Xây dựng phương trình cơ bản dự báo vị trí rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm

Việc nghiên cứu và phát triển phương trình dự đoán rò rỉ có thể được thực hiện để ứng dụng thực tế trong việc quản lý và pháthiện hệ thống đường ống nước bị rò rỉ... Phương pháp phát hiệ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Hồ Viết Thuận bTrần Cao Thịnh c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Hồ Viết Thuận bTrần Cao Thịnh c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên: Võ Minh Đông a , Trần Cao Thịnh b , Hồ Viết Thuận c

2 Mã sinh viên: a 1911504210108 Lớp: 19DL1

b 1911504210151 Lớp: 19DL1

c 1911504210152 Lớp: 19DL1

3 Họ và tên người hướng dẫn: HD1 - GVC.TS Nguyễn Minh Tiến

HD2 - KS Tống Duy Quốc

4 Đề tài

Tên đề tài: Xây dựng phương trình cơ bản dự báo vị trí rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm Thời gian thực hiện: Từ ngày: 26/12/2022……… đến ngày: 18/06/2023

5 Mục tiêu

Xác định được vị trí lỗ rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm bằng cách xây dựng phương trình toán học cơ bản

6 Nội dung chính

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Thiết kế mô hình mô phỏng

Chương 3 Phương pháp mô phỏng

Chương 4 Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 5 Thực nghiệm đối sánh

7 Kết quả dự kiến đạt được

- Luận văn tốt nghiệp

8 Tiến độ thực hiện

2 Tuần 2 - 4 Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

*Báo cáo tổng quan, bao gồm:

- Các vấn đề thách thức đối với hệ thống dẫn nước ngầm

- Các biện pháp phát hiện rò rỉ hiện nay

- Kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài

3 Tuần 5-6 Chương 2 Thiết kế mô hình mô phỏng

* Báo cáo và Bản vẽ thiết kế:

6 Tuần 11-12 Chương 5 Thực nghiệm đối sánh

- Chế tạo mô hình thực nghiệm

- Đánh giá tính chính xác của mô hình toán học

6 Tuần 13-14 - Viết báo cáo tham gia hội thảo

- Hoàn thiện luận văn tốt nghiệp

- Slide thuyết trình tốt nghiệp

- Luận văn tốt nghiệp

7 Tuần 15 - Nộp sản phẩm đề tài cho Bộ môn - Slide thuyết trình tốt nghiệp

- Luận văn tốt nghiệp

Đà Nẵng, ngày… tháng …năm 2023

BỘ MÔN DUYỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN SINH VIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

Xây dựng phương trình cơ bản dự báo vị trí rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Không có

3 Nội dung chính của đồ án:

Xây dựng mô hình đường ống rò rỉ, tiến hành chia lưới Sau đó đưa vào tínhtoán, mô phỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Ansys Fluent Cơ sở lý thuyếtcủa mô hình tính toán là phương trình Reynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung(mô hình STT k - ε) với phương pháp giải là phương pháp khối lượng hữu hạn (FVM).Xây dựng phương trình dự báo vị trí rò rỉ dựa trên dữ liệu mô phỏng

Tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế Sau đó đưa các dữ liệu đo được vàophương trình dự báo để kiểm chứng độ tin cậy của phương trình

4 Các sản phẩm dự kiến

- Kết quả mô phỏng dòng chất lỏng trên phần mềm Ansys Fluent

- Xây dựng phương trình dự báo vị trí rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm

- Thực nghiệm đo đạc trên mô hình thực tế sau đó đưa ra kết luận với phương trình

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

Nội dung đề tài:

Đề tài này bắt đầu bằng một giới thiệu về hệ thống đường ống nước và cácphương pháp phát hiện rò rỉ Tiếp theo, giới thiệu tổng quan về phần mềm AnsysFluent, một công cụ phân tích và mô phỏng mạnh mẽ trong lĩnh vực này Qua việc sửdụng phần mềm Ansys Fluent, nhóm em tiến hành mô phỏng đường ống rò rỉ và từ đóthu thập số liệu để xây dựng một phương trình dự đoán vị trí rò rỉ

Để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của phương trình dự đoán, phương trìnhđược kiểm chứng bằng cách sử dụng mô hình thực nghiệm Qua quá trình này, từ cáckết quả và số liệu thu thập Sau đó phân tích, so sánh rồi đưa ra nhận định

Cuối cùng, đề tài đưa ra kết luận về hiệu quả của phương pháp này và nêu rõnhững công việc tiềm năng trong tương lai Việc nghiên cứu và phát triển phương trình

dự đoán rò rỉ có thể được thực hiện để ứng dụng thực tế trong việc quản lý và pháthiện hệ thống đường ống nước bị rò rỉ

LỜI NÓI ĐẦU

Đường ống là một trong những cách thuận tiện, an toàn và hiệu quả nhất để vậnchuyển nước, dầu và khí đốt tự nhiên Cơ sở hạ tầng vận chuyển chất lỏng được xâydựng để vận chuyển chất lỏng đến các thiết bị cách xa nơi sản xuất Trong quá trìnhtruyền tải, rò rỉ trong đường ống cũng có thể gây hư hỏng đến môi trường xung quanh

và đe dọa cuộc sống Vì vậy, điều quan trọng là phải phát hiện rò rỉ kịp thời trước khichúng gây ra những hậu quả thảm khốc

Năm 2018, Bắc Dakota báo cáo rằng một vụ rò rỉ đường ống làm rò rỉ khoảng

8400 thể tích sản phẩm phụ thải của quá trình sản xuất khí đốt và dầu mỏ và đã làm ônhiễm vùng đất chăn thả gia súc ở Divide Do đó, nếu rò rỉ đường ống có thể đượcphát hiện trong thời gian sớm và có biện pháp xử lý kịp thời thích hợp thì thiệt hại vềtài chính và môi trường sẽ là giảm sút về mặt vật chất

Thông thường, cách phổ biến nhất để phát hiện rò rỉ đơn lẻ và đa rò rỉ trongđường ống dẫn chất lỏng là kiểm tra thực tế Việc kiểm tra thực tế có thể giúp pháthiện chính xác vị trí và kích thước của vết rò rỉ Tuy nhiên, phương pháp kiểm tra thực

tế sẽ tốn nhiều chi phí nhân công và mất nhiều thời gian để xác định vị trí rò rỉ

