Nghiên cứu cải tiến chất lượng hầm gió (wind tunnel) hiện có ở phòng thí nghiệm cơ lưu chất báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ktxd 2013 60

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu cải tiến chất lượng hầm gió (Wind tunnel) có phịng thí nghiệm Cơ lưu chất Mã số đề tài: T-KTXD-2013-60 Thời gian thực hiện: từ tháng 05/2013 đến tháng 05/2014 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Quốc Ý Cán tham gia đề tài: PGS TS Nguyễn Thị Bảy, KS Hà Phương Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 2/2014 Danh sách cán tham gia thực đề tài (Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm môn, Khoa/Trung tâm) TS Nguyễn Quốc Ý, Khoa KTXD, ĐH Bách Khoa Tp HCM PGS TS Nguyễn Thị Bảy, Khoa KTXD, ĐH Bách Khoa Tp HCM KS Hà Phương, Khoa KTXD, ĐH Bách Khoa Tp HCM MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Tóm tắt I Hiện trạng hầm gió II Các nội dung nghiên cứu 10 III Kết 18 IV Kết luận 24 Tài liệu tham khảo 25 LỜI CẢM ƠN Nhóm nghiên cứu trân trọng cảm ơn tài trợ quý báu Trường Đh Bách Khoa Tp HCM Cho nghiên cứu Sản phẩm đề tài (hầm gió) có ý nghĩa lớn Nhóm nghiên cứu thơng gió tự nhiên PTN Cơ lưu chất thuộc Khoa KTXD Chủ nhiệm đề tài chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Bảy đồng nghiệp Hà Phương nhiệt tình tham gia ủng hộ đề tài, hai em sinh viên Huỳnh Giác Phan Phú Quốc nhiệt tình tham gia trình thực luận văn tốt nghiệp đại học PTN Cơ lưu chất Các đóng góp giúp đề tài hồn thành tốt Nhóm nghiên cứu biết ơn chuyên gia phản biện, chuyên viên Phòng KHCN & DA, Phòng KHTC Trường Đh Bách Khoa Tp HCM hỗ trợ chun mơn hành cho việc thực đề tài Nguyễn Quốc Ý Tóm tắt Đề tài thực việc cải tiến phận hầm gió có PTN Cơ lưu chất thuộc Khoa KT Xây Dựng, Đh Bách Khoa Tp HCM Hầm gió hữu loại hở với kích thước vùng thử 1m*1m vận tốc gió lớn 10m/s Các vấn đề cần cải tiến bao gồm: lọc nắn dòng (honey comb), miệng hút, ống hội tụ Mức độ đồng cường độ rối cần cải thiện Các phận tính tốn, thiêt kế, gia cơng lại nhằm làm tăng vận tốc gió giảm cường độ rối Kết thử nghiệm sau cải tiến cho thấy vận tốc gió lớn đạt gần 15m/s, độ đồng tang với độ lệch chuẩn nhỏ 5% cường độ rối giảm 2% Các giá trị nằm giới hạn thơng thường hầm gió hở I Hiện trạng hầm gió Hầm gió có PTN Cơ lưu chất, khoa KTXD loại hầm gió hở, vận tốc thấp, với kích thước Hình Bảng Hầm gió thổi quạt hướng trục có cơng suất 11KW, đường kính quạt 1.2m lưu lượng tối đa 60000m3/h Khu vực thử có kích thước 1m*1m Vận tốc gió tối đa khu vực thử mà hầm gió tạo khoảng 10m/s Hầm gió xây dựng nhằm phục vụ giảng dạy cho môn học sinh viên xây dựng Trước mắt, hầm gió phục vụ giảng dạy thí nghiệm mơn học liên quan lĩnh vực vật lý kiến trúc (thơng gió, tương tác gió cơng trình…) sinh viên hai ngành: Kiến trúc Tòa nhà & lượng Về nghiên cứu, hầm gió phục vụ cho nghiên cứu thơng gió tự nhiên cho cơng trình nhà ở, tương tác gió cơng trình nhà ở, cầu… Hầm gió xây dựng từ kinh phí mua sắm thiết bị năm 2011 Trường ĐH Bách Khoa TpHCM cấp cho phịng thí nghiệm Cơ Lưu Chất với số tiền 73.5 triệu đồng