Luận án Tiến sĩ Cơ học: Một số vấn đề về thông thoáng và chất lượng không khí trong môi trường ở và làm việc

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Một số vấn đề về thông thoáng và chất lượng không khí trong môi trường ở và làm việc" là nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các phương pháp số giải bài toán thông thoáng bằng đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức, phát triển các phương pháp số thích hợp để giải bài toán; áp dụng giải các bài toán cụ thể trong môi trường ở và làm việc.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ học: Một số vấn đề về thông thoáng và chất lượng không khí trong môi trường ở và làm việc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------***------ Nguyễn Thị Thủy MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THÔNG THOÁNG VÀ CHẤT LƢỢNG KHÔNG KHÍ TRONG MÔI TRƢỜNG Ở VÀ LÀM VIỆC LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2018
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------***------ Nguyễn Thị Thủy MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THÔNG THOÁNG VÀ CHẤT LƢỢNG KHÔNG KHÍ TRONG MÔI TRƢỜNG Ở VÀ LÀM VIỆC Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng Mã số :62 44 01 08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Trần Văn Trản 2. TS Bùi Thanh Tú Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thủy
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án tiến sĩ này tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ từ các Thầy, Cô giáo, bạn bè đồng nghiệp và gia đình tôi. Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai Thầy, PGS. TS Trần Văn Trản và TS Bùi Thanh Tú vì sự định hƣớng và sự gợi mở vấn đề của các Thầy trong nghiên cứu, sự nghiêm khắc của các Thầy trong học tập và sự bao dung của các Thầy trong cuộc sống dành cho tôi. Tiếp theo, tôi xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong bộ môn Cơ học, Khoa Toán – Cơ – Tin học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội, nơi tôi đang công tác và giảng dạy, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập, hoàn thành luận án. Đồng thời, tôi xin gửi lời cám ơn tới Ban giám đốc Đại học Quốc gia Hà Nôi, Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Ban chủ nhiệm Khoa Toán – Cơ – Tin học, Phòng Sau đại học, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi nghiên cứu tốt hơn và giúp tôi hoàn thành thủ tục bảo vệ luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn đến những ngƣời thân trong gia đình, họ hàng, bạn bè thân thiết, những ngƣời luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng 1/2018 NCS: Nguyễn Thị Thủy
MỤC LỤC NHỮNG KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN…………………………………..4 DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ.....................................................................7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 10 2. Mục tiêu của luận án .......................................................................................... 11 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án ................................................... 11 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 11 5. Bố cục của luận án.............................................................................................. 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................... 13 1.1. Đối lƣu tự nhiên và đối lƣu cƣỡng bức ........................................................... 13 1.2. Tình hình nghiên cứu ...................................................................................... 13 1.2.