Nghiên cứu sự chuyển pha của giọt nước đọng trên cánh máy bay

- ĐÀO VĂN KHOA NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CỦA GIỌT NƢỚC ĐỌNG TRÊN CÁNH MÁY BAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- VŨ VĂN TRƢỜNG Hà Nội - 2018 LỜI NÓI ĐẦU Ngành hàng không đã và đang khẳng định đƣợc tầm quan trọng của mình trong sự phát triển của xã hội ngày nay, kéo theo sự phát triển của kinh tế, công nghệ hiện đại trên toàn thế giới.
- Việc nghiên cứu các hiện tƣợng xảy trong hàng không không bao giờ là đủ.
- Đề tài “Nghiên cứu sự chuyển pha của giọt nước đọng trên cánh máy bay”, là một đề tài mới, thiết thực và cũng là một trong những vấn đề cốt lõi của hiện tƣợng băng đá xuất hiện trên máy bay.
- Luận văn sẽ cho thấy đƣợc vai trò của hiện tƣợng này đối với ngành hàng không, mở rộng phƣơng pháp mô phỏng số ứng dụng cho hiện tƣợng nghiên cứu và đóng góp một phần cho khoa học hiện nay.
- Với những kiến thức cũng nhƣ kinh nghiệm trong nghiên cứu còn hạn chế, em rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các thầy cô.
- Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số .
- Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN CỦA HỌC VIÊN Tôi – Đào Văn Khoa – Cam kết Luận văn Thạc sỹ khoa học là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của TS.Vũ Văn Trƣờng.
- Ảnh hƣởng của băng đá trong ngành hàng không.
- Các loại băng đá hình thành trên máy bay.
- Một số phƣơng pháp chống phá băng trên máy bay.
- Tình hình nghiên cứu bài toán hóa rắn của một giọt nƣớc trên bề mặt lạnh.
- 11 CHƢƠNG 2: MÔ PHỎNG HIỆN TƢỢNG.
- Bài toán mô phỏng.
- Nghiên cứu độ hội tụ của lƣới.
- Đánh giá phƣơng pháp.
- Hàm chỉ thị k [W/(m.K)] Hệ số dẫn nhiệt Lh [J/kg] Nhiệt ẩn chuyển pha σ [N/m] Hệ số căng bề mặt n.
- Góc tiếp xúc ban đầu giữa hạt nƣớc với tấm lạnh gr.
- Góc phát triển [1] μ [Pa.s] Độ nhớt động lực học ρ [kg/m-3] Khối lƣợng riêng τ.
- Nhiệt độ không thứ nguyên CHỈ SỐ DƢỚI c.
- Pha rắn Danh mục hình ảnh Hình 1: Băng đá hình thành trên máy bay [2.
- 1 Hình 3: Hạt nước nhỏ đọng trên bề mặt lạnh [4.
- 2 Hình 4: Băng đá hình thành trên máy bay [9.
- 6 Hình 5: Băng đá trên máy bay – Rime ice [10.
- 7 Hình 6: Băng đá trên máy bay – Clear ice [9.
- 8 Hình 7: Phá băng máy bay trên sân đỗ [12.
- 10 Hình 10: Hạt nước sau hóa rắn ở nhiệt độ phòng [13.
- 12 Hình 12: Hình dạng giọt nước đá theo thời gian khi nhiệt độ bề mặt của tấm thử nghiệm được thiết lập là Tw = -2°C [19.
- 16 Hình 14: Hạt nước trên bề mặt lạnh: (a) Thí nghiệm [16], và (b) mô hình tính toán.
- 21 Hình 16: Hình dạng ban đầu của giọt nước với góc tiếp xúc bề mặt lạnh khác nhau.
- 25 Hình 18: Sự biến đổi theo thời gian của chiều cao trung bình của biên chuyển pha (tính từ bề mặt lạnh) Hs và (b) sự biến đổi theo thời gian của số Nusselt trung bình ứng với ba lưới khác nhau.
- 26 Hình 19: Sự phát triển của biên chuyển pha tại các thời điểm khác nhau trong quá trình chuyển pha được tính toán bởi các lưới khác nhau.
- 28 Hình 21: Sự phát triển theo thời gian của trường nhiệt độ và vận tốc tại các giai đoạn khác nhau: (a.
- 30 Hình 22: Sự phát triển theo thời gian của độ cao trung bình biên chuyển pha Hs, chiều cao hạt nước Hd, và vận tốc phát triển trung bình của biên chuyển pha Vna.
