nghiên cứu mô phỏng vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén kết hợp phương pháp phần tử rời rạc và động lực học chất lỏng tính toán

LỜI CẢM ƠN Luận văn: “Nghiên cứu mô phỏng vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén kết hợp phương pháp phần tử rời rạc và động lực học chất lỏng tính toán” đã được hoàn thành với sự đúc kết c

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

NGUYỄN XUÂN SƠN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN NGUYÊN LIỆU BẰNG KHÍ NÉN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

NGUYỄN XUÂN SƠN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VẬN CHUYỂN NGUYÊN LIỆU BẰNG KHÍ NÉN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ RỜI RẠC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LỎNG TÍNH TOÁN

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số: 8520116

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ TIẾN THỊNH

HÀ NỘI - 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

Trang 3

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN IV LỜI CAM ĐOAN V DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ VI DANH MỤC BẢNG BIỂU XII DANH MỤC VIẾT TẮT XIII

MỞ ĐẦU 1

GIỚI THIỆU CHUNG 1

LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 2

Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 9

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 11

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 12

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

KẾT LUẬN CỦA CHƯƠNG 21

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 22

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ HÌNH DẠNG CỦA HẠT NÔNG SẢN 22

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA HẠT NÔNG SẢN 31

THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH TƯƠNG TÁC 32

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 48

KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC DÒNG KHÍ – HẠT 48

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC DÒNG KHÍ – HẠT NÔNG SẢN: TRƯỜNG HỢP ỐNG THẲNG 54

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC DÒNG KHÍ – HẠT NÔNG SẢN: TRƯỜNG HỢP ỐNG KHUỶU 69

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 85

KẾT LUẬN 85

KHUYẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Luận văn: “Nghiên cứu mô phỏng vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén kết hợp

phương pháp phần tử rời rạc và động lực học chất lỏng tính toán” đã được hoàn thành

với sự đúc kết các kinh nghiệm và kiến thức chuyên ngành của tôi trong chương trình

học Cao học tại Khoa Kỹ thuật ô tô và năng lượng trường Đại học Phenikaa

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài này tôi đã nhận được rất

nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp Với lòng thành kính và biết ơn

sâu sắc, tôi xin trân trọng cảm ơn:

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm của TS Lê Tiến Thịnh

đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn và trong quá trình học tập

Xin cảm ơn chân thành tới sự truyền đạt kiến thức tận tâm, sự hỗ trợ quý báu của các

thầy cô trong Khoa Kỹ thuật ô tô và năng lượng trường Đại học Phenikaa cùng toàn thể

các thầy cô đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường

Trong quá trình thực hiện luận văn tôi cũng rất cảm ơn lãnh đạo, đồng nghiệp tại

Nhà máy đá Viscotone Hòa Lạc đã hỗ trợ cung cấp các thông tin, động viên, giúp đỡ để

tôi có điều kiện hoàn thành luận văn và chương trình học

Tôi luôn biết ơn sự giúp đỡ vô tư, tận tình của các anh chị đi trước, bạn bè, đồng

nghiệp là những người luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Cảm ơn gia đình luôn là hậu phương vững chắc cho tôi trong những ngày tháng khó

khăn nhất

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 04 năm 2024

Nguyễn Xuân Sơn

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của TS Lê Tiến Thịnh Các số liệu và kết quả nghiên cứu, bao gồm phần phụ lục trong luận văn, là trung thực và khách quan, đã được sự đồng ý của cơ

sở nơi nghiên cứu Nghiên cứu này không trùng lặp với bất kỳ nghiên cứu nào khác

đã được công bố

(Học viên ký, ghi rõ họ và tên)

Nguyễn Xuân Sơn

XÁC NHẬN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Tôi, Lê Tiến Thịnh, xác nhận luận văn thạc sỹ khoa học của tác giả Nguyễn Xuân Sơn là công trình nghiên cứu của tác giả dưới sự hướng dẫn của tôi

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và đảm bảo đầy đủ tính khoa học của một luận văn thạc sỹ

Cán bộ hướng dẫn

TS Lê Tiến Thịnh

Trang 6

DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ

Hình 2.1 Hình ảnh 4 hạt nông sản xem xét trong nghiên cứu này : gạo tẻ, gạo nếp, ngô

và vừng 10

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý đo kích thước hình dạng hạt sử dụng xử lý ảnh 23

Hình 3.2 Hình ảnh chụp chùm hạt lần lượt cho gạo tẻ, gạo nếp, ngô và vừng (vật chuẩn là viên bi có kích thước đường kính 6mm) 23

Hình 3.3 Sơ đồ miêu tả cách hình tròn diện tích tương đương và hình elip tương đương 24

Hình 3.4 Minh hoạ giá trị của hai hệ số hình dạng CIRC và EL trong việc so sánh độ tròn trịa của vật thể so với hình tròn tuyệt đối 25

Hình 3.5 Hình ảnh dụng cụ thí nghiệm sàng rây 25

Hình 3.6 Hình ảnh các hạt ngô trước và sau khi xử lý ảnh 26

Hình 3.7 Hình ảnh các hạt gạo nếp trước và sau khi xử lý ảnh 27

Hình 3.8 Kết quả biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô từ xử lý ảnh 27

Hình 3.9 Kết quả biểu đồ phân bố kích thước hạt gạo nếp từ xử lý ảnh 27

Hình 3.10 Kết quả biểu đồ phân bố kích thước hạt vừng từ xử lý ảnh 28

Hình 3.11 Kết quả biểu đồ phân bố hình dạng hạt từ xử lý ảnh 28

Hình 3.12 Kết quả đo kích thước hạt nông sản từ sàng rây : khối lượng hạt 30

Hình 3.13 Kết quả đo kích thước hạt nông sản từ sàng rây : phần trăm khối lượng 30

Hình 3.14 Dụng cụ thực hiện thí nghiệm đo khối lượng riêng hạt nông sản 31

Hình 3.15 Thí nghiệm đo góc ma sát nghỉ của hạt nông sản và hình ảnh đo cho hạt vừng và hạt gạo tẻ 33

Hình 3.16 Mô tả cách xác định hệ số ma sát trượt giữa hạt nông sản và vật liệu làm thành ống bằng phương pháp mặt phẳng ngang 34

