Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính dòng và hiệu suất của thiết bị tách bụi dạng cyclone bằng phương pháp mô phỏng số

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO -------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH DÒNG VÀ HIỆU SUẤT CỦA TH

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Nền kinh tế Việt Nam đang trong quá trình phát triển, điều này đồng nghĩa với việc cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân Tuy nhiên, ô nhiễm không khí đang trở thành một vấn đề quan trọng không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới Ô nhiễm không khí được xác định là sự xuất hiện của các chất lạ hoặc sự biến đổi đáng kể trong thành phần không khí, làm cho không khí trở nên không trong lành, gây mất mùi, khó chịu và giới hạn tầm nhìn xa (do bụi, khói, khí thải,…) Với tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng, số lượng khu công nghiệp và khu chế xuất ngày càng gia tăng, vấn đề ô nhiễm không khí đã gây ra hậu quả nghiêm trọng với sức khỏe của con người Ngày càng có nhiều bệnh tật liên quan đến ô nhiễm không khí, đặc biệt là các bệnh về da, mắt và đường hô hấp Do đó, việc xử lý bụi trong quá trình sản xuất là một yếu tố cần thiết không thể thiếu trong các khu công nghiệp và nhà máy để bảo vệ chất lượng không khí

Như vậy, để có cơ hội tìm hiểu về hệ thống tách bụi dạng cyclone cũng như tìm hiểu về phần mềm mô phỏng nên nhóm chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính dòng và hiệu suất của thiết bị tách bụi dạng cyclone bằng phương pháp mô phỏng số.”

Việc sử dụng mô phỏng số CFD giúp cải thiện hiệu suất và hiệu quả của hệ thống tách bụi cyclone thông qua việc nắm bắt và hiểu rõ hơn về đặc tính dòng chảy và hiệu suất tách bụi trong cyclone Qua đó, có thể tăng cường khả năng tách bụi và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Ứng dụng của mô phỏng số CFD trong phát triển hệ thống tách bụi cyclone có thể góp phần giảm ô nhiễm không khí và bảo vệ môi trường Bằng cách cải thiện hiệu suất của cyclone, có thể giảm lượng bụi và hạt mịn được thải ra môi trường, đảm bảo không khí sạch và an toàn cho con người và môi trường sống

Mục tiêu của đề tài

Khảo sát sự ảnh hưởng của vận tốc đầu vào, kích thước hạt, và thông số hình học đến đặc tính dòng và hiệu suất của thiết bị tách bụi dạng cyclone bằng phương pháp mô phỏng số.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp đánh giá tài liệu: Dựa vào các bài báo khoa học, các nghiên cứu từ trước để phản biện và cung cấp cơ sở lý luận cho bài nghiên cứu của nhóm

Phương pháp phân tích dữ liệu: Phân tích, tính toán các dữ liệu thu được qua mô phỏng để đưa ra nhận xét đánh giá

Phương pháp mô phỏng số: Phương pháp mô phỏng số CFD sử dụng các thuật toán và phương pháp số học để tính toán và mô tả chính xác dòng chất lỏng và dòng khí trong các hệ thống phức tạp Nó cung cấp thông tin về các yếu tố như phân bố áp suất, tốc độ dòng chảy, lực tác động và môi trường chất lỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hệ thống tách bụi cyclone

+ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của vận tốc đầu vào, kích thước hạt, và thông số hình học đến đặc tính dòng và hiệu suất của thiết bị tách bụi dạng cyclone

+ So sánh kết quả với một số bài báo khoa học, từ đó đưa ra kết luận, đánh giá nhận xét.

Tổng quan hệ thống tách bụi cyclone

Cyclone là thiết bị tách bụi ly tâm kiểu đứng, thiết bị này tạo ra lực ly tâm để tách bụi ra khỏi không khí Thiết bị cyclone được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, có hiệu quả cao khi kớch thước hạt bụi lớn hơn 5 àm

Các thành phần của hệ thống tách bụi cyclone bao gồm: Quạt ly tâm, hệ thống ống dẫn theo các phương tiếp tuyến, các ống dẫn vào theo đường ống xoắn, van xả bụi, buồng chứa bụi, nón bảo vệ, thân cyclone

Hình 1.1 Cấu tạo hệ thống tách bụi cyclone

Hệ thống tách bụi cyclone được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công ngiệp phát sinh nhiều bụi và khí thải trong quá trình sản xuất Trong ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt, hệ thống tách bụi cyclone được sử dụng để loại bỏ bụi, hạt từ dòng khí hoặc khí thải Một số ứng dụng quan trọng có thể kể đến như:

Hệ thống nhiệt điện: Trong các nhà máy nhiệt điện, hệ thống tách bụi cyclone được sử dụng để loại bỏ bụi và hạt từ dòng khí thải được tạo ra từ quá trình đốt nhiên liệu Việc loại bỏ bụi làm giảm khả năng gây ô nhiễm môi trường và đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống

Lò hơi và lò đốt: Trong lò hơi và lò đốt, hệ thống tách bụi cyclone được sử dụng để tách bụi và hạt từ dòng khí thải trước khi được xả ra môi trường Điều này giúp duy trì sạch sẽ và an toàn cho môi trường, đồng thời giảm thiểu sự hình thành cặn bẩn và mài mòn trong hệ thống

Hình 1.2 Cyclone ứng dụng trong thực tế

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TÁCH BỤI CYCLONE

Tổng quan

Hệ thống tách bụi cyclone có một lịch sử phát triển dài và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển của hệ thống tách bụi cyclone:

• Thế kỷ 19: Ý tưởng ban đầu về việc sử dụng nguyên lý tách bụi bằng cyclone được đề xuất và phát triển vào những năm 1800 Nguyên lý hoạt động của cyclone được hiểu là dựa trên nguyên tắc của lực ly tâm Một số người tiên phong trong lĩnh vực này bao gồm các nhà khoa học như James Clerk Maxwell và Lewis H Atwood

• Thế kỷ 20: Trong suốt thế kỷ 20, công nghệ tách bụi cyclone đã được phát triển và cải tiến đáng kể Các nghiên cứu và thử nghiệm về hiệu suất tách bụi, thiết kế và kỹ thuật sản xuất đã được tiến hành Các ứng dụng của cyclone đã được mở rộng từ lĩnh vực công nghiệp khai thác khoáng sản, ngành công nghiệp xi măng và luyện kim sang nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất thực phẩm, chế biến hóa chất, xử lý khí thải và nhiều ngành công nghiệp khác

• Hiện tại: Với sự phát triển của công nghệ và các phương pháp tối ưu hóa, hệ thống tách bụi cyclone ngày nay có thiết kế và kỹ thuật rất đa dạng để đáp ứng nhu cầu tách bụi của các ngành công nghiệp hiện đại Nâng cao hiệu suất, giảm kích thước, tăng tính linh hoạt và tiết kiệm năng lượng là các mục tiêu chính trong quá trình phát triển hiện nay

Hệ thống tách bụi cyclone đã trải qua một quá trình phát triển dài và liên tục để trở thành một công nghệ tách bụi hiệu quả và phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Các nghiên cứu và cải tiến tiếp tục được thực hiện để nâng cao hiệu suất và ứng dụng của hệ thống cyclone trong tương lai

Dựa vào thiết kế, cyclone được chia thành hai loại chính là cyclone chất khí và cyclone chất lỏng

Cyclone chất khí là loại cyclone được sử dụng để tách các hạt rắn khỏi dòng khí

Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc của sự tách lý tưởng, trong đó dòng khí chứa hạt rắn xoay quanh trục của cyclone Trọng lực và lực ly tâm làm cho hạt rắn bị tách ra khỏi dòng khí và được thu thập dưới dạng bụi ở phần dưới của cyclone Cyclone chất khí được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, như công nghiệp lọc bụi, xử lý khí thải và hệ thống xử lý bụi

Cyclone chất khí còn có thể được chia thành 2 loại: cyclone ngược dòng và cyclone hướng trục

- Cyclone ngược dòng: cyclone ngược dòng là một loại cyclone có thiết kế đặc biệt để đảo ngược hướng dòng chất so với cyclone thông thường Trong một cyclone ngược dòng, dòng chất đi vào từ trên cùng của cyclone và di chuyển xuống phía dưới trước khi được đẩy lên trung tâm và rời khỏi cyclone Cấu trúc của cyclone ngược dòng có một đường ống lồng bên trong, hướng dòng vào từ trên cùng và rồi quay trở lại phía dưới Điều này tạo ra một sự đảo ngược trong quá trình chảy và tạo điều kiện để phân tách hạt bụi hoặc hạt rắn từ dòng chất Cyclone ngược dòng thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất phân tách cao và giảm thiểu mất dòng chất

- Cyclone hướng trục: cyclone hướng trục là một loại cyclone được thiết kế để có dòng chất lỏng hoặc khí chảy theo hướng trục Trong cyclone hướng trục, dòng chất lỏng hoặc khí nhập vào từ trên cùng và di chuyển xuống phía dưới theo hướng trục của cyclone Điều này tạo ra một quá trình chảy xoắn ốc dọc theo trục và tạo điều kiện để phân tách hạt bụi hoặc hạt rắn từ dòng chất Cấu trúc của cyclone hướng trục bao gồm một đường ống dài bên trong, dòng chất nhập vào từ trên cùng và đi qua đường ống theo hướng trục trước khi rời khỏi cyclone

Sự tách hạt trong cyclone hướng trục được thực hiện bằng cách sử dụng lực quán tính của dòng khí để đẩy các hạt bụi ra xa trục chính của cyclone Khi dòng khí cùng với hạt bụi nhập vào bộ tách cyclone hướng trục, chúng di chuyển theo hướng song song với trục chính của cyclone và được đẩy vào buồng xoáy bên trong

Trong buồng xoáy, dòng khí chuyển động vòng quanh trục chính và tạo ra lực quán tính đẩy các hạt bụi ra xa trục chính Điều này xảy ra do sự xoay nhanh và liên tục của dòng khí trong buồng xoáy

