Nghiên cứu sự chuyển pha của giọt nước đọng trên cánh máy bay

..

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

ĐÀO VĂN KHOA

NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CỦA GIỌT
NƢỚC ĐỌNG TRÊN CÁNH MÁY BAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. VŨ VĂN TRƢỜNG

Hà Nội - 2018


LỜI NĨI ĐẦU
Ngành hàng khơng đã và đang khẳng định đƣợc tầm quan trọng của mình trong
sự phát triển của xã hội ngày nay, kéo theo sự phát triển của kinh tế, cơng nghệ hiện
đại trên tồn thế giới. Việc nghiên cứu các hiện tƣợng xảy trong hàng không không
bao giờ là đủ. Đề tài “Nghiên cứu sự chuyển pha của giọt nước đọng trên cánh máy
bay”, là một đề tài mới, thiết thực và cũng là một trong những vấn đề cốt lõi của
hiện tƣợng băng đá xuất hiện trên máy bay. Luận văn sẽ cho thấy đƣợc vai trị của
hiện tƣợng này đối với ngành hàng khơng, mở rộng phƣơng pháp mô phỏng số ứng
dụng cho hiện tƣợng nghiên cứu và đóng góp một phần cho khoa học hiện nay.
Với những kiến thức cũng nhƣ kinh nghiệm trong nghiên cứu còn hạn chế, em

rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các thầy cơ. Em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến tồn thể thầy cơ giáo thuộc Viện Cơ khí Động lực, trƣờng đại học Bách
Khoa Hà Nội, đặc biệt là TS. Vũ Văn Trƣờng đã tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến
thức và động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian hoàn thành đề tài này.
Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc
gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 107.03-2017.01.
Em xin chân thành cảm ơn!


LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN
Tôi – Đào Văn Khoa – Cam kết Luận văn Thạc sỹ khoa học là cơng trình
nghiên cứu của bản thân tơi dƣới sự hƣớng dẫn của TS.Vũ Văn Trƣờng.
Các kết quả nêu trong Luận văn Thạc sỹ là trung thực, không phải là sao
chép tồn văn của bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2017

Tác giả Luận văn

Đào Văn Khoa

XÁC NHẬN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.....................................................
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Giáo viên hƣớng dẫn

TS. VŨ VĂN TRƢỜNG


Mục lục
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................6
1.1. Ảnh hƣởng của băng đá trong ngành hàng không ...................................6
1.2. Các loại băng đá hình thành trên máy bay. ..............................................7
1.3. Một số phƣơng pháp chống phá băng trên máy bay ................................8
1.4. Tình hình nghiên cứu bài tốn hóa rắn của một giọt nƣớc trên bề mặt
lạnh.. .....................................................................................................................11
CHƢƠNG 2: MÔ PHỎNG HIỆN TƢỢNG .........................................................16
2.1. Bài tốn mơ phỏng .....................................................................................16
2.2. Các phƣơng trình tốn học giải bài tốn mơ phỏng. ..............................18
2.3. Phƣơng pháp số và các thông số đầu vào ................................................20
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ .........................................................................................25
3.1. Nghiên cứu độ hội tụ của lƣới...................................................................25
3.2. Đánh giá phƣơng pháp: ............................................................................28
3.3. Kết quả và thảo luận. ................................................................................29
CHƢƠNG 4: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .....................................42

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................45
PHỤ LỤC .................................................................................................................47


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Đơn vị

Cp

[J/(kg.K)]

Nhiệt dung đẳng áp

g

[m/s2]

Gia tốc trọng trƣờng

I

[-]

k

[W/(m.K)]

Lh

[J/kg]

Nhiệt ẩn chuyển pha

σ

[N/m]

Hệ số căng bề mặt

n

[-]

p

[N/m2]

Áp suất

q

[W/m2]

Thơng lƣợng nhiệt

T

[K]

Nhiệt độ

R

[m]

Bán kính tƣơng đƣơng

Rw

[m]

Bán kính ƣớt

t

[s]

Thời gian

u

[m/s]

Véc tơ vận tốc

Vn

[m/s]

Tốc độ hóa rắn

x

[m]

Véc tơ vị trí

δ

[m-3]

Hàm delta

ϕ0

[°]

Góc tiếp xúc ban đầu giữa hạt nƣớc với tấm lạnh

gr

[°]

Góc phát triển [1]

μ

[Pa.s]

ρ

[kg/m-3]

τ

[-]

Thời gian khơng thứ nguyên

θ

[-]

Nhiệt độ không thứ nguyên

[-]

CHỈ SỐ DƢỚI
Lạnh

c

Ý nghĩa

Hàm chỉ thị
Hệ số dẫn nhiệt

Véc tơ pháp tuyến đơn vị

Độ nhớt động lực học
Khối lƣợng riêng


f

[-]

Biên pha

g

[-]

