ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA QUẠT LY TÂM CÓ BÁNH CÔNG TÁC DẠNG BACKWARD (BKVFM) Tác giả: Ngô Khánh Hiếu Lê Văn Long Lê Đình Anh Huy Trần Minh Thuận 122020MỤC LỤC 1. Đặc trưng hình học của bánh công tác quạt ly tâm dạng backward...............3 2. Giới thiệu chương trình BKVFM ...................................................................4 3. Đặc trưng của chương trình BKVFM.............................................................5 3.1. Mô hình hóa hình học..................................................................................5 3.2. Phương pháp mô phỏng số đặc tính hoạt động của quạt ly tâm..................6 3.2.1. Phương pháp Đa Vùng Tham Chiếu (Multiple Reference Frame)..........6 3.2.2. Giải thuật simpleFoam.............................................................................6 3.2.3. Mô hình rối komega SST.........................................................................6 3.3. Cấu trúc lưới và thiết lập điều kiện biên .....................................................7 3.3.1. Kích thước miền tính ................................................................................7 3.3.2. Cấu trúc lưới ............................................................................................8 3.3.3. Thiết lập điều kiện biên ............................................................................9 4. Trình tự chạy chương trình...........................................................................10 4.1. Thiết lập ban đầu .......................................................................................10 4.2. Kiểm tra kết quả chia lưới .........................................................................11 4.3. Giám sát, kiểm tra quá trình tính toán .......................................................15 4.4. Xử lý kết quả .............................................................................................15 5. Đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng đặc tính hoạt động của quạt ly tâm có bánh công tác dạng backward với chương trình BKVFM......................20 Phụ lục.................................................................................................................26 A. Hệ điều hành Ubuntu..............................................................................26 B. Version OpenFOAM tối thiểu đề xuất...................................................26 C. Các tiện tích cần cài tích hợp với OpenFOAM......................................27 D. Source code OpenFOAM cho CFD quạt ly tâm 5.5 kW của công ty Đồng Tâm...............................................................................................28Chương trình mô phỏng đặc tính hoạt động của quạt ly tâm có bánh công tác dạng “backward” (BKVFM) 3 1. Đặc trưng hình học của bánh công tác quạt ly tâm dạng backward Một quạt ly tâm hoàn chỉnh được cấu tạo từ các bộ phận sau (xem hình 1): • Miệng hút – Inlet • Vỏ quạt – Housing • Bánh công tác – Impeller Wheel • Miệng ra – Outlet • Động cơ – Motor Hình 1: Cấu tạo chung của quạt ly tâm Bánh công tác của quạt ly tâm có 3 loại phổ biến: cánh cong về sau (backward curved), cánh cong về trước (forward curved), cánh thẳng (radial). Trong đó dạng cánh cong về sau, nghĩa là