Sử dụng phần mềm Fluent 6.3 để mô phỏng quá trình hòa trộn biogas và không khí trong động cơ RV125-2

rúc hình học Biểu tượng tạo điểm Vùng nhập tạo độ điểm Vùng đặt tên điểm Nhấn APPLY để xác lập Vùng mô tả lệnh b. Phương pháp tạo đường: Biểu tượng tạo đường Menu các lệnh vẻ đường c. Phương pháp tạo mặt: Biểu tượng tạo mặt Vùng chọn các cạnh tạo mặt d. Phương pháp chia lưới trên đường: Biểu tượng chia lưới Biểu tượng chia lưới trên đường Vùng khai báo các thông số của đường được chia e. Phương pháp chia lưới trên mặt: d. Phương pháp chia lưới trên mặt. Biểu tượng chia lưới cho mặt Vùng khai báo các thông số chia lưới e. Phương pháp tạo điều kiện biên và loại vật liệu: Biểu tượng tạo điều kiện biên Vùng khai báo các thông số điều kiện biên Biểu tượng khai báo loại vật liệu f. Lưu File: Tên File Click chọn Export 2-D(x-y) Mesh Click Accept lưu File 2.2.2 Các nhóm phần tử trong FLUENT 6.3. Khởi động FLUENT: vào Start ProgramFLUENT. Sau đó sẻ xuất hiện bảng như sau: Trong mục Versions ta sẻ có các chọn lựa : + 2d(single precision): bộ giải chính xác 2 chiều đơn +2dd p(double precision): bộ giải chính xác 2 chiều, chính xác kép. +3d: bộ giải chính xác 3 chiều đơn +3ddp: giải chính xác 3 chiều, chính xác kép. Trong mục cách thức giải (mode) ta chọn Full Simulation Sau đó ta nhấn vào Run. + Giao diện làm việc của FLUENT 6.3 xuất hiện: Trên giao diện sẻ xuất hiện các menu được sắp xếp theo thứ tự các thao tác từ trái qua phải: a. Menu File: - Read: Đọc những file .msh được lưu từ GAMBIT, và những file .cas, hoặc .dat là những kết quả được lưu trong FLUENT. - Write: Lưu flie FLUENT dạng đuôi .cas , .dat - Import: Nhập dữ liệu vào từ các file : ABQUS, ANSYS, GAMBIT, CFX .... - Export: Xuất dữ liệu ra các file của : ABQUS, ANSYS imput, ACCII, CFX .... - Hardcopy: Xuất kết quả mô phỏng b. Menu Gid: hiển thị, kiểm tra lưới trước khi giải. - Check: Kiểm tra lưới - Info: cho biết tất cả những thông tin của lưới - Scale, translate, rotate: tỷ lệ, di chuyển, quay lưới. - Smooth/swap: có tác dụng làm nhẳn bề mặt lưới. c. Menu Define: định nghĩa tất cả các điều kiện trước khi giải. DefineModel: Các thuật toán dùng mô tả các hiện tượng vật lí. - Model: Định nghĩa mô hình tính toán trong FLUENT. - Material: Định nghĩa thuộc tính vật chất. - Oprating conditions: Chỉ định điều kiện hoạt động ban đầu. - Boundary Conditions: Chỉ định những điều kiện ranh giới hay điều kiện biên của bài toán, các điều kiện cụ thể cho một phương trình vi phân, giúp giới hạn các kết quả ra của phương trình. - Priodic Conditions: định nghĩa điều kiện hoạt động có tính chu kỳ. - Gid interface : Định nghĩa bề mặt trong của lưới. - Units: định nghĩa đơn vị trong tính toán mô phỏng. d. Menu Slove: trong menu này ta sẻ trình bày cách giải bài toán. - Control: điều khiển quá trình giải. - Initialize: khởi đầu quá trình giải - Monitor: hiển thị kết quả các giá trị vận tốc , các hệ số,.. cho phép ta có thể in hoặc plot đồ thị - một cách hiển thị kết quả trong xử lý kết quả mô phỏng bằng FLUENT. Sloveiterate: bắt đầu quá trình giải. e. Menu Adapt: - Kỹ thuật được dùng để hoàn thiện chất lượng lưới chia.  Chức năng thay đổi lưới phù hợp theo yêu cầu giải bài toán của FLUENT cho phép làm mịn hoặc làm thô lưới tính toán dựa trên mô hình hình học và dữ liệu số của  phương pháp giải.   Ngoài ra, FLUENT cung cấp các công cụ để tạo và quan sát miền lưới được thích ứng tuỳ theo các ứng dụng đặc biệt.  - Boundary Adapt: biên khảo sát. - Region: miền khảo sát - Volume: thể tích lưới. f. Menu Suface: trong menu này ta có thể tạo các khu vực, điểm, đường... trên mô hình, từ đó ta có thể lấy các giá trị áp suất, nhiệt độ, vận tốc..tại các điểm đó và hiển thị nó ra. g. Menu Display: Xuất kết quả mô phỏng dạng hình ảnh, véctơ, lưới. h. Menu plot: xuất kết quả mô phỏng ra dạng đồ thị, biểu đồ, từ đó có thể so sánh với thực nghiệm bằng việc chồng đồ thị. Ta có thể xuất ra những kết quả các giá trị của áp suất, vận tốc, nhiệt độ, rối loạn ...trong mô hình, từ đó ta có thể nhìn thấy trực quan. i. Menu parallel: Xử lý song song trên máy tính, quá trình xử lý đồng thời sử dụng hơn 1 bộ xử lý hoặc một nhân xử lý để thực hiện chạy một chương trình hoặc tính toán đa luồng. Ý tưởng xử lý song song làm các chương trình chạy nhanh hơn bởi vì có nhiều phương tiện (Bộ xử lý hoặc nhân) để chạy các chương trình đó. Trên thực tế, thường khó để chia một chương trình theo cách trên chia bộ vi xử lý và các nhân có thể thực hiện các phần khác nhau mà không gây cản trở nhau. Hầu hết máy tính chỉ có một bộ vi xử lý, nhưng một vài mô hình có một loạt, và đa nhân xử lý đang ngày càng phổ biến. Thậm chí có những máy tính có hàng ngàn bộ xử lý trung tâm.  j. Menu Help: giúp đỡ trực tuyến trong quá trình mô phỏng 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ RV125-2 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ DIESEL RV125-2 Kể từ khi ra đời động cơ, động cơ Diesel đã đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, xe máy, tàu thuỷ, máy bay,.... Hiện nay sản lượng hàng năm ước tính khoảng 40 triệu chiếc, với dãi công suất từ 0,1 70000 kW. Về kết cấu, động cơ Diesel cỡ nhỏ có kết cấu đơn giản hơn nhiều so với động cơ Diesel có công suất lớn. Số lượng các chi tiết ít hơn, kích thước nhỏ gọn. Đa số động cơ Diesel cỡ nhỏ là động cơ tĩnh tại, và dùng một xi lanh, thường bố trí nằm ngang nhằm giảm chiều cao của động cơ và tận dụng bố trí hệ thống làm mát và thùng nhiên liệu lên trên làm cho động cơ gọn hơn. Xét về kết cấu thì động cơ Diesel cỡ nhỏ có kết cấu tương tự nhau. Ở động cơ RV125-2 cũng như vậy nhưng có nhiều ưu điểm như sau: tiết kiệm được nhiên liệu, độ rung thấp và làm việc êm hơn, dễ khởi động và độ bền cao. Chi phí nhiên liệu riêng được cải thiện. Động cơ RV125-2 cửa hút được tạo thành hình xoắn ốc để tạo nên sự xoáy lốc lớn và thúc đẩy việc hình thành hỗn hợp nhiên liệu với không khí. Với những biện pháp này, động cơ đạt được chỉ tiêu sử dụng cao hơn và tiết kiệm được nhiên liệu. Về kết cấu, hệ thống nhiên liệu của động cơ RV125-2 sử dụng bơm cao áp kiểu Bosch nhỏ gọn, bơm cao áp này dùng van cao áp có vành giảm áp để tránh hiện tượng phun rớt. Còn vòi phun sử dụng vòi phun kiểu tiết lưu nên lượng nhiên liệu phun nhỏ khi bắt đầu phun