4. Bố cục của Luận ỏn
3.1.2.Mụ hỡnh và phương phỏp tớnh toỏn mụ phỏng
Trờn cơ sở cỏc kết quả tớnh toỏn thiết kế bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh (đó trỡnh bày trong mục 3.1.1), tiến hành thiết kế lắp đặt bơm trong hệ thống thớ nghiệm của Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi (xem hỡnh 2.8). Dựa vào thiết kế này, ta tiến hành thiết kế mụ phỏng 3D trong phần mềm Solid Works, sau đú mụ hỡnh húa và tiến hành mụ phỏng trong phần mềm Ansys CFX.
Do việc mụ phỏng rất phức tạp và khối lượng tớnh toỏn lớn nờn ở đõy ta chỉ tập trung mụ phỏng khảo sỏt điểm thiết kế, khả năng xõm thực và dũng chảy trong bơm tại điểm thiết kế.
Một số giả thiết khi thực hiện nghiờn cứu:
- Chế độ dũng chảy vào bơm tại cỏc gúc xoay là giống nhau. - Dũng chất lỏng khụng nhớt, một pha.
- Nhiệt độ chất lỏng T=25oC và ỏp suất hơi bóo hũa tại nhiệt độ đú là Pbh =3173 Pa là khụng thay đổi trong suốt quỏ trỡnh nghiờn cứu.
3.1.2.1. Xõy dựng mụ hỡnh tớnh trờn Solidworks và chia lưới.
Thiết kế bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh trong hệ thống thớ nghiệm như sau:
Hỡnh 3.5. Bản vẽ thiết kế bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh Xõy dựng mụ hỡnh trong Solid Works như sau:
67
Chia lưới:
Phương phỏp chia lưới cấu trỳc được thực hiện trờn cụng cụ Turbogrid.
- Chia mụ hỡnh thành 3 vựng: Rotor (bỏnh cụng tỏc), Stator (phần đẩy), Suction (phần hỳt).
- Trong cụng cụ thiết kế mụ hỡnh (Design Modeler) dựng sketch để chia mụ hỡnh thành cỏc vựng bầu (Hub), vỏ (Shroud), lối vào (Inlet), lối ra (Outlet) và dựng dũng chảy (Flowparth), điểm xuất (Exportpoint) tại cỏc tiết diện cỏnh. Những bước trờn dựng để khi chuyển miền dũng chảy (domain flow) vào Turbogrid thỡ nú cú thể đọc và hiểu được.
Hỡnh 3.7. Mụ hỡnh bỏnh cụng tỏc xõy dựng bằng cụng cụ thiết kế mụ hỡnh (Design modeler)
- Trong vựng mesh data thực hiện cài đặt (set up) những thụng số sau: + Tỷ lệ phỏt triển (Growth rate) 1.25
+ Số lớp biờn 12
+ Tổng chiều dày tường lớp biờn (Total thickness boundary Wall): 12 mm + Y plus 150
+ Tỷ lệ phỏt triển lối vào (Growth rate inlet): 1.05 + Vượt qua (Passes): 1
- Hiệu chỉnh lối vào (inlet) và lối ra (outlet) phự hợp để phõn vựng chia lưới, tương tự như chia lưới dựng ICM CFD nhằm để đạt được chất lượng lưới tốt.
- Hiệu chỉnh khe hở đầu cỏnh bằng cỏch dựng Shroud Tip. Khe hở T=0.340 mm - Hiệu chỉnh độ loe, đường kớnh vào ra trực tiếp trờn Design Modeler
- Mụ hỡnh đó lưới húa của 3 phần như sau: + Bỏnh cụng tỏc (Rotor):
68
+ Phần đẩy (Stator):
Hỡnh 3.9. Lưới cấu trỳc cho phần đẩy (Stator) + Phần hỳt (Suction):
Hỡnh 3.10. Lưới cấu trỳc cho phần hỳt (Suction)
3.1.2.2. Chọn mụ hỡnh tớnh toỏn và thiết lập điều kiện biờn
a) Lựa chọn mụ hỡnh tớnh toỏn:
+ Mụ hỡnh rối (Shear Stress Transport k-ω): mụ hỡnh này đó được nhiều chuyờn gia khuyờn dựng và cú kết quả giải sỏt với thực tế đó được cụng bố trong cỏc bài bỏo cũng như cỏc cụng trỡnh khoa học về Turbomachine. Trong mụ hỡnh này ỏp dụng việc giải độc lập 2 phương trỡnh chuyển động với năng lượng động học rối (k) và tốc độ tiờu tan rối của nú (ω).