- 31 Hình 23: Sự phát triển của biên chuyển pha tại các thời điểm khác nhau với các đường mức nhiệt độ.
- 33 Hình 24: Sự phát triển theo thời gian của trường nhiệt độ và vận tốc ở các giai đoạn khác nhau của quá trình hóa rắn tại Bo.
- 34 Hình 25: Sự phát triển theo thời gian của chiều cao trung bình của biên chuyển pha (tính từ bề mặt lạnh) Hs và độ cao hạt nước Hd.
- 35 Hình 26: Kết quả hạt nước hóa rắn ở.
- 36 Hình 27: Sự ảnh hưởng của góc 0 đến sự phát triển của quá trình hóa rắn của hạt nước tại giá trị Bo = -2.5.
- 37 Hình 28: Sự ảnh hưởng của góc 0 đến sự phát triển chiều dài của hạt nước tại giá trị Bo = -2.5.
- 38 Hình 29: Biên dạng mặt cắt của giọt nước trước khi hóa rắn (nét đứt) và sau khi hóa rắn (nét liền.
- 39 Hình 30: Ảnh hưởng của góc tiếp xúc 0 và số Bond lên biên dạng của giọt nước ở giai đoạn cuối của quá trình hóa rắn (dấu * tương ứng trường hợp tách hạt.
- 40 Hình 31: Ảnh hưởng của góc tiếp xúc 0 và số Bond tới thời gian hóa rắn của giọt nước s.
- 43 Hình 33: Mô phỏng với dạng bài toán 3D, sự chuyển pha của lớp nước trên bề mặt cánh máy bay.
- 3 Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Trang 1 MỞ ĐẦU 1.
- Lý do chọn đề tài Hình 1: Băng đá hình thành trên máy bay [2].
- Băng đá hình thành trên máy bay (Hình 1) gây ảnh hƣởng rất lớn đến an toàn bay.
- Nhƣ vậy, đề tài nghiên cứu về hiện tƣợng băng đá hay là sự hóa rắn của nƣớc trên máy bay là rất cần thiết.
- Sự hóa rắn của nƣớc xảy ra trên cánh máy bay có nhiều dạng khác nhau nhƣ tạo thành lớp rắn màu trắng do sự kết tinh của các hạt nƣớc đọng trên cánh (Hình 2) hay sự tạo thành lớp rắn với màu trong suốt do sự kết tinh của nƣớc mƣa và hạt nƣớc trong mây.
- Hình 2: Các hạt nƣớc trong không khí [3].
- Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Trang 2 Hình 3: Hạt nƣớc nhỏ đọng trên bề mặt lạnh [4].
- Nhƣ vậy, điểm cốt lõi của bài toán cần đƣợc giải quyết đó chính là sự hóa rắn của một giọt nƣớc đọng trên cánh (Hình3).
- Do đó đề tài “Nghiên cứu sự chuyển pha của giọt nƣớc đọng trên cánh máy bay” sẽ giải quyết bài toán chuyển pha (hóa rắn) của một hạt nƣớc với sự tồn tại của ba pha rắn – lỏng – khí.
- Kết quả bài toán sẽ cho thấy rõ sự phát triển theo thời gian của các biên phân cách giữa các pha (biên rắn–lỏng hay còn gọi là biên hóa rắn/chuyển pha, biên nƣớc–khí, và biên đá–khí) cùng với sự ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng.
- Và hình dạng của sản phẩm cuối cùng ở quá trình hóa rắn.
- Việc nắm rõ cơ chế của hiện tƣợng sẽ là cơ sở để nghiên cứu và phát triển các công nghệ chống phá băng hiện đại hơn, tiết kiệm hơn, không chỉ trong ngành hàng không mà ở các lĩnh vực liên quan.
- Lịch sử nghiên cứu Trong hai thập kỉ đầu của ngành hàng không dân dụng, những mối nguy hiểm do nguyên nhân từ băng đá rất ít xảy ra.
- Đó là vì sự hạn chế trong phát triển công nghệ cũng nhƣ tài liệu tham khảo về hiện tƣợng này là rất ít.
- Do vậy, phi công đã làm hết sức mình để tránh cho máy bay bay qua những đám mây, tránh thời tiết mƣa đá.
- Kết quả là, những mối nguy hiểm do băng đá rất hiếm khi xảy ra và luôn luôn vô ý.
