Luận án Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

c) được phân tách thành các thành phần trung bình (tổng hợp trung bình hoặc thời gian trung bình) và dao động. Đối với các thành phần vận tốc: i i iu u u   (2.7) Ở đây iu và iu là các thành phần vận tốc trung bình và dao động (i=1,2,3). Tương tự, đối với áp suất và các đại lượng vô hướng khác:     (2.8) Với  biểu thị một vô hướng như áp suất, năng lượng, hoặc nồng độ chất. Thay thế các biểu thức của biểu mẫu này cho các biến dòng chảy vào các phương trình liên tục và động lượng tức thời trong 1 khoảng thời gian tạo ra các phương trình động lượng trung bình. Chúng có thể được viết dưới dạng hệ tọa độ Descartes: -41-   0i i u t x       (2.9)       2 3 ji l i i j ij j i j j i l i j j uu upu u u t x x x x x x u u x                                   . (2.10) Phương trình (2.9) và (2.10) được gọi là hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS). RANS có cùng dạng chung như các phương trình Navier- Stokes tức thời, với vận tốc và các biến khác giờ đây đại diện cho các giá trị trung bình (hoặc thời gian trung bình). Các đại lượng bổ sung này xuất hiện đại diện cho các hiệu ứng của rối. Những Reynolds nhấn mạnh, jiuu   , phải được lập mô hình để đóng kín phương trình. 2.3.3. Phương trình mô tả tia phun Phương trình mô tả quá trình phát triển và phân rã của tia phun có dạng:       S kx kk kx bkUkU kxt                 (2.11) Trong đó, ρ là mật độ của chất lỏng,  là biến chung và  là độ khuếch tán tương ứng, S đại diện cho thuật ngữ nguồn, Uk (k = 1, 2, 3) đại diện cho các thành phần vận tốc và Ubk là các thành phần của vận tốc của ranh giới chuyển động của khối điều khiển. Các giá trị của các thuật ngữ này ứng với phương trình tính liên tục, động lượng, động năng rối, phương trình bảo tồn chất và enthaply được liệt kê trong Bảng 2-4. Một mô hình rối số cao tiêu chuẩn của Reynold được sử dụng để tính toán năng lượng rối, với các chức năng thành tiêu chuẩn ở các khu vực thành. Dòng hai pha được mô hình hóa theo phương pháp LagrangianEulerian, với pha khí được mô hình hóa theo cách Euler, và pha lỏng là pha rời rạc, được xử lý theo cách Lagrange. Kết hợp hai chiều của các thuật ngữ nguồn được sử dụng với pha Eulerian ảnh hưởng đến các giọt và ngược lại. Phương trình động lượng cho pha lỏng được cho bởi: ibipigidr id d FFFFdt dum  (2.12) Trong đó, md là khối lượng giọt, và uid là vector vận tốc của nó, Fidr là lực kéo (chỉ số 'i' biểu thị đại lượng vectơ), Fig là trọng lực và lực nổi, Fip là lực áp suất, và Fib -42- tính đến bất kỳ ảnh hưởng của các lực khác (bằng không trong các phép tính hiện tại). Các biểu thức cho các lực này được đưa ra dưới đây. ibipigidr id d FFFFdt dum  (2.13) trong đó uirel là vận tốc tương đối với độ lớn | urel |, và Dp đại diện cho lực kéo được cho bởi: (2.14) Ở đây, CD là hệ số kéo và Ad là vùng dự kiến của giọt. ρ đại diện cho mật độ, với chỉ số g đề cập đến pha khí. Hệ số kéo CD thay đổi