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 - 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.
70
Hỡnh 3.11. Mụ hỡnh tớnh trong phần mềm mụ phỏng CFX Cột ỏp thiết kế của bơm mụ hỡnh: Htk=2,348 m;
Hỡnh 3.12. Độ nhạy cảm của lưới
Dựa theo đồ thị trong hỡnh 3.10, khi số lưới của bỏnh cụng tỏc đạt 1.22ì106 đến 1.61ì106 thỡ cột ỏp của mỏy bơm tại điểm thiết kế thay đổi rất ớt (2% - 3%). Do đú, để giảm thời gian tớnh toỏn cũng như tài nguyờn tớnh toỏn ta chọn số lưới miền tớnh toỏn của hệ thống bơm là 1.22 ì106.
Trong đú:
71
Hỡnh 3.14. Tiờu chuẩn hội tụ mụ hỡnh lưới cấu trỳc
3.1.2.4. Tiến hành giải và xuất kết quả
Sau quỏ trỡnh giải, cỏc kết quả mụ phỏng thu được như sau: Bảng 3.1. Cỏc thụng số mụ phỏng tại điểm thiết kế
H
(m) (mQ 3/s) (kW) Ntr N (kW) tl Hiệu suất (%) 2.37 0.386 11.07 8.98 81.1
Trong đú: Giỏ trị cỏc thụng số H, Q, Ntr là cỏc kết quả cú được sau khi chạy bài toỏn mụ phỏng. Giỏ trị Ntl và Hiệu suất được tớnh theo cỏc cụng thức sau:
Ntl = 9.81*Q*H;
Hiệu suất = (Ntl/Ntr)*100%.
72 Hỡnh 3.16. Phõn bố vận tốc trờn mặt cắt dọc trục Hỡnh 3.17. Phõn bố ỏp suất trờn mặt cắt dọc trục Mặt bụng cỏnh Mặt lưng cỏnh Hỡnh 3.18. Phõn bố ỏp suất trờn cỏnh bỏnh cụng tỏc Mặt bụng cỏnh Mặt lưng cỏnh Hỡnh 3.19. Phõn bố bọt khớ trờn cỏnh bỏnh cụng tỏc
73 3.1.3. Phõn tớch kết quả mụ phỏng
- So sỏnh với thụng số thiết kế yờu cầu: Htk = 2,348m; Qtk = 0.386 m3/s, tại điểm Qtk ta nhận được kết quả mụ phỏng Htk-mp = 2,37m. Sai số cột ỏp tại điểm thiết kế là:
H/H = (2,37-2,348)/2,37 0,9%. Trong quỏ trỡnh mụ phỏng cú nhiều yếu tố mà chỳng ta khụng tớnh đến (hoặc khú tớnh đến) nờn sai số này là rất nhỏ và hoàn toàn chấp nhận được. Do đú kết quả mụ phỏng là tương đối sỏt với yờu cầu thiết kế và hoàn toàn tin cậy.
- Với kết quả phõn bố ỏp suất trờn bỏnh cụng tỏc ta cú thể dự đoỏn được những nơi cú khả năng xõm thực trước trờn bỏnh cụng tỏc (Hỡnh 3.18).
- Với kết quả phõn bố vận tốc gần tiết diện ngoài cựng của bỏnh cụng tỏc ta cú thể thấy cú xuất hiện xoỏy gõy cản dũng. Tuy nhiờn khụng xuất hiện những vựng xoỏy lớn gõy chốn dũng hay dũng chảy ngược tại khe hở đầu cỏnh (Hỡnh 3.15).
- Với kết quả phõn bố vận tốc tại mặt cắt ra, dễ dàng nhận thấy cú vựng xoỏy phớa sau cỏnh hướng. Do đú, ta cú thể lắp thờm ống bao quanh trục để giảm xoỏy tại đầu ra của bơm (Hỡnh 3.16).
- Với kết quả mụ phỏng xõm thực, ta cú thể nhận thấy tại điểm thiết kế khụng xảy ra xõm thực, khụng xuất hiện bọt khớ tại mộp vào cỏnh (Hỡnh 3.19).
Căn cứ vào kết quả mụ phỏng, tỏc giả đó hiệu chỉnh thiết kế như gúc ụm cỳt cong, độ loe vành ngoài cỏnh hướng, gúc cụn bầu cỏnh hướng và bổ sung ống lút trục quay nhằm tối ưu được thiết kế. Núi chung phần hiệu chỉnh chỉ tập trung hiệu chỉnh cỏc kết cấu trong hệ thống, cũn biờn dạng thủy lực cỏnh bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng là khụng thay đổi.
* Đỏnh giỏ độ tin cậy cỏc kết quả mụ phỏng:
Nhằm đỏnh giỏ cỏc kết quả và độ tin cậy của phương phỏp mụ phỏng để ỏp dụng cho cỏc nghiờn cứu tiếp theo, nhúm nghiờn cứu đó quyết định chế tạo bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh cỏnh trụ D340mm và tiến hành thực nghiệm trờn giỏ thớ nghiệm của Viện Bơm. Đõy chỉ là thớ nghiệm đối chứng để đỏnh giỏ kết quả mụ phỏng chứ chưa phải là phần nghiờn cứu thực nghiệm chớnh của luận ỏn.
Kết quả đo cỏc thụng số bơm mụ hỡnh cỏnh trụ D340 bằng thực nghiệm tại điểm thiết kế như sau:
Bảng 3.2. Cỏc thụng số thực nghiệm đối chứng kết quả mụ phỏng tại điểm thiết kế H
(m) (mQ 3/s) (kW) Ntr N (kW) tl Hiệu suất (%) 2.36 0.386 11.53 8.936 77.5
So sỏnh cỏc kết quả thu được, cú thể thấy rằng sự sai khỏc về giỏ trị hiệu suất của tổ bơm giữa mụ phỏng và thực nghiệm là: 81.1 - 77.5 = 3,6%. Với sai số tổng của phộp đo xấp xỉ 1% (phần sai số đo được trỡnh bày chi tiết trong chương 4), giỏ trị sai khỏc về kết quả giữa hiệu suất mụ phỏng và thực nghiệm sẽ trong khoảng 2,6% – 4,6%. Kết quả này cho thấy, việc mụ phỏng là tin cậy để tiếp tục triển khai những tớnh toỏn mụ phỏng trong cỏc nghiờn cứu tiếp theo. Kết quả đo cột ỏp tại điểm thiết kế của bơm mụ hỡnh là H = 2.360m. So với yờu cầu cột ỏp thiết kế là Htk = 2.348m thỡ kết quả này là hợp lý. Cụ thể sai số là 0.5 %.
74
Qua cỏc kết quả nghiờn cứu trờn cú thể kết luận, bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh được thiết kế đạt yờu cầu tại điểm thiết kế với việc hiệu chỉnh giảm 10% giỏ trị L/T từ mẫu bơm OП6. Chỳng ta hoàn toàn cú thể sử dụng kết quả thiết kế bơm mụ hỡnh này để ỏp dụng vào việc triển khai cỏc nghiờn cứu tiếp theo. Trong thực tế, từ kết quả bơm mụ hỡnh này, 8 tổ mỏy bơm nguyờn hỡnh đó được chế tạo, lắp đặt và vận hành thành cụng tại trạm bơm Phớ Xỏ, huyện Thanh Miện, tỉnh Hải Dương. Kết quả nghiờn cứu này cung cấp thờm một sản phẩm bơm hướng trục ns cao (1200 v/ph), bổ sung vào dóy gam bơm hướng trục được thiết kế, sản xuất ở nước ta nhằm đỏp ứng được nhu cầu cấp thiết hiện nay.
a) b)
Hỡnh 3.20: Một số hỡnh ảnh cỏc tổ mỏy bơm lắp đặt tại trạm bơm Phớ Xỏ, Hải Dương a) Bản vẽ mụ hỡnh mỏy bơm lắp đặt tại trạm;
b) Hỡnh ảnh thực tế cỏc tổ mỏy bơm đó lắp đặt tại trạm
3.2. Nghiờn cứu ảnh hưởng của gúc xoay cỏnh đến đặc tớnh xõm thực và hiệu suất của bơm hướng trục ns cao bằng mụ phỏng thực và hiệu suất của bơm hướng trục ns cao bằng mụ phỏng
Trờn cơ sở cỏnh trụ D340mm đó thiết kế và hiệu chỉnh ở giai đoạn 1 của Luận ỏn được nghiờn cứu ở mục 3.1, tiến hành tớnh toỏn đồng dạng cho bỏnh cụng tỏc cỏnh trụ đường kớnh D352mm, sau đú tiện cầu mặt ngoài bỏnh cụng tỏc với đường kớnh Dcầu352mm ta được bỏnh cụng tỏc cầu để nghiờn cứu. Nhờ bỏnh cụng tỏc cú mặt ngoài là mặt cầu và vỏ bỏnh cụng tỏc là vỏ cầu nờn cú thể thực hiện xoay cỏnh tại nhiều gúc khỏc nhau để thực hiện thớ nghiệm mà khụng bị va quệt và trở ngại gỡ khỏc.
