Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của bơm bùn phân cá từ ao nuôi cá tra

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Cá tra là một trong những mặt hàng chủ lực của ngành chăn nuôi thủy sản quan trọng tại Việt Nam, đặc biệt là trong những năm gần đây Cá tra là một loại cá nước ngọt có giá trị thương mại cao và được xuất khẩu rộng rãi Việt Nam là nước sản xuất cá tra lớn nhất thế giới Liên minh Châu Âu (EU) là thị trường chính, chiếm 22,5% lượng tiêu thụ thịt thăn, tiếp theo là Hoa Kỳ (20,4%) và các nước ASEAN Tổng sản lượng đã tăng lên trong những năm gần đây, từ 37.500 tấn năm

Để duy trì và phát triển ngành nuôi cá tra, nông dân phải đối mặt với thách thức lớn là quản lý bùn đáy ao nuôi Bùn là sản phẩm phụ của quá trình phân hủy chất hữu cơ, bao gồm thức ăn thừa, chất thải của cá, xác tảo tàn lắng Bùn tích tụ trong ao gây ảnh hưởng xấu đến phát triển của cá, thải ra khí độc hại và tạo điều kiện cho vi khuẩn gây bệnh phát triển Vì vậy, cần định kỳ hút bùn ao nuôi cá tra 2 tháng/lần Tuy nhiên, với diện tích ao nuôi lớn như hiện nay thì nhu cầu hút bùn rất lớn, song thị trường nước ta chưa có hệ thống hút bùn hiệu suất cao để đáp ứng nhu cầu này.

Ngành chăn nuôi thủy hải sản đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta Bên cạnh nhu cầu ngày một tăng đó, nhu cầu hút bùn để vệ sinh ao nuôi thường xuyên cũng ngày một tăng cao Nhưng thực tế hiện nay ở Việt Nam việc hút bùn còn nhiều bất cập do sử dụng nhân công để hút bùn Việc hút bùn hiện nay hoàn toàn do đội thợ lặn cầm đầu hút của máy bơm và mang đầu hút xuống dưới đáy ao để hút bùn (Hình 1.1) Việc làm này vừa tốn kém lại vừa không hiệu quả

Do đó nhu cầu về một hệ thống hút bùn tự động hóa có hiệu suất cao nhằm giải phóng sức lao động là việc làm cấp thiết hiện nay Để hệ thống tự động hóa đó đạt được hiệu suất cao thì bơm bùn tương ứng cũng phải có hiệu suất cao nhằm giảm chi phí và giảm thời gian hút bùn

Thực tế hiện nay, các dòng bơm bùn hiện nay của Việt Nam chủ yếu được nhập từ nước ngoài Do đó những bơm bùn này phần nào còn chưa phù hợp với điều kiện thực tế tại vùng ao nuôi cá tra Các bơm bùn của nước ngoài thích hợp cho việc bơm bùn phù sa hoặc bơm bùn đặc Mà điều kiện ở ao nuôi cá tra là bùn loãng với mật độ các chất rắn không hòa tan là 20%

Từ những thực tế trên, ta có thể thấy rằng tiềm năng của nghiên cứu ra một loại bơm bùn trong ao nuôi cá tra có hiệu suất cao là rất lớn Việc nghiên cứu chế tạo thành công bơm bùn sẽ có ý nghĩa rất lớn tới ngành nuôi trồng thủy sản nói riêng và việc tự chủ công nghệ của Việt Nam nói chung

Hình 1.1 Phương pháp hút bùn hiện tại

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, các đã có những nghiên cứu về các thông số đặc tính của bơm li tâm Qua những nghiên cứu đó, những thông số công nghệ ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm đã được nghiên cứu tiêu biểu như số cánh bơm, góc thoát cánh bơm,

Từ những kết quả đó ta có thể áp dụng để cải tiến hiệu suất bơm bùn tại Việt Nam

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá tác động của cánh bơm đối với hiệu suất bơm Một ví dụ đáng chú ý là nghiên cứu của Honggeng Zhu về ảnh hưởng của hình dạng cánh quạt đến khả năng hút bùn ở Trung Quốc [1] Nghiên cứu này đã tập trung vào ba loại cánh bơm phổ biến: cánh lưỡi cong ngược, cánh lưỡi cong về phía trước và cánh lưỡi thẳng.

1.3 thể hiện hình dạng bơm trong nghiên cứu của Honggeng Zhu Hình 1.4, Hình

1.5, Hình 1.6 là các đường đặc tính của các cánh bơm sau khi mô phỏng Kết quả là loại cánh quạt có dạng lưỡi cong ngược cho hiệu suất thủy lực cao nhất, loại lưỡi cong về phía trước có hiệu suất thủy lực là thấp nhất

Hình 1.2 Mô hình cánh quạt trong nghiên cứu của Honggeng Zhu a) lưỡi cong ngược, b) lưỡi cong về phía trước, c) lưỡi thẳng [1]

Hình 1.3 Hình dạng bơm trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1]

4 Hình 1.4 Đường đặc tính Q-H trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1]

Hình 1.5 Đường đặc tính Q-P trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1]

Hình 1.6 Đường đặc tính Q- η trong nghiên cứu Honggeng Zhu [1]

5 Nghiên cứu của Liu Houlin về sự ảnh hưởng của số cánh quạt đến các hiệu suất của bơm li tâm [2] Nghiên cứu của Sujoy Chakraborty được thực hiện với số cánh bơm từ 4-7 cánh tại ba dải tốc độ: 2900 v/ph Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Hình 1.7 cho thấy chiều cao cột áp càng lớn khi số cánh càng tăng Hình 1.8 cho thấy số cánh càng nhiều thì chiều cao cột áp của bơm càng lớn Hình 1.8 thể hiện kết quả nghiên cứu của Liu, với số cánh là 7 thì bơm có hiệu suất cao nhất là 76.1%

Hình 1.7 Kết quả mô phỏng của Liu Houlin

Hình 1.8 Sự ảnh hưởng của số cánh tới chiều cao cột áp và hiệu suất [2]

Nghiên cứu do Krisna Eka Kurniawan thực hiện tập trung vào việc cải thiện hiệu suất bơm ly tâm bằng cách thêm các lưỡi tách vào cánh quạt bơm Với cánh quạt có chiều rộng 4mm, chiều dài 123mm và tốc độ quay 2400 vòng/phút, nghiên cứu đã bổ sung 3 cánh phụ dài lần lượt là 0,25L, 0,375L và 0,5L Thí nghiệm cho thấy cánh phụ dài 0,5L tạo ra chiều cao cột áp cao nhất khi lưu lượng đầu ra không đổi.

