Cơ sở cơ học thủy khí và khả năng ứng dụng động cơ gió

Khãa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Từ lâu người biết sử dụng lượng gió để tạo thay cho sức lao động nặng nhọc, điển hình thuyền buồm chạy sức gió, cối xay gió xuất từ kỷ 14 dùng phổ biến từ kỷ 17, thịnh vượng vào kỷ 18 đặc biệt Hà Lan với hàng ngàn Từ kỷ 19 đến nửa đầu kỷ 20 với xuất phát triển máy nước loại động đốt trong, cối xay gió bị lãng quên Nhưng từ vài chục năm gần với nguy cạn dần nguồn nhiên liệu khai thác từ lịng đất vấn đề nhiễm mơi trường việc đốt hàng ngày khối lượng lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch nêu Việc nghiên cứu sử dụng dạng lượng tái tạo thiên nhiên có lượng gió lại nhiếu nước giới kể nước có công nghiệp lượng phát triển mạnh Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Thụy Điển…đặc biệt quan tâm Trên sở áp dụng thành tựu nhiều nghành khoa học tiên tiến thủy khí động lực học, tự động điều khiển, học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới… việc nghiên cứu sử dụng lượng gió đạt tiến lớn chất lượng thiết bị quy mô ứng dụng Từ cối xay gió với cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng lượng thấp khoảng 20%, đến động gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học ngày hồn thiện đạt hiệu suất sử dụng lượng cao tới 42% Nhiều phương pháp hệ thống tự động điều khiển đại sử dụng để tự động ổn định số vòng quay động gió Những động gió phát điện lớn dùng hệ thống tự động điện thủy lực máy tính điện tử điều khiển Nhiều vật liệu sử dụng để chế tạo cánh hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao điều kiện thời tiết chịu sức gió bão Tại nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động gió với tạo thành “rừng máy phát điện gió” Người ta cú th Lớp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Néi Khãa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan chế tạo động gió phát điện lớn đường kính tới 80m, cơng suất tới 3000 kW Tuy nhiên nước quy mô phát triển việc ứng dụng lượng gió cịn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm gió trình độ cơng nghiệp  Những thuận lợi việc sử dụng lượng gió - Năng lượng gió lượng sinh gió, nguồn lượng Năng lượng gió khơng gây nhiễm khơng khí so với nhà máy nhiệt điện dựa vào đốt cháy than khí ga - Năng lượng gió dạng nguồn lượng nước, lượng gió có nhiều vùng Do nguồn cung cấp lượng gió nước phong phú - Năng lượng gió dạng lượng tái tạo lại mà giá lại thấp công nghệ tiên tiến ngày nay, giá khoảng 4-6 cent/kwh, điều cịn tùy thuộc vào nguồn gió, tài cơng trình đặc điểm cơng trình - Tuabin gió xây dựng nơng trại, điều kiện kinh tế cho vùng nông thôn Những người nông dân chủ trang trại tiếp tục cơng việc đất họ tuabin gió sử dụng phần nhỏ đất trồng trọt họ Từ thuận lợi trên, khả ứng dụng ngày phát triển lượng gió Hiện Việt Nam nhiều nước giới tìm biện pháp để khai thác tốt nguồn lực lượng gió Vì lý nên em mạnh dạn chọn đề tài “Cơ sở học thủy khí khả ứng dụng Động gió” Mục đích đề tài Tìm hiểu sở học thủy khí, ứng dụng động sử dụng lượng gió thực tế tiềm phát triển lượng gió Việt Nam, giới, từ thấy khả ứng dụng Động Cơ Gió Líp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan Giả thiết khoa học Nếu hiểu sở học thủy khí động lực học ứng dụng, sở lý thuyết việc ứng dụng lượng gió,thì cho phép phát khả ứng dụng động gió để tạo lượng điện, vận hành hệ thống thiết bị khác Nhiệm