Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY CÓ TẠO BỌT
2.2 Các tham số đồng dạng sử dụng
Trong các nghiên cứu, các tham số chính ảnh hưởng đến giai đoạn hình thành bọt hơi (cavity) cho đến khi phát triển thành khoang hơi là các hệ số phụ thuộc vào áp suất, mật độ chất lỏng và vận tốc của dòng chảy. Đặc trưng nhất là số xâm thực, được xác định theo công thức (1.2) và hệ số áp lực tính theo công thức (1.3).
Số xâm thực (số cavitation) dùng để xác định áp lực dòng được đóng bởi hơi. Trong dòng chảy thực khi giảm đến giá trị nào đó thì xuất hiện các bọt hơi (gọi là thời kỳ đầu của bọt khí). Nếu tiếp tục giảm thì các bọt khí gia tăng về số lượng và kích thước của các bong bóng hơi [26].
Trước khi xuất hiện các bọt hơi, độ lớn của áp suất thấp nhất trong dòng chảy cho bởi giá trị tối thiểu của hệ số áp lực, . Đại lượng này là một số âm và có giá trị được ước tính từ công thức:
min min 2 1 2 P P P C V (2.1)
29
Khi bắt đầu xuất hiện các bọt hơi thì áp lực tối thiểu bằng áp suất hơi. Độ lớn của số xâm thực bằng với hệ số áp lực tối thiểu:
Có rất nhiều yếu tố làm thay đổi giá trị tới việc điều chỉnh triệt để . Rất nhiều các nghiên cứu đã tiến hành để tính số một cách chính xác. Một vài các yếu tố ảnh hưởng đến số xâm thực như:
- Sức căng bề mặt của chất lỏng làm cho bọt không thể xuất hiện cho đến khi áp suất giảm xuống dưới áp suất hơi.
- Trong thực tế các hạt nhân bọt hơi phải có một thời gian để tồn tại mới có thể phát triển thành các bong bóng hơi.
- Trong thực tế việc đo đạc tính toán giá trị hệ số áp lực nhỏ nhất là một giá trị trung bình. Nhiều dòng chảy trong thực tế là hỗn loạn, do đó các hạt nhân ở giữa các xoáy có áp suất dưới áp suất hơi ngay cả khi áp trung bình là lớn hơn áp suất hơi.
Tham số chính để xác định kích thước của khoang hơi là theo độ lớn của σ, có ba giai đoạn phát triển ứng với các độ lớn của được xác định dưới đây [23]: 1. Số cavitation lớn (1.1 σ 1.6): cavitation khởi đầu dạng bong bóng và kèm theo đó là những tiếng ồn của sự sụp đổ bong bóng, và thiết bị bị ăn mòn mạnh, có khả năng phá hủy vật liệu rắn như lưỡi, ốc vít, máy bơm và tuabin.
2. Số cavitation trung bình (0.5 σ 1.1): Một phần cavitation, trong thời gian này các bọt hơi phát triển bao một phần vật hình thành lên khoang hơi. Khoang hơi gây ra rung lắc ngẫu nhiên, biến động và không ổn định.
3. Số cavitation thấp (σ ≤ 0.39): cavitation phát triển đầy đủ hay gọi là supercavity, kích thước khoang vượt quá vật, bao trọn vật. Trong supercavity, các bong bóng dài hơn các đối tượng được bao quanh nên chỉ có phần đầu của vật tiếp xúc với chất lỏng.
Để biết khoang hơi hình thành khi nào và hình dạng của nó phụ thuộc vào các điều kiện gì, trong mục 2.3 sẽ tổng hợp lại một số cách tạo khoang hơi mà các nhà khoa học đã sử dụng để quan sát và dự đoán về hiện tượng này.
