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