+ Mụ hỡnh xõm thực: Được sử dụng để khảo sỏt khả năng chống xõm thực của mỏy tại điểm thiết kế. Cụ thể mụ hỡnh Homogenerous được chọn làm mụ hỡnh dũng chảy hai pha và trao đổi nhiệt, mụ hỡnh Zwart được chọn làm mụ hỡnh tạo bọt và phương trỡnh Rayleigh – Plesset được sử dụng để điều khiển chuyển động của bong búng. Trước khi tớnh toỏn mụ hỡnh xõm thực, ta phải thiết lập những giỏ trị ban đầu cho từng vựng stator và rotor. Muốn cú những giỏ trị đấy phải tiến hành chạy ở chế độ "no cavitation" để đưa ra cỏc kết quả sơ bộ và kết quả tớnh toỏn đú được sử dụng làm giỏ trị ban đầu của mụ phỏng xõm thực để cải thiện tốc độ hội tụ và độ chớnh xỏc tớnh toỏn. Khi ỏp dụng mụ hỡnh tạo xõm thực (cavitation), hai thụng số vật lý được đưa ra: ỏp suất húa hơi của chất lỏng ở nhiệt độ bỡnh thường (25°C) là Pv = 3173 Pa, và sức căng bề mặt của bong búng xõm thực (cavitation) là 0.074 N/m.
b) Thiết lập cỏc điều kiện biờn:
69 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Chọn thuật giải: Solver CFX
Type: Pressure-Based
Velocity Formulation: Absolute Time: Transient
Chiều tớnh toỏn: 3D
- Chọn vật liệu: nước, nhiệt độ 25oC; bọt khớ, nhiệt độ 25oC và ỏp suất hơi bóo hũa là Pv=3173 Pa;
- Đặt cỏc điều kiện biờn:
+ Vựng bỏnh cụng tỏc: n = 980 (v/p).
+ Cỏc vựng Stator, đầu vào là ỏp suất và ra dạng ỏp suất hoặc lưu lượng; nếu chọn đầu ra là lưu lượng nờn cẩn thận vỡ bơm chỉ tạo ra một lưu lượng tối đa nào đú tại 1 vũng quay nhất định, nếu chọn sai kết quả tớnh khụng cú giỏ trị. Tuy nhiờn thời gian hội tụ lại nhanh.
+ Biờn tường là dạng biờn khụng trượt No-slip wall. + Áp suất tham chiếu: 1 atm
+ Áp suất tĩnh đầu vào: Static pressure inlet= 0.9 (bar), ỏp suất này lấy sỏt với thực tế kể đến sự chờnh lệch mặt thoỏng với tõm mỏy là 1 m. Trong trường hợp khụng rừ thỡ cú thể đặt ỏp là 0 (pa) để khảo sỏt đặc tớnh năng lượng mà mỏy truyền cho chất lỏng.
+ Lưu lượng đầu ra: Outlet= 1390/3600= 0.386 (m3/s); ngoài ra cú thể đặt ỏp đầu ra (static pressure) tuy nhiờn phải biết chớnh xỏc vị trớ đặt điều kiện này, nghĩa là phải kộo dài vựng lối ra (điều này làm tăng thời gian tớnh toỏn), nếu ta đặt điều kiện này khụng đỳng thỡ rất khú để đạt được kết quả mong muốn tại điểm khảo sỏt (cú sự nhảy, dao động và hội tụ tại điểm khỏc trờn đường đặc tớnh H-Q).
+ Trong phần solver-setting phải thờm cỏc điều kiện biờn periodic (tuần hoàn) cho cỏc mặt cắt.
+ Cỏc interface để dạng Rotor-Stator, Specific angle 120 độ cho Rotor (3 lỏ cỏnh bỏnh cụng tỏc), 90 độ cho Suction (4 lỏ cỏnh hướng dũng vào) và 45 độ cho Stator (8 lỏ cỏnh hướng dũng ra).
- Đặt tiờu chuẩn hội tụ: 0,00001.