Hình 1.9 Mô hình nghiên cứu của Krisna Eka Kurniawan (a) No Splitter b)

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm của Krisna Eka Kurniawan [3]

7 Hình 1.11 Liên hệ giữa lưu lượng Q và chiều cao cột áp H với các chiều dài cánh phụ trong nghiên cứu Krisna Eka Kurniawan [3]

Hình 1.12 Mối liên hệ giứa lưu lượng Q và hiệu suất η [3]

8 Đối với phần nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc thoát cánh bơm tới hiệu suất của bơm có nghiên cứu của Hongchang Ding với góc thoát 23o, 25o, 27o, 29o, 31o [4] Mô hình cánh quạt được sử dụng trong bài nghiên cứu được thể hiện trong Hình 1.13

Hình 1.13 Mô hình 2D và 3D của cánh bơm

Kêt quả bài mô phỏng của Hongchang Ding cho thấy áp suất gần lưỡi sẽ tăng khi góc thoát của lưỡi dao tăng ở điều kiện tốc độ dòng chảy thấp (Hình 1.14) , và với góc thoát của cánh là 23o cho hiệu suất cao khi dòng chảy lớn (Hình 1.15)

Hình 1.14 Phân bố áp suất trên cánh bơm trong nghiên cứu của Hongchang

9 Hình 1.15 Kết quả mô phỏng trong nghiên cứu của Hongchang Ding

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay các nghiên cứu về máy bơm li tâm trong nước còn nhiều hạn chế và không thật sự chất lượng, chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu tổng quan và đề ra phương hướng nghiên cứu chứ chưa đi vào mô phỏng và tối ưu các biên dạng của bơm.

Lí do chọn đề tài

Nghiên cứu về ảnh hưởng các thông số công nghệ bơm bùn phân cá từ ao nuôi cá tra góp phần cải thiện hiệu suất sản xuất, tăng năng suất nhờ tối ưu hóa các thông số công nghệ, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ thống hút bùn tự động Việc này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn giảm chi phí hoạt động, tiết kiệm nguồn nhân công trong quá trình hút bùn thủ công Hơn nữa, cải thiện hiệu suất hút bùn còn giảm nguy cơ nhiễm bệnh cho cá tra do tích tụ bùn thải.

10 có hiệu suất cao người nông dân có thể chủ động tăng tần suất hút bùn để giảm nguy cơ nhiễm bệnh cho cá tra từ nguồn bùn thải

Cuối cùng, nghiên cứu về bơm bùn phân cá có tiềm năng nâng cao khả năng nghiên cứu và phát triển công nghệ trong ngành sản xuất bơm cho Việt Nam Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất bơm và thiết bị liên quan, giúp nước ta tự chủ trong sản xuất và cung cấp giải pháp công nghệ trong lĩnh vực này

Vì vậy, nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích rõ rệt về cải thiện hiệu suất, giảm chi phí, và bảo vệ môi trường, mà còn hứa hẹn tạo nên cơ hội phát triển và đổi mới trong ngành nuôi cá và công nghiệp sản xuất bơm cho Việt Nam.

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài:

- Mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đén hiệu suất bơm bùn bằng phần mềm star SSM+

- Thực nghiệm và so sanhs kết quả với kết quả mô phỏng bằng phần mềm CFD

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bơm li tâm

Cấu tạo của bơm gồm (Hình 2.1) gồm những bộ phận sau:

- Bánh công tác: kết cấu có ba dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần và cánh kín Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto Bánh công tác được đúc bằng gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao để giảm tổn thất Bánh công tác và Rôto của bơm đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công tác không cọ xát vào thân bơm

- Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then

- Bộ phận dẫn hướng vào Hai bộ phận này thuộc thân bơm thường

- Bộ phận dẫn hướng ra (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương đối phức tạp

- Ống hút Hai loại ống này có thể làm bằng gang đúc, tôn hàn hoặc cao su

Hình 2.1 Cấu tạo của bơm ly tâm

12 Bơm ly tâm sử dụng lực ly tâm để vận chuyển chất lỏng từ của hút qua cửa xả Khi bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của bơm, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là quá trình hút của bơm Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm

Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết.

Phân loại cánh bơm

Hiện nay, các bơm ly tâm gồm có 3 loại chính sau: cánh bơm mở hoàn toàn, cánh bơm nửa hở và cánh bơm đóng

- Cánh bơm hở (Hình 2.2): là loại cánh hở có các gạt nước ở hai bên mà không có tấm bọc bảo vệ Do không có tấm bảo vệ, nên cánh hở có công suất yếu và thường được lắp trong các máy bơm cỡ nhỏ, khả năng vận hành với hiệu suất không cao Cánh hở có thể xử lý được một hàm lượng hạt rắn nhất định trong chất lỏng Ưu điểm:

 Xử lý được một hàm lượng hạt rắn nhất định trong chất lỏng

 Dễ vệ sinh và bảo trì

 Loại bơm có công suất nhỏ

 Hiệu suất thấp hơn so với 2 loại bơm còn lại

 Yêu cầu chỉ số NPSH cao để giảm mài mòn

- Cánh bơm nửa hở (Hình 2.3): Là loại cánh được trang bị thêm tấm bọc bảo vệ ở một bên phía sau giúp tăng thêm hiệu suất cơ học cho các gạt nước, còn phía bên kia thì vẫn ở dạng hở Cánh bán hở phù hợp để lắp đặt cho các máy bơm cỡ trung, có khả năng xử lý một lượng nhỏ nồng độ hạt rắn mềm trong chất lỏng Ưu điểm:

 Được sử dụng với chất lỏng có hạt mài mòn bụi bẩn

 Độ bền cao hơn so với Cánh bơm công tác mở

 Hiệu suất cao hơn bánh công tác mở

 Yêu cầu chỉ số NSPH vừa phải

 Hiệu suất thấp hơn cánh bơm kín

Hình 2.3 Cánh bơm nửa hở

- Cánh bơm đóng (Hình 2.4): giống như cánh bán hở, nhưng loại cánh này được trang bị tấm bọc bảo vệ ở cả hai mặt trước và sau cánh giúp tăng cường tối đa hiệu năng của cánh bơm Ưu điểm:

 Hiệu suất cao, sử dụng cho các loại bơm lớn

 Yêu cầu chỉ số NSPH thấp

 Sử dụng cho lưu chất sạch

 Làm sạch và bảo trì khó

Trong ba thiết kế cánh bơm, cánh bơm nửa mở mặc dù có hiệu suất thấp hơn cánh bơm đóng nhưng lại đòi hỏi chỉ số NPSH vừa phải, hiệu suất cao hơn cánh bơm mở và thích hợp với mục đích hút bùn chống mài mòn.

Nguyên lý động lực học của bơm ly tâm

Bơm ly tâm là máy thủy lực, trong đó bánh quạt quay liên tục truyền công cơ học từ động cơ vào chất lỏng Quá trình năng lượng xảy ra qua hai giai đoạn liên tiếp Ở giai đoạn đầu tiên, chuyển động quay của bánh quạt gây ra sự tăng động năng của chất lỏng Ở giai đoạn thứ hai, khi chất lỏng đi qua một số kênh có diện tích cắt ngang khác nhau, năng lượng động được chuyển đổi thành năng lượng áp

15 suất tiềm năng Dòng chảy qua bánh quạt thường được biểu thị bằng các tam giác vận tốc (biểu đồ vector) (Hình 2.5)

Hình 2.5 Biểu đồ vận tốc cho cánh bơm hướng tâm [5]

Phương trình cơ bản (2.1) [5] mô tả mối quan hệ giữa dòng chảy của chất lỏng lý tưởng và năng lượng theo phương trình động lượng Euler như sau:

Trong trường hợp của bơm, moment M của cánh được truyền tới chất lỏng Nếu vận tốc góc ủa trục là w thì phương trình năng lượng của cánh bơm được mô tả trong (2.2) [5] bên dưới:

Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm

2.4.1 Ảnh hưởng của không khí tự do trong chất lỏng của bơm

Sự có mặt của không khí tự do hoặc bất kỳ loại khí nào khác trong chất lỏng bơm sẽ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của máy bơm ly tâm Không khí tự do có thể xuất hiện trong quá trình vận hành và gây gián đoạn hoạt động của bơm Lực ly tâm do cánh quay của bơm tạo ra sẽ đẩy chất lỏng nặng hơn ra ngoài, giữ không khí ở giữa bơm Nhiều không khí có thể tích tụ trong mắt bánh công tác, tách hoàn toàn chất lỏng ở đường hút khỏi chất lỏng ở bán kính ngoài của bánh công tác, dẫn đến gián đoạn quá trình bơm Vì vậy, không khí (hoặc khí) có thể hòa tan trong chất lỏng được bơm, nhưng độ hòa tan sẽ giảm khi nhiệt độ và áp suất giảm Khi đi vào mắt bánh công tác, nơi thường có áp suất thấp nhất, không khí có xu hướng tách khỏi dung dịch.

