vi

MC LC

Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Xác nhận ca cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học i
Li cam đoan ii
Cm tạ iii
Tóm tắt iv
Abstract v
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ix
Danh mục các hình x
Danh mục các bng xiiiChng 1. TNG QUAN 1
1.1 Tính cp thit của đ tài 1
1.2 Tng quan kt qu nghiên cu liên quan 2
1.3 Mc đích của đ tài 9
1.4 Nhim v của đ tài và gii hn đ tài 9
1.5 Phng pháp nghiên cu 9Chng 2. C S LÝ THUYT 10
2.1 Lý thuyt truyn nhit 10
2.2 Làm lnh - gia nhit đi lu vƠ h s truyn nhit 12
2.3 Đi lu t nhiên ậ h s Grashof 15
2.4 H s Nusselt 16
2.5 Dòng chy lu cht 16

4.1.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 38
4.1.3  nhiệt độ 600
0
C 39
4.1.3.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 39
4.1.3.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 40
4.1.4  nhiệt độ 650
0
C 41
4.1.4.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 41
4.1.4.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 42
4.2 Kt qu hình nh mô phng của áo nc xẻ rãnh và không xẻ rãnh vi lu
lng nc 500 ml/phút và nhit độ thay đi. 44
4.2.1  nhiệt độ 500
0
C 44
4.2.1.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 44
viii

4.2.1.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 45
4.2.2  nhiệt độ 550
0
C 46
4.2.2.1 Hình nh nhiệt độ phân bố trên bề mặt phía ngoài áo nước xylanh 46
4.2.2.2 Hình nh nhiệt độ nước đầu ra 47
4.3 So sánh kt qu thc nghim và mô phng của áo nc xylanh  lu lng
1000 ml/phút 49
4.3.1 Nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ rãnh 49
4.3.2 Sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía bên ngoài ca áo nước xylanh xẻ rãnh và không
xẻ rãnh 50

BTĐN : bộ trao đổi nhiệt
D
h
: đưng kính quy ước, m
F : hệ số ma sát Fanning
H : hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m
2
K
k : hệ số truyền nhiệt tổng, W/m
2
K
L : chiều dài kênh mini, m
m : lưu lượng khối lượng, kg/s
NTU : chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)
Nu : chỉ số Nusselt
p : áp sut, Pa
P : đưng kính ướt, m
Q : lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W
q : mật độ dòng nhiệt, W/m
2
Re : chỉ số Reynolds
T : nhiệt độ, K
 : độ nhớt động lực học, Ns/m
2
 : khối lượng riêng, kg/m
3
 : hệ số dẫn nhiệt, W/m

K
 : vận tốc, m/s

Hình 4.1: Hình nh nhiệt độ phía ngoài ca áo nước xẻ rãnh, không xẻ rãnh 35
 nhiệt độ 500
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 35
Hình 4.2: Hình nh nhiệt độ đầu ra áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 36
 nhiệt độ 500
0
C và lưu lượng nước 1000 ml/phút. 36
Hình 4.3: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 550
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 37
xi

Hình 4.4: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 550
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 38
Hình 4.5: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 600
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 39
Hình 4.6: Hình nh nhiệt độ nước đầu ra ca áo nước ra xẻ rãnh và không xẻ rãnh 
nhiệt độ 600
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 40
Hình 4.7: Hình nh nhiệt độ phân bố phía ngoài áo nước xylanh xẻ rãnh và không xẻ
rãnh  nhiệt độ 650
0
C và lưu lượng nước 1000ml/phút. 41

xii

Hình 4.18: So sánh kết qu thực nghiệm và mô phỏng sự phân bố nhiệt độ bề mặt phía
bên ngoài ca áo nước xẻ rãnh và không xẻ rãnh 52
Hình 4.19: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 53
 các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 500 ml/phút 53
Hình 4.20: So sánh sự truyền nhiệt qua vách thành xylanh (áo nước xẻ rãnh) 54
 các điểm nhiệt độ thay đổi và lưu lượng nước 1000 ml/phút 54
Hình 4.21: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 55
 lưu lượng 1000 ml/phút 55
Hình 4.22: So sánh nhiệt độ vách trong thành xylanh và nhiệt độ nước đầu ra 56
 lưu lượng 500 ml/phút 56