- Bước thời gian (Timestep size for pump): ∆t = 0.002s, lấy theo hướng dẫn của CFX và đó đỏnh giỏ sự hội tụ về bước thời gian. Nhận thấy với giỏ trị này cho kết quả chạy ra mịn ớt bị dao động và đảm bảo tớnh tuần hoàn trong mụ phỏng.
- Đặt Total time là 100s và bắt đầu tớnh toỏn.
3.1.2.3. Đỏnh giỏ sự hội tụ về mụ hỡnh lưới
Số lượng lưới cú ảnh hưởng lớn đến độ chớnh xỏc tớnh toỏn và tốc độ giải. Về lý thuyết, lưới miền tớnh toỏn càng dày đặc thỡ độ chớnh xỏc tớnh toỏn càng cao. Tuy nhiờn, trong quỏ trỡnh tớnh toỏn thực tế, quỏ nhiều lưới sẽ làm tăng thời gian tớnh toỏn lờn rất nhiều và gõy lóng phớ tài nguyờn và bài toỏn cũng cú thể khú hội tụ. Để tỡm kớch thước mắt lưới (mesh size) và số lượng lưới thớch hợp, một phõn tớch độ nhạy của lưới đó được thực hiện. Đối với mụ hỡnh tớnh toỏn bài toỏn mỏy cỏnh này, để đỏnh giỏ sự nhạy cảm của số lượng lưới ta tiến hành giải với số lượng lưới thay đổi và đỏnh giỏ sự ổn định thụng qua cột ỏp của mỏy bơm.
90
a) Dạng XT1
b) Dạng XT2
c) Dạng XT3
91
3.2.3.3. Nhận xột và kết luận về kết quả mụ phỏng.
- Dựa vào cỏc kết quả mụ phỏng thu được cựng với việc xử lý xõy dựng đặc tớnh làm việc và bảng dự bỏo xõm thực tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau mà ta dự bỏo được vựng làm việc ổn định cú hiệu suất cao của mỏy, đưa ra cỏc chế độ vận hành phự hợp.
- Dựa vào đặc tớnh tổng hợp xõy dựng được, ta thấy rằng nếu khụng tớnh đến yếu tố xõm thực, khi xoay gúc đặt cỏnh từ -60 đến +60, vựng làm việc của bơm được mở rộng từ phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄ư (0.8ữ1.1) lờn phạm vi 𝑄 = 𝑄/𝑄ư (0.7ữ1.2). Vựng làm việc hiệu suất cao (vựng lõn cận 5% hiệu suất điểm tối ưu, trong trường hợp này là vựng hiệu suất lớn hơn 70%) cũng mở rộng từ phạm vi 𝑄 (0.9ữ1.1) lờn phạm vi 𝑄 (0.8ữ1.1).
- Qua cỏc đồ thị hỡnh 3.48 và hỡnh 3.50 cho thấy thấy việc sử dụng gúc xoay dương ảnh hưởng đỏng kể và suy giảm hiệu suất của bơm mạnh hơn so với việc sử dụng gúc xoay õm. Nguyờn nhõn lớn nhất là do ảnh hưởng của chế độ chảy bao gõy ra xõm thực. Ở gúc xoay õm, quan hệ hiệu suất tối ưu với gúc xoay ở dạng hàm số tuyến tớnh, dễ dàng giỳp cho việc nội suy và điều khiển khi tớnh toỏn vận hành bơm ở nhiều chế độ. Cột ỏp suy giảm đỏng kể nhưng hiệu suất giảm chậm.