- Hai vụ tại nạn đầu tiên đƣợc ghi nhận liên tiếp là vào ngày do phi công Warren Wiliams điều khiển máy bay Douglas M4, nhƣng may mắn sống sót.
- Nguyên nhân đƣợc tìm thấy ở cả hai vụ tai nạn này là do hiện tƣợng đóng băng làm máy bay không thể điều khiển đƣợc [5].
- Từ đó, việc nghiên cứu tìm ra giải pháp để ngăn chặn hiện tƣợng này đã đƣợc chú ý và bắt đầu vào năm 1928.
- Những giải pháp này vẫn đƣợc giữ và phát triển đến ngày nay.
- Vị trí xuất hiện băng đá Phƣơng pháp chống, phá băng - Bề mặt trƣớc cánh - Khí nóng, làm nóng bằng dòng điện, hóa chất, khí nén - Bề mặt trƣớc cánh ổn định ngang và đứng - Khí nóng, làm nóng bằng dòng điện, khí nén - Kính chắn gió, cửa sổ - Khí nóng, làm nóng bằng dòng điện, hóa chất - Mặt trƣớc động cơ - Khí nóng và làm nóng bằng dòng điện - Nón và mặt trƣớc cánh quạt - Làm nóng bằng dòng điện và hóa chất - Ống pitot - Làm nóng bằng dòng điện Bảng 1: Một số giải pháp chống phá băng [6].
- Nhƣng việc nghiên cứu sâu về bản chất và cơ chế xảy ra hiện tƣợng cũng nhƣ mô hình hóa hiện tƣợng để tìm ra các giải pháp tối ƣu hơn, tiết kiệm hơn là rất ít.
- Trong số đó nổi bật là nghiên cứu: “Thực nghiệm hiện tƣợng chuyển pha và sự phát triển thành băng đá của nƣớc trên bề mặt cánh Turbin gió” của tác giả Hui Hu thuộc Khoa Kỹ thuật Không gian vũ trụ của Đại học Bang Iowa, Hoa Kỳ năm 2009 [7].
- Kết quả thực nghiệm cho thấy các dạng băng đá xuất hiện trên bề mặt cánh tuabin Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Trang 4 gió, và quá trình chuyển đổi nhiệt độ và chuyển đổi pha bên trong giọt nƣớc cũng nhƣ hình dạng và sự phát triển của nƣớc đá trên bề mặt cánh tuabin gió.
- Vào năm 2015, bài báo “Vật lý học về băng đá trên máy bay” của tác giả Tropea cùng các cộng sự của ông đƣợc công bố [8].
- Ngoài việc tổng hợp đƣợc từ rất nhiều nguồn tài liệu khác nhau về điều kiện tạo nên băng đá, kích thƣớc các hạt nƣớc, các tác giả cũng đƣa ra các kết quả so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng liên quan đến hình dạng các hạt nƣớc lớn và tinh thể băng, sự va chạm với bề mặt và sự bồi lắng tinh thể băng.
- Nhƣ vậy, theo các tài liệu đã công bố thì đề tài về xây dựng bài toán và nghiên cứu tính toán số bằng phƣơng pháp theo dấu biên cho mô phỏng sự chuyển pha của hạt nƣớc là chƣa đƣợc nghiên cứu.
- Trong khi đó, ta thấy đƣợc tầm quan trọng của hiện tƣợng này ảnh hƣởng rất lớn đến không chỉ ngành hàng không mà các ngành công nghiệp liên quan.
- Việc nghiên cứu rõ bản chất và cơ chế hoạt động bằng việc tính toán mô phỏng số là đề tài mới, đóng góp một phần quan trọng cho khoa học hiện đại.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu quá trình chuyển pha của hạt nƣớc đọng trên cánh máy bay khi cánh máy bay ở nhiệt độ dƣới nhiệt độ chuyển pha của nƣớc bằng phƣơng pháp tính toán số.
- Mở rộng phƣơng pháp mô phỏng số trực tiếp đã đƣợc phát triển trong đề tài của TS.
- Vũ Văn Trƣờng (dựa trên hệ phƣơng trình vi phân Navier-Stokes và năng lƣợng cho dòng Newton và không nén đƣợc) cho quá trình hóa rắn của hạt nƣớc.
- Bằng tính toán số, chỉ ra ảnh hƣởng của góc tiếp xúc tại bề mặt với sự hiện diện của sự thay đổi thể tích và đƣờng chập ba pha lên quá trình hóa rắn của một hạt nƣớc trên một bề mặt lạnh (cánh máy bay).
