MÔ PHỎNG SỐ SỰ HOÀ TRỘN CÁC LOẠI LƯU CHẤT KHÁC NHAU TRONG MÁY KHUẤY

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƢỜNG ĐỀ TÀI “MÔ PHỎNG SỐ SỰ HOÀ TRỘN CÁC LOẠI LƯU CHẤT KHÁC NHAU TRONG MÁY KHUẤY.” Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN CHÍ CÔNG Thành viên tham gia: VŨ VĂN DUY Hải Phòng, tháng 5/ 2016 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết Mục đích nghiên cứu 10 Đối tượng nghiên cứu 10 Phạm vi nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHUẤY 12 1.1 Khái niệm máy khuấy 12 1.2 Ứng dụng máy khuấy đời sống xã hội 12 1.3 Phân loại cấu tạo máy khuấy 13 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Lý thuyết trao đổi lượng dòng chất lỏng bánh công tác 16 2.2 Lý thuyết phương pháp tính toán thiết kế cánh hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy 23 2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình VOF ( Volume of fliud) Ansys Fluent 29 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG BUỒNG HOÀ TRỘN 31 3.1 Mô hình buồng hoà trộn 31 3.2 Tính toán kích thước 33 3.3 Mô số trình hoà trộn 37 3.3 Phân tích kết 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa  Hiệu suất lưu lượng hiệu suất thủy lực B Hiệu suất làm việc bơm tl Hiệu suất thủy lực Q Hiệu suất lưu lượng ZCH , Z Số cánh bánh công tác cánh hướng Z Số cánh bánh công tác D Đường kính bánh công tác db Đường kính bầu bánh công tác 1 ,  Góc đặt cánh lối vào lối cánh  Vận tốc góc bánh công tác n Số vòng quay động ns Số vòng quay đặc trưng Q, Qlt Lưu lượng , lưu lượng lý thuyết bơm H , H lt Cột áp cột áp lý thuyết bơm N , N B , Ntl Công suất, công suất bơm , công suất thủy lực  Góc va , 1 Lưu số vận tốc, lưu số vận tốc cánh  Độ dày cánh v Hệ số nhớt động học F Lực khối đơn vị E Nhiệt dung riêng chất lỏng keff Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng Jj Thông lượng khếch tán Sh Bao hàm nhiệt phản ứng hóa học vào nguồn nhiệt khác  Góc bao tiết diện cánh R, Rtb Bán kính,bán kính trung bình CK Hiệu suất khí i Số cấp bơm  Trọng lượng riêng nước N tr Công suất trục Mx Mô men xoắn trục V Vận tốc dòng b Chiều rộng cửa vào , cửa U Vận tốc vòng H Cột áp lý thuyết vô Si Chiều dài đường dòng i mặt cắt kinh tuyến Qi Lưu lượng mặt dòng i K2 Hệ số hiệu chỉnh, Mô men vận tốc dòng vmi Vận tốc kinh tuyến mặt dòng i L Động lượng T Nhiệt độ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Một số loại máy khuấy thông dụng 12 Hình 2: Sơ đồ kết cấu máy khuấy 14 Hình 3: Kết cấu thiết bị khuấy liên tục 14 Hình 4: Một số dạng vòi phun thông dụng 15 Hình 1: Tam giác vận tốc máy thuỷ lực cánh dẫn 19 Hình 2: Sơ đồ lưới prôfin mỏng vô phân bố xoáy đường nhân 23 Hình 3: Biểu đồ quan hệ 25 Hình 4: Biểu đồ để xác định góc va 26 Hình 5: Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc L* vào bước lưới tương đối T/L góc đặt l prôphin 27 Hình 6: Đồ thị để xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng chiều dầy prôfin 28 Hình 1: Buồng hoà trộn sử dụng kết cấu thông dụng 31 Hình 2: Buồng hoà trộn có sử dụng ống Ventuari 32 Hình 3 Hình dáng Profil cánh sau tính toán 36 Hình 4: Cánh bánh công tác buồng hoà trộn 37 Hình 5: Bánh công tác buồng hoà trộn 38 Hình 6: Mô