Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN : 978-604-82-1710-5
127
NGHIÊN CỨU TỔ HỢP DÒNG PHUN
TÁC ĐỘNG TRỰC GIAO LÊN BỀ MẶT
Nguyễn Văn Lập 1, Nguyễn Hữu Tuấn 2, Nguyễn Ngọc Minh 3, Nguyễn Anh Tuấn4
1 Đại học Thủy lợi, email: lapnv@tlu.edu.vn
2Đại học Thủy lợi, email: huutuanhtlu@tlu.edu.vn
3Đại học Thủy lợi, email: ngminh@tlu.edu.vn
4Đại học Thủy lợi, email: tuan_na_mxd@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Dòng phun trong nhưng năm gần đây đang
được nghiên cứu rộng rãi do nó có khả năng
ứng dụng vào nhiều qui trình xử lý nhiệt trong
lĩnh vực công nghiệp, ví dụ như: Làm mát cánh
tuabin, làm mát trong sản xuất thép, làm mát
linh kiện điện, điện tử, CPU máy tính (trong
các máy trạm), sấy khô giấy và ủ thủy tinh,
trong quân sự dòng phun được sử dụng để làm
mát bệ phóng tên lửa, sàn tàu sân bay, trong y
tế nó dược dùng để làm mát thiết bị chụp
X-quang. Ưu điểm nổi bật của dòng phun tia
đó là nó khả năng kiểm soát hiệu quả truyền
nhiệt bằng cách điều chỉnh các thông số thiết
kế như: biên dạng bề mặt, tốc độ phun, khoảng
cách từ vòi phun tới bề mặt và chất lỏng sử
dụng, số lượng vòi phun… Một dòng phun tia
tác động vào một bề mặt có khả năng loại bỏ
một lượng nhiệt lớn trên diện tích bề mặt tương
đối nhỏ. Tuy nhiên, đối với những bề mặt cần
trao đổi nhiệt lớn thì hiệu quả làm mát của một
vòi phun là khá thấp, chính vì vậy trong hầu
hết các thiết bị trao đổi nhiệt công nghiệp dòng
phun được sử dụng dưới dạng mảng với nhiều
dòng phun tác động đồng thời.
Tuy có khả năng trao đổi nhiệt với hiệu
quả cao tuy nhiên việc nghiên cứu và ứng
dụng dòng phun vào thực tế rất phức tạp, mỗi
thông số thay đổi đều hưởng trực tiếp tới hiệu
quả truyền nhiệt. Dưới quan điểm lý thuyết
thì dòng phun là tổ hợp của hai dòng, dòng
phun tự do và dòng lớp biên. Đối với dòng
phun tự do đã có lý thuyết mô tả được cấu trúc
dòng, tuy nhiên dòng lớp biên trên đường chắn
chưa có lý thuyết cụ thể nào để mô tả dòng
chảy. Đặc biệt, với bài toán tổ hợp nhiều vòi
phun tác động đồng thời lên cùng một bề mặt
cấu trúc dòng bị xáo trộn rất khó để xác định
được cấu trúc dòng lớp biên trên tường.
Việc nghiên cứu đặc tính dòng có ý nghĩa rất
lớn trong kiểm soát hiệu quả trao đổi nhiệt. Hiện
nay, để nghiên cứu bài toán này hầu hết các
nghiên cứu được thực hiện bằng thực nghiệm.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu thực nghiệm đòi hỏi
nhiều thiết bị, máy móc điều này không khả thi
tại điều kiện Việt Nam. Theo xu hướng nghiên
cứu hiện nay, việc nghiên cứu phần lớn thực
hiện thông qua các phần mềm máy tính nhằm
giảm thời gian, chi phí nghiên cứu.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Lý thuyết cấu trúc một dòng phun đơn đã
trình bày trong nghiên cứu [1], trong báo cáo
này nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu cấu
trúc dòng chảy bài toán nhiều dòng phun tác
động lên một bề mặt thông qua việc mô phỏng
bài toán bằng phần mềm Ansys Fluent.