vụ đề tài -Tìm hiểu sở khoa học thủy khí động lực học ứng dụng -Khảo sát lượng gió lý thuyết động gió -Khảo sát ứng dụng lượng gió Líp: K57A - Khoa SPKT Trêng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Trịnh Thị Thanh Loan CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THỦY KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC ỨNG DỤNG 1.1 Một số định nghĩa đặc trưng động học Thủy khí động lực học môn học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng Chất lỏng hiểu theo nghĩa rộng bao gồm chất lỏng thể nước – chất lỏng không nén (khối lượng riêng ρ ¿ const) Để tiện cho việc nghiên cứu người ta giả thiết tồn chất lỏng lý tưởng – chất lỏng khơng có độ nhớt Cịn chất lỏng thực chất lỏng có độ nhớt khác khơng ( μ≠0 ) Chất lỏng tuân theo quy luật lực nhớt Niutơn gọi chất lỏng Niu Tơn Còn chất lỏng không tuân theo quy luật gọi chất lỏng phi Niutơn dầu thô chẳng hạn Thủy khí động lực học chia thành ba phần: - Tĩnh học chất lỏng: Nghiên cứu điều kiện cân chất lỏng trạng thái tĩnh - Động học chất lỏng: Nghiên cứu chuyển động chất lỏng theo thời gian không kể đến nguyên nhân gây chuyển động - Động lực học chất lỏng: Nghiên cứu chuyển động chất lỏng tác dụng tương hỗ với vật rắn 1.1.1 Một số định nghĩa tính chất lý chất lỏng 1.1.1.1 Chất lỏng có số tính chất dễ nhận biết sau Tính liên tục: vật chất phân bố liên tục khơng gian Tính dễ di động biểu thị chỗ: ứng suất tiếp (nội ma sát) chất lỏng khác khơng khí có chuyển động tương đối lớp chất lỏng Tính nén được: thể tích V1 chất lỏng thay đổi áp suất tác dụng p thay đổi Ta có hệ số nén được: β=− d V V dp 1 (m2/N) (1.1) Lớp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội Khãa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan Tính nhớt: tính cản trở chuyển động chất lỏng đặc trưng lực ma sát gọi lực nhớt Theo định luật Niutơn lực nhớt ta có: T =μS dU dy (1.2) Biểu diễn dạng ứng suất tiếp: T dU τ = =μ S dy (1.3) đó: T – lực nhớt; μ - hệ số phụ thuộc vào loại chất lỏng; S – diện tích bề mặt tiếp xúc với chất lỏng chuyến động; dU/dy – gradient vận tốc theo phương y vng góc với dịng chảy Từ rút ra: μ= T dU S dy (1.4) Đơn vị μ hệ Ns/m2; hệ CGS poazơ (P); 1P=10 Ns/m2 Ngồi hệ số μ cịn dùng hệ số nhớt động học v=μ/ ρ biểu thức có liên quan đến chuyển động Đơn vị đo v hệ SI m2/s, hệ CGS là: stốc(St), 1St=10-4 m2/s 1.1.1.2 Khối lượng riêng trọng lượng riêng Khối lượng (M) chất lỏng đặc trưng khối lượng đơn vị thể tích (V1) gọi khối lượng riêng ( ρ ) khối lượng đơn vị: ρ= M V , (kg/m3) Líp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội (1.5) Khóa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan Tương tự có trọng lượng riêng ( γ ) : γ= G V , (N/m3); hay (kg/m3) Với G trọng lượng khối chất lỏng thể tích V1 Trọng lượng riêng vật có khối lượng 1kg coi 9.81N¿ 10N=1daN Ta có mối liên hệ: γ= ρg ; Với g gia tốc rơi tự do, g=9.81 m/s2 1.1.1.3 Ngoại lực tác dụng lên chất lỏng Ngoại lực tác dụng lên chất lỏng chia thành hai loại: - Lực mặt lực tác dụng lên chất lỏng tỷ lệ với diện tích mặt tiếp xúc (như áp lực…) - Lực khối lực tác dụng lên chất lỏng tỷ lệ với khối lượng (như trọng lực, lực quán tính…) 1.1.2 – Phân loại chuyển động Chuyển động chất lỏng phân loại thành: - Chuyển động dừng: yếu tố chuyển động (như vận tốc) không biến đổi theo thời gian ∂U =0 ∂t U=U(x, y, z) (1.7) - Chuyển động khơng dừng: yếu tố chuyển động biến đổi theo