hình 3D buồng hoà trộn 38 Hình 7: Khối chất lỏng khảo sát 39 Hình 8: Khối chất lỏng sau lưới hoá 40 Hình 9: Cài đặt đơn vị kiểm tra lưới mô hình 40 Hình 10: Chọn mô hình thuật giải cho toán mô 41 Hình 11: Chọn vật liệu cho toán mô 42 Hình 12: Đặt điều kiện pha cho toán 42 Hình 13: Đặt điều kiện biên cho toán 43 Hình 14: Lựa chọn phương pháp giải toán biến điều khiển 43 Hình 15: Lựa chọn điều kiện ban đầu 44 Hình 16: Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho toán 44 Hình 17: Tính toán 45 Hình 18: Phân bố pha mặt cắt dọc buồng hoà trộn 45 Hình 19: Phân bố pha mặt cắt trước bánh công tác 0.1m 46 Hình 20: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh công tác 0.1m 46 Hình 21: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh công tác 0.15m 47 Hình 22: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh công tác 47 Hình 23: Đường dòng mặt cắt dọc buồng hoà trộn 48 Hình 24: Đường dòng qua cánh bánh công tác 48 Hình 25: Phân bố vận tốc dọc trục mặt cắt dọc buồng hoà trộn.49 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết Cùng với phát triển kinh tế nhu cầu sản phẩm tiêu dùng ngày tăng cao sản phẩm thực phẩm, sản phẩm tiêu dùng, công nghiệp hoá chất, công nghiệp hoá dược Trong ngành công nghiệp trình khuấy trộn đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Ví dụ công ,nghệp chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất phân bón, công nghiệp đồ uống, công nghiệp hoá chất đặc biệt nông nghiệp Trong nông nghiệp trình khuấy trộn dùng để hoà trộn loại phân bón, thuốc trừ sâu loại thuốc bón chế phẩm sinh học Chất lượng hoà trộn trình khuấy trộn đồng pha tiêu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm đánh giá hiệu máy khuấy Trong tình khuấy buồng hoà trộn có vai trò quan trọng định chất lượng hỗn hợp sau khuấy Ở nước, số quan tổ chức nước có nghiên cứu tính toán động lực học máy khuấy số ngành công nghiệp công nghiệp thực phẩm, công nghiệp polyme, công nghiệp hoá chất đạt số thành công định Trong nước,một số đơn vị thuộc viện nghiên cứu trường đại học Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Công nghiệp, Viện khí đầu tư nghiên cứu tính toán thiết kế máy khuấy trộn bước đầu thu kết quan trọng hạn chế thời gian kinh phí mà trình nghiên cứu gặp nhiều khó khăn Việc tính toán thiết kế máy khuấy có chức vừa khuấy trộn phun liên tục phục vụ cho mục đích nông nghiệp chưa đầu tư nghiên cứu cách sâu sắc Như việc nghiên cứu tính toán, thiết kế mô buồng hoà trộn liên tục trở thành nhu cầu thiết yếu có vai trò quan trọng với phát triển số ngành công nghiệp đặc biệt với ngành phát triển nông nghiệp nước Mục đích nghiên cứu Tính toán thiết kế buồng hoà trộn hai chất lỏng có khối lượng riêng khác phục vụ nông nghiệp Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tính toán thiết kế buồng hoà trộn hai chất lỏng có khối lượng riêng khác phục vụ nông nghiệp Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu vai trò máy khuấy sản xuất nước nước Nghiên cứu lý thuyết trao đổi lượng dòng chất lỏng bánh công tác, lý thuyết tính toán thiết kế cánh bánh công tác Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys mô hình hỗn hợp nhiều pha