Luận án Thiết kế, chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ - dầu do và đánh giá chất lượng thông qua mô phỏng - Trần Thế Nam

chất lỏng ở nhiệt độ trung bình của mẻ trộn [N.s/ 2m ]; các hệ số C, m, n được xác định từ thực nghiệm. Do cánh khuấy trong bộ trộn thường nằm ở độ sâu nhất định, nên ảnh hưởng của lực trọng trường không đáng kể, có thể bỏ qua chuẩn số Froude, khi đó phương trình 2.15 được biến đổi và viết lại thành: m cl clckck clckck CT dnC nd P         1 2 23 .. ..    (2.17) Phương trình 2.17 được thể hiện dưới dạng lưới logarit với các đường thẳng song song như trên hình 2.7. Mỗi đường tương ứng với một dạng bộ phận khuấy khác nhau. Số mũ 1-m đặc trưng cho độ dốc của đường thẳng, xác định từ thực nghiệm là không đổi và bằng 0,78. Giá trị Ck có thể chọn theo bảng 2.1. Từ đó, công thức tính công suất cần thiết của bộ trộn có thể được xác định: 78,022,078,256,43 .....10 clclckckkCT ndCP   ,[kW] (2.18) Công suất khởi động của bộ trộn: Pkđ = (2,5÷4)PCT , [kW] (2.19) clckck P nd N 23 . 4 2 4 10. .. 10.   cl clck e dn R   Hình 2.7. Đồ thị mối quan hệ giữa công suất trộn và Re [10] -37- Bảng 2.1. Hệ số thực nghiệm Ck phụ thuộc vào dạng bộ phận khuấy [10] Dạng bộ phận khuấy Ck Hai cánh 8,30 Hai cánh với góc nghiêng 450 5,15 Bốn cánh 10,10 Bốn cánh với góc nghiêng 450 6,22 Kiểu chân vịt, góc nghiêng 2205 1,66 Bốn cánh với góc nghiêng 2205 5,55 2.2.3. Thời gian hòa trộn Thời gian hòa trộn được hiểu là khoảng thời gian cần thiết để đạt được mức độ nhất định về sự đồng nhất của chất lỏng kể từ trạng thái hoàn toàn phân lập ban đầu. Thời gian trộn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như: độ nhớt, tỷ trọng, vận tốc quay của cánh khuấy, đường kính của cánh khuấy, đường kính của két trộn, chiều cao cột chất lỏng trong két và vị trí đặt cánh khuấy (chính tâm hay lệch tâm). Có thể biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian trộn tm và các thông số theo phương trình sau:  gHDdnft ktktckclckm ,,,,,,,   (2.20) Để xác định được thời gian hòa trộn, người ta có thể sử dụng các phương pháp khác nhau, nhưng cuối cùng vẫn phải dựa vào các kết quả thực nghiệm để tìm ra các hệ số quan trọng. Một trong các phương pháp thực nghiệm là bơm một lượng nhất định “chất đánh dấu” vào két trộn và xác định nồng độ của chất đánh dấu này ở một vị trí cố định trong két trộn. Chất đánh dấu thường được sử dụng là: a-xít, ba-zơ hoặc một loại muối nhất định. Một lượng nhỏ chất đánh dấu được bơm vào két trộn. Khi dòng chất lỏng trong két bắt đầu chuyển động tuần hoàn, chất đánh dấu cũng sẽ lưu chuyển theo dòng chảy trong két trộn. Sử dụng các thiết bị đo độ pH và các bộ cảm biến nồng độ chuyên dụng tiến hành đo đạc nồng độ Ci của chất đánh dấu tại điểm đã định sẵn trong két. Nồng độ chất lỏng trong két là Cf, sự sai khác về nồng độ là (Cf - Ci). Như vậy, lúc đầu, mức độ tập trung của chất đánh dấu khá cao hay (Cf -Ci) cao và (Cf -Ci) giảm dần sau mỗi vòng chuyển động của chất lỏng trong két trộn. Tiến hành ghi lại thông số nồng độ chất đánh dấu tại các điểm đo. Sau một vài vòng chuyển động, (Cf -Ci) giảm dần và mức độ đồng nhất có thể khẳng định được khi (Cf -Ci) sai khác với Cf dưới 10% (xem hình 2.8). Như vậy, thời gian trộn tm phụ thuộc vào mức độ đồng nhất cần thiết của hỗn hợp chất lỏng. Ở tại thời gian tm, nồng độ của chất đánh dấu sẽ ỗn định một cách tương đối và hỗn hợp chất lỏng đạt được sự đồng nhất cần thiết. Đối với chất