Nghiên cứu hiện tượng sóng va trong chất lỏng chứa bọt hơi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN HUY VIỆT NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG SÓNG VA TRONG CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI LUẬN VĂN THẠC SỸ TOÁN HỌC THÁI NGUYÊN - 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN HUY VIỆT NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG SÓNG VA TRONG CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI Chuyên ngành: Toán ứng dụng Mã số: 60 46 01 12 LUẬN VĂN THẠC SỸ TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN THÁI NGUYÊN - 2013 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Danh sách kí hiệu chữ viết tắt MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN CHƢƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 HIỆN TƢỢNG NƢỚC VA 12 2.1.1 Nƣớc va đóng khoá tức thời …………………………………………….14 2.1.2 Nƣớc va đóng khoá từ từ……………………………………………… 17 2.2 HIỆN TƢỢNG SÓNG VA TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI 19 2.2.1 Hệ phƣơng trình thủy nhiệt động lực học hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi……………………………………………………………………………… 20 2.2.2 Phƣơng pháp giải số………………………………………………………….25 2.2.3 Chƣơng trình tính toán:…………………………………………………… 27 Chƣơng III 30 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG SÓNG VA TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI 30 KẾT LUẬN 41 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn Thạc sĩ em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, phòng Đào tạo, Khoa Toán - Tin, thầy cô giáo trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên thầy giáo công tác Viện Toán học Việt Nam, thầy cô giáo nhiệt tình truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt trình học tập hoàn thành luận văn Thạc sĩ Đặc biệt, em xin đƣợc gửi lời biết ơn chân thành tới Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Nguyễn Văn Tuấn Ngƣời trực tiếp bảo, hƣớng dẫn động viên em suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, bạn đồng nghiệp trƣờng Trung Tâm Giáo dục thƣờng xuyên Mƣờng La - Tỉnh Sơn La quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành khóa học Xin cảm ơn anh chị em học viên lớp cao học K5C đoàn kết, đùm bọc giúp đỡ toàn khóa học Cuối xin đƣợc gửi lời biết ơn sâu sắc đến ngƣời thân gia đình tôi, ngƣời động viên, khuyến khích giúp đỡ suốt trình học tập Thành đạt đƣợc quà mà muốn dành tặng cho gia đình thân yêu Thái Nguyên, tháng năm 2013 Học viên Nguyễn Huy Việt Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Danh sách kí hiệu chữ viết tắt B - Hằng số khí Nhiệt dung riêng, nhiệt dung riêng áp suất vận tốc không đổi c, c p , cv j - Cƣờng độ chuyển pha l - Nhiệt hoá chất lỏng n - Số lƣợng bọt p,p0 - Áp suất hỗn hợp, áp suất ban đầu pi - Áp suất pha i pe - Cƣờng độ sóng xung kích ban đầu q - Dòng nhiệt R,a - Bán kính bọt R0, a0 - Bán kính ban đầu bọt T,T0 - Nhiệt độ hỗn hợp, nhiệt độ ban đầu Ti - Nhiệt độ pha i t - Thời gian v, vi - Vận tốc hỗn hợp, vận tốc pha thứ i w1 xung quanh bọt w1a - Vận tốc hƣớng kính chất lỏng chuyển động Vận tốc màng bọt , , P,W Đại lƣợng không thứ nguyên mật độ, nhiệt độ, áp suất vận tốc màng bọt i - Phần thể tích pha i hỗn hợp  i0 - Phần thể tích ban đầu pha i Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/  - Hệ số sức căng bề mặt  - Tọa độ Lagrange 1 ,  - Hệ số hiệu