các cánh quạt trên bánh công tác có hướng cong ngược chiều quay của bánh công tác (xem hình 2), được sử dụng rộng rãi nhờ các lợi ích: • Hoạt động tốt nhất ở yêu cầu áp suất cao và lưu lượng trung bình, phù hợp với yêu cầu cần áp suất cao của các mẫu quạt ly tâm. • Cho mức tiêu thụ điện năng hiệu quả hơn nhiều so với các dạng bánh công tác còn lại, phù hợp với việc sử dụng động cơ công suất lớn. Hình 2: Cấu tạo và hình dạng của một bánh công tác dạng cong về sauChương trình mô phỏng đặc tính hoạt động của quạt ly tâm có bánh công tác dạng “backward” (BKVFM) 4 Thêm nữa, bánh công tác dạng cong về sau không có điểm mất hiệu suất trên đường đặc tính của nó, điểm mà tại đó có thể xuất hiện nhiễu động gây ảnh hưởng tới sự vận hành lâu dài của quạt. Điều này được thể hiện rõ ở hình 3 và 4 biểu diễn đường đặc tính của quạt ly tâm và quạt hướng trục theo mối liên hệ giữa tĩnh áp (static pressure) và lưu lượng (CFM). Do đó, quạt ly tâm sử dụng bánh công tác dạng cánh cong về sau có thể vận hành tại mọi điểm trên đường đặc tính của nó.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA QUẠT LY TÂM CĨ BÁNH CƠNG TÁC DẠNG "BACKWARD" (BKVFM) Tác giả: Ngô Khánh Hiếu Lê Văn Long Lê Đình Anh Huy Trần Minh Thuận 12/2020 MỤC LỤC Đặc trưng hình học bánh cơng tác quạt ly tâm dạng backward Giới thiệu chương trình BKVFM Đặc trưng chương trình BKVFM 3.1 Mơ hình hóa hình học 3.2 Phương pháp mô số đặc tính hoạt động quạt ly tâm 3.2.1 Phương pháp Đa Vùng Tham Chiếu (Multiple Reference Frame) 3.2.2 Giải thuật simpleFoam 3.2.3 Mơ hình rối k-omega SST 3.3 Cấu trúc lưới thiết lập điều kiện biên 3.3.1 Kích thước miền tính 3.3.2 Cấu trúc lưới 3.3.3 Thiết lập điều kiện biên Trình tự chạy chương trình 10 4.1 Thiết lập ban đầu 10 4.2 Kiểm tra kết chia lưới 11 4.3 Giám sát, kiểm tra q trình tính tốn 15 4.4 Xử lý kết 15 Đánh giá độ tin cậy kết mô đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng backward với chương trình BKVFM 20 Phụ lục 26 A Hệ điều hành Ubuntu 26 B Version OpenFOAM tối thiểu đề xuất 26 C Các tiện tích cần cài tích hợp với OpenFOAM 27 D Source code OpenFOAM cho CFD quạt ly tâm 5.5 kW công ty Đồng Tâm 28 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Đặc trưng hình học bánh công tác quạt ly tâm dạng backward Một quạt ly tâm hoàn chỉnh cấu tạo từ phận sau (xem hình 1): • Miệng hút – Inlet • Vỏ quạt – Housing • Bánh cơng tác – Impeller Wheel • Miệng – Outlet • Động – Motor Hình 1: Cấu tạo chung quạt ly tâm Bánh cơng tác quạt ly tâm có loại phổ biến: cánh cong sau (backward curved), cánh cong trước (forward curved), cánh thẳng (radial) Trong dạng cánh cong sau, nghĩa cánh quạt bánh cơng tác có hướng cong ngược chiều quay bánh cơng tác (xem hình 2), sử dụng rộng rãi nhờ lợi ích: • Hoạt động tốt yêu cầu áp suất cao lưu lượng trung bình, phù hợp với yêu cầu cần áp suất cao mẫu quạt ly tâm • Cho mức tiêu thụ điện hiệu nhiều so với dạng bánh cơng tác cịn lại, phù hợp với việc sử dụng động cơng suất lớn Hình 2: Cấu tạo hình dạng bánh cơng tác dạng cong sau Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh công tác dạng “backward” (BKVFM) Thêm nữa, bánh công tác dạng cong sau khơng có điểm hiệu suất đường đặc tính nó, điểm mà xuất nhiễu động gây ảnh hưởng tới vận hành lâu dài quạt Điều thể rõ hình biểu