Hình 1. Mô hình dòng phun theo mảng
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN : 978-604-82-1710-5
128
Việc xây dựng mô hình, chia lưới bài
toán 3D đòi hỏi máy tính có cấu hình cao và
mất nhiều thời gian mô phỏng. Với mô hình
dòng phun theo mảng số lượng vòi phun
theo hàng và cột bằng nhau. Chính vì vậy
để giảm thời gian mô phỏng nhóm tác giả
sẽ chọn mô hình 2D để phỏng bài toán. Mô
hình 2D được xây dựng trên mặt cắt đi qua
1 hàng hoặc 1 cột bất kỳ. Mô hình mô
phỏng được thể hiện trong hình 2, các thông
số được chọn như sau:
Hình 2 – Mô hình 2D bài toán
- Số lượng lỗ trên 1 hàng (cột) = 3
- Đường kính cửa vào, D = 5 mm
- Khoảng cách phun, H/D = 2,4, 6
- Số Reynolds, Re = 11000
- Khoảng cách các vòi phun, S/D = 2, 6
- Nhiệt độ vào của nước Tv = 300K
- Nhiệt độ tường chắn Tw = 323K
- Chất lỏng sử dụng: nước.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
a) Cấu trúc dòng
Hình 3 thể hiện trường vận tốc tại các
trường hợp S/D=2 với H/D=2 và 4. Khi thoát
khỏi cửa phun chất lỏng lan tỏa theo phía
hướng tâm. Do khoảng cách từ cửa phun tới
tấm chắn nhỏ dòng phun vừa ra khỏi cửa đã
tác động lên bề mặt nên vùng lõi không xuất
hiện trong trường hợp H/D=2, khi khoảng
cách H/D tăng lên vùng lõi bắt đầu hình
thành, điều này được thể hiện rõ trong trường
hợp H/D=4 và 6.
Hình 3. Trường vận tốc S/D=2
Trong mỗi trường hợp H/D xung quanh
vùng phun của mỗi dòng tồn tại các vùng
xoáy tuần hoàn (hình 4), khu vực xoáy tuần
hoàn xuất hiện cả hai biên vòi phun trung tâm
và bên cạnh các vòi phun ở hai biên. Ta thấy
rằng, với cùng giá trị khoảng cách giữa các
vòi phun S/D các vùng xoáy này tăng khi
khoảng cách H/D tăng, cụ thể là tại
H/D=6 vùng xoáy mở rộng hơn so H/D=2 và
4. Với trường hợp tổ hợp nhiều vòi phun sau
khi vòi phun trung tâm tác động vào tường
chắn chất lỏng sẽ truyền dọc theo tường chắn
ra xung quanh, hoạt động này của vòi phun
trung tâm tương tác với vòi phun hai biên
ngăn không cho hai vòi phun biên tác động
vào bề mặt, lúc này dòng phun từ các biên sẽ
không tác động trực tiếp vào bề mặt mà sẽ bị
đổi hướng đi ra ngoài cửa ra. Tại vị trí tương
tác của vòi phun trung tâm với hai vòi phun
biên dòng lớp biên của vòi trung tâm sẽ nhập
với dòng từ vị trí biên tạo thành dòng chảy có
trên tường có tốc độ cao, khi càng đi xa điểm
này thì vận tốc càng giảm.
Hình 4. Vùng xoáy tuần hoàn quanh vòi phun
Các đặc tính dòng tương tự trường hợp
S/D=2 cũng được thể hiện trong trường
hợpS/D=6 (Hình 5). Trong trường hợp này
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN : 978-604-82-1710-5
129
do khoảng cách giữa các cửa phun lớn nên
vùng xoáy tuần hoàn xung quanh mỗi vòi
phun có kích thước lớn hơn so với S/D=2.