chỉnh hỗn hợp 1 - Hệ số nhớt động lực chất lỏng i ,  - Mật độ pha i, mật độ hỗn hợp  i0 ,  - Mật độ thực pha i, mật độ ban đầu hỗn hợp  Tỷ số nhiệt dung riêng áp suất không đổi thể tích không đổi b1 , b2 , b3 , b4 - Cƣờng độ xung áp suất Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Chất lỏng không đồng hay hỗn hợp chất lỏng nhiều pha môi trƣờng phức tạp Môi trƣờng thƣờng gặp nhiều trình tự nhiên, công nghệ hóa học, vật lý… đƣợc ứng dụng nhiều ngành công nghiệp lƣợng nhƣ: Khai thác, vận chuyển chế biến dầu khí, thủy điện,… Tuy nhiên, từ 1950 trở lại đây, việc nghiên cứu dòng hai pha khí lỏng đƣợc tiến hành cách có hệ thống lý thuyết thực nghiệm Trong hỗn hợp trình trao đổi nhiệt chất tƣợng quan trọng tách rời, tƣợng sóng va chất lỏng chứa bọt So với môi trƣờng chất lỏng đồng pha môi trƣờng hỗn hợp hai pha khác xa tính chất vật lý, thể chỗ hỗn hợp có kết hợp tính chất phi tuyến vật lý mạnh, tán sắc trình hao tán lƣợng nên biểu đồ mô tả sóng có nhiều dạng Chính vậy, thay đổi điều kiện thủy động lực dẫn đến thay đổi cấu trúc sóng, tính chất vật lý nhiệt, trình tƣơng tác pha Tính chất đặc trƣng hỗn hợp chất lỏng chứa bọt trình động lực học xuất biến dạng cục hỗn hợp thay đổi thể tích môi trƣờng thay đổi thể tích bọt Khả mức độ co nén bọt phụ thuộc mạnh vào trao đổi nhiệt khối lƣợng pha lỏng pha khí Sự xuất đồng thời lƣợng biến dạng dẫn tới sóng có cấu trúc khác Ngoài ra, truyền sóng áp suất môi trƣờng nhƣ dẫn đến khả hóa ngƣng tụ pha khí, từ dẫn đến thay đổi chủ yếu cấu trúc môi trƣờng Do hỗn hợp chất lỏng chứa bọt có tính chất đặc biệt nhƣ trên, hỗn hợp xuất nhiều lĩnh vực công nghiệp Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ lƣợng, công nghệ hóa học trình tự nhiên, hiểu biết tƣợng xuất sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt xảy trình tƣơng tác sóng cần thiết Căn vào tình hình phát triển nghiên cứu tƣợng sóng va chất lỏng chứa bọt nƣớc giới, mục tiêu đề tài bao gồm vấn đề sau: Nghiên cứu trình tăng áp suất van, van đóng chặn dòng chảy hai pha chuyển động ống với vận tốc v0 Để thực đƣợc mục tiêu nghiên cứu trên, thực đề tài có tên: Nghiên cứu tƣợng sóng va chất lỏng chứa bọt Nội dung bao gồm phần sau: Chƣơng I: TỔNG QUAN Trình bày tổng quan phát triển xu hƣớng phát triển lĩnh vực sóng va hỗn hợp lỏng - hơi, tƣợng xảy sóng lan truyền hỗn hợp Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong phần trình bày tƣợng nƣớc va chất lỏng pha, sở trình bày mô hình vật lý cho tƣợng dòng chảy hai pha xây dựng hệ phƣơng trình thủy nhiệt động lực học để mô tả tƣợng Sử dụng chƣơng trình tính điều kiện biên phù hợp để giải hệ phƣơng trình Chƣơng III: Một số kết nghiên cứu tƣợng sóng va hỗn hợp chất lỏng chứa bọt Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Trong phần trình bày số kết nghiên cứu trình tăng áp suất van đóng, tƣợng sóng va hỗn hợp chất lỏng chứa bọt Nghiên cứu ảnh hƣởng vận tốc hỗn hợp, thời gian đóng van cấu trúc hỗn hợp lên trình tăng áp suất Bản luận văn đƣợc thực trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên hoàn thành từ ý tƣởng nghiên cứu, hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ mặt khoa học Phó Giáo sƣ - Tiến sĩ Nguyễn Văn Tuấn Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ CHƢƠNG I TỔNG QUAN Nhƣ nêu phần mở đầu, hỗn hợp hai pha chất lỏng chứa bọt khí có tính chất đặc biệt, kết hợp tính chất phi tuyến vật lý