BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NGỌC CƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU HỖN HỢP BAO QUANH VẬT THỂ XÁC ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN PHÚ HÙNG HÀ NỘI – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn trình nghiên cứu hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Phú Hùng Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Học viên Lê Ngọc Cương TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .5 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .8 LỜI NÓI ĐẦU 10 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 12 1.1 Đặt vấn đề 12 1.2 Các nghiên cứu giới .12 1.3 Mục tiêu luận văn .18 1.4 Phạm vi nghiên cứu luận văn .18 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM .19 2.1 Cơ sở lý thuyết 19 2.1.1 Phương trình liên tục với dòng khí 19 2.1.2 Phương trình Navier – Stokes 20 2.1.3 Phương trình lượng 23 2.1.4 Hệ số tỏa nhiệt α 27 2.1.5 Các thông số ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt 28 2.1.6 Phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 30 2.1.7 Dạng tổng quát phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt .31 2.1.8 Các dạng đặc biệt phương trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt 32 2.2 Cách xác định công thức thực nghiệm 32 2.3 Phương pháp đồ thị tìm dạng phương trình tiêu chuẩn 33 2.4 Trao đổi nhiệt đối lưu hỗn hợp 36 2.5 Xây dựng mô hình thực nghiệm .38 2.5.1 Mô hình thí nghiệm 38 2.5.2 Tính toán chọn quạt độ rộng khe để đặt đo áp 40 2.5.3 Trụ nhiệt .43 2.5.4 Nguyên lý làm việc 44 2.5.5 Bộ thu thập liệu hãng Agilent phần mềm kết nối với PC 45 CHƯƠNG: III THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .50 3.1 Giới thiệu chung 50 3.2 Kết thực nghiệm 50 3.2.1 Kết đo nhiệt độ đầu vào .50 3.2.2 Kết kiểm tra phân bố thông lượng nhiệt .51 3.2.3 Ảnh hưởng số Re, Z/D, góc xoay φ đến hệ số trao đổi nhiệt .53 3.2.3.1 Ảnh hưởng số Re, Z/D đến hệ số trao đổi nhiệt 53 3.2.3.2 Ảnh hưởng số Re,ϕ đến hệ số trao đổi nhiệt 59 3.2.4 Hệ số Ri trình truyền nhiệt đối lưu hỗn hợp 63 3.3 Mô để so sánh với thực nghiệm .65 3.4 Kết thực nghiệm 65 3.5 Một số hình ảnh mô thực nghiệm .71 3.5.1 Trường dòng bao quanh trụ 71 3.5.2 Trường nhiệt xung quanh trụ 73 3.6 Kết đạt .74 3.6.1 Nhận xét kết thí nghiệm mô 74 3.6.2 Vùng đối lưu hỗn hợp .75 CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Chú thích D Đường kính trụ L Chiều cao trụ g Gia tốc trọng trường q Thông lượng nhiệt đơn vị diện tích T,t Nhiệt độ v Độ nhớt động học α Hệ số tỏa nhiệt As , F Diện tích bề mặt Cp Nhiệt dung riêng Tw Nhiệt độ thành trụ Tf , T∞ Nhiệt độ vào dòng khí U,v, ω Vận tốc τ Thời gian µ Độ nhớt động lực học β Hệ số giản nở nhiệt λ Hệ số dẫn nhiệt ρ Khối lượng riêng qv Thông lượng nhiệt đơn vị thể tích Re Chuẩn số Reynolt Nu Chuẩn số Nusselt Pr Chuẩn số Prandtl Gr Chuẩn số Grashof Ri Chuẩn số Richardson lực khối Lực mặt ∇ Toán tử vi phân ∇ϕ Gradient ϕ ∇2ϕ Toán tử laplace ϕ ứng suất đơn vị bề mặt Độ biến thiên lượng đơn vị thời gian DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Mối tương quan kinh nghiệm tính toán số mô hình khí Pr = 0.7 15 Bảng 1.2 Các tính toán thực nghiệm với dòng chảy không khí 16 Bảng 2.1 Các giá trị tương ứng tiêu chuẩn đồng dạng Re, Gr, Pr, Nu theo số liệu đo k điểm đo khác 33 Bảng3.1 đo nhiệt độ môi trường 50 Bảng 3.2 Bảng đo nhiệt độ kiểm tra phân bố thông lượng nhiệt bề mặt trụ 52 Bảng 3.3 Bảng đo nhiệt độ bề mặt trụ vị trí Z/D khác nhau, Re = 3000 