Việc phát hiện kịp thời rò rỉ đường ống không chỉ có thể giảm tổn thấthydrocarbon, nhưng cũng hạn chế thiệt hại cho cơ sở vật chất, thiệt hại có thể xảy ra

về tính mạng và mức độ ô nhiễm môi trường Do đó, một phương pháp phát hiện rò rỉmới trong đường ống dẫn chất lỏng để cải thiện sự an toàn trong quá trình truyền dẫn

là cần thiết

Trong giới hạn đồ án này, Nhóm em đã tìm hiểu phương pháp xây dựng mô hình

mô phỏng Ansys Fluent trên máy tính để mô phỏng và đưa ra các nhận xét cơ bản vềnhững thay đổi trong quá trình rò rỉ chất lỏng Trong suốt quá trình tìm hiểu, dưới sựhướng dẫn tận tình của GVC.TS Nguyễn Minh Tiến, thầy KS Tống Duy Quốc và sựgiúp đỡ của các thầy tại bộ môn Cơ khí ô tô – Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học SưPhạm Kỹ Thuật – Đại Học Đà Nẵng, nhóm em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học.Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thức chuyên ngành của nhóm em còn hạnchế nên không thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày, thực hiện và phân tích kếtquả mô phỏng Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các thầy trong bộ môn cơkhí ô tô để đề tài của nhóm em thêm hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CAM ĐOAN

Nhóm em xin cam đoan rằng đề tài “Xây dựng phương trình cơ bản dự báo vị

trí rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm” được tiến hành một cách minh bạch, công khai.

Mọi thứ được dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp

đỡ không nhỏ từ GVC.TS Nguyễn Minh Tiến và các Thầy tại Bộ môn Cơ khí Ô tô –Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng

Các số liệu và kết quả nghiên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực và khôngsao chép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự Nếu như pháthiện rằng có sự sao chép kết quả nghiên cứu những đề tài khác Nhóm em xin chịuhoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

TRẦN CAO THỊNH

MỤC LỤC

Nhận xét của người hướng dẫn

Nhận xét của người phản biện

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầui

Lời cam đoanii

Mục lục iii

Danh sách các bảng, hình vẽ v

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt vii

MỞ ĐẦU Chương 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN RÒ RỈ 2

1.1 Giới thiệu về hệ thống đường ống 2

1.2 Nguyên nhân đường ống dẫn nước bị rò rỉ 2

1.3 Hậu quả rò rỉ 4

1.4 Phương pháp phát hiện rò rỉ đường ống 4

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 7

2.1 Phần mềm ANSYS 7

2.1.1 Cấu trúc cơ bản 8

2.1.2 Giới thiệu chung về ANSYS – FLUENT 10

2.1.3 Tầm quan trọng của chia lưới 11

2.2 Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp 12

2.2.1 Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD? 12

2.2.2 Mô phỏng CFD là gì? 13

2.2.3 Quy trình mô phỏng CFD 14

2.2.4 Các ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 16

Chương 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG ỐNG RÒ RỈ ĐƠN LẺ TRÊN PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 18

3.1 Nguyên tắc mô phỏng số cho dòng chảy 18

3.1.1 Phương trình chi phối trong CFD 18

3.1.2 Các giả thuyết của mô hình nhiễu loạn 19

3.1.3 Bảo toàn cho mô hình nhiễu loạn 19

3.2 Thông số ban đầu 20

3.3 Tác động của kích thước rò rỉ đến kết quả 28

3.4 Kết quả CFD 31

3.5 Mô hình toán học dự báo vị trí rò rỉ trong đường ống 42

3.5.1 Các biến không thứ nguyên trong mô hình dự báo vị trí rò rỉ 42

3.5.2 Phương trình dự báo vị trí rò rỉ trong đường ống 42

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 49

4.1 Lưu lượng nước trong đường ống 49

4.2 Cấu tạo mô hình hệ thống đường ống rò rỉ 51

4.2.1 Cảm biến áp suất WIKA PSD-4 51

4.2.2 Cảm biến lưu lượng nước SAGINOMIYA PLK-1522PE 51

4.2.3 Vi điều khiển và bộ nhớ: 53

4.2.4 Vi điều khiển Arduino Mega 2560 53

4.2.5 Lựa chọn mạch Lora 54

4.3 Quy trình thực nghiệm phát hiện rò rỉ 54

4.3.1 Quy trình thử nghiệm 54

4.3.2 Kết quả thực nghiệm 55

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 2.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi 13

Bảng 3.1 Thông số chọn ban đầu 21

Bảng 3.2 Thông số đường ống 22

Bảng 3.3 Điều kiện biên của quá trình mô phỏng của đường ống có và không có rò rỉ 22

Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng của trường hợp có vị trí rò rỉ 23

Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng trường hợp không có vị trí rò rỉ 24

Bảng 3.6 Hình dạng đường kính lỗ rò rỉ khác nhau ảnh hưởng đến độ sụt áp 28

Bảng 3.7 Các biến không thứ nguyên từ kết quả mô phỏng 43

Bảng 3.8 Kiểm chứng độ sai lệch của phương trình 44

Bảng 3.9 Các biến không thứ nguyên ( bài báo [2] ) 45

Bảng 3.10 Các biến không thứ nguyên ( kết hợp với bài báo [2] ) 46

Bảng 4.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3 52

Bảng 4.2 Trường hợp không có rò rỉ 55

Bảng 4.3 Trường hợp rò rỉ ở vị trí 4.3 (m) 56

Bảng 4.4 Trường hợp rò rỉ ở vị trí 8.7 (m) 56

Hình 1.1 Đường ống dẫn nước ngầm bị rò rỉ 3

Hình 1.2 Thiết bị phát hiện rò rỉ bằng âm thanh 5

Hình 2.1 Phần mềm ANSYS 7

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của một bài toán trong Ansys 8

Hình 2.3 Các kiểu chia lưới trong Ansys 12

Hình 2.4 Chia lưới cho ống và kích thước cạnh 12

Hình 2.5 Mô hình căn bản trong mô phỏng CFD 14

Hình 2.6 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD 15

Hình 2.7 Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD 16

Hình 2.8 Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD 17

Hình 3.1 Đường ống có điểm rò rỉ (Chiều dài: 2,032 m, Đường kính trong: 0,018 m, Đường kính ngoài: 0,022 m) 25

Hình 3.2 Chia lưới đường ống rò rỉ đơn lẻ 26

Hình 3.3 Chia lưới vùng chất lỏng gần điểm rò rỉ 26

Hình 3.4 Đồ thị phân tích độ nhạy lưới 27

Hình 3.5 Lưới mặt cắt ngang đường ống 27

Hình 3.6 Đồ thị hiển thị độ sụt áp dọc đường ống rò rỉ với đường kính lỗ rò rỉ khác

nhau 29

Hình 3.7 Đường kính lỗ rò rỉ 5.8 (mm) 29

Hình 3.8 Đường kính lỗ rò rỉ 3.6 (mm) 30

Hình 3.9 Đường kính lỗ rò rỉ 2.54 (mm) 30

Hình 3.10 Đường kính lỗ rò rỉ 1.27 (mm) 31

Hình 3.11 Vận tốc trong miền chất lỏng 32

Hình 3.12 Hướng của vận tốc chất lỏng tại điểm rò rỉ 32

Hình 3.13 Miền áp suất dọc đường ống rò rỉ 33

Hình 3.14 Miền áp suất tĩnh tại vị trí lỗ 0,203 (m) với mặt phẳng YZ 33

Hình 3.15 Đồ thị áp suất dọc đường ống với vị trí rò rỉ 0.203 (m) 34

Hình 3.16 Đồ thị áp suất dọc đường ống với vị trí rò rỉ 0.406 (m) 34

Hình 3.17 Đồ thị áp suất dọc đường ống với vị trí rò rỉ 0.813 (m) 35

Hình 3.18 Đồ thị áp suất dọc đường ống với vị trí rò rỉ 1.219 (m) 35

Hình 3.19 Đồ thị áp suất dọc đường ống với vị trí rò rỉ 1.626 (m) 36

Hình 3.20 Đồ thị áp suất dọc đường ống với vị trí rò rỉ 1.829 (m) 36

Hình 3.21 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ 37

Hình 3.22 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ cách đầu vào đường ống 0.203 (m) 37

