Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường mô phỏng số sự hoà trộn các loại lưu chất khác nhau trong máy khuấy

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ ề Đ THUYẾT MINH tà ĐỀ TÀI n iê gh in ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƢỜNG u kh oa “MƠ PHỎNG SỐ SỰ HỒ TRỘN CÁC LOẠI LƯU CHẤT KHÁC họ c NHAU TRONG MÁY KHUẤY.” Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN CHÍ CƠNG Thành viên tham gia: VŨ VĂN DUY Hải Phòng, tháng 5/ 2016 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết Mục đích nghiên cứu 10 Đối tượng nghiên cứu 10 Phạm vi nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 10 Đ ề CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHUẤY 12 in tà iê gh 1.1 Khái niệm máy khuấy 12 n 1.2 Ứng dụng máy khuấy đời sống xã hội 12 u 1.3 Phân loại cấu tạo máy khuấy 13 kh oa CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 họ 2.1 Lý thuyết trao đổi lượng dòng chất lỏng bánh c công tác 16 2.2 Lý thuyết phương pháp tính tốn thiết kế cánh hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy 23 2.3 Cơ sở lý thuyết mơ hình VOF ( Volume of fliud) Ansys Fluent 29 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG BUỒNG HỒ TRỘN 31 3.1 Mơ hình buồng hồ trộn 31 3.2 Tính tốn kích thước 33 3.3 Mô số trình hồ trộn 37 3.3 Phân tích kết 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 ề Đ n iê gh in tà u oa kh c họ DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ý nghĩa  Hiệu suất lưu lượng hiệu suất thủy lực B Hiệu suất làm việc bơm tl Hiệu suất thủy lực Q Hiệu suất lưu lượng ZCH , Z Số cánh bánh công tác cánh hướng Z Số cánh bánh công tác ề Đ Ký hiệu Đường kính bánh cơng tác in tà D Đường kính bầu bánh cơng tác 1 ,  Góc đặt cánh lối vào lối cánh  Vận tốc góc bánh cơng tác n Số vòng quay động ns Số vòng quay đặc trưng Q, Qlt Lưu lượng , lưu lượng lý thuyết bơm H , H lt Cột áp cột áp lý thuyết bơm N , N B , Ntl Công suất, công suất bơm , công suất thủy lực  Góc va , 1 Lưu số vận tốc, lưu số vận tốc cánh n iê gh db u oa kh c họ  Độ dày cánh v Hệ số nhớt động học F Lực khối đơn vị E Nhiệt dung riêng chất lỏng keff Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng Jj Thông lượng khếch tán Sh Bao hàm nhiệt phản ứng hóa học vào nguồn nhiệt khác  Góc bao tiết diện cánh ề Đ Bán kính,bán kính trung bình in tà R, Rtb Hiệu suất khí i Số cấp bơm  Trọng lượng riêng nước N tr Công suất trục Mx Mô men xoắn trục V Vận tốc dòng b Chiều rộng cửa vào , cửa U Vận tốc vòng H Cột áp lý thuyết vô n iê u oa kh c họ Si gh CK Chiều dài đường dòng i mặt cắt kinh tuyến Qi Lưu lượng mặt dòng i K2 Hệ số hiệu chỉnh, Mơ men vận tốc dịng vmi Vận tốc kinh tuyến mặt dòng i L Động lượng T Nhiệt độ ề Đ n iê gh in tà u oa kh c họ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Một số loại máy khuấy thơng dụng 12 Hình 2: Sơ đồ kết cấu máy khuấy 14 Hình 3: Kết cấu thiết bị khuấy liên tục 14 Hình 4: Một số dạng vịi phun thơng dụng 15 ề Đ Hình 1: Tam giác vận tốc máy thuỷ lực cánh dẫn 19 tà in Hình 2: Sơ đồ lưới prôfin mỏng vô phân bố xoáy đường iê gh nhân 23 n Hình 3: Biểu đồ quan hệ 25 u Hình 4: Biểu đồ để xác định góc va 26 oa kh Hình 5: Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc L* vào bước họ c lưới tương đối T/L góc đặt l prôphin 27 Hình 6: Đồ thị để xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng chiều dầy prôfin 28 Hình 1: Buồng hồ trộn