diễn đường đặc tính quạt ly tâm quạt hướng trục theo mối liên hệ tĩnh áp (static pressure) lưu lượng (CFM) Do đó, quạt ly tâm sử dụng bánh cơng tác dạng cánh cong sau vận hành điểm đường đặc tính Hình 3: Đường đặc tính quạt hướng trục Hình 4: Đường đặc tính quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng cánh cong sau Giới thiệu chương trình BKVFM Hiện nay, với phát triển mạnh máy tính tiến độ xác phương pháp số, nhiều phần mềm thương mại thị trường có cơng cụ mơ số cho máy thủy khí nói chung quạt ly tâm nói riêng CFX, FLUENT, STARCD, v.v Tuy nhiên, chi phí quyền cho cơng cụ cao, mức không 500 USD/tháng, theo tham khảo từ CFD Review (http://www.cfdreview.com) Riêng phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM chưa có cơng cụ thức dành riêng cho mơ đặc tính quạt ly tâm Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Vì vậy, sau q trình nghiên cứu phát triển, nhóm định cơng bố cơng cụ để mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng backward với phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM, đặt tên “Chương trình BKVFM” Chương trình mà nhóm phát triển xác thực thực nghiệm thông qua số mẫu quạt ly tâm doanh nghiệp nước, cho thấy độ tin cậy cao, mẫu quạt ly tâm công suất 5.5 kW công ty Đồng Tâm lấy làm ví dụ áp dụng để mơ tả rõ chương trình phần sau Hơn nữa, chương trình mã nguồn mở, BKVFM chia sẻ hồn tồn miễn phí người dùng phát triển riêng cho ứng dụng Đặc trưng chương trình BKVFM 3.1 Mơ hình hóa hình học Hình hình ảnh quạt ly tâm có cơng suất 5.5 kW Cơng ty TNHH Kỹ thuật công nghiệp Đồng Tâm sản xuất Mẫu quạt ly tâm 5.5 kW nhóm sử dụng ví dụ mẫu áp dụng chương trình BKVFM để mơ số đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” Và hình thể hình học bánh cơng tác dạng “backward” mẫu quạt ly tâm 5.5 kW, Công ty Đồng tâm cung cấp cho nhóm, dịnh dạng STL Hình 5: Quạt ly tâm cơng suất 5,5 kW với đường kính miệng hút 240 mm Hình 6: Mơ hình 3D quạt ly tâm 5,5 kW Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) 3.2 Phương pháp mơ số đặc tính hoạt động quạt ly tâm 3.2.1 Phương pháp Đa Vùng Tham Chiếu (Multiple Reference Frame) Sử dụng phương pháp đa vùng tham chiếu cho phép miền tính tốn chia thành hai miền nhỏ, vùng giả định quay tịnh tiến so với trục tọa độ Phương trình chủ đạo miền phụ lấy từ hệ trục cục miền phụ Vận tốc tuyệt đối hệ trục tọa độ tìm thấy thơng qua vận tốc tương đối hệ tọa độ xoay quanh hệ tọa độ tuyệt đối theo phương trình: 𝑣⃗ = 𝑣 ⃗⃗⃗⃗𝑟 + (𝜔 ⃗⃗ × 𝑟⃗) + 𝑣 ⃗⃗⃗⃗𝑡 (1) Trong 𝑣⃗ vận tốc tuyệt đối hệ tọa độ quán tính, 𝑣 ⃗⃗⃗⃗𝑟 định nghĩa vận tốc hệ trục tọa độ tương đối 𝑣 ⃗⃗⃗⃗𝑡 vận tốc dịch chuyển hệ tọa độ phi quán tính Những định nghĩa đưa vào phương trình Navier-Stokes, gồm phương trình sau: ∇ 𝜌𝑣⃗ = (2) ∇ (𝜌𝑣⃗𝑣⃗ ) = −∇𝑝 + 𝜇∇ ∇(𝑣⃗ ) (3) Tính tốn phương trình cho hệ tọa độ xoay: ∇ 𝜌𝑣⃗ = (4) ∇ (𝜌𝑣⃗, 𝑣⃗ ) + 𝜌(𝜔 ⃗⃗ × 𝑟⃗) = −∇𝑝 + 𝜇∇ ∇(𝑣⃗ ) (5) Sử dụng cơng thức (1) đó, phương trình cho hệ trục xoay có dạng: ∇ 𝜌𝑣⃗𝑟 = (6) ∇ (𝜌𝑣⃗𝑟 𝑣⃗𝑟 ) + 𝜌(2𝜔 ⃗⃗ × 𝑟⃗) + 𝜔 ⃗⃗ × 𝜔 ⃗⃗ × 𝑟⃗ = −∇𝑝 + 𝜇∇ ∇(𝑣⃗𝑟 ) (7) Theo đó, thành phần thứ thứ bên trái công thức (7) thành phần Coriolis gia tốc hướng tâm 3.2.2 Giải thuật simpleFoam SimpleFoam giải trạng thái ổn định dùng cho lưu chất không nén dịng rối Tại tâm lưới, OpenFoam sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải phương trình vi phân phần dịng lưu chất Theo cách tiếp cận này, phương trình tích phân qua ô lưới (được xem thể tích kiểm sốt) mà chứa thuật tốn div (▽⋅) thể chuyển thành tích phân mặt cách sử dụng định lý Gauss Tích phân mặt đóng góp qua bề mặt ô lưới Vấn đề giải phép nội suy Rhie-Chow giải thuật điều chỉnh SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 3.2.3 Mơ hình rối k-omega SST Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Biến mơ hình động rối k dùng để xác định lượng rối dòng Biến thứ hai ω tốc độ tiêu tán lượng riêng từ động rối chuyển sang nội năng: 𝜕 𝜕𝑡 𝜕 𝜕𝑡 (𝜌𝑘 ) + (𝜌𝜔) + 𝜔 𝜕𝑢𝑖 𝑘 𝜕𝑥𝑗 𝛼 𝜏𝑖𝑗 𝜕 𝜕𝑥𝑗 𝜕 𝜕𝑥𝑗 (𝜌𝑘𝑢𝑗 ) = 𝜏𝑖𝑗 𝜕𝑢𝑖 𝜕𝑥𝑗 − 𝛽∗ 𝜌𝜔𝑘 + 𝜕 𝜕𝑥𝑗 [(𝜇 + 𝜎𝑘 𝜌𝑘 𝜔 ) 𝜕𝑘 𝜕𝑥𝑗 ] (8) (𝜌𝑢𝑗 𝜔) = − 𝛽𝜌𝜔2 + 𝜕 𝜕𝑥𝑗 [(𝜇 + 𝜎𝜔 𝜌𝑘 𝜔 ) 𝜕𝜔 𝜕𝑥𝑗 ]+𝜌 𝜎𝑑 𝜕𝑘 𝜕𝜔 𝜔 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑥𝑗 (9) Mơ hình rối k-ω SST có chứa hàm dạng cho phép việc ứng xử dịng xa tường áp dụng mơ hình rối k-ε, thay vào đó, sát biên tường mơ hình k-ω áp dụng Chính kết hợp này, giúp ta dự đốn xác dịng qua bề mặt cánh trường hợp mơ hình k-ε khơng thể 3.3 Cấu trúc lưới thiết lập điều kiện biên 3.3.1 Kích thước miền tính SnappyHexMesh cơng cụ chia lưới tự động cung cấp miễn phí phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM Công cụ cho phép người dùng tạo miền tính tốn khơng gian chiều, bao gồm nhiều loại phần tử lưới khác như: lục diện (hexahedra) lục diện khơng hồn tồn (split-hexahedra) từ bề mặt hình học định dạng STL OBJ Nhóm tác giả đề xuất miền tính tốn hình bên phù hợp với điều kiện hoạt động tự nhiên môi trường khảo sát đủ lớn để ghi nhận mức độ ảnh hưởng dịng vào mơi trường xung quanh Hình 7: Kích thước miền tính tốn mơ cho quạt ly tâm công suất 5.5 kW Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) 3.3.2 Cấu trúc lưới Việc lựa chọn kích thước phần tử lưới cánh quạt bề dày cánh có kích thước 3.94 mm Nên kích thước tối đa cánh vùng cạnh cánh khơng vượt q ½ giá trị Và để đảm bảo độ trơn bề mặt công bánh công tác, ô lưới nhỏ lựa chọn có giá trị 1.95 mm tương ứng cấp lưới snappyHexMesh Đối với vỏ quạt vậy, để đảm bảo bề mặt dịng vào khơng q thơ, sinh rối xốy khơng mong muốn Một miền tính tốn phù hợp với mật độ phần tử lưới vừa phải đảm bảo độ xác giảm thiểu thời gian tính tốn Các kích thước phần tử lưới lựa chọn cho phân vùng miền tính tốn mơ tả bảng bên Trong đó, phần tử lưới bề mặt cánh quạt ly tâm vỏ quạt phải có độ mịn vừa đủ để mang lại kết mơ xác Bên cạnh đó, vùng xa cánh xoay giảm mật độ lưới nhằm nâng cao hiệu suất thời gian tính tốn Các số đánh giá chất lượng lưới mô tả bảng đảm bảo cấu hình phù hợp mơ phần mềm OpenFOAM Hình 8: Lưới bề mặt vỏ quạt Hình 9: Lưới bề mặt bánh cơng tác Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Bảng 1: Cấu hình lưới đề xuất cho vỏ quạt bánh công tác Thông số Kích thước (mm) Ơ lưới bề mặt vỏ quạt (nhỏ nhất) 1.95×1.95 mm2 Ơ lưới bề mặt vỏ quạt (lớn nhất) 3.91×3.91 mm2 Ơ lưới bề mặt bánh cơng tác (nhỏ nhất) 1.95×1.95 mm2 Ơ lưới bề mặt bánh cơng tác (lớn nhất) 3.91×3.91 mm2 Ơ luới thể tích miền xoay 1.95×1.95×1.95 mm3 Ơ luới thể tích vỏ quạt trừ miền xoay 3.91×3.91×3.91 mm3 Độ dày lớp biên 0.52 mm Độ dày lớp biên 4.2 mm Số lớp biên Bảng 2: Tổng hợp kết chia lưới cho số vòng quay cụ thể 2515 2628 2741 Độ lệch lưới