theo số giọt của Reynold như:  0.687 3 3 24 1 0.15 Re Re 10 Re 0.44 Re 10 d d dD d C       (2.15) trong đó, số Reynold được định nghĩa là: g drelg d Du   Re (2.16) Ở đây, µ là độ nhớt và Dd là đường kính hạt. Lực hấp dẫn và áp suất được cho bởi:  igr d d g iF V g   (2.17) ip dF V p  (2.18) trong đó Vd đại diện cho thể tích của hạt. Do đó, thay thế các giá trị của các lực khác nhau trong phương trình (2.13), phương trình cuối cùng cho gia tốc hạt được cho là:   i d g idigidig d g d id guuuuC dt du          1 4 3 (2.19) Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán và các thuật ngữ nguồn cho các phương trình vô hướng khác nhau Công thức φ Hệ số khuếch tán kk Thuật ngữ nguồn Sφ Liên tục 1 0 0 Động lượng Ui teff     ieffik i k eff k gkU x U x              3/2 relDdgp uCAD 2 1 -43- Động năng rối k kt  /       tkkkktijijt GSkSSSPGP ;3 22; Sự phân tán của TKE   /t k C x UkCGCPC k k         2431 Năng lượng (tổng enthalpy) H ttpC Pr//                   k i Hikiji k x UkU xt p  3 2 Chất Yi YitiD  / R Hằng số giá trị ; 2    kCt  0, 009;C  1 1, 44;C   2 1, 92;C  3 0,8;C  4 0,33;C  ;1k 1, 3;  0, 9  Sự trao đổi nhiệt và chất trong quá trình bay hơi của hạt được mô hình hóa bởi mô hình Dukowicz (1979), giả thiết hạt có hình cầu đối xứng, sự hiện diện của một màng khí bán ổn định xung quanh hạt, nhiệt độ phân bố đều trong hạt và nhiệt hơi lỏng cân bằng trên bề mặt hạt. Trong các điều kiện này, tốc độ thay đổi nhiệt độ được xác định bằng cân bằng năng lượng. Năng lượng được truyền vào một hạt hoặc dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của nó hoặc cung cấp nhiệt ẩn bay hơi cho hạt:   Q dt dmL dt dTcm ddpdd (2.20) md là khối lượng của hạt, Td là nhiệt độ của nó, cpd là nhiệt dung riêng, và L là nhiệt ẩn. Q' là dòng nhiệt đối lưu từ khí ở nhiệt độ T tới bề mặt hạt, được cho bởi:  dd TTNuDQ     (2.21) Nu là số Nusselt được lấy từ sự tương quan của Ranz và Marshal như sau: 1/2 1/32 0,6Re PrdNu   (2.22) Với Pr là số Prandtl. Nếu thông lượng nhiệt bề mặt cục bộ được biểu diễn bởi sq và dòng khối hơi là vsf , với giả định về tính đồng nhất của các điều kiện bề mặt hạt, phương trình năng lượng hạt giảm xuống: 1d vsd pd s dT f m c Q L dt q            ( 2.23) Trong khi quá trình phân rã sơ cấp không được mô hình hóa, mô hình TAB do O’Rourke và Amsden [39] đề xuất đã được sử dụng để mô hình quá trình phân rã thứ -44- cấp của các hạt. Trong mô hình TAB, hạt được giả định là tương tự với hệ thống đàn hồi: lực khí động học trên hạt là lực bên ngoài, sức căng bề mặt được biểu diễn bằng lực đàn hồi và độ nhớt có thể được mô hình hóa bởi lực giảm chấn. Các hạt được giả định dao động dưới tác dụng của các lực này, với gia tốc của nó được cho bởi:   y r C y r C rC uC y dk b gF 2 1 1 3 1 2 1 2       (2.24) Trong đó: y là khoảng dịch chuyển không giới hạn của đường xích đạo của hạt từ vị trí cân bằng của nó, và u là vận tốc tương đối giữa khí và hạt. µ là sức căng bề mặt, và ρ là mật độ, các