Pha khí

l

[-]

Pha lỏng

m

[-]

Tan,chảy

s

[-]

Pha rắn


Danh mục hình ảnh
Hình 1: Băng đá hình thành trên máy bay [2]. ............................................................................... 1
Hình 2: Các hạt nước trong khơng khí [3]. .................................................................................... 1
Hình 3: Hạt nước nhỏ đọng trên bề mặt lạnh [4]. ......................................................................... 2
Hình 4: Băng đá hình thành trên máy bay [9]. ............................................................................... 6
Hình 5: Băng đá trên máy bay – Rime ice [10]. ............................................................................. 7
Hình 6: Băng đá trên máy bay – Clear ice [9]. ............................................................................... 8
Hình 7: Phá băng máy bay trên sân đỗ [12]. ................................................................................. 9
Hình 8: Chống phá băng bằng khí nóng [13]. ............................................................................. 10
Hình 9: Phá băng bằng khí nén [14]. ............................................................................................ 10
Hình 10: Hạt nước sau hóa rắn ở nhiệt độ phịng [13]. ............................................................. 11
Hình 11: Q trình đóng băng của một giọt nước trên đĩa lạnh (T = -20 ° C) [16]. .................. 12
Hình 12: Hình dạng giọt nước đá theo thời gian khi nhiệt độ bề mặt của tấm thử nghiệm
được thiết lập là Tw = -2°C [19]. ........................................................................................... 13
Hình 13: Hạt nước với bán kính tương đương R. ...................................................................... 16
Hình 14: Hạt nước trên bề mặt lạnh: (a) Thí nghiệm [16], và (b) mơ hình tính tốn................ 17
Hình 15: Mơ hình hóa bài tốn. ..................................................................................................... 21
Hình 16: Hình dạng ban đầu của giọt nước với góc tiếp xúc bề mặt lạnh khác nhau. .......... 23
Hình 17: Cấu trúc lưới tại vùng gần đường ba pha. .................................................................. 25
Hình 18: Sự biến đổi theo thời gian của chiều cao trung bình của biên chuyển pha (tính từ
bề mặt lạnh) Hs và (b) sự biến đổi theo thời gian của số Nusselt trung bình ứng với ba
lưới khác nhau. ..................................................................................................................... 26
Hình 19: Sự phát triển của biên chuyển pha tại các thời điểm khác nhau trong quá trình
chuyển pha được tính tốn bởi các lưới khác nhau. ....................................................... 27

Hình 20: So sánh giữa mô phỏng (trái) và thực nghiệm (phải [29]) của hạt nước đóng băng.
................................................................................................................................................ 28
Hình 21: Sự phát triển theo thời gian của trường nhiệt độ và vận tốc tại các giai đoạn khác
nhau: (a)  = 0.01, (b)  = 0.4 and (c)  = 1.04. .................................................................... 30
Hình 22: Sự phát triển theo thời gian của độ cao trung bình biên chuyển pha Hs, chiều cao
hạt nước Hd, và vận tốc phát triển trung bình của biên chuyển pha Vna. ...................... 31
Hình 23: Sự phát triển của biên chuyển pha tại các thời điểm khác nhau với các đường mức
nhiệt độ. ................................................................................................................................. 33
Hình 24: Sự phát triển theo thời gian của trường nhiệt độ và vận tốc ở các giai đoạn khác
nhau của q trình hóa rắn tại Bo = - 3.0 và 0= 77 . ........................................................ 34
0

Hình 25: Sự phát triển theo thời gian của chiều cao trung bình của biên chuyển pha (tính từ
bề mặt lạnh) Hs và độ cao hạt nước Hd............................................................................... 35


Hình 26: Kết quả hạt nước hóa rắn ở  = 0.176 với các giá trị của số Bond khác nhau tại

0 =

0

77 . .......................................................................................................................................... 36
Hình 27: Sự ảnh hưởng của góc 0 đến sự phát triển của q trình hóa rắn của hạt nước tại
giá trị Bo = -2.5,  = 0.12. ...................................................................................................... 37
Hình 28: Sự ảnh hưởng của góc 0 đến sự phát triển chiều dài của hạt nước tại giá trị Bo = 2.5,  = 0.12. ........................................................................................................................... 38
Hình 29: Biên dạng mặt cắt của giọt nước trước khi hóa rắn (nét đứt) và sau khi hóa rắn (nét
liền). ........................................................................................................................................ 39
Hình 30: Ảnh hưởng của góc tiếp xúc

0 và số Bond lên biên dạng của giọt nước ở giai

đoạn cuối của q trình hóa rắn (dấu * tương ứng trường hợp tách hạt). .................... 40
Hình 31: Ảnh hưởng của góc tiếp xúc

0 và số Bond tới thời gian hóa rắn của giọt nước s.

