Mô phỏng và thực nghiệm tối ưu hóa theo nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt theo biên dạng của thân cây bông súng

TỔNG QUAN

Giới thiệu về CNC

Gia công CNC là phương pháp gia công cơ khí sử dụng máy móc hiện đại với công nghệ điều khiển số bằng máy tính (CNC), giúp đạt được độ chính xác cao và tăng tốc độ làm việc hiệu quả.

CNC (điều khiển số bằng máy tính) là công nghệ sử dụng máy tính để điều khiển máy gia công kim loại, thông qua các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường được gọi là mã G Công nghệ này được phát triển vào cuối thập niên 1940 và đầu thập niên 1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của Viện Công nghệ Massachusetts.

Trong gia công CNC, máy móc loại bỏ vật liệu từ khối rắn để tạo ra các chi tiết theo mô hình CAD Phương pháp này cho phép sản xuất các bộ phận với độ chính xác cao và tính chất vật liệu tốt, đồng thời đảm bảo độ lặp lại cao Nhờ đó, gia công CNC tối ưu hóa chi phí cho việc sản xuất các chi tiết với khối lượng từ thấp đến trung bình, lên đến 1000 sản phẩm.

Có nhiều phương pháp gia công CNC khác nhau, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào loại sản phẩm cần gia công Các phương pháp phổ biến bao gồm phay, tiện, khoan, mài, cắt bánh răng, bào, chuốt, cưa, plasma và laser.

1.1.2 Vật liệu gia công CNC

Có rất nhiều vật liệu dùng để gia công CNC, trong đó có 4 loại vật liệu chính là kim loại, hơp kim, nhựa và gỗ

Kim loại thường như sắt và nhôm được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy và linh kiện xe, trong khi kim loại màu như đồng, chì, kẽm và thiếc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, dân dụng và thiết kế.

Inox là hợp kim sắt có chứa ít nhất 10,5% crom, nổi bật với tính chất chống ăn mòn Đây là một trong những vật liệu phổ biến trong gia công cơ khí.

Thép có độ bền cao và độ cứng tốt, đặc biệt khi được phủ lớp mạ kẽm, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn Ngoài ra, thép có thể được gia công chính xác bằng các công nghệ cắt hiện đại như máy Oxy-Gas CNC và máy Plasma CNC, tạo ra các chi tiết phù hợp cho các công trình xây dựng.

Gang, một hợp kim của sắt và cacbon, nổi bật với nhiều đặc tính ưu việt như khả năng dễ dàng định hình và chịu lực tốt Qua quá trình gia công, gang có thể được sử dụng để sản xuất các chi tiết máy, bánh răng, bánh đà và trục cán, mang lại hiệu quả cao trong ứng dụng công nghiệp.

Hợp kim của nhôm có thể cắt bằng máy Plasma CNC, máy Laser CNC… để tạo ra nhiều sản phẩm ứng dụng cho cuộc sống

Hợp kim của đồng như đồng thau, đồng đen, đồng đỏ… dễ dàng dát mỏng, cắt và uốn lượn để tạo kiểu

Các mẫu vật liệu nhựa như Composite, bao gồm Composite cốt hạt và Composite cốt sợi, có khả năng gia công chính xác để sản xuất vỏ tàu biển, chi tiết máy và tuabin.

Vật liệu gỗ là lựa chọn lý tưởng cho gia công bằng máy CNC nhờ vào đặc tính nhẹ, chắc chắn và khả năng chịu lực tốt Sản phẩm hoàn thiện từ quá trình này không chỉ đẹp mắt mà còn có đường cắt mịn màng, mang lại giá trị thẩm mỹ cao.

1.1.3 Phương pháp gia công CNC

Phay CNC là phương pháp gia công phổ biến nhất trong ngành công nghiệp chế tạo Quá trình này sử dụng dao cắt quay để cắt gọt vật liệu, tạo ra các chi tiết kim loại chính xác Các chi tiết được hình thành thông qua nhiều lưỡi dao kết hợp với hai chuyển động chính: dao phay quay tròn và chuyển động tịnh tiến theo ba phương.

Có các loại máy phay CNC 2 trục đến 5 trục

Máy phay CNC có khả năng cắt gọt đa dạng vật liệu như sắt, thép, inox, nhôm và titan Thiết bị này được sử dụng để gia công các bề mặt phức tạp, bề mặt cong và các bộ phận như ổ đĩa, khuôn, thanh nối, lưỡi cắt, vỏ máy và linh kiện máy.

Máy tiện CNC là thiết bị quan trọng trong việc gia công các bề mặt quay phức tạp như hyperboloid, xi lanh tuyến tính và xi lanh nghiêng Thiết bị này có khả năng sản xuất đa dạng sản phẩm từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm chi tiết máy, hình khối, cắt bánh răng, vát cạnh và vê góc lượn.

1.1.3.3 Gia công khoan CNC Đây là quá trình gia công sử dụng lưỡi khoan để khoan lỗ trên bề mặt kim loại, vật liệu Mũi khoan có độ chính xác cao, thực hiện liên tục và giảm thời gian thi công Mũi khoan có độ sâu khác nhau theo các chương trình được thiết kế sẵn

Công nghệ khoan CNC với độ chính xác cao được sử dụng để tạo ra các lỗ trên bề mặt khối sản phẩm theo đúng yêu cầu sản xuất [4]

Công nghệ CNC được ứng dụng để mài phẳng bề mặt các vật liệu, đặc biệt là những loại có độ cứng cao như thép cứng, hợp kim cứng, hoặc vật liệu giòn như thủy tinh và đá granite Máy CNC không chỉ làm nhẵn mịn và mài mòn mà còn loại bỏ các chất thừa bám trên bề mặt, mang lại bề mặt bóng đẹp và hoàn thiện.

1.1.3.5 Gia công cắt bánh răng CNC

Giới thiệu về thiết kế sinh học

Thiết kế sinh học (Biomimetic/Biomimicry) là quá trình con người mô phỏng các hình thức và hệ thống sinh học từ thiên nhiên để phát triển giải pháp kỹ thuật cho nhiều lĩnh vực khoa học, bao gồm thiết kế và kiến trúc Với tiềm năng áp dụng lớn từ các nguyên tắc và cơ chế của Phỏng Sinh học, nhiều công nghệ tiên tiến có thể được phát triển, giúp giải quyết các vấn đề như khả năng tự sửa chữa, chống ăn mòn, chống thấm nước, tự lắp ráp và khai thác năng lượng mặt trời Thuật ngữ này lần đầu tiên được nhắc đến bởi các nhà vật lý sinh học Mỹ và nhà bác học Otto Schmitt vào những năm 1950, trong nghiên cứu về dây thần kinh mực ống Tuy nhiên, những ví dụ rõ rệt về Phỏng Sinh học chỉ xuất hiện vào năm 1982, và thuật ngữ “thiết kế sinh học” được phổ biến hơn nữa vào năm 1997 nhờ tác giả Janine Benyus qua cuốn sách "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature".

Hình dáng của sinh vật đã trở thành nguồn cảm hứng phong phú cho nhiều thiết kế, vượt xa những cơ chế sinh học phức tạp Nhiều ứng dụng thiết kế hiện nay được phát triển dựa trên hình dạng của các loài sinh vật, chứng tỏ sức mạnh sáng tạo từ thiên nhiên.

1.2.1 Giới thiệu cây bông súng

Tên thường gọi: Cây Hoa Súng, Cây Bông Súng

Tên khoa học: Nymphaea rubra / Nymphaea Spp

Họ thực vật: Nymphaeaceae (họ Súng)

Cây Bông Súng, có nguồn gốc từ tiểu lục địa Ấn Độ, đã lan rộng sang nhiều nước khác từ thời cổ đại Loại cây này không chỉ mang giá trị cảnh quan lớn mà còn được sử dụng để trang trí cho các ao, hồ và vườn hoa tại Thái Lan và Myanmar.

