Báo cáo nghiên cứu khoa học: "SO SÁNH TRƯỜNG TỐC ĐỘ CỦA TIA PHUN RỐI, KHUẾCH TÁN TÍNH THEO MÔ HÌNH TÍCH PHÂN VÀ CODE CFD ĐA PHƯƠNG FLUENT 6.0"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

79
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mô hình tích phân một chiều đơn giản, cho kết quả nhanh chóng, phù hợp với nhiều áp dụng thực tiễn đối với tia phun rối, khuếch tán. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, mô hình cần được đánh giá bằng kết quả cho bởi các phần mềm đa phương có sẵn. Bài báo này so sánh trường tốc độ cho bởi mô hình tích phân và code CFD Fluent 6.0. Sai lệch giữa hai mô hình nằm trong giới hạn 10% khi số Reynolds ở miệng vòi phun nhỏ hơn 5000....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "SO SÁNH TRƯỜNG TỐC ĐỘ CỦA TIA PHUN RỐI, KHUẾCH TÁN TÍNH THEO MÔ HÌNH TÍCH PHÂN VÀ CODE CFD ĐA PHƯƠNG FLUENT 6.0"

SO SÁNH TRƯỜNG TỐC ĐỘ CỦA TIA PHUN RỐI, KHUẾCH TÁN TÍNH THEO MÔ HÌNH TÍCH PHÂN VÀ CODE CFD ĐA PHƯƠNG FLUENT 6.0 A COMPARISON OF VELOCITY FIELD OF THE TURBULENT DIFFUSION JET GIVEN BY THE INTEGRAL MODEL AND THE CFD CODE FLUENT 6.0 BÙI VĂN GA - PHẠM THỊ KIM LOAN Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng NHAN HỒNG QUANG Viện NCKHKT Bảo hộ lao động Đà Nẵng TÓM TẮT Mô hình tích phân một chiều đơn giản, cho kết quả nhanh chóng, ph ù hợp với nhiều áp dụng thực tiễn đối với tia phun rối, khuếch tán. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, mô hình cần được đánh giá bằng kết quả cho bởi các phần mềm đa phương có sẵn. Bài báo này so sánh trường tốc độ cho bởi mô hình tích phân và code CFD Fluent 6.0. Sai lệch giữa hai mô hình nằm trong giới hạn 10% khi số Reynolds ở miệng vòi phun nhỏ hơn 5000. ABSTRACT The integral model is simple in utilization, low CPU time calculation, suitable for a lot of pratical applications of turbulent diffusion jet. However, for a general application, the model should be assessed by the results of available multidirectional codes. This paper shows the comparison of velocity profiles given by the integral model and the CFD FLUENT 6.0 Code. The difference in results of the two models is less than 10% when the Reynolds number at the exit nozzle is lower than 5000. 1. Giíi thiÖu Tia phun rèi vµ khuÕch t¸n cã rÊt nhiÒu øng dông trong kü thuËt. Tríc ®©y, viÖc nghiªn cøu tia phun ®îc tiÕn hµnh chñ yÕu b»ng thùc nghiÖm vµ nh÷ng qui luËt c¬ b¶n rót ra ®îc tõ c¸c nghiªn cøu nµy ®· cã nh÷ng øng dông thiÕt thùc trong c«ng nghiÖp, ®Æc biÖt trong lÜnh vùc ®éng c¬ ®èt trong. Ngµy nay, víi sù ph¸t triÓn cña c¸c c«ng cô tin häc, bµi to¸n tia phun rèi, khuÕch t¸n ®· ®îc nghiªn cøu mét c¸ch têng tËn nhê c¸c phÇn mÒm tÝnh to¸n ®éng häc chÊt láng (CFD). Sù ph¸t triÓn cña tia phun trong nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c nhau, kÓ c¶ nh÷ng trêng hîp mµ tríc ®©y thùc nghiÖm khã hay kh«ng thÓ thùc hiÖn ®îc, ®· ®îc x¸c ®Þnh. Tuy nhiªn nh÷ng phÇn mÒm nh vËy rÊt phøc t¹p, thêi gian tÝnh to¸n kÐo dµi, ®«i lóc kh«ng phï hîp víi thùc tiÔn ¸p dông. Do ®ã, viÖc x©y dùng c¸c c«ng cô to¸n häc ®¬n gi¶n h¬n nh»m hç trî cho nghiªn cøu øng dông tia phun rèi, khuÕch t¸n lµ rÊt cÇn thiÕt. C«ng cô nh vËy cÇn ®îc thiÕt lËp trªn c¬ së hÖ ph¬ng tr×nh tÝch ph©n m« t¶ sù biÕn thiªn cña c¸c ®¹i lîng vËt trung b×nh theo ph¬ng trôc tia kÕt hîp víi c¸c qui luËt thùc nghiÖm vÒ diÔn biÕn cña chóng theo ph¬ng híng kÝnh [6], [7], [11]. M« h×nh ®¬n gi¶n m« t¶ tia phun rèi ®îc thiÕt lËp trong m«i trêng kh«ng khÝ ®øng yªn. M« h×nh nµy cã ý nghÜa trong kiÓm chøng c¸c ®iÒu kiÖn biªn vµ tÝnh chÝnh x¸c cña c¸c hÖ sè thùc nghiÖm sö dông. Trong thùc tÕ, dï trong buång ch¸y ®éng c¬ hay ngßai khÝ quyÓn, tia phun còng chÞu nh÷ng t¸c ®éng cña m«i trêng kh«ng khÝ vËn ®éng. V× vËy m« h×nh tia phun cã tÝnh tæng qu¸t ®îc x©y dùng trong ®iÒu kiÖn cã sù t¬ng t¸c cña m«i trêng [8]. Tuy kÕt qu¶ cho bëi m« h×nh tÝch ph©n vµ thùc nghiÖm trong c¸c trêng hîp cô thÓ kh¸ phï hîp [9], [10] nhng ®Ó cã thÓ tæng qu¸t hãa cho nh÷ng trêng hîp ¸p dông kh¸c nhau, m« h×nh nµy cÇn ®îc ®¸nh gi¸ bëi nh÷ng kÕt qu¶ cña phÇn mÒm ®a ph¬ng. Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i so s¸nh kÕt qu¶ trêng tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n ®· thiÕt lËp víi phÇn mÒm ®a ph¬ng FLUENT 6.0.
Bíc ®Çu viÖc ®¸nh gi¸ ®îc thùc hiÖn trong cïng ®iÒu kiÖn tÝnh tãan ®èi víi tia phun th¼ng ®øng trong m«i trêng kh«ng khÝ ®øng yªn. Vßi phun cã ®êng kÝnh 2 vµ 3 mm. VËn tèc phun thay ®æi tõ 50 ®Õn 100 m/s. M«i chÊt trong tia phun lµ khÝ dÇu má hãa láng LPG. 2. HÖ ph¬ng tr×nh kh«ng chÕ tia phun HÖ ph¬ng tr×nh khèng chÕ tia phun rèi, khuÕch t¸n nghiªng mét gãc bÊt kú trong m«i trêng kh«ng khÝ chuyÓn ®éng ngang ®· ®îc tr×nh bµy trong [7]. HÖ ph¬ng tr×nh bao gåm c¸c ph¬ng tr×nh b¶o tßan viÕt díi d¹ng tÝch ph©n vµ m« h×nh rèi k- tiªu chuÈn. KÕt qu¶ cho bëi m« h×nh lµ biÕn thiªn cña c¸c ®¹i lîng vËt lý theo ph¬ng híng trôc. BiÕn thiªn cña chóng theo ph¬ng híng kÝnh ®îc x¸c ®Þnh theo qui luËt ®ång d¹ng [10]. 1,6 6 3 1,2 X = 200mm X= 400mm X = 100mm 4 2 U (m/s) U (m/s) 0,8 U (m/s) 2 1 0,4 r (mm) r (mm) r (mm) 0 0 0 0 20 40 60 80 0 5 10 15 20 0 20 40 H×nh 1: So s¸nh profil tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n vµ thùc nghiÖm M« h×nh ®· ®îc ®¸nh gi¸ b»ng sè liÖu thùc nghiÖm cña tia phun rèi, khuÕch t¸n ngoµi khÝ quyÓn vµ trong buång ch¸y ®éng c¬ Diesel [7]. H×nh 1a,b,c tr×nh bµy kÕt qu¶ so s¸nh gi÷a m« h×nh vµ thùc nghiÖm mét sè trêng hîp tiªu biÓu. Sè liÖu thùc nghiÖm vÒ trêng tèc ®é ®îc ®o b»ng ph¬ng ph¸p Laser Doppler [11]. KÕt qu¶ cho thÊy m« h×nh tÝch ph©n cho gi¸ trÞ h¬i thÊp h¬n thùc nghiÖm ë c¸c b¸n kÝnh trung gian cña profil. KÕt qu¶ tÝnh to¸n tiªu biÓu