NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT TRIỂN TIA PHUN LPG
TRONG BUỒNG CHÁY ĐỘNG CƠ
BẰNG PHẦN MỀM FLUENT
INVESTIGATION OF LPG JET DEVELOPMENT
IN COMBUSTION CHAMBER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE
BY THE FLUENT CODE
BÙI VĂN GA
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NHAN HỒNG QUANG
Phân viện Bảo hộ lao động tại Đà Nẵng
PHẠM THỊ ĐÔNG PHƯƠNG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong những công trình trước đây [4], [5], chúng tôi đã thiết lập mô hình tích phân một chiều để tính
toán sự phát triển của tia phun LPG trong buồng cháy động cơ. Mô hình này đơn giản, phù hợp với thực
tế sử dụng trong kỹ thuật. Tuy nhiên để có thể tổng quát hoá mô hình trong nghiên cứu động cơ đốt
trong chúng ta cần kiểm nghiệm nó bằng những phần mềm đa phương phổ biến. Trong công trình này,
chúng tôi sử dụng phần mềm FLUENT làm công cụ nghiên cứu đánh giá.
ABSTRACT
In the previous papers [4], [5], we have presented an integral one-direction model for calculating the
development of LPG jet in the combustion chamber of the international combustion engine. This model
is simple, suitable for practical application. However for a generalization application in study of internal
combustion engine, we should assess the model by commercial multidirectional one. In this paper, we
use the FLUENT code for this purpose.
1. Giới thiệu
Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp là giải pháp có nhiều triển vọng được áp
dụng trong tương lai nhằm nâng cao tính kinh tế và giảm mức độ phát thải CO2. Động cơ này
cho phép chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ hỗn hợp: hỗn hợp nghèo, cháy phân lớp ở chế độ
tải thấp và hỗn hợp đồng nhất với α=1 ở chế độ tải lớn. Kỹ thuật này đã thu hút sự quan tâm
nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây. Kết quả nghiên cứu cho thấy
những yếu tố chính ảnh hưởng đến tính năng của động cơ phun xăng trực tiếp gồm áp suất
phun, sự hướng dòng tia phun, xoáy lốc của khí nạp, thời điểm phun và tính bốc hơi của nhiên
liệu. Quá trình tạo hỗn hợp phân lớp có thể khống chế bởi sự kết hợp giữa dạng hình học của
buồng cháy và các đặc trưng của tia phun. Sự kết hợp này cho phép tạo ra sự phân bố tối ưu
nhiên liệu theo thời gian và trong không gian buồng cháy để đảm bảo quá trình cháy có thể
diễn ra trong hỗn hợp có thành phần tổng quát rất nghèo.
Sự phát triển và tối ưu hoá động cơ GDI đòi hỏi những phương pháp thí nghiệm mới
và những mô hình toán học chuyên biệt để phân tích các quá trình diễn ra trong buồng cháy
động cơ. Các phần mềm sử dụng trong nghiên cứu động cơ GDI ngày nay thường dựa trên cơ
sở các phần mềm đã thiết lập đối với động cơ Diesel. Quá trình tạo hỗn hợp phân lớp phức tạp
trong động cơ này thường được tính toán bằng phần mềm động học chất lỏng CFD.
Nhằm đáp ứng đòi hỏi ngày càng khắt khe của các qui định về bảo vệ môi trường,
ngoài những cố gắng hoàn thiện động cơ đốt trong truyền thống, các nhà khoa học còn quan
tâm đến việc sử dụng các loại nhiên liệu thay thế. Sự kết hợp của kỹ thuật động cơ hiện đại và
nhiên liệu ít gây ô nhiễm sẽ tạo ra những triển vọng mới cho sự phát triển động cơ đốt trong.
Trong công trình trước đây, chúng tôi đã đề cập đến một loại động cơ mới, động cơ đánh lửa
cưỡng bức, phun LPG trực tiếp và cháy phân lớp [3]. Động cơ này sẽ tận dụng được đồng thời
ưu điểm nổi bật của động cơ GDI về tính năng kinh tế-kỹ thuật và nhiên liệu LPG về giảm
mức độ phát sinh ô nhiễm.