Tại Việt Nam loài cây này được phân bố rộng khắp các vùng miền

Lá Hoa Súng là lá đơn mọc cách, có hình dạng tròn hoặc xoan với bìa răng cưa thưa Mặt dưới lá không có lông, màu lam hoặc tím đậm, trong khi mặt trên nhẵn và màu xanh bóng Lá thường xẻ thùy sâu hoặc hình tròn, với gân to tròn nổi rõ ở mặt dưới Thân bông súng có tiết diện hình tròn, bên trong chứa ống nhỏ dọc theo chiều dài của thân.

1.2.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Dưới đây là một số ứng dụng của thiết kế sinh học trong việc thiết kế và chế tạo

Hình 1.2: Ghế Bướm thiết kế bởi Eduardo Garcia Campos trong cuộc thi A Design Award

Hình 1.3: Đền hoa sen Đền Hoa Sen (The Lotus Temple) - New Delhi, Ấn Độ [7]

Cá hộp, mặc dù có hình dáng cồng kềnh, lại sở hữu sức cản dòng chảy thấp với hệ số cản chỉ 0,06, trong khi chim cánh cụt bơi trong nước có hệ số cản cao hơn là 0,19.

Vào năm 2005, Mercedes Benz đã phát triển Xe Bionic, lấy cảm hứng từ cấu trúc mạnh mẽ và khối lượng nhẹ của cá hộp Xe Bionic nổi bật với khả năng giảm lực cản, độ cứng cao, trọng lượng nhẹ và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn đáng kể so với các loại xe truyền thống.

Mặc dù thiết kế tự nhiên có vẻ hoàn hảo, nhưng không phải lúc nào nó cũng hiệu quả trong thiết kế công nghiệp Sự hiếm hoi của các phương tiện có hình dạng Ôtô Bionic trên đường có thể liên quan đến một nghiên cứu năm 2015, cho thấy rằng hình dạng của cá nắp hòm không làm giảm lực cản và thực tế còn làm tăng sự không ổn định.

Hình 1.4: Concept thiết kế xe hơi Bionic - Mercedes Benz lấy cảm hứng từ cá nắp hòm [7]

Hình 1.5:Chim bói cá và tàu Shinkansen [7]

Nhật Bản nổi tiếng với tốc độ và hiệu quả của các chuyến tàu, đặc biệt là tàu cao tốc chạy với vận tốc trên 300km/h Tuy nhiên, sự xuất hiện của tàu từ các đường hầm gây ra âm thanh bùng nổ lớn do sự thay đổi áp suất không khí, tạo ra ô nhiễm tiếng ồn Vấn đề này đã làm phiền cư dân địa phương và đặt ra thách thức cho các kỹ sư trong việc tìm kiếm giải pháp khắc phục.

Cảm hứng từ chim bói cá, tàu cao tốc Shinkansen đã được thiết kế với mũi hình mỏ dài, giúp giảm thiểu tiếng ồn và tiết kiệm năng lượng Thiết kế này không chỉ làm giảm tiếng ồn mà còn giúp tàu tiêu thụ ít điện hơn 15% và di chuyển nhanh hơn 10% so với các mẫu trước đó.

Một trong những ví dụ đầu tiên về thiết kế sinh học là nghiên cứu cánh của các loài chim nhằm phát triển máy bay Dù không thành công trong việc chế tạo một chiếc máy bay hoàn hảo, nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới cho ngành hàng không.

Leonardo da Vinci (1452-1519) đã có những đóng góp quan trọng cho ngành hàng không khi ông nghiên cứu giải phẫu học của chim và thực hiện các phác thảo dựa trên những quan sát của mình về "máy bay" Những ý tưởng này đã mở đường cho các phát minh sau này, đặc biệt là những nỗ lực của anh em nhà Wright trong việc chế tạo máy bay thực sự.

Khóa dán (khóa Velcro) là một phát minh nổi bật trong thiết kế sinh học, được tạo ra bởi kỹ sư người Thụy Sĩ George de Mestral vào năm 1941 sau khi ông quan sát sự bám dính của những quả gai trên lông chó của mình trong một chuyến đi săn ở vùng Alps Thiết kế này gồm hai dải sợi nilông, một nhám và một trơn, có khả năng dính chặt khi bị ép lại, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng Dù cho sản phẩm như giày dép hay áo khoác có cũ kỹ, băng khóa dán vẫn hoạt động hiệu quả, minh chứng cho sự thành công trong việc ứng dụng ý tưởng từ thiên nhiên vào công nghệ.

Hình 1.6: Bản vẽ máy bay được lấy ý tưởng từ loài chim [7]

Hình 1.7: Khóa dán (khóa velcro) [7]

Những móc nhỏ ở cuối mỗi chiếc gai trên quả gai đã gợi cảm hứng cho một phát minh mà nay thì đã có mặt ở khắp mọi nơi

Dự án BioArch, do nhóm thiết kế gồm Elnaz Amiri, Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin Mohamadi từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại Iran thực hiện, áp dụng các chiến lược thiết kế sinh học lấy cảm hứng từ vỏ ốc sa mạc Tòa nhà được thiết kế để tự động chống lại ánh sáng mặt trời gay gắt trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt của sa mạc Iran, nơi nhiệt độ trung bình đạt 43 độ C và có thể lên tới 65 độ C Các bề mặt cong của tòa nhà giúp giảm thiểu bức xạ mặt trời, đồng thời chia thành các vùng lớp tạo ra khu vực đệm và thoát nhiệt từ bề mặt cát nóng, cung cấp độ ẩm và thông gió tự nhiên cho không gian sống.

Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh

Chất mang nhiệt, hay còn gọi là môi chất, là những chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn so với chất gia công, được sử dụng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công.

Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng Các chất này có nhiệt độ khác nhau [9]

12 Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết bị, người ta quy ước:

- Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ1

- Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ2

- Dùng dấu “′” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ1 ′ ; ϕ2 ′

- Dùng dấu “″” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ1 ″ ; ϕ2 ″ Ví dụ: Cl1, t1 ', t1 '', Cl2, t2 ', t2 ''

1.3.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTĐN

TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp) là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất tương tác trực tiếp, thực hiện đồng thời quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, từ đó tạo ra một hỗn hợp Ví dụ điển hình là bình gia nhiệt nước bằng cách sục một dòng hơi.

TBTĐN hồi nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt quay, nơi chất lỏng 1 nhận nhiệt và chất lỏng 2 tỏa nhiệt Quá trình trao đổi nhiệt này không ổn định và có sự dao động nhiệt trong bề mặt trao đổi Một ví dụ điển hình là bộ sấy không khí quay trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện.

TBTĐN vách ngăn là loại thiết bị truyền nhiệt có vách rắn ngăn cách giữa chất lỏng nóng và lạnh, cũng như giữa hai chất lỏng truyền nhiệt Với khả năng đảm bảo độ kín tuyệt đối, TBTĐN vách ngăn giúp duy trì tính tinh khiết và vệ sinh cho chất gia công, đồng thời đảm bảo an toàn cho quy trình Chính vì vậy, loại thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công nghệ khác nhau.

TBTĐN kiểu ống nhiệt là hệ thống truyền nhiệt hiệu quả, sử dụng ống nhiệt để chuyển giao nhiệt từ chất lỏng nóng sang chất lỏng lạnh Trong quá trình này, môi chất trong ống nhiệt hấp thụ nhiệt từ chất lỏng nóng, sau đó sôi và biến thành hơi bão hòa khô, tiếp tục truyền nhiệt đến chất lỏng lạnh, nơi nó ngưng tụ trở lại thành chất lỏng.

Hình 1.9: Sơ đồ khối của TBTĐN [9]

Trong ống nhiệt, môi chất trải qua quá trình sôi, ngưng và tuần hoàn, giúp tải một lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2, sau đó trở về vùng nóng để lặp lại chu trình.

Bình gia nhiệt hỗn hợp (TBTDN Tiếp xúc), thùng gia nhiệt khí hồi nhiệt (TBTDN hồi nhiệt), bình ngưng ống nước (TBTDN vách ngăn) và lò hơi ống nhiệt (TBTDN kiểu ống nhiệt) là những thiết bị quan trọng trong hệ thống gia nhiệt, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

1.3.2.2 Phân loại TBTĐN theo sơ đồ chuyển động chất lỏng, với loại

TBTĐN có vách ngăn được phân loại thành các sơ đồ khác nhau Đầu tiên, sơ đồ song song cùng chiều cho phép dòng chảy liên tục Tiếp theo, sơ đồ song song ngược chiều tạo ra sự tương tác hiệu quả giữa các dòng Sơ đồ song song đổi chiều mang lại tính linh hoạt trong quá trình hoạt động Bên cạnh đó, sơ đồ giao nhau 1 lần và sơ đồ giao nhau nhiều lần giúp tối ưu hóa việc phân phối và quản lý lưu lượng.