và lượng nhiên liệu phun tăng lên dần dần khi phun nhiên liệu chính. Động cơ RV125-2 sử dụng bộ điều tốc cơ khí, bộ điều tốc này có tác dụng giữ tốc độ động cơ không thay đổi và đồng thời điều chỉnh công suất ra, nó khống chế tốc độ động cơ ở bất cứ điểm nào giữa các vị trí tốc độ chạy không cực đại đến cực đại. Về hệ thống hút, xả có bình lọc không khí và ống xả, động cơ này trang bị một bình lọc không khí kiểu ướt. Còn bình lọc không khí loại khô kiểu lọc xoáy ly tâm, không khí hút vào bị xoáy lốc do các cánh và những hạt bụi và cặn lớn được tách tụ lại ở bộ phận dẫn bụi do lực li tâm. Phần bụi và cặn bẫn còn lại được lọc hoàn toàn qua phần tự lọc của bình lọc không khí. Còn ống xả dùng ống có đục lỗ có tấm chắn. Ống đục lỗ và các tấm chắn có tác dụng làm giảm tiếng ồn khí xả một cách có hiệu quả. RV25-2 là loại động cơ Diesel cỡ nhỏ. Với giá thành nhiên liệu sử dụng thấp hơn xăng và công suất sinh ra lớn hơn động cơ xăng tương ứng nên động cơ Diesel ngày càng tiếp cận gần hơn với đời sống được dùng làm nguồn động lực phục vụ chính như là: - Phát nguồn động lực cho các máy canh tác nông nghiệp: máy cày, máy xới, máy bừa, máy bơm nước, máy gặt đập,… - Phát nguồn động lực cho máy chế biến nông sản thô sau thu hoạch, như máy xay, máy sàng gạo,… - Phát nguồn động lực cho các phương tiện vận chuyển: xe công nông, xuồng máy,… - Phát nguồn động lực cho các máy trộn bê tông công suất nhỏ. - Phát nguồn động lực cho các máy nén khí có công suất vừa và nhỏ. Hiện nay trên đà phát triển của ngành công nghiệp, và xu thế khan hiếm nguồn năng lượng hóa thạch nên để nâng cao hiệu suất của động cơ, tăng tính kinh tế và làm giảm ô nhiễm môi trường, thì yêu cầu cần phải nghiên cứu, cải tạo các hệ thống trong động cơ, trong đó hệ thống nhiên liệu là cơ bản nhất. Dưới đây là mặt cắt ngang và dọc của động cơ RV25-2. Hình 3-1-a Mặt cắt ngang động cơ RV125-2 1-Đĩa lò xo; 2-Lò xo xupáp; 3-Xupáp thải; 4-Nắp xilanh; 5-Xilanh; 6-Dây đai; 7-Puly bánh đà; 8-Bánh đà; 9-Then; 10-Đai ốc; 11-Thanh truyền; 12-Trục khuỷu; 13-Đường dầu bôi trơn; 14-Ổ lăn; 15-Bánh răng trục khuỷu; 16-Quả văng; 17-Bơm dầu bôi trơn; 18-Bộ hạn chế nhiên liệu; 19-Bánh răng dẫn động trục cam; 20-Thanh răng; 21-Bơm cao áp; 22-Ống nạp; 23-Xupáp nạp; 24-Đòn bẩy; 25-Ống xả. Hình 3-1-b Mặt cắt dọc động cơ RV125-2 1-Ống xả; 2-Bình chứa nước; 3-Quạt gió; 4-Két nước; 5-Lọc dầu; 6-Thùng nhiên liệu; 7-Thanh truyền; 8-Bulông thanh truyền; 9-Nắp che; 10-Thân máy; 11-Trục khuỷu; 12-Trục cam; 13-Con đội; 14-Chốt Piston; 15-Piston; 16-Vít xả nước; 17-Đũa đẩy; 18-Nắp xilanh; 19-Xupáp; 20-Nắp chụp trên nắp xilanh; 21-Cò mổ; 22-Lò xo xupáp; 23-Vòi phun. Bảng 3-1 Các thông số của động cơ RV125-2 Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị - Công suất định mức Kw 7,83 - Số vòng quay định mức 2200 - Momen cực đại N.m 40,4N.m/1800(v/p) - Tỷ số nén 20 - Đường kính xilanh mm 94 - Hành trình piston mm 90 - Số xilanh 1 - Số kỳ 4 - Góc mở sớm xupáp nạp Độ 20 - Góc đóng muộn xupáp nạp Độ 45 - Góc mở sớm xupáp thải Độ 50 - Góc đóng muộn xupáp thải Độ 15 - Góc phun sớm Độ 22,5 3.2 KHẢO SÁT CỤ THỂ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ RV125-2 3.2.1. Giới thiệu chung a. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ RV125-2 - Chứa nhiên liệu dự trữ, đảm bảo cho động cơ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian quy định. - Lọc sạch nước và tạp chất cơ học lẫn trong nhiên liệu. - Cung cấp lượng nhiên liệu cần thiết cho mỗi chu trình ứng với chế độ làm việc quy định của động cơ. - Cung cấp nhiên liệu vào xi lanh động cơ đúng lúc theo một quy luật đã định. - Đảm bảo phun tơi và phân bố đều hơi nhiên liệu trong thể tích môi chất trong buồng cháy bằng cách phối hợp chặt chẽ hình dạng, kích thước và phương hướng của các tia nhiên liệu với hình dạng buồng cháy và cường độ vận động của môi chất trong buồng cháy. - Tạo áp suất cao trong hệ thống cung cấp nhiên liệu. Diễn biến chu trình công tác của động cơ Diesel chủ yếu phụ thuộc vào tình hình hoạt động của thiết bị cung cấp nhiên liệu. b. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ RV125-2 Hình 3-2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ RV125-2 1-ỐngThải, 2-Vòi phun, 3-Ống áp cao, 4-Piston, 5-Xi lanh, 6-Ống nhiên liệu thừa, 7-Thùng nhiên liệu, 8-Ống hiển thị mức dầu, 9-Ống xả khí, 10- Ống dẫn dầu vào bầu lọc 11-Bầu lọc nhiên liệu,12-Cam, 13-Bơm cao áp, 14-Thanh răng bơm cao áp, 15-Xupáp, 16-Nắp xi lanh, 17-Lò xo xupáp,18-Van xã nước làm mát, 19-Cò mổ. Trên hình 3-2 giới thiệu sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ RV125-2. Khi bơm cao áp (13) làm việc (piston đi xuống) thì nhiên liệu sẽ được hút từ thùng qua bầu lọc (11), ở đây nhiên liệu được lọc sạch và đi vào xilanh bơm cao áp. Nhiên liệu đi vào xilanh bơm cao áp không được lẫn không khí vì không khí sẽ làm cho lượng nhiên liệu nạp vào của bơm không ổn định, thậm chí còn làm gián đoạn quá trình cấp nhiên liệu. Khi piston đi lên, nhiên liệu tràn về thùng qua cửa tràn, đến khi piston đi lên che mép trên của cửa nạp thì phần nhiên liệu còn lại này sẽ nhận được áp suất cao, khi áp suất của nhiên liệu này đủ lớn đế van cao áp mở thì nhiên liệu sẽ đi vào đường ống cao áp (3) rồi đến vòi phun. Tại khoang nâng kim phun, khi áp suất nhiên liệu đạt đến giá trị đủ để thắng lực lò xo thì kim phun được nâng lên, dầu sẽ được phun tơi vào buồng cháy xoáy lốc ở nắp máy (16). Phần nhiên liệu rò rỉ qua kim phun và thân kim phun sẽ được dẫn theo đường dầu hồi (6) về thùng. 