Để nghiên cứu loại động cơ này, trước tiên chúng ta cần thiết lập công cụ tính toán sự
phát triển tia phun trong buồng cháy. Mô hình tích phân một chiều đã được thiết lập nhằm
đơn giản hoá quá trình tính toán. Mô hình này được sử dụng kèm theo một số giả thiết thực
nghiệm. Vì vậy để có thể tổng quát hoá việc áp dụng mô hình trong những điều kiện khác
nhau mà không có số liệu thực nghiệm, chúng ta đánh giá kết quả dự đoán của mô hình bằng
số liệu cho bởi các mô hình đa phương đã được thương mại hoá.
Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu một số kết quả tính toán sự phát triển tia phun
LPG trong buồng cháy động cơ thí nghiệm bằng phần mềm FLUENT. Kết quả này sẽ được
dùng để đánh giá mô hình tích phân đã được thiết lập.
2. Điều kiện tính toán
Để thuận tiện cho việc so sánh với kết quả tính toán trên mô hình tích phân một chiều
và đo đạc thực nghiệm, mô hình ngọn lửa tia phun rối trong buồng cháy được thiết lập với các
thông số tương đương với các thông số đã sử dụng trong quá trình thí nghiệm trên động cơ
Transparence [6], cụ thể là:
- Đường kính lỗ tia phun: de = 0.0006m.
- Không khí, ở chế độ đẳng nhiệt với
a = 1.225 kg/m3;
a = 1.79 x 10-5Ns/m2.
- Tia phun là khí hoá lỏng LPG (50% Butan và 50% Propan) có
a = 539 kg/m3;
a = 1.36610-5kgm/s;
- Đường kính miệng vòi phun: 0,6mm
Dòng chảy được mô hình hoá trong cả hai trường hợp: dòng hai chiều (2D) và ba
chiều (3D). Miền giới hạn tính toán là khối hộp chữ nhật có kích thước tương tự buồng cháy
của động cơ Transparence: (cao dài rộng) bằng 36 68 33(mm3) đối với dòng ba chiều
(3D) và (rộng dài) bằng 36 68 với dòng hai chiều (2D). Dòng chảy được phun vào miền
tính toán tại một điểm trên mặt 33 36 (3D) hay trên cạnh 36 (dòng 2D). Gió gia nhập vào
miền tính toán qua mặt 33 68 (hay cạnh 68 trường hợp 2D).
3. Chia lưới và chọn điều kiện biên
- Chia lưới
Trong dòng chảy 2D, lưới được tạo ra với 7916 tứ giác và 9273 nút. Với dòng chảy
3D, lưới bao gồm 115140 tứ diện và lục diện và 124562 nút lưới. Trong cả hai trường hợp,
lưới được tạo ra có kích thước dày hơn ở khu vực có dòng chảy gia nhập. Càng ra xa dòng,
lưới càng thưa dần. Lưới được tạo ra với sự giúp đỡ của phần mềm Gambit4.1 và các phần
mềm tmerge2D, tmerge3D, chỉnh lại khi giải bài toán trong FLUENT.
- Điều kiện biên
Các điều kiện biên của bài toán đối với tia phun và ngọn lửa khuếch tán bao gồm xác
định các biến thiên dòng chảy và nhiệt trên các biên của miền tính toán.
Tại đầu vào của tia phun, đặt các giá trị áp suất phun (vuông góc với biên) tương ứng
với từng trường hợp cần khảo sát. Tại biên có chuyển động ngang của không khí, đặt giá trị
vận tốc vào. Áp suất trong buồng cháy được đặt từ 11.2 atm đến 20.0 atm tuỳ theo góc phun
sớm. Lưu lượng phun đặt bằng 0.35 kg/s.
V
68
36
Ve
33
16.5
16
36
68
Ve
16
V
a. b.
Hình 1. Chia lưới trong không gian tính toán: a. 2D; b. 3D
Hình 2. Điều kiện biên sử dụng trong tính toán
4. Kết quả tính toán
4.1. Mô hình 3D, phun trong kỳ nén
Hình 3. So sánh biên dạng tia phun cho bởi mô hình 3D và thực nghiệm, áp suất phun 60atm
Hình 3 giới thiệu kết quả tính toán sự phân bố trường tốc độ trong tia phun LPG trong
trường hợp áp suất phun được cố định ở 60atm. Quá trình phun diễn ra trong kỳ nén, tác động
xoáy lốc của không khí trong buồng cháy được xem như không đáng kể. So sánh với kết quả
thực nghiệm trong cùng điều kiện, chúng ta thấy độ xuyên thâu của tia phun theo thời gian
cho bởi mô hình và tính toán khá phù hợp với nhau.
