Luận án Tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu Chuyển động Hạt Lưu chất dưới tác động của Mao dẫn Nhiệt - Nguyễn Tuấn Vinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Tuấn Vinh NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT LƯU CHẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CƠ HỌC Hà Nội – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Tuấn Vinh NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT LƯU CHẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng và chất khí Mã số: 9440108 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Hồng Phan Hà Nội – Năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ này là của riêng tôi. Các kết quả, số liệu của luận án là trung thực. Các tài liệu được sử dụng trong luận án có trích dẫn nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Nghiên cứu sinh Nguyễn Tuấn Vinh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và tận tình chỉ bảo của PGS. Vũ Văn Trường và TS. Nguyễn Hồng Phan đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án tiến sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình tôi học tập tại Viện Cơ học, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong thời gian tôi học tập tại Học viện. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn trong nhóm Nghiên cứu “Cơ học lưu chất ứng dụng, Khoa Kỹ thuật Ô tô và Năng lượng, Trường Đại học Phenikaa” do PGS. Vũ Văn Trường hướng dẫn. Tôi xin chân thành cảm ơn đến quỹ học bổng của Trường Đại học Phenikaa đã tài trợ cho tôi kinh phí để học tiến sĩ.

Nghiên cứu của luận án là một phần của đề tài “Nghiên cứu tính toán động lực học hạt lưu chất đa lớp với truyền nhiệt và chuyển pha” mã số “107.307” do Quỹ Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến ông, bà, bố mẹ, anh em trong gia đình, bạn thân tôi đã có những hỗ trợ về vật chất cũng như tình thần, và đặc biệt là người vợ và con gái nhỏ yêu quý của tôi đã nhẫn nại, chịu nhiều khó khăn, thiệt thòi luôn luôn bên cạnh tôi, động viên, khuyến khích cho tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án tiến sĩ này. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. Một số khái niệm, định nghĩa cơ bản.

Tổng quan về sự hình thành hạt lưu chất. Tổng quan tình hình nghiên cứu chuyển động của hạt lưu chất dưới tác động của mao dẫn nhiệt trên thế giới. Mô phỏng số. Tổng quan tình hình nghiên cứu chuyển động của hạt lưu chất dưới tác động của mao dẫn nhiệt ở Việt Nam.

Đánh giá tình hình nghiên cứu chuyển động của hạt lưu chất dưới tác động của mao dẫn nhiệt trên thế giới và Việt Nam. Kết luận chương 1. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT LƯU CHẤT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT. Hệ phương trình cơ bản của cơ học lưu chất.

Các phương trình liên quan đến bài toán. Tích phân phương trình Navier-Stokes. Phương trình áp suất. Miền tính toán và điều kiện biên.

Phương pháp theo dấu biên. Cấu trúc biên. Tái cấu trúc biên. Chuyển các thuộc tính biên lên lưới cố định.

Tính toán sức căng bề mặt. Hoàn thiện các đặc tính vật chất. Kiểm chứng phương pháp. Bài toán về sự co lại của sợi lưu chất đơn lớp.

Bài toán về chuyển động của hạt lưu chất đơn dưới tác động của mao dẫn nhiệt. Kết luận chương 2. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC BIẾN DẠNG VÀ TÁCH HẠT LƯU CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẲNG NHIỆT. Mô hình bài toán và hội tụ lưới.

Mô hình bài toán. Sự hội tụ của lưới. Kết quả và thảo luận. Ảnh hưởng của số Ohnesorge (Oh).

Ảnh hưởng của tỷ số hình dạng của sợi lưu chất bên ngoài Aro. Ảnh hưởng của tỷ số hình dạng của sợi lưu chất bên trong Ari. Ảnh hưởng của tỷ số bán kính Rio. Ảnh hưởng của tỷ số sức căng bề mặt io.

Ảnh hưởng của tỷ số nhớt 32 và 12. Sơ đồ phân tách và hình thành hạt lưu chất. Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MAO DẪN NHIỆT CỦA HẠT LƯU CHẤT ĐA THÀNH PHẦN.

Mô hình bài toán và hội tụ lưới. Mô hình bài toán. Hội tụ lưới. Kết quả và thảo luận.

Ảnh hưởng của số Reynolds. Ảnh hưởng của số Marangoni. Ảnh hưởng của tỷ số bán kính. Ảnh hưởng của tỷ số độ nhớt.

Kết luận chương 4. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC VÀ BIẾN DẠNG CỦA HẠT LƯU CHẤT ĐA THÀNH PHẦN TRONG ỐNG DẪN THU HẸP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA MAO DẪN NHIỆT. Mô hình bài toán và hội tụ lưới. Mô hình bài toán.

Hội tụ lưới. Kết quả và thảo luận. Ảnh hưởng của số Marangoni. Ảnh hưởng của số mao dẫn.

Ảnh hưởng của kích thước hạt lưu chất trong. Ảnh hưởng của độ thắt lớn nhất của vùng thu hẹp. Kết luận chương 5. 105 KẾT LUẬN CHUNG.