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 13 1.2.2. Các nghiên cứu về truyền nhiệt trong miền hình chữ nhật.......................... 14 1.2.3. Các nghiên cứu về truyền nhiệt trong miền hình hộp chữ nhật................... 16 1.2.4. Các nghiên cứu trong nƣớc.......................................................................... 19 1.3. Các kết quả đạt đƣợc từ các công trình đã công bố trong nƣớc và quốc tế .... 19 1.4. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu của luận án ........................................ 20 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA BÀI TOÁN THÔNG THOÁNG VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI SỐ .............................................................. 22 2.1. Hệ phƣơng trình Bussinesq ............................................................................. 22 2.2. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) ..................................................... 25 2.2.1. Giới thiệu chung về phƣơng pháp phần tử hữu hạn .................................... 25 2.2.2. Các bƣớc giải chung PP PTHH. .................................................................. 26 2.2.3. Các công thức tích phân .............................................................................. 27 2.2.4. Mô tả phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán thông thoáng 2 chiều, phần tử tam giác tuyến tính dùng sơ đồ phân tách theo đƣờng đặc trƣng. .............28 1
2.2.4.1. Phƣơng trình đối lƣu khuếch tán. ..............................................................28 2.2.4.2. Phƣơng pháp đặc trƣng Galerkin giải phƣơng trình đối lƣu khuyếch tán. 28 2.3. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn .....................................................................40 2.3.1. Một số ký hiệu ...........................................................................................40 2.3.2. Bậc xấp xỉ ..................................................................................................41 2.3.3. Tính ổn định...............................................................................................41 2.3.4. Tính hội tụ .................................................................................................42 2.3.5. Định lý cơ bản của phƣơng pháp sai phân hữu hạn ..................................42 2.3.6. Các phƣơng pháp xây dựng sơ đồ sai phân ...............................................43 2.3.6.1. Thay đạo hàm bằng các tỷ sai phân .......................................................43 2.3.6.2. Phƣơng pháp hệ số bất định ...................................................................45 2.3.6.3. Sơ đồ với bƣớc tính trung gian ...............................................................49 2.3.7. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính ổn định của sơ đồ sai phân .................49 2.3.7.1. Phƣơng pháp phổ (phƣơng pháp Neumann) ..........................................49 2.3.7.2. Phƣơng pháp nguyên lý cực đại .............................................................51 2.4. Phƣơng pháp đa lƣới phi tuyến .....................................................................54 2.5. Sơ đồ Samarski .............................................................................................58 2.6. Các chƣơng trình tính toán trong luận án……………………………….......61 2.6.1. Chƣơng trình trong bài toán hai chiều……………………………………...61 2.6.2. Chƣơng trình trong bài toán ba chiều………………………………………64 CHƢƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÀI TOÁN THÔNG THOÁNG HAI CHIỀU……………………………………………………………67 3.1. Mô hình bài toán hai chiều……………………………………………….....67 3.2. Các kết quả và thảo luận……………………………………………………..70 3.2.1. Một số đặc điểm của dòng chảy không khí dƣới tác động của thông thoáng và nguồn nhiệt trong một miền kín hai chiều……………………………………....70 3.2.2. Ảnh hƣởng của các điều kiện biên đến hiệu quả thông thoáng……………78 3.2.2.1 Ảnh hƣởng của các điều kiện biên đến cấu trúc dòng chảy………………78 2