Hình 3.17 Sơ đồ đo hệ số hoàn nguyên 34

Hình 3.18 Hình ảnh quá trình thí nghiệm xả silo cho hạt ngô 36

Trang 7

Hình 3.19 Hình ảnh quá trình thí nghiệm xả silo lỗ tròn đúng tâm 37 Hình 3.20 Hình ảnh quá trình thí nghiệm xả silo lỗ tròn lệch tâm 37 Hình 3.21 Hình ảnh đối sánh mô phỏng – thí nghiệm xả silo hạt nhựa hình cầu 42 Hình 3.22 Hình ảnh đồ thị khối lượng hạt bi nhựa còn lại trong silo theo thời gian, cùng các hình ảnh mô phỏng tương ứng 42 Hình 3.23 Hình ảnh mặt cắt silo trong quá trình xả bi nhựa theo thời gian: nhận thấy 2 vùng rõ rệt: vùng bị xả và vùng bị giữ lại 43 Hình 3.24 Kết quả đối sánh khối lượng hạt còn lại trong silo giữa mô phỏng - thí nghiệm cho xả silo hạt nhựa hình cầu 43 Hình 3.25 Kết quả đối sánh chiều cao hạt còn lại trong silo giữa mô phỏng - thí nghiệm cho xả silo hạt nhựa hình cầu 44 Hình 3.26 Hình ảnh đối sánh mô phỏng – thí nghiệm xả silo hạt gạo tẻ 45 Hình 3.27 Hình ảnh đồ thị khối lượng hạt gạo tẻ còn lại trong silo theo thời gian, cùng các hình ảnh mô phỏng tương ứng 45 Hình 3.28 Hình ảnh mặt cắt silo trong quá trình xả gạo tẻ theo thời gian: nhận thấy 2 vùng rõ rệt: vùng bị xả và vùng bị giữ lại 46 Hình 4.1 Miêu tả bài toán kiểm chứng Wang và cộng sự [20] cùng các thông số khí-hạt 48 Hình 4.2 So sánh các thông số (a-b) áp suất động và (c-d) phân bố mật độ hạt, tại mặt cắt x=7.5m, giữa Wang và cộng sự [20] và nghiên cứu này (có sự đồng ý sử dụng ảnh) 49 Hình 4.3 So sánh sự phân bố hạt và vận tốc hạt tại mặt cắt x=7.5m, giữa Wang và cộng

sự [20] và nghiên cứu này (có sự đồng ý sử dụng ảnh) 50 Hình 4.4 So sánh giá trị trung bình vận tốc hạt của 3 vùng phân biệt tại mặt cắt x=7.5m, giữa Wang và cộng sự [20] và nghiên cứu này 50 Hình 4.5 Miêu tả bài toán kiểm chứng Liu và cộng sự [14] cùng các thông số khí-hạt 51

Trang 8

Hình 4.6 Ba mô hình ống khuỷu xem xét trong Liu và cộng sự [14]: R/d=1, R/d=3 và R/d=5 51 Hình 4.7 So sánh biểu đồ màu áp suất trong trường hợp R/d=1 và vận tốc khí mặt đầu vào 15 m/s (có sự đồng ý sử dụng lại hình ảnh từ Liu và cộng sự [14]) 52 Hình 4.8 So sánh biểu đồ màu áp suất trong trường hợp R/d=3 và vận tốc khí mặt đầu vào 15 m/s (có sự đồng ý sử dụng lại hình ảnh từ Liu và cộng sự [14]) 52 Hình 4.9 So sánh biểu đồ màu áp suất trong trường hợp R/d=5 và vận tốc khí mặt đầu vào 15 m/s (có sự đồng ý sử dụng lại hình ảnh từ Liu và cộng sự [14]) 53 Hình 4.10 Đối sánh độ giảm áp suất giữa Liu và cộng sự [14] và nghiên cứu này 53 Hình 4.11 Mô hình mô phỏng trường hợp ống thẳng cho các hạt nông sản ngô, gạo nếp, gạo tẻ, vừng Các thông số điều kiện biên được thể hiện 54 Hình 4.12 Thể hiện quỹ đạo các hạt dọc theo ống cùng vị trí các vùng xem xét 54 Hình 4.13 So sánh ảnh hưởng của mô phỏng tương tác hai chiều khí-hạt: sự vận chuyển hạt làm thay đổi cục bộ các yếu tố (a-b) vận tốc dòng khí, (c-d) áp suất động dòng khí, (e-f) cường độ rối dòng khí 55 Hình 4.14 So sánh hai vùng phun hạt vào và vùng phân tích xung quanh mặt cắt x=7.5m: (a-b) quỹ đạo hạt và biểu đồ vận tốc hạt, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí 57 Hình 4.15 Độ giảm áp của các trường hợp có cùng thiết lập vận tốc khí đầu vào 22m/s

và lưu lượng q=0.2kg/s (trường hợp không vận chuyển cũng được thể hiện) 58 Hình 4.16 Ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s) tới các yếu tố áp suất động dòng khí và mật độ hạt tại mặt cắt x=7.5m, hạt ngô, lưu lượng q=0.2kg/s 59 Hình 4.17 Ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s) tới các yếu tố áp suất động dòng khí và mật độ hạt tại mặt cắt x=7.5m, hạt gạo nếp, lưu lượng q=0.2kg/s 59

Trang 9

Hình 4.18 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua mặt cắt, cùng biểu đồ phân bố vận tốc nhóm hạt qua mặt cắt: ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s), mặt cắt x=7.5m, hạt ngô, lưu lượng q=0.2kg/s 60 Hình 4.19 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua mặt cắt, cùng biểu đồ phân bố vận tốc nhóm hạt qua mặt cắt: ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s), mặt cắt x=7.5m, hạt gạo nếp, lưu lượng q=0.2kg/s 61 Hình 4.20 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua mặt cắt, cùng biểu đồ phân bố vận tốc nhóm hạt qua mặt cắt: ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s), mặt cắt x=7.5m, hạt gạo tẻ, lưu lượng q=0.2kg/s 61 Hình 4.21 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua mặt cắt, cùng biểu đồ phân bố vận tốc nhóm hạt qua mặt cắt: ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s), mặt cắt x=7.5m, hạt vừng, lưu lượng q=0.2kg/s 62 Hình 4.22 Độ giảm áp của các trường hợp khi tăng vận tốc khí đầu vào 22m/s lên 30m/s, lưu lượng q=0.2kg/s (trường hợp không vận chuyển cũng được thể hiện) 63 Hình 4.23 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt (0.2kg/s và 0.6kg/s) tới các yếu tố áp suất động dòng khí và mật độ hạt tại mặt cắt x=7.5m, hạt ngô, vận tốc dòng khí V=22m/s 64 Hình 4.24 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt (0.2kg/s và 0.6kg/s) tới các yếu tố áp suất động dòng khí và mật độ hạt tại mặt cắt x=7.5m, hạt gạo nếp, vận tốc dòng khí V=22m/ 64 Hình 4.25 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua mặt cắt, cùng biểu đồ phân bố vận tốc nhóm hạt qua mặt cắt: ảnh hưởng của lưu lượng hạt (0.2kg/s và 0.6kg/s), mặt cắt x=7.5m, hạt ngô, vận tốc dòng khí 22m/s 65 Hình 4.26 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua mặt cắt, cùng biểu đồ phân bố vận tốc nhóm hạt qua mặt cắt: ảnh hưởng của lưu lượng hạt (0.2kg/s và 0.6kg/s), mặt cắt x=7.5m, hạt gạo nếp, vận tốc dòng khí 22m/s 65 Hình 4.27 Độ giảm áp của các trường hợp khi tăng lưu lượng hạt từ 0.2kg/s lên 0.6kg/s, vận tốc dòng khí V=22m/s 66