lớn 3.99 ( triSurface, chọn file duct.stl, nhấp OK nhấp đúp chuột Nhấp để hiển thị hình học quạt ly tâm Miền lưới sau thêm hình học quạt ly tâm thể trình bày hình 18 Hình 18: Miền lưới mặt cắt ngang miệng hút quạt ly tâm – ParaView - Bước 6: Chọn Slice1 , sau nhấp vào biểu tượng Plot Over Line công cụ Nhập tọa độ hai điểm đầu mút đoạn thẳng theo bán kính quạt hình 19 Nhấp , sau nhấp biểu tượng Last Frame để chuyển đến vịng lặp cuối cùng, ta có liệu đồ thị phân bố vận tốc quạt theo đoạn thẳng vừa tạo (xem hình 20 21) Hình 19: Thơng số tọa độ đoạn thẳng khảo sát quạt – ParaView 16 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Hình 20: Thơng số vận tốc theo đoạn thẳng khảo sát quạt - ParaView Hình 21: Đồ thị phân bố vận tốc theo đoạn thẳng khảo sát quạt - ParaView - Bước 7: Thực tương tự bước 6, thay đổi tọa độ điểm Point2 (thay đổi x, y theo công thức lượng giác) để tạo 36 đoạn thẳng cách nhau, xếp thành vịng trịn hình 22 Như giá trị vận tốc vùng bán kính trung bình vận tốc 36 điểm vị trí bán kính 36 đoạn thẳng khảo sát Tập tin vantoc.pvsm tạo sẵn ví dụ áp dụng mẫu quạt 5.5 kW tần số 44Hz, để mở tập tin, ta chọn File -> Load State -> vantoc.pvsm nhấp OK 17 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Hình 22: Tập hợp đoạn thẳng hhảo sát quạt – ParaView • Xuất kết lưu lượng quạt: - Bước 1: Thực lại từ bước đến bước phần kiểm tra hình ảnh mục 4.3, chọn Z Normal để mặt cắt vng góc với trục Z Chỉnh giá trị tọa độ (x, y, z) mặt cắt (Origin) (0, 0, z), với z khoảng cách từ mép ngồi miệng hút quạt đến vị trí khảo sát, ví dụ áp dụng mẫu quạt ly tâm 5.5 kW khoảng cách z 0.13 m - Bước 2: Nhấn Ctrl + Space, sau gõ Ex chọn Extract Block hình 23 Đánh dấu chọn mục , sau nhấp - Bước 3: Thực tương tự bước để tạo mục Extract Surface, Cell Data to Point Data, Generate Surface Normals, Calculator Các mục không cần đánh dấu thêm, riêng mục Calculator ta nhập tên công thức để tính giá trị lưu lượng hình 24 - Bước 4: Thực tương tự bước để tạo mục Integrate Variables, sau nhấp , nhấp biểu tượng Last Frame để chuyển đến vòng lặp cuối cùng, ta có giá trị lưu lượng miền lưới bao gồm vùng miệng hút quạt (xem hình 25) - Bước 5: Chọn mục gốc , sau nhấp vào biểu tượng Clip công cụ Thiết lập giá trị hình 26, nhấp 18 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) - Bước 6: Tạo mặt cắt Slice mục theo hướng dẫn từ bước đến bước (tổng hợp mục tạo thể hình 27), ta có giá trị lưu lượng miền lưới khơng bao gồm miệng hút quạt - Bước 7: Lấy hiệu giá trị lưu lượng miền lưới có khơng có miệng hút quạt Đó giá trị lưu lượng ngõ vào miệng hút quạt Tập tin luuluong.pvsm tạo sẵn ví dụ áp dụng mẫu quạt 5.5 kW tần số 44Hz, để mở tập tin, ta chọn File -> Load State -> luuluong.pvsm nhấp OK Hình 23: Hộp thoại để xuất kết lưu lượng – ParaView Hình 24: Mục Calculator để tính giá trị lưu lượng – ParaView Hình 25: Giá trị lưu lượng miền lưới bao gồm miệng hút quạt – ParaView Hình 26: Thơng số mặt cắt Clip - ParaView 19 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Hình 27: Các mục cần thiết để xuất kết lưu lượng – ParaView • Lấy kết moment cản: - Mở tập tin log.simpleFoam, kéo xuống cuối trang - Lấy giá trị tọa độ z phần pressure sum of moments (xem hình 28), moment τ sử dụng để tính cơng suất cản Hình 28: Giá trị