(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý vortex induced vibration

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN LÀM VIỆC THEO NGUYÊN LÝ VORTEX INDUCED VIBRATION Sinh viên thực hiện: PHAN NGUYỄN QUANG SƠN Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu toàn cầu nguồn lượng tái tạo mở rộng lớn ngày tăng Hầu hết lượng khai thác từ dòng nước nỗ lực chung đập máy phát thủy điện Một công nghệ đầy hứa hẹn đáp ứng tiêu chí sử dụng rung động xốy nước để trích xuất lượng Các cấu trúc chịu dòng chảy chất lỏng thường thiết kế để giảm thiểu mệt mỏi rung động xoáy gây Chỉ gần đây, ý tưởng đề xuất để tăng cường rung động nhằm tối đa hóa việc khai thác lượng từ chất lỏng Công nghệ hoạt động cách lắp hình trụ nằm ngang nước hạn chế bậc tự nhất, chuyển động lên xuống mặt phẳng vng góc với dịng chất lỏng Dòng chảy qua xi lanh tạo mơ hình xốy xen kẽ mà tác dụng lực nâng xen kẽ lên xi lanh, đẩy lên xuống, cơng nghệ xâm lấn mặt sinh thái Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu chế tạo mơ hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration”sẽ làm rõ vấn đề: Giới thiệu, phân tích hoạt động, kết cấu mơ hình thực nghiệm, ưu nhược điểm, khả ứng dụng sản xuất điện mơ hình định hướng ứng dụng, lắp đặt thực tế cho sông Hàn Được giúp đỡ bảo tận tình thầy giáo TS Lê Minh Đức, toàn thể thầy Khoa Cơ Khí Giao Thơng tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án Nhưng chưa có kinh nghiệm trình độ thân cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Rất mong bảo, đóng góp thầy, bạn để đồ án ngày hoàn thiện Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019 Sinh viên thực i LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu chế tạo mơ hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration” công trình nghiên cứu thân Đề tài sản phẩm mà chúng em nỗ lực nghiên cứu thời gian làm đồ án tốt nghiệp Trong trình viết có tham khảo số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, nêu rõ phần tài liệu tham khảo, số liệu trình bày đồ án hoàn toàn trung thực Sinh viên thực ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v DANH SÁCH CÁC KỸ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU viii Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION (VIV) .1 1.1 Giới thiệu tên đề tài 1.2 Phân loại rung động có dịng bao vật cản 1.2.1 Rung động dịng chảy khí bao vật cản 1.2.1.1 Nguyên lí làm vệc hệ thống 1.2.1.2 Ưu, Nhược điểm hệ thống 1.2.1.3 Ứng dụng 1.2.2 Rung động dòng chảy nước bao vật cản 1.2.2.1 Nguyên lí làm vệc hệ thống 1.2.2.3 Ứng dụng 1.2.3 Chọn phương án dòng chảy bao vật cản làm thực nghiệm 1.3 Chọn phương pháp thiết kế 1.3.1 Khảo sát hệ sinh thái sông Hàn .6 1.3.2 Các phương án bố trí Xilanh 1.3.2.1 Bố trí Xi lanh kiểu thằng đứng 1.3.2.2 Bố trí Xi lanh kiểu nằm ngang 1.3.3 Chọn phương án bố trí Chương 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH THEO NGUN LÝ VIV 2.1 Tính tốn sơ 2.1.1 Tính tốn vật cản mơ hình thực nghiệm 2.1.2 Chọn bơm cho mơ hình thực nghiệm 11 2.1.3 Tính tốn lực nâng xi lanh Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 2.1.4 Tính tốn độ cứng lị xo .15 2.1.4.1 Tính tần số xoáy fv Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định 2.1.4.2 Tính khối lượng xilanh mapp có dịng chảy bao vật cảnLỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định iii 2.