lỏng thông thường (một pha), chất lỏng được trộn với nhau bằng cánh khuấy nhỏ và két trộn có -38- trang bị một số vách cản, thì mối quan hệ giữa thời gian trộn và thời gian tuần hoàn có thể được xác định như sau [24]: cm tt 4 , [s] (2.21) Trên thực tế, thường không xác định trực tiếp thời gian trộn mà xác định bội số tuần hoàn của chất lỏng trong két trộn và được biểu thị bằng công thức: 60 . mck tn , [vòng] (2.22) Ở đây, τ cũng có thể hiểu đó là thông số biểu thị số vòng quay của cánh khuấy để hỗn hợp chất lỏng có thể đạt được sự đồng nhất cần thiết. Thông thường, τ được biểu thị là hàm đối với trị số Re trên hệ trục logarit như hình 2.9 [26]. Hình 2.8. Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) trong két hòa trộn [24] C Cf Ci ct  if CC 1,0 mt t S ự s ai k há c nồ ng đ ộ (C f -C i) Thời gian 210 2 4 6 8 310 2 4 6 8 410 τ=n.tm Re 210 2 4 6 8 310 2 4 6 8 2 4 Hình 2.9. Thời gian trộn phụ thuộc vào hệ số Reynold [26] -39- Đối với cánh khuấy loại tua bin hoặc loại mái chèo, τ có mối quan hệ với các thông số hình dạng của két như sau [24]: 3 .54,1 . ck kt mck d V tn  , [vòng] (2.23) Trong đó: Vkt – Thể tích két hòa trộn [m 3]; dck – Đường kính cánh khuấy [m]. 2.3. Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục 2.3.1. Những căn cứ thiết kế Xây dựng tiêu chí kỹ thuật đối với thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu DO được dựa vào những cơ sở sau đây: - Bộ luật SOLAS 74 qui định về những yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy và các yêu cầu về an toàn; - Các tiêu chuẩn kĩ thuật đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng để đạt được chất lượng hỗn hợp chất lỏng sau khi trộn. Các tiêu chuẩn kỹ thuật ở đây có liên quan đến thời gian trộn, kích thước cánh trộn và két trộn, chế độ làm việc của quá trình trộn; - Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong két trộn khi áp dụng các loại cánh khuấy khác nhau. Thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu DO được xây dựng trên cơ sở kết hợp hai loại thiết bị hòa trộn với nhau, đó là thiết bị hòa trộn kiểu cánh khuấy và thiết bị hòa trộn tĩnh đặt nối tiếp nhau với mục đích tạo nên hỗn hợp nhiên liệu có chất lượng đồng nhất cao. Thiết bị hòa trộn liên tục đảm bảo cung cấp liên tục cho động cơ và sự cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp vào thiết bị hòa trộn với lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị hòa trộn liên tục như trên hình 2.10. Về nguyên lý làm việc, thiết bị hòa trộn liên tục không khác gì so với thiết bị hòa trộn theo mẻ, nhưng giữa hai loại có sự khác nhau cơ bản: - Ở thiết bị hòa trộn liên tục các chất lỏng liên tục được cấp vào két trộn và hỗn hợp nhiên liệu sau trộn cũng liên tục được thoát ra khỏi két để cấp vào động cơ; còn ở thiết bị hòa trộn theo mẻ, lượng chất lỏng trong két trộn luôn giữ ổn định; - Ở thiết bị hòa trộn liên tục, sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu sau khi trộn có thể bị ảnh hưởng bởi có thêm các chất lỏng mới bổ sung vào két trộn; còn ở thiết bị hòa trộn theo mẻ, chất lượng trộn không bị ảnh hưởng. Quá trình trộn theo mẻ không đáp ứng được chất lượng trộn đối với nhiên liệu hỗn hợp giữa dầu cọ và dầu diesel do chúng dễ dàng bị lắng đọng khi cất trữ và chuyên chở trong thời gian hành trình dài của tàu. Với hệ thống hòa trộn liên tục, thời gian dự trữ và lượng nhiên liệu dự trữ cũng như lượng nhiên liệu thừa trên hệ thống -40- thiết