Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính toán động lực học hạt lưu chất đa thành phần có truyền nhiệt, chuyển pha

Cấu trúc hạt giọt đa thành phần phát triển qua nhiều giai đoạn nối tiếp. Dòng chảy ban đầu tạo ra các lớp chất lưu đồng tâm. Sự khác biệt về tính chất hóa lý giữa các pha dẫn đến phân tách tự nhiên. Trong hệ phân tán lỏng - rắn - khí, các tương tác nhiệt động chi phối vị trí từng lớp chất lỏng. Lực căng bề mặt tại mặt phân giới đóng vai trò thu nhỏ diện tích tiếp xúc. Lực nhớt cản trở biến dạng đột ngột của cấu trúc giọt. Khi nhiệt độ thay đổi, quá trình chuyển đổi trạng thái bắt đầu diễn ra từ ngoài vào trong hoặc ngược lại. Động lực học chất lưu đa pha giải thích chi tiết quy luật phân bố áp suất cục bộ. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh kích thước lõi trong ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định tổng thể của hạt giọt.

Hiện tượng đứt gãy tia lưu chất là kết quả của sự mất ổn định Rayleigh-Plateau. Khi vận tốc dòng chảy vượt ngưỡng tới hạn, sóng bề mặt khuếch đại nhanh chóng. Sợi lưu chất đa lớp co rút mạnh do chênh lệch áp suất Laplace. Quá trình này hình thành các hạt chính xen kẽ các hạt vệ tinh nhỏ hơn. Tương tác thủy động hạt - chất lưu quyết định quỹ đạo di chuyển của từng giọt riêng lẻ. Các yếu tố như số Ohnesorge và số Weber kiểm soát trực tiếp kích thước hạt sau phân tách. Sự co lại của sợi lưu chất nhiều thành phần diễn ra phức tạp hơn chất lưu đơn pha. Lực ma sát nhớt giữa các lớp lỏng làm chậm tốc độ thu hẹp sợi lỏng. Dữ liệu tính toán hỗ trợ kiểm soát kích thước hạt trong thực tế chế tạo.

Phương pháp tính toán dòng đa pha dựa trên hai cách tiếp cận chính. Mô hình Eulerian-Lagrangian theo dõi pha liên tục trong hệ quy chiếu Euler và pha hạt rời rạc trong hệ tọa độ Lagrange. Ngược lại, mô hình Eulerian-Eulerian (Two-Fluid Model) coi cả hai pha đều là môi trường liên tục tương tác lẫn nhau. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào nồng độ thể tích của các hạt trong hệ thống. Lực cản liên pha (drag force) đóng vai trò then chốt trong việc trao đổi động lượng giữa chất lưu và hạt. Mô hình toán học tính toán chính xác hệ số lực cản dưới nhiều dải số Reynolds khác nhau. Dữ liệu từ phương pháp Eulerian phản ánh rõ trường áp suất và vận tốc phân tán. Cả hai mô hình đều đem lại cái nhìn sâu sắc về tương tác cơ học vi mô.

Mô phỏng CFD-DEM kết hợp tính toán động lực học chất lưu với phương pháp phần tử rời rạc. Kỹ thuật này tái hiện va chạm trực tiếp giữa các hạt rắn và tương tác thủy động với dòng chảy lỏng. Bên cạnh đó, phương pháp Lattice Boltzmann (LBM) tiếp cận bài toán trên thang đo màng trung gian mesoscopic. LBM giải phương trình vận chuyển Boltzmann rời rạc trên mạng tinh thể không gian. Phương pháp này xử lý xuất sắc các biên giới hình học phức tạp và bề mặt chuyển pha di động. Sự kết hợp giữa CFD và LBM mở rộng khả năng mô phỏng các cấu trúc giọt nano và micro. Các kết quả tính toán mô tả chân thực hiện tượng biến dạng màng chất lưu trong thời gian thực.

Các thông số không thứ nguyên quyết định tiến trình chuyển pha của hạt giọt rỗng. Số Stefan biểu thị tỷ số giữa nhiệt hiện và ẩn nhiệt nóng chảy. Số Stefan càng lớn thì tốc độ đóng băng của hạt diễn ra càng nhanh. Số Prandtl thể hiện tương quan giữa độ khuếch tán động lượng và độ khuếch tán nhiệt độ. Số Bond phản ánh ảnh hưởng của trọng lực so với lực căng bề mặt lên hình thái giọt. Khi tỷ số khối lượng riêng giữa pha rắn và pha lỏng thay đổi, thể tích hạt có sự co giãn rõ rệt. Tỷ số bán kính giữa vỏ ngoài và lõi trong cũng thay đổi đáng kể thời gian hóa rắn toàn phần. Các phân tích không thứ nguyên cung cấp công thức chuẩn hóa cho thiết kế công nghiệp.