Trang 10

Hình 4.28 Mô hình mô phỏng trường hợp ống khuỷu cho các hạt nông sản ngô, gạo nếp, gạo tẻ, vừng Các thông số điều kiện biên được thể hiện 69 Hình 4.29 Thể hiện quỹ đạo các hạt cùng phóng to khu vực ống khuỷu (vận chuyển hạt ngô, V=22m/s, q=0.2kg/s) 70 Hình 4.30 So sánh ảnh hưởng của mô phỏng tương tác hai chiều khí-hạt: sự vận chuyển hạt làm thay đổi cục bộ các yếu tố (a-b) áp suất tĩnh dòng khí, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí 71 Hình 4.31 Phóng to khu vực ống khuỷu: So sánh ảnh hưởng của mô phỏng tương tác hai chiều khí-hạt: sự vận chuyển hạt làm thay đổi cục bộ các yếu tố (a-b) áp suất tĩnh dòng khí, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí 73 Hình 4.32 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua 2 mặt cắt: vận tốc đầu vào dòng khí 22m/s, hạt ngô, lưu lượng q=0.2kg/s 74 Hình 4.33 So sánh ảnh hưởng của ống khuỷu làm thay đổi các đặc tính vận chuyển tại 2 mặt cắt 1 và 2 (trước và sau ống khuỷu): (a-b) vận tốc dòng khí, (c-d) áp suất động dòng khí, (e-f) mật độ hạt, (g-h) cường độ rối dòng khí 75 Hình 4.34 So sánh ảnh hưởng của vận tốc dòng khí tới các đặc tính vận chuyển: (a-b) áp suất tĩnh dòng khí, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí Vận chuyển hạt ngô, lưu lượng q=0.2kg/s 77 Hình 4.35 Phóng to khu vực ống khuỷu: So sánh ảnh hưởng của vận tốc dòng khí tới các đặc tính vận chuyển: (a-b) áp suất tĩnh dòng khí, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí Vận chuyển hạt ngô, lưu lượng q=0.2kg/s 78 Hình 4.36 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua 2 mặt cắt: ảnh hưởng của vận tốc đầu vào dòng khí (22m/s và 30m/s), hạt ngô, lưu lượng q=0.2kg/s 79 Hình 4.37 So sánh ảnh hưởng của lưu lượng hạt tới các đặc tính vận chuyển: (a-b) áp suất tĩnh dòng khí, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí Vận chuyển hạt ngô, vận tốc dòng khí 22m/s 81

Trang 11

Hình 4.38 Phóng to khu vực khuỷu: So sánh ảnh hưởng của lưu lượng hạt tới các đặc tính vận chuyển: (a-b) áp suất tĩnh dòng khí, (c-d) vận tốc dòng khí, (e-f) áp suất động dòng khí, (g-h) cường độ rối dòng khí Vận chuyển hạt ngô, vận tốc dòng khí 22m/s 82 Hình 4.39 Phân bố hạt và vận tốc hạt qua 2 mặt cắt: ảnh hưởng của lưu lượng hạt (0.2kg/s

và 0.6kg/s), hạt ngô, vận tốc dòng khí 22m/s 83 Hình 4.40 Độ giảm áp của các trường hợp đi qua ống khuỷu cho vận chuyển hạt ngô.83

Trang 12

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Kết quả chi tiết phân tích kích thước và hình dạng hạt nông sản từ xử lý ảnh 28 Bảng 3.2 Kết quả chi tiết đo sàng rây và đường kính trung bình 30 Bảng 3.3 Kết quả đo khối lượng riêng 32 Bảng 3.4 Thống kê các đặc tính tương tác bao gồm hệ số ma sát trượt, hệ số ma sát lăn,

hệ số hoàn nguyên, giữa hạt nông sản với nhau và hạt nông sản với vật liệu làm đường ống 32 Bảng 3.5 Thông số thí nghiệm xả silo 35 Bảng 3.6 Kết quả đo hệ số ma sát trượt giữa hạt nông sản và vật liệu làm thành ống 38 Bảng 3.7 Kết quả đo hệ số hoàn nguyên 39 Bảng 3.8 Kết quả đo xả silo 40 Bảng 3.9 Phần trăm sai lệch đối sánh giữa mô phỏng - thí nghiệm cho xả silo hạt nhựa hình cầu 44 Bảng 3.10 Kết quả các hệ số tương tác giữa các hạt với nhau 46 Bảng 4.1 Miêu tả thông số chạy giải bài toán kiểm chứng Wang và cộng sự [25] 48 Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng tính toán cho trường hợp ống thẳng vận chuyển hạt nông sản 67

Trang 13

DANH MỤC VIẾT TẮT

Reynolds

Reynolds-averaged Navier–Stokes

Trang 14

MỞ ĐẦU

Giới thiệu chung

Vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén là phương pháp thường được sử dụng để vận chuyển các hạt rắn như hạt nông sản, than đá, xi măng, hóa chất dạng hạt và chip nhựa, vv [1] So với các phương pháp vận chuyển truyền thống như sử dụng băng tải, xe nâng, v.v., vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm hiệu quả cao, linh hoạt, an toàn, vệ sinh, thân thiện với mô trường [2,3] Thật vậy,

hệ thống vận chuyển khí nén có thể vận chuyển lượng lớn hạt trong thời gian ngắn với chi phí thấp Hệ thống có thể dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với nhiều địa hình và nhu cầu vận chuyển khác nhau Hơn nữa, hệ thống hạn chế nguy cơ hư hỏng hạt nông sản do

va đập hay tiếp xúc trực tiếp với con người Bên cạnh đó, hệ thống vận chuyển giúp giữ cho hạt nông sản luôn sạch sẽ và vệ sinh Cuối cùng, hệ thống vận chuyển ít tiếng ồn và bụi bẩn, góp phần bảo vệ môi trường

Trong ngành sản xuất dược phẩm, vận chuyển khí nén được sử dụng cho bột penicillin trong quy trình sản xuất thuốc viên [4] Trong ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, vận chuyển khí nén được sử dụng để vận chuyển bột đá thạch anh nhân tạo với các kích cỡ khác nhau [5] Trong ngành nông nghiệp, vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều giai đoạn như gieo trồng, thu hoạch, hậu xử lý và bảo quản hạt nông sản Trong các ngành công nghiệp nhiệt điện, tro bay là một dạng bụi khí thải hạt mịn xuất hiện trong quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá, được vận chuyển bằng khí nén trong các nhà máy nhiệt điện [6] Trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy, hệ thống vận chuyển đất cát tại chỗ để phun vào đám cháy, dập tắt các đám cháy rừng, đã được nghiên cứu và phát triển [7] Ngoài ra, hệ thống có thể được sử dụng

để vận chuyển hạt từ nơi này sang nơi khác bên trong nhà máy để bảo quản hoặc xử lý, hoặc vận chuyển từ silo ra xe tải một cách nhanh chóng và dễ dàng [8]

Trang 15

Có nhiều phương pháp mô phỏng vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén, bao gồm phương pháp phần tử rời rạc (DEM), phương pháp động lực học thuỷ khí tính toán (CFD)

và phương pháp kết hợp DEM-CFD [9] Phương pháp DEM mô phỏng chuyển động của từng hạt nguyên liệu riêng lẻ, mô tả chi tiết sự tương tác giữa các hạt Phương pháp động lực học thuỷ khí tính toán (CFD) Phương pháp này mô phỏng dòng khí nén như một dòng lưu chất liên tục, mô tả sự phân bố áp suất, tốc độ và hướng dòng trong hệ thống Phương pháp kết hợp DEM-CFD: kết hợp DEM và CFD để mô phỏng chi tiết hơn quá trình vận chuyển khí nén, bao gồm cả chuyển động của hạt nguyên liệu và dòng khí nén [10] Lựa chọn phương pháp nghiên cứu mô phỏng phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại nguyên liệu, kích thước hạt, mật độ, tính chất vật liệu Yếu tố thứ hai bao gồm các điều kiện vận hành như tốc độ khí nén, áp suất khí nén, kích thước ống dẫn Nghiên cứu mô phỏng có nhiều lợi ích như cung cấp thông tin chi tiết về quá trình vận chuyển khí nén, giúp thiết kế hệ thống hiệu quả với các mục tiêu đặt ra [11]

Lý do lựa chọn đề tài

Các lý do chính để lựa chọn đề tài như sau:

• Dù vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén có vai trò rất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, tuy nhiên, việc nắm bắt các tương tác bên trong đường ống cũng như quá trình thiết kế và vận hành hệ thống một cách hiệu quả vẫn còn nhiều thách thức

• Hiệu quả của mô phỏng DEM-CFD: Mô phỏng DEM-CFD kết hợp phương pháp phần tử rời rạc (DEM) và động lực học thuỷ khí tính toán (CFD) là công cụ mạnh mẽ giúp mô phỏng chi tiết sự tương tác giữa các hạt nguyên liệu và dòng khí, cung cấp thông tin chính xác về hiệu quả vận chuyển, áp suất, v.v Nhờ vậy, mô phỏng DEM-CFD giúp tối ưu hóa thiết

kế hệ thống, giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả và an toàn cho hệ thống

Trang 16

• Tính mới và tiềm năng ứng dụng: Kết hợp DEM và CFD để mô phỏng vận chuyển khí nén là lĩnh vực nghiên cứu mới và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để thiết kế và vận hành hiệu quả các hệ thống vận chuyển khí nén trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

• Khả năng thực hiện: Đã có nhiều nghiên cứu về mô phỏng DEM-CFD trong vận chuyển nguyên liệu, cung cấp cơ sở lý luận và dữ liệu cho nghiên cứu Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như Ansys Fluent, OpenFoam, Altair Acusolve đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi Với sự phát triển của công nghệ tính toán, việc thực hiện mô phỏng DEM-CFD ngày càng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đầu tiên, đề tài góp phần vào sự phát triển của mô hình DEM-CFD Nghiên cứu này sẽ góp phần hoàn thiện và phát triển mô hình DEM-CFD trong lĩnh vực vận chuyển khí nén, đặc biệt trong vận chuyển hạt nông sản Các mô hình DEM-CFD hiện tại vẫn còn một số hạn chế như độ chính xác chưa cao, khả năng mô phỏng các hiện tượng phức tạp chưa tốt Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình DEM-CFD để áp dụng hiệu quả hơn cho các hệ thống vận chuyển hạt nông sản

Từ đó, đề tài góp phần nâng cao hiểu biết về quá trình vận chuyển khí nén hạt nông sản Mô hình mô phỏng DEM-CFD giúp đưa ra thông tin chi tiết quá trình vận chuyển khí nén, bao gồm sự chuyển động của các hạt nguyên liệu, sự tương tác giữa các hạt và dòng khí nén, sự phân bố áp suất trong hệ thống, v.v Nhờ vậy, nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao hiểu biết về các quy luật chi phối quá trình vận chuyển khí nén, từ đó đưa

ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả vận chuyển Việc hiểu rõ hơn về quá trình vận chuyển khí nén sẽ giúp thiết kế các hệ thống vận chuyển hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn

Trang 17

Từ đó, đề tài xây dựng mối quan hệ chi tiết giữa các đặc tính cơ lý của hạt nông sản và các thông số của hệ thống vận chuyển như độ giảm áp, lưu lượng, vận tốc dòng khí

Cuối cùng, đề tài cung cấp công cụ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống vận chuyển khí nén Mô hình DEM-CFD được phát triển trong nghiên cứu này có thể được sử dụng như một công cụ thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả cho các hệ thống vận chuyển khí nén Bằng cách mô phỏng các thiết kế khác nhau của hệ thống, có thể lựa chọn thiết kế tối ưu nhất

về hiệu quả vận chuyển, v.v

Trang 18

Do việc vận chuyển bằng khí nén có liên quan đến dòng chảy hai pha khí-rắn, nên việc mô hình hóa/mô phỏng thường được dựa trên các phương pháp tiếp cận mô hình lai Eulerian-Eulerian hoặc Eulerian-Lagrangian [14] Đối với tiếp cận Eulerian-Eulerian, mỗi pha được giả định hoạt động giống như một môi trường liên tục Các hệ phương trình bảo toàn được sử dụng cho từng pha; do đó, cần có ba phương trình bổ sung chi phối sự truyền khối lượng, động lượng và năng lượng giữa các pha để mô hình hóa sự tương tác giữa các pha [15] Trong mô hình Eulerian-Lagrangian, các hạt rắn được tách khỏi pha liên tục và quỹ đạo của nhiều hạt riêng lẻ được tính toán, do đó còn được gọi

là phương pháp tiếp cận quỹ đạo hạt [16] Do đó, trong mô hình Eulerian-Lagrangian, các phương trình chủ đạo là định luật thứ hai của Newton cộng với các phương trình của trường dòng lưu chất

Nhận thấy rằng các công trình gần đây trong mô hình vận chuyển bằng khí nén tập trung vào hai loại chính Một là dành riêng cho việc nghiên cứu đặc tính dòng chảy trong các bộ phận đường ống riêng lẻ như ống thẳng, ống khuỷu Chu và Yu [17], Liu và cộng sự [14], Greifzu và cộng sự [18], Zhao và cộng sự [19] Thứ hai, các nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa dòng chảy trong một hệ thống máy hoàn chỉnh hoặc kết hợp của nhiều thành phần đường ống Yang và cộng sự [16], Foroushani và cộng sự [15],

