Thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới nước trồng cây công nghiệp tại vùng núi tỉnh khánh hòa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM VĂN QUANG THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU BỘ DẪN ĐỘNG CỦA BƠM THỦY NĂNG PHỤC VỤ TƯỚI NƯỚC TRỒNG CÂY CÔNG NGHIỆP TẠI VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA LUẬN VĂN THẠC SĨ Khánh Hòa, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM VĂN QUANG THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU BỘ DẪN ĐỘNG CỦA BƠM THỦY NĂNG PHỤC VỤ TƯỚI NƯỚC TRỒNG CÂY CÔNG NGHIỆP TẠI VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60520103 Quyết định giao đề tài: Quyết định thành lập HĐ: 1079/QĐ-ĐHNT ngày 19/11/2015 Ngày bảo vệ: 16/01/2016 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HÙNG THẮNG Chủ tịch Hội đồng: Ts NGUYỄN VĂN TƯỜNG Khoa sau đại học: Khánh Hòa, 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu đề tài:”Thiết kế tối ưu kết cấu dẫn động bơm thủy phục vụ tưới nước trồng công nghiệp vùng núi tỉnh Khánh Hòa” công trình nghiên cứu cá nhân chưa công bố công trình khoa học khác thời điểm Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Nha trang, ngày tháng Tác giả luận văn iii năm 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học thực luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình quý thầy cô trường nói chung quý thầy ngành khí trường Đại học Nha Trang nói riêng Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô, đặc biệt thầy cô tận tình dạy bảo cho suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Phó Giáo sư – Tiến sĩ Phạm Hùng Thắng dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu quý thầy cô bạn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình tất bạn bè giúp đỡ, động viên suốt trình học tập thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, ngày tháng Tác giả luận văn iv năm 2015 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THỦY VĂN VÀ BƠM THỦY NĂNG1 1.1 Tổng quan thủy văn tình hình trồng công nghiệp vùng núi tỉnh Khánh Hòa 1.2 Tổng quan bơm nước sử dụng lượng dòng suối tự chảy .3 1.2.1 Bơm cọn nước vùng cao .3 1.2.2 Bơm va 1.2.3 Bơm thủy luân 1.2.4 Bơm bánh xe xoắn ốc 1.2.5 Bơm cáp treo 1.3 Mục tiêu, phương pháp, nội dung phạm vi nghiên cứu .10 1.3.1 Lý thực đề tài 10 1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu 11 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 11 1.3.4 Nội dung nghiên cứu 12 1.3.5 Phạm vi nghiên cứu 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ TỐI ƯU 13 2.1 Tổng quan tối ưu hóa 13 2.1.1 Các phương pháp 13 2.1.2 Phân loại toán tối ưu 14 2.1.3 Đặc điểm toán tối ưu hóa kết cấu 15 2.1.4 Ưu nhược điểm phương pháp tối ưu kết cấu 15 2.1.5 Đặc điểm toán tối ưu kết cấu dẫn động bơm thủy 17 v 2.1.6 Mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu .17 2.2 Cơ sở lý thuyết mô CFD 20 2.2.1 Những phương trình chủ đạo CFD 20 2.2.2 Trình tự giải bải toán CFD .22 2.2.3 Giới thiệu phần mềm ANSYS FLUENT .22 CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA 23 3.1 Tổng quan mẫu bơm tối ưu hóa 23 3.