1.3.2.3 Phân loại TBTĐN theo thời gian

- Thường phân ra 2 loại: Thiêt bị liên tục (ví dụ bình ngưng, calorife) và thiết bị làm việc theo chu kỳ (nồi nấu, thiết bị sấy theo mẻ)

1.3.2.4 Phân loại TBTĐN theo công dụng

- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm (Ví dụ nồi nấu, lò hơi)

- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường (Ví dụ tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu)

- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhỏ hơn môi trường (Ví dụ tủ cấp đông, tủ lạnh) [9]

Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

1.4.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng toàn cầu đang hướng tới việc thu nhỏ kích thước thiết bị nhằm bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng Các bộ trao đổi nhiệt lớn hiện tại chiếm nhiều diện tích nhưng lại có hiệu suất không cao Để tăng công suất giải nhiệt, thường phải tăng kích thước thiết bị, điều này không phải là giải pháp tối ưu Vì vậy, cần nghiên cứu và phát triển bộ trao đổi nhiệt với hiệu suất truyền nhiệt cao hơn, kích thước nhỏ gọn và chi phí hợp lý.

1.4.2 Lý do chọn đề tài

Chúng tôi nhận thấy rằng ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về thiết bị trao đổi nhiệt theo thiết kế sinh học Dựa trên ý tưởng ứng dụng thiết kế sinh học từ thân cây bông súng vào ống trao đổi nhiệt, chúng tôi hy vọng sẽ cải thiện hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị này Do đó, chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và mô phỏng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện.”

Để tối ưu hóa kích thước cho quá trình trao đổi nhiệt, cần thực hiện quy trình thu thập số liệu từ các thí nghiệm thực tế Sau đó, so sánh những dữ liệu này với kết quả mô phỏng bằng phần mềm Ansys nhằm đưa ra những kết luận chính xác.

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được lựa chọn là thiết bị trao đổi nhiệt được CNC từ nhôm theo kích thước 1 phần cây bông súng

Trong đồ án này, dưới sự hướng dẫn của giáo viên, nhóm chúng em nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng truyền nhiệt của thân cây bông súng trong ống trao đổi nhiệt Chúng em mong muốn mô phỏng cấu trúc sinh học của thân cây bông súng để tạo ra thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu suất cao.

Các phần mềm hỗ trợ

Một số phương tiện hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu:

 Phần mềm Inventor Professional 2019: Phân mềm Inventor hỗ trợ trong việc thiết kế và xây dựng mô hình 3D

Phần mềm Ansys 2014 là công cụ mạnh mẽ hỗ trợ mô hình hóa các vấn đề liên quan đến dòng chảy của lưu chất, bao gồm cả lưu chất nén và không nén, cũng như các hiện tượng chảy tầng và chảy rối.

Phần mềm Minitab 19 hỗ trợ xử lý kết quả từ quá trình mô phỏng, giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến mô hình.

KHÁI QUÁT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các nghiên cứu về thiết kế sinh học trên thế giới

2.1.1 Nghiên cứu về thiết kế sinh học của thiết bị trao đổi nhiệt

Bài nghiên cứu khoa học này trình bày cơ sở phỏng sinh học cho các cấu trúc trao đổi nhiệt, được lấy cảm hứng từ thiết kế của lá thực vật Nghiên cứu nhằm khám phá cách mà các đặc điểm tự nhiên của lá có thể được áp dụng để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt trong các hệ thống nhân tạo Thông qua việc phân tích cấu trúc và chức năng của lá, nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế sáng tạo, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng và bền vững trong các ứng dụng công nghệ.

Nghiên cứu từ Trường Nghệ thuật và Khoa Sinh học Myers, thuộc Trung tâm Nghiên cứu và Đổi mới Biomimicry, Đại học Akron, đã tập trung vào thiết kế sinh học dựa trên hình dạng lá cây sồi Mục tiêu của thí nghiệm là định lượng sự khác biệt về hình dạng giữa lá che nắng và lá bóng râm của nhiều loài cây sồi Bắc Mỹ thuộc giống Quercus, nhằm nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt với môi trường.

2.1.2 Cao ốc EASTGATE được xây dựng dựa theo cấu trúc tổ mối

Mối thường bị xem là loài phá hoại, nhưng thực tế, chúng là những kỹ sư xây dựng tài ba Nhiều đền thờ Hồi giáo ở Mali được thiết kế dựa trên cấu trúc tổ mối, với tường dày và hệ thống thông khí hiệu quả, giúp duy trì nhiệt độ mát mẻ bên trong Hệ thống tổ mối không chỉ thể hiện khả năng xây dựng mà còn mang lại những lợi ích đáng kể cho môi trường sống.

Hình 2.1 minh họa ngân sách trao đổi nhiệt của thực vật và tính dị hình của lá, với sự so sánh giữa lá che nắng và bóng râm từ các loài sồi khác nhau Việc nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về cách thức các loại lá tương tác với môi trường và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt của cây.

Mỗi tổ mối luôn có kết nối với nguồn nước, cho phép không khí lạnh bên ngoài đi qua các lỗ trên mặt đất Sự kết hợp giữa không khí lạnh và nước ngầm tạo ra lớp hơi nước làm mát xung quanh Khi không khí này tiếp xúc với bầy mối bên trong, nó sẽ nóng lên, trở nên nhẹ hơn và thoát ra ngoài Trung tâm của gò mối có một ống thông khí kết nối với mạng lưới đường hầm phức tạp, trong khi cấu trúc tường xốp cho phép không khí đi vào và thoát ra qua ống thông khí Quá trình luân chuyển không khí này duy trì lượng oxy cần thiết và ổn định nhiệt độ trong tổ mối.

Cao ốc Eastgate tại Harare, thiết kế bởi kiến trúc sư Mick Pearce và kỹ sư Arup, không sử dụng điều hòa không khí hay sưởi ấm thông thường nhưng vẫn duy trì nhiệt độ ổn định quanh năm ở mức 27°C Dựa trên nguyên lý thông gió của tổ mối, tòa nhà tiết kiệm 90% nhu cầu năng lượng, tương đương 3.5 triệu USD so với các công trình cùng quy mô Hệ thống làm mát của Eastgate có chi phí chỉ bằng 1/10 so với các hệ thống thông thường và tiêu thụ ít hơn 35% năng lượng so với các công trình tương tự.

Giới thiệu về phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp hoạch định yếu tố toàn phần và yếu tố phần

Phương pháp Taguchi dựa trên bảng hoạch định trực giao (OA – Orthogonal Arrays) xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

Các yếu tố có thể có 2, 3, 4 mức độ

Phương pháp Taguchi hiệu quả nhất khi áp dụng cho từ 3 đến 50 yếu tố khảo sát, với số lượng tương tác thấp và chỉ khi có một vài yếu tố quan trọng.

Phương pháp Taguchi, hay còn gọi là phương pháp thiết kế mạnh mẽ, là một phương pháp thống kê được phát triển bởi Genichi Taguchi (1924-).

Phương pháp Taguchi, được áp dụng từ năm 2012, đã góp phần cải thiện chất lượng hàng hóa sản xuất và hiện nay cũng được ứng dụng trong kỹ thuật, công nghệ sinh học, tiếp thị và quảng cáo Các nhà thống kê chuyên nghiệp đánh giá cao các mục tiêu và cải tiến mà phương pháp này mang lại, đặc biệt là trong việc phát triển các thiết kế nghiên cứu biến thể Tuy nhiên, một số đề xuất của Taguchi vẫn bị chỉ trích vì tính không hiệu quả.