Khi các hạt bụi được đẩy vào thành bên trong cyclone, lực trọng lực làm cho chúng tiếp tục di chuyển xuống đáy của cyclone, trong khi dòng khí xoay tiếp tục chuyển động lên trên Cơ cấu bên trong cyclone giúp tách hạt bụi và đẩy chúng vào lối thoát ra của cyclone, trong khi dòng khí sạch được đẩy ra khỏi trên cùng

Hình 2.2 Cyclone hướng trục b) Cyclone chất lỏng

Cyclone chất lỏng là một thiết bị được sử dụng để tách các hạt rắn và tinh chất từ dòng chất lỏng bằng cách tận dụng nguyên lý lực ly tâm Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng xử lý nước, bao gồm lọc nước, tách tạp chất, và phân tách chất rắn từ chất lỏng Cấu trúc của cyclone chất lỏng bao gồm một hình trụ hoặc hình nón có đường kính nhỏ ở phần trên và mở rộng lên phía dưới Dòng chất lỏng chứa hạt rắn và tinh chất được đưa vào cyclone thông qua một ống cấp chất lỏng và tạo một vòng xoáy xoắn ốc trong thiết bị

Nguyên lý lực ly tâm làm cho các hạt nặng hơn và tinh chất bị đẩy ra khỏi trung tâm và đi xuống phần dưới của cyclone Trong khi đó, chất lỏng sạch và ít chất rắn hơn được chuyển tiếp và thoát ra khỏi cyclone qua một ống xả

Cyclone chất lỏng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và xử lý nước Nó được sử dụng để loại bỏ tạp chất trong nước cấp, xử lý nước thải, tách tinh chất

9 và chất rắn từ nước thải, và trong quy trình khai thác mỏ và xử lý quặng Cyclone chất lỏng có ưu điểm là đơn giản, dễ vận hành và bảo trì, và có khả năng tách các hạt rắn với kích thước nhỏ và tinh chất có nồng độ cao

Hình 2.4 Hình ảnh các hạt di chuyển qua bộ tách cyclone

Cơ sở lý thuyết về tổn thất áp suất của cyclone

Tổn thất áp suất là sự khác biệt áp suất giữa các điểm khác nhau trong cyclone, ví dụ như giữa điểm vào và điểm ra Một số yếu tố đóng góp vào sự khác biệt áp suất giữa các điểm này, và đã được xác định bởi Shepherd và Lapple [7] như sau:

(1) Tổn thất do sự mở rộng của khí khi đi vào buồng cyclone

(2) Tổn thất năng lượng động học do quay trong buồng cyclone

(3) Tổn thất do ma sát tường rắn trong buồng cyclone

(4) Bất kỳ tổn thất ma sát bổ sung nào trong ống thoát, do dòng xoáy vượt quá những tổn thất ma sát của dòng chảy thẳng

(5) Bất kỳ sự phục hồi năng lượng động học xoay về dưới dạng năng lượng áp suất

Hầu hết các lý thuyết về tổn thất áp suất trong cyclone cho rằng yếu tố (2) và (3) là quan trọng nhất trong việc xác định tổn thấp áp suất của cyclone Các phương trình cuối cùng được báo cáo bởi Shepherd và Lapple; First; Alexander; Stairmand và Barthelemy

[7] Tất cả các phương trình này diễn tả tổn thấp áp suất trong cyclone dưới dạng một số đơn vị đầu vào của vận tốc áp suất, ∆H Các đơn vị đầu vào của vận tốc áp suất có thể được chuyển đổi thành tổn thất áp suất trong đơn vị đầu vào áp suất tĩnh, ∆P, bởi [7]:

Trong đó: v in : vận tốc đầu vào, [m/s] ρ g : khối lượng riêng của khí, [kg/m 3 ]

∆H: tổn thất áp suất ở đầu vận tốc đầu vào, [Pa]

∆P: tổn thất áp suất, [Pa] g: gia tốc trọng trường, [m/s 2 ] ρ l : khối lượng riêng của chất lỏng, [kg/m 3 ]

Shepherd và Lapple đã liên kết kết quả tổn thất áp suất thực nghiệm với phương trình sau [7]:

K là một hằng số, K = 16 cho một cyclone có đầu vào tiếp tuyến tiêu chuẩn và K 7,5 cho một cyclone có van đầu vào, tức là bề mặt trong của đầu vào tiếp tuyến tiếp xúc với bề mặt trong của cyclone đến một điểm nằm ở giữa đến bề mặt phía đối diện a: chiều dài ống dẫn khí vào, [m] b: chiều rộng ống dẫn khí vào, [m]

De: đường kính ống thoát khí sạch, [m]

Hình 2.5 Các kích thước của cyclone

Cơ sở lý thuyết về hiệu suất tách hạt của cyclone

Hiệu suất tách hạt của cyclone là một chỉ số đo lường khả năng của thiết bị cyclone trong việc tách lọc hạt bụi từ luồng khí hoặc chất lỏng Nó thể hiện tỷ lệ trọng lượng hạt bụi được loại bỏ hoặc thu thập thành công trong cyclone so với tổng trọng lượng hạt bụi có trong luồng khí hoặc chất lỏng đầu vào Hiệu suất tách hạt thường được biểu thị dưới dạng phần trăm và có thể được tính toán bằng cách so sánh trọng lượng hạt bụi thu thập với trọng lượng hạt bụi ban đầu

Hiệu suất tách hạt của cyclone thường tăng khi:

(1) Kích thước và mật độ của hạt tăng lên

(2) Tốc độ quay trong vòng xoáy của cyclone tăng lên

(3) Đường kính của cyclone giảm xuống

(4) Chiều dài của cyclone tăng lên

(5) Điều chỉnh dòng khí qua đường thoát bụi

(6) Làm ướt bề mặt trong cyclone

Vận tốc định tuyến của các hạt có kích thước tới hạn theo định luật Stokes, 𝑤 𝑓 ∗ , có thể được tính toán theo công thức [7]:

Trong đó: w f ∗ : vận tốc định tuyến của các hạt có kích thước tới hạn, [m/s]

Q g : lưu lượng thể tích khí, [m 3 /s]

S: độ sâu của ống thoát khí sạch bên trong cyclone, [m] v t : được tính tại 𝑟 = 𝐷 𝑒

2 Nếu vận tốc định tuyến theo định luật Stokes của một hạt có đường kính 𝑑 𝑝 được ký hiệu là 𝑤 𝑓 , thì tỷ lệ giữa 𝑤 𝑓 và 𝑤 𝑓 ∗ sẽ là [7]:

Trong đó: w f : vận tốc định tuyến theo định luật Stokes của một hạt có đường kính 𝑑 𝑝 , [m/s] ρ p : khối lượng riêng của hạt, [kg/m³] d p : đường kính của hạt, [m] μ: độ nhớt động lực học, [Pa.s]

Barth nói rằng lý thuyết, hiệu suất của cyclone tăng từ 0 lên 100% khi 𝑤 𝑓

𝑤 𝑓 ∗ đạt giá trị bằng 1 Thực tế, hiệu suất tăng dần khi 𝑤 𝑓

𝑤 𝑓 ∗ được thể hiện như hình 2.5 Hình này được phát triển từ các thí nghiệm được thực hiện trên nhiều loại cyclone khác nhau [7]

Hình 2.6 Hiệu suất cyclone so với 𝑤 𝑓

Tương tự, Lapple đã chỉ ra rằng hiệu suất thực tế tăng dần khi tỷ lệ 𝑑 𝑝

𝑑 𝑝𝑐 tăng, như được thể hiện trong hình 2.6 Ở đây, kích thước hạt cắt của cyclone, 𝑑 𝑝𝑐 , được tính bằng công thức [7]:

2𝜋𝜌 𝑝 𝑣 𝑖𝑛 𝑁𝑒] 1/2 (2.5) Trong đó: d pc : kích thước của hạt được thu thập với hiệu suất 50%, [m] v in : vận tốc đầu vào, [m/s]

Ne là số vòng quay hiệu quả mà khí tạo ra trong cyclone, một hằng số được báo cáo bởi Friedlander thay đổi từ 0,5 đến 10, với giá trị điển hình là 5

Hình 2.7 Hiệu suất cyclone so với 𝑑 𝑝

Sproull đã trình bày một phương pháp tính toán hiệu suất của cyclone bằng cách xây dựng một sự tương đồng giữa quá trình tách hạt của cyclone và quá trình thu hồi trong một thiết bị lắng điện tĩnh [7]:

𝑄 𝑔 ] (2.6) Trong đó: η: hiệu suất tách hạt

Vận tốc di chuyển của hạt đến thành cyclone, w, là [7]:

D: đường kính cyclone, [m] v t : vận tốc tiếp tuyến, [m/s]

Bề mặt tách hạt bên trong của cyclone, Ac có thể được tính bằng công thức [7]:

B: đường kính ống xả bụi, [m] h: chiều cao thân cyclone, [m]

Leith-Licht đã rút ra một công thức để dự đoán hiệu suất của cyclone dựa trên các lý thuyết Công thức của họ là [7]:

(2.9) Trong đó: Ψ: tham số quán tính của cyclone

Thuật ngữ C là một tham số hình học không có thứ nguyên chỉ phụ thuộc vào tám tỷ lệ kích thước của cyclone C là hằng số đối với bất kỳ thiết kế cyclone nào và mỗi thiết kế có một giá trị C duy nhất [7]:

Trong đó: l: khoảng cách xoáy kéo dài bên dưới ống thoát khí, [m] Ở đây, l là khoảng cách xa nhất mà xoáy mở rộng dưới ống xả khí, như được đề ra bởi Alexander, và d là đường kính của phần hình nón tại điểm đó 𝛹 là một tham số quán tính được điều chỉnh, phản ánh tính chất của hệ thống hạt cần được xử lý [7]:

Giá trị của chỉ số xoáy, n, có thể được tính [7]:

283 ) 0.3 ] (2.14) Trong đó: n: giá trị của chỉ số xoáy

Cơ sở lý thuyết về đường kính cắt

Đường kính cắt trong hệ thống cyclone là kích thước của các hạt mà hệ thống có thể tách được với hiệu suất 50% Nó đại diện cho kích thước hạt tối đa mà hệ thống cyclone có thể loại bỏ hiệu quả Đường kính cắt thường được sử dụng để đánh giá khả năng tách hạt của cyclone và được xác định bằng các phương pháp thực nghiệm hoặc tính toán Thông qua việc đo lường hiệu suất tách hạt của hệ thống ở các kích thước khác nhau, đường kính cắt có thể được xác định và sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống cyclone trong việc loại bỏ hạt trong dòng chất lỏng hoặc khí

- Công thức tính đường kính cắt:

Trong đó: d 50 : đường kính cắt, [m] à: độ nhớt động lực học, [Pa.s] ρg: khối lượng riêng của khí, [kg/m³] ρp: khối lượng riêng của hạt, [kg/m³]

Q g : lưu lượng thể tích khí, [m 3 /s]

Các công trình liên quan

Trong đồ án tốt nghiệp này, nhóm em sẽ tham khảo bài báo có tên là “A CFD STUDY OF THE EFFECT OF CYCLONE SIZE ON ITS PERFORMANCE PARAMETERS” [1] tạm dịch là “MỘT NGHIÊN CỨU CFD VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC XOAY CHIỀU LÊN CÁC THÔNG SỐ HIỆU SUẤT CỦA NÓ” của tờ

“Journal of Hazardous Materials” với tác giả là Mehdi Azadi, Mohsen Azadi và Ali Mohebbi Bài báo này tập trung vào việc phát triển một mô hình động lực học chất lưu Eulerian-Lagrangian ba chiều (CFD) để mô phỏng dòng khí bụi trong các cyclone có kích thước khác nhau Qua việc sử dụng các cyclone I, II và III có kích thước khác nhau, nghiên cứu đã điều tra tác động của kích thước cyclone và vận tốc đầu vào đến hành vi động lực học và các thông số hiệu suất như đường kính cắt và tổn thất áp suất Mô hình CFD sử dụng các mô hình renormalization group (RNG) k-ε và Reynolds stress (RSM) để nghiên cứu hiệu ứng dòng chảy hỗn loạn và tính toán quỹ đạo hạt bằng mô hình discrete phase model (DPM) Kết quả cho thấy đường kính cắt và mức giảm áp suất tăng lên khi kích

19 thước cyclone tăng Mô hình RSM dự đoán đường kính cắt khá chính xác so với dữ liệu thực nghiệm

Ngoài ra, nhóm em còn tham khảo thêm một số bài nghiên cứu liên quan như

“CYCLONE COLLECTION EFFICIENCY: COMPARISON OF EXPERIMENTAL RESULTS WITH THEORETICAL PREDICTIONS” [2] tạm dịch “HIỆU SUẤT TÁCH HẠT CYCLONE: SO SÁNH THỰC NGHIỆM KẾT QUẢ VỚI LÝ THUYẾT PHỎNG ĐOÁN” của tác giả John Dirgo và David Leith Bài báo tóm tắt kết quả thử nghiệm trên một cyclone Stairmand hiệu suất cao Các thử nghiệm được tiến hành để đo hiệu suất tách hạt và mức tổn thất áp suất của cyclone ở các lưu lượng khí khác nhau Một hỗn hợp dầu sướng được sử dụng làm hạt thử nghiệm Kết quả thử nghiệm được so sánh với các lý thuyết hiệu suất cyclone khác nhau Các kết quả cho thấy các lý thuyết của Barth và Leith- Licht có kết quả gần nhất với thực nghiệm Điều này có ý nghĩa quan trọng cho việc hiểu và dự đoán hiệu suất của cyclone và ứng dụng chúng trong các quy trình công nghiệp

“CYCLONE PERFORMANCE AND DESIGN” [3] tạm dịch “THIẾT KẾ VÀ HIỆU SUẤT CYCLONE” của tác giả David Leith và Dilip Mehta Trong bài báo này, tác giả tập trung vào việc đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất và mức tổn thất áp suất của cyclone trong việc thu gom bụi công nghiệp Các lý thuyết về mức tổn thất áp suất và hiệu suất tách hạt được đánh giá dựa trên dữ liệu thực nghiệm Tác giả đã xác định lý thuyết tốt nhất cho mỗi yếu tố và sử dụng chúng để phát triển một phương pháp thiết kế cyclone Phương pháp này cho phép tính toán kích thước của cyclone lý tưởng dựa trên các tiêu chí thiết kế cụ thể Bằng cách so sánh với cyclone tiêu chuẩn, phương pháp thiết kế mới cho thấy khả năng cải thiện hiệu suất tách hạt trong cùng điều kiện vận hành Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này trong thực tế cần được thử nghiệm và kiểm tra để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của nó

“AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE PERFORMANCE FACTORS AFFECTING PATICLE COLLECTION EFFICIENCY OF THE ELECTROCYCLONE”

[4] tạm dịch “MỘT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT TÁCH HẠT CỦA ELECTROCYCLONE” của tác giả K S Lim, K

W Lee, M R Kuhlman Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng và nghiên cứu hiệu suất tách hạt của electrocyclone Bằng cách thay đổi các điều kiện và tham số hoạt động,

20 các nhà nghiên cứu đã phân tích tác động của điện áp, đường kính và chiều dài dây xả, cũng như vật liệu vòng xoáy, đối với hiệu suất tách hạt Kết quả cho thấy rằng việc tăng điện áp và giảm đường kính dây xả cải thiện hiệu suất tách hạt, đặc biệt là đối với các hạt nhỏ và tốc độ dòng thấp Các hạt nhỏ được tập trung và thu thập ở đáy nón cyclone và gần vùng vòng xoáy Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu vòng xoáy nhôm cho hiệu suất tách hạt cao hơn so với vật liệu vòng xoáy acrylic và chiều dài vòng xoáy có vai trò quan trọng hơn trong hiệu suất tách hạt của electrocyclone so với cyclone thông thường

Trong số các công trình kể trên, nhóm em sẽ chọn bài báo khoa học [1] là bài tham khảo chính và dựa theo đó để tiến hành mô phỏng ở chương 4 và đánh giá kết quả, thảo luận ở chương 5

GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG CFD

Khái niệm mô phỏng CFD

Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) là một phương pháp tính toán và mô phỏng các hiện tượng chất lưu sử dụng phương trình và thuật toán số học Nó được sử dụng để nghiên cứu và phân tích các quá trình chất lưu, chẳng hạn như luồng chất lưu, áp suất, nhiệt độ và các đặc tính khác trong một không gian ba chiều

Những lý do nên sử dụng phần mềm mô phỏng CFD:

1) Đánh giá hiệu suất hệ thống: Mô phỏng CFD cho phép đánh giá hiệu suất của các thiết kế hệ thống, như động cơ, máy bơm, quạt, ống dẫn, và các bề mặt tương tác khác Bằng cách mô phỏng dòng chảy và các thông số liên quan như

22 áp suất, tốc độ và nhiệt độ và có thể hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và tối ưu hóa hệ thống

2) Dự đoán và giảm thiểu nguy cơ tai nạn: CFD có thể được sử dụng để dự đoán và phân tích nguy cơ tai nạn trong các ngành công nghiệp như hàng hải, hàng không vũ trụ, và năng lượng hạt nhân Bằng cách mô phỏng các tình huống nguy hiểm và kiểm tra các biện pháp an toàn, từ đó có thể xác định các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra các giải pháp để giảm thiểu nguy cơ

3) Tối ưu hóa thiết kế: Mô phỏng CFD cho phép thử nghiệm và tối ưu hóa các thiết kế hệ thống một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí Thay vì xây dựng và kiểm tra các mô hình vật lý, có thể sử dụng mô hình toán học và mô phỏng CFD để đánh giá các biến thể thiết kế khác nhau và chọn ra giải pháp tốt nhất

4) Nghiên cứu và phát triển mới: CFD cung cấp một phương pháp nhanh chóng và linh hoạt để nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới Qua đó có thể mô phỏng các ý tưởng mới, đánh giá tính khả thi và tìm hiểu hiệu quả trước khi đầu tư vào các thí nghiệm vật lý đắt tiền

5) Đánh giá tác động môi trường: Mô phỏng CFD có thể giúp đánh giá tác động của các hoạt động công nghiệp lên môi trường, chẳng hạn như xả thải, khí thải và ô nhiễm nước Bằng cách mô phỏng dòng chảy và quá trình hóa học, có thể dự đoán và đánh giá tác động của các hoạt động này và tìm kiếm các biện pháp để giảm thiểu tác động môi trường

Hình 3.2 Những mô hình CFD căn bản thường gặp

Quy trình mô phỏng CFD

Tuy rằng chưa có bất cứ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho các quy trình mô phỏng CFD nhưng căn cứ vào kinh nghiệm và các tài liệu nội bộ của phòng thí nghiệm Los Alamos (USA), thì quy trình mô phỏng CFD có thể được chia ra hai loại chính:

+ Quy trình cơ bản cho người dùng

+ Quy trình nâng cao cho các kĩ sư

3.2.1 Quy trình cơ bản cho người dùng

Nhằm giúp cho người dùng dễ dàng làm theo các tác vụ của việc mô phỏng CFD, quy trình cơ bản của mô phỏng CFD chia ra làm các bước:

(2) Đơn giản hóa hình học

(3) Rời rạc hóa miền tính toán – được gọi là quá trình chia lưới

(4) Thiết lập thông số mô hình

(6) Kiểm tra tính hội tụ của phương pháp số

(7) Mô phỏng cho các trường hợp hợp khác nhau

(8) Phân tích kết quả mô phỏng

Hình 3.3 Quy trình mô phỏng CFD cơ bản cho người sử dụng

3.2.2 Quy trình nâng cao cho kỹ sư

Quy trình này được kết hợp bởi các quy trình cơ bản và thêm vào đó là quy trình đánh giá (assessment) mô hình CFD bao gồm: Kiểm tra (verification) và kiểm nghiệm (validation)