mạnh, phân tán hao tán lƣợng, nên biểu đồ mô tả sóng có nhiều dạng Chính thay đổi điều kiện thủy động lực, dẫn đến thay đổi cấu trúc sóng trình tuơng tác pha Cho nên hiểu biết tƣợng bất thƣờng xuất sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt cần thiết để giải loạt toán thực tế nhƣ để phân tích chế độ làm việc độ thiết bị lƣợng, phân tích tình hƣ hỏng đảm bảo an toàn khai thác nhà máy điện nguyên tử, phân tích tƣợng xâm thực máy tuốc bin, hệ thống truyền dẫn thuỷ lực, để ứng dụng công nghiệp khai thác, vận chuyển chế biến dầu khí, công nghệ hóa học, Dẫn đến cấp thiết việc nghiên cứu thủy động lực học trình sóng môi trƣờng chất lỏng có bọt Môi trƣờng hỗn hợp chất lỏng với bọt khí hòa tan ngƣng tụ (hay khí không hòa tan không ngƣng tụ) thú vị chỗ chúng đƣợc cấu thành từ ba yếu tố chính: tính phi tuyến, tán sắc trình hao tán lƣợng [1, 21] Bức tranh sóng có nhiều dạng dễ dàng thay đổi cách thay đổi điều kiện thủy động lực, cấu trúc tính chất vật lý nhiệt hỗn hợp với trình tƣơng tác pha Điều đặc biệt hỗn hợp chất lỏng chứa bọt trình thủy động lực xuất lƣợng biến dạng cục hỗn hợp thay đổi thể tích môi trƣờng, thay đổi chủ yếu thay đổi thể tích bọt hỗn hợp tính chất dễ co lại hay giãn nở khí (hoặc hơi) bọt [3], [6] Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 3.5 P / Po 2.5 2 1.5 0.005 0.01 0.015 t (s) Hình 3.1:Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.1% ; vận tốc hỗn hợp v 1m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn 7m/s.Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 16.00m Từ kết trình bày hình 3.1 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng (  = m) 1.72 MPa Sau sóng áp suất lan truyền ngƣợc lại bị giảm dần theo hƣớng trục, mà nguyên nhân ảnh hƣởng quan trọng tƣợng chuyển khối chuyển nhiệt pha Khoảng thời gian bắt đầu xuất hiện tƣợng tăng áp van tới sóng lan truyền tới cuối đƣờng ống (  = 16.00 m) 17.88 ms, nhƣ vận tốc truyền sóng trung bình nhận đƣợc vào khoảng 904.36 m/s Khi sóng tăng áp lan truyền tới cuối đƣờng ống, chênh áp đột ngột ống ống, nên hỗn hợp bắt đầu bị chảy ngƣợc áp suất giảm xuống Sự giảm áp suất chảy ngƣợc bắt đầu lan truyền từ cuối ống van đóng (đây giai đoạn giảm áp sóng va) Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 3,5 P / Po 2,5 1,5 0,005 0,01 0,015 0,02 t (s) Hình 3.2:Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.1% ; vận tốc hỗn hợp v 1m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn 9m/s.Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là: x = 0; 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 16.00m Từ kết trình bày hình 3.2 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.684 MPa Thời gian sóng lan truyền tới cuối đƣờng ống 19.34 ms, nhƣ vận tốc truyền sóng trung bình nhận đƣợc vào khoảng 836.09 m/s 3.5 P / Po 2.5 2 1.5 0.005 0.01 0.015 0.02 t (s) Hình 3.3: Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.1% ; vận tốc hỗn hợp v 1m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn 11m/s.Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ống xung kích, tính từ van đóng ống là: x = 0; 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 16.00m Từ kết trình bày hình 3.3 Khi thời gian đóng van hoàn toàn 11 ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.681 MPa Thời gian sóng lan truyền tới cuối đƣờng ống 20.62 ms, vận tốc truyền sóng trung bình nhận đƣợc vào khoảng 784.19 m/s Nhƣ vậy, tăng dần thời gian đóng van, giá trị áp suất cực đại van đóng thay đổi nhỏ nhƣng nhận đƣợc chậm Tuy nhiên lại có ảnh hƣởng lớn tới vận tốc truyền sóng trung bình hỗn hợp Trong hình 3.4 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp bị đóng van đột ngột Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.1% ; vận tốc hỗn hợp v  0.5 m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn  *  ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 16.00 m P / Po 1,8 1,6 1,4 1,2 0,005 0,01 0,015 0,02 t (s) Hình 3.4:Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.1% ; vận tốc hỗn hợp v  0.5 m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn  *  ms Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 16.00 m Từ kết trình bày hình 3.4 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.083 MPa Thời gian sóng lan truyền tới cuối đƣờng ống 22.21 ms, nhƣ vận tốc truyền sóng trung bình nhận đƣợc vào khoảng 728.05 m/s Do vậy, giảm vận tốc hỗn hợp áp suất cực đại nhận đƣợc van đóng giảm Trong hình 3.5 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp đóng van đột ngột.Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v 1 m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn   ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét 2,2 P/Po 1,8 1,6 1,4 1,2 0,005 0,01 0,015 0,02 t(s) Hình 3.5:Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v 1 m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn   ms Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là: x = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Từ kết trình bày hình 3.5 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.309 MPa Trong hình 3.6 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp đóng van đột ngột Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v 1 m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn   9ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét 2,4 2,2 P/Po 1,8 1,6 1,4 1,2 0,005 0,01 0,015 0,02 t(s) Hình 3.6:Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v 1 m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn   9ms Từ kết trình bày hình 3.6 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.302 MPa Trong hình 3.7 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp đóng van đột ngột.Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v 1 m / s ; thời gian đóng van hoàn Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ toàn   11ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét 2.2 P/Po 1.8 1.6 1.4 1.2 0.005 0.01 0.015 0.02 t(s) Hình 3.7: Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v 1 m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn   11ms Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Từ kết trình bày hình 3.7 Khi thời gian đóng van hoàn toàn 11 ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.267 MPa Nhƣ vậy, từ kết biểu diễn hình ta thấy tăng dần thời gian đóng van, giá trị áp suất cực đại van đóng thay đổi nhỏ nhƣng nhận đƣợc chậm Trong hình 3.8 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp đóng van đột ngột.Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v  0,5m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn   7ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét 1,6 1,5 P/Po 1,4 1,3 1,2 1,1 0,005 0,01 0,015 t(s) Hình 3.8: Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v  0,5m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn   ms Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Từ kết trình bày hình 3.8 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.046 MPa Trong hình 3.9 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp đóng van đột ngột.Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v  0,5m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn   9ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 1,6 1,5 P/Po 1,4 1,3 1,2 1,1 0,005 0,01 0,015 t(s) Hình 3.9: Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v  0,5m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn   9ms Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Từ kết trình bày hình 3.9 Khi thời gian đóng van hoàn toàn ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.034 MPa Trong hình 3.10 biểu đồ biểu diễn kết tính toán tăng áp suất hỗn hợp đóng van đột ngột.Trong trƣờng hợp điều kiện đầu tham số vật chất hỗn hợp đƣợc cho nhƣ sau: thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v  0,5m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn   11ms Các đƣờng cong liên tục từ - profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tƣơng ứng với vị trí đƣợc xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 1,6 1,5 P/Po 1,4 1,3 1,2 1,1 0,005 0,01 0,015 t(s) Hình 3.10: Quá trình lan truyền sóng va đường ống có van đóng trường hợp thể tích pha  20  0.2 % ; vận tốc hỗn hợp v  0,5m / s ,thời gian đóng van hoàn toàn   11ms Các đường cong từ 1- profil áp suất biểu diễn tăng áp suất giai đoạn tăng áp, tương ứng với vị trí xác định áp suất hỗn hợp ống xung kích, tính từ van đóng ống là:  = 0; 0,5; 1,5; 2,5; 3,8; 5,3; 6,3; 7,0; 10,7 mét Từ kết trình bày hình 3.10 Khi thời gian đóng van hoàn toàn 11 ms giá trị lớn áp suất nhận đƣợc van đóng 1.022 MPa Các kết nghiên cứu trình tăng áp suất van đóng dòng chảy hai pha phụ thuộc vào vận tốc hỗn hợp, thời gian đóng van nồng độ thể tích pha tổng kết bảng sau: Vận tốc hỗn Thể tích pha hợp v (m/s)  20  = ms  = ms  = 11 ms 0,1% 1,72 1,684 1,681 0,2% 1,309 1,302 1,267 0,5 0,2% 1,046 1,034 1,022 Áp suất cực đại trên van Pmax (MPa) Bảng 3.1 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Từ kết đƣợc trình bày bảng 3.1 thấy: - Khi tăng thể tích pha hỗn hợp áp suất cực đại nhận đƣợc van đóng giảm - Khi vận tốc hỗn hợp tăng áp suất cựuc đại nhận đƣợc van đóng tăng - Thời gian đóng van hoàn toàn không ảnh hƣởng nhiều tới áp suất cực đại nhận đƣợc van.(Tuy nhiên thời gian đóng van phải nhỏ nửa pha sóng va ban đầu) Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ KẾT LUẬN Luận văn trình bày kết nghiên cứu tăng áp suất giai đoạn tăng áp hỗn hợp nƣớc chứa bọt hơi, hỗn hợp chuyển động ống bị đóng van đột ngột Sự ngừng chảy tăng áp suất van đóng sau đƣợc lan truyền phía ngƣợc lại Các kết tính toán đƣợc kiểm tra cách so sánh chúng với số kết thực nghiệm Fujii T & Akagawa cho thấy phù hợp Trên sở kết nhận đƣợc đƣa số kết luận nhƣ sau: Giá trị áp suất cực đại nhận đƣợc van đóng, phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đóng van hoàn toàn, thời gian đóng van nhỏ thời gian nửa pha sóng va ban đầu Tuy nhiên, giá trị cực đại nhận đƣợc chậm tăng thời gian đóng van hoàn toàn Khi tăng thể tích pha hỗn hợp, giá trị cực đại áp suất nhận đƣợc van vận tốc truyền sóng trung bình hỗn hợp giảm Khi vận