Nguy ễn Hoài Tân1b 1 Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ a nvcuong@ctu.edu.vn; b nhtan@ctu.edu.vn TÓM T ẮT Sự phân bố áp suất và tốc độ gió trong đường ống gió thường bị chi phối bởi nhiều
Trang 1NGHIÊN C ỨU SỰ PHÂN BỐ ÁP SUẤT VÀ VẬN TỐC GIÓ
TRONG ĐƯỜNG ỐNG
STUDY THE DISTRIBUTION OF PRESSURE AND WIND VELOCITY
IN THE WIND TUNNEL
TS Nguy ễn Văn Cương1a, ThS Nguy ễn Hoài Tân1b
1 Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ
a nvcuong@ctu.edu.vn; b nhtan@ctu.edu.vn
TÓM T ẮT
Sự phân bố áp suất và tốc độ gió trong đường ống gió thường bị chi phối bởi nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng ống, chiều dài ống, tốc độ quay của quạt Việc nghiên cứu sự phân bố này có ý nghĩa quan trọng cho quá trình tính toán thiết kế đường ống gió trong các hệ thống sấy cũng như các hệ thống khác Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu sự phân bố áp suất và tốc
độ gió trên hệ thống ống gió Hampden model H-6910, với ba giá trị tốc độ quay của quạt khác nhau lần lượt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút Sự phân bố áp suất và tốc độ gió được nghiên cứu với hai mô hình: (a) theo tiết diện ngang của ống vuông 200x200 mm tương ứng với vị trí tâm ống, các vị trí cách tâm ống 20, 40, 60 và 80 mm; (b) theo chiều dài trên ống venturi với tiết diện thay đổi từ 0.01 m2đến 0.034 m2 Kết quả nghiên cứu cho thấy: (1) với ống tiết diện vuông, ở vị trí càng xa tâm ống thì áp suất động và vận tốc gió càng giảm, áp suất động của dòng khí giảm chỉ còn 62% đến 70%, tốc độ gió giảm còn 79% đến 84% so với các giá trị đo được tại tâm ống; (2) với ống venturi, áp suất và tốc độ gió tỉ lệ nghịch với tiết diện ống, khi tiết diện ống tăng thì
áp suất và tốc độ gió giảm và ngược lại; ở đoạn sau của ống venturi, khi tiết diện ống tăng từ 0.01 m2đến 0.034 m2, áp suất giảm chỉ còn 18%, 9% và 6%, tốc độ gió giảm còn 49%, 32% và 21% tương ứng với tốc độ của quạt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút Ngoài ra, các mô hình thí nghiệm liên quan đến sự phân bố áp suất và tốc độ gió trong đường ống cũng được xây dựng
Từ khóa: áp suất động, vận tốc gió, phân bố áp suất, phân bố tốc độ gió, phân bố áp suất
và t ốc độ gió trong ống
ABSTRACT
The distribution of pressure and wind speed in wind tunnel is affected by many factors such as the pipe shape, the pipe lengthand the fan speed The contribution study has important implications in designing and calculating wind tunnel of drying systems and others This paper presents the research’s results ofthe pressure distribution and wind velocity in Hampden wind tunnel system - Model H-6910 at three different fan speeds as 700, 1400 and 2100 rpm The pressure and velocity distributions are studied with two models: (a) with cross section of square tube (200x200 mm) corresponding to the tube center position, and at the distance of 20, 40, 60,
80 mm from center point; (b) with the changing of cross section along the length of venturi tube from 0.01 m2 to 0.034 m2 The results show that: (1) for cross section of square tube, the dynamic pressure and wind velocitysignificantly decrease from the center point.The dynamic pressure is only equal 62% to 70%, the wind velocity is equal 79% to 84% with different position in comparison with center point; (2) for venturi tubes, the dynamic pressure and wind velocity is inverse proportion to the cross section of tube; the higher of cross-sectional area, thelower of pressure and velocity.When the cross-sectional area increasesfrom 0.01 m2 to 0.034