Hình 3.23 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ cách đầu vào đường ống 0.406 (m) 38

Hình 3.24 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ cách đầu vào đường ống 0.813 (m) 38

Hình 3.25 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ cách đầu vào đường ống 1.219 (m) 39

Hình 3.26 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ cách đầu vào đường ống 1.626 (m) 39

Hình 3.27 Độ dốc áp suất tại điểm rò rỉ cách đầu vào đường ống 1.829 (m) 40

Hình 3.28 Động năng rối tại vị trí rò rỉ 41

Hình 3.29 Tốc độ tiêu tán tại vị trí rò rỉ 41

Hình 3.30 Biểu đồ 3D từ kết quả mô phỏng 44

Hình 3.31 Biểu đồ 3D từ dữ liệu kết hợp 48

Hình 4.1 Mô hình thực tế 50

Hình 4.2 Sơ đồ khối mô hình 50

Hình 4.3 Cảm biến áp suất WIKA PSD-4 51

Hình 4.4 Cảm biến lưu lượng nước SAGINOMIYA PLK-1522PE 52

Hình 4.5 Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn 53

Hình 4.6 Arduino Mega 2560 54

Hình 4.7 Hình Module thu phát RF LoRa AS32 - TTL – 100 54

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

C1ԑ ,C2ԑ ,C3ԑ Constant parameter Tham số không đổi N

Gb Turbulent flow energy

Động năng hỗn loạn do độ dốc vận tốc trung bình J

k Turbulent kinetic energy Động năng hỗn loạn

L Distance from the inlet to the outlet of the leaking

pipeline

Chiều dài đường ống rò rỉ m

LD Dimensionless location Vị trí không thứ nguyên

L’

Distance from the pipeline inlet to the leak location

Khoảng cách từ đầu vào đường ống đến vị trí rò rỉ m

PD Dimensionless pressure Áp suất không thứ nguyên

Q Inlet flow rate Tốc độ dòng chảy đầu vào m3/s

QD Dimensionless leak rate Tỉ lệ rò rỉ không thứ nguyên

Sk Source term for turbulent

kinetic energy

Thuật ngữ nguồn cho động năng hỗn loạn

S ε Source term for the dissipation rate tiêu tánThuật ngữ nguồn cho tỷ lệ

Độ giảm áp suất đường ống

pipeline with the leakage có rò rỉĐộ giảm áp suất đường ống Pa

μ t Eddy viscosity Độ nhớt xoáy

ε Kinetic energy rate of

dissipation động họcTốc độ tiêu tán năng lượng

σ k Constant for turbulent

kinetic energy Hằng số động năng r

σ ε Constant for the

dissipation rate Hằng số tốc độ tiêu tán

RSM Reynolds Stress Model Mô hình ứng suất Reynolds

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

CFD Computational Fluid Dynamic Phần mềm tính toán động lực học chất

lỏng

LES Large Eddy Simulation Mô hình dòng rối lớn

SST Shear Stress Transport Mô hình vận tải ứng suất

FVM Finite Volume Method (FVM) Phương pháp khối lượng hữu hạn (FVM)CAD Computer Aided Design Thiết kế có sự trợ giúp của máy tínhCAE Computer-Aided Engineering Phần mềm máy tính để thiết kế và mô

phỏng

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu đề tài

- Kết quả mô phỏng dòng chất lỏng trên phần mềm Ansys Fluent

- Xây dựng phương trình dự báo vị trí rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm

- Thực nghiệm đo đạc trên mô hình thực tế sau đó đưa ra kết luận với phương trình

dự báo rò rỉ

2. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài được chọn là hệ thống đường ống dẫn nước ngầm

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Nội dung chính

là xây dựng mô hình đường ống rò rỉ Sau đó đưa vào tính toán và phân tích kết quảtrong phần mềm Ansys Fluent Cơ sở lý thuyết của mô hình tính toán là phương trìnhReynolds (RANS) với 2 phương trình bổ sung (mô hình STT k - ε)

4 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Đồ án gồm các nội dung như sau:

 Giới thiệu hệ thống đường ống và các phương pháp phát hiện rò rỉ

 Tổng quan về phần mềm Ansys Fluent

 Mô phỏng đường ống rò rỉ đơn lẻ trên phần mềm Ansys Fluent

 Nghiên cứu thử nghiệm để biện minh cho mô phỏng CFD

 Kết luận và công việc trong tương lai

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN RÒ RỈ

1.1 Giới thiệu về hệ thống đường ống

Đường ống là một trong những cách thuận tiện, an toàn và hiệu quả nhất để vậnchuyển nước, dầu và khí đốt tự nhiên Cơ sở hạ tầng vận chuyển chất lỏng được xâydựng để vận chuyển chất lỏng đến các điểm cách xa nơi sản xuất Trong quá trình truyềntải, rò rỉ trong đường ống cũng có thể gây ra thiệt hại cho môi trường địa phương và đedọa tính mạng Vì vậy, điều quan trọng là phải phát hiện rò rỉ kịp thời trước khi chúnggây ra hậu quả thảm khốc

Trong những năm gần đây, tai nạn rò rỉ xảy ra thường xuyên trong hoạt động truyềntải dầu khí Ví dụ: sự cố rò rỉ đường ống dẫn xăng dầu tại Đường sa mạc Ismailia ở AiCập đã dẫn đến một vụ nổ, gây ra một số thương tích vào tháng 7 năm 2020 Một ví dụkhác là khoảng 383,000 gallon dầu thô đã tràn vào vùng đất ngập nước ở Bắc Dakotatrong vụ rò rỉ mới nhất từ Keystone Pipeline vào tháng 11 năm 2019, ảnh hưởng đếnvùng đất cách Edinburg, North Dakota khoảng 3 dặm Để ngăn chặn các tai nạn có thểdẫn đến hư hỏng nặng hơn, cần phải phát hiện chỗ rò rỉ trong thời gian ngắn

