệ làm mát bằng tấm
phẳng nhiều lỗ là tối ưu hơn cả, nó vừa đảm bảo được vấn đề về chi phí vừa đảm
bảo được yêu cầu về khả năng làm mát hiệu quả. Đây cũng chính là công nghệ em
quan tâm và lựa chọn để nghiên cứu trong luận văn của mình.
II. Giới thiệu về công nghệ làm mát bằng tấm nhiều lỗ
Trong mô hình thực tế, người ta sẽ khoan các lỗ lên thành buồng đốt và thành
tuabin động cơ. Các lỗ khoan có đường kính nhỏ cho phép không khí làm mát đi
qua. Khi đó thành sẽ được làm mát bằng trao đổi nhiệt đối lưu phía mặt trong (sát
với luồng không khí nóng), mặt ngoài (sát với luồng khí làm mát) và bề mặt trong
của lỗ.

Hình 1. 2. Buồng đốt động cơ ứng dụng công nghệ làm mát bằng
tấm phẳng nhiều lỗ(1)
Dòng khí làm mát được thổi ở phía ngoài, một lượng khí này sẽ dịch chuyển

qua lỗ đi vào thành phía trong của buồng đốt và bám sát bề mặt phía trong, ngoài

1

Lấy từ />
3


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

việc có tác dụng làm mát nó còn ngăn cản dòng khí nóng tác động trực tiếp vào bề
mặt của thành phía trong. Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt đối lưu ở phía mặt trong,
mặt ngoài của thành và ở phía trong lỗ. Thêm vào đó nhờ sự dẫn nhiệt của vật liệu
làm thành mà buồng đốt sẽ được làm mát. Nhiệt độ của thành sẽ giảm đi đáng kể,
nó cho phép buồng đốt cũng như tuabin động cơ có khả năng làm việc trong những
điều kiện vô cùng khắc nghiệt.

Dòng không khí
nóng phía trong

Dòng khí làm
mát chuyển
động trong lỗ
Không khí làm mát
phía bề mặt ngoài

Hình 1. 3. Dòng khí làm mát đi từ bề mặt ngoài vào làm mát
Bề mặt phía trong (2)

Để nghiên cứu tác động của việc làm mát chúng ta sẽ đơn giản hóa mô hình
dưới dạng tấm phẳng có chiều dài hai chiều là vô hạn, trên đó ta khoan các lỗ theo
phân bố xác định. Ban đầu người ta chỉ nghiên cứu mô hình trên một vật liệu duy
nhất, nhưng hiệu quả làm mát vẫn còn bị hạn chế, vì vậy nó liên tục được nghiên
cứu để ngày một hoàn thiện. Cho đến ngày nay, có thể nói công nghệ này đã đạt
được một bước tiến dài về mặt kỹ thuật bằng việc tráng thêm một lớp ceramic lên
trên bề mặt của vật liệu gốc mà ta nghiên cứu.
III. Ảnh hưởng của các thông số tới hiệu quả làm mát.
3.1. Dạng hình học của lỗ làm mát:
Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của dạng hình học của lỗ làm mát đến hiệu
quả làm mát. Goldstein et al.[2] là người đầu tiên nghiên cứu về hình dạng của lỗ
2

lấy từ />
4


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

làm mát, tiến hành nghiên cứu với góc 10o của lỗ khuếch tán theo chiều lá tuabin và
thấy rằng dạng lỗ này làm mát tốt hơn so với lỗ hình trụ thông thường. Ngoài ra đối
với lỗ khuếch tán, Sen et al.[3] và Schmidt et al.[4] đã tìm thấy rằng với góc 15o sẽ
có hiệu quả làm mát tốt hơn so với lỗ hình trụ. Thole et al.[5] đã thực hiện các phép
đo về trường dòng cho 3 kiểu lỗ: Lỗ hình trụ, lỗ khuếch tán phần bên và các lỗ
khuếch tán tiếp theo. Kết quả chỉ ra rằng với lỗ khuếch tán sẽ làm giảm sự thâm
nhập của dòng khí làm mát vào dòng chính khi so sánh với lỗ hình trụ.
Cho et al [8] năm 2001 nghiên cứu về ảnh hưởng của màng thành và sự truyền
nhiệt của 3 loại lỗ với các góc kết hợp và sử dụng công nghệ thăng hoa của

naphthalene. Dạng lỗ #1 (khuyếch tán 4o theo mọi hướng), dạng lỗ #2 (khuyếch tán
8o theo một hướng). Dòng phụt ra ở góc θ = 300 với mọi lỗ. Phần kiểm tra được cài
đặt với góc biên (β) là 00, 450, và 900.
Bảng 1 chỉ ra các thông số cho mỗi trường hợp.