2.3 Các phƣơng pháp thực nghiệm nghiên cứu khoang hơi
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu khoang hơi bằng ống thủy động
Hầu hết mọi quan sát và đo đạc hiện tượng hình thành bọt hơi được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Các trường hợp ngoại lệ như phát triển của các kỹ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
30
thuật giám sát sự tạo bọt khí cho động lực học tua-bin. Thiết bị thí nghiệm điển hình là ống thủy động, được sử dụng cho một loạt các thử nghiệm về tạo bọt khí và nghiên cứu trong khoảng một thế kỷ qua. Đầu tiên được biết đến là do Parsons vào năm 1895. Kể từ thời điểm đó mô hình này đã được phát triển cả về kích thước và độ phức tạp. Các mô hình lớn nhất của loại hình này là kênh tạo bọt khí của Hải quân Mỹ [30].
Cấu tạo ống thủy động
Hình 2.1 Mô hình ống thủy động
Hệ thống gồm 26 phần chính được đánh số từ 0 25, và một máy bơm công suất lớn nhằm tạo dòng chảy có vận tốc đủ lớn để tạo khoang hơi.
0.Phần kiểm tra (Test section), nơi quan sát khoang hơi xung quanh vật.
Tiết diện có thể là hình bát giác, tứ giác được nối giữa hai bộ phận Contraction và Transition. Làm từ vật liệu trong suốt thuận tiện cho việc quan sát, có kích thước bằng phần thu nhỏ của Contraction nhằm duy trì vận tốc cao do Contraction tạo ra.
1. Transition, nối giữa test section và Diffuser
2. Diffuser, đầu vào nối với đầu ra của transition, có tác dụng làm phân tán
dòng chảy sau khi đi qua phần Test section, phân tán các bọt rối.
25. Contraction, Có tác dụng làm tăng vận tốc trước khi dòng đi vào phần
testsection, giảm rối, và tránh hiện tượng tách dòng lớp biên (separation). Mô hình như Hình 2.2
31
(a) Mô hình hình học (b) Mô hình mô phỏng Hình 2.2 Cấu tạo phần Contraction
22. Phần 22, đoạn được thiết lập làm cho dòng chảy phục hồi trở lại sau khi
đi qua các chỗ rẽ trước khi đi vào Honeycomb.
23. Honey comb, là một đoạn ống thẳng mặt trong có dạng tổ ong, có tác
dụng làm tiêu tan rối.
(a) Mô hình phác thảo (b) Honeycomb thực Hình 2.3 Cấu tạo phần Honeycomb
Các phần khác gồm 4 góc đổi hướng 4, 8, 16, 20 là các góc nối giữa hai đoạn ống nghiêng, phần 12 là đoạn ống khuếch tán nối tiếp sau đó là hai phần thẳng 13, 14.
Một số mô hình ống thủy động đã được sử dụng làm thí nghiệm như trong Hình 2.4 [2]. Mô hình này có kích thước xấp xỉ khoảng 10 tầng nhà, máy bơm tuần hoàn được hỗ trợ bởi một động cơ 14000 Hp (1Hp = 0.736 kW). Nhiều mô hình nhỏ hơn, phổ biến ở trong các phòng thí nghiệm, đặc biệt là tại các trường đại học. Ví dụ về một số mô hình nhỏ hơn được thể hiện trong các Hình 2.5, Hình 2.6.
32
Hình 2.4 Mô hình ống thủy động kích cỡ lớn của Hải quân Mỹ
Hình 2.5 SAFL ống thủy động tốc độ cao tại Đại học Minnesota
Hình 2.6 Ống thủy động Versuchsanstalt für Wasserbau (VAO), Obernach, Đức Vật kiểm tra được đặt cố định trong phần kiểm tra, một máy bơm công suất lớn được sử dụng nhằm tạo ra vận tốc dòng chảy lớn. Các phần co thắt của ống thủy động trước khi dòng chảy đi vào phần kiểm tra có tác dụng làm tăng tốc độ dòng chảy. Sao cho khi chất lỏng đi qua vật vận tốc dòng chảy là lớn nhất trong toàn miền và loại bỏ rối khi đi qua phần Honeycomd. Các thống kê số liệu so sánh giữa các mô hình ống thủy động và phương pháp phóng vật thể hiện trong Bảng 2.1.