tốc hỗn hợp tăng, giá trị cực đại áp suất nhận đƣợc van tăng Khi đóng van hoàn toàn, cƣờng độ sóng áp suất hỗn hợp giảm dần, lan truyền ngƣợc lại theo hƣớng trục Nguyên nhân chủ yếu xuất trình tƣơng tác sóng dần tới, tƣợng chuyển khối lƣợng truyền nhiệt pha hỗn hợp Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Trong nội dung luận văn, dựa sở hệ phƣơng trình thủy nhiệt động lực học với việc sử dụng thuật toán chƣơng trình tính phù hợp nghiên cứu trình sóng va môi trƣờng hỗn hợp nƣớc chứa bọt hơi, đƣợc tính chất phi tuyến tính phân tán hao tán lƣợng môi trƣờng đặc biệt Tuy nhiên, tranh toàn cảnh trình sóng va môi trƣờng lỏng - nhiều vấn đề phức tạp mà nhà khoa học giới nƣớc quan tâm, ví dụ nhƣ: Phân tích chế độ làm việc trạm lƣợng, phân tích điều kiện hƣ hỏng đảm bảo an toàn khai thác nhà máy điện nguyên tử, nghiên cứu tƣợng xâm thực ảnh hƣởng sóng va cánh tuốc bin nhà máy thủy điện hay tƣợng sóng va hệ thống truyền dẫn thủy lực,… Đó vấn đề cần thiết nghiên cứu theo hƣớng đề tài Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO Lan Đau L.D & Lifsitx E.M (2001), Thuỷ động lực học, NXB KH & KT, Hà Nội Dƣơng Ngọc Hải (1987), “Sóng xung kích hỗn hợp dị thể lỏng với chất khí hơi”, Tạp chí Cơ học, 9(4), pp 3- Dƣơng Ngọc Hải (2001), “Năng lƣợng nguyên tử - an toàn hạt nhân số vấn đề nhiệt thuỷ học”, Tuyển tập hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học kỹ thuật, HàNội, pp 68 - 74 Dƣơng Ngọc Hải, Nguyễn Văn Tuấn (2002), “Hiện tƣợng sóng va hỗn hợp lỏng - hơi”, Tuyển tập công trình hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 7, Hà Nội, pp 177 - 184 Dƣơng Ngọc Hải, Nguyễn Văn Tuấn (2002), “Sóng phản xạ tƣờng cứng tƣơng tác sóng số hỗn hợp lỏng - hơi”, Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 7, Hà Nội, pp 165 - 176 Nguyễn Văn Tuấn, Dƣơng Ngọc Hải (2006) “ Quá trình lan truyền tƣơng tác sóng ngắn số hỗn hợp lỏng-hơi” , Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Vũng tàu , 26-28/7/2006 pp.515526 Fujii T et al Water hammers phenomena in one-component two-phase bubbly flow Proc of the Int Conf on Multiphase Flow’ 91- Tsukuba, Japan, 1991 Trần Quốc Nghị (2011), “Nghiên cứu trình lan truyền sóng áp suất hỗn hợp chất lỏng hai pha” Luận văn thạc sĩ Toán học ứng dụng, trƣờng đại học khoa học 11/2011 Nguyễn Đức Trung (2012), “Nghiên cứu trình lan truyền, tương tác sóng số hỗn hợp chất lỏng hai pha ” Luận văn thạc sĩ Toán học ứng dụng, trƣờng đại học khoa học 11/2012 10 Duong Ngoc Hai and Nguyen Van Tuan (2002), “Waves reflected by Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ solid wall in the mixture of liquid with vapour bubbles”, J Mechanics Vol 24, No 3, pp 167-180 11 Duong Ngoc Hai, Nguyen Van Tuan (1999) , “Shock Waves in some Mixture of Liquid and Gas of two Components”, Trainning-scientific workshop French-Vietnamese, Ha Noi, pp 79 – 86 12 Nguyen Van Tuan, Duong Ngoc Hai, (2004) “ Waves reflected by Solid Wall and Interaction in Vapour Bubbly Liqiuds” The 6th International Conference on Nuclear Thermal Hydraulics, Operations and Safety (NUTHOS-6), Nara, Japan, October 4-8, 2004, Paper ID N6P016 13 Gubaidulin A.A., Beregova O.Sh and Bekishev S.A (1998), “Features of Non-Stationary Shock Waves Propagation in Non-Newtonian Liquid with Gas Bubbles”, Pro of Int Conf on Multiphase Flow, ICMF’98, Lyon, France, from CD - ICMF, Sesion 3.2, Unit 249 