moment cản sau chương trình chạy xong Đánh giá độ tin cậy kết mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng backward với chương trình BKVFM Hình 29 hình 30 thể trường vận tốc sai số dòng khí vùng miệng hút số vịng quay mơ tả bảng thu từ kết mô số (CFD) vùng từ tâm đến vị trí 0.94R Kết so sánh với kết khảo sát trường hợp thực nghiệm (EXP) Sau hồn tất q trình xử lý liệu khảo sát thực nghiệm mơ số, vận tốc dịng khơng khí hút vào đạt giá trị tối đa khoảng 0.55R – 0.71R, giảm nhanh đến sát vành ống (từ 0.84R đến 1.00R) cao so với giá trị vận tốc ghi nhận Tuy nhiên, vùng (r/R) từ tâm đến vị trí 20 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) 0.84R, sai số vận tốc dịng khơng khí 10% cho trường hợp Điều làm tăng tính xác thực độ tin cậy kết mô số đặc tính quạt ly tâm 50 45 40 Vận tốc hướng trục [m/s] 35 30 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 Khoảng cách từ tâm đến vành miệng hút [mm] 44 Hz_CFD 48 Hz_CFD 50 Hz_CFD Hình 29: Trường vận tốc miệng vào mơ số thực nghiệm theo vị trí bán kính khảo sát Theo đó, Kết so sánh độ lớn vận tốc thực nghiệm mô có sai khác lớn 36.68 % số vịng quay 2515 vịng/phút (44 Hz) cách rìa ngồi vành miệng hút 6.12 mm Vị trí sát với bề mặt thành rắn, nơi vận tốc gần tường hàm nội suy theo vị trí tính từ tường, xa tường, vận tốc gần tâm ổn định, điều mong muốn Để cải thiện điều này, miệng vào quạt phải làm trơn, nhằm mục đích độ thay đổi vận tốc theo bán kính khơng nhiều, giúp giảm hình thành rối xoáy thành ống trước vào bánh cơng tác (xem hình vỏ quạt) Vùng tập trung sai số nhỏ vị trí ghi nhận 0.71R có giá trị 0.84 % Sai số vận tốc trung bình cho trường hợp 3.37 %; 2.31 % 1.25 % Điều 21 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) cho thấy mơ hình mơ số đặc tính hoạt động quạt ly tâm đưa nhóm tác giả tin cậy 40 35 30 25 Sai số [%] 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 -5 -10 Khoảng cách từ tâm đến vành miệng hút [mm] 44 Hz 48 Hz 50 Hz Hình 30: Sai số giá trị mô giá trị thực nghiệm theo tần số cụ thể Bảng tổng hợp kết đặc tính đặc trưng mô măn trục, lưu lượng, vận tốc trung bình, áp suất hiệu suất thủy lực quạt theo tần số hoạt động khác nhờ vào công cụ PARAVIEW phần mềm OpenFOAM Nhận thấy tương quan hai đường đặc tính gần trùng (xem hình 31) Khi tăng tốc độ quay, lưu lượng áp suất tăng theo Nhưng tăng đến lúc đó, độ tăng áp suất nhạy so với tốc độ vịng quay Đường đặc tính dốc, độ tăng áp suất nhạy so với mức tăng lưu lượng Điều có ý nghĩa tiên nhà sản xuất muốn thiết kế quạt ly tâm với mục đích nâng cao áp suất hiệu suất Đồ thị hình 32 cho thấy, hiệu suất lớn tần số 48 50 Hz, cơng làm quay bánh cơng tác chuyển hóa thành cơng có ích quạt ly tâm có tỉ lệ cao so với trường hợp 44 Hz cịn lại 22 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Bảng 4: giá trị đặc tính mô số liệu thực nghiệm Đại lượng 44 Hz CFD 48 Hz EXP CFD EXP Torque 11.93 13.85 Q [m3/h] 6152.35 6367.32 6729.61 6888.96 Vận tốc trung bình [m/s] 37.78 39.10 41.32 42.30 Áp suất miệng vào [Pa] 799.17 856 956.18 1002 Hiệu suất [%] 43.47 43.5 45 43.1 50 Hz Đại lượng CFD EXP Torque 15.05 Q [m3/h] 7016.81 7105.68 Vận tốc trung bình [m/s] 43.08 43.63 Áp suất miệng vào [Pa] 1039.53 1066.03 Hiệu suất [%] 45 41,4 23 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) 