xiii DANH MC CÁC BNG
BNG TRANG


2 1.2 Tng quan kt qu nghiên cu liên quan
Xut phát từ quá trình làm việc ca động cơ đốt trong, nhiệt truyền cho các chi
tiết máy tiếp xúc với khí cháy (piston, xéc măng, nm xupap, thành xylanh) chiếm
khong 25%  35% nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong buồng cháy tỏa ra. Vì vậy các
chi tiết thưng bị đốt nóng mnh liệt: nhiệt độ đỉnh piston có thể lên tới 600
o
C, nhiệt
độ nm xupap có thể lên tới 900
o
C. Hình 1.1 thể hiện sự phân bố năng lượng trên xe.
Trong đó bao gồm 30% là ti nhiệt làm mát, 35% là ti nhiệt theo khí thi và 35% là
năng lượng nhiệt có ích [1]
Hình 1.1: Sự phân bố năng lượng trong xe [1]

3 Khot và Santosh [2] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và
so sánh tính năng ca hai áo nước làm mát khác nhau ca động cơ Diesel 6 xylanh
thẳng hàng. Từ phân tích cho thy rằng model 2 có vận tốc  đầu áo nước được ci
thiện và tổn tht áp sut gim đã được trình bày  hình 1.2.

Paul cùng cộng sự [5] đã nghiên cu việc dùng không khí để gii nhiệt cho xylanh
động cơ bằng cách gi định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh
được thể hiện  hình 1.5 .

.
Hình 1.5: Hình vành khuyên gắn trên một xilanh
Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt ca các
thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí
khi độ dày ca cánh tăng lên. Khong cách giữa các cánh gim dần, nh hưng đến quá
trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt. Số lượng cánh lớn tương ng độ dày cánh nhỏ
để gii nhiệt cho xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết qu làm cho kh năng
trao đổi nhiệt cao hơn.

Hình 1.6: Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc ca xe

7

Pulkit cùng cộng sự [6] đã nghiên cu sự truyền nhiệt bằng phương pháp mô
phỏng số CFD. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc ca xe, hình dạng cánh tn
nhiệt và nhiệt độ xung quanh.  vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt
đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933.56W và 1123.03W tương ng được
mô phỏng qua hình vẽ 1.6.
Masao cùng cộng sự [7] đã nghiên cu nh hưng ca số lượng cánh, khong
cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy. Kết qu
cho thy rằng nhiệt tỏa ra từ xylanh không được ci thiện khi thân xylanh có quá nhiều
cánh và khong cách giữa các cánh quá hẹp tại những tốc độ gió quá thp, do vậy mà
nhiệt độ giữa chúng sẽ tăng lên. Ngoài ra kích thước cánh tối ưu khi xe đng yên là
20mm và khi xe di chuyển là 8mm được thể hiện như hình 1.7.


việc. Thêm vào đó, nghiên cu này chỉ tập trung vào nghiên cu các đặc tính truyền
nhiệt ch không nghiên cu về cơ tính ca xylanh khi xẻ rãnh.
Về tình hình nghiên cu gii nhiệt két nước và áo nước trên xe ô tô cũng như xe
máy  Việt Nam, rt ít nhà nghiên cu đã đề cập vn đề này và công bố kết qu trên
các nguồn dữ liệu chính thống.