Qua hai hình 3 và hình 5 ta thấy rằng với
cùng khoảng cách H/D vùng xoáy tuần hoàn
mở rộng kích thước khi khoảng cách S/D
tăng. Cũng do khoảng các giữa các cửa phun
lớn nên tương tác của vòi phun trung tâm đối
với dòng chảy của hai vòi phun biên không
lớn bằng trường hợp khoảng cách S/D nhỏ.
Hình 5. Trường vận tốc, S/D=6
b) Truyền nhiệt
Thông lượng nhiệt qw truyền qua tường chắn
trong trường hợp S/D=6 tại 3 khoảng cách
H/D=2, 4 và 6 được thể hiện ở hình 6.
Hình 6. Thông lượng nhiệt với S/D=6
Ta thấy rằng, thông lượng nhiệt lớn nhất
tại vị trí của vòi phun trung tâm ở cả 3 giá trị
H/D, tại vị trí H/D=2 cho hiệu quả cao nhất.
Xung quanh vị trí x/D=±5 cho hiệu quả làm
mát kém hiệu quả nhất, vị trí này là vị trí
dòng lớp biên dọc tường của vòi trung tâm
ngăn chặn ngăn chặn sự tác động của dòng
phun biên lên tường chắn, dòng từ hai biên
không tác động trực tiếp vào bề mặt dẫn đến
vị trí này có hiệu quả truyền nhiệt thấp. Sau
khi 2 vòi phun biên bị tác đổi hướng do dòng
trung tâm dòng chảy này vẫn duy trì vận tốc
cao sau đó nhập với dòng lớp biên của dòng
trung tâm chảy ra ngoài, dòng chảy có tốc độ
cao ở khu vực này nên hiệu quả làm mát ở
đây cũng cho giá trị hiệu quả cao, tuy nhiên
càng đi xa vị trí vòi phun thì hiệu quả truyền
nhiệt giảm dần.
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã chỉ rõ trường vận tốc tại một
số khoảng cách S/D và H/D khác nhau. Ta thấy
rằng, đặc tính dòng của tổ hợp dòng phun là khá
phức tạp. Quanh vùng phun của mỗi vòi phun
đều xuất hiện các vùng xoáy tuần hoàn, vùng
xoáy này mở rộng kích thước khi khoảng cách
giữa các vòi phun S/D và H/D tăng. Đặc biệt đối
với trường hợp nghiên cứu trên kết quả cho ta
thấy sự tác động của vòi phun trung tâm tới 2
vòi phun biên, tác động này làm biến đổi dòng
chảy và gây ảnh hưởng tới hiệu quả truyền nhiệt.
Trong nghiên cứu này nhóm tác giả cũng
đã đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách vòi
phun tới bề mặt tại trường hợp S/D=6, hiệu
quả truyền nhiệt tốt nhất trong trường hợp
khảo sát tại vị trí H/D=2 và giảm dần khi
khoảng cách H/D tăng. Vị trí làm mát tốt
nhất tại x/D=0, và vị trí làm mát hiệu quả thứ
2 xuất hiện tại vị trí khi dòng phun biên hòa
nhập dòng lớp biên của dòng phun trung tâm.
Do thời gian nghiên cứu ngắn, nhóm tác giả
chưa đánh giá hết được đặc tính dòng tại
những điều kiện khác, đặc biệt trong trường
hợp nhiều vòi phun tác động hơn. Do đó
nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu xây dựng
mô hình bài toán cho nhiều trường hợp để có
cái nhìn tổng quát về đặc tính dòng cũng như
hiệu quả truyền nhiệt.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Lập - Nguyễn Anh Tuấn.
Nghiên cứu dòng phun tác động vuông góc
lên bề mặt ứng dụng trong hệ thống làm mát
chu trình kín. 12/2014, 2015.
[2] Zuckerman N, Lior N, Jet impingement heat
transfer: Physics,Correlations, and Numerical
modeling, Adv in Heat Transfer, 2006.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN : 978-604-82-1710-5
130