33
Ưu điểm của phương pháp này là kiểm soát được vận tốc. Mặt khác nhược điểm là khá cồng kềnh và phức tạp, kinh phí tốn kém, khó nghiên cứu được trong phòng thí nghiệm nhỏ, phải sử dụng máy bơm công suất lớn và vật thể chỉ gắn cố định.
2.3.2 Phương pháp nghiên cứu khoang hơi bằng thuật phóng ngoài
Các mô hình bắn vật chưa được áp dụng nhiều do quá trình hình thành khoang hơi diễn ra nhanh và ngắn rất khó trong việc quan sát. Một nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các chất phụ gia làm giảm cản rối đến hình dạng, kích thước và thời gian duy trì khoang hơi của một vật chuyển động trong chất lỏng cụ thể ở đây là viên đạn [14].
Mô hình thí nghiệm được xây dựng như Hình 2.7 bởi Chen-Xing Jiang 2014 [14]:
Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm bắn vật từ trên xuống
Mô hình thí nghiệm được thiết kế phục vụ cho việc kiểm tra gồm các phần: 1. Thiết bị bắn viên đạn từ trên xuống 2. Bình chứa khí nén 3. Bể chứa 30x30x120 cm 4. Máy ảnh 5. Máy tính
Mực nước trong bể là 1m, với các điểm để quan sát được đánh dấu như trên hình vẽ, bể trong suốt tiện cho việc quan sát. Camera ghi hình ảnh khoang hơi bao quanh viên đạn dọc theo trục của viên đạn tại 3 điểm (điểm thứ nhất tại mặt thoáng của chất lỏng để quan sát chuyển động đi vào nước của viên đạn, điểm thứ 2 ở giữa để quan sát khoang hơi khi phát triển đầy đủ, điểm thứ 3 ở cuối bể quan sát sự phá hủy của khoang hơi). Viên đạn có hình trụ tròn bán kính 7mm, dài 30 mm đầu phẳng được bắn ra do khí nén ở áp suất 0 0.85 MPa. Máy ảnh được cài đặt ghi 638 hình/s, thời gian giữa hai hình là 1.56 ms, độ phân giải
34
240x1016 pixels. Chất lỏng làm việc thực hiện trong 4 trường hợp nước, nước có pha chất làm giảm cản rối CTAC (cetyltrimethyl ammonium chloride) khối lượng phân tử 320 g/mol và NaSal (Sodium Salicylate) khối lượng phân tử 160.1 g/mol. Với các tỷ lệ lần lượt 100, 500, 1000 ppm. Nghiên cứu này đã quan sát được khoang hơi. Đưa ra các công thức xác định kích thước khoang hơi theo số xâm thực trong các trường hợp có pha chất giảm cản rối. Khi chất lỏng có pha thêm chất giảm cản rối kích thước khoang hơi lớn hơn và vận tốc vật đạt được cao hơn.
Bảng 2.1 Bảng thống kê số liệu các phương pháp tạo khoang hơi đã đạt được (Dấu “-“ là các số liệu chưa được cung cấp)
Tên mô hình Kich
thước Phần kiểm tra
Vận tốc (Max) Khác OTĐ US Navy 10 tầng 16 m/s Công suất máy bơm 14000 hp OTĐ SAFL - 30 m/s 150 hp OTĐ VAO, Đức - 16 m/s - OTĐ
Australia - 12 m/s Áp suất max
400 kPa Phóng vật - 28.4 m/s 850 kPa
Mô hình nghiên cứu khoang hơi bằng ống thủy động là mô hình cổ điển nhất, có lợi thế là chủ động điều chỉnh các tham số như áp suất, vận tốc nhưng khó thực hiện với quy mô nhỏ như phòng thí nghiệm. Kinh phí khá tốn kém, thiết kế phức tạp và khó tạo được vận tốc lớn. Hơn nữa, ống thủy động chỉ nghiên cứu vật ở trạng thái đứng yên không quan sát được quỹ đạo chuyển động của vật. Mặt khác, mô hình phóng vật có khả năng làm với mô hình nhỏ, nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm. Có khả năng quan sát cả quỹ đạo chuyển động của vật, từ đó điều chỉnh hướng chuyển động của thiết bị theo ý muốn. Khi không xét đến lực trọng trường tác dụng lên thiết bị. Đề tài lựa chọn mô hình phóng vật theo phương ngang trong môi trường chất lỏng là nước.