Góc ướt bề mặt xác định mức độ bám dính của giọt chất lưu trên đế lạnh. Hạt nước trên bề mặt kỵ nước có góc ướt lớn hơn chín mươi độ, tạo hình cầu đặc trưng. Ngược lại, bề mặt ưa nước có góc ướt nhỏ, khiến hạt dàn mỏng ra xung quanh. Góc ướt trong của hạt rỗng quyết định vị trí tương đối của bọt khí bên trong. Trong giai đoạn cuối của quá trình đóng băng, sự dịch chuyển của chất lỏng chưa đông tạo thành đỉnh chóp nhọn. Góc phát triển của mặt ranh giới pha rắn kiểm soát góc nhọn tại chóp đỉnh. Hiện tượng này minh chứng cho sự bất đối xứng trong phân bố trường nhiệt độ và áp suất thủy tĩnh.

Số Reynolds dòng ngoài biểu thị tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt của luồng khí bao quanh. Khi số Reynolds tăng, lớp biên thủy động quanh hạt trở nên mỏng hơn. Lực cản liên pha (drag force) tăng tương ứng, gây áp lực ép lên bề mặt phía trước của giọt. Sự chênh lệch áp suất giữa mặt đón gió và vùng xoáy phía sau làm biến dạng mạnh cấu trúc hạt. Dòng xoáy thứ cấp phía sau hạt thúc đẩy trao đổi nhiệt cục bộ nhưng tạo ra sự bất đối xứng nhiệt độ. Lớp đóng băng hình thành dày hơn ở phía tiếp xúc trực tiếp với luồng khí lạnh. Sự kết hợp giữa số Reynolds và số Stefan quyết định tốc độ hoàn thành quá trình chuyển pha.

Hiện tượng đối lưu cưỡng bức kích thích quá trình truyền khối và phản ứng đa thành phần tại mặt phân giới. Nồng độ các chất hòa tan phân bố lại theo gradient vận tốc của dòng đối lưu. Sự khuếch tán phân tử diễn ra đồng thời với dòng chảy khối bên trong hạt rỗng. Khi xuất hiện phản ứng hóa học, nhiệt phản ứng tác động ngược trở lại trường nhiệt độ cục bộ. Tốc độ đóng băng tại các điểm tiếp xúc phản ứng có sự thay đổi đáng kể. Độ lệch tâm ban đầu của lõi khí ảnh hưởng lớn đến hướng phát triển của màng rắn. Kiểm soát tốt tương tác đối lưu giúp hạn chế khuyết tật cấu trúc trong quá trình tổng hợp hạt đa pha.

Trong công nghệ hóa chất, mô phỏng dòng chảy tầng sôi (fluidized bed) là bài toán trọng tâm. Thiết bị tầng sôi vận hành dựa trên sự tiếp xúc mãnh liệt giữa dòng khí và các hạt rắn lơ lửng. Việc phân tích hệ phân tán lỏng - rắn - khí giúp nâng cao hiệu suất sấy và nhiệt phân. Các mô hình thủy động lực học tính toán chính xác độ rỗng của lớp hạt và vận tốc tầng sôi tối thiểu. Tương tác va chạm và lực ma sát giữa các hạt được định lượng rõ ràng. Nhờ đó, kỹ sư có thể ngăn ngừa hiện tượng kết tụ hạt không mong muốn trong lò phản ứng. Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối trong quy mô công nghiệp.

Công nghệ đóng gói vi mô ứng dụng trực tiếp nguyên lý hình thành hạt lưu chất đa lớp. Trong y học, các hạt rỗng chứa hoạt chất sinh học giúp kiểm soát tốc độ giải phóng thuốc trong cơ thể. Trong công nghiệp luyện kim, kỹ thuật phun phủ nhiệt làm nóng chảy và đẩy các hạt kim loại va đập vào bề mặt chi tiết. Quá trình hóa rắn nhanh của giọt lỏng quyết định độ bám dính và cấu trúc vi mô của lớp phủ bảo vệ. Việc làm chủ quá trình chuyển pha ngăn chặn các vết nứt và lỗ rỗng co ngót bên trong vật liệu. Mô hình động lực học hạt đóng vai trò nền tảng cho việc nâng cao chất lượng lớp phủ bề mặt.