Một số kết quả nghiên cứu về quy luật tăng áp suất của sóng phản xạ trên van đóng của ống chứa hỗn hợp chất lỏng - hơi

Bài viết trình bày quá trình tăng áp suất của sóng phản xạ tại van đóng ống (chứa hỗn hợp chất lỏng – hơi) khi có sóng áp suất lan truyền trong hỗn hợp và tác động vào van. Thông qua phương pháp số để tính toán, nghiên cứu và phân tích sự ảnh hưởng của cường độ áp suất ban đầu của sóng áp suất và nồng độ thể tích pha hơi trong hỗn hợp đến sự tăng áp suất tại van đóng của sóng phản xạ.

TNU Journal of Science and Technology 225(09): 26 - 30 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ QUY LUẬT TĂNG ÁP SUẤT CỦA SÓNG PHẢN XẠ TRÊN VAN ĐÓNG CỦA ỐNG CHỨA HỖN HỢP CHẤT LỎNG - HƠI Nguyễn Văn Tuấn*, Lê Thu Thủy, Nguyễn Thị Kim Thoa Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Hỗn hợp lỏng - hỗn hợp chất lỏng chứa bọt Hỗn hợp thường gặp nhiều tự nhiên trình kỹ thuật Trong báo cáo trình bày trình tăng áp suất sóng phản xạ van đóng ống (chứa hỗn hợp chất lỏng – hơi) có sóng áp suất lan truyền hỗn hợp tác động vào van Phương pháp số sử dụng để tính tốn, nghiên cứu phân tích ảnh hưởng cường độ áp suất ban đầu sóng áp suất nồng độ thể tích pha hỗn hợp đến tăng áp suất van đóng sóng phản xạ Từ kết nhận ta xác định quy luật tăng áp suất sóng phản xạ van đóng ống chứa hỗn hợp chất lỏng – Từ khóa: Chất lỏng; bọt hơi; sóng; van đóng; pha; hỗn hợp; áp suất Ngày nhận bài: 25/6/2020; Ngày hoàn thiện: 26/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 SOME RESEARCH RESULTS ON THE LAW OF PRESSURE INCREASE OF THE WAVES REFLECTED AT THE CLOSE VALVE WITHIN THE PIPE CONTAINING MIXTURE OF LIQUID WITH VAPOUR BUBBLES Nguyen Van Tuan*, Le Thu Thuy, Nguyen Thi Kim Thoa TNU - University of Technology ABSTRACT The liquid – vapour mixture is a mixture of liquid with vapour bubbles This type of mixture is met in many natural and industrial processes This paper presents the process of pressure increase of the waves reflected at the close valve of pipe (contain mixture of liquid - vapour) when the pressure wave propagates in the mixture of liquid with vapour bubbles and impacts on the valve The numerical method is applied to calculate, study and analyze the influence of initial intensity of pressure and the volume fraction of vapour phase in the mixture on the pressure increase of the waves reflected at the valve From the results achieved above, the law of the pressure increase of the waves reflected at the close valve is determined Keywords: Liquid; vapour bubbles; wave; close valve; phase; presure; mixture Received: 25/6/2020; Revised: 26/8/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: nltuan@tnut.edu.vn 26 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Văn Tuấn Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Mở đầu Hỗn hợp chất lỏng chứa bọt môi trường hai pha có tính chất đặc biệt Trong hỗn hợp có kết hợp tính chất phi tuyến, tính phân tán hao tán lượng, nên biểu đồ mơ tả sóng có nhiều dạng Đặc biệt, thay đổi điều kiện thủy động lực, dẫn đến thay đổi mạnh cấu trúc sóng q trình tương tác pha Khi sóng lan truyền hỗn hợp, bọt hỗn hợp bị co nén, co nén bọt hỗn hợp xảy tượng trao đổi nhiệt trao đổi khối lượng pha xuất vận tốc hỗn hợp Về động lực học sóng, có nhiều cơng trình khoa học nước giới quan tâm nghiên cứu q trình lan truyền sóng hỗn hợp chất lỏng chứa bọt [1], [2] Tính phi tuyến hỗn hợp lỏng bọt thể rõ q trình tương tác