3.2.2. Cấu tạo thiết bị cung cấp nhiên liệu . a. Cấu tạo bơm cao áp Bơm cao áp dùng để cấp một lượng nhiên liệu có áp suất cao đến vòi phun thông qua đường ống cao áp, mục đích cấp nhiên liệu vào trong buồng đốt của xilanh đúng thời điểm, với một lưu lượng, áp suất nhất định và theo một quy luật nhất định tương ứng với từng chế độ hoạt động của động cơ. Yêu cầu : - Đảm bảo nhiên liệu cung cấp cho vòi phun đúng áp suất cần thiết. - Thời gian cấp nhiên liệu đúng quy định, bắt đầu và kết thúc phun nhanh chóng để nhiên liệu phun được tốt. - Khống chế được lượng nhiên liệu cung cấp cho phù hợp với phụ tải của động cơ Kết cấu : Động cơ RV125-2 là động cơ một xilanh nên ta chọn bơm đơn, vạn năng, có hành trình piston không thay đổi, bơm có van xả. Hình 3-2-2 Cấu tạo bơm cao áp 1-Lò xo bơm cao áp, 2-Vành răng, 3-Thanh răng, 4-Xilanh bơm cao áp, 5-Đế van cao áp, 6-Van cao áp, 7-Lò xo van cao áp, 8-Đầu nối ống cao áp, 9-Con đội con lăn, 10-Piston bơm cao áp, 11-Thân bơm cao áp. Hình 3.2.2.a ở trên giới thiệu cấu tạo của bơm cao áp của động cơ khảo sát, đây là loại bơm cao áp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình bằng van piston. Chi tiết chính của bơm là cặp piston (10)/ xilanh (4) của bơm cao áp. Đó là cặp chi tiết chính xác được chọn lắp với nhau và khi thay thì phải thay cả cặp. Xilanh được lắp vào lỗ trong thân bơm. Không gian bên trong xilanh ăn thông với đường nhiên liệu trong thân bơm bằng cửa tràn và cũng thông với đường nhiên liệu cao áp khi van cao áp mở. Bơm cao áp còn có một bộ đôi nữa, đó là van cao áp (6) và đế van (5). Đầu nối (8) được vặn chặt vào thân bơm để ép chặt đế van cao áp lên mặt đầu của xilanh (4) nên mặt tiếp xúc giữa đế van (5) và xilanh (4) luôn kín khít. Nhờ lò xo van cao áp (7) nên van cao áp (6) được ép chặt lên mặt hình côn của đế van, ngăn cách không gian phía trên piston của tổ bơm với đường ống cao áp. Ống xoay (2) lắp bên ngoài xilanh (4), phần đầu của ống xoay có một vành răng ăn khớp với thanh răng (3) để điều chỉnh lượng phun. Vì phần đuôi ống xoay được xẽ rãnh và được lồng vào ngạnh chữ thập trên đuôi piston (10) nên khi kéo thanh răng thì ống xoay quay và kéo theo piston xoay theo. + Nguyên lý làm việc của bơm cao áp: Khi cam dẫn động bơm cao áp quay thì con lăn sẽ lăn trên profile cam, lúc này dưới tác dụng của cam và lò xo van cao áp thì piston (10) sẽ di chuyển tịnh tiến lên xuống. Hành trình hút đẩy nhiên liệu được trình bày ở phần tiếp theo. b. Hành trình đẩy nhiên liệu tới vòi phun Hình 3.2.2.b Hành trình đẩy nhiên liệu đến vòi phun 1-Piston bơm cao áp, 2-Rãnh xoắn, 3-Khoang chứa nhiên liệu, 4-Cửa tràn, 5-Khoang xilanh, 6-Van cao áp, 7-Rãnh. Các quá trình: + Hút nhiên liệu Khi con lăn con đội đi xuống, van cao áp đóng kín. Piston (1) đi xuống nhờ lực đẩy của lò xo van cao áp, vì thế thể tích khoang xilanh tăng lên làm độ chân không tăng lên đến khi gờ phía trên của piston mở cửa tràn thì nhiên liệu được hút vào khoang xilanh (5) qua cửa tràn (4) từ buồng nhiên liệu (3). + Bắt đầu đẩy nhiên liệu Khi piston (1) được đẩy lên do trục cam quay và đầu piston đóng lỗ cung cấp (4), vị trí này tương ứng với thời điểm bắt đầu quá trình cung cấp nhiên liệu hình học, khi piston tiếp tục đi lên thì áp suất nhiên liệu bên trong buồng đẩy (5) tăng lên đến khi lực ép của nhiên liệu từ phía không gian bơm tác dụng lên van cao áp lớn hơn tổng hợp lực do lò xo và áp lực của dầu phía đường ống cao áp thì van cao áp (6) được mở ra, nhiên liệu lúc này được đẩy vào vòi phun thông qua đường ống cao áp. + Đẩy nhiên liệu Quá trình cung cấp nhiên liệu được tiếp diễn tới lúc gờ xả (2) của piston bắt đầu mở cửa tràn (4). + Kết thúc đẩy nhiên liệu Quá trình cấp nhiên liệu hình học khi piston đi lên và rãnh xoắn (2) trên piston bắt đầu mở cửa tràn (4), lúc này nhiên liệu từ không gian phía trên của piston (1) được đẩy ra đường xả, áp suất nhiên liệu giảm xuống đột ngột, dưới tác dụng của lực lò xo và áp suất dầu ở đường ống cao áp sẽ ép chặt van cao áp lên đế van, chấm dứt quá trình cấp nhiên liệu cho vòi phun mặc dù piston vẫn tiếp tục đi lên. Kết thúc một chu kỳ cấp nhiên liệu. 3.2.3. Điều khiển lượng nhiên liệu phun a. Không cung cấp nhiên liệu, động cơ dừng Khi thanh răng để ở vị trí dừng động cơ, piston vẫn tịnh tiến lên xuống nhưng nhiên liệu không được đẩy đi vì cửa tràn(1)trùng với rãnh thẳng(6)của piston (3). Hình 3.2.3 Tăng và giảm nhiên liệu phun. 1-Cửa tràn, 2-Rãnh xoắn, 3-Piston bơm cao áp, 4-Vành răng, 5-Thanh răng, 6-Rãnh thẳng. b. Cung cấp nhiên liệu một phần Khi piston (3) bị xoay đi do thanh răng được kéo theo chiều mũi tên thì nhiên liệu được đẩy đến vòi phun. Lượng nhiên liệu được cung cấp tương ứng với hành trình có ích từ lúc đầu piston đóng cửa tràn (1) đến khi rãnh xoắn (2) bắt đầu mở cửa tràn (1). c. Cung cấp nhiên liệu với lượng lớn nhất Khi thanh răng di chuyển hết theo chiều mũi tên, hành trình có ích của piston là cực đại khi đó lượng nhiên liệu được đẩy đi là nhiều nhất. 3.2.4. Phần tử bơm Phần tử bơm gồm có bộ đôi piston và xi lanh là bộ chi tiết chính xác được chọn lắp với nhau. Cặp piston và xilanh phải chế tạo bằng vật liệu chống mòn tốt. Xilanh là một ống kim hình trụ, có khoan lỗ trên thành để nhiên liệu ra vào, lỗ này được piston bơm đóng mở trong từng thời kỳ. Phần đầu piston được phay định hình tạo thành gờ xả nhiên liệu, rảnh thẳng đứng và rảnh nghiêng góc. Bề mặt trượt của chúng được gia công với độ chính xác cao. Vì ngạnh chữ thập dẫn hướng của piston được lắp lồng vào ống xoay nên piston xoay được để tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu cung cấp (là do chuyển động của thanh răng làm ống xoay quay theo). Hình 3.2.4 Kích thước của bộ đôi piston-xilanh bơm cao áp a. Cụm van cao áp. Cụm van cao áp gồm có: Van cao áp(1) và đế van(2). Hình 3.2.4a Cấu tạo cụm van cao áp + Van cao áp có tác dụng như sau: - Tác dụng ngăn nhiên liệu chảy ngược lại Nếu nhiên liệu từ phía vòi phun chảy ngược lại khi piston đi xuống, sự chậm về thời gian giữa thời điểm bắt đầu cung cấp sắp tới và bắt đầu phun nhiên liệu sẽ tăng lên. Để tránh hiện tượng này, van cao áp ngăn cách buồng áp suất của bơm cao áp với ống cao áp, ngăn không cho nhiên liệu chảy ngược lại, giữ nhiên liệu luôn luôn điền đầy trong khoang của vòi phun và ống cao áp. - Tác dụng tránh hiện tượng phun rớt Sau khi hoàn thành quá trình đẩy nhiên liệu, van cao áp hạ xuống và mặt đầu của vành giảm áp tiếp xúc với đế van. Van tiếp tục hạ xuống cho tới khi mặt vát (2) được ép chặt với đế van cao áp, lúc này lượng nhiên liệu tương ứng với hành trình này bị hút lại từ bên trong ống cao áp, áp suất bên trong ống giảm đi, do đó việc ngắt cung cấp được dứt khoát và tránh nhiên liệu rò rỉ nhỏ giọt. 3.2.5. Cấu tạo vòi phun Do sử dụng vòi phun kiểu tiết lưu, nên lượng nhiên liệu phun nhỏ khi bắt đầu phun và lượng nhiên liệu tăng lên dần dần khi phun nhiên liệu chính. Hình 3.2.5 Cấu tạo vòi phun của động cơ RV125-2 1-Thân miệng phun, 2-Kim phun, 3-Đai ốc nối, 4-Đệm điều chỉnh, 5-Lò xo