• Quy trình kiểm tra (verification) mô hình CFD:

Bản chất của các mô hình đều dựa vào các phương trình toán học (mathematical model), nhưng việc giải các mô hình trên máy tính lại bằng các phương pháp số (numerical method)

Mục đích của quy trình kiểm tra mô hình CFD nhằm giảm thiểu các sai số do phương pháp số gây ra

Trong CFD thì kiểm tra mô hình CFD ám chỉ việc:

(1) Kiểm nghiệm lưới (mesh-independent test)

(2) Sàng lọc lỗi trong các thuật toán (bugs)

(3) Phương pháp tính (numerical scheme)

• Quy trình kiểm nghiệm (validation) trong mô hình CFD:

Nhằm mục đích so sánh kết quả từ mô hình CFD và kết quả đo đạc thực tế, quy trình kiểm nghiệm được sử dụng trong hầu hết các bước phát triển mô hình Quy mô của kiểm nghiệm mô hình CFD có thể là:

(1) Kiểm nghiệm một phần hệ thống trong điều kiện giới hạn tại điều kiện phòng thí nghiệm

(2) Kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống trong điều kiện thực tế

(3) Kiểm nghiệm nhiều thông số khác nhau trong các dải điều kiện làm việc khác nhau

(4) Kiểm nghiệm thời gian thực

Quy mô càng toàn diện và càng nhiều thông số được kiểm nghiệm thì mức độ tin cậy của mô hình càng lớn

Hình 3.4 Tóm tắt quy trình kiểm tra (verification) và kiểm nghiệm (validation) CFD

Một số ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD

Ngày nay thật khó để tìm các lĩnh vực công nghiệp mà không có sự góp mặt của mô phỏng CFD Ứng dụng phổ biến nhất của mô phỏng CFD trong các ngành công nghiệp có thể phân loại thành các nhóm như sau:

Công nghiệp hàng không và vũ trụ: Đây là một trong những ngành công nghiệp đầu tiên ứng dụng mô phỏng CFD

Hình 3.5 Ứng dụng CFD trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ

Công nghiệp sản xuất ô tô: Từ việc mô phỏng phản ứng đốt cháy trong động cơ đến mô phỏng lực cản tại vỏ xe, CFD đóng góp một phần rất lớn trong nghiên cứu và phát triển của các hãng xe nổi tiếng như: Mercedes, Tesla, hay BMW

Hình 3.6 Ứng dụng CFD trong ngành công nghiệp ô tô

Công nghiệp xây dựng: Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong và ngoài tòa nhà Mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống sưởi ấm (heating), thông gió (ventilation), và điều hòa không khí (air conditioning) – HVAC, và hệ thống làm lạnh

Hình 3.7 Ứng dụng CFD trong ngành công nghiệp xây dựng

Hệ thống công nghiệp hóa chất và dầu khí: Mô phỏng thiết bị phản ứng (khuấy trộn CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubble column, v.v), tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống ống nối, hay hệ thống nồi hơi tận dụng nhiệt

Thiết bị công nghiệp: Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm

(cyclone), phân tách pha, trao đổi nhiệt

Công nghệ y sinh và dược phẩm: Thiết kế các thiết bị vi dòng chảy (microfluidics), vi khuấy trộn (micromixing), mô phỏng dòng chảy trong mạch máu

Thời tiết và khí hậu: Mô hình phỏng đoán thời tiết và thiên tai

Hình 3.8 Mô tả đồ thị CFD ở mặt phẳng từ trên cao 2m so với mặt đất cho vận tốc gió hàng giờ (bên trái) và nhiệt độ không khí (bên phải)

Hàng hải và đóng tàu: Mô hình tương tác giữa sóng và ứng suất vỏ tàu, mô hình phỏng đoán lực cản vỏ tàu

Hình 3.9 Mô phỏng dòng không khí trên sân bay trên tàu (helideck) bằng phương pháp tính toán động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics - CFD)

Mặc dù CFD là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng và phân tích dòng chất lưu, nó cũng có những hạn chế:

• Độ chính xác: Kết quả của mô phỏng CFD có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ phân giải lưới, điều kiện biên, và các giả định trong mô hình Việc chọn mô hình phù hợp và cài đặt thích hợp có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kết quả

• Thời gian tính toán: CFD yêu cầu tính toán số lượng lớn các phương trình và dữ liệu, điều này đòi hỏi thời gian tính toán lớn Đối với các mô phỏng phức tạp, thời gian tính toán có thể rất lâu hoặc đòi hỏi sử dụng các hệ thống tính toán mạnh mẽ

• Giới hạn của mô hình: CFD chỉ có thể mô phỏng một số hiện tượng cụ thể và có những giới hạn trong việc mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp Các hiện tượng như nhiễu động học, tương tác đa pha, và tác động của các yếu tố bên ngoài như trọng lực và tác động từ các cơ cấu khác có thể khó khăn trong việc mô phỏng chính xác bằng CFD

• Cần kiểm chứng thực nghiệm: Kết quả từ mô phỏng CFD thường cần được kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm hoặc thông qua so sánh với các mô hình thực nghiệm khác để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy

• Yêu cầu kỹ thuật cao: Sử dụng và hiểu CFD đòi hỏi kiến thức kỹ thuật chuyên sâu và kỹ năng phân tích Người sử dụng CFD cần có kiến thức về lĩnh vực cụ thể và phải biết cách sử dụng phần mềm CFD một cách hiệu quả để thu được kết quả chính xác và có ý nghĩa

Tóm lại, CFD có những hạn chế nhất định và việc sử dụng nó đòi hỏi sự kiên nhẫn, kiến thức kỹ thuật và sự kiểm chứng thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả.

Giới thiệu phần mềm mô phỏng

Ansys được thành lập vào năm 1970 bởi John Swanson Năm 2000, Ansys đã thực hiện mua lại các công ty thiết kế kỹ thuật khác, mua thêm công nghệ cho động lực học chất lỏng, thiết kế điện tử và phân tích vật lý khác Ansys, Inc là một công ty cổ phần của

Mỹ có trụ sở tại Canonsburg, Pennsylvania Ansys phát triển và tiếp thị phần mềm mô

30 phỏng kỹ thuật Phần mềm Ansys được sử dụng để thiết kế các sản phẩm và chất bán dẫn, cũng như tạo ra các mô phỏng để kiểm tra độ bền của sản phẩm, phân bố nhiệt độ, lưu lượng chất lỏng và các tính chất điện từ

Ansys phát triển và tiếp thị phần mềm phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng các vấn đề kỹ thuật Phần mềm này tạo ra các mô hình máy tính mô phỏng cấu trúc, thiết bị điện tử hoặc linh kiện máy để mô phỏng ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, điện từ, lưu lượng chất lỏng và các thuộc tính khác Ansys được sử dụng để mô phỏng cách một sản phẩm hoạt động với các thông số kỹ thuật khác nhau, mà không cần làm các sản phẩm thử nghiệm hoặc tiến hành các thử nghiệm va chạm Ví dụ, phần mềm Ansys có thể mô phỏng một cây cầu sẽ ra sao sau nhiều năm sử dụng, cách xử lý tốt nhất cá hồi trong thùng để tránh lãng phí, hoặc cách thiết kế một tấm ván trượt sử dụng ít vật liệu hơn mà không bị mất an toàn

Hầu hết các mô phỏng trong Ansys được thực hiện bằng phần mềm Ansys Workbench, là một trong những sản phẩm chính của công ty Thông thường, người dùng Ansys phá vỡ các cấu trúc lớn hơn thành các thành phần nhỏ được mô phỏng và thử nghiệm riêng lẻ Người dùng có thể bắt đầu bằng cách xác định kích thước của đối tượng, và sau đó thêm trọng lượng, áp suất, nhiệt độ và các đặc tính vật lý khác Hiện tại có rất nhiều phiên bản khác nhau của Ansys Workbench và để thực hiện mô phỏng nhóm em sẽ sử dụng phiên bản Ansys Workbench 19.2

Hình 3.10 Giao diện của Ansys Workbench 19.2

Ansys Design Modeler và Ansys Meshing là hai module mở đầu khi bắt đầu tiếp cận với Ansys Đây là hai module quan trọng giúp vẽ mô hình và chia lưới ngay trong Ansys, phục vụ cho quá trình tính toán mô phỏng sau này Cuối cùng là module CFD Post, module này dùng để xử lí kết quả của mô phỏng, cũng chính là bước cuối cùng khi thực hiện mô phỏng với Ansys

Ansys fluent là một module trong gói phần mềm tích hợp của Ansys Ansys fluent được lập trình theo các phương trình cơ bản của dòng chất lỏng Đó là các phương trình Navie- Stokes, Bernoulli hay Euler Các thông số trong cài đặt chính giúp khép kín được các ràng buộc để Ansys tính toán Ansys fluent chứa các part có thể thiết kế mô hình 2D, 3D hoặc chuyển đổi từ các phần mềm khác vô cùng linh hoạt Cơ sở của việc mô phỏng cũng như khảo sát tính toán là việc chia lưới, admin sẽ hướng dẫn cụ thể mọi người trong bài kế tiếp Cũng trong module này, các thông số như môi chất (độ nhớt, chế độ chảy, khối lượng riêng ), điều kiện vào, ra (vận tốc, nhiệt độ, áp suất ) được cài đặt nhằm mô phỏng một cách gần nhất với thực tế, giúp kết quả được khách quan hóa Từ kết quả thu nhận được, có thể biết được vận tốc, nhiệt độ, áp suất cũng như quỹ đạo chuyển động và ảnh hưởng của các biên dạng lên dòng chảy Đồ thị Ansys xuất ra hỗ trợ tối đa cả về định tính và định lượng

Trong giao diện của Ansys Workbench 19.2 có nhiều sự lựa chọn khác nhau, hiện tại phần mềm chúng em cần để thực hiện mô phỏng CFD là Fluid Flow (Fluent)

Hình 3.11 Giao diện của Fluid Flow (Fluent)

Giao diện phần mềm khá đơn giản với trình tự các bước thực hiện đã được chỉ định sẵn Như trên Hình 3.12 có thể thấy bước đầu tiên là tạo khối hình học (Geometry), có thể thực hiện trực tiếp trên Ansys Workbench thông qua SpaceClaim Geometry hoặc DesignModeler Geometry hoặc có thể nhập mô hình có sẵn đã tạo trước đó thông qua phần mềm khác

Hình 3.12 Giao diện của SpaceClaim Geometry

Hình 3.13 Giao diện của DesignModeler Geometry

Tiếp sau phần tạo Geometry trên giao diện Workbench là phần tạo lưới Mesh Cũng tương tự như Geometry giao diện Mesh được tối ưu hóa dễ nhìn cho người sử dụng.