3.2.2.2. Ảnh hƣởng của các điều kiện biên tới hiệu quả loại bỏ nhiệt hoặc chất thải ……………………………………………………………………………………..81 3.3. Kết luận chƣơng 3………………………………………………………….85 CHƢƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ BÀI TOÁN THÔNG THOÁNG BA CHIỀU…………………………………………………………....85 4.1. Mô hình bài toán ba chiều…………………………………………………..87 4.2. Các kết quả và thảo luận……………………………………………………90 4.2.1. Sự lan truyền chất thải trong miền hình hộp bởi đối lƣu tự nhiên ………..90 4.2.1.1. Ảnh hƣởng của điều biên tới lan truyền chất thải và cấu trúc dòng chảy trong miền hình hộp………………………………………………………………..91 4.2.1.2. Ảnh hƣởng của nguồn nhiệt không đồng nhất tới sự phân bố chất thải trên đáy hộp……………………………………………………………………………..95 4.2.2. Đánh giá hiệu quả loại bỏ nhiệt và chất thải………………………….........97 4.2.2.1. Ảnh hƣởng của hƣớng thông thoáng đến cấu trúc dòng chảy……….........98 4.2.2.2. Ảnh hƣởng của vị trí cửa hút - cửa xả và hƣớng thông thoáng đến hiệu quả loại bỏ nhiệt và chất thải ………………………………………………………....101 4.3. Kết luận chƣơng 4…………………………………………………………105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………....105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN………………………………………………………………....109 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….110 3
NHỮNG KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN L: Chiều dài đặc trƣng g: Gia tốc trọng trƣờng : Hệ số giãn nở nhiệt : Hệ số nhớt động học : Hệ số khuếch tán nhiệt Gr: Số Grashof (=gβΔTL3/ν2) Grc: Số Grashof (=gβcΔCL3/ν2) Pr: Số Prandtl (=  ) Ra: Số Rayleigh (=Gr.Pr) Sc: Số Schmidt (=  c ) Re: Số Reynolds (=UL/ν) Nu: Số Nusselt Sh: Số Sherwood U: Vận tốc đặc trƣng u, v, w,  : Các thành phần vận tốc, thời gian không thứ nguyên u, u 1 , u2 , t: Các thành phần vận tốc, thời gian p: Áp suất 4
 T T  T: Nhiệt độ không thứ nguyên  T  thuc 0   ΔT  C: Nồng độ chất thải không thứ nguyên T: Nhiệt độ trung bình C: Nồng độ chất thải trung bình Si: Diện tích cửa hút So: Diện tích cửa xả kT: Hệ số truyền nhiệt Tn : Nhiệt độ tại mặt cắt ngang Cn : Nồng độ chất thải tại mặt cắt ngang 5
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1. Hiệu quả loại bỏ nhiệt và chất thải của các vị trí cửa hút – cửa xả khác so với vị trí LL .................................................................................................................. 101 Bảng 4.2. So sánh hiệu quả loại bỏ theo các hƣớng X-X và Y-Y ............................... 102 Bảng 4.3. So sánh lƣợng nhiệt và chất thải đƣợc loại bỏ trong hai bài toán A và B ... 104 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 2.1. Miền lấy tích phân ...................................................................................27 Hình 2.2. Đặc trƣng của dòng chảy.........................................................................29 Hình 2.3. Điểm nút ..................................................................................................39 Hình 2.4. Các sơ đồ sai phân ...................................................................................44 Hình 2.5. Sơ đồ sai phân trung tâm .........................................................................45 Hình 2.6. Sơ đồ khối chƣơng trình chia lƣới tự động……………………………...61 Hình 2.7. Sơ đồ khối chƣơng trình con IFILE……………………………………..61 Hình 2.8. Sơ đồ khối chƣơng trình con TRIAG……………………………..