(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu thiết kế kênh dẫn micro cánh xoắn đẳng giác bằng phương pháp taguchi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM NGUYỄN PHI LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KÊNH DẪN MICRO CÁNH
XOẮN ĐẲNG GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 1781009

SKC007095

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM NGUYỄN PHI LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KÊNH DẪN MICRO CÁNH

XOẮN ĐẲNG GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 1781009

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM NGUYỄN PHI LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KÊNH DẪN MICRO CÁNH

XOẮN ĐẲNG GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI

NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT - 1781009
Hướng dẫn khoa học:
TS ĐẶNG HÙNG SƠN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 /2020

ii


iii


iv


v


vi

vii


viii


ix


x


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Phạm Nguyễn Phi Long
Giới tính: nam
Ngày, tháng, năm sinh: 18/12/1993
Nơi sinh: Hồ Chí mình
Q qn: Nga Thủy – Nga Sơn – Thanh Hóa Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 26 – Bùi Lâm – Phước Nguyên - Bà Rịa –
Bà Rịa Vũng Tàu.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0969652288
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Hệ đào tạo:

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 07/2012 đến 12/2016
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí
Minh.
Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật Nhiệt
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu mơ hình hóa và mơ
phỏng hệ thống năng lượng mặt trời kiểu cưỡng bức tại nhà máy Vina Eco Board.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 07/2016 – trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: TS Lê Minh Nhựt
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ: 07/2017 đến 11/2020.
Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí
Minh.
Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt.
Tên luận văn: Nghiên cứu thiết kế kênh dẫn micro cánh xoắn đẳng giác bằng
phương pháp Taguchi.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 29-11-2020 tại phòng E1-405 trường đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: Tiến sĩ Đặng Hùng Sơn.

xi


BI. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:
Thời gian
07/2016-12/2017
01/2017 – 03/2018
03/2018 – 03/2020
2020 - nay

xii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây luận văn “nghiên cứu thiết kế kênh dẫn micro cánh xoắn
đẳng giác bằng phương pháp Taguchi” là nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm
2020 (Ký tên và ghi rõ họ tên)

xiii


Lời đầu tiên, em xin được gửi tới thầy TS. Đặng Hùng Sơn và các thầy trong
khoa lời cảm ơn chân thành nhất, các thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và luôn
quan tâm, động viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài “nghiên cứu thiết kế kênh
dẫn micro cánh xoắn đẳng giác bằng phương pháp Taguchi”.
Em cũng xin được chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy cơ bộ mơn Cơng nghệ
Kỹ thuật Nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP Hồ
Chí Minh. Các thầy cơ đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu và luôn tạo điều
kiện tốt nhất để em có thể nghiên cứu và hồn thành luận văn này.
Dù đã rất cố gắng để thực hiện đề tài nhưng do hạn chế về trình độ, thời gian

và nguồn tài liệu tham khảo nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy cơ, các bạn để đề tài được hoàn thiện
hơn.

Học viên thực hiện

xiv


Trong thời đại ngày nay, tìm ra thiết bị tản nhiệt kênh micro tối ưu nhất vẫn
luôn thu hút sự chú ý của các chuyên gia. Sử dụng các biên dạng tự nhiên được kỳ
vọng sẽ tạo ra một thiết kế với các thông số tối ưu, xác định một hướng mới cho
việc thiết kế các thiết bị kỹ thuật. Áp dụng phương trình Logarithm để tạo ra biên
dạng đặc biết của kênh dẫn trong mơ hình vi kênh bằng cách kết hợp phương pháp
Taguchi và mô phỏng số bằng phần mềm Computational Fluid Dynamic (ANSYS
Fluent 14). Phân tích dự liệu bằng phương pháp Taguchi đang sử dụng để tối ưu hóa
các thơng số và cải thiện được tính truyền nhiệt dựa vào biên dạng hình học đặc biệt
của bộ tản nhiệt kênh micro kênh xoắn đẳng giác. Computational Fluid Dynamics
(CFD) là phần mềm sử dụng để mô phỏng số bằng cách giải tập hợp các phương
trình tốn học chi phối để dự đốn đặc tính truyền nhiệt, đặc tính của dòng chảy và
các hiện tượng liên quan. Bên cạnh đó, dữ liệu cũng được phân tích bằng phần mềm
Minitab 17. Kết quả dự đốn có đủ cơ sở kết luận rằng thơng số thiết kế tối ưu có
thể xác định nhiệt trở tối thiểu của tản nhiệt vi kênh.

