Xây dựng phần mềm mô phỏng quá trình truyền nhiệt báo cáo nghiên cứu khoa học giáo viên

LỜI CẢM ƠN

Sau 6 tháng tham gia nghiên cứu và hồn thành đề tài này đã giúp tơi bổ sung được
rất nhiều kiến thức bổ ích khơng chỉ chun ngành mà còn ở nhiều lãnh vực, ngành nghề
khác. Những kiến thức hữu ích này sẽ giúp tơi vững tin hơn để thực hiện những đề tài lớn
sau này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy – PGS.TS Phan Đình Tuấn đã định hướng, tận tình
chỉ dẫn giúp tơi tiếp cận và hồn thành đề tài này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Sinh học và Môi trường
đã luôn tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để tơi có thể thực hiện tốt đề tài
này.
Ngồi ra, tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa, các anh chị đồng
nghiệp, bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt chặng đường hoàn thành đề
tài.

1


MỤC LỤC

I.

GIỚI THIỆU ............................................................................................................................... 3
1.1.

Đặt vấn đề .............................................................................................................................. 3

1.2.

Mục tiêu ................................................................................................................................. 3

II. TỔNG QUAN .............................................................................................................................. 3
2.1.

Cơ sở lý thuyết của quá trình truyền nhiệt ........................................................................... 3

2.2.

Truyền nhiệt ổn định đối với tường phẳng khơng có nguồn nhiệt bên trong: ................... 5

2.3.

Tổng quan về Adobe Flash và ngôn ngữ Action Sript ........................................................ 5

III. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 6
IV. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ............................................................................................................. 6
4.1.

Kết hợp giải thuật và ngơn ngữ lập trình Action Sript. ....................................................... 6

4.2.

Giao diện phần mềm ............................................................................................................. 6

V. KẾT QUẢ..................................................................................................................................... 8
VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 11
VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 11
PHỤ LỤC ........................................................................................................................................... 12
Phụ lục 1: Code cho quá trình truyền nhiệt ổn định ..................................................................... 12
Phụ lục 2: Code cho quá trình truyền nhiệt không ổn định .......................................................... 14

2


XÂY DỰNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG Q TRÌNH
TRUYỀN NHIỆT

I.

GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Quá trình truyền nhiệt là một quá trình đặc trưng và rất quan trọng cho những ai làm việc

và học tập liên quan đến cơng nghệ hóa học nói chung cũng như các ngành sinh học, thực phẩm,
y học, mơi trường … Truyền nhiệt khơng phải q trình truyền vật chất mà là quá trình truyền
năng lượng nên rất khó hình dung, ta khơng thể quan sát được bằng mắt thường diễn biến của
quá trình này.
Hiện nay số lượng các phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực công nghệ hóa học rất lớn,
trong đó phổ biến nhất là PRO II, Hysys, Dynsim. Tuy nhiên các phần mềm này đòi hỏi bản
quyền, khá phức tạp để sử dụng và chỉ tập trung vào việc tính tốn, xử lý số liệu các q trình
truyền vận, hóa lý, hóa học … mà hạn chế đi tính trực quan của q trình.
Thế nên việc xây dựng phần mềm mô phỏng diễn biến các q trình cơng nghệ, đặc biệt
là q trình truyền nhiệt một cách trực quan hơn, dễ tiếp cận hơn là rất cần thiết. Bên cạnh đó mơ
hình sẽ cịn giúp cho việc tính tốn nhanh chóng và thuận tiện hơn.
1.2. Mục tiêu
Xây dựng phần mềm tính tốn và mơ phỏng quá trình truyền nhiệt bằng phần mềm
Adobe Flash và ngơn ngữ lập trình Action Script nhằm để trực quan hóa và xử lý số liệu nhanh
chóng đối với các bài tốn liên quan đến q trình truyền nhiệt mà cụ thể là quá trình truyền
nhiệt qua vách phẳng. Từ giải thuật của mơ hình này sẽ làm nền tảng cho các mơ hình phức tạp
ứng dụng trong cơng nghệ hóa học nói chung sau này.
II.