Bảng 1. 1. Các thông số hình học của lỗ làm mát
Cho et al. [8] kết luận rằng dòng qua các lỗ dạng #1 được điền đầy hơn,
khuếch tán hiệu quả hơn và vùng «hiệu quả cao được mở rộng hơn. Dạng lỗ #2 có
vùng hiệu quả cao hẹp hơn khi so sánh với dạng lỗ #1. Điều này là do dòng làm mát
đưa vào bên trong của lỗ được tách biệt với bề mặt, kết qủa là dòng làm mát phụt ra
trở nên kém khuếch tán. Như vậy qua các nghiên cứu cho thấy đối với dạng lỗ hình
trụ thì góc đặt nghiêng sẽ cho hiệu quả làm mát tốt hơn so với góc đặt thẳng đứng.
3.2. Ảnh hưởng của tỉ số phun.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số phun để tối ưu hiệu quả làm mát, tỉ số phun
quá cao làm giảm hiệu quả làm mát do dòng làm mát phụt ra thâm nhập vào dòng
chính mạnh hơn, nhưng tỉ số phun thấp thì sẽ không cung cấp đủ lượng khí làm mát

5


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

để bao phủ bề mặt hiệu quả. Các nghiên cứu đã chỉ ra là tỉ số phun tốt nhất không
giống nhau đối với mỗi dạng lỗ.
Goldstein et al.[2,9] và Jubran và Brown [10] đều đưa ra kết luận là tỉ số phun
tốt nhất cho các lỗ hình trụ là M = 0.5. Cho et al.[8] đã so sánh ảnh hưởng của tỉ số
phun đối với các dạng lỗ khác nhau. Lỗ dạng #1 có hiệu quả giảm khi tăng tỉ số
phun. Lỗ dạng #2 cũng có dạng tương tự khi so sánh với các lỗ dạng khác. Như vậy

tỉ số phun có ành hưởng rất lớn đến hiệu quả làm mát, tỉ số phun tăng sẽ làm cho
hiệu quả làm mát tăng lên.
3.3. Sự sắp xếp các hàng lỗ.
Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của số hàng lỗ đến hiệu quả làm mát. Jubran
và Brown[10], Jabbari et al.[11], Jubran và Maiteh [12] đã chỉ ra rằng hàng kép sẽ
tạo ra sự bảo vệ tốt hơn so với một hàng. Tổng diện tích lỗ của hàng kép tăng sẽ
làm giàm bớt động lượng của dòng làm mát, do đó làm giảm sự khuếch tán biên.
Khoảng cách giữa các lỗ càng gần nhau hiệu quả làm mát càng tốt hơn. Ligrani et
al.[13] chỉ ra rằng góc phức hợp được định hướng của các lỗ trong hàng thứ hai
cũng làm tăng hiệu quả làm mát. Thêm vào đó, các hàng lỗ đặt so le đạt hiệu quả tốt
hơn các lỗ đặt thẳng hàng. Dittmar et al. [14] nghiên cứu hiệu quả của việc sắp xếp
hai lỗ so le nhau và hai lỗ sắp xếp trong 1 hàng. Nói chung, các dạng lỗ đã đưa ra
đều có hiệu quả tốt. Tuy nhiên sự sắp xếp các lỗ so le nhau sẽ cho hiệu quả làm mát
tốt hơn so với sắp xếp thẳng hàng nhau. Sự bố trí nhiều hàng lỗ cùng làm mát hiệu
quả làm mát tốt hơn một hàng lỗ.