Trang 19

Wang và cộng sự [20], Bourges và cộng sự [21], Lei và cộng sự [22], Lei và cộng sự [1] Các công trình liên quan đến nhóm đầu tiên thường xem xét các chi tiết đặc trưng của dòng chảy như phân bố phần thể tích hạt trên các mặt cắt ngang đường ống khác nhau, chiều dài phát triển đầy đủ và ảnh hưởng của các điều kiện vận hành khác nhau đến các đặc tính dòng chảy đó Ở khía cạnh còn lại, các công trình ở nhóm thứ hai xem xét các khía cạnh tổng quát hơn như giảm áp suất dọc theo toàn bộ đường ống, yêu cầu về điện năng, công suất máy, v.v và ảnh hưởng của các điều kiện vận hành khác nhau

Bên cạnh đó, ảnh hưởng của các thông số cơ lý tính của hạt vận chuyển tới hiệu năng quá trình vận chuyển cũng rất được quan tâm Chu và Yu [17] đã sử dụng các hạt

có đường kính 2.8 mm để nghiên cứu khả năng vận chuyển khi đường ống có đoạn khuỷu Yang và cộng sự [16] nghiên cứu xem xét vận chuyển các hạt than đá với nhiều đường kính hạt từ 5,10,15,20mm Bourges và cộng sự [21] nghiên cứu hệ thống máy gieo hạt đậu nành sử dụng vận chuyển khí nén, với vận tốc hạt mặt cắt đầu vào 5m/s Tương tự như vậy, Bayati và Johnston [23] nghiên cứu vận chuyển hạt đậu xanh với đường kính 8-10mm và hạt lúa mì với đường kính 4.35mm Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng kích thước và mật độ hạt, cùng với hình dạng hạt có ảnh hưởng lớn tới hiệu năng của quá trình vận chuyển (độ giảm áp, mài mòn, ma sát, vv)

Hơn nữa, nghiên cứu vận chuyển hạt qua các khúc cong của đường ống cũng rất được quan tâm Dizajeyekan và cộng sự [24], , Zhou và cộng sự [9], Wang và cộng sự [25], Akeem K Olaleye và cộng sự [26], Ebrahimi và cộng sự [27], Ebrahimi và cộng

sự [28], Ebrahimi và cộng sự [29], Ariyaratne và cộng sự [30], Miao và cộng sự [31]

Có thể nói rằng các khúc cua tồn tại trong bất kỳ hệ thống đường ống vận chuyển bằng khí nén nào, từ các ngành công nghiệp sản xuất bột mì cho tới các thiết bị gieo hạt ngoài cánh đồng Chúng thường được sử dụng để cung cấp một hệ thống đường ống nhỏ gọn, linh hoạt Khi dòng khí-rắn hai pha đi qua các khúc cong, một số hiện tượng phức tạp xảy ra Zhang và cộng sự [32], Lain và cộng sự [33] Tồn tại sự phân tán của các hạt rắn sau khi đi qua đoạn cong Sau đó là việc gia tăng tương tác giữa tường-hạt và hạt-hạt,

Trang 20

gây ra các hiện tượng ăn mòn của thành ống Bên cạnh đó, việc giảm áp suất cũng xảy

ra trong đoạn cong này Do đó, việc tối ưu các thiết kế qua các đoạn ống cong đang được quan tâm mạnh mẽ Guner [3]

Sau khi tổng hợp tình hình nghiên cứu, có thể nhận thấy các điểm còn thiếu trong các nghiên cứu trước đây về lĩnh vực vận chuyển hạt nông sản bằng khí nén như sau:

1 Mô hình hóa các đặc tính của hạt nông sản:

• Hình dạng và kích thước của hạt: Hạt nông sản có hình dạng và kích thước không đồng đều, điều này có thể ảnh hưởng đến chuyển động của chúng trong dòng khí Các mô hình hiện tại thường sử dụng các hình dạng đơn giản như hình cầu hoặc hình elipsoid để mô phỏng hạt, điều này có thể dẫn đến độ chính xác thấp

• Tính chất cơ học, ma sát, tương tác của hạt: Hạt nông sản có tính chất khác nhau, chẳng hạn như độ ma sát Các tính chất này có thể ảnh hưởng đến dòng khí bên trong ống Các mô hình hiện tại thường bỏ qua các tính chất này hoặc sử dụng các giá trị ước tính đơn giản

• Dữ liệu thí nghiệm: Việc thiếu dữ liệu thí nghiệm chất lượng cao để xác minh các

mô hình mô phỏng là một thách thức lớn Dữ liệu thí nghiệm cần bao gồm thông tin về chuyển động của hạt, áp suất khí và các thông số khác

• Phương pháp xác minh: Việc phát triển các phương pháp xác minh mới và hiệu quả hơn để đánh giá độ chính xác của các mô hình mô phỏng là cần thiết Các phương pháp này cần có thể tính đến các yếu tố phức tạp như hình dạng và kích thước không đồng đều của hạt và dòng chảy nhiễu loạn

Trang 21

4 Mối quan hệ chi tiết giữa các đặc tính vận chuyển và cơ lý tính của hạt nông sản

Chưa có nhiều các nghiên cứu đề xuất chi tiết và định lượng mối quan hệ chi tiết giữa các thông số cơ lý tính của hạt nông sản và các đặc tính vận chuyển như độ giảm áp, lưu lượng, vận tốc dòng khí

Do đó, từ các điểm còn chưa được khai thác này, nhóm tác giả đề xuất các mục tiêu, đối tượng, nội dung, kế hoạch và phương pháp nghiên cứu, và được trình bày trong Chương tiếp theo

Trang 22

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn bao gồm 3 nhóm chính như sau:

• Nhóm “nguyên liệu vận chuyển” : bao gồm các hạt nông sản gạo tẻ, gạo nếp,

ngô, vừng Các hạt nông sản này có các thông số cơ lý tính như là :

o kích thước ;

o khối lượng ;

o hình dạng ;

o tính chất cơ học ;

o đặc tính tương tác (hệ số ma sát, hệ số hoàn nguyên)

• Nhóm “đường ống” : bao gồm các thông số như sau :

Đối tượng nguyên liệu vận chuyển – hạt nông sản

Các nguyên liệu vận chuyển – hạt nông sản xem xét trong nghiên cứu này là gạo

tẻ, gạo nếp, ngô, vừng Hình 2.1 trình bảy hình ảnh các hạt nông sản Các hạt nông sản

là những giống phổ thông, rất thông dụng trong tiêu dùng, không phải là những giống

đặc biệt Hơn thế nữa, các hạt nông sản này có sự thay đổi về hình dạng, kích thước và khối lượng giúp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình vận chuyển khí nén Ngoài