................................................................................................................................................ 40
Hình 32: Mơ phỏng với trường hợp nhiều hạt nước.................................................................. 43
Hình 33: Mơ phỏng với dạng bài toán 3D, sự chuyển pha của lớp nước trên bề mặt cánh
máy bay. ................................................................................................................................. 43


Danh mục bảng
Bảng 1: Một số giải pháp chống phá băng [5] .............................................................................. 3


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Hình 1: Băng đá hình thành trên máy bay [2].

Băng đá hình thành trên máy bay (Hình 1) gây ảnh hƣởng rất lớn đến an toàn
bay. Đây là một trong những nguyên nhân gây ra nhiều vụ tai nạn thảm khốc. Nhƣ
vậy, đề tài nghiên cứu về hiện tƣợng băng đá hay là sự hóa rắn của nƣớc trên máy
bay là rất cần thiết.

Sự hóa rắn của nƣớc xảy ra trên cánh máy bay có nhiều dạng khác nhau nhƣ tạo
thành lớp rắn màu trắng do sự kết tinh của các hạt nƣớc đọng trên cánh (Hình 2)
hay sự tạo thành lớp rắn với màu trong suốt do sự kết tinh của nƣớc mƣa và hạt
nƣớc trong mây.

Hình 2: Các hạt nƣớc trong khơng khí [3].

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Hình 3: Hạt nƣớc nhỏ đọng trên bề mặt lạnh [4].

Nhƣ vậy, điểm cốt lõi của bài toán cần đƣợc giải quyết đó chính là sự hóa rắn
của một giọt nƣớc đọng trên cánh (Hình3). Do đó đề tài “Nghiên cứu sự chuyển pha
của giọt nƣớc đọng trên cánh máy bay” sẽ giải quyết bài tốn chuyển pha (hóa rắn)
của một hạt nƣớc với sự tồn tại của ba pha rắn – lỏng – khí. Kết quả bài tốn sẽ cho
thấy rõ sự phát triển theo thời gian của các biên phân cách giữa các pha (biên rắn–
lỏng hay còn gọi là biên hóa rắn/chuyển pha, biên nƣớc–khí, và biên đá–khí) cùng
với sự ảnh hƣởng của điều kiện mơi trƣờng. Và hình dạng của sản phẩm cuối cùng
ở quá trình hóa rắn.
Việc nắm rõ cơ chế của hiện tƣợng sẽ là cơ sở để nghiên cứu và phát triển các
công nghệ chống phá băng hiện đại hơn, tiết kiệm hơn, không chỉ trong ngành hàng
không mà ở các lĩnh vực liên quan. Vậy đây sẽ là một đề tài mới, đóng góp một
phần quan trọng cho khoa học hiện tại cũng nhƣ tƣơng lai.
2. Lịch sử nghiên cứu
Trong hai thập kỉ đầu của ngành hàng không dân dụng, những mối nguy hiểm

do nguyên nhân từ băng đá rất ít xảy ra. Đó là vì sự hạn chế trong phát triển công
nghệ cũng nhƣ tài liệu tham khảo về hiện tƣợng này là rất ít. Do vậy, phi cơng đã
làm hết sức mình để tránh cho máy bay bay qua những đám mây, tránh thời tiết
mƣa đá. Kết quả là, những mối nguy hiểm do băng đá rất hiếm khi xảy ra và ln
ln vơ ý. Nhƣng tình hình này đã thay đổi vào giữa những năm 1920, khi các phi
Trang 2


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

cơng của dịch vụ thƣ tín Hoa Kỳ cố gắng duy trì hoạt động cả ngày và đêm giữa
New York và Chicago. Hai vụ tại nạn đầu tiên đƣợc ghi nhận liên tiếp là vào ngày
23/12/1926 do phi công Warren Wiliams điều khiển máy bay Douglas M4, nhƣng
may mắn sống sót. Khơng lâu sau đó vào ngày 22/4/1927, phi cơng điều khiển là
John F.Milatzo thì tử nạn. Nguyên nhân đƣợc tìm thấy ở cả hai vụ tai nạn này là do
hiện tƣợng đóng băng làm máy bay khơng thể điều khiển đƣợc [5]. Từ đó, việc
nghiên cứu tìm ra giải pháp để ngăn chặn hiện tƣợng này đã đƣợc chú ý và bắt đầu
vào năm 1928. Những giải pháp này vẫn đƣợc giữ và phát triển đến ngày nay.
Vị trí xuất hiện băng đá
-

Bề mặt trƣớc cánh

-

Bề mặt trƣớc cánh ổn định ngang và
đứng

Phƣơng pháp chống, phá băng
- Khí nóng, làm nóng bằng dịng điện,
hóa chất, khí nén
- Khí nóng, làm nóng bằng dịng điện,
khí nén

-

Kính chắn gió, cửa sổ

-

Mặt trƣớc động cơ

- Khí nóng, làm nóng bằng dịng điện,
hóa chất
- Khí nóng và làm nóng bằng dịng
điện

-

Nón và mặt trƣớc cánh quạt

- Làm nóng bằng dịng điện và hóa
chất

-

Ống pitot

- Làm nóng bằng dịng điện
Bảng 1: Một số giải pháp chống phá băng [6].