Công việc của Taguchi bao gồm ba đóng góp chính cho thống kê:

 Một chức năng mất cụ thể

 Triết lý kiểm soát chất lượng ngoại tuyến

 Những đổi mới trong thiết kế thí nghiệm

Taguchi đã học lý thuyết thống kê chủ yếu từ Ronald A Fisher và phản ứng với các phương pháp thiết kế thí nghiệm của Fisher Ông cho rằng các phương pháp này cần được điều chỉnh để cải thiện kết quả trung bình của quy trình Công việc của Fisher chủ yếu nhằm so sánh năng suất nông nghiệp qua các phương pháp xử lý khác nhau, và các thí nghiệm này là một phần trong chương trình dài hạn nhằm nâng cao hiệu quả thu hoạch.

Taguchi nhận thấy rằng trong sản xuất công nghiệp, có nhu cầu tạo ra kết quả đúng mục tiêu Ông lập luận rằng kỹ thuật chất lượng cần bắt đầu bằng việc hiểu rõ chi phí chất lượng trong các tình huống khác nhau Trong nhiều kỹ thuật công nghiệp thông thường, chi phí chất lượng thường được thể hiện đơn giản qua số lượng.

Taguchi nhấn mạnh rằng các nhà sản xuất cần mở rộng tầm nhìn để xem xét chi phí xã hội bên cạnh chi phí sản xuất Mặc dù chi phí ngắn hạn có thể chỉ là chi phí không phù hợp, nhưng bất kỳ sản phẩm nào được sản xuất với chất lượng kém sẽ gây tổn thất cho khách hàng và cộng đồng do hao mòn sớm và khó khăn trong việc giao tiếp với các bộ phận khác Những tổn thất này thường bị bỏ qua, vì các nhà sản xuất thường chỉ quan tâm đến chi phí tư nhân Việc không tính đến các tác động bên ngoài này ngăn cản thị trường hoạt động hiệu quả Taguchi lập luận rằng những tổn thất này cuối cùng sẽ ảnh hưởng trở lại đến doanh nghiệp, và nếu các nhà sản xuất làm việc để giảm thiểu chúng, họ sẽ nâng cao uy tín thương hiệu, giành được thị trường và tạo ra lợi nhuận.

2.2.2 Mục tiêu của phương pháp Taguchi

Chất lượng sản phẩm cần được đảm bảo ngay từ giai đoạn thiết kế, thông qua các yếu tố như thiết kế hệ thống, thiết kế tham số và thiết kế dung sai Trong đó, thiết kế tham số đóng vai trò quan trọng, được thực hiện bằng cách xác định các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm và thiết kế chúng nhằm đạt được mục tiêu chất lượng cụ thể Chất lượng "được kiểm tra" của sản phẩm ám chỉ rằng sản phẩm được sản xuất với mức chất lượng ngẫu nhiên, và những sản phẩm có giá trị vượt quá giới hạn cho phép sẽ bị loại bỏ.

Để đạt được chất lượng tối ưu, cần giảm thiểu sai số so với tiêu chuẩn Sản phẩm cần được thiết kế để chống lại các yếu tố môi trường không thể kiểm soát Điều này có nghĩa là cần phải kiểm soát tốt các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Chi phí chất lượng cần được đánh giá dựa trên mức độ sai lệch so với tiêu chuẩn, và các tổn thất phải được xem xét trong toàn bộ hệ thống Điều này liên quan đến khái niệm chuyển đổi tổn thất, phản ánh những thiệt hại chung mà khách hàng và xã hội phải gánh chịu do sản phẩm có chất lượng kém.

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm:

Phương pháp Taguchi nổi bật với việc tập trung vào hiệu suất trung bình của giá trị, thay vì chỉ chú trọng vào các giá trị nằm trong giới hạn kỹ thuật cụ thể, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm Bên cạnh đó, thiết kế thử nghiệm của Taguchi cũng rất đơn giản, giúp dễ dàng áp dụng trong thực tiễn.

Phương pháp Taguchi là một kỹ thuật mạnh mẽ và đơn giản, dễ áp dụng cho nhiều tình huống Nó giúp nhanh chóng thu hẹp phạm vi của các dự án nghiên cứu dữ liệu đã tồn tại và cho phép phân tích nhiều thông số khác nhau mà không cần thực hiện quá nhiều thử nghiệm.

Phương pháp Taguchi có nhược điểm chính là kết quả thu được chỉ mang tính tương đối và không xác định được tham số nào có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất Bên cạnh đó, do các mảng trực giao không kiểm tra tất cả các biến kết hợp, việc tính toán các tham số trở nên khó khăn Hơn nữa, phương pháp này chủ yếu tập trung vào thiết kế chất lượng bên trong, dẫn đến việc ưu tiên phát triển quá trình sản xuất.

Hoạch định taguchi – hoạch định thí nghiệm

Chỉ có yếu tố chính và tương tác bậc 1 giữa 2 yếu tố là quan trọng Tương tác bậc cao xem như không đáng kể

Nhà nghiên cứu cần xác định các tương tác quan trọng trước khi thực hiện nghiên cứu Bảng hoạch định trực giao Taguchi được thiết kế dựa trên việc kết hợp các hình vuông Latin một cách nhất quán để tối ưu hóa quá trình phân tích.

Tính chất bảng hoạch định trực giao:

Các cột phải trực giao – tổng số tích số các mức độ tương ứng của 2 cột bằng 0

Việc thay đổi giá trị ở các cột trong bảng qui hoạch trực giao sẽ ảnh hưởng đến giá trị của các cột khác do tính chất trực giao của chúng Vì lý do này, các bảng qui hoạch trực giao thường được xây dựng và có thể được tìm thấy trong nhiều tài liệu.

Các bước tiến hành

Chọn số mức độ cho mỗi biến

Chọn các biến và tương tác

Xác định các yếu tố và mức độ vào bảng trực giao

2.4.1 Chọn yếu tố khảo sát

Lựa chọn các yếu tố khảo sát và tương tác là rất quan trọng trong quá trình hoạch định Để xây dựng một danh sách các yếu tố cần khảo sát, cần có kiến thức sâu về vấn đề và tham khảo các nghiên cứu trước đó.

2.4.2 Chọn mức độ khảo sát

Mức độ khảo sát cho các yếu tố chính được xác định dựa trên ảnh hưởng của chúng đến đáp ứng Nếu ảnh hưởng là tuyến tính, chỉ cần chọn 2 mức độ Ngược lại, nếu ảnh hưởng phi tuyến, số mức độ có thể là 3 hoặc 4, tùy thuộc vào mối quan hệ bậc 2 hay bậc 3.

Khi chưa xác định rõ mối quan hệ, nên chọn số mức độ là 2 Sau khi phân tích dữ liệu thí nghiệm, quyết định số mức độ sẽ dựa vào phần trăm đóng góp và sai số.

2.4.3 Chọn bảng quy hoạch trực giao

Trước khi lựa chọn bảng trực giao, cần xác định số thí nghiệm tối thiểu cần thực hiện dựa trên tổng số độ tự do trong khảo sát Số thí nghiệm tối thiểu phải lớn hơn hoặc bằng tổng số độ tự do để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của nghiên cứu.

 Độ tự do của giá trị trung bình: 1

 Độ tự do của các yếu tố chính: n – 1; với n là số mức độ của yếu tố

 Độ tự do của tương tác bằng tích số độ tự do của các yếu tố chính.

Bảng 2.2: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi Ấn định các yếu tố ảnh hưởng vào bảng trực giao

Vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mối quan hệ giữa chúng Khi có nhiều mức độ, bảng trực giao sẽ quy định vị trí cụ thể của từng yếu tố.

Việc ấn định vị trí của các yếu tố trong bảng trực giao có thể được trợ giúp bằng các công cụ của hoạch định Taguchi

Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần xác định mức độ thực tế của các yếu tố chính, vì phần trăm đóng góp và ý nghĩa của các yếu tố phụ thuộc vào mức độ thực tế này.