53 Bảng 3.4 Bảng đo nhiệt độ bề mặt trụ vị trí Z/D khác nhau, Re = 6000 52 Bảng 3.5 Bảng đo nhiệt độ bề mặt trụ vị trí Z/D khác Re =15000 54 Bảng 3.6 Bảng đo nhiệt độ bề mặt trụ vị trí Z/D khác nhau, Re = 25000 55 Bảng 3.7 Bảng đo nhiệt độ bề mặt trụ xoay trụ, Re = 6000 59 Bảng 3.8 Tương quan nhiệt độ mặt trụ số Re, tỷ số hình dạng trụ 65 Bảng 3.9 Tương quan hệ số tỏa nhiệt mặt trụ vào hệ số Re tỷ số hình dạng L/d 66 Bảng 3.10 Sự phụ thuộc hệ số Nu vào Re tỷ số hình dạng trụ L/d 67 Bảng 3.11 Sự phụ thuộc số Ri vào Re tỷ số hình dạng trụ L/d 68 Bảng 3.12 Sự phụ thuộc số Ri vào Re tỷ số hình dạng trụ L/d 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sự thay đổi số Nusselt trung bình với số Reynold cho điều kiện biên đẳng nhiệt 17 Hình 1.2 Sự thay đổi số Nusselt trung bình với số Reynold cho điều kiện biên đẳng thông lượng nhiệt 17 Hình 2.1 Chế độ chảy tầng 29 Hình 2.2 Chế độ chảy rối .30 Hình 2.3 Chế độ chảy độ .30 Hình 2.4 Đồ thị tìm n C cho công thức Nu = CRen 34 Hình 2.5 Đồ thị để xác định công thức Nu = C.Ren.Grm .35 Hình 2.6 Đồ thị để xác định công thức Nu = C Ren.Grm.Prp .36 Hình2.7 Biểu đồ thực nghiệm phân loại dạng trao đổi nhiệt đối lưu[8] 37 Hình 2.8 Bản vẽ mô hình thí nghiệm ……………………………………………… 38 Hình 2.9 Cấu tạo ống Ventuary 41 Hình 2.10: Trụ nhiệt gắn đầu đo nhiệt độ 43 Hình 2.11: Biến áp vô cấp LIOA 43 Hình 2.12: Bộ thu thập liệu 34970A data acquisition/ Switch unit 45 Hình 2.13: 34970A data acquisition/ Switch unit kết nối với PC với 60 đầu thu thập liệu 46 Hình 2.14: Slot 34970A 46 Hình 2.15 Cổng kết nối 47 Hình 2.16: Vài hình ảnh giao diện trình đo phần mềm Agilent Benchlink Data logger Pro 48 Hình 2.17 Chu trình làm việc điều khiển .49 Hình 3.1: Đồ thị đo nhiệt độ môi trường 51 Hình 3.2: Đồ thị nhiệt độ kiểm tra phân bố thông lượng nhiệt bề mặt trụ 52 Hình 3.3 Đồ thị nhiệt độ vị trí khác Z/D Re = 3000, 6000, 15000, 25000 .56 Hình 3.4 Đồ thị số Nu ứng với hệ số Re khác 57 Hình 3.5 Đồ thị tính α trung bình ứng với Re = 6000 58 Hình 3.6 Đồ thị α trung bình ứng với giá trị Re khác 59 Hình 3.8 Đồ thị nhiệt độ bề mặt trụ ứng với góc xoay khác 60 Hình 3.9 Đồ thị hệ số trao đổi nhiệt ứng với Z/D, Re khác 61 Hình 3.10 Đồ thị ảnh hưởng góc xoay tỷ số Z/D đến α với Re = 6000 62 Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng góc xoay đến hệ số trao đổi nhiệt với Re khác 62 Hình 3.12 Hình chảy bao quanh trụ với Re = 10000 63 Hình 3.13 Đồ thị hệ số Ri giá trị Re thay đổi 64 Hinh 3.14 Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ mặt trụ vào Re tỷ số hình dạng L/d 66 Hình 3.15 Đồ thị phụ thuộc hệ số tỏa nhiệt α vào Re tỷ số hình dạng trụ L/d 67 Hình 3.16 Đồ thị phụ thuộc số Gr vào Re tỷ số hình dạng trụ L/d 69 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc số Ri vào Re tỷ số hình dạng L/D 70 Hình 3.18 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua mô với Re = 6000, L/d =10 71 Hình 3.19 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua thực nghiệm với Re = 6000, L/d =5 .72 Hình 3.20 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua mô với Re = 6000, L/d =4 L/d =2,5 73 Hình 3.21 Hình ảnh Contours nhiệt độ tổng xung quanh trụ với Re = 6000, D=0,05m 73 Hình 3.22 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ .75 Hình 3.23 Xoáy quanh trụ với Re = 3000, D = 100mm 77 Hình 3.24 Xoáy quanh trụ với Re = 3000, D = 50mm 77 Hình 3.25 Xoáy quanh trụ với Re = 12000, D = 50mm 78 Hình 3.26 Contour nhiệt mặt cắt x = 0, L/D =5, Re = 3000 79 Hình 3.27 