…....62 Hình 2.9. Trƣờng vận tốc và contour nhiệt độ với Re  103 và Gr  108 cho trƣờng hợp B (a), (c) – luận án, (b), (d) – trong [80] ……….......................................................63 Hình 2.10. (a) Sự biến thiên của nồng độ trung bình tại cửa xả với Re  103 , (b) hiệu quả chuyển dịch với Re=30…………………………………………………...64 Hình 2.11. Sơ đồ khối chƣơng trình CON3D……………………………………...65 Hình 2.12. Miền kín với biên trên chuyển động…………………………………...66 Hình 2.13. Thành phần vận tốc với Re=400, a - U, b - V……………………….....66 Hình 3.1. Vị trí hình học của cửa hút và cửa xả của căn phòng……………………68 Hình 3.2. Trƣờng vận tốc với số Re  20 ………………………………………...71 Hình 3.3. Sự thay đổi vận tốc tại điểm P1 , Re  20 ……………………………....71 Hình 3.4. Vận tốc tại các điểm với số Ra  106 .................................................…72 Hình 3.5. Vận tốc tại điểm P3 và P6 với Ra  107 .................................................72 Hình 3.6. Nhiệt độ tại điểm P1 (a) và điểm P7 (b) ................................................73 Hình 3.7. Trƣờng vận tốc và contour nhiệt độ: ......................................................73 Hình 3.8. Thành phần vận tốc u , v tại 7 điểm trƣờng hợp A (a), (b), B (c), (d) ...74 Hình 3.9. a) Thành phần vận tốc u , v tại điểm P1 cho A, b) tƣơng tự cho B .......75 Hình 3.10. Thành phần vận tốc u (a), v (b) tại các điểm P3 , P4 , P5 cho A, (c): nhiệt độ tại điểm P3 , P4 , (d): dòng nhiệt vào (1) và dòng nhiệt ra (2) cho A ........76 Hình 3.11. Tỉ số dòng nhiệt ra/ dòng nhiệt vào cho trƣờng hợp A………………..76 7
Hình 3.12. Tỉ số dòng nhiệt ra/ dòng nhiệt vào cho trƣờng hợp B ................................ 77 Hình 3.13. Dòng nhiệt tức thời đƣợc sinh ra từ nguồn nhiệt cho trƣờng hợp B ............ 77 Hình 3.14. Miền chuyển động dừng của dòng hợp thành ............................................. 77 Hình 3.15. Trƣờng vận tốc cho trƣờng hợp A với nguồn nhiệt ..................................... 79 Hình 3.16. Trƣờng vận tốc cho trƣờng hợp B với nguồn nhiệt ..................................... 80 Hình 3.17. Contour nhiệt độ và chất thải tại Re  103 , Gr  105 , trƣờng hợp A: (a) – nhiệt độ, (b) - chất thải, trƣờng hợp B: (c) – nhiệt độ, (d) – chất thải ........................... 80 Hình 3.18. Contour nhiệt độ cho trƣờng hợp A: (a) Re  103 , Gr  107 , (b) Re  105 , Gr  105 , trƣờng hợp B: (c) Re  103 , Gr  107 .......................................... 81 Hình 3.19. Dao động của nhiệt độ, chất thải trung bình trong phòng ........................... 82 Hình 3.20. (a) Sự biến thiên của dòng chất thải vào và ra trong trƣờng hợp A, (b) Sự biến thiên của dòng nhiệt vào và ra trong trƣờng hợp B................................................ 83 Hình 3.21. Sự biến thiên của dòng nhiệt (chất thải) vào và ra, (a) trƣờng hợp A, (b) trƣờng hợp C .................................................................................................................. 84 Hình 4.1. Hộp với mặt đáy chia thành các miền với điều kiện biên khác nhau................. về nhiệt độ và chất thải................................................................................................... 87 Hình 4.2. Sự thay đổi của các thành phần vận tốc u, v, w , nhiệt độ T và chất thải C tại các điểm P1 , P2 , P3 ...................................................................................................... 91 Hình 4.3.Trƣờng vận tốc tại mặt cắt z  0.5 . A: Bài toán A, B: bài toán B ................. 92 Hình 4.4. Sự thay đổi của các thành phần vận tốc, nhiệt độ và nồng độ chất thải. A: bài toán A, B: bài toán B ................................................................................................ 92 Hình 4.5. Sự thay đổi các thành phần vận tốc tại các điểm P1 , P2 , P3 cho bài toán B ... 93 Hình 4.6. Sự thay đổi của vận tốc, nhiệt độ và chất thải trong bài toán B .................... 