thời gian: ∂U ≠0 ∂t U=U(x, y, z, t) (1.8) Dòng chất lỏng chảy theo tuyến định gọi dòng chảy - Dòng chảy dòng chảy theo trục chuyển động x với phân bố vận tốc dọc theo dịng chảy khơng đổi: ∂U =const ∂x Líp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội (1.9) Khãa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan - Dịng chảy khơng thì: ∂U ≠const ∂x (1.10) - Dịng chảy có áp dịng chảy khơng có mặt thống, cịn dịng chảy khơng áp dịng có mặt thống Các yếu tố thủy lực: - Mặt cắt ướt mặt cắt vng góc với vectơ vận tốc dịng chảy ký hiệu: Ω - Chu vi ướt đoạn tiếp xúc chất lỏng thành giới hạn dịng chảy ký hiệu χ Bán kính thủy lực: R= Ω χ 1.1.3 Đường dòng dòng nguyên tố Đường dịng đường cong vectơ vận tốc điểm trùng với tiếp tuyến điểm đừng cong Phương trình đường dịng: U // dr→U ∧d r=0 , (1.11) Suy ra: dx dy dz = = U V ƯW Trong đó: U vectơ vận tốc, d r phân tố vectơ đường dịng Trong khơng gian đường dịng khơng cắt nhau, chuyển động dừng đường dòng quỹ đạo trùng Hình 1.1- Phân tố hình học chất lỏng mơi trường chuyển động Các đường dịng tựa vịng khép kín vơ nhỏ Líp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp TrÞnh ThÞ Thanh Loan tạo ống dịng Chất lỏng chảy qua ống dòng gọi dòng nguyên tố Chất lỏng khơng chuyển động xun qua ống dịng 1.2 Phương trình liên tục Đây dạng định luật bảo tồn khối lượng Khối lượng M hệ lập khơng thay đổi suốt q trình chuyển động: dM =0 dt 1.2.1 Dạng tổng quát Trong môi trường chất lỏng chuyển động ta tác phân tố hình hộp (dx, dy, dz) tích: Δ V1=dxdydz (hình 1.1) Theo định luật bảo toàn khối lượng: ( V ) =0 d ρΔ dt , (1.12) Trong đó: ρ=ρ( x , y , z , t ) - Khối lượng riêng chất lỏng Lấy đạo hàm: dρ + ρ dt V dΔ dt Δ V =0 (1.13) dΔ V dt vận tốc biến dạng tương đối thể tích phân tố chất lỏng dρ =0 Ta xét trường hợp chất lỏng không chịu nén: dt , ta có: dΔ Δ V V dt =0 (1.14) Δ V1¿ , nên d V dt =0 nghĩa phân tử thể tích khơng thay đổi theo thời gian chất lỏng khơng chịu nén ρ =const Líp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan 1.2.2 Đối với dịng ngun tố Khảo sát khối chất lỏng chuyển động dòng nguyên tố hai mặt cắt 1-1 2-2 (hình 1.2) Giả thiết chuyển động dừng, chất lỏng không nén Lượng chất lỏng vào tiết diện 1-1: ρ U d Ω = ρ U d Ω = pUd Ω=const 1 2 Do chất lỏng không chịu nén ρ = const, suy U d Ω =U d Ω = dQ=const 1 2 (1.15) Hình 1.2- Sơ đồ dịng chất lỏng ngun tố 1.2.3 Đối với tồn dịng V Ω =V Ω =const 1 (1.16) Hay là: Q1 = Q2=Q = const 1.3 Phương trình Bernoulli dịng chảy – định luật bảo tồn lượng 1.3.1 Phương trình Bernoulli dịng chất lỏng lý tưởng 1.3.1.1 Phương trình vi phân chuyển động chất lỏng lý tưởng Phương trình vi phân chuyển động chát lỏng lý tưởng viết dạng: ⃗ ⃗F − gradp= d U ρ dt Líp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội (1.17) Khóa ln tèt nghiƯp TrÞnh ThÞ Thanh Loan đó: ⃗ F - lược khối tác dụng lên khối chất lỏng; p- áp suất thủy động tác dụng lên khối chất lỏng điểm; ⃗ dU dt - biến thiên vận tốc khối chất lỏng chuyển động theo thời gian Phương trình cịn gọi phương trình Ơle động Tích phân phương trình có dạng khác ∂ =0 Xét chuyển động dừng: ∂t lực khối trọng lực, Z=− ∂U =−g , ∂z ta có phân tích Bernoulli: dp U gz+∫ + ρ 2 =const=C (1.18) 1.3.1.2 Đối với dịng ngun tố, tích phân (1.18) có dạng p U gz+ + ρ 2 =const =C , (1.19) Hay hai mặt dòng nguyên tố: z+ p U γ + 2g = z+ p U γ + 2g 2 Lớp: K57A - Khoa SPKT Trờng ĐHSP Hà Nội (1.20)