sử dụng kết cấu thông dụng 31 Hình 2: Buồng hồ trộn có sử dụng ống Ventuari 32 Hình 3 Hình dáng Profil cánh sau tính tốn 36 Hình 4: Cánh bánh cơng tác buồng hoà trộn 37 Hình 5: Bánh cơng tác buồng hồ trộn 38 Hình 6: Mơ hình 3D buồng hồ trộn 38 Hình 7: Khối chất lỏng khảo sát 39 Hình 8: Khối chất lỏng sau lưới hoá 40 Hình 9: Cài đặt đơn vị kiểm tra lưới mơ hình 40 Hình 10: Chọn mơ hình thuật giải cho tốn mơ 41 Hình 11: Chọn vật liệu cho tốn mơ 42 Hình 12: Đặt điều kiện pha cho tốn 42 Hình 13: Đặt điều kiện biên cho toán 43 Đ ề Hình 14: Lựa chọn phương pháp giải toán biến điều khiển 43 in tà iê gh Hình 15: Lựa chọn điều kiện ban đầu 44 n Hình 16: Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho toán 44 u Hình 17: Tính tốn 45 kh oa Hình 18: Phân bố pha mặt cắt dọc buồng hoà trộn 45 họ Hình 19: Phân bố pha mặt cắt trước bánh công tác 0.1m 46 c Hình 20: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh cơng tác 0.1m 46 Hình 21: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh cơng tác 0.15m 47 Hình 22: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh cơng tác 47 Hình 23: Đường dịng mặt cắt dọc buồng hồ trộn 48 Hình 24: Đường dịng qua cánh bánh cơng tác 48 Hình 25: Phân bố vận tốc dọc trục mặt cắt dọc buồng hồ trộn.49 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết Cùng với phát triển kinh tế nhu cầu sản phẩm tiêu dùng ngày tăng cao sản phẩm thực phẩm, sản phẩm tiêu dùng, cơng nghiệp hố chất, cơng nghiệp hố dược Trong ngành cơng nghiệp q trình khuấy trộn đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Ví dụ cơng ,nghệp chế biến thực phẩm, cơng nghiệp sản xuất phân bón, cơng nghiệp đồ uống, cơng nghiệp hố chất đặc biệt nơng nghiệp Trong nơng nghiệp q trình khuấy trộn dùng để hồ trộn loại phân bón, thuốc trừ sâu loại thuốc bón chế ề Đ phẩm sinh học tà gh in Chất lượng hoà trộn trình khuấy trộn đồng iê pha tiêu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm đánh giá n hiệu máy khuấy Trong q tình khuấy buồng hồ trộn có vai trị quan u trọng định chất lượng hỗn hợp sau khuấy kh oa Ở nước, số quan tổ chức nước ngồi có nghiên c họ cứu tính tốn động lực học máy khuấy số ngành công nghiệp công nghiệp thực phẩm, cơng nghiệp polyme, cơng nghiệp hố chất đạt số thành công định Trong nước,một số đơn vị thuộc viện nghiên cứu trường đại học Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Công nghiệp, Viện khí đầu tư nghiên cứu tính tốn thiết kế máy khuấy trộn bước đầu thu kết quan trọng hạn chế thời gian kinh phí mà q trình nghiên cứu cịn gặp nhiều khó khăn Việc tính tốn thiết kế máy khuấy có chức vừa khuấy trộn phun liên tục phục vụ cho mục đích nơng nghiệp chưa đầu tư nghiên cứu cách sâu sắc Như việc nghiên cứu tính tốn, thiết kế mơ buồng hồ trộn liên tục trở thành nhu cầu thiết yếu có vai trị quan trọng với phát triển số ngành công nghiệp đặc biệt với ngành phát triển nông nghiệp nước Mục đích nghiên cứu Tính tốn thiết kế buồng hồ trộn hai chất lỏng có khối lượng riêng khác phục vụ nông nghiệp Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tính tốn thiết kế buồng hồ trộn hai chất lỏng có ề Đ khối lượng riêng khác phục vụ nông nghiệp tà gh in Phạm vi nghiên cứu u nước n iê Tìm hiểu vai trò máy khuấy sản xuất nước kh Nghiên cứu lý thuyết trao đổi lượng dòng chất lỏng bánh oa cơng tác, lý thuyết tính tốn thiết kế cánh bánh công tác họ c Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys mơ hình hỗn hợp nhiều pha Ansys Fluent Mơ q trình khuấy trộn phần mềm Ansys fluent Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Tính tốn thiết kế buồng hồ trộn - Đưa quy trình tính tốn lý thuyết mơ cho máy khuấy môi chất khác 10 ề Đ tà n iê gh in Hình 5: Bánh cơng tác buồng hồ trộn u oa kh c họ Hình 6: Mơ hình 3D buồng hoà trộn 38 Bƣớc 2: Xây dựng khối chất lỏng khảo sát Để khảo sát tương tác pha với tương tác dòng chất lỏng với cánh bánh cơng tác ta phải tạo khối chất lỏng bao quanh bánh công tác khảo sát biến thiên áp suất, vận tốc, thay đổi pha khối chất lỏng ề Đ n iê gh in tà u Hình 7: Khối chất lỏng khảo sát oa kh họ c Bƣớc 3: Số hố mơ hình khối chất lỏng khảo sát AnsysWorkbench Để nghiên cứu hoà trộn pha chất lỏng trình khuấy ta tiến hành đặt tên cho mặt, rời rạc hoá mơ hình khối chất lỏng bao quanh cánh bánh cơng tác ( chia lưới mơ hình chất lỏng bao quanh bánh công tác lưu dạng file msh để đưa vào Ansys Fluent mơ tính tốn) 39 Hình 8: Khối chất lỏng sau lưới hố Đ ề Bƣớc 4: Chọn mơ hình giải tốn phần mềm Ansys Fluent in tà n iê làm theo bước sau gh Để mơ q trình khuấy trộn máy khuấy Ansys Fluent ta - Kiểm tra lưới mơ hình cài đặt đơn vị cho đại lượng tính tốn u oa kh c họ Hình 9: Cài đặt đơn vị kiểm tra lƣới mơ hình 40 - Chọn mơ hình thuật giải cho tốn mơ Căn vào tốn thực tế ta chọn mơ hình thuật giải cho tốn cho phù hợp Mơ hình thuật giải định đến tính xác tốn, tốn ta chọn mơ hình VOF Cơ sở lý thuyết mơ hình trình bày chương ề Đ n iê gh in tà u oa kh c họ Hình 10: Chọn mơ hình thuật giải cho tốn mơ 41 - Chọn vật liệu cho tốn mơ đặt điều kiện pha cho tốn mơ ề Đ in tà n iê gh Hình 11: Chọn vật liệu cho tốn mơ u oa kh c họ Hình 12: Đặt điều kiện pha cho toán 42 - Đặt điều kiện biên cho toán Điều kiện biên yếu tố quan trọng toán ảnh hưởng đến kết tốn Từ điều kiện toán thực tế điều kiện đồng dạng có ta xác định điều kiện biên cho tốn mơ Đ ề Hình 13: Đặt điều kiện biên cho toán gh in tà n iê - Lựa chọn phương pháp giả biến điều khiển u oa kh c họ Hình 14: Lựa chọn phƣơng pháp giải toán biến điều khiển 43 Chọn điều kiện ban đầu để bắt đầu tính tốn Hình 15: Lựa chọn điều kiện ban đầu Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho toán ề Đ iê gh in tà n - Đặt tiêu chuẩn hội tụ bắt đầu tính tốn u oa kh c họ Hình 16: Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho toán 44 ề Đ in tà n iê gh Hình 17: Tính tốn u Một số kết mơ oa kh c họ Hình 18: Phân bố pha mặt cắt dọc buồng hoà trộn 45 ề Đ Hình 19: Phân bố pha mặt cắt trƣớc bánh công tác 0.1m n iê gh in tà u oa kh c họ Hình 20: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh cơng tác 0.1m 46 ề Đ tà Hình 21: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh cơng tác 0.15m n iê gh in u oa kh c họ Hình 22: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh cơng tác 47 Hình 23: Đƣờng dịng mặt cắt dọc buồng hoà trộn ề Đ n iê gh in tà u oa kh c họ Hình 24: Đƣờng dịng qua cánh bánh cơng tác 48 Hình 25: Phân bố vận tốc dọc trục mặt cắt dọc buồng hoà trộn ề Đ 3.3 Phân tích kết in tà Từ kết mơ số ta có số kết luận sau iê gh - Phân bố pha hỗn hợp chất lỏng mặt cắt phía sau buồng hồ trộn đồng n so với phân bố pha của hỗn hợp trước buồng hoà trộn Trước buồng hoà trộn hai pha hỗn hợp chảy tầng phân bố thành hai lớp rõ rệt u oa kh chúng chưa hoà trộn đồng với nhau, sau buồng hoà trộn chúng trộn tương Ở mặt