94 Hình 4.7. Trƣờng vận tốc trên: a/ x=0.125, x=0.5, x=0.875; b/ y=0.125, y=0.5, y=0.875; c/ z=0.125, z=0.5, z=0.875 cho bài toán B ..................................................... 94 Hình 4.8. Bài toán A: Các đƣờng đẳng nhiệt và chất thải trên các mặt x  0.875, và z  0.125 , z  0.875 ..................................................................................................... 95 Hình 4.9. Bài toán B: Các đƣờng đẳng nhiệt và chất thải trên các mặt z  0.125 và z  0.875 , a/ dừng, b/ tuần hoàn, c/ không dừng ........................................................... 96 Hình 4.10. Kết quả thực nghiệm minh họa sự lan truyền chất thải trong hộp do đối lƣu tự nhiên .................................................................................................................... 97 8
Hình 4.11. Vận tốc u tại điểm P2 của bài toán A và B ................................................. 98 Hình 4.12. Sự thay đổi theo nhiệt độ tại điểm P2 của bài toán A và B ......................... 99 Hình 4.13. Vận tốc v tại các điểm Pk (k  1,2,3) của bài toán B .................................. 99 Hình 4.14. Trƣờng vận tốc tại z  0.5 . Bài toán A (a/ X-X, b/ Y-Y), bài toán B (c/ X-X, d/ Y-Y) ................................................................................................................ 100 9
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bài toán thông thoáng là một trong những bài toán chính của thủy động lực học tính toán ứng dụng. Bài toán này ở quy mô lớn là thông thoáng bên trong một tòa nhà hoặc một nhà máy, ở quy mô vừa là thông thoáng một phòng chức năng [16], [26], [40], [44] và ở quy mô bé là làm mát các thiết bị điện tử trong các máy móc phức tạp nhƣ máy tính chẳng hạn [88], [83]. Ngoài ra việc thông thoáng các hầm lò hay các đƣờng hầm cũng là một lĩnh vực đƣợc nghiên cứu rất nhiều [12]. Gần gũi với bài toán thông thoáng là bài toán lƣu thông không khí bằng đối lƣu tự nhiên trong cả một vùng lớn nhƣ một khu đô thị [85] và bài toán lan truyền tạp chất. Đối tƣợng hƣớng đến của luận án là các không gian sống và làm việc. Nhƣ chúng ta đã biết, chất lƣợng không khí trong môi trƣờng ở và làm việc ảnh hƣởng đến sức khỏe và sự thoải mái của con ngƣời. Ngày nay, do tác động của nhiều yếu tố làm chất lƣợng không khí trong môi trƣờng sống và làm việc của chúng ta ngày càng kém đi. Đặc biệt là ở các thành phố lớn, tập trung đông phƣơng tiện giao thông, nhiều nhà máy, công trình xây dựng, mật độ bê tông hóa cao. Vì thế việc thông thoáng không gian sống, tạo một bầu không khí để làm việc hiệu quả là vô cùng cần thiết. Kiểm soát nguồn không khí, lọc và sử dụng hệ thống thông gió để làm giảm bớt nhiệt độ và các chất gây ô nhiễm là phƣơng pháp chính nhằm tăng chất lƣợng không khí trong hầu hết các tòa nhà. Do vậy các nghiên cứu về truyền nhiệt (chất thải) bằng đối lƣu tự nhiên và đối lƣu cƣỡng bức đang đƣợc thế giới quan tâm rất nhiều. Ngoài ý nghĩa nghiên cứu lý thuyết về bài toán truyền nhiệt (chất thải) thì các kết quả thu đƣợc khi áp dụng cho các không gian cụ thể có thể sử dụng để tham khảo trong thiết kế xây dựng các tòa nhà hoặc xí nghiệp. Xuất phát từ những lý do nêu trên, luận án đã chọn đề tài “một số vấn đề về thông thoáng và chất lƣợng không khí trong môi trƣờng ở và làm việc” làm nội dung nghiên cứu. 10