14 Kubie J (2000), “Velocity of lony Bubbles in Horizontally Oscillating Vertical Piper”, Int J Multiphase Flow Vol 26, pp 339-349 15 Kwidzinki R., Karda D and Pribaturin N.A (1998), “Experimental investigation of structure of stationary shock wave and its interaction with transient impulse of pressure in two-phase flow”, Proc of Int Conf on Multiphase Flow ICMF’ 98, Lyon, France, from CD - ICMF, Sesion 3.2, Unit 353 16 Duong Ngọc Hai and Nguyen Van Tuan, (2008), “Interphase Heat-Mass Transfer in Bubbly Liquid and its Influence on Wave Propagation Processes”, Proceedings of the 2nd International Forum on Heat Transfer, September 1719, 2008, Tokyo, Japan, paper ID N128 17 Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., Shreiber I.R., Kuznetsov V.V., Malykh N.V (1975), “Experimental Investigation of Shock Waves in a Fluid with Gas Bubbles” in: Wave Processes in Two-Phase Systems, Institute of Thermophysics SD Academy of Sciences of the USSR, Novosibirsk, pp 54-97 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 18 Fujikawa S and Maerefat M (1991), “A Molecular Theory of the Phase Change from Vapour to Liquid”, Pro of the Int Conf on Multiphase Flow’ 91, Tsukuba, Japan, pp 175-179 19 Gubaidulin A.A (1995), “Shock Wave Phenomena in Bubbles Liquids”, Pro of the 2nd Int Conf on Multiphase Flow’95-Kyoto, pp PH2_3-PH2_8, 20 Nakoryako V.E., Pokusaev B.G and shreiber I.R (1983), Wave Propagation Processes in Gas and Vapour-Liquid Media, Institute of Thermophysics, Novosibirsk, pp 109-133 21 Nigmatulin (1990), “Dynamics of Multiphase Media”, Hemisphere, publ.Corp, Washington 22 Nguyên Cảnh Cầm, Thủy lực tập 2, nhà xuất giáo dục Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... áp 2.2 HIỆN TƢỢNG SÓNG VA TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI Chất lỏng hai pha là hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi (đƣợc gọi là hỗn hợp lỏng - hơi) là nƣớc chứa bọt hơi nƣớc Giả sử hỗn hợp này đang chuyển động với vận tốc v trong ống nằm ngang Trên đƣờng ống có một van đóng đƣợc chế tạo bởi vật liệu cứng tuyệt đối Tại một thời điểm nào đó, van đột ngột đƣợc đóng lại Do quán tính nên hỗn hợp trong ống... http://www.lrc.tnu.edu.vn/ CHƢƠNG III MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG SÓNG VA TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI Trong phần này của luận văn trình bày một số kết quả nghiên cứu về sự ứng xử của áp suất trong quá trình tăng áp tại van đóng trong hỗn hợp nƣớc chứa bọt hơi Sự ảnh hƣởng của vận tốc sóng va, của nồng độ thể tích của pha hơi và thời gian đóng van sẽ đƣợc đề cập đến trong phần này Các hình từ 3.1 - 3.5... khi có sóng xung kích lan truyền qua, nên trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí (hoặc hơi) thƣờng xảy ra những hiện tƣợng thể hiện tính chất phi tuyến của hỗn hợp đó là hiện tƣợng khuếch đại hay tắt dần của sóng xung kích khi nó lan truyền trong hỗn hợp Về sự khuếch đại của sóng xung kích lan truyền trong chất lỏng chứa bọt khí đã đƣợc đề cập đến trong [10], [11] Trong các công trình này tác giả đã trình... nội dung chính sẽ đƣợc trình bày trong luận văn này Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong phần này tác giả sẽ trình bày hiện tƣợng nƣớc va (hay còn gọi là hiện tƣợng sóng va) trong chất lỏng một pha (chất lỏng là nƣớc) Sau đó tác giả sẽ trình bày mô hình vật lý của hiện tƣợng