bị, đường ống, hệ thống sẽ rất ít, giảm thiểu những hạn chế do dầu cọ gây ra, nên sẽ đáp ứng được yêu cầu về chất lượng nhiên liệu trước khi cấp vào động cơ. Với những khác biệt giữa hai phương pháp như vậy, chất lượng trộn của thiết trộn liên tục sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau: thời gian trộn; thể tích két trộn; mô hình dòng chảy của thiết bị hòa trộn hay kiểu cánh khuấy (tua bin, mái chèo, chân vịt); tốc độ cánh khuấy; độ nhớt (nhiệt độ trộn) và tỷ trọng của chất lỏng. Từ đó có thể xây dựng được mối quan hệ như sau:  clckclm nCKVtfCL ,,,, (2.25) Trong đó: tm - Thời gian trộn, Vcl - thể tích chất lỏng trộn, CK - loại cánh khuấy, nck - tốc độ cánh khuấy, μcl - độ nhớt động học và CL - chất lượng trộn. Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng trộn các chất lỏng với nhau đã được phân tích ở phần trên dành cho bộ trộn theo mẻ, còn đối với thiết bị hòa trộn liên tục thì sự ảnh hưởng của các yếu tố này có những điểm khác biệt. Đối với thiết bị hòa trộn liên tục, chất lỏng bổ sung liên tục từ đỉnh của két trộn sẽ làm phá vỡ cục bộ sự đồng nhất của hỗn hợp trộn vậy đòi hỏi thời gian trộn kèo dài hơn so với trộn theo mẻ. Nhiệt độ trộn được chọn trên cơ sở độ nhớt ban đầu của chất lỏng và cùng với tốc độ trộn, đường kính của cánh khuấy sẽ hình thành nên mô hình chuyển động của chất lỏng theo chảy tầng hay chảy rối. Việc chọn quá trình trộn theo chảy tầng hay chảy rối phụ thuộc vào mục đích của quá trình trộn, loại chất lỏng cần trộn. 2.3.2. Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục Đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng là dầu cọ với dầu DO dùng cho động cơ diesel thủy, yêu cầu về thể tích của két trộn chưa có qui định cụ thể nào. Tuy nhiên, đối với các tàu sử dụng nhiên liệu là dầu nặng (FO) và dầu diesel (DO), trên tàu cũng 1 2 3 4 5 6 Từ két chứa dầu sinh học Từ két chứa dầu DO Dầu đã hòa trộn đến động cơ 1- Thiết bị hòa trộn kiểu khuấy; 2- Thiết bị hâm dầu; 3- Bơm dầu; 4- Lưu lượng kế; 5- Thiết bị hòa trộn tĩnh; 6- Van chặn Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục -41- có trang bị két trộn nhưng chỉ nhằm mục đích hòa trộn khi chuyển đổi dầu. Két này thường có thể tích khoảng từ 0,2 m3 đến 0,5m3. Két trực nhật của hệ thống nhiên liệu dùng để chứa nhiên liệu đã được làm sạch và cấp nhiên liệu cho động cơ trong quá trình làm việc; két này thường có thể tích đủ để cung cấp nhiên liệu cho động cơ hoạt động liên tục trong thời gian từ 8h đến 12h. Căn cứ vào các qui định mang tính chất pháp lý đối với các két chứa nhiên liệu trên tàu thủy, thể tích két trộn sẽ được chọn dựa trên tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một giờ (hoặc trong một phút) và thời gian trộn cần thiết để đảm bảo chất lượng trộn. Trên hình 2.11 là mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy dạng tua bin cánh phẳng. Thiết bị hòa trộn loại này khi làm việc sẽ tạo thành hai khu vực xoáy trộn và do vậy rất phù hợp để thực hiện trộn liên tục khi bổ sung các chất lỏng từ trên đỉnh của két mà ít làm ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu hỗn hợp ở cửa cấp nhiên liệu vào động cơ. Trên cơ sở phân tích các mô hình trộn khác nhau, luận án đề xuất mô hình trộn đối với quá trình trộn liên tục như sau: - Thực hiện trộn theo mô hình dòng chảy tầng trong két trộn với Re < 104. Chảy tầng sẽ không tạo xoáy chất lỏng, hút theo không khí trộn lẫn với chất lỏng, gây nên hiện tượng tạo bọt khí trong hệ thống nhiên liệu; - Lưu lượng chất lỏng cấp liên tục vào két trộn sẽ bằng lưu lượng chất lỏng ra khỏi két và chính là lượng tiêu thụ nhiên liệu trong một đơn vị thời gian của động cơ: eec gNG . , [kg/h] (2.26) Trong đó: Gc - lượng chất lỏng cấp vào két trộn [kg/h]; Ne - công suất có ích định mức của động cơ [kW]; ge - suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/kW.h]; Hình 2.11. Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh phẳng RF HF Chất lỏng A Chất lỏng B -42- Trong thiết bị hòa trộn liên tục, nếu thời gian phần tử chất lỏng lưu lại trong két trộn lớn hơn thời gian trộn thì chất lượng trộn liên tục sẽ được đảm bảo. Để xác định được thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn, cần phân tích quĩ đạo của phần tử chất lỏng trong két trộn như trên hình 2.11. Phần tử chất lỏng sẽ có quĩ đạo chuyển động trong két trộn là một đường cong và chịu tác động của hai lực cơ bản: - Lực quán tính ly tâm tác dụng lên phần tử chất lỏng do cánh khuấy tạo nên: 2.. ckckR rmF  , [N] (2.27) Trong đó: m - khối lượng của phân tử chất lỏng [kg]; ωck - tốc độ góc quay của cánh khuấy [1/s]; rck – bán kính cánh khuấy [m]. - Hợp lực của lực trọng trường và lực dịch chuyển do mức chất lỏng trong két trộn giảm đi khi cấp nhiên liệu cho động cơ: vgH FFF  , [N] (2.28) Lực Fg - Lực trọng trường tác dụng vào phần tử chất lỏng: Fg =m.g , [N] (2.29) Lực Fv - Lực tác động lên phân tử chất lỏng do sự giảm mức chất lỏng trong két khi động cơ tiêu thụ nhiên liệu: dt dv mF clv . , [N] (2.30) trong đó: vCL - Vận tốc thay đổi của mức chất lỏng [m/s]. Việc xác định các lực tác động đến phân tử chất lỏng và thời gian phân tử chất lỏng lưu lại trong két trộn có liên quan mật thiết đến thời gian trộn chất lỏng hay bội số tuần hoàn của phân tử chất lỏng trong két trộn. Thời gian phân tử chất lỏng lưu lại trong két trộn nhất thiết phải lớn hơn thời gian trộn (công thức 2.23) thì chất lượng trộn liên tục sẽ được đảm bảo. Thời gian lưu lại của phần tử chất lỏng trong két được tính theo công thức: CL kt r v H t  , [s] (2.31) Trong đó: Hkt - chiều cao của chất lỏng trong két trộn [m]. Phân tử chất lỏng chuyển động từ trên xuống dưới chịu sự tác động của lực trọng trường và chuyển động của lượng chất lỏng thoát ra khỏi két trộn (lượng chất lỏng này đúng bằng lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một đơn vị thời gian), do đó tr cũng có thể tính theo công thức: CL kt r Q V t  , [s] (2.32) Vkt - Thể tích chất lỏng trong két trộn, được xác định bằng biểu thức: -43- 4 .. 2 ktkt kt HD CV   , [m3] (2.33) Trong đó: Dkt – Đường kính két trộn [m]; C - hệ số dự trữ nhiên liệu cần thiết theo quy định của Đăng kiểm Việt Nam, có giá trị từ 1,5 đến 2. QCL - Thể tích chất lỏng ra khỏi két trộn trong một đơn vị thời gian, được xác định dựa trên thể tích nhiên liệu dùng cho cho động cơ làm việc ở chế độ tải định mức: CL ee CL CL CL Ngm Q  .3600 .  , [m3/s] (2.34) Vậy có thể tính được thời gian lưu lại của phân tử chất lỏng trong quá trình trộn như sau: CL ktkt r Q HDC t .4 ... 