chỉ số l và g đại diện cho pha lỏng và khí, tương ứng. CF, Ck, Cd và Cb là các hằng số mô hình. Ban đầu các tia phun phát triển bình thường, khi y> 1 các hạt vỡ thành những hạt nhỏ hơn có vận tốc bình thường giống như vận tốc của hạt ban đầu. SMD của các hạt mới được xác định từ năng lượng bảo tồn, như sau:        120 5.6 20 .81 2 3 1 32 KyrK r r   (2.25) Trong đó r là bán kính của hạt, r32 là bán kính trung bình Sauter, σ là độ căng bề mặt, và K là hằng số. Sự tương tác của tia phun thành được phát triển Weber [35], và một khối lượng mô hình hai chiều hữu hạn Film-Wall với các mối quan hệ bán thực nghiệm áp dụng cho màng mỏng (<500 µm). Sự tương tác giữa tia phun và thành được xác định bởi số Reynold và Ohnesorge, được đưa ra bởi các biểu thức: (2.26) Ở đây, chỉ số 0 đề cập đến các điều kiện trước tác động, d là đường kính hạt và u là vận tốc bình thường. Giá trị K được định nghĩa, là dạng sửa đổi của số Weber và được biểu thị bằng biểu thức: 1,25.Re DK Oh (2.27) Giá trị K này xác định chế độ va chạm. Đối với K nhỏ hơn 57,7, các hạt được lắng hoàn toàn tại thành mà không bị vỡ hoặc phân rã. Trong chế độ phân rã (K> 0 00 /Re d Oh udD      -45- 57,7), các giọt nhỏ bị phân tán một phần để tạo ra sự phân bố kích thước hạt cho các hạt phản xạ. Tỷ lệ phản xạ với khối lượng va đập được cho bởi: 21 9,2133 1 0/ 3,9869.10m m K  (2.28) Và sự khác biệt m0 - m1 được thêm vào thành. Các kích thước hạt phản xạ cũng thu được từ các mối tương quan thực nghiệm như: 0,8 1 0/ 0,88 0,013d d K  (2.29) Trong mô hình màng thành, các pha khí và chất lỏng được xử lý như các pha riêng biệt với một lớp nối giữa hai pha. Giả thiết rằng độ dày màng nhỏ so với đường kính lưu lượng khí và màng song song với thành. Hơn nữa, các hiệu ứng quán tính được giả định là nhỏ so với ma sát thành và ứng suất cắt. Mô hình bao gồm tác dụng của lực cắt, trọng lực, gradient áp suất, bay hơi, truyền nhiệt, tương tác với các tia phun và sự cuốn màng vào luồng chính do lực cắt cao. Trong khi mô hình dòng chảy một pha trong CFD là ở trạng thái sau cho dòng chảy hiện tại và kết quả của CFD là hợp lý thì cũng không thể nói về mô hình dòng chảy hai pha. Sự phân rã của các tia áp suất thấp chưa xác định được và không có mô hình nào hiện tại được áp dụng trực tiếp cho các dòng tia áp suất thấp [42]. Do đó, trước khi sử dụng mô hình CFD để mô phỏng phun trong hình học động cơ, tia phun được mô phỏng trong một buồng kín để phù hợp với điều kiện thử nghiệm và được chấp nhận. Cách tiếp cận này là hợp lý vì tia phun cơ bản được phun vào một vùng kín phía trên đường nạp sau đó nó đi vào trong trường dòng chảy rối của đường nạp. 2.3.4. Lý thuyết bay hơi của giọt nhiên liệu Định luật nhiệt động 2 được áp dụng để dự đoán sự bốc hơi từ một giọt pha rời rạc. Định luật 2 được bắt đầu khi nhiệt độ của giọt đạt đến nhiệt độ bốc hơi Tvap và tiếp tục cho đến khi giọt đạt đến điểm sôi Tbp, hoặc cho đến khi phần dễ bay hơi của giọt được tiêu