kim phun, 6-Thân vòi phun, 7-Đầu nối với đường dầu cao áp, 8- jiclơ. Trên hình 3.2.5 giới thiệu cấu tạo của vòi phun kín có chốt trên kim. Đặc điểm của vòi phun này là có một vài tiết diện biến đổi ở phần lỗ phun. Trên thân vòi phun có lỗ đường kính 2mm. Mặt côn tựa của van kim che kín tiết diện trên cùng của lỗ phun, đầu dưới của van có một chốt hình trụ, phần đuôi của chốt trụ có dạng hình nón cụt. Khi lắp vào đầu vòi phun, chốt của kim phun sẽ nhô ra một đoạn. Trong quá trình mở kim phun, phần chốt của kim phun sẽ dịch chuyển trong lỗ phun hình trụ. Lúc ấy xung quanh phần chốt tạo thành một đường thông nhiên liệu hình vành khăn với ba mặt tiết lưu: mặt thứ nhất tại mặt côn tựa của kim, hai mặt còn lại tại hai đáy lớn của hai mặt côn. Tia nhiên liệu phun của loại vòi phun này có dạng hình côn rỗng, đỉnh côn ở lỗ phun. Góc côn của tia phun phụ thuộc vào hình dạng của phần đuôi của chốt và phụ thuộc vào hành trình của van kim. 3.2.6. Thùng nhiên liệu : Dùng để chứa nhiên liệu dự trử đảm bảo cho động cơ hoạt động trong một khoảng thời gian liên tục nhất định . Cấu tạo : Trên miệng thùng có bố trí lưới lọc nhiên liệu để lọc thô .Bên ngoài thùng nhiên liệu được hàn các ống nối đưa nhiên liệu xuống bộ lọc nhiên liệu , đưa dầu dư từ vòi phun vào thùng . 3.2.7. Lọc nhiên liệu. - Để đảm bảo lọc sạch nhiên liệu trước khi đưa vào bơm cao áp và vòi phun, nhiên liệu sẻ được thiết kế qua 2 lần lọc: lọc thô và lọc tinh - Lọc thô được bố trí ở miệng thùng chứa nhiên liêu. - Lọc tinh sử dụng vật liệu giấy xốp. Nếu hư hỏng thì phải thay mới. Hình 3.2.7 Bầu lọc nhiên liệu 1- cửa ra của bầu lọc nhiên liệu, 2,3- cửa xã khí, 4-Đường hút nhiên liệu, 5- khóa nhiên liệu, 6- Phần tử lọc, 7- Thân bầu lọc nhiên liệu 3.2.8. Ống nhiên liệu : Giữa các bộ phận trong hệ thống nhiên liệu được nối với nhau bằng ống cao áp và ống áp suất thấp. Ống áp suất thấp được nối từ bầu lọc nhiên liêu đến bơm cao áp, vật liệu là cao su chịu dầu. Ống cao áp nối từ bơm cao áp tới vòi phun, vật liệu là thép C35, C45 . Ống cao áp thỏa mản các yêu cầu sau : - Sức cản thủy lực nhỏ. - Giữ kín tốt , kể cả khi áp suất nhiên liệu tới - Dưới tác động của dao động và phụ tải đột ngột ống không bị nứt, vỡ. - Đầu ống nối cao áp là đầu côn và đai ốc bao để dể tháo lắp và đảm bảo kín khít cho hệ thống. 3.2.9. Cơ cấu điều tốc động cơ RV 125-2. a. Nhiệm vụ: Điều khiển thanh răng bơm cao áp làm xoay piston bơm để khống chế lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy được ổn định. Tránh những trường hợp bất lợi như khi động cơ chạy cầm chừng nhiên liệu phun vào quá ít sẻ làm chết máy hoặc khi động cơ làm việc toàn tải tốc độ động cơ tăng quá cao làm tăng sự hư hỏng động cơ. b. Kết cấu: Động cơ RV125-2 là động cơ tốc độ trung bình, cỡ nhỏ sử dụng bộ điều tốc cơ khí. Phần tử cảm ứng của bộ điều tốc là phần tử cảm ứng cơ khí. Cấu tạo gồm: - Quả văng điều tốc. Giá đỡ quả văng điều tốc. Trục điều tốc. Cần điều tốc. Lo xo điều tốc. Cần đổi tốc. Trục cần đổi tốc. Hình 3.2.9b: Cơ cấu điều tốc động cơ RV125-2 1-Vòi phun,2- Thanh răng,3- Tay điều chỉnh tốc độ,4- Lò xo điều tốc. 5- Cần điều tốc A,6- Cần điều tốc B,7- Bánh răng điều tốc,8- Quả văng, 9- Cam c. Nguyên lý làm việc: Hai quả văng điều tốc lắp vào giá đỡ quả văng bằng chốt, sao cho 2 quả văng xoay nhẹ nhàng quanh chốt. Giá đỡ quả văng bắt vào bánh răng trục khuỷu sau khi lắp trục điều tốc. Cần điều tốc lắp vào nắp hông qua trục cần điều tốc, liên kết với cần điều tốc bằng loxo điều tốc. Tốc độ nhỏ nhất của động cơ được xác định khi kéo cần điều tốc về phía bên phải cho đến khi chạm giới hạn trên nắp hông. Khi tốc độ động cơ tăng lên bất thường, 2 quả văng điều tốc văng ra xa tâm quay hơn, đẩy trục điều tốc dịch chuyển ra ngoài. Qua cơ cấu điều tốc, thanh răng dịch chuyển kéo piston xoay một góc theo hướng giảm nhiên liệu. Kết quả lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy giảm đi. Tốc độ động cơ trở lại bình thường. Nếu tốc độ động cơ giảm bất thường thì ngược lại ( piston xoay theo hướng tăng nhiên liệu phun vào buồng cháy), tốc độ động cơ trở lại bình thường. Phương pháp điều chỉnh lượng Diesel. Hình 3.2.9.d Kết cấu của cơ cấu điều tốc Động cơ RV 125-2 3.2.10. Cấu tạo bộ phận cung cấp không khí. Đối với động cơ diesel, trong quá trình hút chỉ hút khí vào nên việc cung cấp không khí rất quan trọng. Nó quyết định công suất, tình trạng mòn hỏng và tuổi thọ của động cơ. Do trong không khí có chứa nhiều bụi. Nếu bụi lọt vào xilanh trong một thời gian ngắn các bề mặt làm việc của động cơ sẻ bị mòn. Nên cần có bộ phận lọc sạch bụi khỏi không khí trước khi đưa vào xilanh. + Nhiệm vụ: - Lọc sạch bụi cát, các phần tử cơ học nhỏ lẩn trong không khí để không khí đi vào xilanh là không khí sạch. + Yêu cầu:- Lọc được phần lớn lượng bụi trong không khí. - Chỉ cho phép các hạt bụi có kích thước rất nhỏ( <0,1mm) đi vào xilanh . - Sức cản không khí nhỏ và lưu lượng thông qua lớn để không ảnh hưởng đến độ nạp đầy của xilanh, do đó không làm giảm công suất động cơ. - Có kết cấu đơn giản kích thước nhỏ gọn. - Dể dàng tháo lắp vệ sinh, làm sạch khi bảo dưởng sửa chửa. + Cấu tạo: a. Cổ nối bộ lọc gió: Là chi tiết trung gian nối liền bầu lọc không khí với nắp xilanh để đưa không khí đã được lọc sạch bụi vào xilanh động cơ. Đầu nối bộ lọc gió được gia công tròn, đồng thời chấn rãnh để lắp oring, đảm bảo kín cho đường nạp. Đầu nối với nắp xilanh được gia công phẳng, sử dụng đệm để làm kín đường nạp. Cổ nối bộ lọc gió được chế tạo bằng phương pháp đúc khuôn, vật liệu là gang xám GX21-40. Độ bóng bề mặt trong cổ ảnh hưởng đến tính năng của động cơ nên phải nhẳn bóng. 3.2.10 Kết cấu cổ nối bầu lọc gió động cơ RV125-2 b. Bộ lọc không khí: Bộ lọc không khí có tác dụng lọc sạch bụi bẩn trong không khí trước khi đưa vào động cơ. Khi động cơ làm việc không khí qua lỗ hút không khí vào phía trên bầu chứa, rồi theo đường rổng xung quanh bầu lọc đi xuống dưới, sau đó qua lõi lọc để lên trên. Do thay đổi chiều đi của luồng không khí nên những hạt bụi văng ra rồi rơi xuống đáy bầu lọc. Sau đó không khí được lọc qua lõi một lan nữa, rồi theo đường ống nạp vào xilanh động cơ. 3.2.11. Cấu tạo bộ phận thoát khí a. Nhiệm vụ: Thu góp khí thừa sau hành trình nổ xả ra ngoài không khí. Bộ phận thoát khí còn