Tính toán, chế tạo và kiểm nghiệm hầm gió tốc độ thấp

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 Tính tốn, chế tạo kiểm nghiệm hầm gió tốc độ thấp ■ ThS TRẦN TUẤN ANH Trường Đại học Thủy lợi Đường ống khí động thiết bị dùng để nghiên cứu TĨM TẮT: Bài báo trình bày kết tính tốn, chế tạo kiểm nghiệm hầm gió (ống khí động) tốc độ thấp để phục vụ công tác đào tạo nghiên cứu Sản phẩm nghiên cứu sử dụng để đo dịng lưu chất qua mơ hình thu nhỏ tơ, máy bay, cơng trình xây dưng làm tài liệu tham khảo cho nhà sản xuất lựa chọn biên dạng phù hợp Để đánh giá chất lượng sản phẩm chế tạo, nhóm tác giả đo số thơng số ống khí động, ngồi có sử dụng thêm thiết bị tạo khói cảm biến vận tốc để tăng tính trực quan Sản phẩm đề tài đảm bảo yêu cầu cho công tác giảng dạy nghiên cứu khoa học TỪ KHĨA: Ĩng khí động, trực quan hóa, hệ số lực cản, hình dáng khí động học ABSTRACT: This paper presents the results of calculation, fabrication and testing of low-speed wind tunnels for training and research purposes This research product is used to measure the flow rate of the fluid that flows through models such as cars, airplanes, construction, etc., as well as reference for manufacturers in choosing suitable coutour For considering the quality of manufactured products, the main parameters of the aerodynamic pipe are measured Beside that, the model are integrated with smoke-generator device and a velocity sensor to increase visualization effects The results meet the requirementsfor academic trainning and scientific research KEYWORDS: Wind tunnel, coefficient, aerodynamic shape observation, drag 1.ĐẶTVẤNĐÉ Khí động học q trình nghiên cứu tính chất yếu tố khơng khí chuyển động sựtương tác khơng khí chất rắn di chuyển qua nó, liên quan đến CFD (computational fluid dynamics), tính tốn động lực học chất lưu, vấn đề khí động học kỹ thuật, mị tác động dòng chảy nhiệt trình; tính tốn, tìm kiếm giải pháp tính chất khác dòng chảy vận tốc, áp suất, mật độ, nhiệt độ dòng chảy chất lỏng qua bề mặt tương tác bề mặt với dòng chảy Các bề mặt thường mị hình (với tỉ lệ thu nhỏ tỉ lệ thực) vật thể/phương tiện cần thiết kế kiểm tra Kết thí nghiệm mơ cách xác khí động học phương tiện/vật thể trình làm việc thực tế ống khí động có hai loại ống khí động kín ống khí động hở nghiên cứu này, nhóm tác giả thiết kế chê' tạo ống khí động dạng hở có buồng thử kín Trong đó, khơng khí đẩu tiên hút qua lớp tổ ong để nắn dòng, ống hội tụ để tăng tốc độ dịng khí nhằm đạt tốc độ mong muốn buồng thử, khí qua buồng thử, cuối khơng khí bên ngồi qua ống giảm tốc hình loe Hình 1.1 Hình 1.1: Sơ ngun lý ống khí động [1 ] THIẾT KÊ CHẾ TẠO ỐNG KHÍ ĐỘNG PHỤC vụ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÀO TẠO Mục tiêu nghiên cứu thiết kế ống khí động tốc độ 17 m/s, dạng hở bng thử kín phục vụ đào tạo sinh viên đại học thực khảo sát thực nghiệm, trực quan hóa dịng lưu chất qua mơ hình thu nhỏ ống khí động bao gồm thành phẩn lớp tổ ong nắn dòng, ống hội tụ để tăng tốc, buồng thử để thử nghiệm, ống loe phân kỳ để giảm tốc phần