2.4.4 Phân tích dữ liệu thí nghiệm

 Đây là khâu quan trọng trong đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến đáp ứng

 Việc phân tích có thể thực hiện bằng phương pháp Anova, tỉ số S/N (Signal Noise⁄ ) hay phần trăm đóng góp

 Tỉ số /𝑁 (𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒⁄ ) Đánh giá bằng tỉ số SN

Bảng 2.3:Bảng tiêu chuẩn với giá trị trung bình TN

Mô Phỏng P1 P2 P3 Trial1 Trial2 … Trialn

 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố:

 Tối thiểu hóa đáp ứng:

 u: số lần thử nghiệm của mô phỏng

 Ni: Number of trials for experiment i

Sau khi tính được giá trị SN ta thiết lập bảng kèm theo giá trị SN, tính giá trị trung bình của SN cho từng cấp độ,

Bảng 2.4: Bảng thí nghiệm tiêu chuẩn với giá trị SN

Sau khi tính toán giá trị trung bình của 𝑆/𝑁, chúng ta sẽ ghi lại các giá trị vào bảng và xác định giá trị R (rank) bằng cách so sánh các giá trị ∆ trong bảng Giá trị R bằng 1 sẽ biểu thị yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất, trong khi các giá trị khác sẽ giảm dần theo mức độ ảnh hưởng.

Bảng 2.5: Bảng giá trị trung bình của tỷ số SN

* Xử lý số liệu bằng phương pháp anova mở rộng

Sử dụng bảng số liệu từ phương pháp Taguchi

Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng với giá trị Means

TN P1 P2 P3 Trial1 Trial2 Trial3 Means

Từ công thức tính toán Anova sử dụng cho 2 yếu tố, ta mở rộng công thức cho 3 yếu tố để phù hợp tính toán số liệu:

 a: là số level của yếu tố P1

 b: là số level của yếu tố P2

 c: là số level của yếu tố P3

 n: số thí nghiệm thự hiện

 i: số thứ tự Level yếu tố P1

 j: số thứ tự Level yếu tố P2

 k: số thứ tự Level yếu tố P3

Giới thiệu về phần mềm Inventor

Autodesk Inventor, phần mềm thiết kế 3D cơ khí do công ty Autodesk _USA phát triển, cho phép tạo ra nguyên mẫu kỹ thuật số 3D để hình dung, thiết kế và mô phỏng sản phẩm trong môi trường 3D Với các công cụ mô phỏng và phân tích tích hợp, Inventor hỗ trợ người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến chi tiết máy phức tạp, đồng thời giúp trực quan hóa sản phẩm Phần mềm còn kết hợp CAD và các công cụ giao tiếp thiết kế, nâng cao năng suất làm việc và giảm thiểu lỗi, tiết kiệm thời gian Đặc biệt, module Design Accelerator trong Inventor giúp tính toán và thiết kế các chi tiết điển hình như trục, bánh răng, then, lò xo, bulong và đai ốc, giảm bớt khối lượng công việc cho các nhà thiết kế.

Phần mô hình hóa kết hợp mô hình khối đặc và bề mặt để tạo ra các hình học phức tạp Công cụ tạo vân sọc và phân tích quang phổ giúp kiểm tra độ tiếp tuyến, liên tục và độ cong Người dùng có thể tái sử dụng các chi tiết trong nhiều dự án khác nhau.

Phần lắp ráp (assembly) thiết kế kết hợp giữa chi tiết và cụm chi tiết Người dùng có thể kiểm tra xung đột giữa các chi tiết

Phần thiết kế đường ống (Pipe & Tube) cho phép người dùng tạo ra các ống phức tạp trong không gian hạn chế, đi kèm với thư viện các phụ kiện đường ống tiêu chuẩn công nghiệp Người thiết kế chỉ cần chạy đường dẫn và chỉ định thuộc tính từ thư viện này Ngoài ra, thiết kế khuôn ép nhựa (Mold design) được hỗ trợ bởi phần mềm moldflow, giúp phân tích toàn bộ hệ thống khuôn với độ chính xác cao, bao gồm phân tích sản phẩm nhựa đa vật liệu, quá trình ép phun và tương tác biến đổi nhiệt độ của sản phẩm cùng hệ thống khuôn.

Phần kim loại tấm (Sheet Metal) giúp tự động hóa thiết kế đa dạng cho các bộ phận kim loại tấm Người dùng có khả năng tạo mô hình tấm phẳng, điều khiển quá trình gấp kim loại tấm, thiết lập thư viện tùy chỉnh và sản xuất bản vẽ hỗ trợ cho hoạt động chế tạo tấm kim loại.

Phần thiết kế khung (Frame Generator) hỗ trợ người dùng trong việc thiết kế và phát triển khung hàn cho các ứng dụng máy móc công nghiệp Công cụ này cho phép xây dựng kết cấu khung bằng cách kéo thả các chi tiết vào khung dây đã được xác định trước, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế Sau khi hoàn tất thiết kế khung dây, người dùng chỉ cần xác lập lại các thành phần từ thư viện thép hình có sẵn.

Phần Cable (Cáp & Dây điện) cung cấp một thư viện đa dạng các loại dây và cáp điện, cho phép thiết kế hệ thống điện với bán kính uốn hợp lý Điều này giúp tạo ra mô hình thiết kế chính xác và thực tế nhất cho các ứng dụng điện.

Phần mô phỏng chuyển động tích hợp mô phỏng và phân tích ứng suất, giúp dự đoán phản ứng của thiết kế trước các tác động vật lý trong môi trường thực, từ đó tối ưu hóa thiết kế hiệu quả hơn.

Inventor có khả năng kết hợp và trao đổi dữ liệu với nhiều phần mềm khác thông qua các định dạng tập tin như IPT cho chi tiết, IAM cho cụm và IDW hoặc DWG cho bản vẽ Người dùng có thể nhập hoặc xuất tập tin ở định dạng DWG, trong khi định dạng DWF của Autodesk hỗ trợ trao đổi dữ liệu 2D/3D dễ dàng Inventor tương thích với hầu hết phần mềm của Autodesk và có thể trao đổi dữ liệu với các ứng dụng như CATIA V5, UGS, SolidWorks và ENGINEER/Pro Ngoài ra, Inventor hỗ trợ nhập và xuất trực tiếp các định dạng như CATIA V5, JT 6, JT 7, Parasolid, Granite, UG-NX, SolidWorks và Pro/E, cùng với các tập tin SAT Người dùng cũng có thể xuất bản các bản vẽ, tập tin PDF, mô hình 3D chi tiết, cụm lắp ráp ở định dạng SAT hoặc JT, và tạo các file STL cho máy in 2D và 3D.

Presentation Modeling là một công cụ hữu ích cho việc mô phỏng quy trình lắp ráp các chi tiết, giúp tái hiện chính xác các bước trong quy trình lắp ráp thực tế của cụm chi tiết.

Phân tích trong phần mềm Inventor giúp xác định trường ứng suất và biến dạng của chi tiết khi chịu tác động từ các loại tải trọng khác nhau, bao gồm lực tập trung, lực phân bố theo diện tích, momen và thể tích.

Inventor cho phép người dùng trao đổi dữ liệu với hầu hết các phần mềm của Autodesk Phần mềm này cung cấp nhiều công cụ hữu ích giúp đơn giản hóa, nhận diện và chuyển đổi thiết kế 3D cho người dùng AutoCAD.

2.5.2 Xây dựng model bằng phần mềm Inventor 2019

Cấu tạo model được chia làm 2 phần: Phần khối ống đa diện và bộ ống góp

Dựa trên đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước và biên dạng thân cây bông súng đến khả năng trao nhiệt của ống đa diện” của sinh viên K15, kết quả cho thấy kích thước của mô hình tối ưu có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ.

Bảng 2.7: Kích thước model

D (mm) d (mm) D max (mm) D min (mm) L (mm)

D: là chiều dài đường kính ngoài của ống (mm) d: là chiều dài đường kính đường tròn ngoài của khối ống đa diện (mm)

Dmin: là đường kính nhỏ của biên dạng cánh hoa (mm)

Dmax: là đường kính lớn của biên dạng cánh hoa (mm)

L: là khoảng cách của Dmax và Dmin (mm)

Hình 2.3: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện

Hình 2.4: Model được xây dựng bằng phần mềm

Do kích thước thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ, việc thực nghiệm và gia công gặp khó khăn Chúng tôi đã tham khảo nghiên cứu trên INL về “Kỹ thuật phân tích tỷ lệ” để thiết lập thực nghiệm kiểm tra thành phần và hệ thống kết hợp Nghiên cứu này cung cấp phương pháp luận để chia tỷ lệ các thành phần nguyên mẫu sang mô hình mới Bộ trao đổi nhiệt là một trong những thành phần chính trong tích hợp năng lượng, vì vậy phần này tập trung vào bộ trao đổi nhiệt và minh họa phương pháp chia tỷ lệ cho các thành phần khác.