Trong hệ thống đường ống thì rò rỉ là một trong những sự cố thường xảy ra và khóphát hiện Rò rỉ trong hệ thống đường ống có thể dẫn đến các vấn đề như thất thoát gâythiệt hại về kinh tế hay ô nhiễm môi trường Rò rỉ trên đường ống có thể do tác động củangoại lực, do sự thay đổi bất thường của áp suất, sự ăn mòn và lỗi khi thi công. [1]

Với hệ thống mạng lưới cấp nước tại thành phố Đà Nẵng có cấu tạo ba cấp, baogồm mạng cấp I, mạng cấp II, mạng cấp III và các công trình phụ trợ có liên quan Hiệntại tổng chiều dài các đường ống mạng cấp I, cấp II khoảng: 278 km Trên mạng lướihiện có 6 trạm bơm tăng áp công suất 70÷300 m3/giờ [4]

1.2 Nguyên nhân đường ống dẫn nước bị rò rỉ

- Độ tuổi và mòn: Đường ống dẫn nước ngầm thường được sử dụng trong thời giandài, và vì vậy, các ống có thể trở nên cũ và mòn đi Mòn có thể xảy ra do tuổi tác, tácđộng của môi trường, hoặc chất lượng vật liệu không tốt Điều này dẫn đến việc hìnhthành các vết nứt, lỗ hổng hoặc rò rỉ trên bề mặt ống

- Áp lực nước: Áp lực nước lớn trong hệ thống đường ống có thể tạo ra căng thẳng

và áp lực lên các mối hàn, kết nối hoặc vị trí yếu của ống Nếu áp lực quá lớn hoặc khôngđược phân phối đều, có thể gây ra rò rỉ

- Thiết kế và lắp đặt không đúng: Thiết kế không tốt hoặc lắp đặt không chính xáccủa hệ thống đường ống dẫn nước ngầm có thể gây ra sự không ổn định và căng thẳngtrên các mối nối hoặc kết nối Điều này có thể dẫn đến rò rỉ

- Các yếu tố môi trường: Môi trường xung quanh đường ống dẫn nước ngầm có thểgóp phần vào sự rò rỉ Ví dụ, tác động của đất đai không ổn định, sự di chuyển của đất dođộng đất, sự tác động của các chất hóa học gây ăn mòn, hoặc thay đổi nhiệt độ môitrường có thể làm suy yếu và gây rò rỉ đường ống

- Thiếu bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ: Việc không thực hiện bảo dưỡng và kiểmtra định kỳ cho hệ thống đường ống dẫn nước ngầm có thể dẫn đến rò rỉ

Hình 1.1 Đường ống dẫn nước ngầm bị rò rỉ

- Tác động vật lý: Các yếu tố vật lý như va đập, xói mòn hoặc sự tác động từ cáccông trình xây dựng gần đó có thể gây hỏng hóc hoặc làm hỏng đường ống dẫn nướcngầm Sự di chuyển đất đai, chênh lệch nhiệt độ, dao động nước mặt cũng có thể tạo ra

áp lực và căng thẳng trên các ống, dẫn đến rò rỉ

- Lỗi trong quá trình sản xuất: Trong quá trình sản xuất ống, có thể xảy ra lỗi về vậtliệu, kết nối hoặc kỹ thuật Nếu không phát hiện và khắc phục kịp thời, những lỗi này cóthể dẫn đến rò rỉ nước

- Sự cố hoặc hư hỏng: Sự cố không mong muốn hoặc hư hỏng cơ bản có thể xảy ratrong hệ thống đường ống Ví dụ, một va chạm mạnh, sự hủy hoại cố ý hoặc hư hỏng dotuổi tác có thể gây rò rỉ.

- Rò rỉ kết nối: Khi kết nối giữa các đoạn ống không được thực hiện chính xác hoặckhông được nối kín, nước có thể rò rỉ ra ngoài

- Chất lượng vật liệu: Sử dụng vật liệu không chất lượng hoặc không phù hợp choống nước ngầm có thể dẫn đến sự ăn mòn hoặc hỏng hóc dễ dàng hơn, gây rò rỉ

- Thiếu kiểm soát và quản lý: Quá trình kiểm soát và quản lý hệ thống đường ốngdẫn nước ngầm không hiệu quả có thể dẫn đến thiếu sót trong việc phát hiện và khắcphục các vấn đề rò rỉ, kéo dài thời gian tồn tại của rò rỉ và gây thiệt hại lớn hơn

 Tuy rò rỉ đường ống dẫn nước ngầm có thể có nhiều nguyên nhân khác nhau, việc thực hiện kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng hệ thống và sửa chữa kịp thời là cách hiệu quả đểgiảm thiểu và ngăn chặn rò rỉ

1.3 Hậu quả rò rỉ

Việc để cho hệ thống đường ống dẫn nước bị rò rỉ lâu ngày sẽ dẫn đến những hệ lụylớn về kinh tế và môi trường Thứ nhất là sẽ làm thất thoát một lượng lớn nước gây ratình trạng lãng phí tài nguyên nước trong tình hình khan hiếm nước sạch trên toàn thếgiới nói chung và Việt Nam nói riêng đang rất nghiêm trọng Thứ hai việc rò rỉ hệ thốngđường ống dẫn nước sẽ gây ra hiện tượng ẩm mốc tại vị trí đó, phát sinh vi khuẩn, nấmmốc làm ô nhiễm môi trường bên ngoài và ô nhiễm nước sạch trong đường ống, làmgiảm chất lượng nước sạch gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Nếu không được được phát hiện kịp thời các lỗ rò rỉ nhỏ sẽ nhanh chóng phát triểnthành các lỗ rò rỉ lớn, vì vậy cần phát hiện và xử lý kịp thời sự cố rò rỉ của các đường ốngdẫn nước, làm hạn chế những sự cố có thể xảy ra gây thiệt hại lớn cho các hộ gia đình vàcác doanh nghiệp

1.4 Phương pháp phát hiện rò rỉ đường ống

 Một số phương pháp phát hiện rò rỉ trong đường ống dẫn nước

Vì tầm quan trọng của việc phát hiện rò rỉ trên đường ống dẫn nước nên người ta có

sử dụng một số phương pháp phát hiện rò rỉ:

- Kiểm tra bằng mắt thường

- Sử dụng hạt từ tính để kiểm tra nứt bề mặt

- Sử dụng siêu âm để đo độ dày thành ống, phát hiện sự gián đoạn trên bề mặt

- Sử dụng tia phóng xạ (tia X hoặc tia gamma) để chụp ảnh phát hiện vị trí rò rỉ

- Thêm chất tạo mùi vào chất lỏng để phát hiện vị trí rò rỉ.