m2, the dynamic pressure reduces to 18%, 9% and 6%, wind velocity dropped to 49%, 32% and 21% corresponding to fan speed of 700, 1400 and 2100 rpm In addition, the experimental models relating to the distribution of pressure and wind velocity in the tunnelare also built
Keywords: dynamic pressure, wind velocity, pressure distribution, wind distribution,
distribution of pressure and wind in the tunnel
Trang 21 GI ỚI THIỆU
Sự phân bố tốc độ gió trên tiết diện ngang và dọc theo thành ống phụ thuộc vào chế độ chuyển động của dòng lưu chất và được xác định theo áp suất động [1] Áp suất tổng của dòng khí thổi qua ống gồm 2 thành phần: (1) áp suất động là phần áp suất có khả năng tạo nên chuyển động của luồng khí, hướng tác động của áp suất động là hướng chuyển động của dòng không khí; (2) áp suất tĩnh là phần áp suất không gây ra chuyển động Trong trường hợp không có dòng không khí chuyển động thì áp suất tĩnh bằng áp suất tổng Áp suất tĩnh có tác động đồng đều theo mọi hướng trong ống Tuy nhiên, trong thực tế khó có thể đo trực tiếp áp suất động trong đường ống, mà cần phải đo đồng thời áp suất tổng Pt và áp suất tĩnh Ps bằng ống pitot và nanomet Sự phân bố áp suất và tốc độ gió trong đường ống gió thường bị chi phối bởi nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng ống, chiều dài ống, tốc độ quay của quạt [2-4] Việc nghiên cứu
sự phân bố áp suất và vận tốc dòng khí trong đường ống có ý nghĩa quan trọng cho quá trình tính toán thiết kế đường ống gió trong các hệ thống sấy cũng như các hệ thống khác Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu sự phân bố áp suất và tốc độ gió trên hệ thống ống gió Hampden ở những vị trí khác nhau
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu sự phân bố áp suất và tốc độ gió trong đường ống được thực hiện trên thiết bị ống gió (Wind Tunnel) Hampden– Model H-6910 Trong đó, hai mô hình thí nghiệm với tiết diện ống ngang cùng một vị trí, mô hình thí nghiệm với hình dạng tiết diện ống thay đổi dọc theo ống ở những vị trí khác nhau Hai thông số đầu vào làtốc độ quay của quạt và tiết diện ống, các thông số xác định là áp suất và tốc độ của dòng khí
2.1 Mô hình thí nghi ệm trên tiết diện ngang của ống
Sự phân bố áp suất và tốc độ gió trên tiết diện ngang của ống vuông 200 x 200 mm được nghiên cứu, với ba tốc độ quay của quạt lần lượt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút Các vị trí được xác định áp suất và tốc độ gió được xác định ở vị trí 0, 2, 4, 6 và 8, cách vị trí tâm ống lần lượt là 0, 20, 40, 60 và 80 mm (Hình 1) Các giá trị đo được thực hiện 3 lần lặp lại và giá trị trung bình được xác định
Hình 1: Bố trí thí nghiệm theo tiết diện ngang trên ống Hampden – Model H-6910
Trang 3Hình 2: B ố trí thí nghiệm theo tiết diện ngang trên ống venture (Hampden)
2.2 Mô hình thí nghi ệm theo tiết diện thay đổi dọc theo chiều dài ống
Để nghiên cứu sự thay đổi của áp suất và vận tốc gió trong ống, những thí nghiệm được
thực hiện dọc theo chiều dài ống trên mô hình ống venturi, tiết diện ống thay đổi từ 0.01 m2đến 0.034 m2, tương ứng với các vị trí từ 1 đến 10 trong Hình 2, với ba tốc độ quay của quạt lần lượt
là 700, 1400 và 2100 vòng/phút Các giá trị được đo 3 lần lặp lại ở cùng một vị trí thí nghiệm