Trên cơ sở kết quả này chúng ta tính toán sự phân bố tốc độ trong các điều kiện khác
nhau. Hình 4 giới thiệu kết quả tính toán trong trường hợp áp suất phun là 80atm. Trong
trường hợp này chúng ta thấy độ xuyên thâu của tia phun tăng nhanh hơn trường hợp áp suất
phun 60 atm.
b) t = 1.2ms
a) t = 0.6ms d) t = 3.0ms c) t = 2.4ms
Hình 4. Trường tốc độ trong tia phun khi áp suất phun Pj = 60atm; V
= 0
Trong trường hợp tia phun chịu tác động của gió theo phương thẳng đứng, tia phun bị
uốn cong về phía trên, tốc độ cực đại trên trục tia phun giảm nhanh hơn trong trường hợp tia
phun phát triển trong môi trường yên tĩnh.
Hình 5: Trường tốc độ trong tia phun khi áp suất phun Pj = 60atm; V
= 4m/s
4.2. Mô hình 2D phun trong kỳ nạp
a.
b.
c.
Hình 6: So sánh biên dạng tia phun cho bởi mô hình 2D
và thực nghiệm Pj = 45atm; V
= 40m/s
a. Kết quả cho bởi mô hình 2D; b. Kết quả thực nghiệm; c. Trường tốc độ
d) t = 4.2ms
c) t = 3.0ms
b) t = 2.4ms
a) t = 1.2ms
b) t = 1.2ms
a) t = 0.6ms d) t = 3.0ms c) t = 2.4ms
b) t = 1.2ms
a) t = 0.6ms d) t = 3.0ms c) t = 2.4ms
Hình 6 so sánh kết quả tính toán và thực nghiệm trong trường hợp phun trong kỳ nạp
với áp suất phun 45atm. Trong tính toán, chúng ta giả định không khí đi qua cửa nạp có tốc độ
không đổi là 40m/s để đơn giản việc tính toán ban đầu. Chính do giả thiết này, chúng ta thấy
có sự khác biệt giữa kết quả tính toán và thực nghiệm (hình 6). Trong giai đoạn đầu của quá
trình phun, kết quả tính toán mô hình 2D khá phù hợp với thực nghiệm. Về cuối giai đoạn
phun, do tốc độ thực tế của piston giảm, tốc độ khí nạp cũng giảm theo nhưng trong tính toán
chúng ta vẫn giữ giá trị tốc độ không đổi nên tia phun theo tính toán tiếp tục cong mạnh về
phía đỉnh piston.
Trong trường hợp tốc độ gió qua xú páp nạp thay đổi, chúng ta thấy dạng tia phun
cũng thay đổi rất đáng kể. Điều này đã được dự đoán bởi mô hình tích phân [4]. Hình 7a giới
thiệu kết quả tính toán trong trường hợp áp suất phun 60atm và tốc độ gió qua xú páp nạp là
20m/s. Độ cong của tia phun trong trường hợp này giảm đi rõ rệt. Ngược lại, khi tăng tốc độ
gió qua cửa nạp lên 50m/s, tia phun bị dòng khí nạp kéo mạnh ra xa.
a.
b.
Hình 7: Trường tốc độ trong tia phun khi áp suất phun Pj = 60atm;
a. V
= 20m/s; b. V
= 50m/s
5. Kết luận
Sự phù hợp giữa kết quả cho bởi mô hình và thực nghiệm về biên dạng và độ xuyên
thâu của tia phun trong những trường hợp khác nhau khẳng định sự đúng đắn của các bước
chuẩn bị ban đầu về chia lưới và chọn điều kiện biên để đưa vào phần mềm FLUENT nhằm
tính toán động cơ thí nghiệm có cửa trong suốt.
Việc so sánh chi tiết trường tốc độ và trường nồng độ giữa lý thuyết và thực nghiệm
cần được tiến hành trước khi sử dụng kết quả của FLUENT để đánh giá mô hình đơn phương
đã thiết lập.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Fluent 6.0 User's Guide, Fluent.Inc., Centerra Resourse Park, Lebanon, NH 30766,
2002.
[2] S.-E. Kim, D. Choudhury, and B. Patel, Computations of Complex Turbulent Flows
Using the Commercial Code FLUENT, In Proceedings of the ICASE/LaRC/AFOSR
Symposium on Modeling Complex Turbulent Flows, Hampton, Virginia, 1997.
(Xem tiếp trang 18)
d) t = 4,2ms
c) t = 3,0ms
b) t
= 2,4ms
a) t
= 1,2ms