Nhƣng việc nghiên cứu sâu về bản chất và cơ chế xảy ra hiện tƣợng cũng nhƣ
mơ hình hóa hiện tƣợng để tìm ra các giải pháp tối ƣu hơn, tiết kiệm hơn là rất ít.
Trong số đó nổi bật là nghiên cứu: “Thực nghiệm hiện tƣợng chuyển pha và sự phát
triển thành băng đá của nƣớc trên bề mặt cánh Turbin gió” của tác giả Hui Hu thuộc
Khoa Kỹ thuật Không gian vũ trụ của Đại học Bang Iowa, Hoa Kỳ năm 2009 [7].
Kết quả thực nghiệm cho thấy các dạng băng đá xuất hiện trên bề mặt cánh tuabin
Trang 3


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

gió, và q trình chuyển đổi nhiệt độ và chuyển đổi pha bên trong giọt nƣớc cũng
nhƣ hình dạng và sự phát triển của nƣớc đá trên bề mặt cánh tuabin gió.
Vào năm 2015, bài báo “Vật lý học về băng đá trên máy bay” của tác giả Tropea
cùng các cộng sự của ơng đƣợc cơng bố [8]. Ngồi việc tổng hợp đƣợc từ rất nhiều
nguồn tài liệu khác nhau về điều kiện tạo nên băng đá, kích thƣớc các hạt nƣớc, các
tác giả cũng đƣa ra các kết quả so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng liên quan
đến hình dạng các hạt nƣớc lớn và tinh thể băng, sự va chạm với bề mặt và sự bồi
lắng tinh thể băng.
Nhƣ vậy, theo các tài liệu đã công bố thì đề tài về xây dựng bài tốn và nghiên
cứu tính tốn số bằng phƣơng pháp theo dấu biên cho mô phỏng sự chuyển pha của
hạt nƣớc là chƣa đƣợc nghiên cứu. Trong khi đó, ta thấy đƣợc tầm quan trọng của
hiện tƣợng này ảnh hƣởng rất lớn đến không chỉ ngành hàng không mà các ngành
công nghiệp liên quan. Việc nghiên cứu rõ bản chất và cơ chế hoạt động bằng việc
tính tốn mơ phỏng số là đề tài mới, đóng góp một phần quan trọng cho khoa học

hiện đại.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu quá trình chuyển pha của hạt nƣớc đọng
trên cánh máy bay khi cánh máy bay ở nhiệt độ dƣới nhiệt độ chuyển pha của nƣớc
bằng phƣơng pháp tính tốn số. Cụ thể, đề tài sẽ hƣớng tới các mục tiêu sau:
-

Mở rộng phƣơng pháp mô phỏng số trực tiếp đã đƣợc phát triển trong đề tài

của TS. Vũ Văn Trƣờng (dựa trên hệ phƣơng trình vi phân Navier-Stokes và năng
lƣợng cho dịng Newton và khơng nén đƣợc) cho q trình hóa rắn của hạt nƣớc.
-

Bằng tính tốn số, chỉ ra ảnh hƣởng của góc tiếp xúc tại bề mặt với sự hiện

diện của sự thay đổi thể tích và đƣờng chập ba pha lên q trình hóa rắn của một hạt
nƣớc trên một bề mặt lạnh (cánh máy bay). Cho thấy đƣợc sự phát triển của biên
chuyển pha cũng nhƣ trƣờng nhiệt độ và trƣờng dòng trong q trình hóa rắn. Cho
thấy đƣợc hình dạng của hạt chất lỏng sau q trình hóa rắn bị tác động nhƣ thế nào
khi có sự thay đổi của các yếu tố đầu vào.
Trang 4


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

- Bằng tính tốn số, cho thấy đƣợc ảnh hƣởng của nhiệt độ bề mặt đến sản
phẩm cuối cùng của q trình hóa rắn.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

-

Nghiên cứu vai trị của bài tốn đối với ngành hàng khơng và nghiên cứu

khoa học, tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc về chuyển pha hóa rắn
của hạt nƣớc.
-

Xây dựng bài tốn và nghiên cứu tính tốn số cho mô phỏng sự chuyển pha

của một hạt nƣớc.
-

Nghiên cứu ảnh hƣởng của trọng trƣờng, hình dạng hạt nƣớc ban đầu cũng

nhƣ một số yếu tố khác đến quá trình chuyển pha hóa rắn của hạt nƣớc trên cánh.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Bằng việc sử dụng phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết nhằm nghiên
cứu tổng quan các vấn đề liên quan đến hiện tƣợng chuyển pha của hạt nƣớc từ các
nguồn tài liệu. Dựa vào đó, phân tích nội dung và tổng hợp các thơng tin thu thập
đƣợc thành một chỉnh thể đầy đủ nhất. Từ đó sẽ định hƣớng cho việc áp dụng
phƣơng pháp mơ hình hóa có sử dụng tính tốn số cho mơ phỏng và đảm bảo đƣợc
tính tƣơng tự và trực quan nhất với hiện tƣợng.