thụ hoàn toàn : vap p bpT T T  (2.30)  ,0 ,01p v pm f m  (2.31) Sự khởi đầu của luật bay hơi được xác định bởi thiết lập của Tvap, một tham số mô hình hóa không có ý nghĩa vật lý. Khi sự bốc hơi được bắt đầu (bởi giọt nhỏ đạt tới ngưỡng nhiệt độ ngưỡng này) nó sẽ tiếp tục bốc hơi ngay cả khi nhiệt độ giọt rơi -46- xuống dưới Tvap. Quá trình bay hơi sẽ bị dừng lại chỉ khi nhiệt độ giọt rơi xuống dưới điểm sương. Trong trường hợp như vậy, các giọt sẽ vẫn còn trong Luật 2 nhưng không có sự bốc hơi sẽ được dự đoán. Khi đạt đến điểm sôi, sự bay hơi giọt được dự đoán bởi tốc độ sôi, Luật 3, như được mô tả trong phần sau. 2.3.4.1. Trao đổi chất bằng mô hình kiểm soát khuếch tán Khi tốc độ bốc hơi chậm có thể giả định được điều chỉnh bởi khuếch tán gradient, với dòng hơi nhiên liệu khuếch tán vào pha khí liên quan đến sự chênh lệch nồng độ hơi tại bề mặt giọt và khối khí tập trung quanh hạt: , ,( )i c i s iN k C C   (2.32) Ni - thông lượng hơi (kmol/m3-s); kc- hệ số trao đổi chất (m/s); ,i sC - nồng độ hơi tại bề mặt giọt nhiên liệu (kmol/m3); ,iC  - nồng độ hơi trong khối khí tập trung quanh hạt (kmol/m3). Nồng độ hơi tại bề mặt giọt được đánh giá bằng cách giả thiết rằng áp suất cục bộ của hơi tại giao diện bằng áp suất hơi bão hòa Psat, ở nhiệt độ giọt, Tp: , ( )sat p i s p p T C RT  (2.33) trong đó R là hằng số khí. Nồng độ hơi trong khối khí bao quanh hạt được biết đến từ phương trình vận chuyển cho các chất i như: ,i i pC X RT   (2.34) Trong đó: Xi là thành phần mol cục bộ của chất i, p là áp suất tuyệt đối cục bộ, và T∞ là nhiệt độ cục bộ của khối không khí bao quanh hạt. Hệ số trao đổi chất trong phương trình (2.32) được tính từ tương quan số Sherwood [44]: 1/2 1/3 , 2,0 0,6Rec pAB d i m k d Sh Sc D    (2.35) ,i mD - hệ số khuếch tán hơi trong khối 2( / )m s Sc - hằng số Schmidt ,i mD   -47- pd - đường kính giọt (m) Lưu lượng hơi được xác định bởi phương trình (2.32) trở thành một nguồn của các chất i trong phương trình vận chuyển các pha khí hoặc trong phương trình phân số hỗn hợp cho các phép tính cháy không hòa trộn trước. Khối lượng của giọt được giảm theo. ,( ) ( )p p i p w im t t m t N A M t     (2.36) Trong đó: ,w iM - khối lượng mol chất i (kg/kmol) pm - khối lượng giọt nhiên liệu (kg) pA -diện tích xung quanh giọt nhiên liệu (m2) Đối với tốc độ bay hơi cao, hiệu ứng của dòng chảy đối lưu của vật liệu bay hơi từ bề mặt giọt đến pha khí bao quanh (Dòng chảy Stefan) trở nên quan trọng. Trong ANSYS-FLUENT, biểu thức sau đã được áp dụng theo đề xuất của Miller [32] and Sazhin [45]: ln(1 )p c p m dm k A B dt    (2.37) Trong đó: pm - khối lượng hạt (kg) kc - hệ số trao đổi chất (m/s) được xác định từ (2.35) pA - diện tích bề mặt giọt nhiên liệu (m2)  - khối lượng riêng pha khí bao quanh giọt nhiên liệu (kg/m3) mB - số khối Spalding được đưa ra bởi: , , ,1 i s i m i s Y Y B Y   (2.38) ,i sY - nồng độ hơi trên bề mặt ,iY  - nồng độ hơi trong khối không khí bao quanh 2.3.4.2. Xác