Trang 23

ra, các hạt nông sản khác cũng hoàn toàn có thể được áp dụng phương pháp nghiên cứu

o các thông số về độ ẩm không được xét tới trong nghiên cứu này

Cách xác định các thông số này được trình bày chi tiết ở mục Phương pháp thực

Trang 24

Đối tượng “đường ống”

Các đường ống trong hệ thống vận chuyển khí nén nói chung gồm các gồm một loạt các ống thẳng và khúc cua có thể được sắp xếp theo chiều ngang hoặc thẳng đứng, nghiêng hay cong bất kỳ trong không gian Phân loại cơ tính của đường ống có thể chia thành ống cứng (inox, nhôm) và ống mềm (nhựa, cao su) Trong nghiên cứu này, các thông số sau sẽ được tính tới :

o vật liệu tạo thành;

o đường kính trong;

o chiều dài ;

o ống thẳng và khuỷu

Đối tượng “dòng khí” bên trong đường ống

• Nhóm “dòng khí”: bao gồm các thông số như sau:

Mục tiêu cụ thể

+ Xây dựng được bộ thông số kỹ thuật của hạt nông sản gạo tẻ, gạo nếp, ngô,

vừng bao gồm khối lượng riêng, hình dạng, kích thước của hạt, hệ số ma sát trượt giữa

hạt rời rạc và vật liệu làm thành ống, hệ số hoàn nguyên giữa hạt rời rạc và vật liệu làm thành ống, bằng các thí nghiệm và mô phỏng;

+ Xây dựng mô hình mô phỏng đặc tính hạt nông sản gạo tẻ, gạo nếp, ngô, vừng

được vận chuyển trong đường ống thẳng, ống khuỷu;

Trang 25

+ Xây dựng mối quan hệ giữa các đặc tính trên và các thông số của hệ thống vận chuyển như độ giảm áp, lưu lượng, vận tốc dòng khí

Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu chi tiết của đề tài như sau:

• Mô hình hóa hệ thống vận chuyển khí nén:

o Xây dựng mô hình 3D chi tiết của hệ thống vận chuyển khí nén cho các trường hợp ống thẳng và ống khuỷu

o Lựa chọn phương pháp DEM và CFD phù hợp để mô tả chuyển động của các hạt nguyên liệu và dòng khí nén

o Kết hợp phương pháp DEM và CFD bằng cách sử dụng các thuật toán trao đổi thông tin giữa hai phương pháp

• Mô phỏng dòng khí nén:

o Sử dụng phương pháp CFD để mô phỏng dòng khí nén trong hệ thống, bao gồm lưu lượng, áp suất, tốc độ

o Kiểm chứng mô hình với lý thuyết

• Mô phỏng chuyển động của hạt nguyên liệu:

o Sử dụng phương pháp DEM để mô phỏng chuyển động của hạt nguyên liệu và va chạm giữa các hạt

o Xác định các đặc tính cơ lý của hạt nguyên liệu như kích thước, hình dạng, khối lượng, hệ số ma sát, hệ số hoàn nguyên

o Mô phỏng quá trình vận chuyển hạt nông sản trong ống thẳng và ống khuỷu

• Phân tích kết quả mô phỏng:

o Xác định đặc tính vận chuyển của hạt nông sản trong ống thẳng và ống khuỷu

o Xác định hiệu quả vận chuyển của hệ thống, bao gồm tỷ lệ vận chuyển, độ giảm áp suất

Trang 26

o Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố vận hành như tốc độ khí nén, áp suất khí nén, kích thước hạt nguyên liệu, mật độ của vật liệu đến hiệu quả vận chuyển

• Xây dựng mối quan hệ chi tiết định lượng giữa các thông số cơ lý tính của hạt nông sản và đặc tính vận chuyển như độ giảm áp, lưu lượng, vận tốc dòng khí:

Phương pháp nghiên cứu

và khả năng tính toán Dưới đây là một số mô hình rối phổ biến [34]

Mô hình k-ε: Mô hình k-ε là mô hình rối hai phương trình (RANS) phổ biến nhất,

sử dụng hai biến vận chuyển để mô tả năng lượng động học rối (k) và tỷ suất tiêu tán rối (ε) Mô hình có các ưu điểm như dễ sử dụng và triển khai, phù hợp với nhiều loại dòng chảy nhiễu loạn Tuy nhiên có nhược điểm là có thể không chính xác cho các dòng chảy

Trang 27

có độ phức tạp cao Đôi khi cần sử dụng các hàm tường hoặc mô hình gần tường để mô phỏng dòng chảy gần thành ranh giới

Mô hình k-ω: Mô hình k-ω cũng là một mô hình RANS phổ biến, nhưng sử dụng

tỷ số tỷ lệ biến dạng (ω) thay vì tỷ suất tiêu tán rối (ε) Mô hình có các ưu điểm như cải thiện độ chính xác cho các dòng chảy có độ phức tạp cao, phù hợp với các dòng chảy có vùng tách dòng Tuy nhiên có các nhược điểm như khó sử dụng và triển khai hơn mô hình k-ε, tốn kém hơn về mặt tính toán

Mô hình SST (Shear Stress Transport): Mô hình SST là một mô hình RANS kết hợp các ưu điểm của các mô hình k-ε và k-ω Mô hình có các ưu điểm như cung cấp độ chính xác cao cho nhiều loại dòng chảy nhiễu loạn, phù hợp với cả dòng chảy tường và dòng chảy tách dòng Các nhược điểm bao gồm khó sử dụng và triển khai hơn các mô hình k-ε và k-ω và tốn kém hơn về mặt tính toán

Mô hình LES (Large Eddy Simulation): Mô hình LES là một mô hình trực tiếp

mô phỏng các xoáy lớn trong dòng chảy nhiễu loạn Có các ưu điểm như cung cấp độ chính xác cao nhất cho các dòng chảy nhiễu loạn phức tạp, có thể mô phỏng các hiện tượng như tách dòng và xoáy Tuy nhiên có các nhược điểm như rất tốn kém về mặt thời gian tính toán, cần sử dụng lưới tính toán rất chi tiết

Mô hình DNS (Direct Numerical Simulation): Mô hình DNS giải quyết tất cả các xoáy trong dòng chảy nhiễu loạn, bất kể kích thước Có các ưu điểm như cung cấp độ chính xác cao nhất cho tất cả các loại dòng chảy nhiễu loạn Tuy nhiên có các nhược điểm như cực kỳ tốn kém về mặt thời gian tính toán, chỉ có thể được sử dụng cho các bài toán đơn giản với lưới tính toán rất chi tiết

Vì những lý do nêu trên, trong nghiên cứu này, mô hình rối k-ε đã được lựa chọn

để sử dụng Mô hình k-ε được viết là [36]:

Trang 28

2 1

j

C C G C

hệ tọa độ quán tính không chuyển động cùng hạt và hệ thứ hai là hệ tọa độ đặt ở tâm của hạt Các hạt có thể có hai loại chuyển động: tịnh tiến và quay Chuyển động tịnh tiến có thể được biểu diễn bằng các phương trình Newton trong hệ tọa độ như sau:

biểu thị gia tốc của hạt Chuyển động quay có thể được biểu diễn trong

hệ tọa độ bên trong hạt bằng các phương trình như sau:

Trang 29

Để biểu diễn các phương trình chuyển động của hạt bằng cách sử dụng tích phân

số, có thể áp dụng sơ đồ tích phân rõ ràng [42,43] Sự dịch chuyển của hạt ở bước thời

gian ( t +  ) có thể suy ra từ đó tại bước thời gian t như sau: t

1

trong đó Ri là ma trận quay ở bước thời gian ( t+  ), từ đó có thể suy ra tại bước t

thời gian t như sau:

(t+  =  t) ( )t

trong đó R là ma trận xoay tăng dần được biểu thị bằng:

( ) ( )

Trang 30

Vị trí của các quả cầu đơn vị ở bước thời gian (t+ t) có thể suy ra từ ma trận quay và vị trí của các quả cầu đơn vị ở bước trước như sau:

1/2 2

Đối với hướng tiếp tuyến, có thể sử dụng phương pháp được giới thiệu bởi Maw

và cộng sự [45] sử dụng sự kết hợp của lò xo tiếp tuyến bị giới hạn bởi điều kiện Coulomb Vận tốc tiếp tuyến được biểu thị bằng:

Trang 31

t n ijk = ijk + ijk

Lực tiếp tuyến được định nghĩa như sau:

t ijk

t dt

=

u ν là độ dịch chuyển ràng buộc của hai điểm giữa hạt và

tường tiếp xúc, t

k là độ cứng tiếp tuyến và  là hệ số ma sát trượt Cuối cùng, các lực

và mômen thu được khi tiếp xúc để giải bài toán phần tử rời rạc được biểu diễn như sau:

Có hai phương pháp chính để mô hình hóa tương tác dòng khí-hạt rời rạc Đầu tiên đó là phương pháp Euler Phương pháp này coi dòng khí và hạt rời rạc là hai pha liên tục [48] Các phương trình Navier-Stokes được sử dụng để mô tả chuyển động của dòng khí và các phương trình chuyển động được sử dụng để mô tả chuyển động của hạt

Trang 32

rời rạc [49] Hai pha này tương tác với nhau thông qua các lực và thông lượng trao đổi

Ở phương pháp thứ hai, phương pháp Lagrange coi các hạt rời rạc là các thực thể riêng biệt Chuyển động của từng hạt được mô tả bằng phương trình chuyển động Lực tác động lên hạt được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình khí động lực học Phương pháp Lagrange được sử dụng rộng rãi trong mô hình hóa tương tác dòng khí-hạt rời rạc do khả năng mô tả chính xác chuyển động của các hạt, bao gồm cả va chạm giữa các hạt và va chạm với thành ống dẫn [22]

Trong nghiên cứu này phương pháp Lagrange đã được áp dụng để nghiên cứu tương tác dòng khí-hạt rời rạc Dưới đây là các bước cơ bản của phương pháp Lagrange [50]:

1 Khởi tạo: Xác định vị trí và vận tốc ban đầu của mỗi hạt

2 Tính toán lực tác dụng lên mỗi hạt: Lực tác dụng lên mỗi hạt bao gồm lực hấp dẫn, lực kéo, lực nâng, lực va chạm

3 Cập nhật vị trí và vận tốc của mỗi hạt: Sử dụng phương trình chuyển động Newton

để cập nhật vị trí và vận tốc của mỗi hạt theo thời gian

4 Xác định va chạm: Xác định xem có va chạm nào xảy ra giữa các hạt hay giữa hạt và thành ống dẫn hay không

5 Giải quyết va chạm: Sử dụng các mô hình va chạm khác nhau để giải quyết va chạm giữa các hạt và giữa hạt với thành ống dẫn

6 Lặp lại: Lặp lại các bước 2 đến 5 cho đến khi đạt được thời gian mô phỏng mong muốn

Phương pháp Lagrange có các ưu điểm như sau [22] Phương pháp này mô tả chính xác chuyển động của các hạt, bao gồm cả va chạm giữa các hạt và va chạm với thành ống dẫn Có thể mô hình hóa các loại hạt khác nhau, bao gồm cả hạt hình cầu và hạt không hình cầu Có thể mô hình hóa các điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm cả dòng chảy tầng và dòng chảy nhiễu loạn Tuy nhiên, phương pháp có các nhược điểm như tốn thời gian tính toán, đặc biệt là khi mô phỏng một số lượng lớn các hạt Hơn nữa,

Trang 33

có thể khó xác định chính xác các va chạm giữa các hạt, đặc biệt là khi mật độ hạt cao [51]

Phương pháp mô phỏng

2.4.2.1 Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent

Ansys Fluent là một phần mềm mô phỏng tính toán động lực học thuỷ khí (CFD) thương mại được phát triển bởi ANSYS, Inc [36] Phần mềm này sử dụng phương pháp

số để giải các phương trình Navier-Stokes dòng chảy của chất lỏng và khí Fluent được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật hàng không vũ trụ, ô tô, hóa chất, năng lượng, môi trường, v.v Fluent có thể giải các phương trình Navier-Stokes cho nhiều loại dòng chảy khác nhau, bao gồm dòng chảy tầng, dòng chảy nhiễu loạn, dòng chảy đa pha, dòng chảy nén, v.v Fluent có thể mô hình hóa nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm chất lỏng, khí, chất rắn, vật liệu đa pha, v.v Fluent có thể giải quyết nhiều loại vấn đề CFD khác nhau, bao gồm dòng chảy bên trong và bên ngoài, trao đổi nhiệt, truyền chất, phản ứng hóa học, v.v Fluent có giao diện đồ họa người dùng (GUI) thân thiện với người dùng, cho phép người dùng dễ dàng nhập dữ liệu, thiết lập mô hình và xem kết quả Fluent cung cấp nhiều tính năng nâng cao, bao gồm mô hình hóa lưới, mô hình hóa chuyển động, mô hình hóa nhiễu loạn, v.v

2.4.2.2 Giới thiệu phần mềm Altair EDEM

EDEM là một phần mềm mô phỏng số hiệu suất cao được sử dụng để mô phỏng chuyển động và tương tác của các hạt rời rạc [52] EDEM được phát triển bởi Altair Engineering Inc và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau EDEM sử dụng phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để mô phỏng chuyển động của từng hạt riêng

lẻ trong hệ thống Phương pháp này dựa trên các nguyên tắc vật lý cơ bản như cơ học Newton, lực va chạm và truyền nhiệt EDEM có thể mô phỏng nhiều loại hạt khác nhau, bao gồm cả hạt hình cầu và hạt không hình cầu, cũng như nhiều điều kiện vận hành khác nhau

Trang 34

Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và các kết quả được trình bày chi tiết trong Chương 3

