Chương 3 .NGHIấN CỨU BẰNG Mễ PHỎNG
3.1.Nghiờn cứu thiết kế và lựa chọn mẫu bơm với ns cao và khảo sỏt đỏnh giỏ
sỏt đỏnh giỏ bằng mụ phỏng
3.1.1. Lựa chọn thụng số và thiết kế mẫu đặc trưng
Như đó trỡnh bày ở chương 2, mẫu bơm ns cao được lựa chọn để nghiờn cứu thiết kế là bơm hướng trục đặt ngang cú ns 1200 và đường kớnh bỏnh cụng tỏc là D=340mm.
Trong quỏ trỡnh thực hiện Luận ỏn, tỏc giả đang là chủ nhiệm thiết kế “Mỏy bơm hướng trục cột nước thấp cú ns cao cho trạm bơm Phớ Xỏ, tại huyện Thanh Miện, tỉnh Hải Dương” với cỏc thụng số như sau:
- Lưu lượng Q = 9050 m3/h = 2,514 m3/s - Cột ỏp H = 3,25 m
- Tốc độ quay n = 490 vũng/phỳt
- Đường kớnh bỏnh cụng tỏc D = 800 mm Số vũng quay đặc trưng của bơm là:
3/ 4 3/ 4 3, 65. . 3, 65.490. 9050 / 3600 1172 3, 25 s n Q n H v/ph
Số vũng quay đặc trưng ns của bơm nằm trong khoảng nghiờn cứu của Luận ỏn là (1000 – 1200)v/ph. Do đú, NCS đó lấy thụng số của bơm nguyờn hỡnh và sử dụng luật tương tự biến đổi để chuyển đổi về mụ hỡnh phự hợp với khả năng thớ nghiệm và hệ thống thử hiện cú đó lắp đặt sẵn tại Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi. Bơm mụ hỡnh này sẽ là bơm phục vụ cho thớ nghiệm, cung cấp số liệu và dữ liệu phục vụ cho nghiờn cứu thực nghiệm của Luận ỏn. Với đường kớnh bỏnh cụng tỏc mụ hỡnh thớ nghiệm là D=340mm, sử dụng luật tương tự, tớnh được cỏc thụng số của bơm mụ hỡnh thớ nghiệm là : Dm = 340 mm nm = 980 v/ph Hm = 3.25.(980/498)2.(340/800)2 = 2,348m Qm = 9050.(980/490).(340/800)3 = 1390 m3/h = 0.386 m3/s ns = 1172 v/ph
Trờn cơ sở cỏc kết quả tớnh toỏn thiết kế, NCS đó chế tạo bộ dẫn dũng gồm bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng dũng với thụng số thiết kế mụ hỡnh như trờn và tiến hành khảo nghiệm tại giỏ thớ nghiệm của Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi.
Cỏc dữ liệu tham khảo trong quỏ trỡnh tớnh toỏn bơm mụ hỡnh như sau: - Với cỏnh cụng tỏc:
+ Tham khảo mẫu OП6 của Liờn Xụ cũ với L/T giảm 10%, tỷ số bầu db = 0,415, số lỏ cỏnh Z = 3, chiều dày cỏnh cụng tỏc max theo nguyờn mẫu OП6.
+ Tham khảo qui luật đắp độ dày cỏnh theo mẫu profil VIGM-420 - Với cỏnh hướng dũng ra:
+ Tham khảo mẫu OП6 của Liờn Xụ cũ với L/T giữ nguyờn, chiều dày cỏnh hướng max theo nguyờn mẫu OП6, số lỏ cỏnh Z=8.
61
Quỏ trỡnh tớnh toỏn thiết kế, sử dụng phương phỏp phương trỡnh tớch phõn của Vozonhexenkin – Pờkin. Toàn bộ quỏ trỡnh tớnh toỏn được lập trỡnh trờn mỏy tớnh và cho ra cỏc kết quả là biờn dạng profil tại cỏc tiết diện tớnh toỏn.
3.1.1.1. Lập trỡnh tớnh toỏn theo phương phỏp Voznhexenski-Pekin
Chương trỡnh được viết bằng ngụn ngữ C++ gồm 4 chương trỡnh con: - Chương trỡnh 1: Tớnh toỏn thiết kế profin cỏnh
- Chương trỡnh 2: Vẽ cỏc profin và xõu cỏnh
- Chương trỡnh 3: Tớnh phõn bố vận tốc và ỏp suất trờn profil cỏnh. - Chương trỡnh 4: Vẽ biểu đồ phõn bố vận tốc và ỏp suất
Ưu điểm của chương trỡnh này là:
- Cú tớnh mở cao, cú thể viết thờm cỏc chương trỡnh con mà khụng ảnh hưởng tới chương trỡnh chớnh
- Giao diện thõn thiện, dễ sử dụng
- Cú thể vẽ ra profin cỏnh với đỳng tỷ lệ kớch thước thật (cú thể đưa bản vẽ đỳng tỷ lệ để đi làm mẫu cỏnh)
- Thời gian tớnh toỏn nhanh nờn cú thể tớnh toỏn nhiều phương ỏn
- Phương phỏp tớnh cú độ chớnh xỏc cao, chất lượng cỏnh tốt (đó sử dụng chương trỡnh này để thiết kế cỏc mẫu cỏnh và thử nghiệm)
Đõy là chương trỡnh tớnh toỏn thiết kế cỏnh bơm hướng trục hoàn thiện nhất tại Việt Nam, do Viện Bơm và Thiết bị thủy lợi nghiờn cứu và phỏt triển, giỳp rỳt ngắn thời gian từ khi tớnh toỏn đến khi đưa ra được sản phẩm cụ thể.
a) Sơ đồ khối tổng quỏt
62
63 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d) Chương trỡnh 3(CT3):
64
e) Chương trỡnh 4(CT4): Vẽ biểu đồ phõn bố vận tốc và ỏp suất
3.1.1.2. Một số kết quả tớnh toỏn thiết kế
Hỡnh 3.1. Bản vẽ thiết kế cỏnh cụng tỏc mụ hỡnh D340mm trờn Solid Works
70 93.5 119 144.5 170 Mộp vào Mộp ra 5 5 .9 6 3 0 .6 8 4 2 .2 6 2 7 .1 5 5 1 .6 2 2 8 .4 4 8 .2 6 2 7 .1 3 4 5 .0 4 2 7 .3 Mộp ra Mộp vào Bản vẽ cánh công tác mô hình D=340mm
65
Hỡnh 3.2. Bản vẽ mụ phỏng 3D bỏnh cụng tỏc bơm mụ hỡnh D340mm
Hỡnh 3.3. Bản vẽ thiết kế cỏnh hướng mụ hỡnh trờn Solid Works
Hỡnh 3.4. Bản vẽ mụ phỏng 3D cỏnh hướng bơm mụ hỡnh Mộp vào Mộp ra Mộp vào Mộp ra 70 175 122.5 94.81 148.75 1 11 .3 4 1 16 .8 3 1 23 .3 2 12 7 .8 1 1 3 3. 3 bản vẽ cánh hướng mô hình
66
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ 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
- 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
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