truyền động tạo lượng cho ống (quạt gió) [2, 3,4] 2.1 Lựa chọn quạt gió xác định kích thước ống khí động 2.1.1 Lựa chọn quạt đề tài này, mục đích chế tạo hẩm gió phục vụ đào tạo sinh viên nên lựa chọn quạt, phân tích phần thử nghiệm thực lưu lượng dòng chảy khối lượng 0,25 m3/s vận tốc lớn đoạn thử nghiệm 17 m/s Vận tốc không lớn phù hợp với quạt gió chọn sẵn có thị trường Kích thước quạt ảnh hưởng đến thiết kê' phần khuếch tán phần thử nghiệm Ta lựa chọn quạt gió có model SHRV400 loại quạt 169 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 hút công nghiệp chế tạo nước: Chiểu dài hình nón co nửa cạnh co đẩu vào Đường kính cánh (m) Chiếu rộng vỏ (ni) Chiều dài vỏ (m) LƯU lượng max (m’/s) 0.31 0,4 0,4 0,25 L' = 0,5.4 = °,5 0,3=0,15 (m) - (8 Bán vẽ lắp ráp hầm gió: 2.1.2 Xác định kích thước ống khí động - Phẩn thử nghiệm: Phương trình liên tục áp dụng để tính tốn dịng chảy ống khí động tốc độ thấp: Q = Ấ.V (1) V ới: Q - Lưu lượng dòng khí (m3/s); A - Diện tích mặt cắt ngang phần thử nghiệm (m2); V - Vận tốc dịng khí phẩn thử nghiệm (m/s) Với vận tốc mong muốn V - 17 m/s, ta tính diện tích mặt cắt ngang buồng thử: =7 = ^“ = 0,0147 (m2) (2) Với buồng thử mặt cẳt hình vng, kích thước buồng thử là: =74=70,0147=0,12 (m) (3) Hình 2.2: Hẩm gió sau thiết kế 2.1.3 Trang thiết bị thí nghiệm - Máy tạo khói: Thành phần để tạo khói trắng dày đặc đưa vào đường hầm theo hướng song song Đặc tính khói trọng lượng riêng ảnh hưởng lớn đến thí nghiệm Máy tạo khói cầm tay mua ngồi thị trường, sử dụng tốt phịng hát Karaoke gia đình, sân khấu cỡ nhỏ, phòng trà Chiểu dài buồng thử tính cho dịng chảy phát triển ổn định buồng thử Với tỷ lệ chiểu dài (L)/ đường kính thủy lực (Dtn) đảm bảo nằm khoảng đến lần [5], Dtn = 0,12 tiết diện vuông phần thử nghiệm: L = (3 + 5)x D(n = (3 + 5) 0,12 = 0,36 4- 0,6 (m) (4) Như vậy, ta chọn L = 0,45 (m) - Buồng khuyếch tán (giảm tốc): Ống loe giảm tốc có góc khoảng 10 -14 độ, tính cho hai bên để tránh tượng tách dòng [4], đây, ta chọn góc 14 độ để giảm chiểu dài buồng Chiểu dài buồng tính tốn theo hình học: Hình 2.1: Sơ đổ tính buổng giảm tốc Chiểu dài buồng giảm tốc: í ■ -L, ■ (D.- "-1 ■ (0'ai-°-1.2),:; 0,77(m) tan tan 7° (5) - Vật liệu: Có thể gia cơng chế tạo ống khí động nhiều loại vật liệu khác thép cán mỏng, nhựa, mica Nghiên cứu chê' tạo vật liệu mica nhằm mục đích tiết kiệm chi phí, dễ gia cơng, thuận tiện quan sát cấu trúc dịng chảy tan 7° Với: Dq - Cạnh mặt cắt hình vng buồng giảm tốc phía lớn lấy với đường kính quạt - Buồng nón co (tâng tốc): Tỷ lệ co từ đến lần vể diện tích mặt cắt thường sử dụng cho ống khí động loại nhỏ [2] Nguyên lý buồng tăng tốc lấy khối lượng lớn khơng khí thu lại diện tích nhỏ để đạt mật độ dòng cao [3] Ở đây, chọn tỷ số co 6, ta có: 4=6.4 =6.