Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dòng trong ống khí động kín

Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dòng trong ống khí động kín Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dòng trong ống khí động kín Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dòng trong ống khí động kín luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH DỊNG TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG KÍN NGUYỄN NAM MINH Namminhnguyen94@gmail.com Ngành Cơ khí động lực Giảng viên hướng dẫn: Viện: TS Lưu Hồng Quân Cơ khí động lực HÀ NỘI, 6/2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Nam Minh Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế khảo sát đặc tính dịng ống khí động kín Chuyên ngành: Cơ khí động lực Mã số SV: CBC18014 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 17/5/2010 với nội dung sau: Chương 1: Chỉnh sửa lại đoạn thuyết minh cách rành mạch, rõ ràng Chương 2: Chỉnh sửa công thức tính tốn, bổ xung thêm trích dẫn tài liệu tham khảo Chương 3: Thêm số nhận xét kết mô thu Bổ xung thêm bảng kí hiệu sử dụng luận văn Ngày 30 tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn nghiên cứu, thiết kế khảo sát dịng ống khí động kín phương pháp tính tốn động lực chất lỏng Mơ hình nghiên cứu ước lượng tổng tổn thất áp suất phụ thuộc vào điều kiện biên đầu vào Một mơ hình đầy đủ ống khí động nghiên cứu thay thơng thường có dịng qua buồng thử kiểm tra, cho phép tối ưu hóa chất lượng dịng chảy khơng buồng thử mà cịn tồn hệ thống Đồng thời thể cách tối ưu thiết kế ống khí động kiểm chứng tốn mơ khí động ABSTRACT OF THESIS A systematic investigation into the design and simulation of flow parameters in a closed-loop wind tunnel was carried out using Computational Fluid Dynamics (CFD) The model for estimating pressure losses were directed as input boundary conditions Full-scale model of the entire wind tunnel was considered instead of the conventional approach, in which only test section flow is simulated This allowed for optimisation of flow quality not only in the test section but also the flow in the entire tunnel Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Nam Minh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ỐNG KHÍ ĐỘNG .2 1.1 Giới thiệu .2 1.2 Định nghĩa .2 1.3 Lịch sử phát triển 1.4 Phân loại 1.5 Nguyên lý hoạt động phạm vi ứng dụng .4 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG VỊNG KÍN 2.1 Lý thuyết thiết kế thành phần ống khí động 2.1.1 Buồng thử (test chamber) .7 2.1.2 Ống côn (contraction) 2.1.3 Buồng lắng lưới (settling chamber & screen) 10 2.1.4 Góc phần tư (corner) 12 2.1.6 Quạt (fan) .14 2.2 Tính tốn thơng số ống khí động 15 2.3 Hoàn thiện thiết kế 20 2.4 Lựa chọn hệ thống quạt .20 CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM MƠ HÌNH BẰNG ANSYS FLUENT 23 3.1 Tổng quan CFD phần mềm ANSYS Fluent 23 3.1.1 Tổng quan CFD .23 3.1.2 Giới thiệu ANSYS Fluent 24 3.2 Thiết kế mơ ống khí động ANSYS FLUENT 26 3.2.1 Vẽ mơ hình 26 3.2.2 Chia lưới .26 3.2.3 Cài đặt mô 27 3.3 Mơ kiểm nghiệm mơ hình 30 3.3.1 Kiểm nghiệm phận 30 3.3.1.1 Kiểm nghiệm cánh phân dòng khuếch tán 30 3.3.1.2 Kiểm nghiệm khả giảm nhiễu loạn cánh hướng dịng góc phần tư .31 3.3.2 Kiểm nghiệm tổng thể thiết kế ống khí động .33 3.3.2.1 Kiểm nghiệm ống khí động đầy đủ .33 3.3.2.2 Kiểm nghiệm trường hợp khác ống .35 3.3.2.2.1 Trường hợp ống khơng có cánh hướng dịng 35 3.3.2.2.2 Trường hợp có cánh phân dịng sau buồng thử 37 3.3.2.2.3 Trường hợp có cánh phân dòng trước buồng thử 38 3.3.2.3 So sánh đồ thị vận tốc lượng rối dòng vào buồng thử theo trường hợp 39 CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 43 4.1 Khảo sát đặc tính khí động vật thể hình cầu ống khí động 43 4.1.1 Tại vận tốc đầu vào 30m/s 43 4.1.2 Tại vận tốc đầu vào 100m/s 44 4.1.3 Tại vận tốc đầu vào 200m/s 45 4.1.4 So sánh với kết thu John Singleton Rajesh Bhaskaran Đại học Cornell 45 4.2 Khảo sát đặc tính khí động cánh naca ống khí động 46 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 49 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Ống khí động thực tế Hình 2: Sơ đồ ống khí động vịng kín Hình 3: Hình dạng buồng thử Hình 4: Hình dạng ống Hình 5: Thiết kế ống .9 Hình 6: Hình dạng buồng lắng 10 Hình 7: Phân bố lớp buồng lắng 11 Hình 8: Hình dạng góc ống khí động 12 Hình 10: Sơ đồ thiết kế ống khí động kín 16 Hình 11: Bản vẽ thiết kế chi tiết (đơn vị mm) 20 Hình 12: Động đốt mơ hình hóa ANSYS FLUENT 25 Hình 13: Mơ hình thiết kế ống khí động 26 Hình 14: Chia lưới mơ hình 26 Bảng 3: Thông số chia lưới .27 Hình 15: Cài đặt chế độ mô 28 Hình 16: Cài đặt mơ hình rối 29 Hình 17: Cài đặt điều kiện đầu vào 29 Hình 18: Vận tốc dịng khí sau qua khuếch tán không cài đặt cánh 30 Hình 19: Vận tốc dịng khí sau qua khuếch tán có cài đặt cánh phân dòng 30 Hình 20: Mặt phẳng cắt mơ góc 31 Hình 22: Vận tốc theo mặt cắt dọc trường hợp 32 Hình 23: Vận tốc theo mặt cắt ngang góc khơng có hướng dịng 32 Hình 24: Vận tốc theo mặt cắt ngang góc có hướng dịng .32 Hình 25: Phân bố vận tốc mặt phẳng cắt ống 33 Hình 28: Vị trí đường tâm xét vận tốc 34 Hình 29: Vận tốc dịng khí qua trục 34 Hình 30: Vận tốc theo mặt cắt ngang trường hợp khơng có cánh góc 35 Hình 31: Vận tốc theo mặt cắt dọc qua buồng thử trường hợp không cánh góc 35 Hình 32: Vận tốc theo mặt cắt qua buồng thử trường hợp khơng cánh góc 36 Hình 33: Vận tốc đầu (outlet) trường hợp khơng có cánh góc 36 Hình 34: Mặt cắt ngang dọc ống trường hợp có cánh phân dịng phía sau buồng thử 37 Hình 35: Một số mặt cắt trường hợp có cánh phía sau buồng thử 37 Hình 36: Mặt cắt ngang dọc ống trường hợp có cánh phân dịng phía trước buồng thử 38 Hình 37: Một số mặt cắt trường hợp có cánh phía trước buồng thử 38 Hình 38: So sánh vận tốc qua trường hợp 39 Hình 39: So sánh động rối theo trường hợp .40 Hình 40: Vận tốc theo trục Ox tâm buồng thử .40 Hình 41: Động rối theo trục Oy tâm buồng thử 41 Hình 42: Vận tốc theo trục Oz tâm buồng thử 41 Hình 43: Động rối theo trục Oy tâm buồng thử 42 Hình 54: Mơ hình mơ buồng thử 49 Hình 55: Mơ hình ống khí động đầy đủ 50 Hình 56: Mơ vận tốc dịng khí qua ống khí động 51 Hình 57: Phân bố áp suất ống khí động 52 Hình 58: Dịng khí qua profil cánh đặt buồng thử 52 3.3.2.2.3 Trường hợp có cánh phân dịng trước buồng thử Hình 36: Mặt cắt ngang dọc ống trường hợp có cánh phân dịng phía trước buồng thử (a) Lối vào buồng thử (b) Trung tâm buồng thử (c) Đầu Hình 37: Một số mặt cắt trường hợp có cánh phía trước buồng thử Ở trường hợp vận tốc dịng khí vào buồng thử nhiều nhiên chất lượng dịng khí outlet lại khơng tốt, có chênh lệch vận tốc lớn lớp khơng khí ảnh hưởng đến chu trình ống khí động [38] 3.3.2.3 So sánh đồ thị vận tốc lượng rối dòng vào buồng thử theo trường hợp Ta so sánh vận tốc lượng rối đường thẳng qua tâm buồng thử xác định bên Hình 38: So sánh vận tốc qua trường hợp Qua đồ thị ta nhận thấy với trường hợp có cánh hướng dịng phía trước đầy đủ cánh hướng dịng phía trước phía sau vận tốc dịng khí buồng thử đạt đến gần vận tốc dòng mong muốn (100m/s) đồng thời có biến thiên vận tốc nhỏ tức chất lượng dịng khí qua tâm tốt trường hợp Xét lượng rối (turbulence kinetic energy) trường hợp có cánh phân dịng phía trước có động rối nhỏ nhất, nhiên động rối lại tăng sau khỏi buồng thử Trường hợp có cánh phía sau động rối buồng thử cao tăng mạnh khỏi buồng thử Trường hợp không ống khơng cài đặt cánh hướng dịng động rối cao khiến cho chất lượng dịng khí nhất, Trường hợp cài đặt đầy đủ cánh lái dịng trường hợp có động rối nhỏ ổn định Cho nên trường hợp có chất lượng dịng khí tốt [39] Hình 39: So sánh động rối theo trường hợp Hình 40: Vận tốc theo trục Ox tâm buồng thử [40] Hình 41: Động rối theo trục Oy tâm buồng thử Hình 42: Vận tốc theo trục Oz tâm buồng thử [41] Hình 43: Động rối theo trục Oy tâm buồng thử [42] CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG ỐNG KHÍ ĐỘNG 4.1 Khảo sát đặc tính khí động vật thể hình cầu ống khí động Ta đặt vào ống khí động hình cầu đường kính 0.1m vào buồng thử chạy mơ CFD với dải vận tốc khí đầu vào 30m/s, 100m/s, 200m/s Ta thu kết sau: 4.1.1 Tại vận tốc đầu vào 30m/s Hình 44: Vận tốc dịng khí qua khối cầu mặt xz yz vận tốc đầu vào 30m/s Hình 45: Vận tốc dịng khí qua khối cầu mặt xy vận tốc đầu vào 30m/s [43] 4.1.2 Tại vận tốc đầu vào 100m/s Hình 46: Vận tốc dịng khí qua khối cầu mặt xz yz vận tốc đầu vào 100m/s Hình 47: Vận tốc dịng khí qua khối cầu mặt xy vận tốc đầu vào 100m/s [44] 4.1.3 Tại vận tốc đầu vào 200m/s Hình 48: Vận tốc dịng khí qua khối cầu mặt xz yz vận tốc đầu vào 200m/s Hình 49: Áp suất (bên trái) vận tốc dịng khí (bên phải) qua khối cầu vận tốc đầu vào 200m/s 4.1.4 So sánh với kết thu John Singleton and Rajesh Bhaskaran Đại học Cornell Hình 50: Áp suất (bên trái) vận tốc dịng khí (bên phải) qua khối cầu mơ đơn lẻ [45] 4.2 Khảo sát đặc tính khí động cánh naca ống khí động Ta tiếp tục đặt vào ống khí động profil cánh NACA-63-210 vào buồng thử chạy mô CFD với dải vận tốc khí đầu vào 30m/s Ta thu kết sau: Hình 51: Vận tốc dịng khí qua profil cánh ống khí động So sánh kết thu với kết mô Patryk SOKOŁOWSKI, Jacek CZARNIGOWSKI, Paweł MAGRYTA đại học cơng nghệ Lublin Hình 52: Vận tốc dịng khí qua profil cánh qua mô đơn lẻ [46] CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Trên luận văn thạc sĩ ‘’Thiết kế ống khí động vịng kín vận tốc âm’’ Luận văn thực lợi ích ống khí động vịng kín sau tìm hiểu đặc điểm tính chất phận tạo nên ống khí động vịng kín buồng thử, khuếch tán, ống cơn, góc, hệ thống quạt đồng thời dựa vào cơng thức tính tốn lượng hình học thiết kế vẽ hình học ống khí động đồng thời tính tốn cơng suất quạt phù hợp Tiếp đến mơ ống khí động vừa thiết