Một thí nghiệm cho bơm có tốc độ 2270 v/p xử lí hỗn hợp khí và nướcKhi tỷ lệ phần trăm thể tích khí tăng lên trên 10%, máy bơm mất áp suất và ngừng cung cấp chất lỏng Các thử nghiệm tương tự đã được thực hiện với một máy bơm có tốc độ khoảng 600 v/p Trong trường hợp đó, máy bơm mất ưu thế ở tỷ lệ phần trăm thể tích của không khí là 6% Những thử nghiệm này nêu bật tầm quan trọng của hình dạng cánh quạt đối với khả năng xử lý không khí của máy bơm ly tâm Tham khảo Hình 2.7 chúng ta thấy rằng một máy bơm có tốc độ 600 v/p có đường kính mắt tương đối nhỏ và rất hẹp Một lượng không khí nhỏ có thể ngăn chặn hoàn toàn dòng chất lỏng trong máy bơm như vậy Ngoài ra, khoảng cách giữa bán kính của đầu vào và đầu ra tương đối lớn Điều này giúp lực ly tâm do cánh quạt tạo ra có đủ thời gian để tách không khí ra khỏi chất lỏng Ngược lại, một máy bơm có tốc độ cụ thể là 2270 v/p có đường kính mắt lớn hơn nhiều và bánh công tác của nó rộng hơn đáng kể Trong một máy bơm như vậy, cần có một lượng không khí lớn hơn đáng kể để ngăn dòng chất lỏng Khoảng cách giữa bán kính của đầu vào và đầu ra của

17 cánh quạt cũng nhỏ hơn đáng kể Do đó, các cánh bơm tiếp xúc với chất lỏng trong khoảng thời gian ngắn hơn Do đó, máy bơm được trình bày trong Hình 2.10 có thể xử lý tới 10% lượng không khí bị cuốn vào trước khi mất đi tính ưu việt Nói chung, khả năng xử lý không khí của cánh quạt tăng theo tốc độ cụ thể của nó Ví dụ, một cánh quạt hướng trục có khả năng xử lý hỗn hợp chất lỏng-không khí miễn là có chất lỏng có trong các cánh cánh quạt Dữ liệu được trình bày trong Hình 2.6 và các ấn phẩm khác chỉ có thể dùng làm minh họa về tác động của sự hiện diện của không khí tự do trong chất lỏng được bơm Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là khi không khí đi vào máy bơm, kết quả phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp suất của chất lỏng

Hình 2.6 Ảnh hưởng của không khí lên hiệu suất của bơm.[6]

18 Hình 2.7 Ảnh hưởng vận tốc, hình dạng của cánh bơm đến hiệu suất của bơm [6]

2.4.2 Sự mất mát năng lượng

Khi một máy bơm phải cung cấp một lượng chất lỏng nhất định đến độ cao

He, nó phải tạo ra cột áp H cao hơn He vì một phần cột nước do máy bơm tạo ra đã bị sử dụng hết do lực cản dòng chảy của đường ống Lực cản này là do ma sát giữa chất lỏng và bề mặt ướt của đường ống (hoặc ống dẫn) và do sự thay đổi hướng của dòng chảy Nó cũng được gây ra bởi sự thay đổi đường kính của đường ống và lực cản của các phụ kiện khác nhau Các nghiên cứu sâu rộng đã chứng minh rằng tổn thất do ma sát trong đường ống tăng trực tiếp theo chiều dài của đường ống và tỷ lệ nghịch với đường kính của nó Trong một đường ống có chiều dài và đường kính nhất định, lực cản ma sát tăng (trong hầu hết các trường hợp gặp trong thực tế) theo bình phương vận tốc trung bình của chất lỏng qua đường ống Lực cản ma sát cũng phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng đang chảy và độ nhám của bề mặt ướt: độ nhớt và/hoặc độ nhám của đường ống càng cao thì lực cản dòng chảy càng lớn Trong

19 các ống không tròn hoặc các kênh hở, đường kính ống dùng trong các phương trình tính tổn thất do ma sát thường được thay thế bằng tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang của chất lỏng chia cho chu vi ướt của ống dẫn Trước đây, những nỗ lực tính toán tổn thất trong máy bơm ly tâm đã sử dụng các phương pháp tương tự được sử dụng để tính toán tổn thất trong ống dẫn Điều này thường dẫn đến những kết quả rất đáng thất vọng, vì trong máy bơm ly tâm, tổn thất do ma sát gây ra phức tạp hơn nhiều so với tổn thất trong đường ống cố định

Ma sát đĩa trong kỹ thuật bơm ly tâm là tổn thất ma sát do chất lỏng giữa vỏ cánh quạt và vỏ bơm gây ra Trong số tất cả các tổn thất do ma sát (tổn thất trong vòng bi và vòng đệm, tổn thất do ma sát của đĩa), tổn thất điện năng do ma sát của đĩa thường chiếm ưu thế Vì ma sát đĩa là kết quả của ma sát nhớt giữa chất lỏng quay trong khe hở bên (ở tốc độ chu vi khác với tốc độ của bánh công tác) và bề mặt bên ngoài của bánh công tác, ma sát đĩa đối với bánh công tác đóng lớn hơn so với bánh công tác mở có một tấm che (impeller shrouds), Hình 2.8 Sự mất mát năng lượng do ma sát đĩa gây ra thường ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt

Hình 2.9 và Hình 2.10 cho thấy tác động của việc tăng ma sát đĩa bằng cách phủ cát lên các tấm che Độ nhám của tấm che tăng lên đòi hỏi mức tiêu thụ điện năng lớn hơn, do đó làm giảm hiệu quả Tuy nhiên, không phải toàn bộ năng lượng

20 bổ sung mà tấm che tiêu thụ đều được sử dụng hết để làm giảm hiệu suất Một phần của nó được trả lại cho chất lỏng được bơm dưới dạng tăng cột áp [7] [8]

Hình 2.9 Ảnh hưởng của độ nhám tấm che đến hiệu suất của bơm [6]

Hình 2.11 minh họa hoạt động của một đĩa quay trên chất lỏng xung quanh

Do lực dính giữa chất lỏng và bề mặt đĩa, chất lỏng thu được thành phần vận tốc Cuf theo hướng quay Tuy nhiên, độ lớn của Cuf không phải là hằng số tại bất kỳ bán kính R nào cho trước mà thay đổi theo hướng trục Z từ bề mặt quay của đĩa đến bề mặt đứng yên của vỏ Trong lớp biên, giá trị Cuf giảm rất nhanh khi khoảng cách trục Z tính từ đĩa quay tăng lên Trong chất lỏng còn lại được chứa giữa các lớp ranh giới quay và đứng yên, giá trị của Cuf tiếp tục giảm theo khoảng cách Z, nhưng với tốc độ giảm đáng kể [7] [8]