2  , [s] (2.35) Để đảm báo chất lượng của quá trình trộn, nên chọn thời gian trộn cần thiết: tr = (2÷3) tm hoặc tm =tr/(2-3) , [s] (2.36) Kích thước của két trộn với thể tích cơ bản theo các tỷ lệ giữa đường kính két, chiều cao két, đường kính cánh khuấy, loại cánh khuấy như nêu tại bảng 2.2 sau: Bảng 2.2. Hệ số hình dạng và định nghĩa Hệ số hình dạng Tỷ số Mô tả S1 Dkt/dck Đường kính của két/đường kính của cánh khuấy S2 Zck/dck Chiều cao cánh khuấy so với đáy két/đường kính của cánh khuấy S3 Lck/dck Chiều dài cánh khuấy/đường kính của cánh khuấy S4 dck/wck Đường kính của cánh/chiều rộng của cánh S5 Dkt/Bcc Đường kính của két/chiều rộng của cánh cản S6 Hkt/dck Chiều cao của cột chất lỏng/đường kính của cánh S7 - Số lượng cánh của cánh khuấy S8 Độ [0] Góc nghiêng cánh S9 - Số lượng cánh cản -44- Để thực hiện lựa chọn được động cơ điện thích hợp với công suất tính toán cho một thiết bị hòa trộn nhất định, dựa trên hai công thức như sau [17, 19]:  clckckpCT dnNP ... 53 (2.37)  clclckckp ndN  /..2 (2.38) Bảng 2.3 cho thấy những số liệu tham khảo đối với các loại hệ số hình dạng khác nhau tác động đến hệ số công suất trộn của thiết bị. Bảng 2.3. Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và các thông số hình dạng [17, 19] Loại cánh Số cánh S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 Hệ số Np Chân vịt 6 3 0,75 -1,3 - - 10 2,7- 3,9 3 Hành trình=D 4 0,35 Chân vịt 6 3 0,75 -1,3 - - 10 2,7- 3,9 3 Hành trình=2D 4 0,9 Tuabin có cánh nghiêng 4 - - - 8 12 - 6 45o 4 1,5 Tuabin có cánh thẳng 4 - - - 8 12 - 6 0o 4 3 Tuabin có cánh cong 8 - - - 8 12 - 6 0o 4 2,7 Tuabin có cánh phẳng 6 3 0,5- 1,3 0.25 -0.4 3-4 6-10 3,7- 5,0 6 0o 4 7 Tuabin có cánh phẳng 6 3 0,75 -1,3 0,25 5 25 2,7- 3,9 6 0o 4 4 Nếu đã biết tính chất vật lý của chất lỏng, đường kính của cánh khuấy và vận tốc cánh khuấy cùng với hệ số công suất từ các công thức đã nêu, trên cơ sở có tính đến tổn thất năng lượng do ma sát của trục quay và các ổ đỡ. Pmotor = PCT/ηtđ (2.39) Với ηtđ – Hiệu suất truyền động điện. -45- 2.4. Cơ sở lý thuyết các phương pháp đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn Quá trình hòa trộn chất lỏng trong thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu diesel là một quá trình phức tạp. Sau khi tính toán lý thuyết, sẽ chọn được các thông số cơ bản của thiết bị hòa trộn như két trộn, cánh cản,... Nhưng với mục tiêu phân bố pha ở cửa ra giữa dầu diesel và dầu cọ là đồng đều nhất trước khi tới bơm cao áp và vòi phun động cơ thì còn khá nhiều yếu tố ảnh hưởng cần phải được đánh giá và hiệu chỉnh như: biên dạng cánh khuấy, tốc độ quay, vị trí đặt cánh, vị trí cửa ra và thời gian hòa trộn, nhiệt độ,... Để giải quyết vấn đề này, luận án sử dụng 2 phương pháp phổ biến hiện nay trên thế giới trong nghiên cứu động lực học chất lỏng là phương pháp mô phỏng số CFD và phương pháp mô phỏng đồng dạng. 2.4.1. Phương pháp mô phỏng số CFD Ứng dụng phương pháp số vào nghiên cứu các bài toán động lực học chất lỏng nói chung đang được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng. Công đoạn này thường được đặt giữa giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giúp mở rộng phạm vi nghiên cứu lý thuyết nhưng lại thu hẹp được việc nghiên cứu thực nghiệm. Trong các bài toán liên quan đến động lực học chất lỏng thì công cụ số được dùng phổ biến hiện nay là CFD (Computational Fluid Dynamics). Cụ thể trong bài toán nghiên cứu thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu diesel và dầu cọ dạng thùng khuấy, luận án sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để nghiên cứu. Đây là phần mềm uy tín và khá ưu việt khi giải quyết các bài toán động lực học dòng chất lỏng với điều kiện biên phức tạp. Fluent-Ansys là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến quá trình cháy trong buồng đốt. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm. Các tính năng đặc trưng của phần mềm bao gồm: - Lưới, số hóa và xử lý song song: FLUENT sử dụng công nghệ lưới không cấu trúc, nghĩa là lưới có thể bao gồm các phần tử ở các hình dạng khác nhau như lưới tứ giác và tam giác cho mô phỏng 2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện, lăng trụ và kim tự tháp cho mô phỏng 3D; - Truyền nhiệt, chuyển pha và bức xạ: trong các mô hình bức xạ đã được xây dựng bao gồm cả mô hình P1 và Rosseland. Mô hình rời rạc thông thường cũng có và thích hợp cho bất cứ môi trường nào, bao gồm cả thủy tinh. Các khả năng thân thiện -46- khác được kết hợp với truyền nhiệt bao gồm mô hình cho lỗ khí, chất lỏng nén được, trao đổi nhiệt, vỏ dẫn, khí thực và các dòng chảy ướt; - Động lực học và lưới di chuyển: trong FLUENT, lưới động có khả năng đáp ứng được các yêu cầu về thay đổi ứng dụng, bao gồm dòng chảy ống, van, và tách lớp trong bình chứa “store separation”. Vài lưới khác nhau sắp xếp theo hệ thống có thể được sử dụng cho các phần di chuyển khác nhau trong cùng một mô phỏng cần thiết. Chỉ lưới ban đầu và các mô tả sự di chuyển của điều kiện biên là cần thiết. Lời giải trong đó có sáu bậc tự do cũng giải quyết được với ứng dụng này với di chuyển tự do. Lưới động cũng thích ứng với các mô hình khác bao gồm một chuỗi mô hình nhất dòng phun, mô hình đốt cháy và mô hình nhiều pha bao gồm mặt tự do và dòng chảy nén được. FLUENT cũng cung cấp lưới trượt và các mô hình lưới khác nhau đã được chứng minh qua các hệ thống ống, bơm và các cơ cấu máy móc; - Chảy rối và âm học: FLUENT cung cấp khả năng cao cấp dùng cho mô hình chảy rối, ví dụ như phiên bản của mô hình k-epsilon kinh điển, mô hình k-omega, và mô hình ứng suất Reynolds (RSM). Ngày nay, cùng với việc máy tính ngày càng mạnh, giá thành hạ, làm được mô hình mô phỏng xoáy lớn (LES) và “the more economical detached eddy simulation (DES) model" là sự lựa chọn hấp dẫn cho mô phỏng trong công nghiệp; - Đa pha: FLUENT là người đứng đầu trong công nghệ mô hình đa pha. Có nhiều cách khác nhau cho phép các kỹ sư nhìn được bên trong thiết bị thường khó để thăm dò. FLUENT sử dụng mô hình đa pha Eulerian với các tập hợp riêng rẽ của phương trình chất lỏng để thâm nhập sâu vào chất lỏng hoặc các pha, sẽ tiết kiệm hơn các mô hình pha trộn. Cả hai loại mô hình có thể đối xử như dòng chảy hạt.. Các ứng dụng nhiều pha như cánh bơm, chất lỏng và “coal furnaces the discrete phase model (DPM)” đều có thể được sử dụng; - Mô hình phản ứng hóa học, đặc biệt trong điều kiện chảy rối, là một trong các quan tâm đặc biệt và cũng là đặc trưng ưu việt của phần mềm FLUENT ngay từ khi phần mềm được hình thành. Những mô hình mới của FLUENT như khái niệm tiêu tán xoáy, sự vận chuyển PDF và “stiff finite rate chemistry models”, cũng như mô hình chuẩn như tiêu tan xoáy, “equilibrium mixture fraction, flamelet and premixed combustion models”. Các mô phỏng loại thể khí, than đá và nhiên liệu xăng cháy đều có thể giải quyết được. Phần mềm có phần mô hình để dự báo cho sự hình thành SOx và sự hình thành NOx và sự phá hủy. Khả năng phản ứng bề mặt của FLUENT cho phép các phản ứng giữa gas và các dạng bề mặt, cũng như giữa các dạng khác nhau, do đó sự ăn mòn và lắng đọng có thể được dự báo một cách chính xác. Mô hình phản ứng của FLUENT có thể được dùng chung với mô hình rối LES và DES. -47- Phần mềm Fluent-Ansys ứng dụng cho