(0,12.0,12) = 0,08 (m2) Hc = JÃC = 7008=0,3 (m) Hình 2.4: Chế tạo phẩn buồng lắng, nón co, phẩn quan sát buồng khuyếch tán (6) Với: At- Diện tích hình vng hình nón co đầu vào, Atn diện tích phần thử nghiệm Chiều dài cạnh mặt cắt hình vng hình nón co phần đầu vào: 17Ũ Hình 2.3: Máy tạo khói, biến tẩn máy đo tốc độ gió - Biến tẩn:Để thay đổi tốc độ quạt gió nhằm tha đổi lưu lượng tốc độ gió bên phần quan sát - Thiết bị đo tốc độ gió: Lựa chọn thiết bị TenmarsTm-4001 dùng rộng rãi để đo lưu lượng gió, lưu lượng gió ngồi trời, quạt thơng gió, đường ống, họng gió máy lạnh 2.2 Chế tạo mơ hình (7) Hình 2.5: Chế tạo lắp quạt, lắp hoàn chinh hẩm gió KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các bước thử nghiệm KHOA HỌC CÕNG NGHỆ - Tính tốn số Re; - Chuẩn bị khói máy tạo khói; - Đảm bảo độ kín hầm gió; - Vận hành quạt với tốc độ khác khơng mơ hình có mơ hình buồng thử Quạt điểu khiển tốc độ hay lưu lượng biến tẩn; [3] Chi-fu Wu and Jessie William (2005), Design, Construction and Testing an Educational Subsonic Wind Tunnel, Savannah State University [4] Barlow, Jewl (1999), William Rae and Alan Pope, Low Speed Wind Tunnel Testing, 3rd Edition New York [5], Introducing the KEYENCE FD-M Series Flow Sensor - Mởvan khói để nhả khói vào phần thửnghiệm thơng qua ống dị; - Chụp ảnh luồng khơng khí có khói phẩn thử nghiệm camera tốc độ cao; - Đo vận tốc buồng thử 3.2 Ngày nhận bài: 01 /6/2022 Ngày chấp nhận đăng: 02/7/2022 Người phản biện: TS Nguyễn Thành Trung TS Nguyễn Ngọc Linh Kết thử nghiệm Hình 3.1: Hình ảnh cấu hình vận tốc dịng chảy khơng khí phần thử nghiệm lưu lượng 0,003226 rrF/s, sốRe 1804 Hình ảnh quan sát camera Hình 3.1 cho thấy đường dịng buồng thử Các đô thị cho thấy vận tốc khơng khí buồng thử có dạng parabol bẹt Như vậy, xem dịng chảy đóng (các thơng số vận tốc, áp suất mật độ khơng khí phân bố tương đối mặt cắt, số Re nhỏ 2000) Hình 3.2: Hình ảnh cấu hình vận tốc dịng chảy khơng khí phẩn thử nghiệm luu lượng 0,006336 rrp/s, sơ'Re 3544 Các hình ảnh quan sát camera Hình 3.2, đường dịng phẩn thử nghiệm bắt đầu rối loạn, ta xem dịng chảy rối, Re 3544 KẾT LUẬN Từ kết ta thấy sản phẩm ống khí động thiết kế chế tạo đạt tiêu chí: - Tạo mơi trường dịng chảy khơng khí nhất; - Có thể dễ dàng quan sát dòng chảy phần thử nghiệm camera; - Dễ dàng đo đạc thông số động học đưa vật mẫu vào phần thử nghiệm; Từ đây, ống khí động sử dụng để quan sát cấu hình dịng chảy khơng khí qua vật mẫu, khảo sát mơ hình thu nhỏ phục vụ đào tạo sinh viên đại học Tài liệu tham khảo [1], Smits A J and Lim T.T (2000), Flow Visualization: Techniquesand Examples, Imperial College Press [2] Mehta and Bradshaw (1979), Design Rules for Small LowSpeed Wind Tunnel, Aeronautical Journal 171 ... đầu vào, Atn diện tích phần thử nghiệm Chiều dài cạnh mặt cắt hình vng hình nón co phần đầu vào: 17Ũ Hình 2.3: Máy tạo khói, biến tẩn máy đo tốc độ gió - Biến tẩn:Để thay đổi tốc độ quạt gió. .. lượng tốc độ gió bên phần quan sát - Thiết bị đo tốc độ gió: Lựa chọn thiết bị TenmarsTm-4001 dùng rộng rãi để đo lưu lượng gió, lưu lượng gió ngồi trời, quạt thơng gió, đường ống, họng gió máy... 2.2 Chế tạo mơ hình (7) Hình 2.5: Chế tạo lắp quạt, lắp hồn chinh hẩm gió KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các bước thử nghiệm KHOA HỌC CÕNG NGHỆ - Tính tốn số Re; - Chuẩn bị khói máy tạo