Tích hợp CFD và DOE trong nghiên cứu kỹ thuật nhiệt

Nội dung text: Tích hợp CFD và DOE trong nghiên cứu kỹ thuật nhiệt

1. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh HNKH-06 TÍCH HỢP CFD VÀ DOE TRONG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT NHIỆT PHẠM BÁ THẢO 1, NGUYỄN MINH PHÚ 1 1 Khoa Công nghệ nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh; phambathao@iuh.edu.vn, nguyenminhphu@iuh.edu.vn Tóm tắt. Trong bài báo này, động lực học lưu chất tính toán (Computational Fluid Dynmanics – CFD) và các phương pháp thực nghiệm (Design of experiment – DOE) được tích hợp để nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật nhiệt được trình bày. Các trường hợp nghiên cứu tiêu biểu như bộ hòa trộn, sấy, bộ gia nhiệt không khí bằng năng lượng mặt trời, thiết bị trao đổi nhiệt và các phương pháp bề mặt đáp ứng, Taguchi được trình bày để làm rõ tính ưu việc và giới hạn của sự tích hợp. Kết quả khảo sát cho thấy sự tích hợp CFD và DOE vào nghiên cứu kỹ thuật nhiệt làm giảm bớt chi phí, thời gian và số lần thực nghiệm. Do đó , sự tích hợp của hai công cụ này là giải pháp hữu hiệu và và xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học trên thế giới. Từ khóa. CFD, DOE, phương pháp số, quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa. CFD AND DOE INTEGRATION IN THERMAL ENGINEERING STUDIES Abstract. In this paper, Computational Fluid Dynmanics (CFD) and Design of Experiment (DOE) methods are integrated to study thermal engineering problems. Typical case studies such as mixers, dryers, solar air heaters, heat exchangers, and response surface methods, Taguchi are presented to clarify their operational advantages and limit of integration. The survey results show that the integration of CFD and DOE into thermal engineering research reduces the cost, time and number of experiments. Therefore, the integration of these two tools is an effective solution and current research trend of scientists around the world. Keywords. CFD, DOE, numerical methods, empirical planning, optimization. GIỚI THIỆU Động lực học lưu chất tính toán (Computational Fluid Dynmanics – CFD) là một công cụ mạnh để giải gần đúng các phương trình đạo hàm riêng. Trong nhiệt và lưu chất các phương trình này là hệ phương trình Navier-Stokes vốn dĩ rất khó giải chính xác do cụm phi tuyến trong phương trình động lượng. CFD thường dùng phương pháp thể tích hữu hạn và được phát triển mạnh mẽ trong bộ mô phỏng ANSYS. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tập trung các nhiệm vụ tối ưu hóa cho thiết kế và vận hành nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và giảm chi phí năng lượng cho các thiết bị. Một trong những phương pháp tối ưu hóa được sử dụng nhiều nhất là phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM). RSM là phương pháp quy hoạch thực nghiệm (Design of experiment – DOE) sử dụng cho mục đích tối ưu hóa dựa trên cơ sở toán học và xác suất thống kê. Đây là công cụ để tối ưu mục tiêu đáp ứng theo nhiều biến số ảnh hưởng trong phạm vi khảo sát. Trong phương pháp này, phương trình hồi quy bậc 2 có thể phù hợp để dự đoán mục tiêu đáp ứng. Phương pháp luận này đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu bao gồm cả thực nghiệm và mô phỏng số. Qua đó cho thấy, việc sử dụng phương pháp RSM và mô phỏng số đã được sử dụng nhiều trong nghiên cứu. Điều này đã giúp giảm chi phí, thời gian trong các điều tra tối ưu hóa. Tan và cộng sự [1] áp dụng đồng thời RSM thiết kế tổng hợp tâm (Central composite design -CCD) và phương pháp Taguchi để tối ưu -62-
2. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh hóa quá trình sản xuất dầu sinh học từ dầu ăn đã sử dụng có xúc tác CaO bằng vỏ trứng đà điểu và vỏ trứng gà. Nghiên cứu gồm 4 thông số đầu vào, mỗi thông số 4 mức. 30 thí nghiệm được tạo ra bởi RSM-CCD. Kết quả xác định được nồng độ xúc tác, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng tối ưu để thu được dầu sinh học. Taguchi là một trong những phương pháp thiết kế thực nghiệm được phát triển bởi kỹ sư người Nhật Genichi Taguchi. Phương pháp dùng để kiểm soát chất lượng sản phẩm trong các quá trình sản xuất công nghiệp. Ngày nay phương pháp Taguchi được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau để giảm bớt số test thực nghiệm hoặc số mà vẫn đánh giá được ảnh hưởng các thông số và tối ưu hóa. CÁC NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP CFD VÀ DOE Ortega-Casanova [2] dùng CFD và RSM-CCD để tối ưu bộ hòa trộn kích trước micro với các tấm nghiêng (Hình 1). Góc nghiêng tối ưu của các tấm đã được xác định để đạt được hiệu suất hòa trộn lớn nhất. a) Phân bố nồng độ trong bộ hòa trộn có các tấm nghiêng b) Bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của các góc nghiêng đến khả năng hòa trộn Hình 1. CFD và DOE RSM nghiên cứu bộ hòa trộn kích trước micro có tấm nghiêng Rahmannezhad và Mirbozorgi [3] dùng CFD và RSM-CCD để tối ưu bộ hòa trộn kích trước micro với kết cấu rãnh và vật cản (Hình 2). 13 thí nghiệm số được phát từ 2 thông số đầu vào với 5 mức mỗi thông số. Kết quả xác định được kính thước tối ưu để khả năng hòa trộn cao nhất và tổn thất áp suất thấp nhất. b) Bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của hình học a) Phân bố nồng độ theo kích thước vật cản đến khả năng hòa trộn Hình 2. CFD và DOE RSM nghiên cứu bộ hòa trộn kích trước micro Brar [4] đã kết hợp CFD và RSM Box-Behnken để tối ưu cyclone lọc bụi (Hình 3). năm thông số hình học của cyclone và 24 thí nghiệm số đã được thực hiện để khảo sát tổn thất áp suất và hiệu suất lọc. kết quả tối ưu cho thấy tổn thất áp suất giảm 27% và hiệu suất lọc tăng 2.6% so với thiết kế ban đầu. -63-
3. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh b) Bề mặt đáp ứng ảnh hưởng của hình học đến tổn thất áp suất dòng chảy qua cyclone a) Chia lưới cyclone Hình 3. CFD và RSM Box-Behnken nghiên cứu cyclone lọc bụi Aghaie và cộng sự [5] áp dụng phương pháp Taguchi để tìm hình học nhám tối ưu trong bộ gia nhiệt không khí bằng năng lượng mặt trời (Hình 4). Bốn thông số đầu vào với bốn mức cho mỗi thông số tạo nên ma trận 16 thí nghiệm. Kết quả cho thấy nhám hình tam giác đạt được hiệu quả nhiệt thủy lực cao nhất. b) Ảnh hưởng của các thông số từ phương a) Vector vận tốc của hình học nhám tối ưu pháp Taguchi Hình 4. CFD và DOE Taguchi nghiên cứu nhám trong kênh không khí Mohammadi và cộng sự [6] áp dụng phương pháp Taguchi để tìm lưu lượng và bán kính cong tối ưu trong thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn (Hình 5). Ba thông số đầu vào với bốn mức cho mỗi thông số tạo nên ma trận 16 thí nghiệm. Kết quả cho thấy lưu lượng 6.98 g/s và tỷ số bán kính cong 0.048 đạt được hiệu quả nhiệt thủy lực cao nhất. -64-
4. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh a) Phân bố nhiệt độ trong ống xoắn ở các mặt cắc khác nhau b) Ảnh hưởng của các thông số từ phương pháp Taguchi Hình 5. CFD và DOE Taguchi nghiên cứu TBTĐN ống xoắn Miansari và cộng sự [7] kết hợp CFD và DOE để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học và vận hành đến nhiệt lượng trao đổi và exergy của thiết bị trao đổi nhiệt ống vỏ trong đó vỏ có rãnh xoắn (Hình 6). Ba thông số đầu vào với ba mức cho mỗi thông số tạo nên ma trận 9 thí nghiệm số. Kết quả phân tích Taguchi cho thấy chiều sâu rãnh h = 10 mm đạt được nhiệt lượng cao nhất và tổn thất exergy cũng cao nhất. b) Ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt lượng a) TBĐN ống vỏ có rãnh xoắn c) Ảnh hưởng của các thông số đến tổn thất exergy Hình 6. CFD và DOE Taguchi nghiên cứu TBĐN ống vỏ có rãnh xoắn -65-
5. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Heydari và cộng sự [8] nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học và lưu lượng đến nhiệt-thủy lực và tổn thất exergy đến TBTĐN ống gợn sóng xoắn dùng CFD và Taguchi (Hình 7). Bốn thông số đầu vào với ba mức cho mỗi thông số tạo nên ma trận 9 thí nghiệm số. kết quả cho thấy loại ống này giảm tổn thất exergy lên đến 24.6% so với ống nhẵn. b) Ảnh hưởng của các thông số đến số Nusselt a) TBĐN ống vỏ có ống trong gợn sóng Hình 7. CFD và DOE Taguchi nghiên cứu TBĐN ống vỏ có rãnh xoắn Hiện nay có nhiều phần mềm hỗ trợ phân tích DOE. Hình 8 trình bày thống kê các phần mềm thường dùng để thực hiện DOE RSM [9]. Có thể thấy Design expert và Miniab là hai phần mềm phổ biến. Design expert được ưa chuộng nhất do giao diện người dùng thân thiện và được thiết kế cho DOE. Về phương pháp Taguchi, tác giả nhận thấy phần mềm Minitab đơn giản và dể dùng để nghiên cứu tham số và tối ưu hóa. Hình 8. Thống kê các phần mềm thường dùng để thực hiện DOE RSM [9] KẾT LUẬN Tích hợp CFD và DOE là hướng nghiên cứu mới nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí do ứng dụng các phương pháp số và các phương pháp thống kê. Các trường hợp nghiên cứu ứng dụng CFD và DOE trình bày trong bài báo gồm kỹ thuật sấy, thiết bị trao đổi nhiệt, bộ hòa trộn, sản xuất dầu sinh học, đã minh chứng hiệu quả bộ công cụ này. CFD dùng để trực quan hóa các thông số dòng chảy, nhiệt độ, áp suất và thu gọn dữ liệu, trong khi DOE dùng để thiết kế ma trận thí nghiệm số và phân tích tương quan giữa các biến. Từ đó DOE chỉ ra các thông số tối ưu cho các quá trình nghiên cứu cụ thể. Về CFD, phương pháp thể tích hữu hạn trong ANSYS Fluent và về DOE, phương pháp bề mặt đáp ứng và Taguchi được sử dụng rộng rãi do độ chính xác và dể dùng của các phương pháp này. -66-
6. Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tan, Y. H., Abdullah, M. O., Nolasco-Hipolito, C., & Zauzi, N. S. A. (2017). Application of RSM and Taguchi methods for optimizing the transesterification of waste cooking oil catalyzed by solid ostrich and chicken-eggshell derived CaO. Renewable Energy, 114, 437-447. [2] Ortega-Casanova, J. (2017). Application of CFD on the optimization by response surface methodology of a micromixing unit and its use as a chemical microreactor. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 117, 18-26. [3] Rahmannezhad, J., & Mirbozorgi, S. A. (2019). CFD analysis and RSM-based design optimization of novel grooved micromixers with obstructions. International Journal of Heat and Mass Transfer, 140, 483-497. [4] Brar, L. S. (2018). Application of response surface methodology to optimize the performance of cyclone separator using mathematical models and CFD simulations. Materials Today: Proceedings, 5(9), 20426- 20436. [5] Aghaie, A. Z., Rahimi, A. B., & Akbarzadeh, A. (2015). A general optimized geometry of angled ribs for enhancing the thermo-hydraulic behavior of a solar air heater channel–a Taguchi approach. Renewable Energy, 83, 47-54. [6] Mohammadi, M., Abadeh, A., Nemati-Farouji, R., & Passandideh-Fard, M. (2019). An optimization of heat transfer of nanofluid flow in a helically coiled pipe using Taguchi method. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 138(2), 1779-1792. [7] Miansari, M., Valipour, M. A., Arasteh, H., & Toghraie, D. (2020). Energy and exergy analysis and optimization of helically grooved shell and tube heat exchangers by using Taguchi experimental design. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 139(5), 3151-3164. [8] Heydari, O., Miansari, M., Arasteh, H., & Toghraie, D. (2020). Optimizing the hydrothermal performance of helically corrugated coiled tube heat exchangers using Taguchi’s empirical method: energy and exergy analysis. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1-12. [9] Karimifard, S., & Moghaddam, M. R. A. (2018). Application of response surface methodology in physicochemical removal of dyes from wastewater: a critical review. Science of the Total Environment, 640, 772-797. -67-