1100 1050 Áp suất [Pa] 1000 950 900 850 800 750 6000 6200 6400 6600 Lưu lượng Q CFD 6800 7000 7200 [m3/h] EXP Hình 31: Đồ thị mối quan hệ áp suất với lưu lượng theo tần số cụ thể Sai số khác biệt hiệu suất rõ rệt quan sát tần số cụ thể 50 Hz 8.8% Ghi nhận giá trị sai số trường hợp mô tốc độ vòng quay khác giá trị hiệu điện cường độ dòng điện thực tế nội suy theo số vòng quay lớn Cơng suất trục khơng tải tính số vịng quay lớn Sai số lớn hai đặc trưng lưu lượng áp suất xảy tần số 44 Hz 3.37 % 6.64% Nên đặc tính mơ CFD quạt phù hợp áp suất lưu lượng, hiệu suất khơng đổi đường kính miệng vào cố định Điều chứng tỏ, tốc độ quay cao, dòng vào miệng hút ổn định, khả xuất rối xốy ảnh hưởng đến đặc tính quạt ly tâm 24 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) 47 45 45 45 43.5 43.47 43.1 Hiệu suất [%] 43 41.4 41 39 37 35 6100 6300 6500 6700 Lưu lượng Q CFD 6900 7100 [m3/h] EXP Hình 32: Đồ thị mối quan hệ hiệu suất với lưu lượng theo tần số cụ thể Lưu lượng Áp suất Hiệu suất SAI SỐ [%] 44 46 48 50 -2 -4 -6 -8 -10 TẦN SỐ [HZ] Hình 33: Đồ thị sai số mô số so với liệu thực nghiệm 25 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) Để đánh giá đặc tính quạt ly tâm qua mơ để tìm hiệu suất quạt cao nhất, cần thực nhiều tần số khác để kiểm tra mơ hình lưới có cần điều chỉnh phù hợp hay khơng – điều cịn gọi mơ hình lưới tối ưu cho tốn khơng cần phải thay đổi số lượng ô lưới để tối đa hóa thời gian mà đảm bảo độ xác Như mơ hình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm dạng backward BKVFM tảng phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM cho kết đáng tin cậy Cụ thể, dự đốn xác đặc tính áp suất lưu lượng quạt so với liệu thực nghiệm Chính vậy, mơ hình áp dụng cách tương tự để khảo sát dự đốn đặc tính quạt ly tâm số vòng quay khác nhau, giúp tiết kiệm thời gian, song song đó, trước đến việc chế tạo mẫu thử sản xuất đại trà Phụ lục A Hệ điều hành Ubuntu Ubuntu hệ điều hành mã nguồn mở miễn phí, phát triển cộng đồng lập trình viên tồn giới nhân viên nhà tài trợ thương mại Ubuntu, Canonical Dựa tảng Linux, Ubuntu thường công nhận phiên Linux sử dụng rộng rãi nay, với độ ổn định tính bảo mật cao Bạn tải xuống, sử dụng chia sẻ hệ điều hành hoàn tồn miễn phí Để cài đặt hệ điều hành, truy cập đường dẫn bên làm theo hướng dẫn https://ubuntu.com/tutorials/install-ubuntu-desktop#1-overview B Version OpenFOAM tối thiểu đề xuất Nhóm đề xuất sử dụng phần mềm OpenFOAM tối thiểu Version 5.0 để chạy chương trình BKVFM OpenFOAM Version 5.0 cung cấp chức cải tiến lớn so với Version 4.0, với yêu cầu khắt khe khả sử dụng, độ tin cậy khả bảo trì Chức bao gồm: mơ hình hóa sóng (wave modelling), nhập/xuất song song (parallel I/O) viết lại thuật toán theo dõi (rewrite of the tracking algorithm) Khả sử dụng snappyHexMesh cải thiện chức blockMesh cho phép tạo lưới giúp cải thiện độ tin cậy trường hợp hình học xoay Có mơ hình truyền tải, rối, nhiệt động lực học, đốt cháy cơng cụ chung hữu ích mới, với tiện ích phiên ParaView 5.4.0 Hướng dẫn cài đặt: OpenFOAM ParaView cài đặt lần đầu cơng cụ quản lý gói apt Người dùng cần cung cấp mật xác thực thực lệnh sau với sudo 26 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) • Bước 1: Sao chép dán nội dung sau vào terminal prompt (Applications -> Accessories -> Terminal) để thêm dl.openfoam.org vào danh sách kho phần mềm để apt tìm kiếm thêm gpg.key để gói xác minh sudo sh -c "wget -O - http://dl.openfoam.org/gpg.key | apt-key add -" sudo add-apt-repository http://dl.openfoam.org/ubuntu • Bước 2: Cập nhật danh sách gói apt cho vị trí kho tải xuống mới: sudo apt-get update • Bước 3: Cài đặt: sudo apt-get -y install openfoam5 Như vậy, OpenFOAM 5.0 ParaView cài đặt thư mục /opt Trên bước để cài đặt OpenFOAM Thông tin chi tiết thêm vấn đề cài đặt, cập nhật, cấu hình xử lý lỗi có đường dẫn bên https://openfoam.org/download/5-0-ubuntu/ C • Các tiện tích cần cài tích hợp với OpenFOAM ParaView ParaView ứng dụng trực quan hóa phân tích liệu đa tảng với mã nguồn mở Người dùng nhanh chóng xây dựng hình ảnh trực quan để phân tích liệu họ kỹ thuật định tính định lượng Việc thăm dị liệu thực tương tác 3D theo chương trình khả xử lý hàng loạt ParaView ParaView phát triển để phân tích tập liệu cực lớn cách sử dụng tài ngun tính tốn nhớ phân tán Nó chạy siêu máy tính để phân tích liệu cực lớn laptop cho liệu nhỏ ParaView cơng cụ hậu xử lý (post-processing tool) cho OpenFOAM với chức năng: - Trực quan hóa tập tin OpenFOAMblockMeshDict - Đọc liệu từ OpenFOAM - Chuyển đổi liệu OpenFOAM sang định dạng VTK - Tạo liệu đầu q trình mơ cách sử dụng VTK Phiên ParaView 5.4.0 tích hợp sẵn cài đặt OpenFOAM 5.0 • MeshLab MeshLab hệ thống mã nguồn mở để xử lý chỉnh sửa lưới tam giác 3D (3D triangular meshes) Nó cung cấp cơng cụ để chỉnh sửa, dọn dẹp, phục hồi, kiểm tra, kết xuất, tạo bề mặt chuyển đổi lưới MeshLab cung cấp tính 27 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) để xử lý liệu thô tạo cơng cụ/thiết bị số hóa 3D để chuẩn bị mơ hình cho việc in 3D Đối với tốn mơ quạt ly tâm, MeshLab giúp hỗ trợ việc xây dựng, scale xử lý hình học trước đưa vào mơ Để cài đặt MeshLab, ta nhập lệnh sau vào terminal: sudo apt update sudo apt install meshlab D Source code OpenFOAM cho CFD quạt ly tâm 5.5 kW cơng ty Đồng Tâm Cấu trúc chương trình BKVFM áp dụng cho quạt ly tâm 5.5 kW công ty Đồng Tâm bao gồm 07 thư mục tập tin chính: • • Thư mục 0.orig bao gồm: ▪ k ▪ nut ▪ omega ▪ p ▪ U Thư mục constant bao gồm: ▪ Thư mục extendedFeatureEdgeMesh - duct.extendedFeatureEdgeMesh - innerCylinderSmall.extendedFeatureEdgeMesh - propellerTip.extendedFeatureEdgeMesh ▪ Thư mục polyMesh - Thư mục sets ✓ boundaryFaces ✓ inletFaces ✓ outletFaces - boundary - cellZones - faces - faceZones - neighbor - owner - points - pointZones ▪ Thư mục triSurface - duct.eMesh - duct.stl 28 Chương trình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm có bánh cơng tác dạng “backward” (BKVFM) • • • • • - innerCylinderSmall.eMesh - innerCylinderSmall.stl - propellerTip.eMesh - propellerTip.stl ▪ MRFProperties ▪ transportProperties ▪ turbulenceProperties Thư mục system bao gồm: ▪ Thư mục include - background.txt - condition - decomposePar.txt - fieldSize.txt - layer.txt - refinement.txt ▪ blockMeshDict ▪ controlDict ▪ createBafflesDict ▪ createInletOutletSets.topoSetDict ▪ createPatchDict ▪ decomposeParDict ▪ fvSchemes ▪ fvSolution ▪ snappyHexMeshDict ▪ surfaceFeatureExtractDict ▪ surfaceFeatureExtractDictDefaults Tập tin Allrun Tập tin Allrun.pre Tập tin vantoc.pvsm Tập tin luuluong.pvsm 29