- Kỹ thuật cân bằng khối lượng – thể tích Phương pháp này chỉ được dùng cho các

hệ thống ổn định, lưu lượng vào và lưu lượng ra đo được ở hai đầu đoạn ống phải đượccân bằng và bất kỳ sự thay đổi nào về tốc độ dòng chảy và áp suất là do có sự xuất hiệncủa rò rỉ

- Phương pháp mô hình hóa thời gian thực sử dụng nguyên lý bảo toàn động lượng,khối lượng và năng lượng để tạo ra các mô hình toán học của dòng chảy trong đườngống

- Kỹ thuật phát hiện rò rỉ sử dụng âm thanh

Trong mục này sẽ khảo sát một số phương pháp xác định vị trí rò rỉ mà người tathường dùng trong thực tế

a) Kỹ thuật phát hiện rò rỉ bằng âm thanh

Hệ thống thiết bị hiện đại có thể tìm ra nơi rò rỉ đặc biệt nhanh chóng, dễ dàng vàchính xác Thiết bị này sử dụng công nghệ tín hiệu kỹ thuật số hiện đại để nhận biết rõnhững âm thanh rò rỉ, thậm chí khi có rất nhiều tiếng ồn trong môi trường xung quanh

đó Bằng cách sử dụng công nghệ phân tích đoạn kép cực kỳ hiện đại, các âm thanh rò rỉkhông chỉ được nhận biết rõ ràng, mà còn được hiển thị dưới dạng biểu đồ

Người sử dụng loại thiết bị này, họ càng yên tâm tin cậy hơn khi định vị nơi nước

rò ra

Hình 1.2 Thiết bị phát hiện rò rỉ bằng âm thanh

b) Kiểm tra bằng mắt thường.

Phương pháp này được thực hiện bằng cách đi dọc theo đường ống để kiểm tra vàphát hiện các vị trí ẩm ướt, nấm mốc xung quanh đường ống Ưu điểm của phương phápnày là không cần đầu tư các thiết bị Tuy nhiên phương pháp này gây tốn thời gian và

không thể xác định được vị trí rò rỉ đối với đường ống nằm sâu trong đất, cũng như ở các

vị trí khó nhìn, và với đường ống quá dài sẽ tốn rất nhiều thời gian để phát hiện được vịtrí rò rỉ

c) Thêm chất tạo mùi vào chất lỏng để phát hiện vị trí rò rỉ

Phương pháp này được thực hiện bằng cách trộn chất tạo mùi vào trong đường ốngdẫn nước, đi dọc đường ống và phát hiện mùi phát ra xung quanh các lỗ rò rỉ Ưu điểmcủa phương pháp này là có thể khoanh vùng lỗ rò rỉ nhanh chóng hơn phát hiện bằng mắtthường và có thể phát hiện lỗ rò rỉ ở các vị trí khó nhìn, phương pháp này cũng khôngcần đầu tư các thiết bị phức tạp Tuy nhiên phương pháp này cũng không thể xác địnhđược vị trí rò rỉ đối với đường ống nằm sâu trong đất, với đường ống quá dài sẽ tốn rấtnhiều thời gian để phát hiện được vị trí rò rỉ và không thể áp dụng phương pháp này vớicác đường ống cấp nước sạch vì sẽ làm ô nhiễm nguồn nước gây ảnh hưởng đến các hộgia đình

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ANSYS FLUENT

2.1 Phần mềm ANSYS

ANSYS là một phần mềm toàn diện và bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp canthiệp vào thế giới mô hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế Hầu hết cácnhà đầu tư rất thích phần mềm phân tích kỹ thuật này so với những gì chúng làm được và

số tiền họ phải bỏ ra

Phần mềm phân tích mạnh này giúp quá trình thiết kế kỹ thuật qua một cấp độ mới,không chỉ làm việc với những môi trường, thông số biến động, các hàm nhiều cấp bậc, màcòn hỗ trợ làm việc mang tính thích nghi với những mô hình kỹ thuật mới, nhưng công cụCAE nhiều tính năng Dĩ nhiên Ansys sẽ giúp nâng cao hiệu quả khi thiết kế, nâng cao tínhsáng tạo, giảm bớt ràng buộc, hạn chế vật lý, thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng màkhông thể thực hiện trên những phần mềm khác Để giảm tối đa những ảnh hưởng xấu nêutrên, cần có những nghiên cứu sâu về động lực học chất lỏng ngay trong quá trình thiết

kế. [3]

Hình 2.3 Phần mềm ANSYS

2.1.1 Cấu trúc cơ bản

Tổng quát cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS, gồm 3 phần chính: tạo

mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor)

Hình 2.4 Cấu trúc cơ bản của một bài toán trong AnsysNgoài 3 bước chính trên, quá trình phân tích bài toán trong ANSYS còn phải kể đếnquá trình chuẩn bị (preferences) chính là quá trình định hướng cho bài tính Trong quátrình này ta cần định hướng xem bài toán ta sắp giải dùng kiểu phân tích nào (kết cấu,nhiệt hay điện từ…), mô hình hoá như thế nào (đối xứng trục hay đối xứng quay, hay môhình 3 chiều đầy đủ…), dùng kiểu phần tử nào (Beam, Shell, Plate,link…)

Hiểu được các bước phân tích này trong ANSYS sẽ giúp ta dễ dàng hơn trong việcgiải bài toán của mình Vấn đề đặt ra là làm sao để thể hiện những ý tưởng này trongANSYS ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với người dùng (Graphic User Interface,GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trongmột file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (ta cũng có thể dùng kết hợp 2 cáchnày một cách linh hoạt: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả,…).Trong nghiên cứu động lực học chất lỏng, có 2 thông số quan trọng đặc trưng dòngchảy chất lỏng là số Reynolds và số Mach Chúng được định nghĩa như sau :

Số Reynolds : ¿

Trong đó: DH là đường kính thủy lực của ống (m)

Q là lưu lượng dòng chảy (m³/s)

A là diện tích tiết diện ống (m²)

υ là vận tốc trung bình của chất lỏng (m/s)

¿

Trong đó: v là tốc độ dòng chảy của chất lỏng

c là tốc độ âm thanh trong chất lỏng đó

Ma là số Mach

Số Mach được sử dụng để mô tả tốc độ dòng chảy so với tốc độ âm thanh trong chất lỏng Nó được tính bằng cách chia tốc độ dòng chảy của chất lỏng cho tốc độ âm thanh trong chất lỏng đó

Ta sẽ thấy rằng số Re đặc trưng cho tỉ lệ công của lực quán tính đối với công củalực nhớt của môi trường chất lỏng Khi lực quán tính lớn hơn rất nhiều so với lực nhớt thìkhi đó dòng chảy sẽ chuyển sang rối Theo đó mà số Re được dùng để phân loại dòngchảy Ngoài ra, số Reynolds thường được sử dụng để đánh giá và xác định trạng thái dòngchảy Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các nghiên cứu động lực học chất lỏng.Trong Số Reynolds có thể sử dụng như một tiêu chí để phân loại dòng chảy, tùytheo các dạng dòng chảy mà ta có các giới hạn khác nhau của số Re, đối với dạng dòngchảy trong ống trụ ta có:

- Dòng chảy có Re ≤ 2300 là dòng chảy tầng

- Dòng chảy có Re > 2300 là dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảyrối hay còn gọi là chảy quá độ

- Dòng chảy có Re ≥ 4000 là dòng chảy rối;

Đối với ống dẫn mặt cắt hình tròn đường kính d thì công thức được viết thành:

ℜ=υ d

υ dρ μ

¿(3)

¿

Và nếu l (m) là chiều dài, d (m) là đường kính của ống dẫn thì chúng ta có bảngthực nghiệm sau:

2.1.2 Giới thiệu chung về

động học, nhiệt động và truyền nhiệt Đến năm 1994, công ty được bán lại cho TAAssociates Công ty chủ quản mới đã đổi tên mới cho SASI thành ANSYS Inc và đăng

ký thương hiệu cho sản phẩm chủ lực của họ là ANSYS®

Kể từ năm 2000 trở đi, ANSYS liên tục tăng cường sức mạnh bằng việc thâu tómhàng loạt công ty cạnh tranh như CODOE, CFX (2003), Century Dynamics, HarvardThermal, FLUENT Inc (2006), Ansoft Corporation (2008), Apache Design Solution(2011), Esterel Technologies (2012), EVEN (2013), Reaction Design (2013) vàSpaceclaim Corpration (2014)

FLUENT là phần mềm tính toán động lực học chất lỏng (Computational FluidDynamics, viết tắt là CFD) có thể xử lý được nhiều dạng bài toán chất lỏng Nó thườngđược sử dụng để nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới ở các tập đoàn công nghiệp lớntrên thế giới

FLUENT cung cấp các mô hình tính toán sau:

- Mô hình chất lỏng cơ bản

- Mô hình chất lỏng chuyển động quay

- Mô hình chất lỏng có lưới chuyển động và biến dạng

- Mô hình dòng chảy rối

- Mô hình trao đổi nhiệt

- Mô hình phản ứng hoá học

Re, l/d 1 5 10 20 30 40 50

≤ 2300 1,9 1,44 1,28 1,13 1,05 1,03 1,0

104 1,65 1,34 1,23 1,13 1,07 1,03 1,02.104 1,51 1,27 1,18 1,10 1,05 1,02 1,05.104 1,34 1,18 1,13 1,08 1,04 1,02 1,0

105 1,28 1,15 1,10 1,06 1,03 1,02 1,0

- Mô hình cháy

- Mô hình đánh lửa trong động cơ

- Mô hình quá trình ô nhiễm

- Mô hình khí động học phát ra tiếng ồn

- Mô hình pha rời rạc

- Mô hình chất lỏng nhiều pha

- Mô hình đông đặc và tan chảy

2.1.3 Tầm quan trọng của chia lưới

Tạo lưới phù hợp nhất là nền tảng của mô phỏng kỹ thuật Lưới ảnh hưởng đến độchính xác, độ hội tụ và tốc độ của mô phỏng Máy tính không thể giải quyết các môphỏng trên hình dạng hình học thực tế của mô hình CAD vì không thể áp dụng cácphương trình chủ đạo cho một hình dạng tùy ý

Thông thường, các phương trình được giải trên các lưới này là các phương trình viphân từng phần Do tính chất lặp của những tính toán này, việc thu được kết quả cho cácphương trình này thực tế là không thể làm bằng tay và do đó các phương pháp tính toánnhư tính toán động lực học chất lưu (CFD) được sử dụng CFD sử dụng các phương trìnhđạo hàm riêng và phương pháp số học để xấp xỉ và giải các phương trình vi phân từngphần Bằng cách chia không gian thành một lưới (grid) và áp dụng các phương pháp giảiphương trình vi phân trên lưới này, CFD cho phép tính toán và mô phỏng dòng chảy chấtlỏng trong các hình dạng và điều kiện phức tạp

CFD đã trở thành công cụ quan trọng trong nghiên cứu động lực học chất lỏng, giúpnghiên cứu viên và kỹ sư hiểu và dự đoán các hiện tượng dòng chảy, tương tác giữa chấtlỏng và cấu trúc, cũng như thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống dòng chảy Nó cung cấpmột cách tiếp cận số học để giải quyết các phương trình vi phân từng phần phức tạp vàthu được kết quả số liệu quan trọng cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực động lựchọc chất lỏng

Hình 2.5 Các kiểu chia lưới trong AnsysTrong đề tài này, nhóm đã sử dụng kiểu chia lưới tứ diện cho chất lỏng và chia lướilăng trụ cho đoạn ống để thể hiện rõ ràng sự rò rỉ của dòng chảy Kích thước phần tử chialưới là 10− 3m Số lượng phân chia lưới cho kích thước cạnh là 120

Hình 2.6 Chia lưới cho ống và kích thước cạnh

2.2 Tổng quan về mô phỏng CFD và các ứng dụng công nghiệp

2.2.1 Tại sao lại cần đến mô phỏng CFD?

CFD (Computational Fluid Dynamics): Tính toán động lực học chất lỏng Đây làmột phương pháp sử dụng tính toán số học và máy tính để mô phỏng và phân tích dòngchảy của chất lỏng hoặc khí Giúp đánh giá được những tác động của các yếu tố ngoạicảnh (thực tế) lên các đối tượng khảo sát Do đó hiện nay CFD được sử dụng rất rộng rãitrên rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống

Bảng 2.1 Một số nguyên nhân giải thích tại sao CFD được sử dụng rộng rãi

Sự ưu việt của mô phỏng CFD Tiết kiệm thời gian

- Tốc độ tính toán mô phỏng đã và

đang được cải thiện đáng kể

- Hệ thống tiêu chuẩn cho mô

phỏng CFD hoàn thiện

- Sự hoàn thiện của lý thuyết mô

phỏng CFD

- Nhiều tiềm năng ứng dụng trong

kỉ nguyên internet vạn vật (loT) và kỹ

thuật số song song (Digital Twin)

- Rút ngắn thời gian khi giải quyếtvấn đề bằng cách dùng mô phỏng để xácđịnh nguyên nhân vấn đề

- Giúp quá trình & thiết bị hoạt

động hiệu quả, tiêu tốn ít nguyên vật liệu

và năng lượng

- Giúp quá trình & thiết bị hoạtđộng hiệu quả và ổn định hơn, cho ra sảnphẩm tốt hơn

- Giúp cải thiện tính an toàn và bảo

vệ môi trường

Nói riêng về ứng dụng của CFD trong lĩnh vực IoT thì gần đây nhiều tập đoàn lớnnhư General Electric, Azure, Siemens, IBM, Cisco, Oracle, QiO Technologies, DassaultSystems, ANSYS, hay Bosch đã sử dụng rộng rãi mô phỏng CFD kết hợp với IoT như

một công cụ tạo ra lượng lớn dữ liệu (big data) cho các mô hình máy học (machine

learning), qua đó tạo thành một ngành mới có tên là ngành kỹ thuật số song

song (Digital Twin).