21 Hình 2.10 Ảnh hưởng của độ nhám tấm che đến hiệu suất của bơm

Sự khác biệt giữa các giá trị Cuf gần bề mặt quay và bề mặt đứng yên tạo ra chuyển động tuần hoàn của chất lỏng [7-10], như được minh họa bằng các mũi tên trong Hình 2.11 Khi chúng ta thay đĩa quay bằng một bánh công tác (Hình 2.16), một số chất lỏng chịu tác động của các tấm che có thể bắt đầu tương tác với chất lỏng thoát ra từ bánh công tác, do đó thiết lập một vòng thứ cấp hoặc tuần hoàn Điều này được thể hiện dưới dạng sơ đồ bằng các mũi tên trong Hình 2.12 Nguyên nhân và tác động của vòng lặp thứ cấp như vậy có thể được minh họa bằng mô hình đơn giản hóa sau đây [9] Tại đầu ra của bánh công tác, giá trị trung bình của vận tốc thành phần Cui của chất lỏng chịu tác dụng của các cánh bơm được tính bằng:

- Hi: chiều cao cột áp được sinh ra bởi cánh bơm

- U2: tốc độ ngoại vi của bán kính ngoài R2 của cánh quạt

Có thể xảy ra trường hợp trong một phần nhất định của khoảng cách giữa lớp vỏ và vỏ bọc, giá trị của Cuf (tại bán kính R2) sẽ lớn hơn Cui (Hình 2.16) Điều này sẽ gây ra dòng chảy từ vùng này hướng về đầu ra của cánh quạt

Tốc độ V mà chất lỏng chảy ra từ bề mặt tròn của chiều rộng dZ hướng về cánh quạt được xác định bởi:

Trong đó, F là hệ số tính toán các hiệu ứng thực tế của chất lỏng Do đó, lưu lượng của chất lỏng thoát ra từ bề mặt tròn có chiều rộng dZ là:

Dòng năng lượng từ phần tử bề mặt dZ hướng về cánh quạt sẽ bằng:

Trong đó ρ là mật độ của chất lỏng được bơm

Trong Phương trình (2.6), M là một hệ số tính toán cho các tổn thất khác nhau cũng như thực tế rằng một phần lưu lượng dQr có thể chảy trực tiếp vào vỏ đứng yên, mà không tương tác với chất lỏng được bơm Tổng lượng năng lượng được thêm vào chất lỏng được bơm bởi một lớp vỏ được xác định bởi:

Áp suất chất lỏng được tạo ra từ sự tương tác giữa lớp chất lỏng chịu ảnh hưởng của cánh bơm và lớp chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với chúng là bằng nhau.

23 Hình 2.11 Phân bố của Cuf ở bán kính ngoài R2, trong không gian giữa cánh và vỏ [6]

Hình 2.12 Ảnh hưởng của Cui đối với công suất khôi phục từ ma sát đĩa [6]

2.4.3 Sự tái tuần hoàn trong bơm

Trong nhiều năm, hiện tượng tái tuần hoàn được xem như một yếu tố bí ẩn đứng sau mọi vấn đề không thể giải thích được Do đó, nó không có một định nghĩa chính xác và thích hợp để thảo luận phân tích Điều này đôi khi dẫn đến kết luận không chính xác hoặc gây hiểu lầm

Mô hình toán học

Phương trình Navier-Stokes, trong cơ học chất lỏng, một phương trình vi phân một phần mô tả dòng chảy của chất lỏng không thể nén được:

2.5.1.2 Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng

Trong phần mềm tính toán Star CCM + , công thức về phương trình Navier- Stokes được mô tả trong công thức (2.13), (2.14), (2.15)

Công thức dòng liên tục được thể hiện trong công thức (2.13):

- Su là thuật ngữ do người dùng chỉ định

Công thức động lượng được thể hiện trong công thức (2.14):

- T là là tensor ứng suất nhớt

- f b là kết quả của lực cơ thể

- Su là thuật ngữ do người dùng chỉ định

Phương trình năng lượng được thể hiện trong công thức (2.15):

2.5.2 Mô hình dòng chảy nhớt xoáy

Phương trình Reynold-Averaged Navier-Stokes (RANS):

Mô hình dòng nhớt xoáy(Eddy viscosity) là mô hình ứng suất nhiễu loạn để tính toán ứng suất Reynolds ( )

Hình 2.19 Chuyển động của phần tử chất lỏng trong dòng chảy rối Theo Hình 2.19 các phần tử chất lỏng chuyển động bằng dòng trung bình và dòng xoáy Ứng suất cắt của dòng chảy trung bình:

(2.17) Ứng suất cắt từ các dòng xoáy được tạo ra bởi ứng suất Reynolds:

Trong RANS, chúng ta không tính vận tốc u’ và vận tốc v’ một cách trực tiếp, chúng ta mô hình hóa nó tới các biến của dòng trung bình (U,V,W)

Hình 2.20 Chuyển động Brownian và chuyển động hỗn loạn (Turbulent) của các hạt

31 Chuyển động (Brownian motion): Trong chuyển động Brownian các hạt va chạm với nhau, trao đổi năng lượng và động lượng Chuyển động của các hạt là ngẫu nhiên Hình 2.20

Trong thực tế chuyển động hỗn loạn không ngẫu nhiên, nó được tạo thành từ các dòng xoáy Do đó các dao động riêng lẻ không phải là ngẫu nhiên, chúng có mối tương quan Các mô hình độ nhớt Eddy dựa trên giả định của chuyển động Brownian

Hạt brownian cũng bị di chuyển bởi chuyển động của chất lỏng nền Các phía dưới được gia tốc bởi các hạt phía trên chúng Đó là sự chuyển toàn bộ năng lượng tới các hạt thấp hơn hình Hình 2.21

Động lượng thường được truyền theo hướng của gradien vận tốc (∂U/∂y) Giả sử ứng suất Reynolds tỷ lệ với gradien vận tốc này.

Hằng số àt được gọi là hằng số tỷ lệ giữa độ nhớt xoỏy và hỗn loạn

Viết phương trình tương tự cho mặt cắt cắt theo hướng y:

(2.21) Đối với ứng suất bình thường (u’=v’):

2.5.2.2 Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng

Trong phần mềm tính toán Star CCM + các phươngtrình truyền tải trung bình đối với khối lượng, động lượng và năng lượt được biểu diễn lần lượt được thể hiện trong công thức (2.23), (2.24), (2.25)

- là giá trị trung bình của vận tốc

- là giá trị trung bình của áp suất

- là tensor nhận dạng (identity tensor)

- là giá trị trung bình của tensor ứng suất nhớt

- là tổng hợp lực tác dụng (như trọng lực hay lực ly tâm)

- là giá trị trung bình của năng lượng trên đơn vị khối lượng

- là giá trị trung bình của mật độ dòng nhiệt

Mô hình sử dụng cho dòng chảy rối sử dụng phương pháp K-e được phát triển dựa trên mô hình toán học của Navier-Stokes Mô hình nhiễu loạn K-epsilon (K-ε) là mô hình phổ biến nhất được sử dụng trong động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để mô phỏng các đặc tính dòng chảy trung bình cho các điều kiện dòng chảy