sóng trình bày [3], [4] Trong trình trên, vấn đề khơng thể tách rời, q trình trao đổi nhiệt khối lượng pha, vấn đề tìm hiểu [3], [5] Các tượng bất thường tăng áp suất xảy hỗn hợp sóng lan truyền bị va đập vào tường cứng nghiên cứu trình bày [1], [6], [7] Trong trường hợp sóng áp suất lan truyền tác động vào van đóng ống chứa hỗn hợp lỏng - hơi, bọt bị co nén mạnh, áp suất van tăng cao, sóng bị phản xạ ngược lại từ van, lan truyền hỗn hợp, vấn đề nhà khoa học giới nước quan tâm nghiên cứu Trong báo cáo này, trình bày q trình lan truyền sóng áp suất hỗn hợp lỏng – tới van đóng ống bị phản xạ ngược lại từ đó, sở kết nghiên cứu, sử dụng phương pháp nội suy, quy luật trình tăng áp suất van Kết nghiên cứu mang lại đóng góp mới, có nhiều ý nghĩa cho lĩnh vực động lực học dòng chảy nhiều pha, ứng dụng ngành công nghiệp lượng, chế biến vận chuyển dầu khí, ứng dụng hệ http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): 26 - 30 thống thủy lực ôtô máy xây dựng Mơ hình tốn học Mơi trường hai pha sử dụng hỗn hợp chất lỏng chứa bọt chứa ống nằm ngang có chiều dài L Giả thiết rằng, bọt hình cầu phân bố hỗn hợp, khơng có phân chia bọt nồng độ thể tích pha khơng q lớn [7] Cuối đường ống có van đóng ống chế tạo vật liệu cứng tuyệt đối, hỗn hợp đứng yên ống Khi có áp suất ban đầu tác động, sóng áp suất lan truyền vào hỗn hợp, bọt bị co nén hỗn hợp bị nén lại, sóng áp suất tác động vào van đóng, áp suất tăng cao phản xạ từ lan truyền hướng ngược lại ống Hình Quá trình lan truyền phản xạ van đóng sóng áp suất hỗn hợp chất lỏng chứa bọt Trên sở phương trình bảo toàn khối lượng, số lượng bọt xung lượng: 1  v + = − 4R nj ; t   (1)   v + = 4R nj ; t   (2) n n v + = 0; t   (3) v p + = 0; t   (4)  i =  i  i0 ; 1 +  = ;  = 1 +  ;  = R n ; 2   (5) p = 1 p1 +   p2 − ; R   Các phương trình kết hợp với phương trình thay đổi khối lượng bọt, phương trình dịng nhiệt pha lỏng, phương trình dịng nhiệt pha hơi, phương trình tương thích biến dạng Rayleigh 27 Nguyễn Văn Tuấn Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN - Plesset biểu diễn áp suất pha bán kính bọt, lập thành hệ phương trình thủy nhiệt động lực học kín mơ tả q trình lan truyền sóng xung kích, trình tương tác pha, trình trao đổi nhiệt khối lượng pha hỗn hợp lỏng – [8] Trong hệ phương trình trên, số i = 1, 2, tham số chất lỏng, trạng thái cân ban đầu; i, pi, i, 0 phần thể tích, áp suất, mật độ trung bình mật độ thực pha thứ i; v vận tốc hỗn hợp; n số lượng bọt đơn vị thể tích; R bán kính bọt; j tỷ lệ chuyển pha đơn vị diện tích bề mặt pha;  hệ số sức căng bề mặt;  toạ độ Lagrange t thời gian Giải hệ phương trình thủy – nhiệt động lực học với điều kiện đầu điều kiện biên sau: t = : p1 = p0 ; p2 = p0 + 2 ; R = R0 ; T1 = T2 = T0 ; R vo = 0; w1 = w2 = 0;  = : p = pe ; p  =0 225(09): 26 - 30 trình phản xạ sau tác động vào van đóng hỗn hợp nước chứa bọt Trên biểu đồ minh họa, trục thẳng đứng giá trị áp suất hỗn hợp trình tiến triển phản xạ van, lấy theo tọa độ logarit, cịn trục nằm ngang lấy theo tọa độ không gian  Các trình phụ thuộc vào điều kiện ban đầu, điều kiện biên, cường độ sóng tham số vật chất hỗn hợp Trong trường hợp có p0 = 0,1 MPa, phần thể tích pha α20 = 5% ,  = có tác động áp suất với cường độ khơng đổi pe = 0,16 MPa, bán kính bọt hỗn hợp ban đầu R = 1,5 mm Từ kết trình bày hình 2, thấy cường độ sóng áp suất hỗn hợp sau phản xạ tường cứng, tăng tới giá trị lớn nhiều so với giá trị cường độ áp