TỔNG QUAN
2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình truyền nhiệt
Phương trình Fourier cho quá trình truyền nhiệt trong vật rắn:
q
T
  2T  2T  2T qv
 2T  2T  2T

( 2  2  2 )   a( 2  2  2 )  v
 c x
y
z
c
x
y
z
c

Trong đó:
3


a


: hệ số dẫn nhiệt độ
c

Hay viết ở dạng toán tử:

q
T
 a2T  v  ...  T  f ( x, y, z, )  truyền nhiệt không ổn định

c

qv  0




Neáu  T
  T  f ( x, y , z ) 
v
à

0
  truyền nhiệt ổn định
 


 2T  0  Phương trình Laplace 
Trong đó tốn tử  2T được dùng để thay cho đạo hàm bậc 2 của hàm số T hay
Trong hệ tọa độ Decac thì
 2T 

 2T  2T  2T



x 2 y 2 z 2

Trong hệ tọa độ trụ thì
 2T 1 T 1  2T  2T
T 2 


r
r r r 2  2 z 2
2

Với r : vector bán kính
z : độ cao theo trục vng góc

 : góc cực
Trong hệ tọa độ cầu thì
2T 

 2T 2 T 1  
1
 2T
2 T 

.

.
(1


)


.
r 2 r r r 2  
  r 2 (1   2 )  2

Với: r : vector bán kính

  cos : là góc giữa vector bán kính và trục Oz
 : là góc giữa hình chiếu của vector bán kính lên mặt phẳng Oxy với trục Oz
Trường nhiệt trong bản phẳng cổ điển (dài

rộng

dày)

q
T
 a 2T  v

c
-

Ở chế độ truyền nhiệt ổn định (

a 2T 

T
 0 ) thì ta có


qv
0
c
4


Hay  2T 
-

qv



Nếu qv  0 thì

0

 2T d 2T

0
x 2 dx 2

Từ đây cho ta hàm nhiệt độ T trong bản phẳng là tuyến tính T(x)
2.2. Truyền nhiệt ổn định đối với tƣờng phẳng khơng có nguồn nhiệt bên trong:
Đây là loại trường nhiệt một chiều (một biến) nên phương trình truyền nhiệt tổng qt có
dạng:

d 2T
0
dx 2

Với điều kiện biên loại 1:
T ( x)  t1

T ( x)  t2

taïi x  0
taïi x  

Nguyên hàm khi tích phân 2 lần phương tình trên là

T ( x)  C1 x  C2
Từ điều kiện biên ta có C1 
T ( x)  t1  (t1  t2 )

t2  t1



; C2  t1 , tức

x

:

Hay ở dạng không thứ nguyên:

 ( x) 

t1  T ( x) x


t1  t2


Cường độ dòng nhiệt truyền qua bức tường phẳng sẽ là:
q  .grad T  

dT 
 (t1  t2 )
dx 

Và nhiệt lượng truyền dẫn qua tường đó là
Q  q.F 


.F .(t1  t2 )


2.3. Tổng quan về Adobe Flash và ngôn ngữ Action Sript
Adobe Flash trước đây là Macromedia Flash, còn được gọi một cách đơn giản là Flash, là
chương trình sáng tạo đa phương tiện lẫn phần mềm dùng để hiển thị chúng là Macromedia Flash
Player, chương trình này được viết và phân phối bởi Adobe Systems.
5


Flash dùng kỹ thuật đồ họa vectơ và đồ họa điểm (raster graphics) kết hợp với ngơn ngữ
lập trình riêng là ActionScript để diễn hoạt và truyền tải các luồng âm thanh hoặc hình ảnh thơng
qua Flash Player. Với việc sử dụng đồ họa dạng vectơ nên kích thước file rất nhỏ, thuận tiện cho
việc lưu trữ, truyền tải và chạy ứng dụng.
Flash là công cụ chuyên dụng để phát triển và thiết kế các phần mềm mô phỏng kèm các
tạo hiệu ứng động phức tạp, các mô thức động linh hoạt cao. Sử dụng ngơn ngữ lập trình

ActionScript để tạo các tương tác, các hoạt cảnh trong mơ hình, kết hợp được các file âm thanh,
hình ảnh động từ đơn giản đến phức tạp.
III. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thu thập và tổng hợp tài liệu về cơ sở lý thuyết của q trình truyền nhiệt.
Nghiên cứu các mơ hình tốn tính q trình truyền nhiệt qua vách.
Xây dựng phần mềm tính tốn và mơ phỏng q trình truyền nhiệt.