Các bước thực hiện mô phỏng

Để thực hiện mô phỏng CFD cần tuân thủ theo các bước sau:

1 Xác định mục tiêu và phạm vi của mô phỏng, thu thập dữ liệu đầu vào

2 Thiết lập mô hình, chia lưới, thiết lập điều kiện biên

4 Kiểm tra và đánh giá kết quả

5 Hiệu chỉnh và tối ưu hóa

6 Báo cáo và trình bày kết quả

3.5.1 Xác định mục tiêu và phạm vi của mô phỏng, thu thập dữ liệu đầu vào

Một số yếu tố quan trọng cần xác định trong mục tiêu, phạm vi và thu thập dữ liệu đầu vào bao gồm:

• Mục tiêu nghiên cứu: Xác định mục tiêu cụ thể của mô phỏng, ví dụ như nghiên cứu luồng chất lỏng qua một hệ thống, phân tích hiệu suất thiết bị, đánh giá tác động của thay đổi điều kiện biên, hoặc tối ưu hóa thiết kế

• Dữ liệu đầu vào: Xác định dữ liệu đầu vào cần thiết cho mô phỏng, bao gồm thông số hình học của hệ thống, thông số vật liệu, thông số điều kiện biên và thông số khí động học như áp suất, nhiệt độ và thông lượng Điều này giúp bạn xác định yêu cầu dữ liệu và chuẩn bị trước các bước tiếp theo

• Kết quả mong đợi: Định rõ kết quả mong đợi từ mô phỏng, ví dụ như biểu đồ dòng chảy, biểu đồ áp suất, phân bố nhiệt độ, hay hiệu suất của hệ thống Điều này giúp ta tạo ra một tiêu chí đánh giá kết quả và đảm bảo rằng mô phỏng đạt được mục tiêu đề ra

• Giới hạn và ràng buộc: Xác định các giới hạn và ràng buộc trong mô phỏng, bao gồm hạn chế về thời gian, tài nguyên tính toán, hay yêu cầu đặc biệt từ phần mềm CFD Điều này giúp ta hiểu rõ các giới hạn và điều chỉnh kế hoạch mô phỏng cho phù hợp

Tóm lại, trong bước xác định mục tiêu và phạm vi của mô phỏng CFD, ta cần định rõ mục tiêu nghiên cứu, xác định dữ liệu đầu vào, định rõ kết quả mong đợi, và xác định giới hạn và ràng buộc của mô phỏng Điều này giúp ta xác định một kế hoạch chi tiết cho các bước tiếp theo của quá trình mô phỏng

3.5.2 Thiết lập mô hình, chia lưới, thiết lập điều kiện biên

Thiết lập mô hình: Sử dụng phần mềm CFD, ta sẽ thiết lập mô hình bằng cách xác định các phương trình và điều kiện biên Mô hình sẽ bao gồm thông tin về hình dạng hệ thống, các vùng chất lỏng và chất rắn, và các thông số khí động học cần thiết Điều kiện biên: Xác định và áp dụng các điều kiện biên cho mô hình Điều kiện biên bao gồm điều kiện biên đầu vào (inlet conditions) và điều kiện biên đầu ra (outlet

35 conditions), cũng như các điều kiện biên khác như điều kiện biên tĩnh áp, điều kiện biên nhiệt độ, hay điều kiện biên chuyển động

▪ Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu, cần có dữ liệu đầu vào như mô hình hình học của không gian được mô phỏng, thông số kỹ thuật và điều kiện biên Đây là thông tin cần thiết để xác định kích thước và hình dạng của lưới

▪ Bước 2: Chọn kiểu lưới, dựa trên đặc điểm của bài toán, xác định kiểu lưới phù hợp như lưới có cấu trúc, lưới không có cấu trúc hoặc lưới hỗn hợp Mỗi kiểu lưới có ưu điểm và hạn chế riêng

▪ Bước 3: Chọn công cụ chia lưới phù hợp Có nhiều công cụ và phần mềm chuyên dụng để chia lưới trong CFD như Ansys Meshing, OpenFOAM, Pointwise và ICEM-CFD Tùy thuộc vào kiểu lưới và yêu cầu của bài toán để chọn công cụ phù hợp

▪ Bước 4: Chia lưới Bằng cách sử dụng công cụ chia lưới, xác định kích thước và hình dạng của các yếu tố lưới như ô, đỉnh, cạnh hoặc phần tử Quá trình này có thể bao gồm chọn số lượng ô, tạo các ô nền, sửa đổi lưới để đảm bảo chất lượng và độ chính xác

▪ Bước 5: Kiểm tra và điều chỉnh lưới Sau khi chia lưới, kiểm tra lại chất lượng lưới để cải thiện chất lượng và khả năng mô phỏng

▪ Bước 6: Xác định điều kiện biên: Xác định điều kiện biên cho lưới bao gồm xác định dòng chảy, áp suất, nhiệt độ và các thông số khác tại các ranh giới của không gian mô phỏng

Xây dựng và thiết lập mô hình toán học, xác định điều kiện biên và điều kiện ban đầu: Xác định các điều kiện biên (boundary conditions) như dòng chảy, áp suất, nhiệt độ, tại các ranh giới của không gian mô phỏng và xác định các điều kiện ban đầu (initial conditions) để bắt đầu quá trình mô phỏng

Thiết lập các phương trình, bao gồm phương trình Navier-Stokes và các phương trình bổ sung cho hiện tượng đặc biệt (nếu có)

Thiết lập tham số đánh giá hội tụ và chạy mô phỏng Cuối cùng là kiểm tra sự hội tụ

3.5.4 Kiểm tra và đánh giá kết quả

Sau khi mô phỏng hoàn tất, ta cần kiểm tra và đánh giá kết quả So sánh kết quả với các dữ liệu thực nghiệm hoặc kết quả khác để đánh giá tính chính xác và đáng tin cậy của mô phỏng Nếu cần, ta có thể thực hiện các điều chỉnh và chạy lại mô phỏng để cải thiện kết quả

3.5.5 Hiệu chỉnh và tối ưu hóa

Dựa trên kết quả kiểm tra và đánh giá, ta có thể hiệu chỉnh và tối ưu hóa mô hình CFD Điều này có thể bao gồm thay đổi thông số đầu vào, điều kiện biên, hoặc cấu trúc mô hình để đạt được kết quả tốt hơn

3.5.6 Báo cáo và trình bày kết quả

Cuối cùng, ta nên tạo báo cáo và trình bày kết quả mô phỏng CFD của mình Báo cáo nên bao gồm các chi tiết về phương pháp, mô hình, điều kiện biên, kết quả và nhận xét về mô phỏng.

Phương pháp chia lưới

Tạo lưới phù hợp nhất là nền tảng của mô phỏng kỹ thuật Lưới ảnh hưởng đến độ chính xác, độ hội tụ và tốc độ của mô phỏng Máy tính không thể giải quyết các mô phỏng trên hình dạng hình học thực tế của mô hình CAD vì không thể áp dụng các phương trình chủ đạo cho một hình dạng tùy ý Các phần tử lưới cho phép giải các phương trình chủ đạo trên các thể tích có hình dạng và được xác định về mặt toán học Thông thường, các phương trình được giải trên các lưới này là các phương trình vi phân từng phần Do tính chất lặp của những tính toán này, việc thu kết quả cho các phương trình này thực tế là không thể làm bằng tay và do đó các phương pháp tính toán như tính toán động lực học chất lưu (CFD) được sử dụng

Hình 3.14 Một số loại lưới phổ biến

Mesh quality là một thuật ngữ được sử dụng trong lĩnh vực mô phỏng CFD để đánh giá chất lượng của lưới tính toán Nó đề cập đến khả năng của lưới trong việc biểu diễn hình học của miền mô phỏng và tính phù hợp của nó để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác và hiệu quả Chất lượng của lưới tính toán có thể được đánh giá dựa trên một số tiêu chí, bao gồm:

Hình dạng các phần tử: Hình dạng của các phần tử trong lưới, chẳng hạn như tam giác hay tứ diện, nên gần như đều đặn hoặc cân đối Hình dạng không đều hoặc biến dạng nhiều có thể gây ra sự không ổn định và kết quả không chính xác

Aspect ratio (tỉ lệ khung hình): Là tỷ số giữa độ dài cạnh dài nhất với độ dài cạnh ngắn nhất Tỷ lệ khung áp dụng cho các phần tử tam giác, tứ diện, hình chữ nhật và lục diện và được xác định khác nhau cho từng loại phần tử Tỷ lệ khung hình cũng có thể được sử dụng để xác định mức độ gần lý tưởng của một mặt hoặc ô

Skewness (độ xiên): Độ xiên đo đạc sự sai khác của một phần tử so với hình dạng lý tưởng, chẳng hạn như góc vuông trong không gian hai chiều hoặc tứ diện đều trong không gian ba chiều Giá trị độ xiên thấp cho thấy chất lượng lưới tốt