Kinh phí khiêm tốn so với hầm gió bán thị trường Ví dụ, cơng ty Techno lab equipmnets (Ấn độ) bán hầm gió hở có kích thước vùng thử 0.3m*0.3m vận tốc lớn 30m/ với giá 55000 Euro (tương đương 1.5 tỷ đồng) Do kinh phí hạn chế (chỉ đủ để mua máy móc: quạt, động cơ, máy đo lưu tốc… vật tư: gỗ, thép…) nên khơng có kinh phí cho việc thiết kế thi công Việc thiết kế thi công chủ yếu dựa vào sinh viên làm đề tài tốt nghiệp [1,2] tập thể nhân viên phịng thí nghiệm dựa theo thiết kế có sẵn Mặc dù điều giúp tiết kiệm kinh phí, hạn chế tay nghề thi cơng máy móc nên chất lượng hầm gió bị ảnh hưởng lớn Bảng Các kích thước hầm gió STT Tên Kích thước Tiết diện miệng vịi phun 1,0 m x 1,0 m Chiều dài ống hội tụ 1,5 m Tiết diện buồng nắn dòng 1,8 m x 1,8 m Chiều dài buồng nắn dòng 1,59 m Chiều dài ống khuếch tán 1,0 m Đường kính miệng hút 1,28 m Chiều dài miệng hút 0,7 m Hình Kích thước (hình trên) hình ảnh hầm gió (ảnh dưới) có PTN Cơ Lưu Chất, khoa KT Xây Dựng 1.1 Tính hầm gió PTN Cơ Lưu Chất Hình cho thấy thay đổi vận tốc gió đo tâm khu vực thử tốc độ quạt khác Kết đo đạc cho thấy vận tốc gió lớn mà quạt tạo khoảng 10m/s số vòng quay cực đại động 1450rpm Hình cho thấy mức độ không ổn định (mức độ rối) vận tốc khu vực thử tăng lên vận tốc gió, hay tương ứng tốc độ quay quạt, tăng lên Cường độ rối tương ứng lên đến gần 3% vận tốc gió lớn Giá trị gấp 10 lần so với giá trị tiêu chuẩn hầm gió tốt [1] Hình Sự thay đổi vận tốc gió đo tâm khu vực thử tốc độ quạt khác Hình Phân bố vận tốc theo phương ngang qua khu vực thử số vòng quay khác Hình Cho thấy mức độ đồng phân bố vận tốc theo phương ngang tâm khu vực thử ba tốc độ quạt Kết đo sơ cho thấy phân bố vận tốc tốc độ 350rpm Ở tốc độ lớn hơn, phân bố vận tốc khơng cịn đồng đối xứng 1.2 Nhu cầu cải thiện chất lượng hầm gió PTN Cơ lưu chất: Các kết đo sơ trên, Hình 2,3, cho thấy hầm gió chưa thể đáp ứng tốt cho nhu cầu giảng dạy nghiên cứu PTN Cơ lưu chất Để phục vụ tốt hai nhu cầu này, hầm gió cần cải thiện yếu tố sau: 1) Cường độ rối, 2) Mức độ đồng phân bố vận tốc khu vực thử Đó mục tiêu nghiên cứu đề tài II Các nội dung nghiên cứu 2.1 Tính tốn thiết kế miệng hút Theo thiết kế ban đầu khung bao cánh quạt hình vng Khi hầm gió hoạt động tạo dịng rối góc khung gây tiếng ồn lớn thất lưu lượng Vì vậy, cần cải tiến đầu hút gió để triệt tiêu bớt dịng rối, giảm tiếng ồn, thất dẫn gió từ bên ngồi cách ổn định 2.1.1 Thơng số Đầu hút gió đặt khung bao cánh quạt hình vng có tiết diện 1300 mm × 1300 mm bao quát toàn cánh quạt để đảm bảo an toàn cho cánh quạt hoạt động Khi thiết kế, cần tạo khoảng hở thành đầu hút đường kính ngồi cánh quạt (1200mm) 2.1.2 Các phương án thiết kế Có phương án xem xét Phương án 1: Hình Bản vẽ phác thảo 3D phương án Khi vào trình gia cơng phương án gần bất khả thi chi phí cao 10 Phương án : Hình Bản vẽ phác thảo 3D phương án Phương án đưa lần việc gia cơng khả quan vấn đề phát sinh khối lượng đầu hút gió lớn giá thành cao (tiêu tốn nhiều vật liệu) Phương án 3: Cuối qua phương án đề xuất, để tối ưu thiết kế chế tạo giá thành phương