xv


A
In this day and age, seeking the most optimal micro-channel heat sink has never
failed to catch the attention of the experts. The opinion utilizes the natural shape

properly is expected to create a design with the critical parameters define a new
direction for design the engineering equipment. The study applies the logarithmic
equation into the micro-channel model by combining the Taguchi method and the
Computational Fluid Dynamic software (ANSYS Fluent 14) numerical function. By a
statistical approach, the Taguchi Method is using to optimize the parameters and
improve the quality of geometry of the spiral microchannel heat sink. Computational
Fluid Dynamics (CFD) is the software using for solved numerically the set of
governing mathematical equations for predict heat and mass transfer, fluid flow, and
related phenomena. The present examination to predict fluid flow and heat transfer.
Besides, the data were also analyzed by the Minitab 17 software. The results delineate
that the optimal design parameter can give good compromise was completed for the
identification of the minimum thermal resistance of the microchannel heat s ink.

xvi


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỞNG QUAN......................................................................................2
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài:.....................................................................2

1.2.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan:................................................3

1.3.

Mục đích của đề tài..............................................................................6

1.4.

Giới hạn đề tài:....................................................................................7

1.5.

Phương pháp nghiên cứu:...................................................................7

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.........................................................................8
2.1.

Dòng chảy lưu chất:.............................................................................8

2.1.1. Dòng chảy lưu chất:...........................................................................8
2.1.2. Mơ hình dịng chảy trong kênh hình chữ nhật:................................. 12
2.1.3. Mơ hình dịng chảy trong kênh dạng xoắn:......................................13
2.1.4. Mơ hình dòng chảy rối k – ϵ:........................................................... 16
2.1.5. Vùng dòng chảy sát bề mặt vách:..................................................... 18
2.2.

Lý thuyết truyền nhiệt....................................................................... 19

2.3.

Hệ số trao đổi nhiệt và tiêu chuẩn Nusselt.......................................22

2.3.1. Hệ số trao đổi nhiệt.......................................................................... 22
2.3.2. Tiêu chuẩn Nusselt........................................................................... 23
2.4.

Các đặc tính của chuỗi đẳng giác:.................................................... 23

2.4.1. Định nghĩa:...................................................................................... 23
2.4.2. Tính chất:......................................................................................... 25

xvii


2.5. Phương pháp tín
2.5.1. Giới thiệu về CFD: ............................................................................
2.5.2. Quy trình cơ bản: ...............................................................................

2.6. Sử dụng phầm m
2.6.1. Giới thiệu về ANSYS FLUENT 14.0:...............................................
2.6.2. Quy trình cơ bản trong khi thiết lập mô phỏng trong Ansys: ............
2.6.3. Các hàm cho vùng lưu chất sát bề mặt vách trong ANSYS FLUENT:
28

2.7. Phương pháp Ta
2.7.1. Giới thiệu phương pháp Taguchi: ......................................................
2.7.2. Chọn thông số, mức độ và bảng trực giao: ........................................
CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG BẰNG ANSYS FLUENT 14.0 ....
3.1. Vẽ mơ hình mơ

3.2. Mơ phỏng các th
3.2.1. Xứ lý mơ hình dữ liệu đầu vào: .........................................................
3.2.2. Chia lưới cho mơ hình thiết bị: ..........................................................
3.2.3. Thiệt lập dữ liệu đầu vào, điều kiện biên và tiến hành mô phỏng: ...
3.2.4. Xử lý và hiển thị kết quả: ..................................................................

3.3. Phân tích kết qu
phần mềm Minitab: .................................................................................................

3.4. Mô phỏng mô h
CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................................................
4.1. Gia cơng và lắp

4.2. Mơ hình thực ng

xviii


4.3.

Dụng cụ thí nghiệm:.......................................................................... 56

4.3.1. Bơm màng:....................................................................................... 56
4.3.2. Lưu lượng kế:................................................................................... 56
4.3.3. Bộ cảm biến nhiệt độ:...................................................................... 57
4.3.4. Đồng hồ áp:...................................................................................... 58
4.3.5. Điện trở nhiệt:.................................................................................. 58
4.4.