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 24 3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới cột áp .26 3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới lưu lượng .28 3.2 Tính toán, mô xác định hình dạng cánh tối ưu 31 3.2.1 Tính toán xác định hình dạng cánh tối ưu 31 3.2.2 Mô xác định hình dạng cánh tối ưu .37 3.2.2.1 Mô tả toán 37 3.2.2.2 Giải toán .38 3.3 Tối ưu hóa số lượng cánh, bề rộng guồng bơm .46 3.3.1 Chọn biến thiết kế 46 3.3.2 Xác định điều kiện ràng buộc 47 3.3.3 Xây dựng hàm mục tiêu 49 3.3.4 Bài toán tối ưu 65 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 77 4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng 77 4.2 Cách đo thông số 78 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 80 5.1 Kết luận 80 5.2 Đề xuất 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 vi DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT l: Chiều dài cánh (m) b: Bề rộng cánh (m) a: Chiều dày vật liệu làm cánh (m) D: Khối lượng riêng (kg/m3) Z: Số cánh b: Bề rộng guồng bơm (m) m: Khối lượng vật liệu làm cánh (kg) P: Trọng lực vùng chứa nước (N) Si: Diện tích tiết diện phần cánh bơm chứa nước (m2) di: Cánh tay đòn (m) g: Gia tốc trọng trường (g = 9.8m/s2) Q: Lưu lượng (Lít / ngày) M: Mô men quay bơm (N.m) d: Đường kính ống quấn (mm) k: Số vòng quấn ống (vòng) D: Đường kính tang quay (m) H: Chiều cao cột áp (m) n: Tốc độ quay (vòng/phút) vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Bảng thông số diện tích cánh tay đòn hình dạng cánh tròn hình dạng cánh ban đầu sau tính toán 37 Bảng 3.2 Bảng số liệu tính toán giá trị Z, M, K 47 Bảng 3.3 Bảng số liệu thể mối quan hệ mô men quay M với số lượng cánh Z bề rộng cánh b 52 Bảng 3.4 Bảng thông số thể mối quan hệ tỉ lệ vật liệu K với số lượng cánh Z bề rộng cánh b 60 viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Bơm cọn nước Hình 1.2: Cấu tạo bơm va Hình 1.3 Bơm va .5 Hình 1.4: Bơm thủy luân Hình 1.5: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc .7 Hình 1.6: Bơm bánh xe xoắn ốc Hình 1.7: Bơm cáp treo Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động bơm cáp treo .9 Hình 3.1 Bơm xoắn đặt bờ suối chế tạo trước 23 Hình 3.2: Bản vẽ cấu tạo tang quấn ống 24 Hình 3.3: Biểu đồ liên hệ tốc độ quay cột áp 26 Hình 3.4: Biểu đồ liên hệ ống quấn cột áp .27 Hình 3.5: Biểu đồ liên hệ đường kính ống cột áp 27 Hình 3.6: Biểu đồ liên hệ đường kính tang cột áp 28 Hình 3.7: Biểu đồ liên hệ đường kính ống lưu lượng .28 Hình 3.8: Biểu đồ liên hệ tốc độ quay lưu lượng 29 Hình 3.9: Biểu đồ liên hệ số vòng ống lưu lượng 30 Hình 3.10: Biểu đồ liên hệ đường kính tang lưu lượng 30 Hình 3.11 Hình dạng cánh ban đầu 32 Hình 3.12 Hình vẽ tính toán theo mô hình ban đầu 33 Hình 3.13 Hình dạng cánh tròn 34 Hình 3.14 Vẽ tính toán theo mô hình (hình dạng cánh tròn) .35 Hình 3.15 Diện tích vùng chứa nước 35 Hình 3.16 Kết diện tích vùng chứa nước trọng tâm vùng chứa nước 36 Hình 3.17a Hình dạng cánh ban đầu 38 Hình 3.17b Hình dạng cánh tròn .38 Hình 3.18 Tạo mô hình chia lưới hình dạng cánh ban đầu cánh tròn 39 Hình 