án kết hợp phương án phương án lựa chọn Để tiện cho việc gia công, rảnh nhỏ bố trí phần loe đầu hút gió Để lắp ráp xác đầu hút gió vào khung bao bệ đỡ động ta phải cắt phần đầu hút thêm rãnh lớn với vẽ thiết kế sau Hình 11 Hình Bản vẽ phác thảo 3D phương án Hình Hình ảnh miệng hút sau hoàn thiện 12 2.2 Cải tiến lọc (honeycomb) Chức lưới tổ ong triệt tiêu thành phần vận tốc quay làm giảm cường độ rối dịng khí từ quạt hướng trục Theo Mehta Bradshaw [3], kích thước lớn lưới tổ ong nên 1/150 đường kính thủy lực Dh buồng nắn dòng chiều dài lưới tổ ong nên từ đến lần kích thước Trong thiết kế chúng tôi, với Dh = 1,8 m, đường kính nên nhỏ 12 mm Để tiết kiệm chi phí, chúng tơi thử nghiệm hai phương pháp: dùng thấm nước dùng ống hút nước giải khát nhựa, Hình Kết đo đạc đặc tính dịng khí sau hồn thiện cho thấy giải pháp dùng thấm nước cho vận tốc dịng khí lớn khoảng 10 m/s giải pháp dùng ống hút cho vận tốc lớn 14 m/s Hơn nữa, giải pháp dùng ống hút tạo tiếng ồn Do đó, chúng tơi chọn ống hút có đường kính 10 mm để làm lưới tổ ong Chiều dài ống hút (bằng chiều dài lưới tổ ong) 80 mm, hay lần đường kính ống Các ống hút liên kết keo Ống hút nước sử dụng để làm lưới tổ ong cho hầm gió giới, ví dụ hầm gió Boureau [4] 13 Hình Hai giải pháp cho lưới tổ ong: thấm nước (trên) ống hút nước (dưới) 2.3 Tính tốn thiết kế lại Ống hội tụ Ống hội tụ có tác dụng làm tăng vận tốc dịng khí nhờ chênh lệch diện tích đầu đầu vào Bên cạnh đó, việc tăng vận tốc dịng làm giảm cường độ rối dịng [3] Ba thơng số quan trọng ống hội tụ là: hình dạng, tỉ số co hẹp diện tích chiều dài Ba yếu tố cần tính tốn để khơng xảy tượng tách rời lớp biên bên ống hội tụ, hạn chế bề dày lớp biên đầu ống, làm cho chiều dài ống nhỏ đến mức để tiết kiệm chi phí không gian Bell Mehta [5] đề xuất biên dạng ống hội tụ cho hầm gió có vận tốc thấp dạng hàm đa thức bậc đến bậc Chúng chọn biên dạng hàm đa thức bậc 5: y(x) = Hi – (Hi – He) [6(x’)5 – 15 (x’)4 +10(x’)3] đó: - x y tọa độ theo phương ngang phương đứng tính từ tâm lối vào ống hội tụ, - Hi ½ chiều cao lối vào, 1,8 m/2 = 0,9 m, - He ½ chiều cao lối ra, 1,0 m/2 = 0,5 m, - x' = x/L, với L chiều dài ống hội tụ 14 (1) Với hầm gió tại, tỉ số co hẹp diện tích ống hội tụ (1,8 m x 1,8 m)/ (1,0 m x 1,0 m) = 3,24 Bell Mehta [5] Mehta Bradshaw [3] với tỉ số co hẹp nhỏ 9, chiều dài ống hội tụ nên nằm khoảng [0,89 – 1,76]Hi Hầm gió có Hi = 0,9 m, chiều dài L chọn 1,5 m nên L = 1,67Hi Việc thi cơng xác biên dạng theo phương trình (1) địi hỏi máy CNC Trước tiên, định hình thép cắt theo biên dạng phương trình (1) Sau đó, hàn thành khung bao theo kích thước ống hội tụ Cuối cùng, thép với bề dày mm hàn vào định hình để tạo thành biên dạng ống hội tụ Hình cho thấy vẽ thiết kế 3D sản phẩm hoàn thiện ống hội tụ Hình Bản vẽ thiết kế (trên) ống hội tụ hoàn thiện (dưới) 15 Hình 10 Hầm gió hồn thiện Hình 10 cho thấy hình ảnh hầm gió sau hồn thiện 2.4 Đo đạc đặc tính sau cải tiến Vận tốc dịng khí đo nhiều vị trí mặt cắt miệng vòi phun Thiết bị đo vận tốc dạng sử dụng sợi nhiệt Kanomax với độ xác độ phân giải cm/s sử dụng Thời gian lấy mẫu giây 600 mẫu lấy cho lần đo Tần số lấy mẫu Hz Hình 11, 12, 13 cho thấy hình ảnh trình đo Hình 11 Thiế bị dùng để đo vận tốc Máy đo 16 Vùng đo dạc Cảm biến Máy tính Hình 12 Sơ đồ đo vận tốc Hình 13 Cách thức đo 17 III Kết 3.1 Đặc tính dịng khí sau cải tiến Hình 14 cho thấy vận tốc tâm vịi theo thời gian theo số vòng quay quạt Kết Hình 14 phân tích thể hai dạng: quan hệ vận tốc trung bình miệng vịi phun theo số vịng quay quạt phân bố cường độ rối theo vận tốc dòng khí, Hình 15 Giá trị vận tốc trung bình Vi ứng với tốc độ quay quạt tính theo cơng thức [6]: (2) N = 600 tổng số mẫu cho tốc độ quay quạt vj giá trị vận tốc mẫu thứ j Cường độ rối ứng với giá trị vận tốc trung bình Vi tính theo cơng thức [5]: (3) Hình 15 cho thấy vận tốc trung bình miệng vịi tăng tuyến tính với tốc độ quay quạt Ở tốc độ quạt 1300 vòng/phút, vận tốc trung bình dịng khí 13 m/s Lưu ý tốc độ lớn quạt 14600 vòng/phút Cường độ rối dãy vận tốc từ m/s trở lên nhỏ 1,8% Tuy nhiên, giá trị vận tốc m/s, cường độ rối lên đến 2,2% Điều hiểu giá trị vận tốc thấp, nhiễu động xuất dịng khí (do lưới tổ ong, lưới làm thẳng dòng hay độ nhám bề mặt ống hội tụ…) ảnh hưởng lớn đến dịng khí Ghorbanian cộng [7] đo cường độ rối hai hầm gió hở cho thấy cường độ rối thay đổi từ 1,4% đến 2,0% dãy vận tốc từ m/s đến 15 m/s Chong cộng [8] thiết kế hầm gió hở với chi tiết gia cơng với độ xác cao đạt cường độ rối 0,1%, nhiên vận tốc 60 m/s Kết chúng tơi Hình 15 cho thấy cường độ rối có xu hướng giảm vận tốc dịng khí tăng lên 18 Hình 16 cho thấy phân bố vận tốc trung bình mặt cắt miệng vòi theo phương đứng phương ngang tốc độ quạt 900 vòng/phút Theo hai phương, vận tốc có xu hướng tăng dần từ tâm Điều hiểu dịng khí bị co hẹp ống hội tụ nên vận tốc gần thành tăng nhiều vận tốc gần tâm vòi Tuy nhiên, độ lệch chuẩn phân bố vận tốc khơng q 4,5% Hình 14 Vận tốc dịng khí tâm vòi theo thời gian tốc độ quay quạt Hình 15 Vận tốc trung bình cường độ rối theo tốc độ quay quạt 19 Hình 16 Phân bố vận tốc mặt cắt miệng vòi tốc độ quạt 900 vòng/phút 3.2 Một số ứng dụng Hầm gió sử dụng để thực số nghiên cứu lĩnh vực vật lý kiến trúc, ví dụ [9, 10] Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính thiết bị thơng gió tự nhiên cho cơng trình xây dựng dựa Hiệu ứng Bernoulli dịng khí [9] trình bày Hình 17 Nghiên cứu thực với phiên trước hầm gió (có thêm vùng thử nghiệm ống phân kỳ đầu ra) Dịng khí từ hầm gió thổi qua ống nằm ngang thiết bị gây áp suất âm bên thiết bị tạo dịng khí lưu thơng ống thẳng đứng thiết bị 20 Hình 17 Thí nghiệm nghiên cứu đặc tính thiết bị thơng gió tự nhiên [9]: (trái) hệ thống thí nghiệm, (phải) vận tốc cảm ứng bên ống thẳng đứng theo vận tốc gió bên ngồi Hình 18 mơ tả nghiên cứu tốn thơng gió tự nhiên cho nhà xưởng Nhiều mơ hình nhà xưởng với kích thước khe thơng gió hình dạng mái khác khảo sát nhiều điều kiện gió bên ngồi để tìm ảnh hưởng yếu tố lên dịng khí lưu thơng tự nhiên qua cơng trình 21 Hình 18 Mơ hình thí nghiệm - mơ hình tính tốn (trái) kết đo (EXP) – tính tốn (CFD) vận