Hình 2.5: Hình minh họa về bộ trao đổi nhiệt ban đầu và sau khi thu phóng

Bảng 2.8: Bảng thu gọn các tham số tỷ lệ

Hydraulic diameter (Dh) Dh,m = Dh,p / Sf m Lenghth (L) Lm = Lp / Sf m Flow area (Af) Af,m = Af,p / Sf 2 m 2

Surface area (As) As,m = As,p / Sf 2 m 2

Từ đó chúng em đã phóng kích thước ban đầu của thiết bị trao đổi nhiệt lên 4 lần và có các thông số như sau:

Bảng 2.9: Số liệu kích thước ống đa diện tối ưu theo nhiệt độ

D (mm) d (mm) D max (mm) D min (mm) L (mm)

Hình 2.6: Kích thước mặt cắt ngang khối ống đa diện sau khi tăng 4 lần

35 a Phần khối ống đa diện

Bộ phận quan trọng của thiết bị là nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt Phần bộ góp nằm ở hai đầu của khối ống đa diện, có nhiệm vụ tiếp nhận chất lỏng vào và ra của mô hình, với kích thước như hình bên dưới.

Hình 2.7: Khối ống đa diện

Hình 2.8: Bộ góp xây dựng bằng phần mềm Inventor

Tiến hành mô phỏng

2.6.1 Giới thiệu về phần mềm Ansys

Ansys, Inc là công ty cổ phần Mỹ có trụ sở tại Canonsburg, Pennsylvania, chuyên phát triển và tiếp thị phần mềm mô phỏng kỹ thuật Phần mềm Ansys hỗ trợ thiết kế sản phẩm và chất bán dẫn, đồng thời cung cấp các mô phỏng để kiểm tra độ bền, phân bố nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng và các tính chất điện từ.

ANSYS là phần mềm đa năng, bao quát nhiều lĩnh vực vật lý, hỗ trợ can thiệp vào mô hình ảo và phân tích kỹ thuật trong các giai đoạn thiết kế Nhiều nhà đầu tư ưa chuộng phần mềm này nhờ vào khả năng phân tích hiệu quả và chi phí hợp lý.

Phần mềm Ansys tối ưu hóa quá trình thiết kế kỹ thuật bằng cách làm việc với các thông số biến động và hàm nhiều cấp bậc, đồng thời hỗ trợ thích nghi với các mô hình kỹ thuật mới Nhờ đó, Ansys nâng cao hiệu quả thiết kế, khuyến khích tính sáng tạo, giảm bớt ràng buộc và cho phép thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà các phần mềm khác không thể thực hiện được.

Phần mềm Ansys cho phép tạo ra các mô hình máy tính mô phỏng cấu trúc và thiết bị điện tử, giúp phân tích ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, và nhiều thuộc tính khác như phân bố nhiệt độ và lưu lượng chất lỏng Ansys hỗ trợ mô phỏng hoạt động của sản phẩm với các thông số kỹ thuật khác nhau mà không cần thử nghiệm thực tế, ví dụ như mô phỏng độ bền của cầu sau nhiều năm sử dụng hay thiết kế tấm ván trượt an toàn với ít vật liệu hơn Hầu hết các mô phỏng được thực hiện qua phần mềm Ansys Workbench, nơi người dùng thường chia nhỏ cấu trúc lớn thành các thành phần nhỏ để thử nghiệm riêng lẻ, bắt đầu từ việc xác định kích thước, trọng lượng, áp suất và các đặc tính vật lý khác.

Phần mềm Ansys cung cấp khả năng mô phỏng và phân tích chuyển động, tiêu chuẩn phá hủy, lưu lượng chất lỏng, phân bố nhiệt độ, hiệu quả điện từ và nhiều hiệu ứng khác theo thời gian.

2.6.2 Mô hình tính toán dòng chảy rối trong Ansys

Không có mô hình dòng chảy rối nào phù hợp cho tất cả các vấn đề; việc lựa chọn mô hình sẽ phụ thuộc vào điều kiện vật lý, thiết lập thực tế, mức độ chính xác cần thiết, tài nguyên tính toán và thời gian cho mô phỏng Để chọn được mô hình phù hợp nhất, cần hiểu rõ khả năng và giới hạn của các tùy chọn khác nhau.

Mô hình k-ε được xây dựng để giải quyết các bài toán về độ nén, mô hình hoá trao đổi nhiệt, sự vận động của lưu chất và truyền khối

Các mô hình chảy rối đơn giản nhất được giải quyết bằng hai phương trình riêng biệt, cho phép xác định độc lập mức vận tốc và độ rối của lưu chất Mô hình k-ε Standard trong Ansys Fluent đã trở thành công cụ tính toán phổ biến cho dòng chảy, nhờ vào tính kinh tế và độ chính xác hợp lý trong giải quyết các vấn đề dòng chảy và mô phỏng truyền nhiệt Đây là mô hình bán thực nghiệm, được xây dựng dựa trên quan sát thực tế kết hợp với kinh nghiệm.

Mô hình k-ε Standard có những ưu điểm và nhược điểm riêng, dẫn đến việc phát triển các mô hình cải tiến hiệu suất Hai biến thể nổi bật trong Ansys Fluent là RNG k-ε và Realizable k-ε.

Phương trình vận chuyển cho mô hình k-ε Standard được sử dụng để tính toán động năng chảy rối k và tốc độ triệt tiêu ε Các giá trị này được xác định thông qua các phương trình vận chuyển, theo tài liệu tham khảo [29].

Trong hai phương trình, G k đại diện cho động năng sinh ra từ vận tốc, trong khi G b thể hiện động năng chảy rối do lực nổi Y M phản ánh ảnh hưởng của biến thiên dòng chảy rối nén đến tốc độ triệt tiêu tổng thể Các hằng số C 1, C 2, C 3 cùng với  k đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả các yếu tố này.

 là các số Prandtl chảy rối cho k và ε, S k và S  là các thuật ngữ mà người dùng có thể tự định nghĩa [15]

Phần mềm Minitab

Minitab là phần mềm thống kê ứng dụng được phát triển vào năm 1972 tại Đại học Pennsylvania bởi Barbara F Ryan, Thomas A Ryan, Jr và Brian L Joiner Đây là phiên bản rút gọn của phần mềm OMNITAB và phần mềm phân tích thống kê của NIST.

Dựa trên thành công của phần mềm, Minitap Inc được thành lập vào năm 1983, với trụ sở chính tại Đại học Pennsylvania Công ty còn có các chi nhánh tại Coventry, Anh; Paris, Pháp; và Sydney, Úc.

 Hỗ trợ phân tích: Phân tích hệ thống đo lường; Phân tích khả năng; Phân tích đồ họa; Kiểm tra giả thuyết hồi quy DOE; Bảng kiểm soát

 Các dạng biểu đồ: Scatterplots, ma trận lô, ô vuông, dấu chấm, biểu đồ, biểu đồ, sơ đồ chuỗi thời gian, v.v

Trong bài viết này, chúng tôi thực hiện nhiều phương pháp thống kê cơ bản, bao gồm thống kê mô tả, thử nghiệm Z cho một mẫu, thử nghiệm t cho một và hai mẫu, cũng như thử nghiệm t cặp Ngoài ra, chúng tôi cũng tiến hành kiểm tra một và hai tỷ lệ, các thử nghiệm tỷ lệ Poisson cho một và hai mẫu, và kiểm tra phương sai một và hai Các khía cạnh khác như tương quan và hiệp phương sai, kiểm tra định mức, kiểm tra ngoại lệ, và kiểm tra mức độ phù hợp của Poisson cũng được đề cập.