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Ảnh hƣởng của băng đá trong ngành hàng khơng
Sự hóa rắn của nƣớc trên cánh máy bay (Hình 4) khi đang bay là một mối
nguy hiểm nghiêm trọng trong ngành hàng không, đặc biệt là hàng khơng dân dụng.

Hình 4: Băng đá hình thành trên máy bay [9].

Nó ảnh hƣởng đến sự chảy bao của dịng khơng khí, làm thay đổi biên dạng
khí động của máy bay, giảm lực nâng, tăng lực cản, tăng trọng lƣợng, làm giảm khả
năng điều khiển của máy bay. Chỉ một lớp băng mỏng hình thành trên cánh cũng có
thể gây ra hiện tƣợng phân tách các luồng khơng khí chảy bao trên bề mặt của cánh.
Trong một số trƣờng hợp của máy bay nhỏ, băng đá hình thành ở các bộ phận điều
khiển cánh và đuôi, các bộ phận đƣợc sử dụng để kiểm sốt máy bay, khiến máy
bay khơng bay đƣợc. Băng đá hình thành khơng chỉ trong khi bay, mà còn xảy ra
khi máy bay ở mặt đất, tại những nơi có nhiệt độ xung quanh thấp hơn nhiệt độ
chuyển pha của nƣớc. Ngồi ra, hiện tƣợng đóng băng của nƣớc còn xảy ra trên
cánh tua bin, tại các lỗ thông hơi, nắp đậy làm giảm hiệu suất, chức năng hoạt động
cũng nhƣ phá hủy các thiết bị tƣơng ứng.

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Vậy hiện tƣợng băng đá hình thành trên máy bay là một trong những vấn đề đã
và đang đƣợc quan tâm và khắc phục. Mặc dù có nhiều phƣơng pháp chống phá
băng đƣợc phát minh và áp dụng trên nhiều loại máy bay nhƣng hầu hết còn chƣa

đƣợc tối ƣu. Việc nghiên cứu và tìm ra bản chất của hiện tƣợng sẽ là tiền đề để tìm
ra những phƣơng pháp chống phá băng hiệu quả và toàn diện hơn nữa.
1.2. Các loại băng đá hình thành trên máy bay.

Hình 5: Băng đá trên máy bay – Rime ice [10].

Các loại băng đá hình thành trên bề mặt bên ngồi máy bay đƣợc xác định gồm
các dạng:
-

Rime (Hình 5): Là lớp băng đá rắn màu trắng, hình thành bởi những giọt

nƣớc nhỏ siêu lạnh đóng băng ngay lập tức khi va vào các bề mặt máy bay, bề mặt
có nhiệt độ dƣới nhiệt độ đóng băng. Các hạt nƣớc này quá nhỏ không đủ để kết
hợp với nhau tạo nên sự liên tục nên kết quả sau khi đóng băng là một tinh thể đục,
giòn và dễ bị phá hủy bởi các thiết bị chống phá băng trên máy bay. Phạm vi nhiệt

Trang 7


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

độ để hình thành là -40°C đến 0°C, nhƣng thƣờng gặp nhất trong khoảng từ -20°C
đến -10°C.
-

Clear (Hình 6): Là lớp băng đá rắn trong suốt, rắn chắc và khó bị phá vỡ,

hình thành bởi những giọt nƣớc lớn siêu lạnh nhiệt độ từ -15°C đến 0°C, chảy lan ra
và đóng băng khi gặp bề mặt máy bay.

Hình 6: Băng đá trên máy bay – Clear ice [9].

-

Mixed: gồm sự trộn lẫn giữa Rime và Clear, hình thành bởi những hạt nƣớc

khác nhau về kích cỡ.
1.3. Một số phƣơng pháp chống phá băng trên máy bay
a) Ở dƣới mặt đất
Ở những nƣớc có mùa đơng rất lạnh, kể cả những máy bay đậu dƣới đất cũng
cần đƣợc bảo vệ chống lại hiện tƣợng đóng băng. Nếu nhƣ máy bay đƣợc đặt trong
hang-ga có sƣởi ấm, dù chỉ sƣởi rất ít, thì cũng khơng có vẫn đề gì với băng tuyết
cả. Nhƣng với những máy bay đậu bên ngoài, biện pháp tốt và thơng dụng hơn là
phun lên chúng một ít chất lỏng phá hoặc chống đóng băng (Hình 7). Ngƣời ta
thƣờng dùng hỗn hợp mà chủ yếu là nƣớc nóng có nhiệt độ khảng chừng 75°C.
Nhƣng chính bởi chỉ sử dụng nhiệt độ để phá băng nên chúng có hiệu quả rất ngắn.
Trang 8