9

1.3 Mc đích của đ tài
Đề tài này tập trung nghiên cu đánh giá quá trình gii nhiệt giữa thành
xylanh và áo nước trên xe tay ga. Mục đích ca đề tài nhằm nghiên cu đánh giá để
làm tăng hiệu sut làm mát cho động cơ, giúp động cơ tăng công sut làm việc, hoạt
động ổn định, kéo dài tuổi thọ động cơ.
1.4 Nhim v của đ tƠi vƠ gii hn đ tài
Tập trung nghiên cu đánh giá quá trình trao đổi nhiệt áo nước và thành xylanh
trên xe ô tô và xe gắn máy liên quan.
Nghiên cu tạo rãnh trên thành áo nước xe tay ga bằng phương pháp mô phỏng số
học và thực nghiệm.
Nghiên cu này thực hiện  điều kiện truyền nhiệt ổn định, nắp máy không đổi.
Đề tài này chỉ tập trung vào nghiên cu các đặc tính truyền nhiệt ch không
nghiên cu về cơ tính ca xylanh khi xẻ rãnh.
Do kh năng và thi gian có hạn nên tác gi chỉ tập trung vào phân tích quá trình
trao đổi nhiệt giữa áo nước và thành xylanh trên xe tay ga, không có nghiên cu về
phần kết cu.
1.5 Phng pháp nghiên cu
Tổng quan các kết qu phân tích ca các nghiên cu liên quan.
Phương pháp mô phỏng số học và thực nghiệm.
So sánh kết qu.



  
   
          
   
  
   
(2-1)
Trong đó:
•

là khối lượng riêng, kg/m
3

•
p
C
là nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K
•
T
là nhiệt độ tuyệt đối, K
•
u
là vector vận tốc, m/s
•
q
là khối lượng riêng dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m
2

t



 


Chế độ ng dụng truyền nhiệt tổng quát sử dụng luật Fourier về dẫn nhiệt,
q
thì tỷ
lệ thuận với gradient nhiệt độ:

T
qi k
xi



(2-2)
Trong đó k là hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K). Trong cht rắn, hệ số dẫn nhiệt có thể
khác nhau theo các hướng khác nhau. Sau đó, k tr thành một tensor

xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
k k k
k k k k
k k k



nhiệt ca một lưu cht trong quá trình nén đoạn nhiệt và cho một số hiệu ng âm
thanh nhiệt. Nói chung thành phần này có giá trị nhỏ đối với các dòng chy có số Mach thp.
Thay phương trình (2-2) vào phương trình (2-1), sắp xếp lại các phần và bỏ qua gia
nhiệt nhớt và áp sut làm việc ta được phương trình nhiệt có hình thc đơn gin hơn:

.( ) .
pp
T
C k T Q C u T



     

(2-4)
Phương thc truyền nhiệt th ba đó là truyền nhiệt bc xạ. Nhiệt bc xạ
biểu thị các dòng sóng điện từ phát ra từ một vật  nhiệt độ nht định. Phần
này nghiên cu lý thuyết sau quá trình truyền nhiệt bc xạ xy ra trên bề mặt ca một vật.
2.2 LƠm lnh - gia nhit đi lu vƠ h s truyn nhit
Một trong các điều kiện biên chung nht ca mô hình truyền nhiệt là làm mát
hoặc gia nhiệt đối lưu, trong đó một lưu cht làm mát bề mặt bằng đối lưu tự nhiên
hoặc cưỡng bc. Về nguyên tắc, nó có thể để mô hình hóa quá trình này trong hai cách:
• Sử dụng một hệ số truyền nhiệt trên bề mặt làm mát bằng đối lưu.
• M rộng mô hình để mô t dòng chy và truyền nhiệt trong lưu cht làm mát.
Phương pháp đầu tiên rt mạnh và hiệu qu. Ngoài ra, chế độ ng dụng truyền
nhiệt tổng quát cung cp xây dựng dựa trên việc sử dụng hệ số truyền nhiệt. Đối với
hầu hết các mục đích kỹ thuật, sự sử dụng các hệ số này là một cách tiếp cận mô hình
chính xác và hiệu qu. Sau đó bạn mô hình hóa làm mát đối lưu bằng cách xác định
mật độ dòng nhiệt trên biên tiếp xúc với các lưu cht làm mát, nó tỷ lệ thuận với độ
chênh lệch nhiệt độ trên một lớp cách nhiệt gi định. Bạn mô t hệ số truyền nhiệt h,