suất ban đầu tác động vào hỗn hợp, giá trị đạt tới 2,538 MPa  = 0 ; =L Trong đó, L độ dài ống khảo sát Hệ phương trình giải phương pháp số, dựa phương pháp Ơle biến đổi phương pháp khử đuổi qua thuật tốn Thomas Chương trình tính xây dựng kiểm định cách so sánh kết nhận với số kết thực nghiệm trình bày [7] Chương trình sử dụng để nghiên cứu phân tích q trình lan truyền sóng áp suất hỗn hợp lỏng – hơi, phân tích tính tốn q trình tăng áp suất sóng phản xạ van đóng lan truyền ngược lại ống chứa hỗn hợp Các kết bàn luận Trong hình – profile biểu diễn q trình tiến triển sóng áp suất 28 Hình Quá trình lan truyền phản xạ van đóng sóng áp suất Các đường cong từ 1-11 profile áp suất tương ứng với khoảng thời gian: t =1; 3,5; 6,5; 9; 14; 15,5; 16,3; 16,5; 16,62; 16,68 16,72 ms Trong hình kết nhận trình tăng áp suất van đóng tăng áp suất hỗn hợp điều kiện ban đầu, điều kiện biên, cường độ sóng áp suất tham số vật chất cho sau: p0 = 0,1 MPa, R0 = 1,5 mm, phần thể tích pha α20 = 5%,  = cường độ sóng áp suất tác động vào hỗn hợp pe = 0,14 MPa Từ kết biểu diễn hình cho thấy, cường độ sóng áp suất hỗn hợp sau phản xạ từ van đóng ống tăng cao nhiều http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Văn Tuấn Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN so với giá trị ban đầu Trong trường hợp này, áp suất phản xạ van đạt tới 1,906 MPa Hình Q trình lan truyền phản xạ van đóng sóng áp suất Các đường cong 1-12 profile áp suất tương ứng với khoảng thời gian là: t = 0,6; 2; 6,1; 10,3; 16,1; 18,5; 19,8; 20,7; 20,42; 20,51; 20,56 20,62 ms 225(09): 26 - 30 van đóng tăng Cụ thể, áp suất ban đầu pe = 0,14 MPa giá trị áp suất nhận van pmax = 1,906 MPa, cịn pe = 0,16 MPa pmax = 2,538 MPa Giá trị áp suất phản xạ lớn nhiều (có thể lớn từ 10 – 15 lần) so với giá trị cường độ áp suất ban đầu tác động vào hỗn hợp Cường độ sóng phản xạ van đóng tăng tăng nồng độ thể tích pha hỗn hợp Các kết tính tốn trình bày bảng cho thấy ảnh hưởng nồng độ thể tích pha hỗn hợp lên giá trị cực đại nhận van đóng Sử dụng phương pháp nội suy để xác định quy luật tăng áp suất van phụ thuộc vào nồng độ thể tích pha hỗn hợp α20 Quy luật tăng áp suất van sóng phản xạ phụ thuộc vào nồng độ thể tích pha biểu diễn hàm bậc ba có dạng sau: P(α20) = - 22333 α203 + 3449,3 α202 - 139,65 α20 + 3,0343 Hình Quá trình lan truyền phản xạ van đóng sóng áp suất Các đường cong 1-12 profile áp suất tương ứng với khoảng thời gian : t = 0,79; 3,73; 9,3; 15,6; 20,85; 22,7; 32,48; 23,76; 23,85; 23,9; 23,93 23,95 ms Trong đó, P áp suất cực đại nhận van đóng, α20 phần thể tích pha hỗn hợp Đồ thị hàm số biểu diễn hình Khi tăng phần thể tích pha α20 = 7%, giữ nguyên pe = 0,14 MPa R0 = 1,5 mm Từ kết trình bày hình 4, thấy cường độ sóng áp suất hỗn hợp sau phản xạ tường cứng tăng mạnh, giá trị đạt tới 2,504 MPa Từ kết biểu diễn hình 3, thấy điều kiện cấu trúc hỗn hợp, tăng cường độ áp suất ban đầu tác động vào hỗn hợp cường độ nhận Hình Quy luật tăng áp suất sóng phản xạ van đóng phụ thuộc vào nồng độ thể tích pha hỗn hợp α20 Bảng Áp suất lớn nhận van đóng phụ thuộc vào nồng độ thể tích pha hỗn hợp Cường độ áp suất ban đầu pe 0,14MPa Áp suất lớn van đóng pmax (MPa) 20 = % 1,35 20 = % 20 = % 20 = % 20 = % 1,523 1,906 2,234 2,504 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 29 Nguyễn Văn Tuấn Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Như vậy, tăng áp suất van đóng ống q trình phản xạ phụ thuộc mạnh vào