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Do đó, ngày nay ngƣời ta sử dụng các chất lỏng làm tan băng bao gồm Propylen
glycol, Ethylene glycol và các chất phụ gia đƣợc các hãng hàng không sử dụng rộng
rãi để làm tan băng. Tuy nhiên, Propylen glycol phổ biến hơn vì nó ít độc hơn
Ethylen glycol [11].

Hình 7: Phá băng máy bay trên sân đỗ [12].

b) Trong khi bay [11]
-

Dùng khí nóng từ động cơ (Hình 8): Động cơ ngoài chức năng cung cấp lực

đẩy phản lực hoặc moment làm quay các cánh quạt, cịn có chức năng đảm bảo hoạt
động của nhiều hệ thống phụ trợ khác. Một trong các mục đích phụ đó là dùng khí
nóng trích ra từ các tầng sau ở máy nén động cơ phản lực để sƣởi cho các chi tiết
thƣờng xuyên có băng xuất hiện. Tuy nhiên vẫn có một nhƣợc điểm là lƣợng nhiệt
mất mát khá lớn, và làm nóng những bộ phận khơng cần thiết.

Trang 9


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Hình 8: Chống phá băng bằng khí nóng [13].

- Dùng tính đàn hồi của cao su kết hợp khí nén để làm vỡ băng (Hình 9): các
lớp cao su sẽ đƣợc bọc vào mép cánh, có thể co dãn. Mỗi khi băng hình thành van
khí sẽ đƣợc mở, khi đó, khí từ máy nén áp suất cao làm lớp cao su dãn ra và lớp
băng phía ngồi sẽ mau chóng bị vỡ ra do cả tác dụng nhiệt và cơ học.

Hình 9: Phá băng bằng khí nén [14].

Trang 10


Luận văn thạc sĩ

-

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Hệ thống điện: Một số máy bay cũng có thể sử dụng các bộ phận điện trở

phía ngồi bao bọc bởi lớp cao su gắn với các cạnh cánh và mặt trƣớc của đuôi,
cạnh đầu cánh quạt, và các cạnh của cánh quạt máy bay trực thăng, kính cabin. Lớp
cao su này sẽ tỏa nhiệt khi có dịng điện chạy qua điện trở.
1.4. Tình hình nghiên cứu bài tốn hóa rắn của một giọt nƣớc trên bề mặt lạnh.
Hiện tƣợng hạt nƣớc đóng băng xuất hiện trong nhiều hệ thống và trong tự nhiên
và có thể xảy ra đóng băng trên các bề mặt lạnh nhƣ cáp điện, máy bay, tuabin gió...
Các giọt nƣớc đóng băng trên máy bay hoặc tuabin gió làm giảm lực nâng và tăng
lực cản, và do đó ảnh hƣởng đến khả năng điều khiển máy bay, hoặc hiệu suất của
tuabin gió. Do đó, hiện tƣợng đóng băng trên máy bay có thể gây ra một mối nguy
hiểm nghiêm trọng cho chuyến bay. Sự hình thành băng trên tuabin gió hoặc đƣờng
dây cáp có thể phá huỷ hoạt động an tồn của thiết bị. Theo đó, các vấn đề về đóng
băng đã đƣợc nghiên cứu trong nhiều cơng trình trong những năm gần đây.
Gần đây, đề tài về sự hóa rắn của hạt nƣớc trên một tấm lạnh rất đƣợc quan tâm.
Các nghiên cứu thực nghiệm có thể đƣợc tìm thấy trong bài báo của Anderson cùng

Hình 10: Hạt nƣớc sau hóa rắn ở nhiệt độ phòng [13].

cộng sự năm 1996 [15]. Các nhà nghiên cứu xem xét thực nghiệm và phân tích hệ
thống đơn giản của một giọt nƣớc hóa rắn trên một tấm lạnh (Hình10). Các nhà

khoa học đã chụp lại hình ảnh hạt nƣớc hóa rắn để đánh giá góc phát triển của
Trang 11


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

đƣờng biên pha rắn-lỏng. Kết quả thí nghiệm cung cấp một cách kiểm tra đơn giản
về các điều kiện tại điểm ba pha, cách này có thể đƣợc sử dụng trong các phân tích
lý thuyết của nhiều hệ thống phức tạp hơn. Một điều kiện biên mới tại điểm ba pha
đƣợc giới thiệu và giải thích các đặc điểm rất quan trọng của các giọt nƣớc hóa rắn
trên bề mặt lạnh. Những phát hiện này là rất cần thiết phục vụ cho việc tạo ra các
vật liệu tinh khiết.
Oscar R. Enríquez cùng cộng sự [16], Snoeijer và Brunet [17] đã thực hiện các
thí nghiệm tƣơng tự để phân tích hình dáng kì dị của hạt nƣớc sau q trình hóa rắn
(Hình 11). Nguyên nhân bắt nguồn từ việc giảm khối lƣợng riêng trong q trình
đóng băng và có thể đƣợc giải thích bằng cách sử dụng một mơ hình đƣợc làm đơn
giản hóa với cấu trúc chung của hình dáng kì dị này đƣợc mơ tả chi tiết.