2. Mục tiêu của luận án  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các phƣơng pháp số giải bài toán thông thoáng bằng đối lƣu tự nhiên và đối lƣu cƣỡng bức  Phát triển các phƣơng pháp số thích hợp để giải bài toán  Áp dụng giải các bài toán cụ thể trong môi trƣờng ở và làm việc. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng không khí trong môi trƣờng bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ lƣu chuyển của không khí, nồng độ bụi trong không khí, nồng độ các chất độc hại, nồng độ oxi và CO2 trong không khí, độ ồn…Luận án tập trung nghiên cứu 2 yếu tố là nhiệt độ và nồng độ chất thải (CO2), cụ thể là nghiên cứu sự lan truyền nhiệt hoặc chất thải (CO2) trong các không gian thông thoáng là hình chữ nhật (hai chiều) và miền hình hộp (ba chiều). 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn dựa trên đƣờng đặc trƣng Galerkin và phƣơng pháp sai phân hữu hạn (kỹ thuật ADI và kỹ thuật tách thời gian dựa trên sơ đồ Samarski) để mô phỏng số bài toán thông thoáng hai chiều và ba chiều. 5. Bố cục của luận án Luận án gồm: mở đầu, bốn chƣơng, kết luận và tài liệu tham khảo . Nội dung chính của các chƣơng đƣợc trình bày dƣới đây: Chƣơng 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về bài toán thông thoáng. Phân tích các vấn đề đã đƣợc nghiên cứu, những vấn đề cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu. Từ đó đề xuất mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp của luận án. Chƣơng 2: Nêu một số vấn đề về mô hình toán của bài toán thông thoáng và các phƣơng pháp giải số bao gồm: phƣơng pháp phần tử hữu hạn, phƣơng pháp sai phân hữu hạn và phƣơng pháp đa lƣới phi tuyến. Chƣơng này trình bày ngắn gọn các phƣơng pháp số áp dụng trong luận án cho nghiên cứu các vấn đề đặt ra. Chƣơng 3 dành để trình bày một số kết quả về bài toán thông thoáng hai chiều. Trong chƣơng này, chúng tôi chỉ ra sự tƣơng tác giữa hai loại dòng: chuyển động dừng và chuyển động không dừng trong một miền kín hai chiều. Mô phỏng số 11
đƣợc tiến hành với một vài giá trị của số Re và Ra cho hai trƣờng hợp cửa hút và cửa xả. Một vài đặc điểm thú vị của dòng không khí đƣợc tìm thấy, đồng thời tính đƣợc lƣợng nhiệt tỏa ra từ nguồn nhiệt và lƣợng nhiệt đƣợc lấy đi khỏi căn phòng, từ đó đi đến kết luận về ảnh hƣởng của các điều kiện biên đến hiệu quả thông thoáng. Trong chƣơng 4, chúng tôi đƣa ra một số kết quả về bài toán thông thoáng ba chiều. Tiến hành mô phỏng số cho sự lan truyền của chất thải đi kèm với đối lƣu tự nhiên trong miền hình hộp. Hình hộp ở đây có thể đƣợc coi nhƣ một căn bếp hoặc một nơi làm việc (phân xƣởng sản xuất), nơi mà một số nguồn nhiệt và chất thải đồng thời hoạt động. Mục đích của mô phỏng số là để hiểu đƣợc quá trình lan truyền chất thải trong miền hình hộp dƣới ảnh hƣởng của chuyển động đối lƣu đồng thời xem xét vị trí của cửa hút - cửa xả ảnh hƣởng đến hiệu quả thông thoáng nhƣ thế nào. Kết quả mô phỏng rất hữu ích cho việc thiết lập một sơ đồ thông thoáng hiệu quả. 12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đối lƣu tự nhiên và đối lƣu cƣỡng bức Đối lƣu là hiện tƣợng liên quan tới sự truyền nhiệt trong chất lỏng. Đó cũng là một cách thức trao đổi nhiệt phổ biến trong tự nhiên và kỹ thuật. Nguyên nhân hình thành đối lƣu tự nhiên là do sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi mật độ trong lòng chất lỏng. Sự khác biệt đó cũng nhƣ nhiệt độ trung bình của dòng chất lỏng là không lớn lắm để chất lỏng vẫn đƣợc coi là không nén đƣợc. Trong đối lƣu tự nhiên, quá trình truyền nhiệt và chuyển động của chất lỏng ảnh hƣởng qua lại lẫn nhau, chính sự chênh lệch nhiệt độ làm cho chất lỏng chuyển động dƣới tác dụng của lực Archimede. Khác với đối lƣu tự nhiên, đối lƣu cƣỡng bức còn bị ảnh hƣởng bởi các lực tác động bên ngoài khác, chẳng hạn chuyển động của chất lỏng trong các lò phản ứng xảy ra dƣới tác động của đối lƣu nhiệt và lực hút của bơm. Truyền nhiệt bởi đối lƣu rất đa dạng, phụ thuộc hoàn cảnh cụ thể và khó tính toán hơn truyền nhiệt thông thƣờng. Khả năng dự đoán ảnh hƣởng của dòng chảy đối lƣu lên sự phân bố nhiệt độ rất có ích khi phân tích các ứng dụng liên quan tới đốt nóng hay làm lạnh chất lỏng, ví dụ hệ phát thải, hệ thống thông hơi. Hơn nữa, dòng đối lƣu không chỉ gây ra sự lan truyền nồng độ các chất hóa học có trong môi trƣờng mà còn góp phần thúc đẩy các phản ứng hóa học giữa chúng. 