33 rối Động lực ban đầu cho mô hình K-epsilon là cải thiện mô hình độ dài pha trộn, cũng như tìm một giải pháp thay thế cho các thang đo độ dài hỗn loạn theo đại số ở các dòng chảy phức tạp đến cao

- ui : thành phần vận tốc theo hướng

- Eij : tốc độ biến dạng

2.5.3.2 Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng

Trong phần mềm Star CCM + các công thức tính k và được trình bày trong công thức (2.28) và công thức (2.29)

Phương trình truyền tải động năng được mô tả theo công thức sau:

(2.28) [17] Phương trình truyền tải động năng được mô tả theo công thức sau:

- là giá trị trung bình của vận tốc

- là độ nhớt động lực học

- là hệ số mô hình

- là nguồn do người dùng xác lập

Dòng chảy hai pha gồm nước và bùn là hiện tượng phổ biến trong các ứng dụng thực tế và công nghiệp Các dòng chất lỏng này thường mang theo các chất rắn, ví dụ như cát trên bãi biển, bụi trong ống thông gió hoặc bùn trong bơm li tâm Bài nghiên cứu này tập trung vào hành vi của dòng hai pha gồm nước và bùn để tìm hiểu các đặc điểm và quy luật vận động của chúng.

Các hạt rắn khi được vận chuyển trong đường ống thường có xu hướng rơi xuống do tác dụng của trọng lực Ngoài ra các hạt cũng chuyển động chậm hơn so với chất lỏng và lí do cho điều này là do lực cản nên sẽ có một lực kéo tác dụng lên các hạt đó để chúng chuyển động cùng vận tốc với dòng chất lỏng Để theo dõi các hạt rắn chuyển động trong chất lỏng thì chúng ta sử dụng kĩ thuật được gọi là theo dõi hạt Lagrangian Quỹ đạo của hạt được theo dõi bằng công thức sau khi ta xem xét một đường truyền:

- Up: là vận tốc của hạt Đối với hạt không có khối lượng hoặc khối lượng rất nhỏ thì hạt đó sẽ chuyển động cùng với dòng chất lỏng, và khi đó vận tốc của hạt chính là vận tốc của dòng chảy:

35 Đối với các hạt có khối lượng lớn, để tìm ra vị trí tức thời của các hạt ta dựa vào phương trình định luật 2 Newton cho chất rắn có khối lượng:

Dựa vào phương trình 8 ta có phương trình cân bằng lực tác dụng lên các hạt trong dòng lưu chất:

Hình 2.22 Sơ đồ phân bố lực lên hạt di chuyển trong dòng lưu chất Trong phần này chúng ta chỉ quan tâm đến FDrag và Fbuoyancy bởi vì hai lực này là hai lực lớn nhất và gây ảnh hưởng lớn nhất đến vận tốc của các hạt trong dòng lưu chất Hình 2.22 và Hình 2.23 mô tả các lực ảnh hưởng đến vận tốc của hạt trong dòng chảy của lưu chất

Hình 2.23 Sơ đồ phân bố lực lên hạt di chuyển một góc trong dòng lưu chất

Từ sơ đồ trên ta tính được trọng lực của hạt:

- ρp: khối lượng riêng của hạt

- Vp: thể tích của hạt

Lực nổi được tính bằng công thức sau:

- ρf: khối lượng riêng của lưu chất mà hạt chiếm chỗ

- Vp: thể tích của hạt

Vì vậy các hạt sẽ nổi lên trong trường hợp ρp< ρf và chìm xuống khi ρp> ρf Lực kéo tác dụng lên hạt là:

- Ap: là diện tích cản của hạt

- CD: là hệ số cản Theo mô hình của Schiller-Naumann với Re < 1000,

Hệ số Reynold được tính theo công thức sau:

(2.36) Dựa vào các phương trình (11) (12) (13) ta giải phương trình (10) để tìm Up:

2.5.4.2 Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng

Trong phần mềm Star CCM + mô hình phân tích dòng Lagrangian được phân tích dựa trên định luật 2 Newton:

- là Tổng hợp lực tác dụng lên bề mặt hạt

- là tổng hợp lực tác dụng lên bề thân hạt

- – Lực do khối lượng ảo

- – Lực do người dùng thiết lập

- – Lực va chạm (chỉ có cho model DEM)

2.5.4.3 Dòng tách biệt nhiều pha

Mô hình hai chất lỏng được gọi là mô hình dòng phân tách nhiều pha Sự phát triển ban đầu của nó chủ yếu được thúc đẩy bởi ngành công nghiệp hạt nhân, thường được sử dụng để mô hình hóa các dòng phân tán Trong mô hình dòng chảy tách biệt nhiều pha, ta coi mỗi pha là sự xuyên thấu liên tục Nó giải các phương trình vận chuyển khối lượng, động lượng và năng lượng của từng pha trong khi tất cả các pha đều có chung một trường áp suất Tính trung bình Euler của các phương trình vận chuyển dẫn đến sự tương tác bổ sung giữa các pha Những tương tác này yêu cầu các mô hình đóng như lực kéo, lực nâng, truyền nhiệt giữa các pha, v.v

2.5.5 Tính toán chiều cao cột áp và hiệu suất

2.5.5.1 Tính toán chiều cao cột áp

Khi bơm ly tâm hoạt động sẽ tạo ra áp suất chênh lệch giữa đầu ra và đầu vào Sự chênh lêch áp suất càng cao thì cột áp của bơm sẽ càng lớn Những giá trị áp của lưu chất được lấy từ kết quả mô phỏng động lực học Cột áp được tính toán theo công thức (2.41)

- Pout out: Áp suất đầu ra của lưu chất

- Pin : Áp suất đầu vào của lưu chất

- ρ : khối lượng riêng của chất lỏng

2.5.5.2 Tính toán hiệu suất của bơm

Hiệu suất của bơm được tính theo công thức (2.42):

- ∆Pd : tổn thất do ma sát

- ɳh: hiệu suất thủy lực

- ɳv : hiệu suất thể tích

PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG BƠM

Thông số mô phỏng bơm

Phần mềm Star CCM+được sử dụng để mô phỏng thủy động lực học của bơm bùn nhằm dự đoán những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm Mô phỏng giúp đưa ra các ước tính về đường đặc tính của bơm Từ kết quả đó ta lựa chọn các thông số tối ưu cho bơm

Có nhiều thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm như: số cánh bơm, góc thoát của bơm, góc vào của bơm, bề dày của cánh bơm, bề rộng cánh bơm,… Do giới hạn về thời gian và kinh phí nên đề tài này chỉ tập trung vào sự ảnh hưởng của số cánh bơm và góc thoát của bơm đến hiệu suất của bơm

Trong nghiên cứu này mô phỏng được thực hiện gồm:

- Mô phỏng ảnh hưởng của số lượng cánh đến hiệu suất của bơm: Mô phỏng được thực hiện với số cánh là: 7, 8, 9, 10

- Mô phỏng ảnh hưởng của góc thoát cánh đến hiệu suất của bơm: Mô phỏng được thực hiện với các góc thoát tương ứng là: 40 o , 50 o , 60 o ,

70 o Thông số đầu vào trong bài mô phỏng được thể hiện trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Thông số cánh bơm