định áp suất hơi bão hòa và hệ số khuếch tán Áp suất hơi bão hòa là một hàm tuyến tính đa thức của nhiệt độ psat(T). Áp suất hơi bão hòa là rất quan trọng vì psat được sử dụng để thu được động lực cho quá trình bay hơi ((2.32), (2.33)). Dữ liệu áp suất hơi bão hòa có thể thu được từ sổ tay vật lý hoặc kỹ thuật [50]. -48- Hệ số khuếch tán Di,m được thiết lập phụ thuộc tính vật liệu pha rời rạc. Đầu vào hệ số khuếch tán được xác lập cho pha liên tục không được sử dụng trong mô hình pha rời rạc. Hệ số khuếch tán là hằng số hoặc hàm của nhiệt độ pha liên tục. Ngoài ra, có thể xác định hệ số khuếch tán làm hàm của nhiệt độ trung bình màng Tf, được tính bằng: ( )f p pT T T T   (2.39) Trong đó: Tp - nhiệt độ hạt nhiên liệu (K) T - nhiệt độ pha khí (K)  - Hệ số trung bình Fluent tính toán hệ số khuếch tán dựa trên giả định về số thống nhất Lewis: , 1i p i m kLe c D   (2.40) Trong đó: ,i mD - sự khuếch tán khối lượng của các chất i là hỗn hợp pha khí k- Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp  - khối lượng riêng của hỗn hợp cp - nhiệt dung riêng của hỗn hợp 2.3.4.3. Xác định điểm sôi và nhiệt ẩn hóa hơi Điểm sôi Tbp và nhiệt ẩn hóa hơi hfg được định nghĩa là đầu vào thuộc tính không đổi cho các vật liệu hạt nhỏ giọt. Dữ liệu điểm sôi mặc định trong cơ sở dữ liệu có trong ANSYS-FLUENT tương ứng với áp suất 1 atm (điểm sôi bình thường) và dữ liệu nhiệt ẩn hóa hơi tương ứng với điểm sôi bình thường của các giọt. Trong quá trình bay hơi, khi hạt thay đổi nhiệt độ, nhiệt ẩn hóa hơi sẽ thay đổi theo phương trình: , , bp p T fg p g fg bp T h c dT h   (2.41) Trong đó: hfg - Nhiệt ẩn hóa hơiđiểm sôi (K) hfg,bp - nhiệt ẩn hóa hơi ở điểm sôi (J/kg) cp,g lần lượt là nhiệt dung riêng của pha khí (J/kg/K) -49- Đối với các mô phỏng ở hoặc gần áp suất khí quyển, biến đổi nhiệt ẩn hóa hơi với nhiệt độ giọt thường nhỏ và có thể bỏ qua, vì vậy hfg= hfg,bp. Nếu áp suất trong mô phỏng khác với áp suất khí quyển cần điều chỉnh điểm sôi để phù hợp với áp suất trung bình trong khu vực nơi các giọt bay hơi. 2.3.4.4. Trao đổi nhiệt giữa không khí và giọt nhiên liệu Cuối cùng, nhiệt độ giọt được cập nhật theo cân bằng nhiệt có liên quan đến sự thay đổi nhiệt hợp lý trong giọt nhỏ đối với sự truyền nhiệt đối lưu và nhiệt ẩn hóa hơi giữa giọt và pha liên tục: 4 4( ) ( )p pp p p p fg p p R p dT dm m c hA T T h A T dt dt        ( 2.42) Trong đó: cp= nhiệt dung riêng của giọt (J/kg-K) Tp= Nhiệt độ giọt nhiên liệu (K) h= hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m2-K) T= nhiệt độ pha liên tục (K) pdm dt - tỷ lệ bốc hơi (kg/s) fgh - nhiệt ẩn hóa hơi (J/kg) p - phát xạ hạt 8 2 4 W5,67 10 m K    hằng số Stefan-Boltzmann 1/4 4R G       nhiệt độ bức xạ với G là bức xạ tới Khi tốc độ bay hơi được tính toán bằng mô hình đối lưu/khuếch tán được kiểm soát, hệ số truyền nhiệt đối lưu h được tính toán với một số Nu được sửa đổi như sau [46]: 1/2 1/3ln(1 ) (2 0,6Re Pr )p T d T hd BNu k B    (2.43) pd - đường kính giọt (m) k - hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục (W/m-K) Red - số Reynolds -50-  /r pP k c k  - số Prandtl của pha liên tục TB là số truyền nhiệt Spalding và trong quá trình thực hiện được giả định bằng số Bm chuyển khối Spalding tính từ phương trình (2.37). 