cắt xa buồng hoà trộn hồ họ c trộn đồng kết mô thể - Phân bố vận tốc phù hợp với quy luật phân bố máy hướng trục, trường vận tốc vị trí phía trước buồng hồ trộn nơi hai chất lỏng hồ trộn với tăng lên phù hợp với quy luật tương tác hai dòng chất lỏng Trường vận tốc hỗn hợp phía sau bánh cơng tác đối xứng với lớn phía gần đường ống nhỏ dần phía sát đường ống, tâm đường ống phù hợp với tính tốn lý thuyết máy hướng trục - Đường dòng hỗn hợp sau qua bánh cơng tác có dạng đường xốy trơn ốc điều thể chất lỏng tương tác với bánh công tác làm bánh công 49 tác quay tạo điều kiện cho hai chất lỏng đuọc hồ trộn vói triệt để Kết luận khuyến nghị Kết luận chung: Đề tài đưa sở lý thuyết tính tốn thiết kế bánh cơng tác hướng trục buồng hồ trộn chất lỏng hai pha khơng nén Tính tốn thiết kế mơ số buồng hồ trộn chất lỏng hai pha khơng nén Kết mô số thể hoà trộn hỗn hợp chất lỏng sau qua bánh công tác tương đối đồng thể ưu điểm ề Đ in tà khuấy phun liên tục iê gh Các hƣớng nghiên cứu tiếp theo: n Nghiên cứu hoà trộn hỗn hợp gồm nhiều chất lỏng với u Nghiên cứu ảnh hưởng biên dạng cánh dẫn đến chất lượng khuấy trộn kh oa Thực nghiệm chế tạo thiết bị khuấy tính tốn họ Nghiên cứu tính tốn thiết bị vòi phun phục vụ cho hệ thống khuấy liên c tục 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Thế Đức (2007) Mô vùng xâm thực dòng bao quanh profil cánh phương pháp phần tử biên Trang 77-84 Tuyển tập hội Cơ học toàn quốc lần thứ VIII Hà Nội, 67/12/2007 [2] Padamanabhan Krishnaswamy (2000) “Flow modelling for partially cavitating ề Đ hydrofoils” PhD thesis, Technical university of Denmark tà n iê gh Khoa Hà Nội in [3] GS.TS Lê Danh Liên Bơm quạt cánh dẫn nhà xuất Đại học Bách [4] GS.TSKH Phan Kỳ Phùng (Chủ biên),Ths Thái Hồng Phong Giáo trình u sức bền vật liệu, tập 1,nhà XB Khoa học kỹ thuật oa kh [5] www.Fluent.com họ c [6] Liming Chen1 Liming Xu1* Simulation and Design of Mixing Mechanism in Fertilizer Atuomated Proportioning Equipment Based on Pro/E and CFD* [7] Mandar TABIB*, Graeme LANE, William YANG and M Philip Schwarz CFD simulation of a solvent extraxtion pump mixer unit:Evaluating large eddy simulation and rans based models [8] http://maydochuyendung.com/tin-tuc/chi-tiet/ung-dung-cua-maykhuay-tu-trong-cong-nghiep-va-cuoc-song 51 [9] http://www.nkgroup.vn/cong-nghe-10/ung-dung-may-khuay-trontrong-cong-nghiep-282.htm [10] Đinh Ngọc Ái, Cơng Nghệ chế tạo máy thuỷ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1977 [11] Trịnh Chất Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1+2,Nhà xuất giáo dục- 2000 [12] Lê Danh Liên, Bơm Quạt Máy Nén tập 1+2, Đại học Bách Khoa Hà Nội-1975 [13] AA.Lomakin, Tính tốn thiết kế bơm li tâm bơm hướng trục, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 1971 ề Đ [14] AJ.Stepanoff , Centrifulgal and axial flow pumps ( Theory, Design, in tà and Application)- New York- 1967 n iê Khoa Hà Nội- 197 gh [15] Võ Sỹ Huỳnh, Tính tốn thiết kế bơm hướng chéo, Đại học Bách oa kh Khoa Hà Nội- 1998 u [9] Trần Văn Địch, Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, Đại học Bách [16] Ninh Đức Tốn, Đỗ Trọng Hùng,Hướng dẫn làm tập dung sai, c họ Đại học Bách Khoa Hà Nội-1997 [17] Hà Văn Vui, Dung sai tiêu chuẩn hoá, Nhà xuất giáo dục1997 [18] Nguyễn Văn Bày,Máy bơm tram bơm nông nghiệp, Nhà xuất Nông Nghiệp- 1998 [19] Nguyễn Văn May,Bơm quạt, máy nén NXBKHKT, Hà Nội- 1997 52