14

Đối với mỗi loại, các mối quan hệ khác nhau cho hệ số truyền nhiệt đã được đưa ra
trong các tài liệu lien quan. Đối với hầu hết các trưng hợp, phương trình mô t hệ số h
thay đổi đáng kể với các hình dạng hình học. ví dụ, công thc khác nhau cho dòng
chy tầng đối lưu cưỡng buwscbeen trong giữa một ống và một cụm những tm song
song.
Thư viện hệ số truyền nhiệt ca Module truyền nhiệt bao gồm một tập hợp
con ca chúng. Thư viện hệ số truyền nhiệt sử dụng cuốn sổ tay biểu thc dựa trên các
thiết lập sau đây ca các số không th nguyên:
• Số Nusselt
(Re,Pr, ) /
L
Nu Ra hL k

• số Reynolds
Re /
L
UL



• Các số Prandtl
Pr /
p
Ck




là khối lượng riêng, kg/m
3

•
U
là vận tốc cht ti, m/s
•

là độ nhớt, Pa.s
•
p
C
là nhiệt dung riêng đẳng áp, (J/(kg.K)
•

là độ giãn nỡ nhiệt, 1/K
•
Gr
được viết tắt bi Grashof, được định nghĩa là tỷ số
giữa lực nâng và lực nhớt.

15

2.3 Đi lu t nhiên ậ h s Grashof
Trong bt kỳ mô hình dòng chy lưu cht nào, trước khi thiết lập mô hình là cần
thiết để biết bn cht ca dòng chy, một khía cạnh nh hưng đến việc lựa chọn
các mô hình toán học.
Trong trưng hợp dòng chy bên ngoài, chẳng hạn như đối lưu cưỡng bc, bn
cht ca dòng chy được đặc trưng bi hệ số Reynolds (Re), trong đó mô t tỷ
lệ ca lực quán tính và lực nhớt. Nó dựa trên vận tốc, độ nhớt, khối lượng riêng và kích

thị nhiệt độ ca bề mặt nóng,
0
T
là nhiệt độ ca không khí xung quanh,
L
là kích
thước tính toán,

đặc trưng cho độ nhớt động học ca lưu cht và

là khối lượng
riêng.
Đối với khí lý tưng, hệ số giãn nỡ nhiệt bằng:

1
T


(2 – 7 )
Việc chuyển đổi từ dòng chy tầng đến dòng chy rối xy ra trong khong giá trị
Gr là 10
9
, dòng chy rối cho các giá trị lớn hơn. 16

2.4 H s Nusselt
Thư viện hệ số truyền nhiệt có cha đựng trong Module truyền nhiệt, hệ số h được
dựa trên hệ số Nusselt từ cuốn sổ tay và được thể hiện như một chc năng ca các đặc

- Lưu cht có tính liên tục
- Truyền nhiệt ổn định
- Bỏ qua truyền nhiệt bc xạ.
Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên
tục, phương trình mômen và phương trình năng lượng.
17

Phương trình liên tục

0


















y
u
v
x
u
u
t
u























v
w
y
v
v
x
v
u
t
v






















z
w
w
y
w
v
x
w
u
t
w




















(2 - 9c)
Phương trình năng lượng

z
T
w
y
T
v
x
T
u
t
T











i
p
Q
z



(2- 10)
Trong đó: Q
i
là sự phát sinh nhiệt bên trong, T là nhiệt độ, C
p
là nhiệt dung riêng
đẳng áp,  là hệ số dẫn nhiệt
Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên cu này, những đặc tính ca lưu
cht như mật độ dòng nhiệt, hiệu sut truyền nhiệt, tổn tht áp sut và chỉ số hoàn thiện
ca bộ trao đổi nhiệt sẽ được đề cập như sau.
Q = m
w
Cp(T
w0
– T
wi
) (2 - 11)
Trong đó: Q là tốc độ truyền nhiệt
m
w
là khối lượng
C
p
là nhiệt dung riêng đẳng áp
T
wi
là nhiệt độ đầu vào
T