(a)

(b)

Hình 1. 4. Sự sắp xếp các hàng lỗ (a): kiểu sole nhau, (b): kiểu thẳng hàng

6


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

3.4. Hình dạng mép vào của lỗ.

Hầu hết các nghiên cứu hiệu quả của dòng làm mát đối với hình dạng lỗ
được thực hiện với tấm phẳng, không xét đến ảnh hưởng của độ cong ở lá tuabin
thực. Kim [15] đã kiểm tra 5 kiểu lỗ phun với mép vào khác nhau, Tác giả đã chỉ ra
rằng với tốc độ thổi thấp, áp suất khác nhau dọc theo hàng lỗ đầu tiên nhỏ hơn dọc
theo hàng lỗ thứ hai do sự phân bố áp suất xung quanh bề mặt trụ. Với tốc độ thổi
thấp nhất M= 0.5, hiệu quả đạt được rất thấp, đặc biệt ở hàng đầu tiên. Với M = 1.7
hiệu quả làm mát của tất cả các dạng lỗ đều tốt hơn so với dạng lỗ hình trụ. Hơn
nữa, lỗ laid-back fan-shaped cho ta hiệu quả cao nhất, hiệu quả đối với dạng lỗ laidback giảm 6% so với trường hợp M = 1.3. Điều này chỉ ra rằng lỗ laid-back có ảnh
hưởng nhiều hơn bởi sự tăng tỉ số phun, khi so sánh với các dạng lỗ khác do sự
phân tách của dòng làm mát.
Kim[15] đưa ra kết luận là: Tỉ số phun có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả và
dạng đường cong của dòng làm mát. Lỗ hình trụ tăng sự tách biệt trên bề mặt khi tỉ
số phun tăng. Lỗ laid-back cho hiệu quả cao nhất với đường cong rộng hơn và dốc
hơn tại đường tâm lỗ. Tuy nhiên các lỗ Laid-back có hiệu quả khá thấp bởi vì sự mở
rộng của dòng tạo ra không đủ các động lượng biên.
3.5. Ảnh hưởng do rối của dòng tự do
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ rối của dòng ra khỏi buồng cháy có thể
trong khoảng từ 7% - 20%. Theo Saumwber et al.[17], khi mà dòng khí được tăng
tốc, cường độ rối sẽ giảm do gia tốc bên trong của van này tăng mạnh. Mức rối
trong điều kiện động cơ hoạt động bình thường trong khoảng từ 8 đến 12%.
Những nghiên cứu về hình dạng lỗ làm mát được kiểm tra tại mức thấp của
cường độ rối dòng tự do. Các nghiên cứu gần đây được tập trung nhiều vào mức
cưòng độ rối cao hơn. Với lỗ hình trụ nghiêng 1 góc 330 so với dòng chính,
Kadotani và Goldstein [18 19] đã kiểm tra cường độ rối vào khoảng 0.3 đến 20.6%
với tỷ lệ chiều dài từ 0.06 đến 0.33 đường kính lỗ. Với tốc độ thổi thấp, mức cao
của cường độ rối làm giảm hiệu quả của đường tâm. Với tốc độ thổi cao, mức cao

7

Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

của rối làm tăng hiệu quả của đường tâm. Điều này là do sự hoà trộn rối làm giảm
sự thâm nhập của dòng làm mát vào dòng chính.
Jumper et al.[20] nghiên cứu mức rối từ 14 đến 17% trên lỗ hình trụ với góc
nghiêng 300 so với dòng chính. Họ thấy rằng với mức rối cao sẽ giảm hiệu năng
cũng như độ dài làm mát hiệu dụng của dòng làm mát. Thêm vào đó mức rối cao sẽ
làm tăng tốc độ thổi tối ưu. Bons et al[21] chỉ ra hiệu quả của đường tâm đối với
góc nghiêng lỗ hình trụ 350 so với dòng chính giảm 70% ở mức rối 17.4%. Giữa
các lỗ, hiệu quả tăng từ 50 đến 100% với mức rối cao của dòng tự do.
Một phát hiện quan trọng của Burd et al.[22] là phải quan tâm đến tỷ số L/D
của lỗ làm mát khi so sánh ảnh hưởng của cường độ rối. Họ thực hiện đo trên lỗ
hình trụ với góc nghiêng 350 so với dòng chính tại hai mức cường độ rối là 0.5 và
12% trong khi tỷ số L/D thay đổi từ 2.3 đến 7. Với mức rối dòng tự do thấp và các
lỗ ngắn thì dòng làm mát được phụt ra từ màng thành sẽ lan ra rộng hơn theo hướng
spanwise khi so sánh với lỗ dài. Tại mức cao của rối của dòng tự do, sự khác nhau
về dòng giữa lỗ ngắn và dài là giảm rất lớn.
Với những phát hiện này, Saumweber et al. [17] là người đầu tiên đưa ra các
thông số liên quan đến các dạng lỗ tại mức cao của dòng rối. Có 3 dạng lỗ được
nghiên cứu là : lỗ hình trụ, lỗ hình quạt ( fan-shaped) , và laid-back fan-shaped. Sử
dụng hệ thống camera hồng ngoại các nhà nghiên cứu đã kiểm tra ba dạng lỗ làm
mát màng tại mức cường độ rối từ 3.6 đến 11%. Tốc độ thổi từ 0.5 đến 2.5. Hiệu
quả của lỗ dạng quạt đáp ứng tốt hơn so với lỗ hình trụ. Hiệu quả của các lỗ giảm
với mọi tốc độ thổi khi mà cường độ rối tăng. Các lỗ hình trụ chỉ ra rằng hiệu quả
tăng tại tốc độ thổi cao khi mà mức rối của dòng tự do tăng. Bởi vì lỗ dạng quạt
dòng làm mát không có xu hướng tách biệt với bề mặt (thậm chí tại tốc độ thổi cao),
không có khả năng lan rộng của dòng làm mát theo hướng biên của dòng rối. Lỗ
dạng laid-back fan-shaped cũng giống với lỗ dạng quạt nhưng mức hiệu quả chung