vÒ trêng tèc ®é theo m« h×nh tÝch ph©n ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 2. Trong m« h×nh ®a ph¬ng cña code FLUENT, hÖ ph¬ng tr×nh m« t¶ tia phun ®îc viÕt tæng qu¸t nh sau: Ph¬ng tr×nh liªn tôc: %  u i  u i    0 (1) t x i t x i Ph¬ng tr×nh b¶o tßan ®éng lîng: %% u i u i u j %   t x j (2)    u i u j 2 u k    % % % p   u u       ij   x j x j   x j x i 3 x k   x j ij   Trong ph¬ng tr×nh (8) dÊu lîn sãng (~) ®Ó chØ trung b×nh Favre. øng suÊt Reynolds ®îc m« h×nh ho¸ nhê gi¶ thiÕt cña Boussinesq [4] liªn kÕt gi÷a søc c¨ng Reynolds vµ c¸c gradient vËn tèc trung b×nh:  u u  2  u  uuj   t  i  j    k   t i  ij (3)  x x  3 i x i   j i H×nh 2: Trêng Trong ®ã ®¹i lîng øng suÊt Reynolds ®îc m« h×nh ho¸ bëi m« h×nh k- tèc ®é cña tia tiªu chuÈn gåm hai ph¬ng tr×nh cña Launder vµ Spalding [2]: phun tÝnh theo m« h×nh tÝch ph©n
   k    (k)  (ku i )   (  )   G k  G b    YM  Sk (4) t x i x j  k x j        2     C1  G k  C3 G b   C 2  S (   ) ()  (u i )  (5)   t x i x j   x j  k k   k vµ ®îc ®Þnh nghÜa nh sau: u u  1 uu  vµ    i i k ii x j x j 2 (6) Trong c¸c ph¬ng tr×nh trªn: - Gk lµ ®¹i lîng s¶n sinh n¨ng lîng rèi do c¸c gradient vËn tèc trung b×nh g©y ra. Theo gi¶ thuyÕt Boussinesq Gk cã thÓ ®îc biÓu diÔn gÇn ®óng b»ng biÓu thøc sau: G k   S2 trong ®ã G k   S2 (7) - Gb lµ ®¹i lîng s¶n sinh ®éng n¨ng rèi do t¸c ®éng cña nhiÖt ®é vµ lùc träng trêng:  t T G b  g i (8) Prt x i Trong ®ã Prt lµ sè Prandlt rèi, thêng chän Prt=0.85, gi lµ thµnh phÇn vect¬ gia tèc träng trêng theo híng i, lµ hÖ sè gi·n në nhiÖt cho bëi biÓu thøc: 1  p     (9)   T  p Trong khi ¶nh hëng cña lùc trong trêng ®Õn k cã thÓ x¸c ®Þnh mét chÝnh x¸c th× ¶nh hëng cña nã ®èi víi vÉn cßn nhiÒu ý kiÕn kh¸c nhau. Trong code FLUENT ¶nh hëng cña lùc träng trêng ®Õn ®îc ®¬n gi¶n ho¸ b»ng c¸ch ®Æt Gb=0 trong ph¬ng tr×nh vËn chuyÓn cña . Tuy nhiªn ¶nh hëng nµy l¹i ®îc tÝnh ®Õn trong hÖ sè C3e (5) ®îc tÝnh theo biÓu thøc: v C3  tanh (10) u Trong ®ã v vµ u lµ hai thµnh phÇn vËn tèc song song vµ vu«ng gãc víi ph¬ng cña lùc träng trêng, do ®ã C3e =1 trong trêng hîp vËn tèc song song víi lùc träng trêng vµ C3e =0 khi vËn tèc vu«ng gãc víi ph¬ng cña lùc träng trêng [2]. - YM biÓu thÞ ¶nh hëng cña sù thay ®æi thÓ tÝch trong dßng ch¶y. §¹i lîng nµy thêng ®îc bá qua trong c¸c m« h×nh ®èi víi dßng ch¶y kh«ng chÞu nÐn. Trong dßng ch¶y chÞu nÐn YM ®îc tÝnh theo quan hÖ Sarkar [4] YM  2M t2 (11) lµ sè Mach: Trong ®ã Mt k Mt  , a lµ vËn tèc ©m thanh. a. b. a2 H×nh 3: TÝnh tãan tia phun th¼ng ®øng 2D -  lµ ®é nhít rèi ®îc tÝnh th«ng qua a. Chia líi k vµ : b. KÕt qu¶ tÝnh tiªu biÓu