- Để đỏnh giỏ mức độ thay đổi cột ỏp bơm khi xoay 1 độ (H/độ), cú thể tra đồ thị trờn hỡnh 3.51 hoặc tớnh nội suy theo cỏc quan hệ sau:
+ Khi xoay sang gúc õm: H = 0.0652() + 2.54 + Khi xoay sang gúc dương: H = 0.1093() + 2.54
- Theo bảng dự bỏo xõm thực tại mục 3.2.3.2, tại gúc xoay +30 và +60 với giỏ trị Q/Qtư từ 0.85 đến 1.2 thỡ bơm làm việc luụn xuất hiện xõm thực với dạng xõm thực chủ yếu là XT2. Tại cỏc gúc -60, -30 và 00 dạng xõm thực chủ yếu xuất hiện là XT1. Cú thể thấy rằng vựng làm việc khụng xuất hiện xõm thực của bơm tương đối hẹp. Tuy nhiờn dựa theo đặc tớnh thuỷ lực thu được thỡ vẫn cú thể vận hành bơm tại những điểm cú xõm thực nhưng khụng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất và độ bền mỏy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2.4. Kết luận việc lựa chọn mẫu khảo sỏt đỏnh giỏ về gúc xoay và đặc tớnh thủy lực tớnh thủy lực
Qua cỏc kết quả nghiờn cứu bằng mụ phỏng trờn mụ hỡnh toỏn đó trỡnh bày trong cỏc phần trờn đõy, chỳng ta nhận thấy:
- Cỏc kết quả mụ phỏng mụ hỡnh cỏnh cầu tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau đó thể hiện đầy đủ cỏc trạng thỏi làm việc của bơm trong toàn bộ dải làm việc được khảo sỏt. Nhờ kết quả mụ phỏng, ta xõy dựng được đặc tớnh làm việc của bơm tại từng gúc xoay cỏnh và đặc tớnh tổng hợp của bơm tại cỏc gúc xoay cỏnh khỏc nhau. Căn cứ vào đú ta cú thể mở rộng vựng làm việc cú hiệu suất cao của bơm cho phự hợp với điều kiện vận hành.
- Với việc khảo sỏt trạng thỏi xõm thực của bơm tại cỏc điểm làm việc ứng với cỏc xoay cỏnh khỏc nhau, ta dự bỏo được cỏc vựng làm việc an toàn và cỏc vựng làm việc bị xõm thực của bơm. Việc dự bỏo được vựng xõm thực là rất quan trọng, nú giỳp chỳng ta giới hạn được phạm vi mở rộng vựng làm việc mà vẫn đảm bảo an toàn vận hành cho mỏy bơm. Trong trường hợp cần thiết, khi cần mở rộng vựng làm việc về phớa tăng lưu lượng hay tăng cột ỏp của bơm, nú cũng giỳp chỳng ta dự bỏo được
92
mức độ xõm thực của cỏc điểm làm việc mà chỳng ta cần điều chỉnh để quyết định chọn điểm làm việc ớt bị ảnh hưởng nhất bởi xõm thực.
Trong cỏc chương trước, chỳng ta đó nghiờn cứu mụ phỏng (cú kết hợp thớ nghiệm đối chứng kết quả) trờn mụ hỡnh cỏnh trụ D340, rồi mới đi đến mụ phỏng đặc tớnh thủy lực và xõm thực theo gúc xoay trờn mụ hỡnh cỏnh cầu D352. Để hoàn thiện nghiờn cứu gúc xoay trờn mụ hỡnh cỏnh cầu, chỳng ta cũn phải tiếp tục nghiờn cứu thớ nghiệm trờn mụ hỡnh vật lý phương ỏn cỏnh cầu D352 như đó mụ phỏng trờn đõy. Sau đú sẽ đối chiếu so sỏnh cỏc kết quả giữa thực nghiệm và mụ phỏng để đưa ra được những nhận xột đỏnh giỏ về mức độ chớnh xỏc của việc nghiờn cứu mụ phỏng so với thực tiễn, qua đú đỏnh giỏ được độ tin cậy của mụ hỡnh toỏn và điều kiện biờn sử dụng. Việc làm này là hết sức cần thiết để khẳng định lại tớnh đỳng đắn của việc nghiờn cứu trờn mụ hỡnh toỏn bằng mụ phỏng. Khụng chỉ vậy, quỏ trỡnh nghiờn cứu đó chứng minh rằng việc nghiờn cứu bằng mụ phỏng cũn cú thể giỳp mở rộng được vựng khảo sỏt của mụ hỡnh mà trong thực tiễn nghiờn cứu thực nghiệm khú cú thể quan sỏt hay thực hiện được.
Toàn bộ phần nghiờn cứu thực nghiệm được trỡnh bày trong Chương 4. Tất cả cỏc chi tiết của mụ hỡnh vật lý được thiết kế, chế tạo và lắp đặt hoàn toàn giống với thiết kế mụ phỏng trờn mụ hỡnh toỏn đó thực hiện trờn đõy.
93
Chương 4.