Ansys Fluent Mô trình khuấy trộn phần mềm Ansys fluent Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Tính toán thiết kế buồng hoà trộn - Đưa quy trình tính toán lý thuyết mô cho máy khuấy môi chất khác 10 Hình 5: Bánh công tác buồng hoà trộn Hình 6: Mô hình 3D buồng hoà trộn 38 Bƣớc 2: Xây dựng khối chất lỏng khảo sát Để khảo sát tương tác pha với tương tác dòng chất lỏng với cánh bánh công tác ta phải tạo khối chất lỏng bao quanh bánh công tác khảo sát biến thiên áp suất, vận tốc, thay đổi pha khối chất lỏng Hình 7: Khối chất lỏng khảo sát Bƣớc 3: Số hoá mô hình khối chất lỏng khảo sát AnsysWorkbench Để nghiên cứu hoà trộn pha chất lỏng trình khuấy ta tiến hành đặt tên cho mặt, rời rạc hoá mô hình khối chất lỏng bao quanh cánh bánh công tác ( chia lưới mô hình chất lỏng bao quanh bánh công tác lưu dạng file msh để đưa vào Ansys Fluent mô tính toán) 39 Hình 8: Khối chất lỏng sau lưới hoá Bƣớc 4: Chọn mô hình giải toán phần mềm Ansys Fluent Để mô trình khuấy trộn máy khuấy Ansys Fluent ta làm theo bước sau - Kiểm tra lưới mô hình cài đặt đơn vị cho đại lượng tính toán Hình 9: Cài đặt đơn vị kiểm tra lƣới mô hình 40 - Chọn mô hình thuật giải cho toán mô Căn vào toán thực tế ta chọn mô hình thuật giải cho toán cho phù hợp Mô hình thuật giải định đến tính xác toán, toán ta chọn mô hình VOF Cơ sở lý thuyết mô hình trình bày chương Hình 10: Chọn mô hình thuật giải cho toán mô 41 - Chọn vật liệu cho toán mô đặt điều kiện pha cho toán mô Hình 11: Chọn vật liệu cho toán mô Hình 12: Đặt điều kiện pha cho toán 42 - Đặt điều kiện biên cho toán Điều kiện biên yếu tố quan trọng toán ảnh hưởng đến kết toán Từ điều kiện toán thực tế điều kiện đồng dạng có ta xác định điều kiện biên cho toán mô Hình 13: Đặt điều kiện biên cho toán - Lựa chọn phương pháp giả biến điều khiển Hình 14: Lựa chọn phƣơng pháp giải toán biến điều khiển 43 Chọn điều kiện ban đầu để bắt đầu tính toán Hình 15: Lựa chọn điều kiện ban đầu Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho toán - Đặt tiêu chuẩn hội tụ bắt đầu tính toán Hình 16: Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho toán 44 Hình 17: Tính toán Một số kết mô Hình 18: Phân bố pha mặt cắt dọc buồng hoà trộn 45 Hình 19: Phân bố pha mặt cắt trƣớc bánh công tác 0.1m Hình 20: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh công tác 0.1m 46 Hình 21: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh công tác 0.15m Hình 22: Phân bố pha mặt cắt phía sau bánh công tác 47 Hình 23: Đƣờng dòng mặt cắt dọc buồng hoà trộn Hình 24: Đƣờng dòng qua cánh bánh công tác 48 Hình 25: Phân bố vận tốc dọc trục mặt cắt dọc buồng hoà trộn 3.3 Phân tích kết Từ kết mô số ta có số kết luận sau - Phân bố pha hỗn hợp chất lỏng mặt cắt phía sau buồng hoà trộn đồng so với phân bố pha của hỗn hợp trước buồng hoà trộn Trước buồng hoà trộn hai pha hỗn hợp chảy tầng phân bố thành hai lớp rõ rệt chúng chưa hoà trộn đồng với nhau, sau buồng hoà trộn chúng trộn tương Ở mặt cắt xa buồng hoà trộn hoà trộn đồng kết mô thể - Phân bố vận tốc phù hợp với quy luật phân bố máy hướng trục, trường vận tốc vị trí phía trước buồng hoà trộn nơi hai chất lỏng hoà trộn với tăng lên phù hợp