thì thấp hơn. Tác giả cũng kết luận rằng tỷ số L/D tăng từ 2.1 đến 3.5 tại mức cường
độ rối không đổi là 5.1% không ảnh hưởng đến hiệu quả.

8


Chương I

Công nghệ làm mát thành buồng cháy và turbin động cơ máy bay

Teng et al.[23, 24] đã kiểm tra ảnh hưởng của các dạng lỗ đến sự truyền nhiệt
của lá tuabin và hiệu quả của phương pháp làm mát trong điều kiện ổn định và
không ổn định. Ảnh hưởng của điều kiện không ổn định tạo ra bởi mép ra của van
vào của dòng vào gây tác động mạnh đến sự phân bố hệ số truyền nhiệt trên bề mặt
lá roto. Bằng cách sử dụng cần xoay tại đầu vào của năm tầng lá gây ra trạng thái
không ổn định, các nghiên cứu cũng mô phỏng mức cường độ rối khoảng 20%.
Teng et al. [24] đã so sánh các dạng lỗ hình trụ, hình quạt và lay-back cho 1 hàng
đơn của 9 lỗ có vị trí ở trên lá tuabin. Họ kết luận rằng các dạng lỗ đó cho kết quả
làm mát tốt hơn so với các dạng lỗ hình trụ đối với cả trường hợp dòng ổn định và
không ổn định. Trong đó, dạng lỗ quạt thì tốt hơn so với dạng lỗ layback fanshaped. Các nhà nghiên cứu chỉ ra tỷ số tốc độ thổi tăng từ 0.6 đến 1.2, hiệu quả lỗ
dạng trụ giảm trong khi hiệu quả của các dạng lỗ khác tăng.
Ou et al.[25] và Mehendale et al. [26] mô phỏng trường hợp mất ổn định của
tầng lá tuabin với phương pháp làm mát màng. Họ nghiên cứu ảnh hưởng của mức
không ổn định trên mô hình lá tuabin với nhiều hàng lỗ và sử dụng không khí và
CO2 làm mát. Họ đo được hệ số truyền nhiệt và hiệu quả của phương pháp này tại
các vị trí khác nhau sử dụng phương pháp truyền nhiệt qua lá mỏng. Họ kết luận
rằng hệ số truyền nhiệt tăng và hiệu quả của phương pháp làm mát giảm khi sự mất
ổn định tăng.
Ảnh hưởng của mức cường độ rối đến hiệu quả làm mát phụ thuộc rất nhiều
vào tỉ số phun. Với tỉ số phun thấp thì mức cường độ rối tăng làm giảm hiệu quả

làm mát. Với tỉ số phun cao thì mức cường độ rối tăng tỉ lệ với hiệu quả làm mát
3.6. Ảnh hưởng của hệ số tổn thất đối với hình dạng lỗ.
Hệ số tổn thất được sử dụng để đánh giá tổn thất dòng trong lỗ làm mát. Tỉ số
phun của dòng làm mát là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả của dòng
làm mát, hệ số tổn thất là cần thiết để thiết kế lỗ làm mát hiệu quả. Hệ số tổn thất
phụ thuộc vào dạng hình học và các thông số khí động như dạng hình học của lỗ và
tỉ số áp suất dọc theo lỗ. Từ những nghiên cứu của Hay và Lamprard [29], các
thông số hình học chính mà hệ số tổn thất phụ thuộc là góc nghiêng, góc định

9