Kết luận của chương

Trong Chương này đã trình bày chi tiết Đối tượng, Mục tiêu, Nội dung và Phương pháp nghiên cứu Chương tiếp theo trình bày nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông

số cơ lý tính của hạt nông sản, làm đầu vào cho tính toán mô phỏng số

Trang 35

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Thực nghiệm xác định kích thước và hình dạng của hạt nông sản

Phương pháp thực nghiệm xác định kích thước và hình dạng của hạt nông sản

Đối với các hạt nông sản việc xác định kích thước và hình dạng lần lượt cho từng hạt riêng rẽ là rất khó khăn và tồn nhiều thời gian công sức Do đó, cần xác định biểu đồ phân bố kích thước hạt cũng như biểu đồ phân bố các đặc trưng hình dạng một cách hàng loạt Ngoài ra, việc định lượng hình dạng của hạt nông sản cũng là không dễ dàng, do các hạt nông sản có các hình thù khác nhau (xem Hình 2.1) Do đó, trong nghiên cứu này, phương pháp phân tích hình ảnh đã được đề xuất áp dụng để thu được biên dạng bao ngoài của hạt, từ đó thu được biểu bồ phân bố kích thước hạt lẫn biểu đồ đặc trưng hình dạng hạt (thông qua các thông số hình dạng được định nghĩa trước) (xem Hình 3.1) [53]

Đối với phương pháp xử lý ảnh, các thiết bị đo đã được thiết lập dựa trên sơ đồ nguyên lý như trên Hình 3.1, chi tiết như sau Thiết bị bao gồm một tấm mica trong suốt, một tờ giấy, một máy ảnh kỹ thuật số có độ phân giải cao, vật chuẩn và nguồn phát sáng Trong nghiên cứu này, máy ảnh Fujifilm X-E2S có mật độ điểm ảnh 4,42 MP/cm2 đã được sử dụng với ống kính Fujinon XF18-55mm F2.8-4 R LM OIS (Fujifilm Holdings Corporation, Tokyo, Nhật Bản) Máy ảnh này cung cấp hình ảnh có độ phân giải 3264

vs 4896 pixel, tương đương khoảng 16 pixel mỗi mm Như vậy, với các hạt nông sản như vừng, gạo hoặc ngô, có kích thước từ 1 tới 5 mm, độ phân giải sẽ từ 16 pixel tới 80 pixel Đây là độ phân giải đảm bảo đủ để có thể tiến hành phân tích hình ảnh Tờ giấy được đặt phía trên tấm mica trong suốt để tăng độ tương phản của hình ảnh (giữa hạt và nền) Bên dưới tấm mica trong suốt, nguồn sáng được bố trí để triệt tiêu bóng Vật chuẩn

là viên bi có kích thước đường kính 6mm Hình 3.2 thể hiện hình ảnh thu được chụp chùm hạt lần lượt cho gạo tẻ, gạo nếp, ngô và vừng Đối với mỗi loại hạt nông sản, ít

Trang 36

nhất 10 thí nghiệm đã được thực hiện Các hình ảnh này sẽ được đưa vào chương trình

xử lý ảnh trên nền ngôn ngữ Matlab

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý đo kích thước hình dạng hạt sử dụng xử lý ảnh

Hình 3.2 Hình ảnh chụp chùm hạt lần lượt cho gạo tẻ, gạo nếp, ngô và vừng (vật

chuẩn là viên bi có kích thước đường kính 6mm)

Trang 37

Trong nghiên cứu này, các thông số kích thước được tính toán như sau, bao gồm đường kính của hình tròn có diện tích tương đương, chiều dài trục nhỏ, chiều dài trục lớn của hình elip tương đương (xem Hình 3.3)

Hình 3.3 Sơ đồ miêu tả cách hình tròn diện tích tương đương và hình elip tương đương

Độ dài trục nhỏ và độ dài trục lớn được tính toán từ hình elip tương đương, có

cùng mômen trung tâm thứ hai với hạt Mặt khác, đường kính tương đương D A được tính như sau:

4,

A

A D

P



trong đó P là chu vi ảnh của hạt, Minor là chiều dài trục nhỏ và Major là chiều

dài trục lớn của hình elip tương đương:

Minor,Major

Trang 38

Hình 3.4 Minh hoạ giá trị của hai hệ số hình dạng CIRC và EL trong việc so sánh độ

tròn trịa của vật thể so với hình tròn tuyệt đối

Hình 3.4 thể hiện minh hoạ giá trị của hai hệ số hình dạng CIRC và EL trong việc

so sánh độ tròn trịa của vật thể so với hình tròn tuyệt đối Bên cạnh đó, phương pháp truyền thống sử dụng sàng rây cũng đã được sử dụng để thu được biểu đồ phân bố kích thước hạt (xem Hình 3.5)

Hình 3.5 Hình ảnh dụng cụ thí nghiệm sàng rây

Trang 39

Kết quả đo kích thước và hình dạng từ phân tích xử lý ảnh

Hình ảnh các hạt ngô và gạo nếp trước và sau khi xử lý ảnh, được thể hiện lần lượt dưới đây (thiết bị đo và quy trình xử lý ảnh được trình bày trong Mục 3.1), cùng với kết quả biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô, gạo nếp và vừng từ xử lý ảnh, kết quả biểu

đồ phân bố hình dạng hạt từ xử lý ảnh, kết quả chi tiết phân tích kích thước và hình dạng hạt nông sản từ xử lý ảnh Các giá trị trung bình, trung vị, nhỏ nhất, lớn nhất cũng như phương sai của các thông số kích thước và hình dạng được thể hiện chi tiết Các thông

số này sẽ được sử dụng cho mô phỏng vận chuyển hạt nông sản

Đối với các thông số hình dạng CIRC và EL, nhận thấy rằng các hạt nông sản đều không có giá trị bằng 1, có nghĩa là hình dạng các hạt này không phải là hình cầu, điều này tương đồng với các quan sát bằng mắt thường Do đó, trong quá trình vận chuyển bên trong đường ống, lực cản của không khí cũng sẽ được tính tới thông qua các hệ số này

Hình 3.6 Hình ảnh các hạt ngô trước và sau khi xử lý ảnh

Trang 40

Hình 3.7 Hình ảnh các hạt gạo nếp trước và sau khi xử lý ảnh

Hình 3.8 Kết quả biểu đồ phân bố kích thước hạt ngô từ xử lý ảnh

Hình 3.9 Kết quả biểu đồ phân bố kích thước hạt gạo nếp từ xử lý ảnh

Tiêu đề	Nghiên cứu mô phỏng vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén kết hợp phương pháp phần tử rời rạc và động lực học chất lỏng tính toán
Tác giả	Nguyễn Xuân Sơn
Người hướng dẫn	TS. Lê Tiến Thịnh
Trường học	Trường Đại học Phenikaa
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí động lực
Thể loại	Luận văn Thạc sỹ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	6,75 MB