2.4. Ứng dụng ansys-fluent mô phỏng quá trình phun ANSYS-FLUENT là công cụ CFD giải quyết tốt quá trình mô phỏng theo sơ đồ cho ở Hình 2.8. Miền tính toán được mô hình hóa và chia lưới bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế và chia lưới của ANSYS. Các dòng trong xilanh được mô hình hóa bằng mô hình RANS. Các tia phun được mô phỏng bằng mô hình giọt phân rã (DPM) dựa trên phương pháp Eulerian – Lagrangian. Mô hình đối lưu/khuếch tán được kiểm soát đã được áp dụng để mô hình hóa quá trình bay hơi của Butanol và xăng, và cung cấp mô hình đốt với lượng nhiên liệu hơi cho mỗi nhiên liệu. Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63] 2.4.1. Xác lập quá trình phun nhiên liệu Ngoài việc giải phương trình vận chuyển cho pha liên tục, ANSYS-FLUENT cho phép mô phỏng một pha thứ hai rời rạc trong một khung tham chiếu Lagrange. Pha thứ hai này bao gồm các hạt hình cầu phân tán trong pha liên tục. ANSYS- FLUENT tính toán các quỹ đạo của các thực thể pha rời rạc này, cũng như nhiệt và chuyển khối lượng tới/từ chúng. Sự liên kết giữa các pha và tác động của nó -51- lên cả hai quỹ đạo pha rời rạc và dòng pha liên tục là bản chất của quá trình phun nhiên liệu có trong mô hình Discrete phase. 2.4.1.1. Chọn các điều kiện Discrete phase ANSYS-FLUENT cung cấp các tùy chọn mô hình pha rời rạc sau đây: Tính toán quỹ đạo pha rời rạc bằng cách sử dụng công thức Lagrange bao gồm quán tính pha rời rạc, lực kéo thủy lực và lực hấp dẫn cho cả dòng chảy ổn định và không ổn định; Dự đoán ảnh hưởng của nhiễu loạn lên sự phân tán của các hạt do các xoáy hỗn loạn có mặt trong pha liên tục; Gia nhiệt/làm mát của giai đoạn rời rạc; Bốc hơi và sôi các giọt chất lỏng. Các khả năng mô hình hóa này cho phép ANSYS-FLUENT mô phỏng một loạt các vấn đề pha rời rạc bao gồm phân tích và phân loại hạt, sấy phun, phân tán khí, khuấy bong bóng chất lỏng, đốt nhiên liệu lỏng và đốt than. Hình 2.9: Xác lập các lựa chọn mô hình Discrete phase Pha rời rạc trong mô hình ANSYS-FLUENT cho phép xác định vị trí ban đầu, vận tốc, kích thước và nhiệt độ của các hạt riêng lẻ. Các điều kiện ban đầu này, cùng với các yếu tố đầu vào của vòi phun giúp xác định các đặc tính vật lý của pha rời rạc được sử dụng để bắt đầu các phép tính quỹ đạo và nhiệt/khối lượng. Các tính toán quỹ đạo và nhiệt/khối lượng được dựa trên sự cân bằng lực -52- trên hạt và nhiệt đối lưu/bức xạ và sự truyền khối lượng từ hạt, sử dụng các điều kiện pha liên tục cục bộ khi hạt di chuyển qua dòng chảy. Các lựa chọn từ mô hình pha rời rạc (Discrete phase): - Tương tác với pha liên tục (Interaction with the Continuous Phase) - Các hạt không ổn định (Unsteady