2.2.2 Mô phỏng CFD là gì?

Mô phỏng CFD (còn được gọi là Mô phỏng động lực học dòng chảy) là một nhánhcủa cơ học chất lưu (Fluid Mechanics) sử dụng phương pháp số và cấu trúc dữ liệu nhằmphân tích và giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động của chất lưu Kết quả môphỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dòng chảy và các tác động của nó tớiquá trình khảo sát

Cho đến ngày nay, các vấn đề cơ bản của CFD nếu phân loại theo dạng mô hìnhtoán học thì bao gồm:

- Các dòng chảy cơ bản và dòng chảy rối bên trong và ngoài vật thể

- Dòng phản ứng đốt cháy

- Dòng nén được

- Truyền nhiệt

- Dòng đa pha có hạt phân tán trong pha liên tục

- Dòng đa pha liên tục và bề mặt phân riêng pha

- Tương tác qua lại giữa dòng chảy và vật thể chịu tác động

- Dòng đa cấu tử

- Tương tác giữa động lực học dòng chảy và chuyển động phân tử hoặc từ trường

Hình 2.7 Mô hình căn bản trong mô phỏng CFD

2.2.3 Quy trình mô phỏng CFD

Tuy rằng chưa có bất cứ tiêu chuẩn nào rõ ràng cho các quy trình mô phỏng CFDnhưng 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:

a) 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: (1) Tạo hình học, (2) Đơngiản hóa hình học, (3) Rời rạc hóa miền tính toán – được gọi là quá trình chia lưới, (4)Thiết lập thông số mô hình, (5) Chạy mô phỏng, (6) Kiểm tra tính hội tụ của phươngpháp số, (7) Mô phỏng cho các trường hợp hợp khác nhau, (8) Phân tích kết quả môphỏng, và (9) Tạo báo cáo

Hình 2.8 Quy trình cơ bản cho người sử dụng mô phỏng CFD

b) Quy trình nâng cao cho các kỹ sư:

Quy trình này được kết hợp bởi các quy trình cơ bản và thêm vào đó là quy trìnhđánh 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 (mathematicalmodel), 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 cácsai 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),

và (3) Phương pháp tính (numerical scheme) Chi tiết của quy trình kiểm tra mô hình sẽđược mô tả chi tiết trong các bài viết sau này

 Quy trình kiểm nghiệm (validation) mô hình CFD:

Nhằm mục đích so sánh kết quả từ mô hình CFD và kết quả đo đạc thực tế, quy trìnhkiểm nghiệm được sử dụng trong hầu hết các bước phát triển mô hình Quy mô của kiểmnghiệm mô hình CFD có thể là: (1) Kiểm nghiệm một phần hệ thống trong điều kiện giớihạn tại điều kiện phòng thí nghiệm, (2) Kiểm nghiệm toàn bộ hệ thống trong điều kiệnthực tế, (3) Kiểm nghiệm nhiều thông số khác nhau trong các dải điều kiện làm việc khácnhau, hoặc (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 2.9 Tóm lược về quy trình kiểm tra và kiểm nghiệm CFD

2.2.4 Các 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 môphỏng 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 Mộttrong những ứng dụng nổi bật đó là dùng mô phỏng để tối ưu biên dạng cánh nâng(airfoil)

 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 nổitiếng như: Mercedes, Tesla, hay BMW

 Công nghiệp xây dựng:

Mô phỏng đánh giá các chỉ số tiện nghi trong và ngoài tòa nhà Mô phỏng và tối ưuhóa hệ thống sưởi ấm (heating), thông gió (ventilation), và điều hòa không khí (airconditioning) – HVAC, và hệ thống làm lạnh

 Hệ thống công nghiệp hóa chất và dầu khí:

Mô phỏng thiết bị phản ứng (khuấy trộn CSTR, tầng sôi, cột sủi bọt – bubblecolumn, v.v), tháp chưng cất, tháp hấp thụ, hệ thống ống nối, hay hệ thống nồi hơi tậndụng nhiệt

 Thiết bị công nghiệp:

Bơm, quạt, máy nén, tua bin, và các thiết bị phân tách ly tâm (cyclone), phân táchpha, trao đổi nhiệt

 Công nghệ y sinh và dược phẩm:

Thiết kế các thiết bị vi dòng chảy (microfluidics), vi khuấy trộn (micromixing), môphỏng dòng chảy trong mạch máu

 Thời tiết và khí hậu:

Mô hình phỏng đoán thời tiết và thiên tai

 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 2.10 Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng CFD

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG ỐNG RÒ RỈ ĐƠN LẺ TRÊN PHẦN

MỀM ANSYS FLUENT

3.1 Nguyên tắc mô phỏng số cho dòng chảy

Mục đích của nghiên cứu là tìm hiểu mối quan hệ giữa độ giảm áp suất trong đườngống, vị trí của điểm rò rỉ và tốc độ rò rỉ đối với dòng chảy ổn định rối Tỷ lệ rò rỉ khácnhau và vị trí rò rỉ khác nhau có thể dẫn đến giảm áp suất khác nhau Phần mềm tính toánđộng lực học chất lỏng (CFD) được sử dụng để so sánh mô phỏng số với thực nghiệm.Phương pháp số có một lợi thế thực tế quan trọng ở chỗ nó có thể mô tả hình học phứctạp (Jia et al.,2020) Mô hình nhiễu loạn k-ε là mô hình phổ biến nhất được sử dụng trongCFD để mô phỏng các đặc tính dòng chảy đối với các điều kiện dòng chảy rối Cácphương trình quản lý và hai phương trình vận chuyển của chất lỏng chảy trong đườngống được áp dụng để dự đoán tác động của dòng chảy rối [2]

3.1.1 Phương trình chi phối trong CFD

a) Bảo toàn khối lượng

Định luật bảo toàn khối lượng phát biểu rằng đối với bất kỳ hệ thống nào khép kínvới mọi sự truyền vật chất và năng lượng, khối lượng của hệ thống phải không đổi theothời gian Vì khối lượng của hệ thống không thể thay đổi, số lượng không thể được thêmvào cũng như không được loại bỏ Do đó, khối lượng được bảo toàn theo thời gian.Phương trình bảo toàn khối lượng cho dòng chất lỏng có thể được viết như sau (Tu et al.,2018):

∂ ρ ∂t =∇ ∙ ( ρ ⃗u)=0 (4)