3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN
3.1 S ự phân bố áp suất và tốc độ gió trên tiết diện ngang của ống vuông
3.1.1 S ự phân bố áp suất động dòng khí tiết diện ngang
Sự phân bố áp suất động của dòng không khí trong ống vuông ứng với vị trí trung tâm ống
và các vị trí cách tâm ống lần lượt 20, 40, 60, 80 mm được thể hiện qua Hình 3, tốc độ quay của
quạt tương ứng với 700, 1400 và 2100 vòng/phút
Hình 3: S ự phân bố áp suất động tương ứng với các vị trí trong ống (trái) và tỷ lệ giảm áp
su ất ở các vị trí so với vị trí trung tâm (phải)
Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phân bố áp suất gió thay đổi theo vị trí của ống trên cùng
một mặt cắt; vị trí càng xa trung tâm ống thì áp suất động càng giảm Độ giảm của áp suất càng
lớn khi tốc độ quay của quạt càng lớn Với tốc độ quay của quạt 2100 vòng/phút, so với vị trí tâm ống thì áp suất tại các vị trí 2, 4, 6, 8 lần lượt là 83%, 79%, 72% và 62% Trong khi đó, ở tốc
độ quay của quạt 700 vòng/phút, áp suất tại các vị trí trên lần lượt là 87%, 84%, 78% và 70% so
với vị trí tâm ống
Trang 43.1.2 S ự phân bố tốc độ gió trên tiết diện ngang của ống
Sự phân bố tốc độ gió trên tiết diện ngang của ống ứng với vị trí trung tâm ống và các vị trí cách trung tâm ống lần lượt 20, 40, 60, 80 mm được thể hiện qua Hình 4 Vận tốc dòng khí được xác định sau khi có được áp suất động tương ứng (Pd) ở các vị trí bằng công thức (1)
Áp suất động của dòng khí (mmH2O) được xác định: ρ
2 .
2 v
Pd = Trong đó ρ là khối lượng riêng không khí (kg/m3)
Vận tốc dòng khí (m/s) tại các vị trí được xác định: d
P
v = 2 . = 4 , 04
Hình 4: Bi ểu đồ phân bố tốc độ gió tương ứng với các vị trí trong ống (trái), tỷ lệ giảm tốc
độ gió ở các vị trí so với vị trí trung tâm (phải)
Giống như sự phân bố áp suất động, sự thay đổi về tốc độ gió cũng tỉ lệ với vị trí trong ống trên mặt cắt ngang, càng xa vị trí tâm ống thì tốc độ gió càng giảm So với vị trí tâm ống, tốc độ gió tại vị trí xa nhất, cách tâm ống 80 mm chỉ đạt được 79%, 82% và 84% tương ứng với tốc độ quay của quạt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút (Hình 4) Với tốc độ quay của quạt càng lớn, sự
giảm tốc độ gió ở các vị trí quan sát nhiều hơn so với tốc độ quay của quạt nhỏ
3.2 Phân b ố áp suất và tốc độ gió tương ứng với các tiết diện ống
3.2.1 Phân bố áp suất tương ứng với các tiết diện ống
Nghiên cứu áp suất động của dòng không khí được thực hiện trên ống venturi với tiết diện ngang của ống thay đổi từ 0.024 m2 giảm xuống 0.01 m2, tương ứng với các vị trí từ 1 đến 3; sau
đó tăng từ 0.01 m2đến 0.034 m2, tương ứng các vị trí từ 3 đến 10 trong hình 2 Các kết quả nghiên cứu tương ứng được thể hiện trên đồ thị (Hình 5)
Hình 5: Sự phân bố áp suất động tương ứng các tiết diện dọc theo ống
Trang 5Tại vị trí có tiết diện nhỏ nhất (0.01 m2), áp suất động tăng lên đáng kể với các giá trị tương ứng là 8.97, 24.03 và 56.4 mmH2O Với áp suất ban đầu đi vào ống venture tương ứng
với các tốc độ quay của quạt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút lần lượt là 1.0, 2.95 và 6.38 mmH2O (có tiết diện là 0.024 m2)
Sau khi qua khỏi tiết diện nhỏ nhất, áp suất động của dòng khí giảm đi, tương ứng với giá trị
xa nhất với tiết diện ống là 0.034 m2, áp suất giảm còn 1.60, 2.27 và 3.28 mmH2O; tương đương 6%, 9% và 18% so với vị trí áp suất lớn nhất tại tiết diện 0.01 m2 Khi tốc độ quay của quạt gió càng lớn, tỷ lệ giảm áp suất càng nhiều (chỉ còn 6% tương ứng) Khi tiết diện càng xa vị trí nhỏ