Số cánh (z) 7, 8, 9, 10 Đường kính hút của cánh (D1) 30 mm Đường kính ngoài của cánh (D2) 130 mm

Quy trình thực hiện mô phỏng

Quá trình mô phỏng thủy động lực học của bơm trải qua quá trình sau:

- Bước 1: Mô hình 3D của bơm sẽ được xây dựng và đơn giản hóa trên phần mềm CAD như NX, Solidwork, Inventor,…

- Bước 2: Thiết lập miền tính toán cho cho mô hình

- Bước 3: Thực hiện chia lưới trong phần mềm Star CCM + Sau đó, thực hiện kiểm tra chất lượng lưới theo tiêu chuẩn hội tụ

- Bước 4: Chọn mô hình rối phù hợp và thiết lập điều kiện biên

- Bước 5: Thực hiện tính toán

- Bước 6: Phân tích kết quả

Sơ đồ lưu trình mô phỏng được thể hiện trong Hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ thực hiện mô phỏng của bơm

Mô phỏng bơm

3.3.1 Mô phỏng sự ảnh hưởng của số cánh đến hiệu suất

Bài nghiên cứu sử dụng máy bơm ly tâm cánh quạt bán hở cho bơm bùn Số lượng cánh quạt của bánh công tác dao động từ 7 đến 10 Nếu số lượng cánh quạt

41 quá nhiều, hiệu ứng Hiệu ứng lấn át (Crowding Out Effect) ở bánh công tác sẽ mạnh hơn, dẫn đến tốc độ dòng chảy tăng lên Ngoài ra, sự gia tăng bề mặt tiếp xúc giữa dòng chất lỏng và cánh quạt sẽ làm tăng tổn thất thủy lực tương ứng Hiện tượng này xảy ra do diện tích bị cản trở tăng lên do số lượng cánh quạt nhiều hơn, do đó dẫn đến tổn thất ma sát cao hơn Ngược lại, số lượng cánh quá thấp sẽ làm tăng tổn thất khuếch tán khi phạm vi dòng chảy tăng lên [16] Mô hình 2D và 3D các cánh quạt được mô tả trong Hình 3.2 và Hình 3.3 Thông tin chi tiết về các thông số cánh bơm được thể hiện trong Bảng 3.2 Các thông số của bùn được thể hiện trong Bảng 3.3

Hình 3.2 Mô hình cánh bơm (a) bảy cánh, (b) tám cánh, (c) chín cánh, (d) mười cánh

42 Hình 3.3 Bản vẽ 2D của cánh bơm Bảng 3.2 Thông số cánh bơm

Số cánh (z) 7, 8, 9, 10 Đường kính hút của cánh (D1) 30 mm Đường kính ngoài của cánh (D2) 130 mm

Thông số Giá trị Phạm vi áp dụng

Khối lượng riêng của nước 998.2 kg/m 3 Độ nhớt của chất lỏng 0.0011 Pa.s Đường kớnh của hạt bựn 115 àm

Khối lượng riêng của bùn 1010 kg/m 3 980-3500 kg/m 3

Sau khi có mô hình cánh bơm ta thực hiện các bước mô phỏng

43 Hình 3.4 Kết quả chia lưới cho mô hình chín cánh

 Bước 1: Thiết lập miền tính toán của mô hình được thực hiện bằng cách chia hai vùng độc lập Một vùng là vùng bao quanh cánh quạt được gọi là vùng quay của cánh bơm (rotating) Vùng còn lại là vùng dòng chảy của chất lỏng trong bơm (fluid flow) và vùng này không bao gồm vùng xoay (Hình 3.5) Giữa hai vùng được thiết lập interface để có sự trao đổi lưu chất và các hạt của dòng hai pha

Hình 3.5 Thiết lập miền tính toán (a) vùng dòng chảy của chất lỏng (b) vùng quay của cánh bơm

 Bước 2: Lưới hóa mô hình sau khi thiết lập miền tính toán, toàn bộ mô hình 3D được đưa vào phần mềm Star CCM+ để thực hiện chia lưới Mô hình lưới Polyhedral Meshet được sửa dụng cho bài mô

44 phỏng Thông số lưới được thể hiện trong Bảng 3.4 Hình 3.4 mô tả kết quả chia lưới của phần mềm đối với mô hình bơm với số cánh là chín

Hình 3.6 Hội tụ của mô hình chín cánh

 Bước 3: Thiết lập điều kiện biên và thực hiện mô phỏng Trong bài toán mô phỏng, xác định đúng điều kiện biên quyết định tính đúng đắn và chính xác của quá trình mô phỏng Thiết lập điều kiện biên không chính xác dẫn đến mô phỏng khó hội tụ và kết quả cuối cùng sẽ dễ bị sai lệch với mô hình thực tế Tương ứng với mỗi bài toán mà người mô phỏng thiết lập các điều kiện biên phù hợp Trong nghiên cứu này, mô phỏng dòng chảy trong bơm là dòng lưu chất thực có ma sát nhớt, dòng chảy rối và không tính đến sự thay đổi nhiệt độ Vì vậy, mô hình rối realizable 𝑘−𝜀 là phù hợp để áp dụng tính toán mô phỏng Các điều kiện biên cho tính toán mô phỏng bơm bao gồm:

- Chọn giải thuật : Giải phương trình năng lượng, phương trình liên tục và phương trình động lượng

- Tiêu chuẩn hội tụ 1e-6 (Hình 3.6)

- Mô hình mô phỏng: sử dụng mô hình rối realizable 𝑘−𝜀 của mô hình RANS

- Phương pháp nội suy: Implicit Unsteady

- Dòng hai pha: Lagrangian Multiphase (khối lượng riêng 1010 kg/cm3)s Điều kiện biên cho đầu vào của bơm được thiết lập theo vận tốc đầu vào (Velocity inlet) và đầu ra của bơm được thiết lập theo áp suất đầu ra (Pressure Outlet) Bảng 3.5 thể hiện thông số thiết lập cho điều kiện biên của bài mô phỏng

Bảng 3.5 Thông số thiết lập mô phỏng Thông số thiết lập vận tốc đầu vào (Velocity Inlet) Thông số nhiễu loạn

Thông số áp suất đầu ra (Pressure Outlet) Thông số nhiễu loạn

Intensity + Length Scale Áp suất đầu ra 1 bar

 Bước 4: Thực hiện mô phỏng và xử lý kết quả Phần kết quả sẽ được phân tích trong phần 3.3.1.1, 3.3.1.2, 3.3.1.3

3.3.1.1 Phân bố áp suất trên cánh bơm

Hình 3.7 Áp suất tại mặt cắt bơm (a) bảy cánh, (b) tám cánh, (c) chín cánh,(d) mười cánh

Hình 3.8 Vùng áp suất âm (a) bảy cánh (b) tám cánh (c) chín cánh (d) mười cánh Trong kết quả Hình 3.6 ta nhận thấy áp suất tăng dần từ vùng hút đến đường đầu ra của cánh bơm Ngoài ra vùng áp suất âm tập trung ở đường hút của cánh và vùng đầu vào của lưỡi, giá trị vùng áp suất âm này giảm dần và diện tích vùng áp suất âm ngày càng tăng lên khi số cánh tăng lên (Hình 3.8) Từ đó cho thấy số cánh ảnh hưởng trực tiếp với sự xâm thực của bơm bời vì với áp suất thấp thì lưu chất có hiện tượng sôi ở nhiệt độ thấp tạo ra các bọt khí trên cánh và khi bọt khí di chuyển chúng sẽ vỡ ra tạo ra sự xâm thực