3.6.2 Định nghĩa lưới có cấu trúc và lưới không có cấu trúc a) Lưới có cấu trúc

Lưới có cấu trúc (structured grid) là một loại lưới tính toán trong mô phỏng số học, trong đó các ô lưới có hình dạng và kích thước đều nhau và được tổ chức theo một cấu trúc

38 đơn giản Điều này có nghĩa là mỗi ô lưới có các ô lân cận cố định, và vị trí của các ô lân cận được xác định theo một quy tắc cụ thể

Trong không gian hai chiều, lưới có cấu trúc thường là lưới chia thành các ô hình vuông hoặc hình chữ nhật có cạnh đồng nhất Các ô lưới được đánh số hoặc định danh theo một thứ tự nhất định, giúp xác định vị trí và liên kết giữa các ô lưới

Trong không gian ba chiều, lưới có cấu trúc có thể là lưới chia thành các khối lập phương hoặc hình chữ nhật đều, trong đó mỗi ô lưới 3D được xác định bởi các chỉ số hàng, cột và mặt

Hình 3.15 Lưới có cấu trúc

Lưới có cấu trúc mang lại nhiều lợi ích trong quá trình tính toán và phân tích số học:

Dễ dàng xác định và liên kết giữa các ô lưới, giúp dễ dàng xây dựng và truy cập dữ liệu trên lưới Các phép tính toán trên lưới có cấu trúc thường đơn giản và hiệu quả hơn so với lưới không có cấu trúc, giúp tiết kiệm tài nguyên tính toán Các thuật toán tạo lưới và xử lý dữ liệu trên lưới có cấu trúc thường phổ biến và dễ tìm hiểu Lưới có cấu trúc thích hợp cho các bài toán có hình dạng đơn giản và đều đặn, ví dụ như dòng chảy trong ống, lưu chất trong hệ thống cống rãnh…

Tuy nhiên, lưới có cấu trúc có hạn chế trong việc biểu diễn các hình dạng phức tạp và không đều, và có thể tốn nhiều công sức để xây dựng lưới cho các miền có hình dạng

39 phức tạp Trong những trường hợp này, lưới không có cấu trúc (unstructured grid) thường được sử dụng để đáp ứng yêu cầu mô phỏng b) Lưới không có cấu trúc

Lưới không có cấu trúc (unstructured grid) là lưới có các vị trí khớp nối - nơi các phần tử kết nối với nhau không chính xác, các phần tử lưới không có cấu trúc thông thường sẽ được cấu thành từ những hình tứ diện Lưới không có cấu trúc thường được xác định bằng kết nối không đều, cấu trúc dựa trên cạnh, dựa trên mặt hoặc dựa trên ô để giữ sơ đồ kết nối Một nút của ô có thể được kết nối với bất kỳ số lượng nút nào từ các nút lân cận của nó, tức số lượng nút kết nối với nó nhiều hơn gấp nhiều lần so với lưới có cấu trúc dẫn đến việc hình dạng của các phần tử bị thay đổi ảnh hưởng đến các chỉ số như Smoothness, Skewness, and Aspect Ratio, điều này có thể dẫn đến các phụ thuộc kết nối phức tạp

Mặt khác, các mắt lưới không cấu trúc chủ yếu được tự động hóa, dễ tạo hơn nhiều và trong nhiều trường hợp là những mắt lưới duy nhất có thể thực hiện được Một ưu điểm chính của lưới không cấu trúc là nó dễ tạo Khi CFD được sử dụng nhiều hơn trong ngành công nghiệp, người ta nhận ra rằng thường có tới 80% thời gian cần thiết của con người để giải quyết bất kỳ vấn đề động lực học chất lỏng đều liên quan đến việc dành cho việc tạo ra lưới, thông thường 80% lỗi mô phỏng bắt nguồn từ lưới xấu, trong khi đó lưới không có cấu trúc khó hội tụ hơn nhiều lần so với lưới có cấu trúc

Hình 3.16 Lưới không có cấu trúc

Các phương trình chủ đạo

3.7.1 Mô hình toán học Đối với luồng chất lỏng ổn định và không nén trong cyclone, phương trình Navier- Stokes trung bình Reynolds (RANS) có thể được biểu diễn như sau [1]: ρu j = ∂u i

∂x j (3.1) Với u, P, ρ và μ đại diện cho vận tốc, áp suất, khối lượng riêng và độ nhớt động lực học tương ứng, và [1]:

𝜏 𝑖𝑗 = −𝜌𝑢̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑖 ′ 𝑢 𝑗 ′ (3.2) Được định nghĩa là tenxơ ứng suất Reynold đại diện cho các hiệu ứng của dao động hỗn loạn trên dòng chất lỏng

Phương trình liên tục cho chuyển động trung bình là [1]:

Tuy nhiên, các phương trình trên không đóng nếu không xác định được tenxơ áp suất Reynolds thông qua việc sử dụng mô hình nhiễu loạn

Trong lĩnh vực mô hình hóa dòng chảy xoáy bị hạn chế, một vấn đề quan trọng là mô tả chính xác hành vi nhiễu loạn của dòng chảy Có nhiều mô hình nhiễu loạn khác nhau được sử dụng, như mô hình tiêu chuẩn k-ε, mô hình k-ε của nhóm tái cấu trúc (RNG), và mô hình áp suất Reynolds (RSM) Trong nghiên cứu này, mô hình k-ε của nhóm tái cấu trúc (RNG) và mô hình áp suất Reynolds (RSM) đã được chọn để tính toán lĩnh vực dòng chảy Các phương trình vận chuyển cho năng lượng động nhiễu loạn (k) và tỷ lệ tiêu hao (ε) trong mô hình k-ε của nhóm tái cấu trúc (RNG), được tạo ra từ các phương trình Navier- Stokes bằng cách sử dụng lý thuyết nhóm tái cấu trúc, có thể được viết như sau [1]:

𝑘 – R (3.5) Trong đó, các hằng số C1ε và C2ε được giả định có giá trị tương ứng là 1,42 và 1,68 Khác với mô hình tiêu chuẩn k-ε, mô hình này bao gồm một thuật ngữ bổ sung R trong phương trình ε, tác động của xoáy lên hỗn loạn, và một công thức phân tích cho số Prandtl

41 hỗn loạn Theo giả thiết của các phương trình điều khiển, các phương trình vận chuyển của mô hình áp suất Reynolds có thể được viết như sau [1]:

(3.6) Trong đó, độ nhớt xoáy 𝜇 𝑡 được xác định bởi phương trình sau [1]:

3.7.3 Mô hình dòng khí – rắn hai pha Để tính toán quỹ đạo của hạt trong dòng chảy, phương pháp Lagrange được gọi là mô hình pha rời rạc (DPM), được sử dụng để theo dõi từng hạt riêng lẻ trong chất lỏng liên tục Phương trình cân bằng lực hạt trong trường hợp này theo các phương x, y và z, tương ứng, có thể được viết thành [1]:

𝑟 0 biểu thị các thành phần ly tâm và Coriolis của gia tốc hạt, tương ứng Hạng tử đầu tiên bên phải là lực kháng trên mỗi đơn vị khối lượng của hạt [1]

24 (3.11) Ở đây, Re là số Reynolds tương đối được định nghĩa là Re = 𝜌𝑑 𝑝 |𝑢 𝑝 −𝑢|

𝜇 trong đó u là vận tốc của pha lưu chất, uF là vận tốc của hạt, 𝜇 là độ nhớt động lực học của lưu chất, ρ là khối lượng riêng của lưu chất, ρp là mật độ của hạt và dp là đường kính của hạt Hệ số lực cản có thể tính từ [1]:

𝑅𝑒 (3.12) Ở đây, a1, a2 và a3 là các hằng số áp dụng cho các hạt cầu mịn trong một số khoảng

Re khác nhau được xác định bởi Morsi và Alexander [1]

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG

Xây dựng hình học

Trong đồ án này, nhóm chọn mô hình “Cyclone III” trong bài báo khoa học [1] để xây dựng mô hình Nhóm đặt tên mô hình là Cyclone I, chi tiết về hình học và thông số kích thước được trình bày bên dưới

Hình 4.1 Hình học của Cyclone I

Bảng 4.1: Kích thước hình học của Cyclone I

Kích thước (m) Giá trị Đường kính cyclone, D 0,0305 Đường kính ống thoát khí sạch, De 0,0152 Đường kính ống xả bụi, B 0,0114

Chiều cao thân cyclone, h 0,0457 Độ sâu của ống thoát khí sạch bên trong cyclone, S 0,0305

Chiều dài ống dẫn khí vào, a 0,0122 Chiều rộng ống dẫn khí vào, b 0,0061

Nhóm chọn module SpaceClaim trong phần mềm Ansys Workbench 19.2 để xây dựng mô hình

Thông số hoạt động

Nhóm sẽ mô phỏng mô hình Cyclone I với các trường hợp như sau:

- Trường hợp 1: Mô phỏng với vận tốc đầu vào 15 m/s để khảo sát đặc tính dòng, hiệu suất của thiết bị tách bụi Cyclone I khi có sự tương tác một chiều (dòng tương tác với hạt)

- Trường hợp 2: Mô phỏng với vận tốc đầu vào 15 m/s để khảo sát đặc tính dòng, hiệu suất của thiết bị tách bụi Cyclone I khi có sự tương tác hai chiều (dòng tương tác với hạt và ngược lại)

- Trường hợp 3: Mô phỏng hạt có kích thước nhỏ hơn và lớn hơn kích thước hạt ban đầu với cùng vận tốc đầu vào 15 m/s để khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu suất tách hạt và so sánh với trường hợp 1 khi có sự tương tác giữa hạt và dòng

- Trường hợp 4: Mô phỏng với các vận tốc đầu vào khác nhau lần lượt là 5, 10, 20,

25 m/s và giữ nguyên các thông số còn lại để khảo sát sự ảnh hưởng của vận tốc đầu vào đến đặc tính dòng, hiệu suất của thiết bị tách vụi Cyclone I khi có sự tương tác một chiều giữa dòng với hạt