Đo số liệu:........................................................................................... 59

4.5.

Kết quả thực nghiệm:........................................................................ 59

4.6.

Tính tốn lý thuyết q trình truyền nhiệt:..................................... 61

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................... 65
5.1.

Kết luận:............................................................................................. 65

5.2.

Kiến nghị:........................................................................................... 67

xix


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ac

:

Diện tích mặt cắt, m2.

Dh

:

Đường kính quy ước, mm.

F

:Hệ số ma sát Fanning.

α

:Hệ số toả nhiệt đối lưu, W/m2K.

k
L

:Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K.
:Chiều dài kênh, mm.

m

:Lưu lượng khối lượng, kg/s.

NTU

:

Chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit).

Nu

:

Chỉ số Nusselt.

p

:Áp suất, Pa.

P

:Đường kính ướt, m.

Q

:Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W.

q

:Mật độ dòng nhiệt, W/m2.

T

:Nhiệt độ, K.

:Độ nhớt động lực học, Ns/m2.
:Khối lượng riêng, kg/m3.
:Hệ số dẫn nhiệt, W/mK.
ω

:Vận tốc, m/s.

η

:Hiệu suất, %.

T

:

Nhiệt độ chênh lệch, K.

p

:

Tổn thất áp suất, Pa.

xx


DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG
Bảng 2.1: Thông số và mức độ
Bảng 2.2: Bảng trực giao các thí nghiệm theo thơng số lượng chọn
Bảng 2.3: Tổ hợp ngẫu nhiên của giá trị vận tốc trong thí nghiệm
Bảng 3.1: Miền thiết bị và vật liệu tương ứng
Bảng 3.2: Giá trị hệ số Skewness và mức độ chất lượng tương ứng
Bảng 3.3: Phân tích sự ảnh hưởng của các thông số.
Bảng 3.4: Kết quả mơ phỏng của mơ hình tối ưu.
Bảng 4.1: Kết quả thực nghiệm.
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của bộ tản nhiệt với vật liệu bằng vật liệu nhôm.
Bảng 5.1: Tổng hợp các kết quả của việc tính tốn lý thuyết.
Bảng 5.2: So sánh kết quả từ q trình mơ phỏng và thực nghiệm của mơ hình tối
ưu của bộ tản nhiệt kênh micro xoắn theo phương trình Logarithm.

xxi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
TRANG

HÌNH
Hình 2.1. Xoắn ốc logarith, bước 10oC

24

Hình 2.2. Mặt cắt của một vỏ ốc anh vũ. Đường xoắn ốc (màu xanh) được dựa trên
phương trình logarithm với b = 0,759.
Hình 2.3: Thuộc tính quan trọng và thuộc tính kết quả phản hồi từ thí nghiệm. 35
Hình 2.4: Quy trình thí nghiệm theo phương pháp Taguchi (thiết lập, thí nghiệm và

phân tích).
Hình 3.1: Bộ trao đổi nhiệt vẽ bằng SOLIDWORKS
Hình 3.2: Thiết bị được dùng cho mơ phỏng với 6 miền con.
Hình 3.3: Kết quả của quá trình nhập dữ liệu vào và tạo dòng chảy bên trong thiết
bị.
Hình 3.4: Kết quả của chia lưới.
Hình 3.5: Hệ số chất lượng cho từng phần tử của mơ hình.
Hình 3.6: tỉ lệ khung là 1 và 20 của biên dạng hình tam giác và hình vng.
Hình 3.7: tỉ lệ khung của các phần tử trong lưới của mơ hình
Hình 3.8: Giá trị độ lệch của các phần tử trong lưới của mơ hình thể hiện chất
lượng lưới ở mức rất tốt.
Hình 3.9: Tùy chọn ở tab General.
Hình 3.10: Cài đặt cho chế độ dịng chảy của mơ hình.