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm VIV bố trí xilanh nằm ngang 16 2.2.1 Chọn phần mềm thiết kế 3D 16 2.2.2 Thiết kế mơ hình bể thử .16 2.2.3 Thiết kế mơ hình vật cản làm việc theo nguyên lý VIV 20 2.2.3.1 Mô hình vật cản 20 2.2.3.2 Lò xo .Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 2.2.3.3 Bố trí mơ hình VIV .Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 2.2.3.4 Thiết kế hệ thống đường ống Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định 2.3 Thiết kế mơ hình VIV bố trí xilanh theo kiểu thẳng đứng .28 2.3.1 Mơ hình vật cản 28 2.3.2 Tính tốn lực nâng xilanh 29 2.3.3 Lò xo 30 2.3.3.1 Tính tốn độ cứng lò xo 30 2.3.3.2 Tính tần số xốy fv 30 2.3.3.3 Tính khối lượng xilanh mapp có dòng chảy bao vật cản .31 2.3.4 Bố trí mơ hình VIV 21 2.3.4 Thiết kế hệ thống đường ống .23 Chương 3: CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM .28 3.1 Thiết kế nguồn điện 28 3.2 Chế tạo mơ hình VIV bố trí xilanh kiểu nằm ngang 39 3.2.1 Bố trí nam châm cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm .39 3.2.2 Chế tạo bể 40 3.2.3 Đặt bơm 1.5DK-22 41 3.3 Chế tạo mô hình VIV bố trí xilanh kiểu thẳng đứng 42 3.4 Thực nghiệm mơ hình VIV bố trí xilanh nằm ngang .44 3.4.1 Đo điện áp Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 3.5 Thực nghiệm mơ hình VIV bố trí xilanh thẳng đứng .33 3.5.1 Đo điện áp 33 3.5.2 Xác định số Strohal từ thực nghiệm 34 3.6 So sánh nhận xét thực nghiệm phương án bố trí VIV 50 Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT .53 4.1 Kết luận 53 4.2 Kiến nghị đề xuất 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Rung động xốy có dịng nước, khí bao vật cản Hình 1.2 Rung động dịng khí bao vật cản Hình 1.3 Dao động cộng hưởng dịng khí bao vật cản Hình 1.4 Rung động dòng nước bao vật cản Hình 1.5 Mơ dịng xốy để tính tốn đường ống dầu Hình 1.6 Bố trí xilanh kiểu thẳng đứng Hình 1.7 Bố trí xi lanh theo kiểu nằm ngang .8 Hình 2.1 Chế độ dịng xốy [1] Hình 2.2 Bố trí vị trí khảo sát mơ hình 10 Hình 2.3 Thơng số bể thử 12 Hình 2.4 Lực nâng có dịng chảy bao xilanh.Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định Hình 2.9 Mơ hình bể thiết kế 16 Hình 2.10 Mặt cắt dọc bể thử 16 Hình 2.11 Mơ hình bể thử 17 Hình 2.12 Dịng chảy bể thử 18 Hình 2.13 Mơ mơ hình dịng chảy khép kín 19 Hình 2.14 Mơ hình vật cản .Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định Hình 2.15 Bố trí lị xo vào xilanh Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định Hình 2.16 Hệ thống giá đỡ/khung đỡ .Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.17 Bố trí xilanh, lị xo vào hệ thống giá đỡ.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.18 Bố trí tổng thể Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định Hình 2.19 Bố trí hệ thống thí nghiệm thực tế.Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định Hình 2.20 Dịng chảy hệ thống đường ống .26 Hình 2.21 Bảng chọn hệ số tổn thất lượng cục 26 Hình 2.22 Mơ hình vật cản 29 Hình 2.23 Lực nâng có dịng chảy bao xilanh .29 Hình 2.24 Bố trí lò xo vào xilanh 32 v Hình 2.25 Hệ thống giá đỡ/khung đỡ 21 Hình 2.26 Bố trí xilanh, lị xo vào hệ thống giá đỡ .22 Hình 2.27 Bố trí tổng thể 23 Hình 2.28 Bố trí hệ thống thí nghiệm thực tế 24 Hình 3.1 Sơ đồ dịng điện cảm ứng 39 Hình 3.2 Nam châm vĩnh cửu 39 Hình 3.3 Bố trí nam châm cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm 40 Hình 3.4 Chế tạo bể thử 41 Hình 3.5 Bố trí mơ hình thực nghiệm 42 Hình 3.6 Bố trí nam châm cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm 43 Hình 3.7 Bố trí mơ hình thực nghiệm VIV 44 Hình 3.8 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dòng chảy U.Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định Hình 3.9 Đồ thị thể mối liên hệ tần số xoáy fv St .47 Hình 3.10 Đồ thị thể mối liên hệ biên độ dao động xilanh A(cm) tần số xoáy fv (Hz) 33 Hình 3.11 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dòng chảy U 48 Hình 3.12 Đồ thị thể mối liên hệ tần số xoáy fv St .50 Hình 3.13 Đồ thị thể mối liên hệ biên độ dao động xilanh A(cm) tần số xoáy fv (Hz) .50 Hình 3.14 Hình 3.10 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ tần số xoáy fv (Hz) số strohal St phương án bố trí xilanh .51 Hình 3.15 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ tốc độ dòng chảy U(m/s) hiệu điện U’(mA) phương án bố trí xilanh .52 Hình 3.16 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ biên độ dao động xilanh A(cm) tần số xoáy fv(Hz) phương án bố trí xilanh 53 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thơng số kỹ thuật tính chọn xilanh Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật bơm .10 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật bơm .28 Bảng 2.4 Các thông số cho trước .31 Bảng 3.1 Kết đo từ thực nghiệm Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Bảng 3.2 Kết đo tính tốn từ thực nghiệm.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Bảng 3.3 Kết đo từ thực nghiệm 47 Bảng 3.4 Kết đo tính tốn từ thực nghiệm 49 v DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VIV : Vortex induced Vibration Re : Số Reynold St : Số Strohal CL : Hệ số nâng fv : Tần số xoáy FL : Lực nâng xilanh A : Biên độ dao động xilanh U : Tốc độ dòng chảy K : Độ cứng lò xo [1] Tài liệu tham khảo mục [1] [2] Tài liệu tham khảo mục [2] [3] Tài liệu tham khảo mục [3] vi MỞ ĐẦU I Đặt vấn đề Nhu cầu tồn cầu nguồn lượng tái tạo mở rộng lớn ngày tăng Hầu hết lượng khai thác từ dòng nước nỗ lực chung đập máy phát thủy điện Một công nghệ đầy hứa hẹn đáp ứng tiêu chí sử dụng rung động xốy nước để trích xuất lượng Các cấu trúc chịu dòng chảy chất lỏng thường thiết kế để giảm thiểu mệt mỏi rung động xoáy gây Chỉ gần đây, ý tưởng đề xuất để tăng cường rung động nhằm tối đa hóa việc khai thác lượng từ chất lỏng Công nghệ hoạt động cách lắp hình trụ nằm ngang thẳng đứng nước hạn chế bậc tự nhất, chuyển động lên xuống mặt phẳng vng góc với dòng chất lỏng Dòng chảy qua xi lanh tạo mơ hình xốy xen kẽ mà tác dụng lực nâng xen kẽ lên xi lanh, đẩy lên xuống, cơng nghệ xâm lấn mặt sinh thái Đề tài trình bày phương án thiết kế thực nghiệm mơ hình thiết bị phát điện dựa nguyên lý VIV lấy thông số đầu vào vận tốc dòng chảy tương đương với dịng chảy thực tế sơng Hàn (Đà Nẵng) Thành cơng nghiên cứu móng để thực tham vọng nhóm nghiên cứu, sử dụng nguyên lý VIV để phát điện, phục vụ số nhu cầu giải trí ven sơng, tín hiệu đèn báo ven sơng, tín hiệu đèn báo dọc thành cầu, bảng tín hiệu khác,v.v II Đối tượng, phạm vi mục đích nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: VIV - Phạm vi nghiên cứu: Khả làm việc mơ hình VIV với tốc độ dịng chảy vào mùa khơ tốc độ lưu lượng trung bình hàng ngày - Mục đích nghiên cứu: Tính tốn, phân tích hoạt động mơ hình VIV khả ứng dụng thực tế sông Hàn III Cấu trúc đồ án tốt nghiệp Cấu trúc đồ án gồm phần: Mở đầu Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION vii Nghiên cứu chế tạo máy phát điện làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration Chương 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH THEO NGUN LÝ VIV Chương 3:CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION 1.1 Giới thiệu tên đề tài Rung động xốy tượng dịng chảy, dịng khí nghiên cứu ngành đa hướng thường tìm cách để giảm thiểu Tuy nhiên, tiềm tồn để khai thác tượng để tạo lượng điện từ dòng hải lưu vận tốc thấp Công nghệ hoạt động cách bảo vệ hình trụ nằm ngang nước gió hạn chế mức độ tự nhất; chuyển động lên xuống mặt phẳng vng góc với dịng chất lỏng thể Hình 1.1 Hình 1.1 Rung động xốy có dịng nước, khí bao vật cản viii Ta có cơng thức tính tổn thất cục dịng chảy: [3] Hc=ζ v2 2g Trong đó: ζ: hệ số tổn thất lượng cục bộ, v: tốc độ dòng chảy (m/s); g gia tốc trọng trường (m/s2 ) Phương án bố trí dịng chảy hệ thống đường ống thể qua Hình 2.16: (a) SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 25 (b) Hình 2.16 Dịng chảy hệ thống đường ống (a): Thông số kỹ thuật đường ống; (b): Hướng dịng chảy ống Trong đó: 1: Bể chứa dịng chảy ra; 2: Bơm thủy lực; 3: bể chứa dòng chảy vào; d1 ,l1 : đường kính chiều dài ống hút (m); d2 ,l2 : đường kính chiều dài ống đẩy (m); Hs : chiều cao đặt bơm (m) Ống hút ống đẩy có đường kính ống d1 =d2 =34mm, chiều cao đặt bơm Hs =20cm, tra hệ số tổn thất lượng cục với d< 50mm Hình 2.21: [3] Hình 2.17 Bảng chọn hệ số tổn thất lượng cục với góc α=900 => hệ số tổn thất ζ=1,1 Ta có cơng thức tính tốc độ dòng chảy ống: [3] V= Q.A (m/s) SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 26 Trong Q: lưu lượng bơm thủy lực (m3 /s); A: diện tích ống (m2 ) −3 Qb 3,05.10 Vận tốc dòng chảy ống là: V= = 𝜋.0,0342 = 3,35 (m/s) A + Xét tổn thất lượng cục ống hút ống đẩy: =>Ʃhc =Ʃ ζ 𝑉2 2𝑔 = 7.1,1.( 3,352 2.9,8 )= 4,4 m + Xét tổn thất lượng dọc đường ống hút ống đẩy: Ta có Hệ số Reynolds là: [3] Re= V.D ν = 3,35.0,034 1,31.10−6 = 86946 Re > 2300 => Dòng chảy rối => Hệ số tổn thất lượng dọc đường là:[3] Với Re =(2.103 -3,26.106 ) λ = l v2 (1,81.lgRe −1,5)2 3,35 => ƩHd =Ʃλ =0,018 2.9,8 d 2g ( 0,073 0,034 + 0,092 0,034 = 0,018 )= 0,05m =>Tổn thất cột nước xảy mơ hình thực nghiệm là: Hw =ƩHd +ƩHc =4,4+0,05=4,45m Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật bơm STT Thông số Công suất Lưu lượng Q tb Hbơm Số vòng quay bơm nbơm Giá trị 750 11 20 2850 Thứ nguyên W m3 /h m r/min Thiết kế mơ hình hệ thống ống Hình 2.20 nên Hđh =0: => Cột áp bơm: Hyc =Hđh +KQ2 = KQ2 =4,45m Dựa vào bảng thông số kỹ thuật bơm Hbơm =20m > Hyc =4,45m Vì hệ thống ống thiết kế phù hợp với chế độ làm việc bơm 1,5DK-22 SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 27 Chương 3: CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.1 Thiết kế nguồn điện Mơ hình làm việc dựa nguyên lý cảm ứng điện từ: trình biến đổi thành điện Được biểu diễn Hình 3.1: Hình 3.1 Sơ đồ dòng điện cảm ứng Nguyên lý làm việc sơ đồ: Nếu đưa nam châm vào lòng ống dây kim điện kế lệch, ống dây xuất dịng điện dịng điện cảm ứng Nếu đưa nam châm dòng điện cảm ứng Ic có chiều ngược lại di chuyển nam châm nhanh Ic lớn Chọn nam châm vĩnh cửu mạnh Neodymium NdFeB để dùng làm thí nghiệm: Hình 3.2 Nam châm vĩnh cửu Chọn số vịng dây=150 vịng Suất điện động cảm ứng ln ln trị số, trái dấu với tốc độ biến thiên từ thơng gửi qua diện tích mạch điện.Suất điện động cảm ứng suất điện động sinh tượng cảm ứng điện từ Theo định luật Lenx, công từ lực tác dụng lên dịng điện cảm ứng cơng cản có giá trị: dA’= -Ic dθm SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 28 Trong dθm tốc độ biến thiên từ thơng, Ic dịng điện cảm ứng công dA’ chuyển thành lượng dịng cảm ứng có giá trị: ζc Ic dt=-Ic dθm Từ suy ra: ζc =− dθm (1) dt (1) biểu thức suất điện động mà ta phải tìm 3.3 Chế tạo mơ hình VIV bố trí xilanh kiểu thẳng đứng 3.3.1 Bố trí nam châm cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm Hình 3.3 Bố trí nam châm cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm Trong đó: (1) xialnh; (2) lị xo; (3) cuộn dây; (4) nam châm; (5) Hệ thống giá đỡ SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 29 Nam châm cuộn dây bố trí tâm mơ hình, cuộn dây mắc với xilanh qua ống đồng nhỏ, giúp cuộn dây chuyển động lên xuống phù hợp với chuyển động xilanh, mục đích làm làm biến thiên từ thông qua mạch 3.2.2 Chế tạo bể Hình 3.4 Chế tạo bể thử Bể thử dùng để dẫn dịng ngồi bơm 1.5DK-22 3.2.3 Đặt bơm 1.5DK-22 SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 30 Hình 3.5 Bố trí mơ hình thực nghiệm 1: Bơm; 2: Ống hút; 3: Mơ hình VIV; 4: Đồng hồ đo điện áp; 5:Ống đẩy; 6: Bể thử 3.3.2 Mơ hình tổng thể thực nghiệm SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 31 Hình 3.6 Bố trí mơ hình thực nghiệm VIV Trong đó: 1: Bơm; 2: Ống hút; 3: Mơ hình VIV; 4: ống đẩy; 5:Đồng hồ đo điện áp; 6: Bể thử SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 32 3.5 Thực nghiệm mơ hình VIV bố trí xilanh thẳng đứng 3.5.1 Đo điện áp Ta tiến hành đo lần, vị trí có vận tốc U=0,05m/s, U=0,1m/s, U=0,15m/s, U=0,2m/s sau lấy giá trị trung bình phép đo Bảng 3.1 Kết đo từ thực nghiệm U(m/s) 0,05 0,1 0,15 0,2 U′lần1 (mV) U′lần2 (mV) U′lần3 (mV) U′trung bình (mV) 3.1 3.4 2.9 3.1 3.6 3.4 3.7 3.6 4.1 4.2 4.4 4.2 5.4 5.1 5.3 5.3 U'(mV) 5.5 4.5 U'(U) 3.5 2.5 0.05 0.1 0.15 0.2 U(m/s) Hình 3.7 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dòng chảy U Nhận xét : + Khi tốc độ dòng chảy tăng điện áp tăng đột ngột (41,51%) + Tốc độ dòng chảy lớn => lực nâng xi lanh lớn=>biên độ dao động xilanh lớn=>từ thông qua mạch tăng lên=> điện áp lớn dần lên + Tuy điện áp thu nhỏ, dùng nhiều xi lanh tạo thành hệ thống lưới nhiều xilanh với nguồn điện sinh lớn SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 33 3.5.2 Xác định số Strohal từ thực nghiệm St : số Strouhal xác định tần số phát sinh dịng xốy hàm thực nghiệm Re phạm vi rộng tốc độ dòng chảy xác định công thức: St = fv D U Trong đó: fv : tần số dao động dịng xốy (Hz); D: đường kính xilanh (m); U: tốc độ dòng chảy (m/s) Để xác định tần số xoáy fv ta cần xác định số lần xuất xoáy nước thời gian định, với điều kiện tiến hành thí nghiệm cịn nhiều hạn chế khơng đủ trang thiết bị để tiến hành đo đạc, nên ta tiến hành đo số lần dịch chuyển lên xuống xilanh để xác định tần số xoáy Tiến hành đo tốc độ dòng chảy U=0,05m/s, U=0,1m/s, U=0,15m/s, U=0,2m/s ta có: + Với U=0,05m/s: số lần dao động xilanh 90 lần/phút, biên độ dao động đo A=0,6cm => Chu kỳ dao động là: T= => Tần số dao động: fv = 90 = 1,5(s) 60 = 0,67Hz 1,5 0,67.0,027 => Số strohal : St = = 0,36 0,05 + Với U=0,1m/s: số dao động xilanh 108 lần/phút, biên độ dao động đo A= 0,8cm 108 => Chu kỳ dao động là: T= = 1,8(s) 60 1 => Tần số dao động: fv = = = 0,56Hz T 1,8 0,56.0,027 => Số strohal : St = = 0,15 0,1 + Với U=0,15m/s: số dao động xilanh 128 lần/phút, biên độ dao động đo A= 0,9cm 128 => Chu kỳ dao động là: T= = 2,13(s) 60 1 => Tần số dao động: fv = = = 0,47Hz T 2,13 0,47.0,027 => Số strohal : St = = 0,08 0,15 + Với U=0,2m/s: số dao động xilanh 142 lần/phút, biên độ dao động đo A= 1,1cm 142 => Chu kỳ dao động là: T= = 2,36(s) 60 1 => Tần số dao động: fv = = = 0,42Hz T 2,36 T SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn = GVHD: TS Lê Minh Đức 34 => Số strohal : St = 0,42.0,027 = 0,05 0,2 Các số liệu đo đạc tính tốn thống kê vào bảng 3.3: Bảng 3.2 Kết đo tính tốn từ thực nghiệm STT Thông số U fv A=Amax-Amin St 0,05 0,67 0,6 0,36 Giá trị 0,1 0,56 0,8 0,15 0,15 0,47 0,9 0,08 0,2 0,42 1,1 0,05 Thứ nguyên m/s Hz cm Từ Bảng 3.3 ta tiến hình vẽ đồ để thể mối liên hệ tần số xoáy fv số strohal: St 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 St(fv) 0.1 0.05 0.42 0.47 0.56 0.67 fv(Hz) Hình 3.8 Đồ thị thể mối liên hệ tần số xoáy fv St Nhận xét : + Qua Hình 3.12, ta thấy tần fv giảm St t đứng giảm đột ngột (84,62%) + Qua đồ thị dễ dàng nhận thấy tần số fv giảm số strohal giảm theo tốc độ dịng chảy tăng dần Vì tốc độ dịng chảy lớn số lần xuất xốy nhiều dẫn đến chu kỳ xuất lớn làm tần số xoáy giảm + Mối liên hệ số strohal tần số xốy phản ánh chất dịng chảy thực nghiệm SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 35 A(cm) 1.2 1.1 0.9 A(fv) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.42 0.47 0.56 0.67 fv(Hz) Hình 3.9 Đồ thị thể mối liên hệ biên độ dao động xilanh A(cm) tần số xoáy fv (Hz) Nhận xét : + Hình 3.9 ta dễ dàng nhận thấy mức độ chênh lệch biên độ dao động tần số fv giảm lớn giảm cách đột ngột (45,45%) + Qua đồ thị Hình 3.13, nhận thấy tần số xốy giảm dần biên độ dao động xilanh tăng dần, nguyên nhân tốc độ dịng chảy mạnh chu kỳ dao động xoáy tăng lên biên độ lớn dần lên sinh điện áp lớn, chu kỳ tăng làm tần số giảm số xuất động xoáy nước sinh nhiều đơn vị thời gian SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 36 Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT 4.1 Kết luận Nội dung đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu động HCCI” trình bày 67 trang thuyết minh, với kết chủ yếu đạt sau: Đề tài trình bày phương án thiết kế thực nghiệm mơ hình thiết bị phát điện dựa nguyên lý VIV lấy thông số đầu vào vận tốc dòng chảy tương đương với dịng chảy thực tế sơng Hàn (Đà Nẵng) Thành cơng nghiên cứu móng để thực tham vọng nhóm nghiên cứu, sử dụng nguyên lý VIV để phát điện, phục vụ số nhu cầu giải trí ven sơng, tín hiệu đèn báo ven sơng, tín hiệu đèn báo dọc thành cầu, bảng tín hiệu khác,v.v Một số kết tiêu biểu đạt liệt kê sau: Đã phân tích dạng rung động dịng khí nước bao vật cản, ưu nhược điểm ứng dụng nó, từ giúp hiểu chất vấn đề đề xuất phương án thiết kế cho mơ hình thực nghiệm Nghiên cứu tính tốn thơng số kỹ thuật cho mơ hình thực nghiệm như: Tính tốn đường kính chiều dài vật cản, tính chọn bơm thủy lực, tính tốn lực nâng biên độ dao động xilanh, tính tốn độ cứng lị xo Ứng dụng phần mềm CATIA P3 V5R21 để thiết kế 3D cho mơ hình Đã chế tạo mơ hình VIV(model) từ số liệu tính tốn Xây dựng đường đặc tính (U’-U) Tốc độ dịng chảy tăng điện áp tăng Xây dựng đường đặc tính (St -fv ) Bản chất dịng chảy thực nghiệm Xây dựng đường đặc tính (A-fv ) Mối liên hệ biên độ dao động xilanh tần số xoáy 4.2 Kiến nghị đề xuất Sau thực đề tài có số kiến nghị đề xuất để ứng dụng vào thực tế: + Mơ hình tính tốn thiết kế tốc độ dịng chảy thấp sơng Hàn tốc độ dòng chảy hàng ngày tốc độ dịng chảy vào mùa khơ, lắp đặt thực tế phải tính tốn xem xét thêm tốc độ dịng chảy mùa mưa lũ Đà nẵng nơi có lưu lượng mưa lớn + Trong đề tài này, mơ hình tốn học tạo để dự đoán đáp ứng dao động xi lanh PVC gắn đàn hồi chịu loạt vận tốc dòng chảy Tiếp SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 37 theo, bể dòng chảy mở dài thiết kế chế tạo để kiểm tra trạng thái làm việc xi lanh vận tốc dòng chảy khác + Các lĩnh vực sản xuất lượng tiềm bao gồm vùng nước dòng Tất vùng chứa phân đoạn dịng chảy trung bình tốc độ sản xuất cần thiết cho cơng nghệ này, thấp đáng kể so với công nghệ thủy động dựa tuabin khác SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn GVHD: TS Lê Minh Đức 38 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Phụng, TÌM HIỂU HỆ SINH THÁI VÙNG CỬA SÔNG HÀN-TP.ĐÀ NẴNG, 2011 [2] Aaron Hall-Stinson and Christopher Lehrman, ENERGY GENERATION FROM VORTEX INDUCED VIBRATIONS, 2011 [3] PGS.TS NGUYỄN THỐNG, Thủy lực đại cương, Bộ môn KTNN-Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2005 [4] Bernitsas The VIVACE Converter: Model Tests at High Damping and Reynolds Number Around 105.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 12, 2009 [5] Bernitsas, M M., Raghavan, K., Ben-Simon, Y., & Garcia, E M, VIVACE (Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy): A New Concept in Generation of Clean and Renewable Energy From Fluid Flow Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2008 [6] Blevins, Flow-Induced Vibration New York: Van Nostrand Reinhold, 1990 [7] Govardhan, VORTEX-INDUCED VIBRATIONS Annual Review of Fluid Mechanics, (p 53), 2004 [8] Raghavan, Bernitsas, Maroulis, Effect of Bottom Boundary on VIV for Energy Harnessing at 8E3