tốc gió xuyên qua nhà vận tốc gió bên ngồi Hầm gió sử dụng để giảng dạy Thí nghiệm Vật lý kiến trúc cho lớp PFIEV Kiến trúc Hình 19 cho thấy hình ảnh thí nghiệm thí nghiệm Thơng gió tự nhiên 22 Hình 19 Hình ảnh Bài thí nghiệm Thơng gió tự nhiên 23 VI: Kết luận Hầm gió hở dạng vịi phun tính tốn cai3 tiến thiết kế, chế tạo thử nghiệm Phòng thí nghiệm Cơ lưu chất thuộc ĐH Bách Khoa Tp HCM Tiết diện vòi phun m2 vận tốc lớn 14 m/s Kết đo vận tốc miệng vòi phun cho thấy cường độ rối dịng khí 1,8% dãy vận tốc từ m/s đến 13 m/s Độ lệch chuẩn phân bố vận tốc miệng vịi 4,5% Hầm gió chủ yếu sử dụng để phục vụ giảng dạy nghiên cứu lĩnh vực vật lý kiến trúc Tp.HCM, ngày tháng năm Chủ nhiệm đề tài (Ký ghi rõ họ tên) Tp.HCM, ngày tháng năm TL HIỆU TRƯỞNG 24 Tài liệu tham khảo Từ Huỳnh Ngân, Thiết kế hồn chỉnh, thi cơng kiểm nghiệm hầm gió hở, Luận văn tốt nghiệp ngành KT Hàng Không ĐH Bách Khoa TpHCM (TS Nguyễn Quốc Ý hướng dẫn) (2011) Trương Thế Phương & Nguyễn Tăng Huỳnh Phi, Thiết kế hồn chỉnh-thi cơng đo đạc kiểm nghiệm hầm gió hở, Luận văn tốt nghiệp ngành Cơ tin kỹ thuật ĐH SPKT TpHCM (TS Nguyễn Quốc Ý hướng dẫn) (2011) Mehta R.D and Bradshaw P., “Design rules for small low speed wind tunnels”, The aeronautical journal of the aeronautical society, 443-449 (1979) Boudreau III H.S., Design, construction, and testing of an open atmospheric boundary layer wind tunnel, Bachelor Thesis, University of Florida (2009) Bell J H and Mehta R D., Contraction design for small low-speed wind tunnels, Report, Stanford University (1998) Pope S.B., Turbulent flows, Cambridge University Press (2002) Ghorbanian K, Soltani M.R., Manshadi M.D., “Experimental investigation on turbulence intensity reduction in subsonic wind tunnels”, Aerospace science and technology, 15, 137 – 147 (2011) Chong T.P., Joseph P.F., Davies P.O.A.L, “Design and performance of an open jet wind tunnel for aerospace-ascoustic measurement”, Applied ascoustics, 10, 605 – 614, 2009 Nguyễn Quốc Ý Hà Phương, “Experimental and numerical study on performance of a new ventilation device powered by hybrid wind and photovoltaic energy”, Hội nghị học toàn quốc lần thứ 9, 8-9/12/2012, Hà Nội (2012) 10 Truong H.T Thao – Tran Q Duc – Than N Hai, Nguyen Quoc Y, “A two-dimensonal study on wind-driven ventilation of buildings”, The 14th congress of fluid mechanics – 14ACFM, October 15 – 19, 2013, HaNoi, Vietnam (2013) 25 ... ơn t? ?i trợ quý báu Trường Đh Bách Khoa Tp HCM Cho nghiên cứu Sản phẩm đề t? ?i (hầm gió) có ý nghĩa lớn Nhóm nghiên cứu thơng gió t? ?? nhiên PTN Cơ lưu ch? ?t thuộc Khoa KTXD Chủ nhiệm đề t? ?i chân thành... hầm gió Hầm gió có PTN Cơ lưu ch? ?t, khoa KTXD loại hầm gió hở, vận t? ??c thấp, với kích thước Hình Bảng Hầm gió thổi qu? ?t hướng trục có cơng su? ?t 11KW, đường kính qu? ?t 1.2m lưu lượng t? ??i đa 600 00m3/h... T? ?m t? ? ?t Đề t? ?i thực việc cải tiến phận hầm gió có PTN Cơ lưu ch? ?t thuộc Khoa KT Xây Dựng, Đh Bách Khoa Tp HCM Hầm gió hữu loại hở với kích thước vùng thử 1m*1m vận t? ??c gió lớn 10m/s Các vấn đề