3.3.1.2 Phân bố vận tốc trên cánh bơm

Hình 3.9 Phân bố vận tốc lưu trên cánh bơm

Hình 3.9 mô tả phân bố vận tốc trên cánh bơm thay đổi từ tám cánh đến mười cánh Vecto vận tốc đạt cực đại tại vị trí cánh gần đường thoát của bơm nhất bởi vì tại trí này dòng lưu chất chịu tác dụng của lực quán tính do chuyển động quay của cánh tạo ra và thêm dòng tuần hoàn của đường thoát tạo thành Tại mô hình 7 cánh ta thấy rõ dòng phản lực (jet-wake) (Hình 3.11) Đối với mô hình có số cánh tăng lên thì khoảng cách giữa hai cánh giảm nên khó có thể thấy rõ hiện tượng phản lực những cánh bơm có số lượng cánh lớn Giải thích hiện tượng này trong dòng chảy từ cánh bơm này đến cánh bơm khác dưới tác động của chuyển động quay, áp suất lên bề mặt sau của bánh công tác trong bơm ly tâm cao và vận tốc tương đối thấp, trong khi áp suất lên bề mặt hút của lưỡi dao thấp và vận tốc tương đối cao (Hình 3.10) Tuy nhiên, do độ dốc áp suất từ bề mặt áp lực đến bề mặt hút trong đường đi của cánh bơm, chất lỏng có động lượng thấp gần bề mặt làm việc di chuyển về phía bề mặt phía sau, tạo thành một vùng hoạt động phía sau cánh bơm Hiện tượng này là kết quả của các tác động kết hợp giữa hình dạng bơm ly tâm và độ nhớt của chất lỏng, và nó thường dẫn đến dòng phản lực ở đầu ra của bánh công tác ly tâm Dòng phản lực này tạo ra những vùng áp suất xoáy dẫn đến giảm hiệu suất của bơm

49 Hình 3.10 Vùng áp suất trong bơm bảy cánh

Hình 3.11 Dòng phản lực trong bơm bảy cánh

Hình 3.12 Sự giảm dần của dòng phản lực khi cánh tăng lên (a) tám cánh (b) chin cánh (d) mười cánh Ngoài hiện tượng dòng phản lực trong những cánh bơm có số lượng cánh nhỏ trong bơm còn xuất hiện hiện tượng xuất hiện dòng tuần hoàn làm giảm hiệu suất thể tích của bơm, dòng này là dòng không thể tránh khỏi của bơm li tâm, lưu lượng không đi hoàn toàn ra khỏi đầu hút mà một phần lưu chất chảy ngược lại bánh công tác do ảnh hưởng của vùng áp suất thấp Mặc dù dòng tuần hoàn này làm giảm lưu lượng nhưng không gây ảnh hưởng tới chiều cai cột áp của bơm Hiện tượng tuần hoàn phụ thuộc vào hình dạng của cánh bơm và vỏ bơm (Hình 3.13)

Hình 3.13 Vùng tuần hoàn (a) bảy cánh (b) tám cánh (c) chin cánh (d) mười cánh

Bảng 3.6 Chiều cao cột áp và hiệu suất của từng cánh bơm

Số cánh Chiều cao cột áp (m) Hiệu suất (%)

52 Với kết quả mô phỏng trên ta có tính toán các số liệu về chiều cao cột áp và hiệu suất thể hiện trong Bảng 3.6 Hình 3.14, Hình 3.15 thể hiện chiều cao cột áp và hiệu suấtvới số cánh bơm khác nhau Từ đó có thể thấy với số cánh bơm là 8 thì cho chiều cao cột áp là lớn nhất (20.1 m) và hiệu suất là cao nhất (62.5%) Chiều cao cột áp và hiệu suất thấp nhất là mô hình cánh bơm với số cánh là 10

Hình 3.14 Chiều cao cột áp với số cánh khác nhau

Hình 3.15 Hiệu suất của bơm với số cánh khác nhau

3.3.2 Mô phỏng sự ảnh hưởng của góc thoát đến hiệu suất

Phần nghiên cứu này tập trung vào sự thay đổi góc thoát ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm Với góc thoát thay đổi từ 40-70 độ, ta sẽ thấy rõ sự thay đổi về hiệu suất của bơm tương ứng với mỗi góc thoát Thông số của mô hình được thể hiện trong Bảng 3.7

53 Bảng 3.7 Thông số cánh với góc thoát khác nhau

Số cánh (z) 8 Đường kính hút của cánh (D1) 30 mm Đường kính ngoài của cánh (D2) 130 mm

Sau khi có mô hình cánh bơm ta thực hiện các bước mô phỏng

- Bước 1: Thiết lập miền tính toán của mô hình được thực hiện bằng cách chia hai vùng độc lập Một vùng là vùng bao quanh cánh quạt được gọi là vùng xoay (rotating) Vùng còn lại là vùng dòng chảy của chất lỏng trong bơm (fluid flow) và vùng này không bao gồm vùng xoay Giữa hai vùng được thiết lập interface để có sự trao đổi lưu chất và các hạt của dòng hai pha

- Bước 2: Lưới hóa mô hình sau khi thiết lập miền tính toán, toàn bộ mô hình 3D được đưa vào phần mềm Star CCM+ để thực hiện chia lưới Mô hình lưới Polyhedral Meshet được sửa dụng cho bài mô phỏng Thông số lưới được thể hiện trong Bảng 3.4 Hình 3.16 mô tả kết quả chia lưới của phần mềm đối với mô hình bơm với số cánh là tám

Hình 3.16 Hội tụ của mô hình tám cánh

- Bước 3 Thiết lập điều kiện biên và thực hiện mô phỏng Trong bài toán mô phỏng, xác định đúng điều kiện biên quyết định tính đúng đắn và chính xác của quá trình mô phỏng Thiết lập điều kiện biên không chính xác dẫn đến mô phỏng khó hội tụ và kết quả cuối cùng sẽ dễ bị sai lệch với mô hình thực tế Tương ứng với mỗi bài toán mà người mô phỏng thiết lập các điều kiện biên phù hợp Trong nghiên cứu này, mô phỏng dòng chảy trong bơm là dòng lưu chất thực có ma sát nhớt, dòng chảy rối và không tính đến sự thay đổi nhiệt độ Vì vậy, mô hình rối realizable 𝑘−𝜀 là phù hợp để áp dụng tính toán mô phỏng Các điều kiện biên cho tính toán mô phỏng bơm bao gồm:

 Chọn giải thuật : Giải phương trình năng lượng, phương trình liên tục và phương trình động lượng

 Tiêu chuẩn hội tụ 1e-6 (Hình 3.16)

 Mô hình mô phỏng: sử dụng mô hình rối realizable 𝑘−𝜀 của mô hình RANS

 Phương pháp nội suy: Implicit Unsteady

 Dòng hai pha: Lagrangian Multiphase Điều kiện biên cho đầu vào của bơm được thiết lập theo vận tốc đầu vào (Velocity inlet) và đầu ra của bơm được thiết lập theo áp suất đầu ra (Pressure Outlet) Thông số thiết lập được thể hiện trong Bảng 3.5

- Bước 4: Thực hiện mô phỏng và xử lý kết quả Kết quả mô phỏng được thể hiện trong các phần 3.3.2.1 và 3.3.2.2