107 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI. 108 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 117 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký Ý nghĩa Đơn vị Hiệu Ari Tỉ số hình dạng ban đầu của sợi lưu chất bên trong Aro Tỉ số hình dạng ban đầu của sợi lưu chất bên ngoài Ca Số mao dẫn Cmo Tỷ số nhiệt dung riêng của lưu chất ở giữa với lưu chất bên ngoài Cio Tỷ số nhiệt dung riêng của lưu chất ở trong với lưu chất bên ngoài cp Hệ số nhiệt dung riêng J/(Kg.K) f Mặt phân cách FT Phương pháp theo dấu biên H Chiều cao miền tính toán m Ii Hàm chỉ thị của biên bên trong Io Hàm chỉ thị của biên bên ngoài kmo Tỷ số dẫn nhiệt của lưu chất ở giữa với lưu chất bên ngoài kio Tỷ số dẫn nhiệt của lưu chất ở trong với lưu chất bên ngoài.

k Hệ số dẫn nhiệt W/(m.K) LS Phương pháp Level-set Ma Số Marangoni nf Véc tơ pháp tuyến tại mặt phân cách Oh Số Ohnesorge p Áp suất N/m2 pn Áp suất không thứ nguyên Re Số Reynolds Ri Bán kính hạt lưu chất bên trong m vii Ro Bán kính hạt lưu chất bên ngoài m Rio Tỷ số bán kính giữa hạt lưu chất bên trong và bên ngoài r Tọa độ hướng tâm m s Độ dài cung dọc theo bề mặt m t Thời gian s tc Thời gian tham chiếu s T Nhiệt độ o C, K Tn Nhiệt độ không thứ nguyên  Thời gian không thứ nguyên u Véc tơ vận tốc m/s Uc Vận tốc tham chiếu m/s Vn Vận tốc của các điểm biên m/s VOF Phương pháp thể tích lưu chất W Chiều rộng miền tính toán m z Tọa độ hướng trục m µi Độ nhớt động lực học của lưu chất bên trong Kg/(m.c) µm Độ nhớt động lực học của lưu chất ở giữa Kg/(m.c) µo Độ nhớt động lực học của lưu chất bên ngoài Kg/(m.c) i Khối lượng riêng của lưu chất bên trong Kg/m3 m Khối lượng riêng của lưu chất ở giữa Kg/m3 o Khối lượng riêng của lưu chất bên ngoài Kg/m3 i Sức căng bề mặt của hạt lưu chất bên trong N/m io Tỷ số sức căng bề mặt giữa hạt lưu chất bên trong và bên ngoài o Sức căng bề mặt của hạt lưu chất bên ngoài N/m viii µio Tỷ số độ nhớt giữa lưu chất bên trong và bên ngoài µmo Tỷ số độ nhớt giữa lưu chất ở giữa và bên ngoài io Tỷ số khối lượng riêng giữa lưu chất bên trong và bên ngoài mo Tỷ số khối lượng riêng giữa lưu chất ở giữa và bên ngoài ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. So sánh phương pháp FT, LS và VOF. Vùng giá trị của tham số cho sự co lại của sợi lưu chất. Tham số đại diện cho Hình 3.

Tham số không thứ nguyên được nghiên cứu trong bài toán này và các nghiên cứu liên quan .90 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Các dạng hạt lưu chất. Chuyển động của hạt lưu chất từ vùng lạnh (dưới) lên vùng nóng (trên) dưới tác động của mao dẫn nhiệt [7]. (a) Sợi lưu chất co lại thành hạt lưu chất hình cầu.

Sự hình thành hạt lưu chất [28]. Sơ đồ biểu diễn tọa độ để miêu tả độ lệch tâm của hạt lưu chất đa thành phần. Chuyển động của hạt lưu chất trong thiết bị vi lỏng. Hạt lưu chất chuyển động từ trên xuống dưới phía bên trái khi không tồn tại gradient nhiệt (off) và khi có gradient nhiệt (on) hạt chuyển động xuống phía dưới bên phải [47].

Chuyển động của hạt lưu chất trong thiết bị vi lỏng. (a) Khi không có chùm tia laze, (b) Khi chiếu xạ chùm tia laze ở mặt trên của hạt lưu chất, (c) Khi chiếu xạ chùm tia laze ở mặt dưới hạt lưu chất. Vận tốc dịch chuyển không thứ nguyên của hạt lưu chất. Vận tốc dịch chuyển của hạt lưu chất với thời gian [51].

Trường nhiệt độ và đường lực mao dẫn nhiệt trong trường hợp (a) Ma = 2 và (b) Ma = 100 [54]. Sự hợp nhất hai hạt lưu chất với số Marangoni nhỏ [56]. (a), (b) Hệ số ảnh hưởng theo số Marangoni và Reynolds trong 2D. (a) Hạt lưu chất lớn ở dưới hạt nhỏ, (b) Hạt lưu chất lớn ở trên hạt nhỏ.

Miền tính toán. Tường trên, dưới, bên phải và bên trái là biên không trượt với nhiệt độ không đổi Tnóng và Tlạnh. Mô hình lưới MAC so le tiêu chuẩn. Biên được sử dụng để đánh dấu mặt phân cách giữa hai lưu chất.

Cấu trúc của biên. Sắp xếp lại biên bề mặt. Lực căng bề mặt trên một phần tử biên được chuyển vào lưới cố định. Sơ đồ khối để giải phương trình Navier-Stokes với biên phân cách.

Mô hình sợi lưu chất đơn .