Hình 11: Q trình đóng băng của một giọt nƣớc trên đĩa lạnh (T = -20 ° C) [16].

Zhang cùng các đồng nghiệp [18] đã thu đƣợc các kết quả về hình dạng đặc trƣng
của hạt nƣớc đóng băng cũng nhƣ các dữ liệu về biên chuyển pha, thể tích, chiều
cao hạt nƣớc bằng phƣơng pháp chụp ảnh các giai đoạn hóa rắn của hạt nƣớc. Kết
quả đƣợc phân tích là vì khối lƣợng riêng thay đổi khi hóa rắn nên thể tích hạt nƣớc
Trang 12


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

sẽ mở rộng lên phía trên, với hình dạng là đỉnh nón gần nhƣ đối xứng. Ngồi ra
Silicon và gecmani cũng tạo ra hình dạng đỉnh nón tƣơng tự sau khi hồn thành q
trình kết tinh.

Hình 12: Hình dạng giọt nƣớc đá theo thời gian khi nhiệt độ bề mặt của tấm thử
nghiệm đƣợc thiết lập là Tw = -2°C [19].

Hu và Jin [19] , Jin cùng các cộng sự [20] sử dụng một kỹ thuật đo nhiệt độ
phân tử để hình dung sự phát triển của q trình hóa rắn của một giọt nƣớc trên một
tấm lạnh (Hình 12). Do sự thay đổi mật độ, tức là, sự giãn nở của thể tích khi đóng
băng là ngun nhân tạo ra hình nón gần nhƣ đối xứng của hạt nƣớc hóa rắn. Các
nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, sau khi một giọt nƣớc rơi xuống bề mặt lạnh,
nƣớc ở dƣới cùng của giọt nƣớc sẽ đƣợc đông lạnh và chuyển thành rắn nhanh
chóng, trong khi phần trên của giọt vẫn cịn trong trạng thái lỏng. Khi thời gian trơi
qua, mặt phân cách giữa nƣớc (pha lỏng) và đá (pha rắn) di chuyển lên liên tục và
ngày càng nhiều nƣớc trong giọt biến thành đá rắn. Điều thú vị là, nhiệt độ trung
bình của nƣớc lỏng cịn lại trong giọt tăng lên, thay vì giảm, và liên tục trong quá
Trang 13


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

trình đóng băng. Sự gia tăng nhiệt độ của nƣớc lỏng còn lại trong giọt nƣớc đƣợc
cho là do sự giải phóng nhiệt ẩn trong q trình hóa rắn. Sự giãn nở thể tích của giọt
nƣớc trong suốt q trình đóng băng chủ yếu là phát triển lên trên tạo ra tăng trƣởng

chiều cao của giọt chứ không phải là đối xứng tâm và mở rộng vùng tiếp xúc của
giọt trên tấm thử. Thời gian đóng băng của các giọt nƣớc để biến thành tinh thể
băng hồn tồn thì phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của tấm thử.
Về lý thuyết, Nauenberg [21] đã sử dụng thuyết xấp xỉ để mơ tả q trình
phát triển biên chuyển pha của giọt nƣớc trên một khối băng khô và kiểm tra ảnh
hƣởng của tính dẫn nhiệt trong q trình hóa rắn hạt nƣớc. Gần đây, Zhang và các
đồng nghiệp [22] cũng đã phát triển một mơ hình với tác động của trọng lực để tái
tạo hình dáng của hạt nƣớc sau khi đơng cứng hồn tồn. Về phƣơng pháp số,
Schultz và đồng nghiệp [23] sử dụng phƣơng pháp tích phân biên để mơ phỏng sự
phát triển của q trình hóa rắn và các biên pha của hạt nƣớc dƣới điều kiện khơng
có ảnh hƣởng của trọng lực. Vấn đề này sau đó cũng đƣợc nghiên cứu bởi Virozub
và cộng sự [24] trong đó có sự ảnh hƣởng của trọng lực và sức căng bề mặt. Các tác
giả đã áp dụng một góc phát triển tại điểm ba pha là hằng số. Trong khi đó,
Chaudhary và Li [25] đã trình bày một nghiên cứu thực nghiệm và số liệu về mơ
hình đóng băng các giọt nƣớc tĩnh trên các bề mặt với khả năng ƣớt khác nhau và bề
mặt đƣợc làm lạnh nhanh. Sự phát triển nhiệt độ của các giọt nƣớc đƣợc ghi nhận
để xác định các quá trình liên quan đến sự thay đổi pha của các giọt. Để có cái nhìn
sâu hơn về quá trình truyền nhiệt trong suốt quá trình hóa rắn, mơ phỏng nhiệt đƣợc
thực hiện bằng phƣơng pháp số, giải phƣơng trình dẫn nhiệt bằng Enthalpy. Năm
2015, Zhang và các đồng nghiệp [26] trình bày cả mơ hình và thí nghiệm nghiên
cứu về đóng băng của một giọt nƣớc nhỏ trên bề mặt lạnh với các góc tiếp xúc khác
nhau và thu đƣợc biên dạng hình học của giọt nƣớc hóa rắn trên bề mặt lạnh bằng
cách giải phƣơng trình Young-Laplace và sử dụng phƣơng pháp nhiệt dung tƣơng
đƣơng để giải quyết vấn đề Stefan.
Trang 14