k2    C (12)  - C1, C2, C3 vµ C lµ c¸c h»ng sè. k, , lµ c¸c sè Prandtl cho k vµ . Sk vµ S lµ c¸c hµm sè do ngêi sö dông ®Þnh nghÜa. Trong FLUENT c¸c gi¸ trÞ h»ng sè sau ®©y ®îc sö dông: C1 = 1.44, C2 = 1.92, C = 0.09, k = 1.0,  = 1.3. HÖ ph¬ng tr×nh trªn ®îc gi¶i b»ng ph¬ng ph¸p thÓ tÝch h÷u h¹n. Kh«ng gian cña miÒn tÝnh to¸n ®îc chia thµnh mét sè lîng h÷u h¹n c¸c phÇn tö. C¸c ®iÓm nót líi lµ träng t©m cña c¸c khèi. C¸c ph¬ng tr×nh b¶o toµn ®îc ¸p dông cho mçi phÇn tö vµ c¸c gi¸ trÞ cña c¸c biÕn sÏ H×nh 4: So s¸nh profil tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n vµ ®îc tÝnh to¸n t¹i trung t©m cña khèi FLUENT (D=2mm, Uo=30m/s, Re=3.000) [3]. Ph¬ng ph¸p néi suy sau ®ã sÏ ®îc ¸p dông ®Ó t×m ra c¸c gi¸ trÞ t¹i bÒ mÆt cña khèi. Trong nghiªn cøu nµy, chóng t«i sö dông ph¬ng ph¸p néi suy sai ph©n tiÕn [1]. 3. Chia líi tia phun Líi tÝnh 2D ®îc thiÕt lËp víi phÇn mÒm Gambit 2.1. §èi víi trêng hîp tia phun th¼ng ®øng miÒn tÝnh to¸n ®îc chän ®èi xøng, víi b¸n kÝnh 500mm vµ chiÒu cao 1000mm. Bíc líi dµy ë phÇn trôc tia vµ tha dÇn vÒ phÝa ngoµi theo ph¬ng H×nh 5: So s¸nh profil tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n vµ híng kÝnh vµ t¬ng tù nh vËy theo FLUENT (D=2mm, Uo=100m/s, Re=10.000) ph¬ng híng trôc kÓ tõ miÖng vßi phun. Líi tÝnh bao gåm 2600 phÇn tö h×nh ch÷ nhËt vµ 2727 nót. Líi tÝnh to¸n ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 3a. §Çu vµo miÒn tÝnh to¸n lµ ®êng kÝnh miÖng vßi phun d=0.002m vµ d=0.003m, vËn tèc phun thay ®æi tõ 50m/s ®Õn 100m/s. §iÒu kiÖn biªn ®îc ®Æt lµ tèc ®é ra khái miÖng vßi phun víi cêng ®é rèi 10%. C¸c mÆt xung quanh lµ c¸c biªn ®èi xøng. H×nh 3b tr×nh bµy kÕt qu¶ tÝnh to¸n tiªu biÓu trong trêng H×nh 6: So s¸nh profil tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n vµ hîp tia phun th¼ng ®øng trong m«i FLUENT (D=3mm, Uo=50m/s, Re=7.500) trêng kh«ng khÝ ®øng yªn. 4. KÕt qu¶ vµ b×nh luËN H×nh 4 tr×nh bµy kÕt qu¶ so s¸nh profil tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n vµ m« h×nh ®a ph¬ng FLUENT. C¸c hÖ sè tÝnh to¸n cña hai m« h×nh ®îc chän thèng nhÊt. Profil tèc ®é trong m«
h×nh ®a ph¬ng ®îc gi¶i cho tõng ®iÓm theo ph¬ng híng kÝnh, trong khi ®ã, ë m« h×nh tÝch ph©n, chóng ®îc x¸c ®Þnh theo qui luËt ®ång d¹ng do Ebrahini [5] ®Ò nghÞ: U()  U c .exp   2 ln(2)  (13) Trong ®ã Uc lµ tèc ®é trªn trôc tia; lµ ®é dµi kh«ng thø nguyªn: r  (14) r0,5 r0,5 lµ b¸n kÝnh t¹i ®iÓm cã vËn tèc b»ng 0,5Uc Khi tèc ®é phun thÊp víi sè Reynolds ë miÖng vßi phun kháang 3000, sai lÖch cña hai m« h×nh nhá, chñ yÕu diÔn ra ë khu vùc gÇn trôc tia (h×nh 4). Biªn d¹ng cña profil hÇu nh phï hîp víi nhau. §iÒu nµy cho thÊy qui luËt ®ång d¹ng (13) phï hîp víi tia phun rèi khuÕch t¸n. Khi sè Reynolds ë miÖng vßi phun t¨ng lªn, møc ®é sai lÖch vÒ profil tèc ®é cho bëi hai m« h×nh gia t¨ng (h×nh 5). Khi ®êng kÝnh vßi phun 2mm vµ tèc ®é phun 100m/s (sè Reynolds 10.000), sai lÖch tèc ®é cùc ®¹i cho bëi hai m« h×nh kháang 15%. KÕt qu¶ t¬ng tù nhËn ®îc khi ®êng kÝnh vßi phun t¨ng lªn 3mm víi sè Reynolds 7.500 (h×nh 6). Sù kh¸c biÖt vÒ profil