3.3.2.1 Phân bố áp suất trên cánh bơm

THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Mô hình thí nghiệm

Từ kết quả mô phỏng xác định được biên dạng cánh bơm với số cánh là 8 và góc thoát là 50o là tối ưu cho cho bơm bùn Vì vậy ta tiến hành thực nghiệm với mô hình đơn giản nhằm đưa ra đường đặc tính của cánh bơm mới Ngoài đưa ra đường đặc tính mới ta còn so sánh đường đặc tính của cánh bơm mới so với cánh bơm của bơm bùn FN-35P và so sánh kết quả với kết quả quá trình mô phỏng

Nguyên lí vận hành của mô hình: bơm hoạt động dẫn lưu lượng nước chảy qua đồng hồ đo áp suất nước tại đây ta ghi nhận giá trị áp suất của lưu chất Giá trị áp suất này tương đương với chiều cao cột áp tương ứng Van tiết lưu được sử dụng để tăng giảm áp suất của lưu chất Đồng hồ đo lưu lượng dạng tua-bin được sử dụng để ghi lại lưu lượng lưu chất của bơm tương ứng với chiều cao cột áp tương ứng Khi thực hiện thí nghiệm ta mở van tiết lưu và khỏi động bơm, ghi nhận lại giá trị áp suất và giá trị lưu lượng của bơm Tiếp theo điều chỉnh van tiết lưu giảm lưu lượng của bơm xuống và ghi nhận lại giá trị áp suất và lưu lượng thực Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 4.1

Sơ đồ mô hình thí nghiệm được mô tả trong Hình 4.1 Hình 4.2 mô tả mô hình thực nghiệm trên thực tế

Hình 4.1 Sơ đồ mô hình thực nghiệm

60 Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm

Hình 4.3 Máy CNC Haas VF2 Các thiết bị được sử dụng trong mô hình thực nghiệm gồm:

- Cánh bơm được gia công bằng vật liệu nhựa POM (Hình 4.5) do giới hạn về thời gian Vật liệu này có thể chạy thực nghiệm để đưa ra kết quả nhưng nếu sử dụng cho thực tế nên dùng vật liệu bằng thép để tăng độ bền cơ tính và tuổi thọ sản phẩm Cánh bơm được gia công

61 trên máy CNC Haas VF2 tại PTN gia công tiên tiến Hình 4.6 mô tả cánh bơm được lắp vào bơm bùn

- Bơm chìm 5HP: bơm FN-35P

- Đồng hồ đo áp suất HV giới hạn đo 10 bar

- Van tiết lưu nhựa DN50

- Đồng hồ đo lưu lượng Woltmant T-Flow

Hình 4.4 Gia công cánh bơm Hình 4.5 Cánh bơm sau gia công

Hình 4.6 Lắp ráp bơm và cánh bơm

Kết quả thí nghiệm

Sau khi thực nghiệm với với điều chỉnh các chiều cao cột áp khác nhau ta thu được bảng kết quả về áp suất và lưu lượng trong Bảng 4.1 Đường đặc tính của bơm được thể hiện trong Hình 4.7

62 Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm Chiều cao cột áp (m) Lưu lượng (m3/h)

Hình 4.7 Đường đặc tính của bơm khi thực nghiệm

So sánh kết quả của mô phỏng CFD và thực nghiệm cho thấy có sự chênh lệch giữa hai phương pháp, tuy nhiên sai số nằm trong phạm vi chấp nhận được Đường đặc tính trong Hình 4.8 minh họa sự khác biệt giữa đường đặc tính thực nghiệm và đường đặc tính mô phỏng của bơm.

63 Hình 4.8 Đánh giá lưu lượng giữa mô phỏng và thực tế

Đánh giá kết quả với bơm bùn FN-35P

Trong mô hình này ta sử dụng bơm bùn/rác thải FN-35P do giới hạn về kinh phí và thời gian nên không thể làm vỏ bơm và sử dụng loại bơm bùn do chúng chịu đươc tính mài mòn cao Trong phần này ta chỉ thay đổi thông số công nghệ cánh bơm để tạo ra bơm có hiệu suất cao hơn và chịu được tính mài mòn do các hạt rắn trong chất lỏng gây ra Thông số của bơm được liệt kê trong Bảng 4.2 Biên dạng cánh bơm bùn được thể hiện trong Hình 4.9 Đường đặc tính của bơm được thể hiện trong Hình 4.10

Bảng 4.2 Thông số bơm FN-35P

Mã bơm Công suất Số pha Chiều cao cột áp

Kích thước hạt rắn (mm)

Hình 4.9 Biên dạng cánh bơm FN-35P

64 Hình 4.10 Đường đặc tính của bơm FN-35P [17]

Ta tiến hành so sánh đường đặc tính của bơm bùn loại FN-35P với loại bơm được gắn cánh mới trong Hình 4.11

Hình 4.11 Kết quả cánh bơm mới với bơm FN-35P

Kết luận

Thí nghiệm đã được thực hiện trên cánh bơm mới đước so sánh với kết quả mô phỏng và đường đặc tính của cánh bơm cũ Kết quả tốt khi so với thí nghiệm mô phỏng không cho sai số quá lớn Từ đó có thể thấy rằng kết quả mô phỏng khá đúng với điều kiện thực tế tại Việt Nam, những thông số này có thể áp dụng cho các bài mô phỏng tiếp theo về các thông số công nghệ khác của bơm Điều này tiết kiemej thời gian tinh chỉnh thông số mô phỏng của các đề tài liên quan đến lĩnh vực bơm bùn trong tương lai

65 Đối với kết quả so sánh với cánh bơm gốc của bơm FN-35P, ta thấy được hiệu quả rõ rệt của cánh bơm mới so với cánh bơm bùn gốc Cánh bơm bùn mới có số cánh nhiều hơn so với cánh bơm bùn cũ và cho chiều cao cột áp và hiệu suất cao hơn Loại cánh mới này phù hợp cho việc hút bùn loãng tại các vùng ao nuôi cá tra tại Việt Nam Bài nghiên cứu sử dụng phần vỏ bơm của bơm bùn là bởi vì chưa đủ kinh phí để thực hiện việc sản xuất vỏ bơm bùn Vỏ bơm bùn có khả năng chống xâm thực và mài mòn tốt hơn vỏ bơm dùng cho việc bơm nước sạch Vậy nên việc sử dụng vỏ bơm bùn là hợp lí Với phầ kinh phí cao hơn ta có thể thiết kế riêng lại phần vỏ bơm cho bơm bùn thải của ao nuôi cá tra với hiệu suất cao hơn nữa do có thể giảm thiếu phần hiệu suất thể tích của bơm do hiện tượng tái tuần hoàn trên đầu vào và đầu ra cho bơm

So sánh với dòng bơm 5HP tương tự đến từ Đài Loan có bảy cánh (mã bơm: FN-35U) của cùng một hãng HCP, cánh bơm mới vẫn cho hiệu suất cao hơn so với cánh bơm đến từ hãng HCP Điều này chứng tỏ cánh bơm có sẵn trên thị trường chưa đáp ứng được yêu cầu về hiệu suất cao trong điều kiện hút bùn ao nuôi cá tra tại Việt Nam Bởi vậy, việc nghiên cứu loại bơm mới phục vụ cho mục đích này là rất cần thiết.