- Trường hợp 5: Mô phỏng mô hình với một kích thước hình học khác có tên là

“Cyclone II” có kích thước giống với Cyclone I chỉ khác thông số S (Độ sâu của ống thoát khí sạch bên trong cyclone), với v in = 15 m/s Nhóm em sẽ khảo sát sự ảnh hưởng của thông số S đến hiệu suất tách hạt và so sánh với trường hợp tương tác hai chiều ở trường hợp 2

Dựa vào công thức (2.15) trong mục 2.4, nhóm em chọn hạt có kích thước d p = d 50

Bảng 4.2: Thông số hoạt động của Cyclone I Điều kiện vận hành Cyclone I Đường kính hạt (μm), d p 2,96

Nồng độ hạt đầu vào (kg/m 3 ), C in 0,001

Khối lượng riêng hạt (kg/m 3 ), ρ p 1050

Khối lượng riêng của khí (kg/m 3 ), ρ g 1,225 Độ nhớt động học của khí (Pa.s), μ 1,7894 x 10 −5

Thiết lập mô phỏng

Ở phần này, nhóm sẽ trình bày các bước thiết lập điều kiện mô phỏng của nhóm

- Trình giải phương trình (Solver type): Pressure – Based

- Thời gian giải (Solver time): Steady

- Gia tốc trọng trường (Gravity): theo phương − Z

• Mô hình tính toán (Viscous model): RNG k-epsilon (2 eqn)

• Pha rời rạc (Discrete Phase)

- Vật liệu (Material): PSL (Polystyrene latex)

- Tổng lưu lượng hạt đầu vào (Total Flow Rate) được tính như sau:

Q g : lưu lượng thể tích (m 3 /s) v in : vận tốc đầu vào (m/s)

C in : là nồng độ hạt đầu vào (kg/m 3 ) a: chiều dài ống dẫn khí vào (m) b: chiều rộng ống dẫn khí vào (m)

Hình 4.3 Thiết lập cấu hình thả hạt vào mô hình mô phỏng

Thiết lập điều kiện biên

Sau đây là các bước để cài đặt thông số vật lí cho mô phỏng

Bước 1: Thiết lập phần tổng quan

Chọn Pressure-Based trong Solver Type

Nhập Z (m/s2) thành -9.81 trong Gravitational Acceleration

Hình 4.4 Thiết lập phần tổng quan

Bước 2: Thiết lập mô hình rối

Chọn k-epsilon (2 eqn) trong Model

Chọn RNG trong k-epsilon Model

Chọn Standard Wall Functions trong Near-Wall Treatment

Hình 4.5 Thiết lập mô hình rối

Bước 3: Thiết lập pha rời rạc

Interaction with Continuous Phase: Tương tác giữa hạt và dòng

Hình 4.6 Kích hoạt tương tác hai chiều

Hình 4.7 Không kích hoạt tương tác hai chiều

Chọn Surface trong Injection Type

Thiết lập các thông số Point Properties như hình 4.8

Hình 4.8 Thiết lập thông số của hạt

Chọn Turbulent Dispersion → Chọn Discrete Random Walk Model trong Stochastic Tracking

Hình 4.9 Thiết lập sự phân tán hỗn loạn của hạt

Bước 4: Cài đặt thông số không khí cho mô hình

Thiết lập lưu chất được sử dụng trong bài mô phỏng là không khí, các thông số đã được thiết lập trong mục “Materials” ở hình 4.10

Hình 4.10 Thiết lập thông số cơ bản của không khí Bước 5: Chọn vật liệu rắn

Nhóm em sẽ tiến hành chọn vật liệu rắn ở mục “Materials → Solid”, ở đây là PSL

(Polystyrene latex), thông số được thiết lập như hình 4.11

Hình 4.11 Thiết lập thông số hạt

Bước 6: Cài đặt điều kiện biên tại mục “Boundary Conditions” Điều kiện biên dòng vào:

Chọn Boundary Conditions → inlet (velocity-inlet)…

2𝑥(0,0122+0,0061)= 0,008133333 𝑚 Với a là chiều dài ống dẫn khí vào (m), b là chiều rộng của ống dẫn khí vào (m)

Hình 4.12 Thiết lập điều kiện biên dòng vào

Hình 4.13 Thiết lập DPM tại dòng vào Điều kiện biên dòng ra phía trên:

Chọn Boundary Conditions → outlet_top (outflow)…

- Diện tích dòng ra phía trên:

- Diện tích dòng ra phía dưới:

- Chỉ số Flow Rate Weighting được tính như sau:

Hình 4.14 Thiết lập điều kiện biên dòng ra phía trên Điều kiện biên dòng ra phía dưới:

Chọn Boundary Conditions → outlet_bot (outflow)…

- Chỉ số Flow Rate Weighting được tính như sau:

Hình 4.15 Thiết lập điều kiện biên dòng ra phía dưới Điều kiện biên tại các bề mặt:

Chọn Boundary Conditions → walls (wall)…

- Điều kiện biên tường rắn, không trượt được áp dụng tại các bề mặt của cyclone

Hình 4.16 Thiết lập điều kiện biên tại các bề mặt

Hình 4.17 Thiết lập DPM tại các bề mặt

Hình 4.18 Thiết lập phương pháp tính tính toán

Bước 7: Thiết lập tiêu chí đánh giá hội tụ Residuals

Chọn các mục như hình 4.19

Hình 4.19 Thiết lập tiêu chí đánh giá hội tụ

Chia lưới và xét sự hội tụ của lưới

Trong phần này, nhóm em chỉ chia lưới và xét hội tụ lưới và chưa kích hoạt module thả hạt

Trong mô hình tách bụi cyclone, nhóm sử dụng phương pháp chia lưới không cấu trúc Nhóm em đã tạo ra nhiều lưới với số lượng phần tử khác nhau, tuy nhiên nhóm đã chọn ra 3 lưới có số lượng điểm lưới vừa đủ để tiết kiệm thời gian và tài nguyên sử dụng trên máy tính khi thực hiện mô phỏng Các chỉ số của 3 lưới này được thể hiện ở Bảng 4.3

Bảng 4.3: Số phần tử của các lưới đã tạo

Hình 4.20 Lưới tính toán của Cyclone I

Nhóm đã tạo ra nhiều lưới với số lượng phần tử khác nhau, tuy nhiên nhóm đã chọn ra 3 lưới có chất lượng tốt nhất để tiến hành xét hội tụ lưới Theo nguyên tắc, lưới có số lượng điểm lưới càng nhiều thì sẽ cho ra kết quả càng chính xác nhưng thời gian chạy mô phỏng sẽ lâu Ngược lại, lưới có số lượng điểm lưới ít sẽ có thời gian tính toán nhanh nhưng kết quả sẽ không đáng tin cậy Nên xét hội tụ lưới là một bước quan trọng nhằm mục đích chọn ra lưới cho ra kết quả tin cậy trong thời gian hợp lí

Nhóm sẽ tạo một điểm ở trên vùng tính toán có tọa độ là A (0, 10, 100) như hình 4.8 Sau khi tiến hành thiết lập thông số mô phỏng và tiến hành chạy mô phỏng, nhóm sẽ nhận được biểu đồ phân bố vận tốc tại điểm đã chọn, nhóm sẽ dựa trên kết quả này từ 3 lưới M1, M2, M3 để xét và lựa chọn lưới hội tụ tối ưu nhất để thiết lập mô phỏng cho các trường hợp tiếp theo

Hình 4.21 Điểm A được chọn để xét giá trị vận tốc

Hình 4.22 Biểu đồ phân bố vận tốc trung bình của lưới M1 tại điểm A

Hình 4.23 Biểu đồ phân bố vận tốc trung bình của lưới M2 tại điểm A

Hình 4.24 Biểu đồ phân bố vận tốc trung bình của lưới M3 tại điểm A

Dựa vào dữ liệu phân bố vận tốc tại điểm A của 3 lưới M1, M2, M3 tương ứng với hình 4.9, 4.10 và 4.11 cho thấy cả 3 lưới đều cho kết quả tốt và khá tương đồng nhau Vì thế nên nhóm sẽ vẽ biểu đồ so sánh 3 giá trị vận tốc trung bình tại điểm A của 3 lưới để xét hội tụ lưới

Hình 4.25 Biểu đồ phân bố vận tốc tại điểm A của 3 lưới

Dựa vào hình 4.12, ta nhận thấy hình dạng vận tốc lưới M2 và M3 tương đồng nhau và đều cách xa lưới M1 Mặt khác, do số lượng phần tử của lưới M3 khá lớn nên quá trình mô phỏng lưới M3 sẽ tốn nhiều tài nguyên máy tính và quá trình tính toán sẽ mất thời gian hơn so với lưới M2 Vì vậy dựa vào biểu đồ phân bố vận tốc, nhóm sẽ chọn lưới M2 (với

1573275 phần tử lưới) để tiếp tục các bước mô phỏng tiếp theo

78

Ảnh hưởng của thông số hình học đến hiệu suất tách hạt của Cyclone I

Trong phần này, theo bài báo khoa học [6] gợi ý rằng tỷ lệ giữa ℎ−𝑆

𝐷 = 1 là một thông số tối ưu trong thiết kế vì nó liên quan đến việc tối đa hóa hiệu suất tách hạt Để kiểm chứng, nhóm đã tiến hành xây dựng một mô hình cyclone mới và thay đổi kích thước độ sâu của ống thoát khí sạch bên trong cyclone (𝑆 = 0,0152 𝑚) để có được tỷ lệ

0,0305 = 1 Nhóm đặt tên thiết kế mới này là Cyclone II

Trường hợp này mô phỏng với các thông số tương ứng TH1 ở mục 5.1 với vận tốc dòng vào 𝑣 𝑖𝑛 = 15 𝑚/𝑠, 𝑑 𝑝 = 2,96 𝜇𝑚, tổng lưu lượng hạt đầu vào 1,1163x10 −6 kg/s khi có sự tương tác hai chiều (tương tác của dòng đối với hạt và ngược lại) Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với trường hợp tương tác hai chiều ở trường hợp 2