Contour nhiệt mặt cắt x = 0, L/D =10, Re = 3000 79 Hình 3.28 Số Nu vị trí cục với mặt cắt x = 0, Re =6000, L/D=10 79 LỜI NÓI ĐẦU Trong khoa học công nghệ truyền nhiệt đóng vai trò quan trọng nghiên cứu từ lâu Các nhà khoa học đưa công thức mô tả mối liên hệ thông số dựa trình tính toán thực nghiệm Nhưng tính chất phức tạp tác nhân truyền nhiệt chất trình truyền nhiệt nên việc nghiên cứu đưa công thức tối ưu vấn đề lớn cần quan tâm Như biết phân loại truyền nhiệt thành dạng sau: + dẫn nhiệt + trao đổi nhiệt đối lưu + trao đổi nhiệt xạ Trong trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp phụ thuộc nhiều vào đặc tính chuyển động tác nhân truyền nhiệt Do mối quan hệ truyền nhiệt đối lưu lại chia thành: - truyền nhiệt đối lưu tự nhiên - truyền nhiệt đối lưu hỗn hợp - truyền nhiệt đối lưu cưỡng Trong năm cuối kỷ 19 đầu kỷ 20, nghiên cứu tập chung vào trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng không qua tương tác đồng thời hai loại trao đổi nhiệt Mô hình nghiên cứu kết hợp đối lưu tự nhiên cưỡng bắt đầu đề cập từ năm 1960 Hay gọi đối lưu hỗn hợp Nhưng chưa có mô hình đầy đủ để tính toán tượng trao đổi nhiệt này, hệ số trao đổi nhiệt tính thông qua hệ số Nusselt xác định thực nghiệm theo công thức kinh nghiệm 10 Bảng 3.12 Sự phụ thuộc số Ri vào Re tỷ số hình dạng trụ L/d Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc số Ri vào Re tỷ số hình dạng L/D Nhận xét: Số Ri đặc trưng cho vai trò ảnh hưởng trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên vào đối lưu cưỡng Từ đồ thị cho thấy với tỷ số hình dạng L/d Re lớn hệ số Ri nhỏ tức trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng mạnh Ảnh hưởng lớn tỷ số hình dạng L/d nhỏ 70 3.5 Một số hình ảnh mô thực nghiệm 3.5.1 Trường dòng bao quanh trụ Hình 3.18 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua mô với Re = 6000, L/d =10 71 Hình 3.19 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua thực nghiệm với Re = 6000, L/d =5 72 Hình 3.20 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua mô với Re = 6000, L/d =4 L/d =2,5 3.5.2 Trường nhiệt xung quanh trụ 73 Hình 3.21 Hình ảnh Contours nhiệt độ tổng xung quanh trụ với Re = 6000, D=0,05m 3.6 Kết đạt 3.6.1 Nhận xét kết thí nghiệm mô Từ đồ thị biểu diễn ta thấy số Re tỷ số hình dạng L/d nhỏ số Nu tăng khả trao đổi nhiệt củng tăng theo Kết mô thực nghiệm cho kết tương tự phản ảnh chất thực tế trình trao đổi nhiệt đối lưu dòng chảy bao quanh trụ Từ kết thực nghiệm mô hình ảnh nhiệt mặt trụ, ta thấy xuất vùng mà nhiệt cục lớn so với nhiệt độ trung bình mặt trụ Vậy vị trí có trao đổi nhiệt – để giải thích tượng xem dòng chảy bao quanh trụ: 74 Hình 3.22 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ Ta thấy mặt trụ xuất điểm tách thành Sau tách thành xuất vùng chảy rối chảy xoáy sau trụ Xét điểm tách thành, tương tác dòng chảy thành trụ Còn điểm tách thành tương tác tốt có xoáy chất lỏng Vì để giải thích cho tượng nhiệt độ cục lớn số vị trí bề mặt trụ ảnh hưởng tượng tách dòng Tìm vị trí tách dòng nhiệt độ thay đổi Re thay đổi ta tìm hiều phần 3.6.2 Vùng đối lưu hỗn hợp Như phần phần lý thuyết ta đề cập Vùng đối lưu hỗn hợp có số Nu = f(Pr, Re, Ri) Nu = f(Pr, Re, Gr) Vì để xác định vùng đối lưu hỗn hợp ta dùng nghiên cứu thực nghiệm theo nghiên cứu lý thuyết Với : + Ri < 10 đối lưu tự nhiên + Ri < đối lưu cưỡng + 1< Ri < 10 đối lưu hỗn hợp 75 Ri Ta thấy: Vùng đối lưu hỗn hợp vùng có 1< Ri < 10 + Với L/d =5 vùng đối lưu hỗn hợp vùng có hệ số 1900< Re