gọi là bộ phận giảm âm gồm 2 chi tiết: -Cổ nối bộ giảm âm và ống giảm âm được hàn với nhau thành một khối. Ống giảm âm dùng làm giảm âm thanh động cơ sau khi nổ và ngọn lửa của khí thừa xả ra ngoài. Bên trong ống giảm âm có các tấm ngăn. Trong phần vỏ chính có một ống nằm dọc theo chiều dài, trên thân ống có những lỗ nhỏ. Khi khí thừa đi vào ống giảm âm sẻ bị nguội bớt đi và khi qua các lỗ nhỏ này sẽ thay đổi hướng đồng thời bị nở ra trong buồng giảm âm. Áp suất và tốc độ giảm đi nên tiếng ồn cũng giảm đi. 3.2.12. Buồng cháy. Loại buồng cháy của động cơ RV125-2 là loại buồng cháy thông nhất, không phân cách. Trong đó toàn bộ buồng cháy thành một khối. Quá trình tạo hổn hợp và bốc cháy trong buồng, nhiên liệu được cung cấp trực tiếp vào buồng cháy nên gọi động cơ phun nhiên liệu trực tiếp + Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản, dễ bố trí xupap treo trên xilanh. - Tổn thất nhiệt nhỏ do buồng cháy gọn, chỉ có một không gian. - Khởi động tương đối nhẹ. - Có suất tiêu hao nhiên liệu thấp, hiệu suất cao + Khuyết điểm:- Chế độ làm việc tương đối cứng. - Áp suất phun nhiên liệu cao. - Các chi tiết hao mòn nhanh nên yêu cầu vật liệu chê tạo có độ bền cao. - Rất nhạy cảm với sự giảm số vòng quay của động cơ. 4. SỬ DỤNG PHẦN MỀM FLUENT ĐỂ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÒA TRỘN BIOGAS VÀ KHÔNG KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL RV125-2 4.1 Tính toán lý thuyết kích thước bộ hòa trộn 4.1.1. Đường kính của họng khuếch tán Hình 4.1 Sơ đồ tính toán Quan hệ giữa đường kính họng và đường kính buồng hỗn hợp phải thỏa mãn điều kiện: dh = (0,6 ¸ 0,8)db. [1] Do tính chất của việc tính toán thiết hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ là cải tạo đường ống nạp của động cơ, do vậy để đảm bảo yêu cầu không thay đổi lớn về kết cấu của đường ống nạp ta chọn đường kính buồng hỗn hợp bằng đường kính đường ống nạp db = 44 mm. Do vậy đường kính họng của hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ RV125-2 là: dh = 26,4 ¸ 35,2 ( mm ). Khi động cơ chuyển từ chế độ sử dụng song song Biogas và Diesel sang chế độ sử dụng Diesel họng khuếch tán vẫn nằm trên đường ống nạp, điều này sẽ ảnh hưởng đến công suất của động cơ. Để đảm bảo yêu cầu chất lượng hòa trộn khi sử dụng song song Biogas và Diesel đồng thời thỏa mãn độ sụt giảm công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel không quá cao. Chọn sơ bộ đường kính họng: dh = 35 mm. Với đường kính họng như trên ta có: Độ chân không ở họng: (4.1) mh : Hệ số lưu lượng của họng mh = 0,8 ¸ 0,9. [N/m2] Coi dòng chảy của hỗn hợp trong đường ống nạp vào xilanh động cơ là dòng chảy dừng không chịu nén ( do áp suất môi chất ít thay đổi trên đường nạp của động cơ ). Hình 4.2 Sơ đồ tính toán tốc độ không khí qua họng Phương trình Becnuli cho dòng chảy từ mặt cắt 1-1 tới 2-2 có dạng: ( 4.2 ) Trong đó: h1: Độ cao thế năng tại mặt cắt 1-1 so với mặt chuẩn. h2: Độ cao thế năng tại mặt cắt 2-2 so với mặt chuẩn. ( có thể bỏ qua sai lệch về thế năng của hai mặt cắt vì mật độ không khí và khoảng cách chiều cao giữa hai mặt cắt quá nhỏ ). v1: Vận tốc tại cửa vào đường ống nạp. vh: Vận tốc tại mặt cắt 2-2. a: Hệ số hiệu chỉnh động năng (đối với dòng chảy rối a = 1) hW1-2: Tổn thất năng lượng dòng không khí trong đường ống nạp. Tổn thất năng lượng của dòng khí từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 bao gồm: Tổn thất cục bộ qua họng: Tổn thất do thay đổi tiết diện sau mặt cắt 2 - 2 : z : Hệ số tổn thất cục bộ của họng Bảng 4.1 hệ số tổn thất cục bộ của họng Loại đường ống z Lỗ hình tròn 0,06 Lỗ hình trụ tròn gắn ngoài 0,5 Lỗ hình trụ tròn gắn trong 1 Vòi hình nón cụt mở rộng với q < 50¸70 3 ¸ 4 zdm: Hệ số tổn thất do thay đổi tiết diện đường ống phụ thuộc vào tỷ lệ Với kết cấu bộ hòa trộn = (0,7 ¸0,9) Bảng 4.2 hệ số tổn thất do co hẹp đường ống 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 zdt 0,5 0,45 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Từ ( 2 ) ta có: (4. 3) Từ ( 3 ) Tốc độ dòng không khí qua họng. [m/s] Khi qua họng hổn hợp khí gồm có Biogas và không khí. Lưu lượng khí hỗn hợp: Ghh = Gkk + GBiogas Ghh = 0,010856 + 0,0007335 = 0,0115895 ( kg/s). Đường kính chính xác của họng: [m] Vậy đường kính họng của hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ: dh = 35 mm 4.1.2. Đường kính của đường ống cung cấp Biogas vào họng khuếch tán Tốc độ Biogas ra khỏi vòi phun: (4. 4) Trong đó: ∆Ph : Độ chân không tại họng : [N/m2]. pBi: Áp suất Biogas trong thiết bị lưu trữ: PBi = 100 ¸ 200 [N/m2]. chọn PBi=150 [N/m2] [ m/s ] Đường kính lỗ cấp Biogas vào họng: [m] Chọn đường kính lỗ d0 = 7 mm. Để tối ưu việc cấp Biogas cho động cơ ta đưa ra 3 phương án kết cấu của bộ hỗn hợp như sau: 4.1.3. Các phương án cấp Biogas cho động cơ + Phương án cấp Bioagas vào họng qua tiết diện hình vành khăn. Hình 4.3 Kết cấu họng có tiết diện hình vành khăn Kết cấu phương án trên phức tạp, Biogas sẽ đi quanh tiết diện hình vành khăn và có góc nghiên 600 dẫn hướng Biogas vào bộ hỗn hợp. + Phương án cung cấp Biogas vào họng qua các lỗ bố trí đều quanh họng Để Biogas phun điều vào họng ta bố trí các lỗ cấp Biogas phân bố đều xung quanh họng. Số lượng lỗ cung cấp Biogas được lựa chọn phụ thuộc vào lượng Biogas cung cấp ( đường kính của từng lỗ sau khi tính chọn ) thỏa mãn yêu cầu hòa trộn tốt, và thuận lợi trong gia công chế tạo họng ta chọn số lỗ bố trí quanh họng là nlỗ = 6 lỗ. Đường kính lỗ cấp Biogas dlỗ: [m] Chọn đường kính của mỗi lỗ: dlỗ = 3 [mm] Hình 4.4 Kết cấu họng có các lỗ cung cấp Biogas phân bố đều + Phương án cấp Biogas trực tiếp vào họng. Hình 4.5 kết cấu họng phun Biogas trực tiếp Biogas được phun trực tiếp vào bộ hòa trộn qua 1 lỗ phun có đường kính 7mm, lưu lượng Biogas QBiogas = 8,15.10 - 4 ( m3/s ), kết cấu bộ hòa trộn giản. Bảng 4.3 Tóm tắc các thông số bộ hòa trộn Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị Đường kính họng dh mm 35 Đường kính buồng db mm 44 Đường kính lỗ phun Biogas dlp mm 7 Vận tốc Biogas Vbigas m/s 23,44 Vận tốc không khí Vkk m/s 10,446 Độ chân không tại họng ∆Ph N/m2 97,27 4.2 Sơ đồ giải thuật và cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng 4.2.1. Sơ đồ khối của phương pháp mô phỏng Các phần mềm CAD/CAE GAMBIT Tạo mô