NGHIấN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Chế tạo thiết bị và xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm phục vụ nghiờn cứu thực nghiệm nghiờn cứu thực nghiệm
Phần nghiờn cứu thực nghiệm mỏy bơm mụ hỡnh được thực hiện trờn giỏ thớ nghiệm bơm của Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi như sơ đồ đo dưới đõy. Cỏc thụng tin về thiết bị đo và phương phỏp đo đó trỡnh bày trong mục 2.2.3. Thiết bị thớ nghiệm được lắp đặt từ thỏng 10 năm 2019 tại Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi. Thời gian thực hành thớ nghiệm từ thỏng 10 năm 2019 đến thỏng 8 năm 2020.
Hỡnh 4.1. Sơ đồ thớ nghiệm đo cỏc thụng số mỏy bơm mụ hỡnh ns 1200 v/ph
4.1.1. Chế tạo thiết bị
Căn cứ vào bản vẽ thiết kế và xõu cỏc biờn dạng cỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng cho bơm mụ hỡnh để nghiờn cứu xoay cỏnh, tỏc giả đó tiến hành thiết kế cỏc bản vẽ cơ khớ và cỏc bản vẽ cụng nghệ để chế tạo cỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng cũng như cỏc chi tiết khỏc của bơm mụ hỡnh.
Hỡnh 4.2. Bản vẽ lắp bơm mụ hỡnh cỏnh cầu Dcầu =352mm
Van tiết lưu
áp kế
Lưu lượng kế
Máy bơm TN Thiết bị đo mô men Động cơ
sơ đồ hệ thống thí nghiệm máy bơm kiểu kín
Bàn điều khiển
94
Hỡnh 4.3. Bỏnh cụng tỏc cỏnh xoay Dcầu = 352mm
Hỡnh 4.4. Cỏnh hướng bơm mụ hỡnh
95
4.1.2. Lắp đặt bơm mụ hỡnh vào hệ thống thớ nghiệm
Sau khi chế tạo và lắp rỏp hoàn chỉnh, bơm mụ hỡnh được lắp đặt vào giỏ thớ nghiệm. Dưới đõy là cỏc hỡnh ảnh mỏy bơm mụ hỡnh đó được lắp đặt hoàn chỉnh vào hệ thống thớ nghiệm.
Hỡnh 4.6. Mỏy bơm mụ hỡnh đó lắp đặt trong hệ thống thớ nghiệm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
96
Hỡnh 4.8. Quan sỏt thớ nghiệm bằng đốn tần số
4.2. Đo cỏc thụng số của mỏy bơm
Cỏc thụng số chớnh cần đo đạc trong quỏ trỡnh thớ nghiệm bao gồm: - Lưu lượng
- Cột ỏp
- Số vũng quay - Áp suất hỳt
- Cụng suất trờn trục bơm - Hiệu suất mỏy bơm
4.2.1. Trỡnh tự thớ nghiệm
Tiờu chuẩn sử dụng trong quỏ trỡnh đo : ISO 9906 - 1999 Quỏ trỡnh đo được thực hiện theo trỡnh tự sau (nguồn [19]):
4.2.1.1. Chuẩn bị đo:
- Kiểm tra cỏc điều kiện làm việc của hệ thống thớ nghiệm và của mỏy cần kiểm tra
+ Kiểm tra mức nước trong hệ thống
+ Kiểm tra sự hoạt động của mỏy bơm chõn khụng, hệ thống van + Kiểm tra và hiệu chỉnh điểm ‘O’ của cỏc thiết bị đo lường
- Khởi động mỏy bơm cần khảo nghiệm, theo dừi cỏc thụng số của hệ thống trờn bàn điều khiển.
97 4.2.1.2. Đo cỏc thụng số
Quỏ trỡnh đo và lấy số liệu chỉ được thực hiện khi cỏc giỏ trị đo được ổn định. Tiến hành đo tuần tự cỏc điểm làm việc kể từ điểm cú cột ỏp nhỏ nhất tới lớn nhất mà hệ thống đỏp ứng được và ngược lại.
Cỏc thụng số cần đo bao gồm:
- Áp suất tại cửa hỳt mỏy bơm Ph (bar) - Áp suất tại cửa đẩy mỏy bơm Px (bar)
- Lưu lượng mỏy bơm Q ( m3/s)
- Tốc độ quay n (v/ph)
- Momen trờn trục M (N.m)
- Cụng suất tiờu thụ N (KW)
4.2.2. Tớnh toỏn xử lý số liệu
Cỏc tớn hiệu đo được đưa về trung tõm mỏy tớnh để xử lý số liệu, tớnh toỏn cỏc