 Các phương pháp hồi quy: Hồi quy tuyến tính và phi tuyến tính; Nghiên cứu ổn định…

 Phân tích phương sai: Anova; Kiểm tra phương sai bằng nhau; Mô hình hỗn hợp…

 Phân tích các hệ thống đo lường: Bảng tính thu thập dữ liệu; Biểu đồ chạy Gage…

 Công cụ chất lượng: Biểu đồ kiểm soát đa biến; Biểu đồ kiểm soát thời gian: MA, EWMA; …

 Các thiết kế thí nghiệm: Sàng lọc dứt khoát; thiết kế giai thừa hai cấp; thiết kế Taguchi

 Độ tin cậy: Phân tích probit; Phân tích Weibayes; … [16]

XỬ LÍ SỐ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG SỐ

Mô phỏng

Các bước tiến hành mô phỏng trên phần mềm Ansys

Bước 1: Khởi động và Import Geometry bằng Ansys Workbench 19.2

2 Chọn trên Component Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

3 Nhấp đôi chuột Geometry để đưa vào Project Schematic;

4 Ở Project Schematic nháy phải trên Geometry và chọn Import Geometry > Browse Tìm file Model.igs đã tạo bằng Inventor

5 Phải chuột vào Geometry vừa Inport và chọn Edit Geometry in DesignModeler

Bước 2: Edit Geometry - đặt tên và thay đổi thuộc tính Bodies

1 Nháy đúp chuột vào ô Geometry trong Project Schematic;

2 Trong hộp Tree Outline mục 3 Part, 3 bodies click phải vào từng Solid > Rename và đặt tên tương ứng shell, hot water, cold water;

3 Trong hộp Details mục Fluid/Solid chọn Fluid cho cold water và hot water;

4 Chọn đồng thời 3 Part, phải chuột và chọn From New Part

Hình 3.1: Import Geometry và Edit

Bước 3: Xây dựng Mesh a Khởi động Mesh

1 Chọn trên Component Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

2 Nhấp đúp chuột Mesh để đưa vào Project Schematic;

3 Ở Project Schematic nháy vào Geometry của ô A2 và kéo thả chuột sang Geometry của ô B2 > nháy đúp chuột vào Mesh và tiến hành tạo Mesh

Hình 3.2: Đặt tên và thay đổi thuộc tính

Hình 3.3: Khởi động Edit Mesh

2 nháy phải chuột chọn Create Named Selections và đặt tên tương ứng cho Wall shell,

Velocity inlet hot water, Velocity inlet cold water, Outflow cold water, Outflow hot water. c Tạo Mesh

1 Trong bảng tùy chọn chia lưới, chọn các tùy chọn chia lưới sau:

Hình 3.4: Điều kiện biên của mô phỏng

Hình 3.5: Thiết lập các thông số trong bảng tùy chọn tạo Mesh

2 Nhấp vào biểu tượng Generate Mesh trên thanh công cụ d Kiểm tra chất lượng mesh

1 Xét thông số Skewness trong ô Details of “Mesh” mục Quality

Theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất, chúng ta kiểm tra hai thông số Aspect Ratio và Skewness tương ứng với yêu cầu trong bộ giải Fluent

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn khuyến nghị cho thông số Skewness

Excellent very good good acceptable bad Inacceptable

The Skewness Max value observed is 0.8445, which falls within the acceptable range according to the ANSYS documentation, specifically in Appendix A - Mesh Quality of the ANSYS Meshing Application Introduction 2009.

Hình 3.6: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Skewness

Hình 3.7:Thông số Aspect Ratio và hướng dẫn yêu cầu chất lượng lưới cho FLUENT

Hình 3.9:Model sau khi được chia lưới

According to the ANSYS user manual, specifically Appendix A on Mesh Quality from the 2009 Meshing Application Introduction, the maximum Aspect Ratio of 11.002 is considered excellent, as it is significantly lower than the requirement of 40 for FLUENT.

3 Xét thông số Othogonal Quality

Giá trị tối thiểu của Orthogonality càng cao càng tốt, và trong nhiều trường hợp, chỉ cần giá trị Orthogonality trên 0.01 là đủ để đạt được sự hội tụ và kết quả phù hợp với thực nghiệm.

Bảng 3.2: Bảng tiêu chuẩn đánh giá thông số Othor Quality [20]

Hình 3.8: Kiểm tra chất lượng Mesh theo tiêu chuẩn Orthogonal Quality

Dựa theo bảng tiêu chuẩn và so sánh với kết quả thu được thì giá trị Min Orthogonal Quality bằng 0.155 và nằm trong khoảng chấp nhận được

Unacceptable Bad Acceptable Good Very good Excellent

Bước 4: Tạo và thiết lập Fluent

1 Chọn trên Analysis Systems trong hộp Toolbox của bảng điều khiển chính;

2 Nhấp đúp chuột Fluid Flow (Fluent) để đưa vào Project Schematic;

3 Ở Project Schematic nháy vào Mesh của ô B3 và kéo thả chuột sang Setup của ô C2

> nháy đúp chuột vào Setup và tiến hành thiết lập thông số

Bước 5: Setup Fluent a Setup General

1 Nháy chọn General trong Problem Setup;

2 Trong bảng giá trị General, chọn Pressure-Based cho Type, Absolute cho Velocity Formulation, Steady cho Time;

3 Nháy chọn ô Gravity và điền giá trị y = -9.81 (𝑚/𝑠 2 ); b Setup Models

1 Nháy chọn Models trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Models, nháy chọn Energy - off > Energy Equation > OK để chuyển sang Energy - On;

Hình 3.10: Setup thông số Models

3 Ở bảng thông số Models, nháy chọn Viscous - Laminar > Strandard k-epsilon (2 eqn)

1 Nháy chọn Materials trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số, nháy Create/Edit Materials > FLUENT Database Materials > water liquid (h2o) > Copy

Hình 3.11: Thêm thuộc thính vật liệu cho mô hình e Setup Cell Zone Conditions

1 Nháy chọn Cell Zone Conditions trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Cell Zone Conditions > part-cold_water > Edit… > Edit…Material Name > water liquid > OK Tương tự với part-hot_water

3 Đối với part_shell chọn Aluminium

Hình 3.12: Gắn thuộc tính vật liệu cho mô hình

1 Nháy chọn Boundary Conditions trong Problem Setup;

2 Ở bảng thông số Boundary Conditions:

+ Chọn wall_shell > Edit… > thẻ Thermal > Convection (trong Thermal Conditions); + Nhập giá trị nhiệt độ môi trường là 20 ℃ cho Free Stream Temperature;

+ Chọn velocity_inlet_hot_water > Edit… > thẻ Momentum > nhập giá trị Velocity

Magnitude là 2,25 (m/s), Specification Method > K and Epsilon Sang thẻ Thermal > nhập giá trị nhiệt độ nước vào Temperature là 85 0 C;

To set the cold water velocity inlet, navigate to the Momentum tab and enter a Velocity Magnitude of 1.5 m/s, selecting the K and Epsilon specification method Then, switch to the Thermal tab and input the water temperature as 20°C.