với quy luật tương tác hai dòng chất lỏng Trường vận tốc hỗn hợp phía sau bánh công tác đối xứng với lớn phía gần đường ống nhỏ dần phía sát đường ống, tâm đường ống phù hợp với tính toán lý thuyết máy hướng trục - Đường dòng hỗn hợp sau qua bánh công tác có dạng đường xoáy trôn ốc điều thể chất lỏng tương tác với bánh công tác làm bánh công 49 tác quay tạo điều kiện cho hai chất lỏng đuọc hoà trộn vói triệt để Kết luận khuyến nghị Kết luận chung: Đề tài đưa sở lý thuyết tính toán thiết kế bánh công tác hướng trục buồng hoà trộn chất lỏng hai pha không nén Tính toán thiết kế mô số buồng hoà trộn chất lỏng hai pha không nén Kết mô số thể hoà trộn hỗn hợp chất lỏng sau qua bánh công tác tương đối đồng thể ưu điểm khuấy phun liên tục Các hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Nghiên cứu hoà trộn hỗn hợp gồm nhiều chất lỏng với Nghiên cứu ảnh hưởng biên dạng cánh dẫn đến chất lượng khuấy trộn Thực nghiệm chế tạo thiết bị khuấy tính toán Nghiên cứu tính toán thiết bị vòi phun phục vụ cho hệ thống khuấy liên tục 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn Duy, Nguyễn Thế Mịch, Nguyễn Thế Đức (2007) Mô vùng xâm thực dòng bao quanh profil cánh phương pháp phần tử biên Trang 77-84 Tuyển tập hội Cơ học toàn quốc lần thứ VIII Hà Nội, 67/12/2007 [2] Padamanabhan Krishnaswamy (2000) “Flow modelling for partially cavitating hydrofoils” PhD thesis, Technical university of Denmark [3] GS.TS Lê Danh Liên Bơm quạt cánh dẫn nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] GS.TSKH Phan Kỳ Phùng (Chủ biên),Ths Thái Hoàng Phong Giáo trình sức bền vật liệu, tập 1,nhà XB Khoa học kỹ thuật [5] www.Fluent.com [6] Liming Chen1 Liming Xu1* Simulation and Design of Mixing Mechanism in Fertilizer Atuomated Proportioning Equipment Based on Pro/E and CFD* [7] Mandar TABIB*, Graeme LANE, William YANG and M Philip Schwarz CFD simulation of a solvent extraxtion pump mixer unit:Evaluating large eddy simulation and rans based models [8] http://maydochuyendung.com/tin-tuc/chi-tiet/ung-dung-cua-maykhuay-tu-trong-cong-nghiep-va-cuoc-song 51 [9] http://www.nkgroup.vn/cong-nghe-10/ung-dung-may-khuay-trontrong-cong-nghiep-282.htm [10] Đinh Ngọc Ái, Công Nghệ chế tạo máy thuỷ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1977 [11] Trịnh Chất Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí tập 1+2,Nhà xuất giáo dục- 2000 [12] Lê Danh Liên, Bơm Quạt Máy Nén tập 1+2, Đại học Bách Khoa Hà Nội-1975 [13] AA.Lomakin, Tính toán thiết kế bơm li tâm bơm hướng trục, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 1971 [14] AJ.Stepanoff , Centrifulgal and axial flow pumps ( Theory, Design, and Application)- New York- 1967 [15] Võ Sỹ Huỳnh, Tính toán thiết kế bơm hướng chéo, Đại học Bách Khoa Hà Nội- 197 [9] Trần Văn Địch, Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, Đại học Bách Khoa Hà Nội- 1998 [16] Ninh Đức Tốn, Đỗ Trọng Hùng,Hướng dẫn làm tập dung sai, Đại học Bách Khoa Hà Nội-1997 [17] Hà Văn Vui, Dung sai tiêu chuẩn hoá, Nhà xuất giáo dục1997 [18] Nguyễn Văn Bày,Máy bơm tram bơm nông nghiệp, Nhà xuất Nông Nghiệp- 1998 [19] Nguyễn Văn May,Bơm quạt, máy nén NXBKHKT, Hà Nội- 1997 52