hình. Chia lưới 2D,3D FLUENT: Nhập lưới và chỉnh sửa. Điều kiện biên. Tính chất vật liệu, lưu chất Tính toán và xử lý kết quả. Chia lưới 2D, 3D Chia lưới TGID: Chia lưới 2D, 3D với phần tử tam giác, tứ diện. Chia lưới 2D, 3D hổn hợp Chia lưới Chia lưới biên hay thể tích Lưới hình học Chia lưới biên 4.2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng + Cơ sở lý thuyết của dòng rối  Xem dòng không khí và Biogas qua họng là dòng chảy trong ống tròn. Ta thấy dòng rối trong ống tròn gồm 2 bộ phận lõi rối và lớp chảy tầng sát thành, giữa 2 bộ phận có lớp quá độ. Trong lõi rối các phần tử chuyển động hổn loạn, vận tốc không những thay đổi về trị số mà cò thay đổi cả hướng theo thời gian. Hiện tượng mạch động vận tốc hoặc mạch động áp suất là hiện tượng thay đổi vận tốc hoặc áp suất không ngừng xung quanh một trị số trung bình thời gian của vận tốc hoặc áp suất. Giá trị vận tốc mạch động có thể dương, âm nhưng trị số trung bình thời gian vận tốc hoặc áp suất mạch động bằng không. Bài toán rối xuất phát từ hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục (4.5) và phương trình động lượng (4.6): (4.5) (4.6) Phương trình trạng thái với chất khí : p = : ứng suất biến ngang ( ứng suất Reynolds ) : Độ nhớt động lực học. : Khối lượng riêng (kg/m3) : vận tốc dọc lớp biên. : vận tốc ngang lớp biên. : vận tốc dòng ngoài. Với u’ và v’ là các mạch động (chênh lệch giữa vận tốc tức thời và vận tốc trung bình). Hai phương trình này không đủ kín để giải tất cả các ẩn ( 3 ẩn u ,v và ) do vậy ta phải tìm thêm các phương trình liên quan để khép kín thành một hệ phương trình có thể giải được. Trong Fluent hỗ trợ các mô hình rối sau: - Mô hình Splart-Allmaras - Mô hình k- Mô hình k- tiêu chuẩn Mô hình k- thường hoá ( RNG ) Mô hình k- giản hoá - Mô hình k- Mô hình k- tiêu chuẩn Mô hình k- với dòng cắt ( SST ) - Mô hình - Mô hình ứng suất Renold ( RSM ) - Mô hình xoáy lớn ( LES ) Tuy nhiên không thể áp dụng một mô hình rối cho tất cả các bài toán, mỗi mô hình rối chỉ cho kết quả đúng trong một số trường hợp nhất định. Điều đó đòi hỏi ta phải nắm rõ bản chất cũng như trường hợp áp dụng của chúng để đưa ra những lựa chọn hợp lý cho từng bài toán. Trong thực tế ngày nay thì phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất và trong khuôn khổ đồ án này em cũng tính toán theo phương pháp , do đó phương pháp này sẽ được trình bày một cách cụ thể như sau: + Mô hình tính toán Trong mô hình rối k-, các phương trình thêm được xây dựng như sau: Theo giả thiết về độ nhớt rối của Boussinesq, ta có: Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất Reynolds với biến thiên vận tốc trung bình. Để giải phương trình này, người ta khép kín nó với các phương trình có liên quan tới k ( năng lượng rối động học ) và hệ số tổn thất như sau [4]: Trong đó: Gk là hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình như sau: Gb xác định như sau: Trong đó: Prt: hằng số Prantl Gi: thành phần gia tốc trọng trường theo phương i : hệ số giãn nở nhiệt của môi trường YM: hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá trị trung bình Trong đó: Mt: số Mach của rối: với a: vận tốc âm thanh : hệ số nhớt rối: Các hệ số còn lại của phương trình là các hằng số thực nghiệm chọn theo [4]: Kết hợp mô hình rối , với hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và phương trình động lượng, ta sẽ được một hệ phương trình khép kín đủ để giải ra trường phân bố vận tốc và các kết quả tổng hợp khác. Mô hình là mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác khá tốt. 4.3 Chia lưới và chọn điều kiện tính toán Fluent chỉ là phần mềm dùng để giải các bài toán dựa trên lưới có sẵn chứ bản thân chương trình Fluent không thể tạo lưới và trong Fluent cũng không bao gồm thuật toán tạo lưới. Thông thường, cần có một công cụ tạo lưới riêng, có thể tích hợp vào hoặc riêng rẽ. Ở đây ta sử dụng Gmabit một công cụ tạo lưới, giúp tạo mô hình và chia lưới cho mô hình trước khi đưa vào mô phỏng trên Fluent. Việc tạo lưới thực chất là quá trình xác định vị trí của các điểm sẽ tiến hành giải các phương trình cơ học chất lưu. Một bài toán có thể giải chính xác không phụ thuộc vào việc rời rạc hoá nó có phù hợp không. Việc phù hợp ở đây gồm: Tạo số điểm chia hợp lý với từng yêu cầu bài toán, không bỏ sót tại các vùng nhạy cảm. 4.3.1. Cơ sở lý thuyết và phương pháp chia lưới Hình 4.6 Mô hình mô phỏng với kết cấu bộ hòa trộn hình vành khăn Phương pháp thể tích hữu hạn là phương pháp số để mô tả và tính toán các phương trình vi phân từng phần dưới hình thức là các phương trình đại số. Phương pháp thể tích hữu hạn các giá trị được tính riêng lẻ trên lưới hình học, thể tích hữu hạn dùng để chỉ thể tích nhỏ xung quanh mỗi điểm nút trên lưới. Trong phương pháp thể tích hữu hạn, khi tính toán tích phân thể tích trong phương trình vi phân từng phần sẽ phân kỳ, bởi vậy tích phân sẽ được chuyển về dạng tích phân mặt nhờ sử dụng các định lý phân kỳ. Những quan hệ này sau này được ước lượng như là dòng chảy trên mỗi thể tích hữu hạn. Để làm cơ sở cho việc tính toán động lực học chất lỏng (CFD), bước đầu tiên trong phương pháp thể tích hữu hạn là chia miền thành một số khối điều khiển (ô, phần tử), trong đó biến số mà ta quan tâm được chứa ở trung tâm của khối điều khiển, bước tiếp theo là tích hợp các dạng khác nhau của phương trình vi phân trên mỗi khối điều khiển. Sau đó thực hiện phép nội suy để mô tả các biến có liên quan ở trung tâm của ô lưới. Kết quả ta nhận được phương trình ở dạng rời rạc, theo cách này thì nó sẽ bảo toàn các biến bên trong của khối điều khiển. Kết quả tính toán từ phương pháp thể tích hữu hạn cho phép bảo toàn các thông số như khối lượng, động lượng, năng lượng. Kết quả này thỏa mãn một cách chính xác trên toàn bộ miền tính toán cho bất kỳ quá trình điều khiển thể tích chất lỏng được biễu diễn ở dạng lưới thô. + Yêu cầu chọn mô hình lưới Để giải mỗi bài toán lại cần xây dựng một lưới riêng. Vậy việc xây dựng lưới đó phụ thuộc vào các yếu tố: a) Thời gian Mỗi bài toán đều có giới hạn về thời gian, do vậy việc xây dựng lưới cũng phải căn cứ vào yêu cầu trên để thực hiện. Nếu thời gian cho phép là lớn thì có thể tiến hành tạo lưới lớn, số phần tử nhiều để tính toán. Tuy nhiên nếu thời gian bị hạn chế thì