tèc ®é ë khu vùc gÇn trôc tia lµ do trong m« h×nh tÝch ph©n chóng ta ¸p dông gi¶ thuyÕt «top hat profile». Theo gi¶ thuyÕt nµy tèc ®é qua mçi mÆt c¾t ngang ®îc gi¶ ®Þnh lµ h»ng sè sao cho tÝch ph©n lu lîng vµ ®éng lîng qua mÆt c¾t nµy ®îc b¶o toµn. KÕt qu¶ so s¸nh trªn cho thÊy m« h×nh tÝch ph©n mét chiÒu cho kÕt qu¶ phï hîp víi m« h×nh ®a ph¬ng ®èi víi tia phun rèi cã sè Reynolds ë miÖng vßi phun bÐ. NÕu xem sù kh¸c biÖt cùc ®¹i vÒ tèc ®é cho bëi hai m« h×nh lµ mét hµm sè theo sè Reynolds ë miÖng vßi phun th× theo kÕt qu¶ nghiªn cøu trªn ®©y chóng ta thÊy khi sè Reynolds nhá h¬n 5000 th× sù kh¸c biÖt nµy n»m trong giíi h¹n 10%. Giíi h¹n sè Reynolds nµy phï hîp víi hÇu hÕt c¸c hÖ thèng phun ¸p dông trong ®éng c¬ ®èt trong. 5. KÕt luËn Biªn d¹ng cña c¸c profil tèc ®é cho bëi m« h×nh tÝch ph©n mét chiÒu phï hîp víi m« h×nh ®a ph¬ng. Gi¸ trÞ vËn tèc trªn trôc tia phun thêng nhá h¬n m« h×nh ®a ph¬ng do gi¶ thiÕt top hat profile ¸p dông trong tÝnh tãan tÝch ph©n lu lîng vµ ®éng lîng. Sai lÖch vÒ gi¸ trÞ vËn tèc cho bëi hai m« h×nh nhá h¬n 10% khi sè Reynolds ë miÖng vßi phun nhá h¬n 5000. V× vËy m« h×nh tÝch ph©n cã thÓ ¸p dông trong hÇu hÕt cÊu h×nh tia phun trong ®éng c¬ ®èt trong. Tµi liÖu tham kh¶o [1] Fluent 6.0 User's Guide, Fluent, Inc., Cennterra Resource Park, Lebanon, NH 30766, 2002. [2] B. E. Launder, D. B. Spalding, Lectures in Mathematical Models of Turbulence, Academic Press, London, England, 1972. [3] J. Y. Murthy, S. R. Mathur, A Finite Volume Method For Radiative Heat Transfer Using Unstructured Meshes, AIAA-98-0860, 1998. [4] S. Sarkar, L. Balakrishnan, Application of a Reynolds-Stress Turbulence Model to the Compressible Shear Layer, ICASE Report 90-18, NASA CR 182002, 1990. [5] EBRAHINI I., KLEINE R, The nozzle fluid concentration fluctuation field in round turbulent fuel jets and jet diffusion flames, Sixteenth symposium (International) on Combustion, pp. 1711-1723, 1976. [6] Bui Van Ga, An Integral Model for Calculation of LPG Jet Development in Combustion Chamber Of Spark Ignition Engine, International Conference on HPSC, Hanoi 10-14 March 2003. [7] BUI VAN GA, PHAM XUAN MAI, Liviu GEORGESCU, A mathematical model for calculation of turbulence diffusion combustion in air and in Diesel engines, Proceedings of the VII International Conference of Motor Vehicles CAR-2000 (FISITA, SIAR), Romania, 16-17 Nov. 2000, Vol ICE, pp 8-16.
Bùi Văn Ga, Nhan Hồng Quang, J.M. Vignon, Calculation of turbulent diffusion jets under [8] effects of gravity and moving surrounding air, Vietnamese Journal of Mechanics, Vol. 23, No. 2, pp. 87-94, 2001. Bùi Văn Ga, Dương Việt Dũng, Trần Văn Nam, Mô phỏng tia phun khí dầu mỏ hóa lỏng LPG [9] trong buồng cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức, Khoa Học và Công Nghệ, No. 30-31, pp. 97- 103, 2001.