Tích hợp CFD và DOE trong nghiên cứu kỹ thuật nhiệt

Trong bài viết 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tích hợp CFD và DOE trong nghiên cứu kỹ thuật nhiệt 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.vnTóm tắt. Trong bài báo này, động lực học lưu chất tính toán (Computational Fluid Dynmanics – CFD) vàcác phương pháp thực nghiệm (Design of experiment – DOE) được tích hợp để nghiên cứu các vấn đề kỹthuật nhiệt được trình bày. Các trường hợp nghiên cứu tiêu biểu như bộ hòa trộn, sấy, bộ gia nhiệt khôngkhí bằng năng lượng mặt trời, thiết bị trao đổi nhiệt và các phương pháp bề mặt đáp ứng, Taguchi đượctrình bày để làm rõ tính ưu việc và giới hạn của sự tích hợp. Kết quả khảo sát cho thấy sự tích hợp CFD vàDOE vào nghiên cứu kỹ thuật nhiệt làm giảm bớt chi phí, thời gian và số lần thực nghiệm. Do đó , sự tíchhợp của hai công cụ này là giải pháp hữu hiệu và và xu hướng nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa họctrên thế giới.Từ khóa. CFD, DOE, phương pháp số, quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa. CFD AND DOE INTEGRATION IN THERMAL ENGINEERING STUDIESAbstract. In this paper, Computational Fluid Dynmanics (CFD) and Design of Experiment (DOE) methodsare integrated to study thermal engineering problems. Typical case studies such as mixers, dryers, solar airheaters, heat exchangers, and response surface methods, Taguchi are presented to clarify their operationaladvantages and limit of integration. The survey results show that the integration of CFD and DOE intothermal engineering research reduces the cost, time and number of experiments. Therefore, the integrationof 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 đểgiải gần đúng các phương trình đạo hàm riêng. Trong nhiệt và lưu chất các phương trình này là hệ phươngtrình Navier-Stokes vốn dĩ rất khó giải chính xác do cụm phi tuyến trong phương trình động lượng. CFDthường 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 mụcđích nâng cao hiệu suất và giảm chi phí năng lượng cho các thiết bị. Một trong những phương pháp tối ưuhóa được sử dụng nhiều nhất là phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM). RSM là phương pháp quy hoạch thựcnghiệm (Design of experiment – DOE) sử dụng cho mục đích tối ưu hóa dựa trên cơ sở toán học và xácsuất thống kê. Đây là công cụ để tối ưu mục tiêu đáp ứng theo nhiều biến số ảnh hưởng trong phạm vi khảosát. 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 nghiêncứu. Điều này đã giúp giảm chi phí, thời gian trong các điều tra tối ưu hóa. Tan và cộng sự [1] áp dụngđồng thời RSM thiết kế tổng hợp tâm (Central composite design -CCD) và phương pháp Taguchi để tối ưu -62- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnhhóa quá trình sản xuất dầu sinh học từ dầu ăn đã sử dụng có xúc tác CaO bằng vỏ trứng đà điểu và vỏ trứnggà. 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 dầusinh học. Taguchi là một trong những phương pháp thiết kế thực nghiệm được phát triển bởi kỹ sư người NhậtGenichi Taguchi. Phương pháp dùng để kiểm soát chất lượng sản phẩm trong các quá trình sản xuất côngnghiệp. Ngày nay phương pháp Taguchi được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau để giảm bớtsố 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 DOEOrtega-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 nghiêngRahmannezha ...