Hình 3.11: Quy định đặc tính vật liệu cho mơ hình
Hình 3.12: Cài đặt giá trị tại tab Cell zone conditions
Hình 3.13: Cài đặt cho tab Solution Methods.
Hình 3.14: Cài đặt giá trị ban đầu cho mơ hình ở tab Solution Initialization
Hình 3.15: Các giá trị của việc mô phỏng hội tụ tại bước lặp thứ 370.
Hình 3.16: Hiển thị kết quả phân bổ áp suất của lưu chất
Hình 3.17: Kết quả trường nhiệt độ của dịng chất lỏng.
Hình 3.18: Hiển thị kết quả vận tốc dòng lưu chất (m/s).

xxii


Hình 3.19: Biểu đồ hiệu ứng trung bình của tỉ lệ SN.
Hình 3.20: Mơ hình tối ưu của bộ tản nhiệt kênh micro.
Hình 3.20: Kích thước bộ tản nhiệt kênh micro.
Hình 3.21: Chiều cao và chiều rộng kênh dẫn của bộ tản nhiệt.
Hình 4.1: Bộ tản nhiệt kênh micro.
Hình 4.2: Phần đế được làm từ vật liệu bakelite.
Hình 4.3: Phần nắp của thiết bị được làm từ vật liệu mica trong
Hình 4.4: Bơi keo tản nhiệt lên bề mặt điện trở nhiệt
Hình 4.5 Mẫu thiết bị thực nghiệm hồn thiện
Hình 4.6: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
Hình 4.7: Hệ thống thí nghiệm thực tế
Hình 4.8: Hai bơm màng cơng suất nhỏ kèm bộ nguồn và bộ điều tốc.
Hình 4.9: Lưu lượng kế.
Hình 4.10: Bộ đo nhiệt độ của hệ thống.
Hình 4.11: Đồng hồ đo áp.
Hình 4.12: Điện trở nhiệt khi được đặt trong phần đế

xxiii

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, nền khoa học kỹ thuật đã có những bước phát
triển vượt bậc nhằm phục vụ cho đời sống của con người tốt hơn. Công nghệ Micro
là một trong những hướng nghiên cứu mới và được các nhà khoa học đặc biệt chú
trọng. Có thể nói, cơng nghệ Micro là một trong những lĩnh vực khoa học công
nghệ nổi bật hàng đầu trong thế kỷ 21, đây cũng chính là chìa khóa tạo ra các ngành
công nghiệp mới và các sản phẩm công nghệ mang tính ứng dụng cao. Thiết bị
micro với những ưu điểm như nhỏ gọn, hiệu quả cao, chi phí đầu tư tương đối, tiết
kiệm nhiên liệu, dễ vận hành đang được nghiên cứu cải tiến để có thể ứng dụng
rộng rãi trong thời gian gần.
Dựa trên những nghiên cứu trước của các nhà khoa học về sự trao đổi
nhiệt, quá trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro và đặc biệt là
các kết quả nghiên cứu khoa học của thầy TS. Đặng Hùng Sơn, là động lực để em
tiến hành thực hiện đề tài tốt nghiệp “nghiên cứu thiết kế kênh dẫn micro cánh xoắn
đẳng giác bằng phương pháp Taguchi”.
Nghiên cứu tiến hành mô phỏng số các quá trình truyền nhiệt của bộ tản nhiệt
kệnh micro bằng phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent 14.0, dùng phương pháp
Taguchi để phân loại mức độ ảnh hưởng của các yếu tố của thiết bị đến hiệu quả truyền
nhiệt và từ đó tìm ra được mơ hình tối ưu nhất cho thiết bị, so sánh kết quả thực nghiệm
và mô phỏng của mơ hình tối bằng các tính tốn tính tốn để đánh giá sự đúng đắn của
việc mơ phỏng, từ đó có một định hướng nghiên cứu mang lại hiệu quả cao nhất với chi
phí đầu tư và thời gian bỏ ra ít nhất. Hy vọng với nghiên cứu này sẽ là tiên phong cho
phương pháp nghiên cứu mới bằng việc ứng dụng phương pháp Taguchi để phần tích
dữ liệu từ mô phỏng số đem lại hiểu quả cao cho việc nghiên cứu và là nguồn tài liệu
tham khảo để có thể nghiên cứu sâu hơn về việc nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của bộ
tản nhiệt kệnh micro bằng các biên dạng đặc biệt.

1