nhất, nghĩa là diện tích ống thay đổi ít đi, áp suất thay đổi không nhiều Điều này cho thấy sự ổn định áp suất đường ống trong thiết bị khi diện tích ống không thay đổi
3.2.2 Phân b ố tốc độ gió tương ứng với các tiết diện ống
Tốc độ của dòng khí dọc trong ống venturi với diện tích tiết diện ngang khác nhau của ống thay đổi gần giống như quy luật thay đổi áp suất (Hình 6) Vận tốc gió cực đại đạt được là 12.10 m/s, 19.81 m/s và 30.34 m/s ứng với vận tốc quạt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút Tại vị trí phía sau ống venture, vận tốc gió giảm dần và đạt giá trị thất nhất là 5.11 m/s, 6.08 m/s và 7.32 m/s, tương ứng giá trị 42%, 31% và 24% Với tốc độ quay của quạt càng lớn, khả năng mất
vận tốc dòng khí càng lớn, các giá trị vận tốc đo đạt được trên mô hình thí nghiệm được thể hiện trong đồ thị ở hình 6
Hình 6: Sự phân bố tốc độ gió tương ứng các tiết diện ống thay đổi
Kết quả số liệu thí nghiệm cho thấy tốc độ gió trong ống venture tỉ lệ nghịch với tiết diện ống Diện tích ống càng tăng thì vận tốc gió càng giảm và ngược lại Càng về cuối đường ống venture, vận tốc gió có tính ổn định và thay đổi không đáng kể Với vận tốc dòng khí nhỏ, tương ứng với tốc độ quay của quạt là 700 vòng/phút, sự thay đổi tốc độ không nhiều so với sự thay đổi khi vận tốc dòng khí lớn ứng với 2100 vòng/phút
4 K ẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu sự phân bố áp suất và tốc độ gió đã được thực hiện trên hệ thống ống gió Hampden Model H-6910, với ba giá trị tốc độ quay của quạt khác nhau lần lượt là 700 vòng/phút, 1400 vòng/phút và 2100 vòng/phút Với ống tiết diện vuông, ở vị trí càng xa tâm ống thì áp suất động và vận tốc gió càng giảm, áp suất động của dòng khí giảm chỉ còn từ 62% đến 70%, tốc độ gió giảm còn 79 đến 84% so với các giá trị cực đại đo được tại tâm ống Đối với ống venturi, áp suất động và tốc độ gió tỉ lệ nghịch với tiết diện ống, khi tiết diện ống tăng thì áp
Trang 6suất và tốc độ gió giảm và ngược lại; ở đoạn sau của ống venturi, khi tiết diện tăng từ 0.01 m2 đến 0.034 m2, áp suất động giảm chỉ còn 18%, 9% và 6%, tốc độ gió giảm còn 42%, 31% và 24% tương ứng với tốc độ của quạt là 700, 1400 và 2100 vòng/phút Các kết quả nghiên cứu này cho thấy rằng: khi triển khai việc chế tạo các đường ống gió ở các hệ thống thực tế, để hạn chế
thất thoát và đảm bảo áp suất cũng như tốc độ gió, cần phải chú ý đến tốc độ quạt gió và sự thay đổi tiết diện đường ống gió để đảm bảo sự phân bố đồng đều trong ống
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Đình Tín, Bùi Hải Nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt Nhà xuất bản Đại học
Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004
[2] James M Meyer, Venturi Induction for Heat Recovery and Flow Nox Interal Combustion Engines US 60191260, Feb, 28, 2005
[3] William B Brower etal., Improve Method For Deterning Flow Rates In Venturis, Orifices ang Flow Nozzles Involving US 5365795, May 20, 1993
[4] Rechart Fitzpatrick, Fluid Mechanics The University of Texas at Austin, 2012
THÔNG TIN TÁC GI Ả
1 TS Nguy ễn Văn Cương Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ
Email: nvcuong@ctu.edu.vn, Điện thoại: 0989909034
2 ThS Nguy ễn Hoài Tân Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ
Email: nhtan@ctu.edu.vn, Điện thoại: 0907286660