3.19 Chia lưới mô hình 40 Hình 3.20 Đọc file 41 Hình 3.21 Kiểm tra lưới 41 ix Hình 3.22 Chọn phương pháp giải 41 Hình 3.23 Chọn mô hình để giải .42 Hình 3.24 Chọn phương trình giải 42 Hình 3.25 Nhập thông số 42 Hình 3.26 Lựa chọn điều kiện biên 43 Hình 3.27 Đặt điều kiện biên cửa vào 43 Hình 3.28 Đặt điều kiện biên đầu .43 Hình 3.29 Nhập số lần lặp 44 Hình 3.30 Xét độ hội tụ 44 Hình 3.31 Lựa chọn kết mô .44 Hình 3.32 Lựa chọn biến đầu .45 Hình 3.33 Kết mô với cánh tròn .45 Hình 3.34 Kết mô với cánh ban đầu .45 Hình 3.35 Đồ thị thể mối liên hệ mô men quay bơm với số lượng cánh 48 Hình 3.36 Đồ thị thể mối liên hệ tỉ lệ mô men với với tổng khối lượng làm cánh 48 Hình 3.37: Hộp thoại chứa công cụ phân tích liệu 50 Hình 3.38: Hộp thoại khai báo thông số mô hình hồi quy 51 Hình 4.1 Mẫu bơm tối ưu đưa vào sử dụng 77 x 67 Microsoft Excel 15.0 Answer Report Worksheet: [chay chuan nhat 1.xlsx]giải toán chuẩn Report Created: 09/28/2015 8:16:45 AM Result: Solver found a solution All Constraints and optimality conditions are satisfied Solver Engine Engine: Simplex LP Solution Time: 0.047 Seconds Iterations: Subproblems: Solver Options Max Time Unlimited, Iterations Unlimited, Precision 0.000001, Use Automatic Scaling Max Subproblems Unlimited, Max Integer Sols Unlimited, Integer Tolerance 1%, Assume NonNegative Objective Cell (Max) Original Cell Name $D$15 Hàm mục tiêu Value Final Value 74.6465 74.6465 Variable Cells Original Cell Name $B$16 Phương án Biến b Value Final Value 0.2 Integer 0.2 Contin 68 $C$16 Phương án Biến Z 35 35 Contin Constraints Cell Name Cell Value $B$16 Phương án Biến b Formula Status 0.2 $B$16=0.1 Binding $C$16 Phương án Biến Z 35 $C$16=18 Binding Kết thu Biến b Hệ số Phương án Biến Z Hàm mục tiêu 317.6025 1.309 0.2 35 74.6465 69 17 70 Microsoft Excel 15.0 Answer Report Worksheet: [chay chuan nhat 1.xlsx]giải toán chuẩn Report Created: 09/28/2015 8:28:21 AM Result: Solver found a solution All Constraints and optimality conditions are satisfied Solver Engine Engine: Simplex LP Solution Time: 0.047 Seconds Iterations: Subproblems: Solver Options Max Time Unlimited, Iterations Unlimited, Precision 0.000001, Use Automatic Scaling Max Subproblems Unlimited, Max Integer Sols Unlimited, Integer Tolerance 1%, Assume NonNegative Objective Cell (Max) Cell Name $M$15 hàm mục tiêu Original Final Value Value 15.66454 15.66454 Variable Cells Cell Name $K$16 phương án biến Z Original Final Value Value 18 Integer 18 Contin Constraints Cell Name Cell Value Formula Status Slack Not $K$16 phương án biến Z 18 $K$16=18 Binding 71 Kết thu được: biến Z hàm mục tiêu 15.66454 phương án - 18 Từ kết giải ta có: Mmax= 74.6465 b = 0.2; Z = 35 Kmax= 15.66454 Z=18 không phụ thuộc vào b nên xây dựng bảng pay-off ta chọn b = 0.2 - Lập bảng pay-off cho mục tiêu: Phương án Xi M = z1 K = z2 X1(0.2 35) 74.6465 12.3076 X2(0.2 18) 52.3935 15.6645 M = 317.6025*b + 1.309*Z - 34.689 K = -0.19747*Z + 19.219 Dựa vào thông tin bảng pay-off ta có z1w = 52.3935 ; z1b = 74.6465 zw2 = 12.3076 ; zb2 = 15.6645 Do đoạn biến thiên cần xét z1 [52.3935 74.6465] ; z2 [12.3076 từ thiết lập hàm thỏa dụng mờ ứng với hai mục tiêu cho: μ1 (z1) = 14.2723b + 0.0588Z - 3.9133 Tương tự z2 ta có: μ2 (z2) = -0.0588Z + 2.0588 72 15.6645] Lập hàm thỏa dụng tổ hợp u = w1.