Particle Tracking) - Thông số hạt: số lượng hạt tối đa mỗi bước 500, tỷ lệ chiều dài mỗi bước 0,5 - Mô hình con vật lý cần thiết cho mô hình pha rời rạc: Breakup - Số lượng pha liên tục tương tác với hạt: 2 - Mô hình phun: Vòi phun nhóm (Group) Xác định các điều kiện ban đầu: Sử dụng phương pháp phân phối đường kính Rosin-Rammler. Hình 2.10: Xác lập mô hình phân rã tia phun 2.4.1.2. Phương pháp phân phối đường kính Rosin-Rammler Các điều kiện ban đầu cung cấp các giá trị bắt đầu cho tất cả các biến pha phụ thuộc rời rạc mô tả các điều kiện tức thời của một hạt riêng lẻ và bao gồm những điều sau đây: - Tọa độ (x, y, z) của hạt -53- - Vận tốc (u, v, w) của hạt - Đường kính của hạt, dp=0,001-0,01mm - Nhiệt độ của hạt, tp =310K - Lưu lượng dòng chảy khối lượng sẽ đi theo quỹ đạo của giọt riêng lẻ pm Hình 2.11: Xác lập thông số động học vòi phun Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn 2.4.1.3. Mô hình phân rã tia phun Fluent cung cấp hai mô hình phân rã của tia phun: mô hình TAB và mô hình “wave”. Mô hình TAB dựa trên sự tương tự giữa một giọt dao động và biến dạng và một hệ thống khối lượng đàn hồi. Mô hình "wave" xem xét sự phân rã của tia phun lỏng được gây ra do tác dụng của vận tốc tương đối giữa các pha lỏng và khí (ANSYS -54- 2013). Khi tia phun lỏng đã chia thành các giọt, sự xâm nhập của tia phun phụ thuộc chủ yếu vào động năng của các giọt. Trong động cơ, mô hình phân chia TAB đưa ra dự đoán tốt về quỹ đạo giọt và dự đoán kích thước giọt vỡ (Basha và Gopal 2009) [15] so với mô hình “wave”. Trong trường hợp động cơ đánh lửa, các ảnh hưởng của dòng khí nạp trong quá trình nạp vào hình dạng tia phun là quan trọng hơn tốc độ tương đối giữa pha lỏng và khí. Vì vậy, mô hình TAB đã được chọn để mô hình phân rã các hạt của tia phun. 2.5.1.4. Cài đặt thời điểm phun Trong FLUENT 15.0 thời gian phun được xác lập thông qua góc bắt đầu phun và góc kết thúc phun theo quan hệ: 6 kt bd pt n   , với: bd : góc bắt đầu phun (CAD); kt : góc kết thúc phun (CAD); n: tốc độ quay trục khuỷu. 2.4.2. Mô hình hình học Mô hình được xây dựng với sự hỗ trợ của công cụ Catia và Ansys-Fluent theo trình tự được thể hiện trên Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63]. Mô hình hình học được thiết lập bởi Catia và trình ứng dụng DesigModeler của Ansys bao gồm buồng cháy, đường nạp và đường thải có lắp xupap nạp và xupap thải với các thông số hình học đúng với kết cấu thực tế của động cơ (Hình 2.12a, b). Quá trình chia lưới sử dụng công cụ ICE Mesh với phần tử lưới và kích thước phần tử chuyên biệt cho động cơ đốt trong. Trên cơ sở thông số kết cấu của động cơ bao gồm chiều dài thanh truyền, hành trình piston, pha phân phối khí, tốc độ động cơ hệ thống ICE sẽ tự động thiết lập: - Quy luật động học của xupap và piston; - Tạo các vùng lưới động phù hợp với kết cấu động cơ đốt trong; - Tạo các giao diện cần thiết cho thiết lập lưới động; - Thiết lập các tham số lưới động; - Tạo