sóng va cho hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi, hệ phƣơng trình thủy nhiệt động... cứng, còn hiện tƣợng tắt dần có thể xem trong [12] Sóng xung kích trong hỗn hợp chứa bọt khí hòa tan hay ngƣng tụ, về lý thuyết đã đƣợc nghiên cứu trong các công trình [13, 18, 19], còn bằng thực nghiệm đã đƣợc nghiên cứu bởi các công trình [12, 15, 17] Nghiên cứu lý thuyết về sự di chuyển của bọt và về sự co lại hay giãn nở của bọt trong dòng chảy hai pha có thể xem trong [14] Môi trƣờng lỏng - bọt còn... tới hiện tƣợng tăng áp trong sóng va Bởi vậy, trong báo cáo này sẽ trình bày sự ảnh hƣởng của các tham số đặc trƣng cho dòng chảy và vật chất nhƣ: Vận tốc của hỗn hợp, thời gian đóng van và thể tích của pha hơi trong hỗn hợp lên giai đoạn tăng áp trong hiện tƣợng sóng va V=V0 V= 0 2.2.1 Hệ phƣơng trình thủy nhiệt động lực học đối với hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi Hệ phƣơng trình cơ học của hỗn hợp chất. .. học sóng của môi trƣờng hai pha lỏng khí hoặc hơi có xét đến khả năng ngƣng tụ của hơi hay khí hòa tan của pha khí [17] Trong trƣờng hợp không đi sâu nghiên cứu về cấu trúc của sóng xung kích, mà chỉ xem sự truyền sóng xung kích nhƣ sự truyền của mặt gián đoạn Tác giả đã trình bày một số kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất của sóng xung kích trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí hoặc hơi khi sóng. .. xuất hiện nhiều hiện tƣợng bất thƣờng khi có sóng xung kích lan truyền qua nhƣ hiện tƣợng tăng áp suất hoặc giảm đột ngột của áp suất trong hỗn hợp [5, 19] Hoặc một hiện tƣợng bất thƣờng nữa đƣợc xảy ra, đó là hiện tƣợng khuếch đại cƣờng độ của sóng áp suất khi tác động vào hỗn hợp lỏng hơi Về vấn đề này đã đƣợc trình bày trong [8], trong [8] tác giả đã chỉ ra rõ ràng rằng, trong giai đoạn đầu khi sóng. .. môi trƣờng lỏng - bọt bởi nó đƣợc ứng dụng rất nhiều trong thực tế, nên bản thân tôi đã cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu và đã trình bày đƣợc một số kết quả nghiên cứu về quá trình tăng áp suất tại van đóng dòng chảy hai pha Đã nghiên cứu, phân tích và tìm hiểu về sự ảnh hƣởng của các tham số đặc trƣng nhƣ: vận tốc dòng chảy, thời gian đóng van, cấu trúc của hỗn hợp lên quá trình tăng áp suất tại van đóng... 16.0m Trong ống chứa hỗn hợp nƣớc chứa bọt hơi ở nhiệt độ 4380K, áp suất của hỗn hợp là 0.7 MPa Trong Hình 2.5 và 2.6 dƣới đây là hình ảnh minh họa sự so sánh giữa các kết quả tính toán (các đƣờng cong liên tục mảnh) và các kết quả thực nghiệm (các đƣờng cong liên tục đậm), đó là các profil áp suất trong giai đoạn tăng áp của sóng va khi hỗn hợp chuyển động tới tác động vào van đóng ống Các kết quả trong ... va, trạm thủy điện lớn có đƣờng ống dẫn dài, xây dựng tháp điều áp 2.2 HIỆN TƢỢNG SÓNG VA TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI Chất lỏng hai pha hỗn hợp chất lỏng chứa bọt (đƣợc gọi hỗn hợp lỏng. .. SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HIỆN TƢỢNG SÓNG VA TRONG HỖN HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT HƠI Trong phần luận văn trình bày số kết nghiên cứu ứng xử áp suất trình tăng áp van đóng hỗn hợp nƣớc chứa bọt Sự ảnh... THUYẾT Trong phần tác giả trình bày tƣợng nƣớc va (hay gọi tƣợng sóng va) chất lỏng pha (chất lỏng nƣớc) Sau tác giả trình bày mô hình vật lý tƣợng sóng va cho hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi, hệ