chỉ nên tạo các lưới có kích cỡ và số phần tử nhỏ. Thường thì, lưới có cấu trúc đòi hỏi thời gian xây dựng lâu hơn lưới không có cẩu trúc b) Chi phí tính toán Đây là một vấn đề liên quan đến lưới. Các lưới đồ sộ luôn đòi hỏi cầu hình tính toán cũng như thời gian sử dụng lớn hơn. Do vậy, khi phác thảo một mô hình lưới cho bài toán ta phải tự xem xét khả năng của mình đến đâu. Nếu kích thước lưới là quá lớn so với khả năng tính toán hiện tại có thể dẫn đến không tính toán được. c) Sự hội tụ số Mỗi mô hình tính toán phải đảm bảo tính hội tụ. Tiêu chuẩn hội tụ được đánh giá qua một đại lượng gọi là chất lượng lưới. Chất lượng lưới được đánh giá thông qua các điều kiện sau: i) Mật độ lưới Khi rời rạc hoá một mô hình liên tục, giá trị các đại lượng được tính toán dựa trên phân bố các điểm lưới. Trong một vài trường hợp, mật độ phân bố các điểm lưới tại vùng quan trọng có thể dẫn tới thay đổi tính chất dòng chảy. Thông thường trong các vùng có các đại lượng biến đổi mạnh đòi hỏi phải có sự phân bố các lưới thật dày, tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi bộ nhớ của máy tính cũng như khả năng xử lý của CPU do vậy phải cân đối hai mặt này. Trong Fluent, sau khi nhập lưới có thể kiểm tra bằng cách: Grid / Memory Usage. ii) Độ mượt của lưới Việc thay đổi hình dạng các phần tử lưới quá đột ngột có thể dẫn tớí những sai số lớn trong tính toán. Trong trường hợp này ta phải làm mượt lại lưới bằng cách chia nhỏ phần tử. Ví dụ: Sự thay đổi chiều dòng chảy sẽ đi qua một khu vực nào đó thì khu vực đó nên được làm mượt hơn các vùng khác. iii) Hình dạng của lưới Hình dạng các lưới không đồng đều, quá méo mó có thể dẫn đến sai số. Thông thường trong một dạng phần tử, việc đưa giá trị độ dài các cạnh và các góc càng gần nhau càng tốt. Ví dụ trong tứ giác các góc gần bằng 90o. Tỷ lệ các cạnh không vượt quá 1/5. Các thông số về chất lượng lưới ở trên có thể được kiểm tra trong quá trình tạo lưới bằng cách dùng các công cụ kiểm tra của chương trình. + Cách tạo lưới Lưới được tạo bởi phần mềm Gambit2.4. Thực tế của phương pháp thực hành là xác định sự biến đổi các giá trị tại các giao điểm, sự thay đổi môi trường chính là sự biến đổi tại các mắt lưới của mặt và đường mà ta đã tạo ra. Chính vì thế việc tạo lưới đóng vai trò then chốt trong độ chính xác của kết quả thu được khi giải trong phần mềm FLUENT. Bước 1 : Vẽ mô hình Bước 2 : Tạo lưới cho đường Bước 3 : Tạo lưới cho mặt Vùng lưới ày Hình 4.7 lưới trong không gian tính toán 2D Trong mô hình bộ hòa trộn 2D, lưới được tạo ra với 49705 tứ giác và 74386 nút, 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 vì vận tốc trong lớp biên thay đổi từ giá trị 0 tại thành ống đến giá trị xấp xỉ 99% vận tốc dòng ngoài và vùng chất lỏng chảy gần thành có sự ma sát giửa chất khí và thành ống nên để công việc tính toán chính xác hơn ta phải chia lưới vùng sát thành ống thật dày và điều, còn những vùng xa thành lưới được chia thưa hơn là để giảm thời gian tính toán. Bước 4 : Xuất file ở dạng “mesh ” để xử lý ở Fluent Các điều kiện tính toán Động cơ làm việc ở chế độ định mức với số vòng quay n = 2200 (v/ph), Ne = 6,5(KW). Đường kính bộ hoà trộn: dh = 35mm Đường kính họng nạp: Dh=44 (mm) Đường kính lỗ phun Biogas: dlp=7(mm) Khối lượng riêng không khí rkk = 1,225( kg/m3) Thành phần Biogas (60%Metan và 40% CO2) có rbiogas= 0,9 (kg/m3) Vận tốc, áp suất của không khí và Biogas đầu vào không thay đổi Vkk=10,446(m/s); Pkk = 1 (atm); Vbiogas=23,44 (m/s); PBiogas=150 (N/m2); Nhiệt độ của không khí và Biogas tại cửa vào bộ hỗn hợp T=3020K Các thông số chọn trong phần mềm [7] Tính dẫn nhiệt của không khí và biogas: 0,0242 (W/m0K) Độ nhớt của không khí và biogas: 1,7894x(kg/m0s) Nhiệt dung đẳng áp CP=1006,43 (J/kg0K) Chọn k=0,41 và e=0,8 [4] Dòng chảy được mô hình hoá trong trường hợp: dòng hai chiều (2D). Miền giới hạn tính toán là thể tích toàn bộ đường ống nạp của động cơ RV125-2. Dựa trên các kết quả của quá trình tính toán các thông số cơ bản của bộ hòa trộn và phương pháp cấp Biogas vào họng ta tiến hành mô phỏng dựa vào các kết cấu của bộ hòa trộn ở hình 4-8 (a),(b),(c) khi lắp chúng vào đường ống nạp của động cơ Diesel RV125-2. (a) 6 lỗ bố trí điều quanh họng (b) hình vành khăn (c) phun trực tiếp Hình 4.8 Kết cấu bộ hòa trộn 4.5 Chạy chương trình mô phỏng Sau khi xây dựng được mô hình hoàn chỉnh thể hiện đặc điểm kết cấu của bộ hòa trộn và chia lưới cho mô hình trong Gambit, được lưu dưới dạng đuôi .msh. Ta tiến hành giải bài toán trong phần mềm Fluent với các bước sau: Bước 1: Đọc file .msh được lưu ở Gambit. Bước 2: Kiểm tra, hiệu chỉnh và hiển thị lưới. Bước 3: Lựa chọn phương pháp giải bài toán. Bước 4: Lựa chọn phương trình giải bài toán. Bước 5 : Chọn mô hình giải bài toán. Bước 6: Định nghĩa tính chất vật liệu, lưu chất. Bước 7 : Đặt các điều kiện hoạt động ban đầu. Bước 8 : Đặt các điều kiện biên cho bài toán. Bước 9: Giải bài toán Bước 10: Xuất kết quả mô phỏng 4.6 Xuất kết quả mô phỏng và phân tích kết quả trong các trường hợp Sau khi đặt điều kiện tính toán và các thông số cần thiết cho quá trình giải trong phân mềm Fluent ta có được các kết quả. 4.6.1. Trường vận tốc (a) 6 lỗ bố trí quanh họng (b) hình vành khăn (c) phun trực tiếp Hình 4.9 Trường véctơ vận tốc hỗn hợp trong đường ống nạp Hình 4.9 so sánh trường véctơ vận tốc của hỗn hợp dọc theo đường ống nạp của 3 kết cấu (a),(b),(c). Bên trái của mỗi hình là thang đo độ lớn véc tơ vận tốc có giá trị từ 0 (m/s) ứng với màu xanh nhạt đến 150 (m/s) ứng với màu đỏ. Dựa vào màu trên thang đo ta thấy ở hình (a) sự thay đổi giá trị vận tốc lớn 7,5 ¸ 50(m/s), hình (c) từ 10 ¸ 40 (m/s) và tạo nhiều vùng xoáy, hình (b) giá trị vận tốc thay đổi nhỏ nhất trong 3 kết cấu 15 ¸ 30 (m/s) và rất ít vùng bị xoáy. Chứng tỏ hình (b) sẽ có tổn thất nhỏ nhất. (a) 6 lỗ bố trí quanh họng. (b) hình vành khăn. (c) phun trực tiếp. Hình 4.10 trường véctơ vận tốc hỗn hợp trước xupáp nạp. Hình 4.10 so sánh trường véctơ vận tốc của hỗn hợp trước xupáp nạp của 3 kết cấu (a), (b),(c). Nhìn vào độ lớn của véctơ vận tốc thể hiện qua màu trên thang đo bên trái của mỗi hình ta thấy: ở hình (a) giá trị vận tốc ra khỏi đường nạp không điều, thay đổi từ 10 (m/s) ở phía trên đến 40 (m/s) ở phía dưới, hình (b) thay đổi 20 ¸ 28 (m/s), hình (c) thay đổi 7 (m/s) phía trên đến 37,5 (m/s) ở phía dưới và tạo vùng xoáy lớn tại đây nên tổn thất nhiều. Như vậy với 3 kết cấu của bộ hòa trộn như trên thì kết cấu của hình (b) có giá trị vận tốc ít thay đổi ở đầu ra, ít tổn thất nhất. 4.6.2. Trường áp suất a) 6 lỗ bố trí quanh họng. (b) hình vành khăn. (c) phun trực tiếp Hình 4.11 Trường áp suất của hỗn hợp trong đường ống nạp Hình 4.11 so sánh trường vận tốc của hỗn hợp trong đường ống nạp của 3 kết cấu (a),(b),(c). Bên trái của mỗi hình là thang đo độ lớn của áp suất có giá trị từ -7000 (pascal) ứng với màu xanh nhạt đến 7000 (pascal) ứng với màu đỏ. Nhìn chung ở cả 3 kết cấu của bộ hỗn hợp áp suất ít thay đổi, khi đi qua họng áp suất giảm vì tiết diện lưu thông hẹp và sau đó ổn định điều này phù hợp với lý thuyết. 