- Cho thấy đƣợc sự phát triển của biên chuyển pha cũng nhƣ trƣờng nhiệt độ và trƣờng dòng trong quá trình hóa rắn.
- Cho thấy đƣợc hình dạng của hạt chất lỏng sau quá trình hóa rắn bị tác động nhƣ thế nào khi có sự thay đổi của các yếu tố đầu vào.
- Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Trang 5 - Bằng tính toán số, cho thấy đƣợc ảnh hƣởng của nhiệt độ bề mặt đến sản phẩm cuối cùng của quá trình hóa rắn.
- Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả - Nghiên cứu vai trò của bài toán đối với ngành hàng không và nghiên cứu khoa học, tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc về chuyển pha hóa rắn của hạt nƣớc.
- Xây dựng bài toán và nghiên cứu tính toán số cho mô phỏng sự chuyển pha của một hạt nƣớc.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của trọng trƣờng, hình dạng hạt nƣớc ban đầu cũng nhƣ một số yếu tố khác đến quá trình chuyển pha hóa rắn của hạt nƣớc trên cánh.
- Phƣơng pháp nghiên cứu Bằng việc sử dụng phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết nhằm nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan đến hiện tƣợng chuyển pha của hạt nƣớc từ các nguồn tài liệu.
- Từ đó sẽ định hƣớng cho việc áp dụng phƣơng pháp mô hình hóa có sử dụng tính toán số cho mô phỏng và đảm bảo đƣợc tính tƣơng tự và trực quan nhất với hiện tƣợng.
- Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Trang 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.
- Ảnh hƣởng của băng đá trong ngành hàng không Sự hóa rắn của nƣớc trên cánh máy bay (Hình 4) khi đang bay là một mối nguy hiểm nghiêm trọng trong ngành hàng không, đặc biệt là hàng không dân dụng.
- Hình 4: Băng đá hình thành trên máy bay [9].
- Nó ảnh hƣởng đến sự chảy bao của dòng không khí, làm thay đổi biên dạng khí động của máy bay, giảm lực nâng, tăng lực cản, tăng trọng lƣợng, làm giảm khả năng điều khiển của máy bay.
- Chỉ một lớp băng mỏng hình thành trên cánh cũng có thể gây ra hiện tƣợng phân tách các luồng không khí chảy bao trên bề mặt của cánh.
- Trong một số trƣờng hợp của máy bay nhỏ, băng đá hình thành ở các bộ phận điều khiển cánh và đuôi, các bộ phận đƣợc sử dụng để kiểm soát máy bay, khiến máy bay không bay đƣợc.
- Băng đá hình thành không chỉ trong khi bay, mà còn xảy ra khi máy bay ở mặt đất, tại những nơi có nhiệt độ xung quanh thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của nƣớc.
- Ngoài ra, hiện tƣợng đóng băng của nƣớc còn xảy ra trên cánh tua bin, tại các lỗ thông hơi, nắp đậy làm giảm hiệu suất, chức năng hoạt động cũng nhƣ phá hủy các thiết bị tƣơng ứng.
- Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Trang 7 Vậy hiện tƣợng băng đá hình thành trên máy bay là một trong những vấn đề đã và đang đƣợc quan tâm và khắc phục.
- Mặc dù có nhiều phƣơng pháp chống phá băng đƣợc phát minh và áp dụng trên nhiều loại máy bay nhƣng hầu hết còn chƣa đƣợc tối ƣu.
- Việc nghiên cứu và tìm ra bản chất của hiện tƣợng sẽ là tiền đề để tìm ra những phƣơng pháp chống phá băng hiệu quả và toàn diện hơn nữa.
- Hình 5: Băng đá trên máy bay – Rime ice [10].
- Các loại băng đá hình thành trên bề mặt bên ngoài máy bay đƣợc xác định gồm các dạng.
- Rime (Hình 5): Là lớp băng đá rắn màu trắng, hình thành bởi những giọt nƣớc nhỏ siêu lạnh đóng băng ngay lập tức khi va vào các bề mặt máy bay, bề mặt có nhiệt độ dƣới nhiệt độ đóng băng.
- Các hạt nƣớc này quá nhỏ không đủ để kết hợp với nhau tạo nên sự liên tục nên kết quả sau khi đóng băng là một tinh thể đục, giòn và dễ bị phá hủy bởi các thiết bị chống phá băng trên máy bay

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt