Bài viết đánh giá mức độ tin cậy của mô hình mô phỏng số này. Trên cơ sở đó, có thể dự đoán và ước tính các đặc tính khác mà thực nghiệm chưa thực hiện được.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):508-522 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm công suất 5,5 kW với phần mềm OpenFOAM Ngô Khánh Hiếu* , Lê Văn Long* , Lê Đình Anh Huy TĨM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Quạt ly tâm thiết bị hoạt động theo nguyên lý ly tâm, làm việc cánh quạt ly tâm hút khơng khí dọc theo trục, lúc áp suất tâm quạt nhỏ, khơng khí chuyển từ nơi có áp suất cao xuống nơi có áp suất thấp Nói cách khác, khơng khí ln chuyển vào tâm quạt cấp thêm lượng ly tâm Sự đời quạt ly tâm mang đến cho nhiều lợi ích thơng gió tầng hầm nơi khơng thể lắp quạt thơng gió trực tiếp Chính vậy, việc nghiên cứu đặc tính hoạt động quạt ly tâm vấn đề đáng quan tâm nay, từ có bước phát triển nhằm nâng cao hiệu suất quạt Trong nội dung báo này, mơ hình mơ đặc tính hoạt động quạt ly tâm thực công cụ snappyHexMesh với ô lưới chủ yếu hexahedron Theo đó, kết mơ đặc tính hoạt động quạt áp dụng mơ hình rối k-ω SST so sánh với giá trị đo đạc từ thực nghiệm Những kết đạt từ việc áp dụng công cụ chia lưới tự động snappyHexmesh giải simpleFoam phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM cho thấy độ tin cậy việc tính tốn thiết kế quạt ly tâm Trên sở giảm chi phí cho việc cải thiện hiệu suất hoạt động cho mẫu quạt ly tâm phương pháp mơ số Từ khố: k-ω SST, OpenFOAM, quạt ly tâm, simpeFoam, snappyHexMesh GIỚI THIỆU Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động đốt Liên hệ Ngô Khánh Hiếu, Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động đốt Email: ngokhanhhieu@hcmut.edu.vn Liên hệ Lê Văn Long, Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động đốt Email: longle3001@gmail.com Lịch sử • Ngày nhận: 24-3-2020 • Ngày chấp nhận: 12-12-2020 • Ngày đăng: 31-12-2020 DOI : 10.32508/stdjet.v3i4.695 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo cơng bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Cũng giống quạt hướng trục, quạt hút ly tâm dịng quạt thơng gió sử dụng nhiều Trong ngành công nghiệp quạt ly tâm sử dụng nhiều, công dụng chủ yếu hút khí nóng nhà máy sản xuất Vì mà việc tạo mơi trường thơng thống điều cần thiết vấn đề ô nhiễm cấp bách Nhưng thiết bị làm mát sản xuất nhiều mẫu mã chủng loại khác với hiệu suất hoạt động khơng giống Quạt ly tâm chuyển hóa lượng thành lượng cho dịng lưu chất Chính vậy, để có hiệu suất hoạt động cao, đòi hỏi nhà sản xuất phải giảm thiểu tối đa việc mát lương q trình chuyển hóa lượng Những nghiên cứu dòng lưu chất bên quạt ly tâm vơ phức tạp mơ hình 3D liên quan đến rối dòng, tách dòng, xâm thực trạng thái không ổn định Việc kết hợp phương trình trạng thái dừng cho dịng lưu chất phương pháp RANS với hai phương trình mơ hình rối k-ε cho kết sai số 10% so với giá trị thực nghiệm Thúc đẩy việc nghiên cứu xâm thực toán hai pha hay lưu chất phi-Newton Để tính tốn thơng số hiệu suất quạt ly tâm chẳng hạn cột áp, công suất cung cấp hiệu suất tính tốn dựa phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM Ansys-Fluent nghiên cứu Huang cộng , so sánh với kết thực nghiệm Mô cho thấy phần mềm OpenFOAM có độ xác cao so với phần mềm lại hai giải thuật simpleFoam pimpleDyMFoam mơ hình rối k-ε k-ω SST Các giải thuật khác ANSYS, FLUENT nghiên cứu Narayan sử dụng để mơ máy bơm ly tâm Góc đặt cánh, góc lệch đặt cánh, số cánh, mơ hình rối ảnh hưởng đánh kể đến hiệu suất quạt ly tâm Khi lưu lượng tăng, cột áp giảm cơng suất cung cấp trục tăng hiệu suất bơm tăng Hiệu suất lớn giá trị khảo sát, vượt giá trị lưu lượng tiếp tục tăng hiệu suất bơm giảm.v.v Trong nghiên cứu Mohammad cộng , phổ vận tốc thu từ kết mơ nhau, có ngược dòng phổ vận tốc phần mềm OpenFOAM Tại cạnh bánh cơng tác, có biến động tương tác vỏ quạt bánh công tác Phần gần cạnh trước, thay đổi diễn Một kết mơ khác thực nghiên cứu Jafarzadeh cộng cho thấy đường cong đặc tính so sánh với kết thực nghiệm thu được đánh giá cao Nghiên cứu ảnh Trích dẫn báo này: Hiếu N K, Long L V, Huy L D A Mô đặc tính hoạt động quạt ly tâm cơng suất 5,5 kW với phần mềm OpenFOAM Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 3(4):508-522 508 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):508-522 hưởng số lượng cánh tác động lên hiệu suất bơm tìm hiểu Và kết quan trọng thu vị trí bánh cơng tác để xem xét ảnh hưởng lưỡi vỏ quạt lên hiệu suất quạt Chính lẽ đó, nhóm tác giả định nghiên cứu mẫu quạt 5,5 kW dãy vòng quay khác tiến hành Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc Gia – Hồ Chí Minh, giá trị thu từ cơng trình nghiên cứu làm tảng so sánh đánh giá cho kết mơ mà nhóm tác giả thực Trong viết này, nhóm tác giả sử dụng mơ hình quạt ly tâm cơng suất 5,5 kW để đánh giá đặc tính quạt giải thuật simpleFoam kết hợp phương pháp RANS với mơ hình rối k-ω SST Theo kết mơ tập trung so sánh phổ vận tốc, áp suất, lưu lượng hiệu suất miệng hút quạt với giá trị thực nghiệm đo đạc trước nhóm tác giả (xem Bảng 1) Từ đánh giá mức độ tin cậy mơ hình mơ số Trên sở đó, dự đốn ước tính đặc tính khác mà thực nghiệm chưa thực LÝ THUYẾT QUẠT LY TÂM Quạt ly tâm có dịng khí đưa vào từ miệng ống hút theo phương hướng trục, sau qua bánh công tác theo phương vng góc Quạt có hai thành phần → − bánh cơng tác buồng xoắn Vận tốc V = → − → − U + V r xác định cách xây dựng tam → − → − giác vận tốc Hình Với V , V r vận tốc tuyệt → − −r vận tốc đối tương đối khơng khí U = ω → → − → − điểm bánh công tác Và V n , V t vectơ vận tốc phương bán kính phương tiếp tuyến bánh cơng tác Các phương trình quan trọng xác định đặc tính quạt ly tâm: Mô men: T = ρ Q (R2V2t − R1V1t ) (1) Công suất lưu chất: P = ρ Q (U2V2t −U1V1t ) (2) Phương pháp Đa Vùng Tham Chiếu (Multiple Reference Frame) Sử dụng phương pháp đa vùng tham chiếu cho phép miền tính tốn chia thành hai miền nhỏ, vùng giả định quay tịnh tiến so với trục tọa độ Phương trình chủ đạo miền phụ lấy từ hệ trục cục miền phụ Vận tốc tuyệt đối hệ trục tọa độ tìm thấy thơng qua vận tốc tương đối hệ tọa độ xoay quanh hệ tọa độ tuyệt đối theo phương trình: ) − (− → → − − (4) v =→ v r+ → ω × −r + → vt − Trong → v vận tốc tuyệt đối hệ tọa độ quán → − tính, v r định nghĩa vận tốc hệ trục − tọa độ tương đối → v t vận tốc dịch chuyển hệ tọa độ phi quán tính Những định nghĩa đưa vào phương trình Navier-Stokes, gồm phương trình sau: − v =0 ∇ρ → (5) − − − ∇(ρ → v→ v ) = −∇ρ + µ ∇.∇(→ v) (6) − v =0 ∇ρ → (7) (3) Thơng thường hiệu suất thể tích (ηq ) 98%, khơng có hệ thống truyền động khí phức tạp, có trục quay, hiệu suất khí (ηme ) cao 95%, hiệu suất toàn thể tùy thuộc chủ yếu vào hiệu suất thủy lực (ηh ) 509 PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG SỐ Tính tốn phương trình cho hệ tọa độ xoay: Hiệu suất toàn quạt: P η0 = h = ηh ηq ηme Pc Hình 1: Tam giác vận tốc lưu chất qua bánh công tác ) (− → − − − ∇(ρ → ω × −r = −∇ρ + µ ∇.∇(→ v) v ,→ v )+ρ → (8) Sử dụng cơng thức (1) đó, phương trình cho hệ trục xoay có dạng: − ∇ρ → v =0 (9) Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):508-522 ) − → ( − → −r − − ∇(ρ → ω × −r + → ω ×− ω ×→ v r→ v r ) + ρ 2→ → − = −∇ρ + µ ∇.∇( v r ) (10) Biểu thức thứ thành phần Coriolis gia tốc hướng tâm Giải thuật simpleFoam SimpleFoam giải trạng thái ổn định dùng cho lưu chất không nén dịng rối Tại tâm lưới, OpenFoam sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải phương trình vi phân phần dịng lưu chất Theo cách tiếp cận này, phương trình tích phân qua ô lưới (được xem thể tích kiểm sốt) mà chứa thuật tốn div (·) thể chuyển thành tích phân mặt cách sử dụng định lý Gauss Tích phân mặt đóng góp qua bề mặt ô lưới Vấn đề giải phép nội suy Rhie-Chow giải thuật điều chỉnh SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) Hình 2: Quạt ly tâm cơng suất 5,5 kW với đường kính miệng hút 240 mm Mơ hình rối k- ω SST Biến mơ hình động rối k dùng để xác định lượng rối dòng 10 Biến thứ hai ω tốc độ tiêu tán lượng riêng từ động rối chuyển sang nội ) ∂ ∂ ( ∂ ui (ρ k) + ρ ku j = τi j − ∂t ∂ x j [( ∂)x j ] ∂ ρk ∂ k β ∗ ρω k + µ + σk ∂xj ω ∂xj ) ∂ ∂ ( ω ∂ ui ρ u j ω = α τi j (ρω ) + ∂t ∂ x j [( k ∂] xj ) ∂ ρk ∂ ω −β ρω + µ + σω ∂xj ω ∂xj σd ∂ k ∂ ω +ρ ω ∂xj ∂xj Hình 3: Mơ hình 3D quạt ly tâm 5,5 kW (11) Lưới (12) Mơ hình rối k-ω SST có chứa hàm dạng cho phép việc ứng xử dòng xa tường áp dụng mơ hình rối k-ε , thay vào đó, sát biên tường mơ hình k-ω áp dụng 11 Chính kết hợp này, giúp ta dự đốn xác dịng qua bề mặt cánh trường hợp mơ hình k-ε khơng thể HÌNH HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG KHẢO SÁT Bên hình ảnh quạt ly tâm dùng khảo sát (Hình 2) mơ hình quạt ly tâm 3D dịnh dạng STL dựng lại có lặp hạn chế dịng vào đường kính 240 mm (Hình 3) SnappyHexMesh công cụ chia lưới tự động cung cấp miễn phí phần mềm mã nguồn mở OpenFOAM Cơng cụ cho phép người dùng tạo miền tính tốn khơng gian chiều, bao gồm nhiều loại phần tử lưới khác như: lục diện (hexahedra) lục diện khơng hồn tồn (splithexahedra) từ bề mặt hình học định dạng STL OBJ 12 Việc lựa chọn kích thước phần tử lưới cánh quạt bề dày cánh có kích thước 3.94 mm Nên kích thước tối đa cánh vùng cạnh cánh không vượt 12 giá trị Và để đảm bảo độ trơn bề mặt công bánh công tác, ô lưới nhỏ lựa chọn có giá trị 1,95 mm tương ứng cấp lưới snappyHexMesh Đối với vỏ quạt vậy, để đảm bảo bề mặt dịng vào khơng q thơ, sinh rối xốy khơng mong muốn Một miền tính toán phù hợp với mật độ phần tử lưới vừa phải đảm bảo độ xác giảm thiểu thời gian tính tốn Chính nhóm tác giả đề xuất miền tính 510 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):508-522 Bảng 1: Các thông số môi trường khảo sát thực nghiệm mô Các thông số Giá trị Nhiệt độ khảo sát 304,15 o K Khối lương riêng khơng khí 1,12 kg/m3 Độ nhớt động học khơng khí 1,71×10-5 m2 /s2 Số vịng quay khảo sát (n) 2515 (44Hz); 2628 (46Hz); 2741 (48Hz); 2854 (50Hz) vịng/phút Cơng suất động 5,5 kW Đường kính bánh cơng tác 450 mm Đường kính miệng hút 240 mm Kích thước miệng 240×250 mm Chiều dài cánh 145 mm Hình 4: Kích thước miền tính tốn mơ cho quạt ly tâm cơng suất 5,5 kW tốn (Hình 4) phù hợp với điều kiện hoạt động tự nhiên môi trường khảo sát đủ lớn để ghi nhận mức độ ảnh hưởng dòng vào môi trường xung quanh Số Reynolds đặc trưng qua biên dạng cánh 311578 Lớp biên rối tính cơng thức Blarius 13 có giá trị 4,2 mm với độ phát triển 1,2 trường hợp này, để khơng tốn tài nguyên máy tính để đảm bảo độ xác, lựa chọn 30 < y+ < 500 14 , lớp biên tính tốn theo cơng thức hệ số ma sát bề mặt [13] không nhỏ 0,52 mm (xem Hình 5) Do đó, theo nghiên cứu trường 511 Đại học Chalmers 15 hàm tường kqRWallFunction sử dụng điều kiện biên Neumann 12 omegaWallFunction khu vực giao hai vùng viscous vùng logarithm nội suy cách sử dụng hàm dạng dành cho mơ hình rối k-ω SST phù hợp nêu Bảng Các kích thước phần tử lưới lựa chọn cho phân vùng miền tính tốn mơ tả trongBảng 16 Trong đó, phần tử lưới bề mặt cánh quạt ly tâm vỏ quạt phải có độ mịn vừa đủ để mang lại kết mơ xác (xem Hình Hình 7) Bên cạnh đó, vùng xa cánh xoay giảm Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(4):508-522 Hình 5: Lớp biên hình thành qua bề mặt bánh công tác mật độ lưới nhằm nâng cao hiệu suất thời gian tính tốn Các số đánh giá chất lượng lưới mô tả Bảng đảm bảo cấu hình phù hợp mơ phần mềm OpenFOAM theo tài liệu nghiên cứu tác giả Long cộng 16 Hình 7: Lưới bề mặt bánh công tác Điều kiện biên Hình 6: Lưới bề mặt vỏ quạt Với kích thước lưới trình bày mục 4.1 cho thấy chất lượng lưới chia với phần mềm OpenFoam tốt (thỏa tiêu chí đánh giá) Với việc sử dụng hàm tường (được trình bày Bảng 4) cho bánh cơng tác cho kết y+ > 30, lớp biên nằm vùng logarithm 14 , vậy, giá trị vận tốc phía bên lớp biên nội suy theo hàm tường áp dụng vị trí bề mặt cánh bánh cơng tác 512 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 3(4):508-522 Bảng 2: Cấu hình lưới đề xuất cho vỏ quạt bánh cơng tác Thơng số Kích thước (mm) Ô lưới bề mặt vỏ quạt (nhỏ nhất) 1,95×1,95 mm2 Ơ lưới bề mặt vỏ quạt (lớn nhất) 3,91×3,91 mm2 Ơ lưới bề mặt bánh cơng tác (nhỏ nhất) 1,95×1,95 mm2 Ơ lưới bề mặt bánh cơng tác (lớn nhất) 3,91×3,91 mm2 Ơ luới thể tích miền xoay 1,95×1,95×1,95 mm3 Ơ luới thể tích vỏ quạt trừ miền xoay 3,91×3,91×3,91 mm3 Độ dày lớp biên 0,52 mm Độ dày lớp biên 4,2 mm Số lớp biên Bảng 3: Bảng tổng hợp kết chia lưới cho số vòng quay cụ thể 2515 2628 Độ lệch lưới lớn 67,31 (