nồng độ thể tích pha hỗn hợp Khi nồng độ thể tích pha tăng cường độ sóng áp suất sau phản xạ van đóng tăng Kết luận Trong báo cáo trình bày q trình lan truyền sóng áp suất hỗn hợp lỏng – tới van đóng ống, tác động vào van bị phản xạ ngược lại từ Sự ảnh hưởng cường độ áp suất ban đầu sóng áp suất nồng độ thể tích pha hỗn hợp đến quy luật tăng áp suất sóng phản xạ nghiên cứu phân tích Trên sở kết nhận đưa số kết luận sau: - Trong điều kiện cấu trúc hỗn hợp, tăng cường độ áp suất ban đầu tác động vào hỗn hợp cường độ áp suất nhận van đóng sóng phản xạ tăng Giá trị áp suất phản xạ lớn nhiều (có thể lớn từ 10 – 15 lần) so với giá trị cường độ áp suất ban đầu tác động vào hỗn hợp - Quy luật tăng áp suất van đóng sóng phản xạ phụ thuộc vào nồng độ thể tích pha biểu diễn hàm bậc ba có dạng sau: P(α20) = - 22333 α203 + 3449,3 α202 - 139,65 α20 + 3,0343 Lời cảm ơn Nhóm tác giả báo cảm ơn hỗ trợ nguồn kinh phí từ đề tài cấp sở Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên 30 225(09): 26 - 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] T V Nguyen, T K T Nguyen, and L D Hoang, “Some investigation results of presure increase at liquid – vapour mixtures interruption valve,” Vietnam Mechanical Engineering Journal, vol Special, pp 267273, Mar 2017 [2] A A Gubaigullin, O Sh Beregova, and S A Bekishev, “Shock waves in non-Newtonian bubbly liquids,” International Journal Multiphase Flow, vol 27, pp 635-655, 2001 [3] H N Duong, and T V Nguyen, “Interphase Heat-Mass Transfer in Bubbly Liquid and its Influence on Wave Propagation Processes,” Proceedings of the 2nd International Forum on Heat Transfer, Tokyo, Japan, paper ID N128, September 17-19, 2008 [4] T V Nguyen, and H N Duong, “The interaction process of Short Waves in some Liquid - Vapour mixtures,” In Proceedings of Scientific works of the National Conference on Fluid mechanical, July 2006, pp 515-526, [5] H N Duong, and T V Nguyen, “Interphase Heat-Mass Transfer in Wave Propagation Processes in Bubbly Liquid,” Proceedings of the International Workshop Thermal Hydrodynamics of Multiphase Flows and Applications, Hanoi, Vietnam, May 2009, pp 11-18 [6] T V Nguyen, L D Hoang, and T K T Nguyen, “ Some investigation results of the influence of propagation process of presure waves in mixture of liquid - vapour on the velocity of mixtures,” TNU - Journal of Science and Technology, vol 185, no 09, pp 33-37, 2018 [7] H N Duong, and T V Nguyen, “Waves reflected by Solid Wall and Interaction in Vapour Bubbly Liquid,” The 6th International Conference on Nuclear Thermal Hydraulics, Operations and Safety (NUTHOS-6), Nara, Japan, paper ID N6P016, October 4-8, 2004 [8] R I Nigmatulin, Dynamics of Multiphase Media Hemisphere, publ Corp., Washington, 1991, vol 2, chap http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... truyền sóng áp suất hỗn hợp lỏng – tới van đóng ống, tác động vào van bị phản xạ ngược lại từ Sự ảnh hưởng cường độ áp suất ban đầu sóng áp suất nồng độ thể tích pha hỗn hợp đến quy luật tăng áp suất. .. dụng để nghiên cứu phân tích q trình lan truyền sóng áp suất hỗn hợp lỏng – hơi, phân tích tính tốn q trình tăng áp suất sóng phản xạ van đóng lan truyền ngược lại ống chứa hỗn hợp Các kết bàn... sóng phản xạ nghiên cứu phân tích Trên sở kết nhận đưa số kết luận sau: - Trong điều kiện cấu trúc hỗn hợp, tăng cường độ áp suất ban đầu tác động vào hỗn hợp cường độ áp suất nhận van đóng sóng