Hình 3.13:Setup thông số wall_shell

Hình 3.14:Thiết lập nhiệt độ Velocity inlet cold and hot water

Bước 6: Setup Solving & Run Solution Initialization

2 Ở phần Run Calculation, chọn Number of Iterations > Calculate

Hình 3.15: Thiết lập Momentum của Velocity inlet cold and hot water

Hình3.16: Thiết lập Hybrid Initialization

Hình 3.17: Thiết lập Run Calculate

Hình 3.18: Trường nhiệt độ phần vỏ

Hình 3.19:Trường nhiệt độ mặt cắt model

Hình 3.20: Trường nhiệt độ phần hot & cold water

Kiểm nghiệm lưới và mô phỏng

3.2.1 Kích thước và tính độc lập của lưới

Bảng 3.3: Grid independence study details

Mesh type No of elements Nhiệt độ Hot_water_out ( o C)

Theo lý thuyết ngoại suy Richardson, tỷ lệ sàng lọc phải lớn hơn 1,3:

Tỷ lệ sang lọc 1 = Fine mesh/Medium mesh = 3624135/1033749 = 3.5;

Tỷ lệ sang lọc 2 = Medium mesh/Coare mesh = 1033749/695457 = 1.48;

Kết quả nhiệt độ chênh lệch khá nhỏ giữa 3 loại mesh;

Những kết quả này xác nhận rằng lưới được tạo ở trong tình trạng tuyệt vời

Bảng 3.4: Bảng kết quả kiểm nghiệm

Yếu tố Lân 1 Lần 2 Lần 3 Điểm hội tụ 2366 2293 2348

Nhiệt độ Hot_water_out ( o C) 79.62 80.1 79.88 Dựa vào bảng 3.4:

- Độ chênh lệch về điểm hội tụ sau 3 lần khảo sát lớn nhất là 3.08%;

- Độ chênh nhiệt độ lớn nhất là 0.6 %;

Bảng 3.5: Bảng so sánh Viscous model

Viscous model Kết quả nhiệt độ ( o C) k-epsilon Standard 79.62 80.1 k-epsilon Realizable 80.17 80.22 k-omega Standard 80.64 79.70

- Mô hình k-ɛ Realizable khác với mô hình k-ɛ Standard theo hai cách:

+ Thứ nhất, nó chứa một công thức mới cho độ nhớt hỗn loạn không phải là một hằng số như trong mô hình tiêu chuẩn mà là một biến

Thứ hai, bài viết nêu bật những dự đoán cải tiến về tốc độ lan truyền của các tia phản lực, khả năng vượt trội trong việc nắm bắt dòng chảy trung bình của các cấu trúc phức tạp, và sự tương tác của các dòng chảy liên quan đến chuyển động quay, đặc biệt là trong các lớp ranh giới dưới gradient áp suất bất lợi mạnh, với hiện tượng phân tách và tái lưu thông.

Mô hình k-ω là một biến thể của mô hình k-ε, tập trung vào việc tính toán tốc độ tiêu tán riêng của động năng (ω) Mặc dù là mô hình số Reynolds thấp, k-ω có thể được áp dụng cùng với các chức năng tường Mô hình này phi tuyến tính hơn và khó hội tụ hơn so với k-ε, đồng thời nhạy cảm với các giả định ban đầu K-ω đặc biệt hữu ích trong các tình huống mà k-ε không chính xác, chẳng hạn như trong các dòng chảy bên trong, dòng chảy có độ cong mạnh, dòng chảy riêng biệt và tia phản lực.

*Chọn mô hình k-epsilon Standard là bởi vì:

- Mô hình k-epsilon Standard chạy ổn định hơn, vì độ nhớt hỗn loạn được tính theo cách ít phức tạp hơn

- Độ chênh lệch về kết quả của cả 3 phương pháp không quá đáng kể

- Bộ mesh sử dụng chưa thật sự tốt nhất

Trong bối cảnh hạn chế về thời gian và sức mạnh của máy tính, việc lựa chọn phương pháp tính toán nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác là vô cùng quan trọng.

Mô phỏng và xử lý số liệu

Để đánh giá hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt trong mô phỏng, nhiệt độ và vận tốc của nước nóng đầu vào (hot_water_in) được giữ cố định Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt trong mô phỏng bao gồm nhiều yếu tố khác nhau.

 Vận tốc cold_water_in;

 Nhiệt độ cold_water_in;

Các thông số và cấp độ của các yếu tố ảnh hưởng:

Bảng 3.6: Thông số các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng

P2: Vận tốc cold_water_in (m/s) 1.5 2.25 3

P3: Nhiệt độ cold_water_in ( o C) 20 25 30

3.4 Xử lý số liệu theo Taguchi (L9)

Bảng 3.7: Bảng ấn định thông số của các yếu tố

STT P1: Nhiệt độ môi trường ( o C)

P2: Vận tốc cold_water_in (m/s)

P3: Nhiệt độ cold_water_in ( o C)

Mỗi thí nghiệm sẽ được mô phỏng 3 lần

Trong tất cả các mô phỏng, vận tốc và nhiệt độ của nước nóng đầu vào (Hot_water_in) sẽ được giữ ở mức cố định là 2,25 m/s, tương đương với lưu lượng khoảng 6,78 lít/phút và nhiệt độ 85 độ C Mô phỏng thí nghiệm 1 sẽ được thực hiện dựa trên các thông số này.

Mô phỏng thí nghiệm 1 với các yếu tố:

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1,5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);

- Nhiệt độ nước lạnh đầu vào: 20 o C

Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 3 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ 2

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 1 lần thứ nhất

Hình 3.25: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 2

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 3 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 9 (l/p);

Hình 3.26:Kết quả mô phỏng thí nghiệm 2 lần thứ 3

- Vận tốc nước lạnh đầu vào Velocity_inlet_cold_water: 1.5 (m/s), tương đương với lưu lượng khoảng 4,52 (l/p);

Hình3.35: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 5 lần thứ 3

Hình 3.36 : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 6 lần thứ nhất.

Hình 3.41 : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 7 lần thứ 3

Hình 3.42 : : Kết quả mô phỏng thí nghiệm 8 lần thứ nhất

Hình 3.47: Kết quả mô phỏng thí nghiệm 9 lần thứ 3.

3.4.2 Kết quả mô phỏng thí nghiệm hiệu quả trao đổi nhiệt

Bảng 3.8: Bảng kết quả mô phỏng thí nghiệm độ chênh nhiệt độ của thiết bị trao đổi nhiệt

3.4.3 Xử lý số liệu theo Taguchi

Bảng 3.9: Bảng thí nghiệm số liệu thu thập theo Mean

Tính giá trị trung bình của mỗi thí nghiệm:

P1 P2 P3 Kết quả thí nghiệm t hot_out ( o C) Các yếu tố thí nghiệm Trial 1 Trial 2 Trial 3

Với công thức trên, ta tính được giá trị Mean của từng mô phỏng và ấn định vào bảng:

Tính tỷ số SN của từng mô phỏng

Ta cần độ chênh nhiệt độ là thấp nhất do đó ta sử dụng công thức tính SN tối thiểu hóa theo công thức số [3-2]

Trong đó: n = 1, 2, 3: số lần mô phỏng j = 1, 2, …, 9: số mô phỏng

N = 3 : số lần mô phỏng cao nhất

Bảng 3.10: Bảng tỉ số SN

Bảng 3.11: Bảng giá trị trung bình của tỉ số SN

Hình 3.49: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN

Hình 3.48: Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị Means

Trong hai hình 3.48 và 3.49, các đồ thị của từng yếu tố dựa trên giá trị Means và SN không thể hiện mối quan hệ thuận hoặc nghịch do các giá trị yếu tố được phân bố ngẫu nhiên theo bảng Taguchi L9, dẫn đến sự gấp khúc trong đồ thị Đặc biệt, yếu tố P2 cho thấy chênh lệch lớn nhất, cho thấy đây là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình trao đổi nhiệt.

Theo giá trị SN, yếu tố có giá trị lớn nhất đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt, với các giá trị P1 = 20, P2 = 1.5, P3 = 20.

Kiểm định kết quả trên, ta chọn phương pháp phân tích phương sai Anova để phân tích theo giá trị Means

3.4.4 Xử lý số liệu theo ANOVA x̅ = Trial 1.1 + Trial1.2 + ⋯ + Trial3.9

Tính giá trị P-value: sử dụng bảng Fisher để tra giá trị P-value

Hình 3.50: Bảng tính toán Anova từ Minitab 19 Analysis of Variance

Theo lý thuyết Anova về kiểm chứng giả thuyết, khi giá trị P nhỏ hơn α = 5%, chúng ta có thể kết luận rằng yếu tố đó có ảnh hưởng đến sản phẩm Dựa trên bảng tính toán, trong ba yếu tố P1, P2, và P3, chỉ có giá trị P2 thỏa mãn điều kiện kiểm chứng.

THÍ NGHIỆM THỰC TẾ

Tiêu đề	Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Tối Ưu Hóa Theo Nhiệt Độ Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Biên Dạng Của Thân Cây Bông Súng
Trường học	Trường Đại Học Kỹ Thuật
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	luận văn

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	5,95 MB