μ1 (z1) + w2.μ2 (z2) = w1 (14.2723b + 0.0588Z - 3.9133) + w2 (-0.0588Z + 2.0588) Trong w1, w2 trọng số thỏa mãn ≤ w1, w2 ≤ 1; w1 + w2 = a Các bước lặp: ta chọn w1 = 0.6; w2 = 0.4 Tìm Max (U) = 0.6*(14.2723b + 0.0588Z - 3.9133) + 0.4*(-0.0588Z + 2.0588) Tiến hành giải Nhập hàm, biến thay đổi điều kiện ràng buộc 73 Microsoft Excel 15.0 Answer Report Worksheet: [chay chuan nhat 1.xlsx]giải toán chuẩn Report Created: 09/28/2015 9:02:14 AM Result: Solver found a solution All Constraints and optimality conditions are satisfied Solver Engine Engine: Simplex LP Solution Time: 0.047 Seconds Iterations: Subproblems: Solver Options Max Time Unlimited, Iterations Unlimited, Precision 0.000001, Use Automatic Scaling Max Subproblems Unlimited, Max Integer Sols Unlimited, Integer Tolerance 1%, Assume NonNegative Objective Cell (Max) Cell Name $G$32 hàm mục tiêu Original Value Final Value 0.49998 0.49998 Original Value Final Value Variable Cells Cell $F$34 Name b 0.2 Integer 0.2 Contin 74 $F$35 Z 28 28 Contin Constraints Cell Name $F$34 Cell Value B Formula Status 0.2 $F$34=0.1 Binding B 0.1 Not $F$35 Z 28 $F$35=18 Binding Kết thu hàm mục tiêu U 0.49998 biến b 0.2 Z 28 W1 0.5 W2 0.5 W1 + W2 điều kiện ràng buộc 0.1≤ b ≤0.2 18≤ Z ≤35 0≤ W1, W2 ≤1 W1 + W2 = Vậy kết tối ưu với bề rộng guồng bơm (hay bề rộng cánh) 0.2m số lượng cánh tối ưu 28 cánh 75 Kết luận: Nội dung chương xác định hình dạng cánh tốt hình dạng cánh ban đầu Mặt khác tìm số lượng cánh phù hợp đảm bảo đạt ngưỡng mô men lớn để quay bơm Từ giúp cho nâng cao hiệu sử dụng nước nâng cao lưu lượng bơm Qua giúp giảm số lượng cánh không cần thiết, tiết kiệm chi phí vật liệu, giảm chi phí gia công, nâng cao khả hoạt động hiệu bơm \ 76 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng Hình 4.1 Mẫu bơm tối ưu đưa vào sử dụng - Các thông số bơm sau + Đường kính tang D = 1200 mm + Đường kính ống d = 19 mm + Số vòng quấn k = 11 vòng - Ta có chiều cao cột áp lưu lượng nước đạt đường kính D tính sau Hàm liên hệ đường kính tang cột áp: H = 4,8036 D  4,909 D  1,2861 (m) = 14.1 (m) 77  Tính toán tổn thất cho bơm: - Khoảng cách từ vị trí đặt bơm đến vị trí đo 66m Vì có tổn thất bơm dọc đường, tính theo công thức l v2 (m) d 2g H dđ =    0,02 ; l = 66 m; d = 0,019 m; g = 9,8 m/s ; v =0,8 (m/s) Thay vào công thức ta có: H dđ = 2.2 m - Tổn thất cục đường dẫn nước có lắp cút dẫn hướng ống gồm có: cút 120 cút 90 Ta có công thức tính tổn thất cục sau: v2 H cb =  (m) 2g - cút 90 có   1,1 , cút 120 có   0.55 , v= 0,8 m/s, g = 9.8 m/s Thay số vào ta có: H cb  0.13 m  H tt = H dđ + H cb = 2.33 m Chiều cao cột áp thực tế đo H đ = H – Htt = 14.1 – 2.33 = 11.77 (m) Vì với chiều cao cột áp cần đưa nước lên 8m hoàn toàn nằm khả bơm thiết kế Với đường kính trục tang D = 1,2 m, chiều cao cột áp H = 8(m) lưu lượng thực tế mẫu bơm cũ đo là: 7149 (lít/ngày) 4.2 Cách đo thông số - Thực đo mức cột