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Nhƣ vậy, ta thấy đƣợc tầm quan trọng của hiện tƣợng này ảnh hƣởng rất lớn
đến không chỉ ngành hàng không mà các ngành công nghiệp liên quan. Việc nghiên
cứu rõ bản chất và cơ chế hoạt động của quá trình hóa rắn là rất cần thiết và đang
đƣợc các nhà nghiên cứu quan tâm. Dựa trên cơ sở các cơng trình nghiên cứu và
thực nghiệm có sẵn, theo đó bằng việc tính tốn mơ phỏng số, sử dụng phƣơng pháp
theo dấu biên – Front Tracking áp dụng cho hiện tƣợng này sẽ là đề tài mới, do đó
sẽ đóng góp một phần quan trọng cho khoa học hiện nay. Trong luận văn, với việc
sử dụng phƣơng pháp “Front Tracking” [1] thì kết quả sẽ thể hiện đƣợc rõ các mặt
biên và ranh giới của các pha bằng các phép nội suy từ lƣới mơ phỏng tính tốn. Bài
tốn sẽ tập trung vào sự ảnh hƣởng của tỷ lệ giữa lực trọng trƣờng và sức căng bề
mặt lên hình dạng của hạt nƣớc thể hiện bởi số “Bond” và nhiều trƣờng hợp mơ
phỏng biểu thị góc tiếp xúc giữa hạt nƣớc với về mặt lạnh khác nhau.

Trang 15


Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

CHƢƠNG 2: MƠ PHỎNG HIỆN TƢỢNG
2.1. Bài tốn mơ phỏng
Nhƣ đƣợc giới hạn trong chƣơng 1, trong thực tế trên bề mặt máy bay có rất
nhiều hạt nƣớc hóa rắn. Nhƣng điểm cốt lõi chính là sự hóa rắn của một giọt nƣớc
đọng trên cánh. Để đơn giản hóa bài toán, đối tƣợng đƣợc nghiên cứu trong đề tài là
một giọt nƣớc bám vào bề mặt lạnh. Do vậy, với hai trƣờng hợp là hạt nƣớc nằm
trên bề mặt và bám dƣới bề mặt sẽ tƣơng ứng với số Bond và gia tốc trọng trƣờng
nhƣ hình 14. Bề mặt lạnh này đƣợc giữ ở nhiệt độ Tc dƣới nhiệt độ đóng băng của
nƣớc Tm. Hạt nƣớc ban đầu đƣợc giả thiết có hình dạng chỏm cầu, bán kính tƣơng

đƣơng R = 3V0  4 

13

,(với V0 là thể tích ban đầu của giọt nƣớc) hình 13 và đƣợc

xác định bởi góc liên hệ với bề mặt lạnh ϕo, nhiệt độ miền xung quanh là T0 (Hình
14b) ở trong phịng kín, nƣớc và khí giả thiết là chất lƣu khơng nén đƣợc. Bởi vì
nhiệt độ bề mặt lạnh thấp hơn nhiệt độ hóa rắn của nƣớc, do vậy lớp băng mỏng đầu
tiên sẽ đƣợc hình thành tại bề mặt lạnh và dần dần phát triển lên trên. Theo đó, ta
giả định rằng ban đầu sẽ có một lớp băng rất mỏng tại bề mặt lạnh nhiệt độ Tc. Các
điều kiện biên thể hiện nhƣ hình 14b: Điều kiện biên mở tại biên trên, điều kiện
biên trƣợt hoàn toàn tại biên phải, điều kiện biên đối xứng tại biên trái.

Hình 13: Hạt nƣớc với bán kính tƣơng đƣơng R.

Trang 16