IV. XÂY DỰNG MƠ HÌNH
4.1. Kết hợp giải thuật và ngơn ngữ lập trình Action Sript.
Tham khảo phần phụ lục
4.2. Giao diện phần mềm
Chú thích:
(1). Khung nhập nhiệt độ của lị đốt (nguồn nhiệt) T1, đơn vị oC
(2). Khung nhập giá trị hệ số cấp nhiệt của nguồn nhiệt 1, đơn vị W/m2 .K
(3). Khung chọn vật liệu cho vách (tường) gồm các vật liệu cơ bản:
-

Thép thường

-

Thép hợp kim cao

-

Gạch chịu lửa

-

Gạch cách nhiệt

-

Gạch thường

-

Bê tông

(4). Khung nhập hệ số dẫn nhiệt của tường , đơn vị W/m.K
(5). Khung nhập giá trị bề dày của vách (tường) , đơn vị m
(6). Khung nhập nhiệt độ bên ngồi (khơng khí) T 2, đơn vị oC
(7). Khung nhập hệ số cấp nhiệt của khơng khí 2, đơn vị W/m2.K
6


6

3

7
1
4

2
5

8

10

9

11

12

13
15

14

16

17

H.1. Giao diện chính của phần mềm
7


(8). Nút chạy chương trình
(9). Khung hiển thị nhiệt độ bề mặt tường phía trong T v1, đơn vị oC
(10). Khung hiển thị nhiệt độ bề mặt tường phía ngồi T v2, đơn vị oC
(11). Khung hiển thị nhiệt độ nguồn nhiệt T1, đơn vị o C
(12). Khung hiển thị hệ số truyền nhiệt trung bình của quá trình K, đơn vị W/m2.K
(13). Khung hiển thị nhiệt độ bên ngoài T 2, đơn vị oC
(14). Bảng màu quy đổi hiển thị nhiệt độ của nguồn nhiệt
(15). Bảng màu quy đổi thể hiện nhiệt độ của vách và vật liệu tương ứng
(16). Bảng màu quy đổi thê hiện nhiệt độ phía ngoài vách
(17). Khung thể hiện thời gian truyền nhiệt cho q trình khơng ổn định

V.

KẾT QUẢ
Dùng phần mềm xây dựng được để tính tốn các bài ví dụ minh họa sau:
Bài tốn 1: Tính tốn hệ số truyền nhiệt, nhiệt độ tường lò làm bằng gạch chịu nhiệt . Biết
nhiệt độ trong lị đốt đạt 1200oC, nhiệt độ khơng khí bên ngoài là 30oC, bề dày vách
bằng 300 mm.
Kết quả tính tốn từ phần mềm thể hiện trong H.2
Bài tốn 2: Tương tự bài 1 với nhiệt độ nguồn nhiệt bên trong đạt gần 1000oC, vật liệu là
thép không rỉ có bề dày 50 mm, nhiệt độ bên ngồi là 50oC
Kết quả tính tốn từ phần mềm thể hiện trong H.3
Bài tốn 3: Tính tốn các thơng số cơ bản của q trình truyền nhiệt khơng ổn định từ
nguồn nhiệt 1200oC ra mơi trường ngồi qua lớp tường có vật liệu cấu tạo là gạch
chịu lửa, bề dày 300 mm.
Kết quả tính tốn từ phần mềm thể hiện trong H.4

8


H.2. Kết quả tính tốn cho bài tốn 1

H.3. Kết quả tính tốn cho bài tốn 2
9


H.4. Kết quả tính tốn cho bài tốn 3
10

VI. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Phần mềm giải quyết gần như thành cơng các bài tốn truyền nhiệt qua vách, bên cạnh
kèm theo hiệu ứng màu sắc giúp thể hiện quá trình một cách trực quan. Tuy nhiên truyền
nhiệt qua vách phẳng nói riêng hay q trình dẫn nhiệt trong vật rắn nói chung chỉ là một
phần trong q trình truyền nhiệt tổng quát. Trong bài, các quá trình truyền nhiệt do bức xạ,
do đối lưu … vẫn chưa được xét đến nên đây cũng chính là hạn chế khơng nhỏ, địi hỏi cần
có thời gian để phát triển mở rộng.

VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, Giáo trình QT & TB CNHH, Tập 5 : Quá trình và
thiết bị truyền nhiệt, NXB ĐH Quốc gia TP HCM, 2002.
[2]. Phạm Xuân Toản, Cá
Tập 3, Cá

n n hệ h

uá trình và thiết bị truyền nhiệt, NXB hoa học và

[3]. Trần Xoa, Nguyễn Trọng
n hệ H

uá trình và thiết bị tr n

h t và th

ph

ỹ thuật Hà Nội,

huông, Phạm Xuân Toản, Sổ t y Quá trình và thiết bị C n

họ , Tập 1,2, Nhà xuất bản hoa học và

11

ỹ thuật Hà Nội, 2004.

,
.


PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Code cho quá trình truyền nhiệt ổn định
nhiet.onPress = function(){
var t1:String = nlodot.text;
var t2:String = ngoai.text;
var l:String = nlanda.text;
var d:String = nbeday.text;
var a1:String = nanpha1.text;
var a2:String = nanpha2.text;
var n1 = value;
var n2 = value;
var nvl:String = select_cb.value;
n1 = t1;
m2 = t2;
if(nvl<7 and nvl > 0){
matc._x =150 -310*(nvl-1);
trace (+nvl);
}
onEnterFrame = function(){

if ( t1<800){
nhiet1 = 800;
}
if(t1>1500){
nhiet1 = 1500;
}
if (t1>= 800 and t1<= 1500){

12


nhiet1 = n1;
}
n2 = Math.round(m2);
nhiet2 = n2;
K = Math.round((1/(1/a1 + 1/a2 + d/l))*100)/100;
q = K*(n1-n2);
tv1 = Math.round(n1 - q/a1);
tv2 = Math.round(tv1 - q*(d/l));
k1 = 150*(3/(n1 - tv1));
lodot._xscale = 100*k1;
lodot._x = -k1*(1500 - n1)/3;
k2 = 200*(3/(tv1-tv2));
tuong._xscale = 100*k2;
tuong._x = 149 - k2*((1500-tv1)/3);
k3 = 150*(3/(tv2-n2));
khongkhi._xscale = 100*k3;
khongkhi._x = 349 - k3*((1500-tv2)/3);
if (rang11.hitTest(_root._xmouse,_root._ymouse,true)){
if (_ymouse<285 or _xmouse>470 ){

ktt._x = _xmouse -15;
ktt._y = _ymouse+5;
}
else{
ktt._x = _xmouse+5;
ktt._y = _ymouse - 20;
}
13


if(0<_xmouse<150){
tod = t1- Math.round( Math.round((t1-tv1)*_xmouse/150));
}
if(_xmouse>150 and _xmouse <=350){
tod = Math.round(tv1)- Math.round( Math.round((tv1-tv2)*(_xmouse-150)/200));
}
if(_xmouse>350 and _xmouse <499){
tod = Math.round(tv2)- Math.round( Math.round((tv2-m2)*(_xmouse-350)/150));
}
}
}
}

Phụ lục 2: Code cho q trình truyền nhiệt khơng ổn định
track.onPress = function(){
var t0C = num.text;
if (t0C<=1500 and t0C>=0){
toado = t0C/3;
if(toado <=500/3){
red = 00;

green = 255;
blue = 255 - Math.round(toado*255/500*3);
}
if(toado >500/3 and toado <=2*500/3){
red = 00+ Math.round((toado-500/3)*255/500*3);
green = 255;
blue = 00;
14


}
if(toado >2*500/3 and toado <=500){
red = 255;
green = 255 - Math.round((toado -2*500/3)*255/500*3);
blue = 00;
}
rgb = (red<<16)|(green<<8)|(blue);
nenColor = new Color("nen");
nenColor.setRGB(rgb);
vec._x = toado;
}
}
var giay = value;
var phut = value;
var gio = value;
gi = 0;
giay ="0"+0;
phut = "0"+0;
gio = "0" +0;
nhiet.onPress = function(){

tod = 0;
sst = 0;
ho = 0;
ph = 0;
nhiet.onPress = function(){
var t1:String = nlodot.text;
15