áp yêu cầu 8m - Dụng cụ đo gồm có: + Thước mét 78 +Thùng chứa nước V = 20 lít + Đồng hồ bấm - Phương pháp đo: + Ở độ cao cột áp cố định ta tiến hành đo tốc độ quay bơm lưu lượng nước bơm Ta đo lưu lượng nước tới đầy thùng V = 20 lít (thời gian để đầy thùng phút 23 giây) ta dừng lại xem thời gian đầy thùng sau nhân hệ số cho ngày độ cao bơm đạt thể tích - Kết đo với mẫu bơm tối ưu: Tốc độ quay bơm: n = (vòng / phút) Lưu lượng nước Q = 8512.3(lít / ngày) Kết luận: Qua trình đo thực nghiệm lưu lượng nước mẫu bơm tối ưu ta thu kết Q = 8512.3 (lít/ngày) Trên sở so sánh lưu lượng nước bơm chế tạo trước với bơm tối ưu đề tài ta thấy mẫu bơm tối ưu bơm nước hiệu mẫu bơm cũ, cụ thể lưu lượng nước tăng lên 8512.3/7149 = 1.2 lần 79 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Kết luận Trên sở tổng quan tình hình thủy văn bơm thủy năng, đề tài chọn đối tượng bơm phù hợp với điều kiện trang trại, sông suối tỉnh Khánh Hòa loại bơm đặt gần bờ Kết cấu tối ưu hóa, hình dạng cánh chọn phù hợp Kết tính toán cho thấy diện tích làm cánh cánh bơm thiết kế theo hình dạng chứa nhiều nước so với cánh bơm gấp khúc ban đầu Mô men quay bơm tăng gấp 1,2 lần Khi mô men tăng dẫn tới cột áp tăng lưu lượng nước tăng, thực tế chiều cao cột áp đưa lên cố định, từ lưu lượng nước tăng lên Trên thực nghiệm kiểm chứng cho thấy lưu lượng nước đo mẫu bơm (Q = 8512.3 (lít/ngày)) tăng gấp 1,2 lần so với mẫu bơm cũ (Q = 7149 (lít/ngày) Mặt khác, đề tài xác định số lượng cánh bơm tối ưu đảm bảo đạt mô men lớn thỏa mãn vấn đề chi phí vật liệu làm cánh khả chế tạo Qua giúp giảm số lượng cánh không cần thiết, tiết kiệm chi phí vật liệu, giảm chi phí gia công nâng cao khả hoạt động hiệu Bơm thủy 5.2 Đề xuất Trong phạm vi đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu dẫn động bơm thủy với mô hình bơm đặt gần bờ ứng dụng qui mô trang trại với dòng suối nhỏ tốc độ dòng chảy thấp, không ổn định Hiện thực tế số mẫu bơm đặt dòng ứng với dòng suối lớn kết cấu tương đối cồng kềnh hiệu hoạt động chưa cao Qua tác giả xin đề xuất tiếp tục áp dụng lý thuyết sử dụng đề tài để xây dựng tối ưu cho mô hình bơm dòng mẫu bơm khác 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS TSKH Vũ Duy Quang (2006), Thủy khí động lực học ứng dụng, Nhà xuất xây dựng [2] GS TSKH Võ Như Cầu (2003), Tính kết cấu theo phương pháp tối ưu, Nhà xuất xây dựng [3] Lê Xuân Huỳnh (2005) Tính toán kết cấu theo lý thuyết tối ưu, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [4] PGS TS Nguyễn Hải Thanh (2007), Các mô hình phần mềm tối ưu hóa ứng dụng nông nghiệp [5] Vũ Ngọc Chiên, Thiết kế chế tạo bơm thủy phục vụ tưới công nghiệp cho vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa, Báo cáo khoa học ĐH Nha Trang; 2009 [6] http://vi.wikipedia.org/wiki/Kh%C3%A1nh_H%C3%B2a [7] URI KIRSCH (1981), Optimum structural Design, Mc Graw Hill Book Company [8] Fluent Software Training, TRN-99-003, Fluent Inc [9] Anderson, John DJr (1989), Hypersonic and hight temperature Gas Dynamics, McGraw-Hill, New York [10] Von Karman Insitute (2010), Computational Fluid Dynamics, Germany 81