kế phương pháp CFD sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để kiểm nghiệm đặc tính vận tốc, độ nhiễu loạn dịng khí qua buồng thử Kiểm nghiệm, so sánh trường hợp cài đặt cánh lái dịng phía trước, phía sau, trước sau nhận cánh lái dịng lắp đặt góc phía trước ảnh hưởng đến chất lượng dịng khí vào buồng thử lớn cánh lái dòng cài đặt góc phía sau, nhiên cánh lái dịng đặt phía sau ảnh hưởng đến chất lượng dịng khí quay trở lại quạt tức trực tiếp ảnh hưởng đến vịng tuần hồn kín ống khí động Mơ hình thiết kế với cánh lái dịng cài đặt góc cánh phân dịng cài đặt khuếch tán mơ hình đạt yêu cầu vận tốc chất lượng dòng khí vào buồng thử tồn hệ thống Đồng thời cho vật thể vào buồng thử chạy mô so sánh với kết mô kiểm chứng nhằm chứng minh kết mơ vật thể ống khí động gần tương đương với kết vật thể mơ đơn lẻ từ kết luận tính khả thi việc áp dụng thiết kế ống khí động thực tế [47] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Barlow, J B, Rae, W H, & Pope, A Low-speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons New York, (1999) rd ed [2] Borger, G G The optimization of wind tunnel contractions for the subsonic range, NASA Technical Translation / F-16899, NASA Washington, (1976) [3] Eckert, W T, Mort, K W, & Jope, J Aerodynamic design guidelines and computer program for estimation of subsonic wind tunnel performance, NASA technical note / D8243, NASA Washington, (1976) [4] Gorlin, S M, & Slezinger, I I Wind tunnels and their instrumentation, Israel Program for Scientific Translations Jerusalem, (1966) [5] Idel´Cik I.E., Memento des pertes de charge: Coefficients de pertes de charge singulières et de pertes de charge par frottement, Eyrolles Editeur, Paris (1969) [6] Maskell, E C A theory of the blockage effects on bluff bodies and stalled wings in a closed wind tunnel, R & M 3400, November, (1963) [7] Mehta, R D, & Bradshaw, P Design Rules for Small Low-Speed Wind Tunnels, Aero Journal (Royal Aeronautical Society), (1979) , 73, 443 [8] Scheiman, J Considerations for the installation of honeycomb and screens to reduce wind-tunnel turbulence, NASA Technical Memorandum / 81868, NASA Washington, (1981) [9] The Royal Aeronautical Society Wind tunnels and wind tunnel test techniques, Royal Aeronautical Society London, (1992) [48] PHỤ LỤC Một số hình ảnh mơ hình 3D ống khí động thiết kế Hình Hình 53: Mơ hình mơ góc Hình 54: Mơ hình mơ buồng thử [49] Hình 55: Mơ hình ống khí động đầy đủ [50] Hình 56: Mơ vận tốc dịng khí qua ống khí động [51] Hình 57: Phân bố áp suất ống khí động Hình 58: Dịng khí qua profil cánh đặt buồng thử [52] ... dựng,… [5] CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG KÍN Ống khí động kín ống khí động tạo thành vịng khép kín dịng khí thổi bên ống hệ thống quạt Trong ống khí động kín, khơng khí tính tốn lại để... kín, hở  Ống khí động kín: Ống khí động quy trình khép kín dịng khí  Ống khí động hở: Ống khí động hở có hai đầu hở Một đầu để khơng khí vào đầu để khơng khí thổi Về đặc điểm hai loại ống khí. .. cứu ống khí động kín Có tiêu chí cần đạt thiết kế ống khí động tốc độ dịng tối đa, dịng đồng mức độ nhiễu loạn Hình 2: Sơ đồ ống khí động vịng kín [6] 2.1 Lý thuyết thiết kế thành phần ống khí động