Bảng 5.5: Kích thước hình học của Cyclone II

Kích thước (m) Giá trị Đường kính cyclone, D 0,0305 Đường kính ống thoát khí sạch, De 0,0152 Đường kính ống xả bụi, B 0,0114

Chiều cao thân cyclone, h 0,0457 Độ sâu của ống thoát khí sạch bên trong cyclone, S 0,0305

Chiều dài ống dẫn khí vào, a 0,0122 Chiều rộng ống dẫn khí vào, b 0,0061

Sau khi tiến thành xây dựng mô hình, chia lưới, nhóm tiến hành thiết lập thông số vận hành, điều kiện biên và tiến hành mô phỏng Kết quả từ biểu đồ Hình 5.45 cho thấy lưới đã hội tụ ở vòng lặp 4500

Hình 5.45 Biểu đồ phân bố vận tốc trung bình tại điểm A

Hình 5.46 Phân bố vận tốc tại mặt cắt 𝑦 = 0

Hình 5.47 Phân bố vận tốc tại mặt cắt 𝑧 = 135,9 𝑚𝑚

Hình 5.48 Phân bố áp suất tại mặt cắt 𝑦 = 0

Hình 5.49 Phân bố áp suất tại mặt cắt 𝑧 = 135,9 𝑚𝑚

Hình 5.50 Vận tốc hướng trục dọc theo bán kính tại 𝑧 = 96,3 𝑚𝑚

Hình 5.51 Vận tốc tiếp tuyến dọc theo bán kính tại 𝑧 = 96,3 𝑚𝑚

Thành phần vận tốc hướng trục và vận tốc tiếp tuyến tại z = 96,3 mm được hiển thị trong hình 5.50 và 5.51

Về vận tốc hướng trục, quan sát hình 5.50 cho thấy sự phân bố vận tốc hướng trục không đồng đều giữa 2 trường hợp, trường hợp Cyclone I, vận tốc hướng trục ở phần trung tâm có xu hướng di chuyển lên và có giá trị lớn hơn Cyclone II, phần ngoài trung tâm thì có xu hướng di chuyển xuống nhưng lại có giá trị không đồng đều giữa 2 cyclone

Về vận tốc tiếp tuyến, quan sát hình 5.51 cho thấy sự phân bố không đồng đều ở phần ngoài trung tâm, khi tiến vào tâm cyclone, giá trị vận tốc tiếp tuyến của Cyclone I có giá trị cao hơn Cyclone II

Về hiệu suất tách hạt, sau khi tiến hành mô phỏng, nhóm được kết quả tách hạt của

Cyclone II và so sánh với Cyclone I

Hình 5.52 Kết quả tách hạt thu được của Cyclone II

Bảng 5.6: Kết quả tính toán hiệu suất tách hạt

Qua kết quả thu được, cho thấy rằng việc giảm kích thước S (độ sâu của ống thoát khí sạch bên trong cyclone) để được tỉ lệ ℎ−𝑆

𝐷 = 1 là một bước thay đổi có hiệu quả, hiệu suất tách hạt thu được từ cyclone II cao hơn gần 3% so với cyclone I Từ kết quả mô phỏng này, có thể kết luận lý thuyết từ bài báo khoa học [6] là đáng tin cậy và có thể dùng thiết kế này để tối ưu hóa hiệu suất trong việc thiết kế cyclone tách bụi

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong đồ án này, nhóm đã thực hiện mô phỏng số về thiết bị tách bụi cyclone để khảo sát đặc tính của dòng, hiệu suất tách hạt và tổn thất áp suất của cyclone trong 5 trường hợp khác nhau Dưới đây là kết luận của nhóm dựa trên các kết quả mô phỏng và phân tích thu được:

Trường hợp 1 và 2: Trong 2 trường hợp này, nhóm đã mô phỏng dòng khí bên trong cyclone với vận tốc đầu vào là 15 m/s với 2 chế độ tương tác một chiều và tương tác hai chiều Qua đó, nhóm đã khảo sát và hiểu rõ hơn về đặc tính chuyển động của dòng trong cyclone qua 2 trường hợp trên và nhận thấy với trường hợp đường kính hạt nhỏ, cụ thể là 2,96 𝜇𝑚 thì mức độ chênh lệch kết quả là không đáng kể

Trường hợp 3: Nhóm đã mô phỏng hạt có các kích thước khác nhau để khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu suất tách hạt và quỹ đạo chuyển động Kết quả cho thấy kích thước hạt có tác động lớn đến hiệu suất tách hạt và quỹ đạo chuyển động Hạt nhỏ hơn có xu hướng tập trung ở vùng trung tâm cyclone, trong khi hạt lớn hơn có xu hướng rơi xuống và tập trung ở vùng thu thập hạt Hiệu suất tách bụi tăng khi kích thước hạt tăng

Trường hợp 4: Nhóm đã mô phỏng các trường hợp với các vận tốc đầu vào khác nhau từ 5 đến 25 m/s Kết quả cho thấy rằng vận tốc đầu vào có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính dòng trong cyclone, hiệu suất tách hạt và tổn thất áp suất Khi tăng vận tốc đầu vào, dòng khí trong cyclone và hiệu suất tách bụi tăng lên (tới một mức vận tốc nhất định) Tuy nhiên tổn thất áp suất cũng tăng theo Qua khảo sát cho thấy vận tốc đầu vào 15 m/s là phù hợp nhất để đạt được hiệu suất tách bụi tốt và dòng ổn định nhất

Trường hợp 5: Nhóm đã mô phỏng một mô hình cyclone khác có tên là "Cyclone II" với một kích thước S khác Kết quả cho thấy rằng kích thước S có tác động đáng kể đến hiệu suất tách bụi Cyclone II có hiệu suất tách bụi khác biệt so với Cyclone I, cho thấy tầm quan trọng của thiết kế hình học trong quá trình tách bụi

Tóm lại, nghiên cứu của nhóm đã giúp hiểu rõ hơn về đặc tính và hiệu suất của cyclone trong các trường hợp khác nhau Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan giữa các yếu tố như vận tốc đầu vào, kích thước hạt và thiết kế hình học của cyclone đến hiệu

96 suất tách bụi Điều này cung cấp thông tin quan trọng cho việc tối ưu hóa thiết kế và hoạt động của cyclone trong các ứng dụng thực tế

Kết quả mô phỏng và phân tích cung cấp thông tin quan trọng cho việc cải thiện và tối ưu hóa thiết kế và hoạt động của cyclone, đồng thời mở ra cơ hội cho những nghiên cứu và phát triển tiếp theo trong lĩnh vực này

Dựa trên nghiên cứu và mô phỏng trong đồ án này, nhóm xin đưa ra một số kiến nghị để cải thiện hiệu suất và hiệu quả của cyclone trong quá trình tách bụi:

Nghiên cứu thêm về tác động của các yếu tố khác nhau: Đồ án đã mô phỏng một số yếu tố như vận tốc đầu vào, kích thước hạt và sự tương tác giữa hạt và dòng khí, tuy nhiên còn nhiều yếu tố khác cần được xem xét, như độ nhớt của chất lưu, góc của ống đầu vào

Nghiên cứu thêm về những yếu tố này sẽ giúp tăng cường hiểu biết về quá trình tách bụi và tối ưu hóa hiệu suất của cyclone

Tối ưu hóa thiết kế hình học: Mô phỏng đã chỉ ra rằng thiết kế hình học của cyclone có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tách bụi Do đó, đề xuất nghiên cứu thêm về tối ưu hóa thiết kế hình học của cyclone, bằng cách điều chỉnh các thông số như tỷ lệ kích thước, hình dạng và vị trí của các thành phần trong cyclone Điều này có thể cải thiện hiệu suất tách bụi và giảm tổn thất áp suất

Trên cơ sở nghiên cứu và mô phỏng trong đồ án, các kiến nghị trên sẽ đóng góp vào việc cải thiện hiệu suất và hiệu quả của cyclone trong quá trình tách bụi Hi vọng rằng các kiến nghị này của nhóm sẽ góp phần đóng góp vào sự tiến bộ của công nghệ tách bụi

[1] Mehdi Azadi, Mohsen Azadi, Ali Mohebbi, A CFD study of the effect of cyclone size on its performance parameters, Journal of Hazardous Materials, 2010

[2] John Dirgo & David Leith, Cyclone Collection Efficiency: Comparison of

Experimental Results with Theoretical Predictions, Aerosol Science and Technology,

[3] David Leith & Dilip Mehta, Cyclone Performance and Design, Ambient Purification

Technology, Inc., P.O Box 71, Riverside, California 92507, U.S.A

[4] K S Lim, K W Lee, M R Kuhlman, An Experimental Study of the Performance

Factors Affecting Particle Collection Efficiency of the Electrocyclone, Aerosol Science &

[5] Eflita Yohana, Mohammad Tauviqirrahman, Rifky Ismail, Anggi Muliyawan, Henry Carles, M Farkhan H Dwinanda, Hermawan Dwi Ariyanto, Mohamad Endy Yulianto, Kwang-Hwan Choi, The effect of cylinder wall cooling and vortex finder (tapered in-out) geometry on temperature, heat rate, and flow field to increase cyclone performance using CFD, Case Studies in Chemical and Environmental Engineering

[6] Yifang Zhu, K W Lee, Experimental Study on Small Cyclones Operating at High

Flowrates, Department of Environmental Science and Engineering, Kwangju Institute of

[7] David Leith, Dilip Mehta, Cyclone Performance And Design, Ambient Purification Technology, 1972

[8] Zhiyi Xiong, Zhongli Ji, Xiaolin Wu, Development of a cyclone separator with high efficiency and low pressure drop in axial inlet cyclones, Powder Technology, 2013

[9] https://xaydungcongdong.net/vi/san-pham/883-he-thong-xu-ly-bui-cyclone.html, 18/05/2023

[10] https://cfdways.com/vi/tong-quan-ve-mo-phong-cfd-va-cac-ung-dung/, 20/05/2023.