bài toán khuấy trộn của luận án sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình vi phân chủ đạo cho chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt như sau: - Phương trình liên tục: 0         z w y v x u (2.40) - Phương trình Navier - Stokes: VgradpF dt Vd      1 (2.41) Trong đó: ),,( wvuV  - là véc tơ vận tốc tuyệt đối của phần tử lỏng khảo sát; F  - lực khối đơn vị; : là toán tử Laplace Quy trình nghiên cứu và xây dựng mô hình nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tới sự đồng đều pha của hỗn hợp nhiên liệu ở cửa ra của thiết bị hòa trộn được thể hiện rõ trong Phụ lục 3, trên cơ sở trình tự sau: - Sử dụng lưới chia mô hình thành các thể tích hữu hạn, rời rạc; - Tích phân các phương trình theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng các phương trình đại số cho các biến độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng như các đại lượng vô hướng khác; - Tuyến tính hoá các phương trình rời rạc và giải các hệ phương trình tuyến tính. FLUENT tiến hành giải trên từng vòng lặp với điều kiện hội tụ đặt trước, tùy các mô hình bài toán với độ phức tạp khác nhau, vấn đề chia lưới được xử lý ra sao và việc đặt điều kiện biên đã đúng chưa sẽ quyết định đến độ chính xác của bài toán. Fluent có khả năng thích ứng khá rộng, ta có thể chọn nhiều cách giải quyết khác nhau do đó sự đúng đắn của bài toán cũng cần được kiểm nghiệm. 2.4.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng Bên cạnh công cụ số hỗ trợ quá trình thiết kế, do tính chất phức tạp của quá trình trộn chất lỏng và nhằm khẳng định chất lượng hòa trộn trong quá trình cấp nhiên liệu liên tục cho động cơ, nên luận án xây dựng mô hình thu nhỏ (mô hình đồng dạng) với thiết bị thật để phục vụ quá trình nghiên cứu và hiệu chỉnh. Việc đồng dạng hóa phải đảm bảo: sự tương đồng về hình học, sự tương đồng về chuyển động học và sự tương đồng về động lực học, được tổng hợp trong phương trình chuẩn số cơ bản: Eu = f (Re, Fr, Gi) (2.42) -48- Trong đó,Gi là tập hợp các đồng dạng hình học: ....;;; vv d h d D d H ckck kt ck kt . Đây cũng là phương trình tổng quát của quá trình trộn, liên kết tất cả các đại lượng vật lý, những đại lượng đặc trưng cho chuyển động của chất lỏng trong bộ trộn. Sự tương đồng về hình học giữa thiết bị thật và mô hình được biểu thị thông qua các hệ số: Tkt ck Mkt ck D d D d             và Tkt kt Mkt kt D H D H             , ... (2.43) Sự tương đồng về chuyển động học là đảm bảo mô hình chuyển động của chất lỏng trong két trộn tương đồng nhau ở cả thiết bị thật và thiết bị mô hình. Mô hình chuyển động của chất lỏng có thể ở dạng chảy tầng, dạng chuyển tiếp hoặc dạng chảy rối. Sự tương đồng về động lực học liên quan đến các hệ số đặc trưng như hệ số công suất, chuẩn số Reynold, Froude: Tc ckck Mc ckck Tcl ckcl Mcl ckckcl TckckMckckcl g dn g dndndn dn P dn P                                               2222 5353 ;;      (2.44) Bên cạnh đó, người ta cũng thường hay sử dụng hệ số giữa công suất và vận tốc của cánh khuấy để áp dụng vào quá trình đồng dạng hóa. TckMck d P d P                 33 và nếu TckckclMckckcl dn P dn P                 5353  (2.45) Vậy: 3 2 23                       ckT Mck MckTck Tck Mck Mck Tck d d nn d d n n (2.46) Các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đều cho thấy rằng: thời gian trộn được tính theo công thức gần đúng: cm tt )65(  trong đó: Q V tc (2.47) Trong đó: ct - thời gian tuần h