tất cả các sự kiện yêu cầu để mô hình mở và đóng của xupap, các sửa đổi tương ứng trong các thiết lập người dùng; - Thiết lập các mô hình yêu cầu; -55- - Thiết lập các điều kiện biên mặc định và vật liệu; - Truy xuất giá trị tính toán; - Khởi tạo điều kiện ban đầu và và tính toán. Bảng 2-5: Động cơ Daewoo A16DMS Nhiên liệu sử dụng Xăng Mômen cực đại 145Nm/3800 v/ph Kiểu động cơ E-TECII Công suất cực đại 77kW/ 5800 v/ph Số xilanh 4 Tỉ số nén 9,5 :1 Dung tích 1598cm3 Đường kính xilanh 79mm Hệ thống phân phối khí 16valve, DOHC Hành trình piston 81,5 mm Việc phun riêng rẽ Butanol và xăng được sử dụng để tạo ra các hòa khí (Butanol, xăng, không khí) có tỷ lệ phân lớp Butanol khác nhau trong xi lanh động cơ. Hình 2.13 mô tả sơ đồ buồng cháy với các ống dẫn nạp vào bổ sung và chia lưới không gian tính toán. Trong trường hợp phun riêng rẽ Butanol/xăng có hai nhánh nạp đối xứng. Trong trường hợp của GPI và BuDI, nhánh nạp phun Butanol chỉ nạp không khí. Hai vòi phun có sáu lỗ riêng biệt phun độc lập xăng và Butanol về lưu lượng phun và thời điểm phun để tạo ra các tỷ lệ Butanol khác nhau. a) b) c) Hình 2.13: Mô hình phun xăng-Butanol trên đường nạp Mô hình hình học (a); Mô hình ICE (b); Mô hình lưới (c) -56- 2.4.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên Tính chất cơ bản của xăng và Butanol được thể hiện ở Error! Not a valid bookmark self-reference. được nhập vào Fluent và xác lập điều kiện phun như trên Hình 2.10 đến Hình 2.12. Đồng thời thông số vật lý của khí nạp và khí sót được nhập vào Fluent như Error! Not a valid bookmark self-reference., Bảng 2-8, Hình 2.14 đến Hình 2.19. Bảng 2-6: Thông số vật lý các hạt nhiên liệu Tính chất Ký hiệu Butanol xăng Tỉ trọng 810 751 Nhiệt dung riêng (j/kg-K) 2.200 2.000 Độ nhớt ([mPa.s]) 1,19 0,4 Nhiệt ẩn (j/kg) 474.000 305.000 Nhiệt độ bay hơi (K) 271 292 Điểm sôi (K) 351 399 Phần tử thành phần dễ bay hơi 100 100 Sự khuếch tán thứ cấp (m2/s) 1,37e-05 5,05e-06 Áp suất hơi bão hòa 7.378 40.890 Nhiệt của nhiệt phân (j/kg) 0 0 Sức căng bề mặt của giọt (N/m) 0,0212127 0,0212127 Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp và khí sót O2 N2 CO2 H2O C2H5OH C8H18 Nhiệt độ (K) Áp suất (Pa) Khí nạp 0,23 0,77 0 0 0 0 300-375 -20.0000 Khí sót 0 0,77 0,14 0,09 0 0 550-700 110.000 -57- Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp tại cửa nạp Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp tại cửa nạp Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp tại cửa nạp -58- Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp Bảng 2-8: Thành phần môi chất xăng/Butanol-không khí -59- Chất (khí) Nhiệt dung riêng Khối lượng mol (kg/kmol) Entanpy tiêu chuẩn Entropy tiêu chuẩn O2   N i i p Ta R c 1 1 31,9988 0 205026,9 CO   N i i p Ta R c 1 1 28,01055 -1,105396e+08 197531.6 CO2   N i i p Ta R c 1 1 44,00995 -3,935324e+08 213720,2 H2O   N i i p Ta R c 1 1 18,01534 -2,418379e+08 188696,4 C4H9OH   N i i p Ta R c 1 1 74,07 -2,19e+08 0 C