Phần nghiờn cứu cỏnh xoay trải qua 2 bước chớnh:
- Thớ nghiệm trờn mụ hỡnh toỏn bằng phương phỏp mụ phỏng.
- Thớ nghiệm trờn mụ hỡnh vật lý là bơm mụ hỡnh cỏnh cầu lắp đặt trờn giỏ thớ nghiệm.
Trong phần này, chỳng ta sẽ nghiờn cứu trờn mụ hỡnh toỏn bằng phương phỏp mụ phỏng cỏc ảnh hưởng của gúc xoay cỏnh đến đặc tớnh xõm thực và hiệu suất của bơm hướng trục ns cao. Dựa vào cỏc kết quả mụ phỏng sẽ xõy dựng được cỏc đặc tớnh làm việc và đặc tớnh xõm thực, từ đú đưa ra đặc tớnh tổng hợp vận hành và vựng vận hành hiệu quả của bơm.
75
3.2.1. Mụ hỡnh tớnh và phương phỏp tớnh toỏn
3.2.1.1. Xõy dựng mụ hỡnh tớnh trờn Solidworks và chia lưới. a) Xõy dựng mụ hỡnh tớnh.
Sử dụng cỏc kết quả tớnh toỏn thiết kế bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh với phương ỏn cỏnh trụ D340mm. Áp dụng lý thuyết tương tự, tớnh đồng dạng cho cỏnh trụ D352mm, sau đú tiện cầu mặt ngoài để được bỏnh cụng tỏc cầu Dcầu352. Trong hệ thống thớ nghiệm, chỉ thay mới bỏnh cụng tỏc và vỏ buồng cầu của bỏnh cụng tỏc, tất cả cỏc chi tiết khỏc giữ nguyờn (kể cả cỏnh hướng) do phần trụ chuyển tiếp với phần cầu của vỏ buồng cầu ở hai đầu đều cú kớch thước D340mm (xem chi tiết bản vẽ thiết kế bộ dẫn dũng như trờn hỡnh 3.22) Cỏc thụng số thiết kế của cỏnh trụ mụ hỡnh D352mm: H=2,517m Q=0,4283 m3/s n=980 v/ph D=352mm ns=1172 v/ph.
Bản vẽ xõu cỏnh cầu D352mm của bơm mụ hỡnh như sau:
Hỡnh 3.21. Bản vẽ thiết kế cỏnh cụng tỏc mụ hỡnh Dcầu = 352mm trờn Solid Works Bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh của bộ dẫn dũng cỏnh cầu D352 trong hệ thống thớ nghiệm như sau:
BảN Vẽ CáNH CÔNG TáC MÔ HìNH Dcầu=352mm
70.4 96.8 123.2 149.6 176 Mộp vào Mộp ra 57 .9 4 31 .7 7 43 .7 5 28 .1 R 170 (tuong duong D340) ỉ 352 c?u 53 .4 5 29 .4 1 49 .9 6 28 .0 8 46 .6 3 28 .2 7 Mộp ra Mộp vào
76
Hỡnh 3.22. Bản vẽ thiết kế bộ dẫn dũng bơm mụ hỡnh Dcầu = 352mm
Mụ hỡnh tớnh toỏn 3D của bỏnh cụng tỏc D352 cầu trong hệ thống thớ nghiệm:
Hỡnh 3.23. Mụ hỡnh tớnh toỏn trong cụng cụ thiết kế mụ hỡnh (Design modler)
b) Chia lưới.
Phương phỏp chia lưới:
- Chia lưới trờn Anysis meshing kiểu Polyflow;
- Kớch thước (Infltation và Body sizing): Max là 15 mm, Min là 0.5 mm