Trong đó: ρ là mật độ, t là thời gian và u⃗ là vector vận tốc

b) Bảo toàn động lượng

Một hệ không chịu tác dụng của ngoại lực hoặc tổng các ngoại lực bằng không thìtổng động lượng của hệ không đổi Kết luận này được gọi là định luật bảo toàn độnglượng

Phương trình bảo toàn động lượng cho dòng chất lỏng có thể được viết như sau (Tu

c) Bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng năng lượng toàn phần của một hệ côlập không đổi Định luật này có nghĩa là năng lượng không thể được tạo ra cũng nhưkhông bị phá hủy; đúng hơn, nó chỉ có thể được biến đổi hoặc chuyển từ dạng này sangdạng khác

Phương trình bảo toàn năng lượng được mô tả như sau (Tu et al., 2018):

ρ dh

dp

dt+∇∙ (k ∇T )+∅(6) Trong đó: ρ là mật độ, t là thời gian, h là năng lượng cụ thể (enthalpy), p là áp suất,

k là tính dẫn nhiệt của chất lỏng, T là nhiệt độ, ∅là chức năng tản nhớt

3.1.2 Các giả thuyết của mô hình nhiễu loạn

Trong động lực học chất lỏng, dòng chảy rối hay chảy rối là chuyển động của chấtlỏng được đặc trưng bởi sự thay đổi hỗn loạn của áp suất và vận tốc dòng chảy Mô hìnhnhiễu loạn là việc xây dựng một mô hình toán học để dự đoán tác động của nhiễu loạn.Chúng tôi đã đưa ra một số giả định của mô hình nhiễu loạn đối với chất lỏng chảy trongvòng dòng chảy, được thể hiện như sau:

- Trường dòng chảy có số Reynolds cao, hơn 4000 Do đó, mô hình nhiễu loạnđược sử dụng

- Ảnh hưởng của môi trường bên ngoài đến nhiệt độ là không đáng kể

- Chất lỏng trong ống là nước (không nén được)

- Dòng chảy là rối loạn trạng thái ổn định

- Bỏ qua bức xạ nhiệt giữa các bức tường đặc

- Độ nhớt hỗn loạn của chất lỏng có cùng bản sắc. [2]

3.1.3 Bảo toàn cho mô hình nhiễu loạn

Mô hình nhiễu loạn K-epsilon (k-ε) là một mô hình phổ biến để dự đoán ảnh hưởngcủa nhiễu loạn Đó là một mô hình có hai phương trình vận chuyển để mô phỏng các đặctính của nhiễu loạn Hai phương trình cho động năng rối và tốc độ tiêu tán ε được giớithiệu ở đây

a) Phương trình động năng hỗn loạn k

Biến vận chuyển đầu tiên là động năng hỗn loạn (Kays et al, 2018)

Khi đó: ρ là mật độ chất lỏng, t là thời gian, k là động năng hỗn loạn, x i và x j là các

vị trí tương ứng, u ilà vận tốc theo phương x i, μ là độ nhớt, μ t là độ nhớt rối, σ k là hằng số

bằng 1, G k là năng lượng dòng chảy rối được tạo ra bởi gradient vận tốc tầng, G b là năng

lượng dòng chảy hỗn loạn được tạo ra bởi sức nổi, Y m là dao động gây ra bởi sự khuếch

tán quá mức trong nhiễu loạn, ε là tốc độ tiêu tán của động học hỗn loạn năng lượng và

S k là thuật ngữ nguồn cho động năng hỗn loạn

3.2 Thông số ban đầu

Ban đầu, yêu cầu về không gian trong ANSYS 2021 R1 Workbench được áp dụng

để xây dựng hình học của đường ống có rò rỉ đơn lẻ, như thể hiện trong hình 3.1 phầnrỗng màu xanh dương trong hình học được coi là miền chất lỏng

Trong quá trình chia lưới, độ nhạy của lưới được áp dụng để xác định kích thướcphần tử phù hợp và số lượng để phân chia kích thước cạnh Sau khi đặt số lượng khácnhau cho kích thước cạnh, chẳng hạn như 20, 30, 50, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130,140,150 Giải pháp mô phỏng trở nên ổn định trong hình 3.4, khi số lượng phân chia chokích thước cạnh trong hình 3.5 đạt tới 120 Kích thước phần tử chia lưới của miền chấtlỏng được đặt là 10-3m (3.94×10-2 inch), được hiển thị trong hình 3.2, hình 3.3 và sốlượng phân chia kích thước cạnh là 120 Kích thước lưới này mang lại kết quả hài lòng

và rút ngắn thời gian hơn khi so sánh với lưới <10−3(mịn hơn)

Đối với độ lệch của mục tiêu, giá trị được đặt là 0.5 để đảm bảo lưới chia lưới tốt.Cuối cùng, số phần tử lưới được áp dụng trong mô phỏng là từ 3,000,000 đến 3,100,000

Số nút lưới được sử dụng trong mô phỏng là từ 1,500,000 đến 1,600,000 Sử dụng thuậttoán giải độc lập và phương pháp sai phân ẩn trong phần mềm Ansys Fluent, nhóm emthiết lập các tham số mô hình và điều kiện biên, đưa ra giá trị ban đầu của nghiệm vàthiết lập các bước lặp cần thiết, đồng thời thực hiện phép tính lặp của phương trình điềukhiển Các điều kiện biên được thiết lập để dẫn dắt quá trình mô phỏng

Đối với phần tiếp xúc giữa thành ống và nước, Nhóm em đặt chiều cao của độnhám là 1.5×10−6m (5.91 × 10−5inch) và hằng số độ nhám là 0.5 Để kiểm soát và lựachọn vận tốc đầu vào của đường ống, Lưu lượng đầu vào được giữ ở giá trị không đổi là2.48×10−4m3/s (15.12 ¿3/s), để có thể thực hiện phương pháp biến điều khiển để khám pháảnh hưởng của các yếu tố khác về sụt áp suất đường ống Áp suất đầu ra thay đổi trongkhoảng 16,100 Pa (2.335 psi) và 30,200 Pa (4.380 psi) Sau khi các giá trị thặng dư đápứng tiêu chí hội tụ, là 10−5, quá trình mô phỏng sẽ đưa ra kết quả cần thiết

Trong môi trường mô phỏng, trong đường ống là nước, mật độ của nước được đặt

là 999.55 kg/m3 và độ nhớt của nước là 10-3 Pa.s Do trạng thái của dòng chất lỏng trongđường ống là hỗn loạn nên mô hình k-epsilon tiêu chuẩn được sử dụng để mô phỏngdòng chảy của nước trong đường ống Các tham số được chọn của mô hình là mặc định:

C1ε=1.44, C2ε=1.92, C3ε= -0.33, σk = 1, σe = 1.3

Bảng 3.2 Thông số chọn ban đầu

1 Kích thước phần tử chia lưới của miền