4.6.3. Mật độ các thành phần có trong hỗn hợp d` (a) 6 lỗ bố trí quanh họng. (b) hình vành khăn. (c) phun trực tiếp. Hình 4.12 Mật độ của các thành phần có trong hỗn hợp Hình 4.12 so sánh mật độ của các chất phân bố trong hỗn hợp trên đường ống nạp của 3 kết cấu (a), (b),(c). Với kết cấu hình (a) và (c) ta thấy các chất có trong hỗn hợp phân bố không điều, còn với kết cấu hình (b) các chất có trong hỗn hợp phân bố điều. Nhận xét: Động cơ Diesel RV125-2 là động cơ 4 kỳ, 1 xylanh và 1 buồng hỗn hợp, theo [4] động cơ sẽ đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt khi vận tốc trung bình của môi chất qua buồng hỗn hợp là 20 ¸ 30 ( m/s ). Bảng 4.4 bảng so sánh kết quả mô phỏng của các bộ hỗn hợp Phương án cấp Biogas 6 lỗ bố trí quanh họng Hình vành khăn Phun trực tiếp Vận tốc ở họng 50 (m/s) 28 (m/s) 40 (m/s) Áp suất ở họng 400 (pascal) 700 (pascal) 600 (pascal) Mật độ Không điều Điều Không điều Vận tốc trước xupap nạp 10 ¸ 40 (m/s) 20 ¸ 22 (m/s) 7 ¸ 37,5(m/s) Nhận xét Phương án cấp Biogas vào họng qua 6 lỗ bố trí quanh họng ta thấy vận tốc hỗn hợp qua họng có giá trị lớn 50 (m/s), khoảng biến thiên vận tốc của hỗn hợp trước xupap nạp lớn 10 ¸ 40 (m/s), mật độ của hỗn hợp phân bố không đồng điều nên không khí và Biogas hòa trộn không tốt, tổn thất nhiều. Phương án cấp Biogas vào họng qua tiết diện hình vành khăn ta thấy vận tốc hỗn hợp qua họng có giá trị 28 (m/s) phù hợp với kinh nghiệm sử dụng thực tế, vận tốc của dòng hỗn hợp trước xupap nạp thay đổi nhỏ 20 ¸ 22 (m/s), mật độ của các chất trong hỗn hợp phân bố điều nên chất lượng hòa trộn tốt, ít tổn thất. Phương án phun trực tiếp Biogas vào họng ta thấy vận tốc hỗn hợp qua họng có giá trị lớn 40 (m/s), không phù hợp với kinh nghiệm sử dụng thực tế, vận tốc của dòng hỗn hợp trước xupap nạp thay đổi lớn 7 ¸ 37,5 (m/s), mật độ của các chất trong hỗn hợp phân bố không điều nên chất lượng hòa trộn không tốt, tổn thất nhiều. Kết luận Theo kết quả mô phỏng, với những ưu điểm có được về sự đồng đều vận tốc, mật độ phân bố các thành phần có trong hỗn hợp. Kết cấu của bộ hỗn hợp thiết kế theo phương án cung cấp Biogas qua tiết diện hình vành khăn được lựa chọn để thiết kế cho hệ thống cung cấp Biogas động cơ cho Diesel RV125-2. 4.7 Một vài nhận xét về phần mềm FLUENT 6.3 và GAMBIT 2.4 Qua quá trình tìm hiểu và vận dụng phần mềm FLUENT cùng với sự hỗ trợ của phần mềm GAMBIT để mô phỏng quá trình hòa trộn Biogas và không khí trong động cơ RV125-2, ta thấy FLUENT là một phần mềm dùng để mô phỏng, tính toán khá mạnh. Nhờ phần mềm này mà em cũng nhận biết được sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến khả năng hòa trộn cũng như chất lượng hòa trộn Biogas và không khí trong động cơ ở từng vị trí. Hơn nữa ta có thể thay đổi các thông số nhập vào và điều kiện biên của các phần tử để đưa ra kết quả về chất lượng hòa trộn tốt nhất, tối ưu nhất cho động cơ. Người sử dụng có thể so sánh các kết quả của các phương án thiết kế khác nhau một cách trực quan, từ đó có sự đánh giá và lựa chọn chính xác kết quả mình mong muốn. Ưu điểm của phần mềm FLUENT: + Giao diện đơn giản dể sử dụng. + Cách tính toán nhanh, rút ngắn thời gian nghiên cứu, thực hiện được một lượng lớn công việc với kết quả chính xác mà với các cách thông thường không thể giải quyết được. + Biết ảnh hưởng các thông số kết cấu đến khả năng hòa trộn của biogas và không khí, từ đó có thể thay đổi kết cấu cho phù hợp. + Có thể ứng dụng để tính toán mô phỏng cho các loại động cơ khác nhau. + Có liên kết với các phần mềm khác như: GAMBIT, CFX, ANSYS... * Nhược điểm của phần mềm FLUENT: + Với những bài toán phức tạp đòi hỏi dung lượng bộ nhớ lớn, và thời gian tính lớn hơn. 5. Hướng phát triển của đề tài. + Ứng dụng phần mềm để giảng dạy các môn học thủy khí, thủy lực và máy thuỷ lực, mô hình hóa trực quan các bài toán thủy lưc. + Từ việc mô phỏng việc hòa trộn Biogas và không khí trong động cơ Diesel RV125-2 , ta có thể mở rộng ứng dụng của phần mềm ra cho hệ thống nhiên liệu dùng xăng hoặc các loại nhiên liệu thay thế khác, và rộng hơn nữa là của những hệ thống thủy lực và thủy khí. + Do kiến thức còn có hạn nên việc mô phỏng chỉ thực hiện trên đường ống nạp, nên ta có thể phát triển hướng mô phỏng vào trong xi lanh động cơ, từ đó có thể xem xét được khả năng hòa trộn Biogas và không khí trong các kỳ (nạp, nén) của động cơ như vậy kết quả sẻ tốt hơn. + Với việc tạo biên dạng mô hình của đường nạp động cơ chưa được chính xác lắm nên cũng ảnh hưởng một phần đến kết quả mô phỏng, nên kết quả nhận được từ việc mô phỏng vẩn chưa kiểm tra ở những thí nghiệm thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến. “Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong _Tập 3”. Hà nội: NXB đại học và trung học chuyên nghiệp; 1977. [2]. Nguyễn Tất Tiến. “Nguyên lý động cơ đốt trong”. Hà nội: Nhà xuất bản giáo dục; 2000. [3]. Tần Sĩ Phiệt, Vũ duy Quang “Thủy khí động lực học kỹ thuật _ tập 2”. Hà Nội: NXB đại học và trung học chuyên nghiệp; 1979. [4]. PGS.TS Hoàng Thị Ngọc Bích “Lý thuyết lớp biên và phương pháp tính ”. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội ; NXB Khoa Học và Kỹ Thuật; 2004 [5]. Fluent 6.3 User's Guide, Fluent.Inc. Centerra Resourse Park, Lebanon, NH 30766, 2002. [6]. GAMBIT 2.4 - Tutorial’s Guide. [7] PGS.TS Nguyễn Bốn. Các phương pháp tính truyền nhiệt. Khoa Công Nghệ Nhiệt Điện Lạnh. Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng; năm 2001