var t22:String = ngoai.text;
var l:String = nlanda.text;
var d:String = nbeday.text;
var a1:String = nanpha1.text;
var a2:String = nanpha2.text;
var n1 = value;
var n2 = value;
var nvl:String = select_cb.value;
n1 = t1;
m2 = t2;
if(nvl<7 and nvl > 0){
matc._x =150 -310*(nvl-1);
}
onEnterFrame = function(){
if ( t1<800){
nhiet1 = 800;
}
if(t1>1500){
nhiet1 = 1500;
}
if (t1>= 800 and t1<= 1500){

nhiet1 = n1;
}
if (m2 m2 = m2 + 0.2;
n2 = Math.round(m2);
16


nhiet2 = n2;
tmax = (t22-30)/0.2;
K = Math.round((1/(1/a1 + 1/a2 + d/l))*100)/100;
q = K*(t1-n2)/tmax;
tv12 = Math.round(n1 - K*(n1-t22)/a1);
tv22 = Math.round((n1 - K*(n1-t22)/a1) - K*(n1-t22)*(d/l));
i3 = (t22-30)/(0.03*a2/(10*d));
i1 = i3*(0.75+0.05*(40-a1)/20);
moo=(tv12-100)/i1;
//trace(+q);
tv11 = Math.round(tv11 + moo);
if (tv11tv1 = tv11;
}
else {
tv1 = tv12;
}
boo=(tv22-(0.85+0.02*(l*0.05)/(d*50))*i3)/tv12;
tv21 = Math.round(tv11*boo);
else {
tv2 = tv22;
if (tv22-tv21>50){

tv2 = tv21;
}
else {
tv2 = tv22;
17


}
k1 = 150*(3/(n1 - tv1));
lodot._xscale = 105*k1;
lodot._x = -k1*(1500 - n1)/3;
k2 = 200*(3/(tv1-tv2));
tuong._xscale = 100*k2;
tuong._x = 149 - k2*((1500-tv1)/3);
k3 = 150*(3/(tv2-n2));
khongkhi._xscale = 100*k3;
khongkhi._x = 349 - k3*((1500-tv2)/3);
if (rang11.hitTest(_root._xmouse,_root._ymouse,true)){
if (_ymouse<285 or _xmouse>470 ){
ktt._x = _xmouse -15;
ktt._y = _ymouse+5;
}
else{
ktt._x = _xmouse+5;
ktt._y = _ymouse - 20;
}
if(0<_xmouse<150){
tod = t1- Math.round( Math.round((t1-tv1)*_xmouse/150));
}
if(_xmouse>150 and _xmouse <=350){

tod = Math.round(tv1)- Math.round( Math.round((tv1-tv2)*(_xmouse-150)/200));
}
if(_xmouse>350 and _xmouse <499){
18


tod = Math.round(tv2)- Math.round( Math.round((tv2-m2)*(_xmouse-350)/150));
}
}
if(mov._x<120){
mov._x = mov._x + a1/1;
}
if(mov._x>=120 and mov._x<=340){
mov._x = mov._x+l/(d*5);
}
if(mov._x>340 and mov._x<=450){
mov._x = mov._x + a2/1;
}
if (mov._x >450) {
mov._x=-50}
if(mov1._x<120){
mov1._x = mov1._x + a1/1;
}
if(mov1._x>=120 and mov1._x<=340){
mov1._x = mov1._x+l/(d*5);
}
if(mov1._x>340 and mov._x<=450){
mov1._x = mov1._x + a2/1;
}
if (mov1._x >450) {

mov1._x=-50}
if(mov2._x<120){
19


mov2._x = mov2._x + a1/1;
}
if(mov2._x>=120 and mov2._x<=340){
mov2._x = mov2._x+l/(d*5);
}
if(mov2._x>340 and mov2._x<=450){
mov2._x = mov2._x + a2/1;
}
if (mov2._x >450) {
mov2._x=-50
}
if(mov3._x<120){
mov3._x = mov3._x + a1/1;
}
if(mov3._x>=120 and mov3._x<=340){
mov3._x = mov3._x+l/(d*5);
}
if(mov3._x>340 and mov3._x<=450){
mov3._x = mov3._x + a2/1;
}
if (mov3._x >450) {
mov3._x=-50
}
if(mov4._x<120){
mov4._x = mov4._x + a1/1;

}
20