1.2. Tình hình nghiên cứu Đối lƣu và mô phỏng sự lan truyền bằng đối lƣu đã và đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi. Tổng quan về mô hình dòng chảy đối lƣu có thể tham khảo trong nghiên cứu của Pepper và Carrington [65]. 1.2.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu Do tính phức tạp của chuyển động đối lƣu nhiệt nên các bài toán này đƣợc giải chủ yếu bằng phƣơng pháp số. Nhƣ đƣợc chỉ ra trong [24], CFD 13
(Computational Fluid Dynamics) đã đóng góp 70% các công bố về mô phỏng luồng không khí trong các không gian thông thoáng. Nghiên cứu tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật CFD để mô phỏng chuyển động không khí trong một căn phòng đã đƣợc thực hiện bởi Nielsen [58]. Trong những năm gần đây, CFD đã thể hiện vai trò nổi bật trong việc mô phỏng các bài toán lan truyền không khí trong các tòa nhà [66], [59]. Hai phƣơng pháp thể tích hữu hạn (FVM – Finite Volume Method) và phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element method) đƣợc sử dụng chủ yếu cho CFD trong lĩnh vực này. Phần lớn các tính toán của FVM dựa trên phƣơng pháp nửa ẩn cho phƣơng trình liên kết áp suất (SIMPLE – Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations), thuật toán này đƣợc đề xuất đầu tiên bởi Patankar trong [64]. Sinha, Aora và Subhransu đã áp dụng cách tiếp cận này để mô phỏng dòng chảy trong một căn phòng hai chiều [80]. Lage, Bejan và Anderson cũng đã sử dụng thuật toán SIMPLE để tính lƣợng chất thải đƣợc loại bỏ trong một miền đóng [47]. Bên cạnh FVM thì phƣơng pháp FEM cũng đã đƣợc áp dụng thành công. Trong [50], Lee và các cộng sự đã sử dụng phƣơng pháp FEM để mô phỏng dòng chảy đối lƣu cƣỡng bức và đối lƣu hỗn hợp trong một căn phòng. Sumon Saha cũng đã áp dụng FEM để chỉ ra các đặc điểm của dòng đối lƣu hỗn hợp trong một khoang [75]. Gần đây, các nhà nghiên cứu thƣờng sử dụng các phần mềm CFD thƣơng mại để có đƣợc lời giải số của các bài toán này. Trong số đó thì phần mềm Fluent tỏ ra hiệu quả hơn trong việc mô phỏng số dòng chảy không khí ba chiều trong các không gian có hình dạng phức tạp [15], [32], [68]. Chuyển động của không khí trong một miền đóng thƣờng là rối ngoại trừ trƣờng hợp số Reynolds ( Re ) đủ bé. Mô hình k  ε mà Jones và Launder đề xuất trong [43] để mô hình hóa chuyển động rối của không khí trong một không gian kín ở số Re vừa phải đã đƣợc rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng thành công [48]. 1.2.2. Các nghiên cứu về truyền nhiệt trong miền hình chữ nhật Đối lƣu tự nhiên trong các không gian đóng đƣợc tạo ra bằng cách nung nóng hoặc làm mát trên biên hoặc đặt các nguồn nhiệt bên trong miền. Đối lƣu tự 14
nhiên đã đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ từ khi xuất bản cuốn sách của Chandrasekhar [23]. Phần lớn các nghiên cứu liên quan đến tính không dừng của các chuyển động đối lƣu này. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã chú trọng hơn đến tính ứng dụng của bài toán bằng cách xem xét đối lƣu tự nhiên hay đối lƣu hỗn hợp trong các không gian sống và làm việc [45], [62], [74], [82]. Mục đích chính của các nghiên cứu đó là xác định trƣờng vận tốc do đối lƣu gây ra và sự phân bố nguồn nhiệt trong miền đóng. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đơn giản hóa trong một miền thông thoáng hình chữ nhật đã đƣợc thực hiện. Một phần các nghiên cứu này liên quan đến đối lƣu cƣỡng bức, đối lƣu tự nhiên và đối lƣu hỗn hợp. Các nghiên cứu về đối lƣu tự nhiên trong các miền thông thoáng cho thấy ƣu điểm của việc sử dụng hệ thống tƣờng Trombe [20], [31] hoặc ống khói năng lƣợng mặt trời [17], [18], [25], [33], [34] để loại bỏ không khí nóng trong môi trƣờng. Các nghiên cứu về đối lƣu cƣỡng bức cho thấy có những dao động phức tạp của chất lỏng xung quanh các nguồn nhiệt làm tăng sự lƣu thông dòng chảy trong miền. Các vật cản trong miền có thể tạo ra các vùng bị ứ đọng và tăng ô nhiễm khói [56], [57], [71]. Các nghiên cứu về đối lƣu hỗn hợp chủ yếu tập trung vào các cấu hình cụ thể của cửa hút và cửa xả. Trong [77] Sakamoto và Matsuo đã trình bày một nghiên cứu về lƣu lƣợng không khí trong đó cửa hút nằm ở chính giữa của mặt trên, không khí đƣợc loại bỏ qua cửa xả ở một trong các bề mặt thẳng đứng, không có nguồn nhiệt. Soria và các cộng sự [81] đã đƣa ra lời giải số của bài toán loại bỏ chất thải ra khỏi một miền đóng hai chiều có cửa hút và cửa xả ở trên hai bề mặt thẳng đứng đối diện nhau. Họ xét hai trƣờng hợp, một trƣờng hợp cửa xả ở phía dƣới và một trƣờng hợp cửa xả ở phía trên của mặt thẳng đứng. Họ đã xác định đƣợc lƣợng không khí đƣợc cải tạo để làm sạch miền thông thoáng lên đến 5%. Raji và các cộng sự trình bày các nghiên cứu cho đối lƣu hỗn hợp của dòng Laminar [70]. Họ xét các trƣờng hợp tƣơng tự nhƣ trong [81] nhƣng có thêm một dòng nhiệt liên tục trên một trong những bề mặt thẳng đứng. Họ rút ra kết luận trƣờng hợp cửa xả ở phía trên của bề mặt thẳng đứng loại bỏ không khí hiệu quả hơn. Singh và Sharif [79] đã tiến hành nghiên cứu số hai chiều để khảo sát đối lƣu hỗn hợp cho ba trƣờng hợp của miền thông thoáng hình 15
chữ nhật đƣợc làm nóng theo các cách khác nhau trong một khoảng giá trị của số Re . Cửa hút và cửa xả đƣợc đặt trên các bề mặt thẳng đứng, cửa hút ở bề mặt nóng trong khi cửa xả ở bề mặt lạnh và ngƣợc lại. Họ đã tìm ra hiệu quả thông thoáng tối đa là khi cửa hút ở dƣới cùng của bề mặt lạnh và cửa xả ở trên cùng của bề mặt nóng. Trong [76], Saha và các cộng sự đã trình bày một nghiên cứu số khi kết hợp đối lƣu tự nhiên và đối lƣu cƣỡng bức trong một miền kín có hai cửa xả trên một bề mặt thẳng đứng, một cửa hút ở bề mặt thẳng đứng đối diện và một nguồn nhiệt đồng nhất ở mặt đáy. Luồng không khí ở nhiệt độ môi trƣờng chảy vào qua cửa hút và thoát ra ngoài qua một trong hai cửa xả đều đƣợc đặt ở phía trên của cả hai bức tƣờng thẳng đứng. Họ đi đến kết luận rằng ảnh hƣởng của hƣớng gió khác nhau có thể dẫn đến hiệu suất làm mát tốt nhất, đồng thời họ cũng chỉ ra đƣợc sự ảnh hƣởng của các thông số nhƣ số Reynolds, số Richardson,..đến các trƣờng dòng. Trong [69], Rahman et al. cũng trình bày một nghiên cứu số của đối lƣu hỗn hợp trong một miền đóng. Một dòng chất lỏng bên ngoài vào miền thông thoáng qua cửa hút trên bức tƣờng thẳng đứng bên trái và đi ra ngoài qua một cửa xả cố định ở trên bức tƣờng thẳng đứng bên phải. Họ xét ba vị trí của cửa hút ở độ cao lần lƣợt là 0.05, 0.5, 0.95. Họ nhận thấy rằng tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vị trí của cửa hút, đồng thời khi số Re tăng dẫn đến hệ số truyền nhiệt cao hơn và nhiệt độ nguồn nhiệt cao hơn. Trong [14], Arce cùng các cộng sự đã nghiên cứu số đối lƣu hỗn hợp của dòng laminar và sự truyền nhiệt trong một miền thông thoáng hình vuông, cửa hút đƣợc đặt ở phía dƣới của bề mặt thẳng đứng, cửa xả đƣợc đặt ở bề mặt trên với ba vị trí khác nhau: bên trái, ở giữa và bên phải. Họ đã chỉ ra đƣợc ảnh hƣởng của vị trí cửa hút - cửa xả đến hiệu quả thông thoáng đồng thời dựa trên hiệu quả phân phối nhiệt và lƣợng nhiệt đƣợc loại bỏ ra khỏi phòng, họ xác định đƣợc vị trí tốt nhất là trƣờng hợp cửa xả ở bên trái. 1.2.3. Các nghiên cứu về truyền nhiệt trong miền hình hộp chữ nhật Bài toán chuyển động đối lƣu nhiệt tự nhiên trong miền khép kín ba chiều có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn cao nên đã đƣợc nghiên cứu từ những năm 70 của thế 16