35
2.4 Đo đạc khoang hơi sử dụng phƣơng pháp quang học
Đo đạc khoang hơi sử dụng phương pháp quang học là phương pháp quan sát trực quan. Được thực hiện bằng cách dùng máy quay tốc độ cao để ghi lại hình ảnh vật đang chuyển động có tạo khoang hơi trong nước. Do tính phức tạp của dòng bọt khí chủ yếu ba chiều, mất ổn định, hai pha rối. Nên máy quay phải đạt các tiêu chuẩn về tốc độ khung hình (tốc độ màn trập) bắt dính được chuyển động của vật. Tốc độ màn trập nhanh có thể “đóng băng mọi chuyển động”, và điều này là hữu ích khi ta ghi hình các đối tượng chuyển động nhanh. Tốc độ màn trập nhanh cũng giúp bức ảnh thu được không bị mờ nhòe. Chất lỏng được chiếu sáng bằng đèn flash sao cho nhìn thấy khoang hơi ở trạng thái rõ nhất.
Đối với dòng có tạo khoang mật độ chất lỏng trong toàn miền là không đồng nhất. Khi được chiếu sáng sẽ hấp thụ ánh sáng khác nhau. Camera ghi lại các hình ảnh có thể phân biệt rõ vùng hơi và vùng chất lỏng bằng trực quan. Các kỹ thuật tiến hành thí nghiệm độ phân giải về không gian và thời gian là mấu chốt. Thời gian ghi hình có thể đạt được do thời gian chiếu sáng rất ngắn trong một môi trường tối. Kết quả thu được tốt bằng cách cho thời gian của đèn flash hoạt động (cỡ 3μs). Một lựa chọn khác là sử dụng máy ảnh có số lần màn trập rất ngắn, có hỗ trợ của các thiết bị máy móc hoặc điện tử, chẳng hạn như muốn có tốc độ cao bổ sung oxit kim loại-bán dẫn (CMOS) – máy ảnh chiếu sáng liên tục. Tốc độ màn trập được cho là nhanh thường từ 1/125 giây trở xuống, chẳng hạn như 1/250 hay 1/500 giây (mẫu số càng lớn, tốc độ càng nhanh). Mặt khác, tốc độ màn trập được cho là chậm khi nó đóng mở trong vòng 1/30 giây hoặc lâu hơn, chẳng hạn 1/15 hay 1/8 giây. Ngày nay với sự phát triển của máy ảnh kỹ thuật số, máy quay phim có tốc độ ghi hình rất cao. Các thiết bị thương mại có tốc độ khung hình cao như 250.000 khung hình/s. Một số phòng thí nghiệm được trang bị camera đặc biệt có tốc độ khung hình lên đến 2.000.000 khung hình/s.
Camera là công cụ quan trọng trong việc quan sát các chuyển động đặc biệt là sự xuất hiện rất nhanh của khoang hơi. Mặt khác các máy camera có độ phân giải về không gian nên có thể quan sát tất cả các trường hợp của bọt khí.
Hệ thống quan sát khoang hơi bằng phương pháp quang học được bố như Hình 2.8.
36
Hình 2.8 Sơ đồ quan sát khoang hơi bằng phương pháp quang học
Do miền quan sát là dòng hai pha khí – nước, hệ thống sử dụng đèn chiếu sáng để camera thu được hình ảnh pha khí rõ nét nhất. Camera đặt thẳng góc với phương ngang.
Nghiên cứu sử dụng một máy quay GC PX1, có tốc độ màn trập trong khoảng (1/60s đến 1/4000s). Với tốc độ 1/60s có thể chụp bắt được một xe địa hình đang di chuyển gần ống kính, tốc độ 1/4000s có thể đóng băng mọi chuyển động. Khung hình được thiết lập full HD có độ phân giải 1920 × 1080 điểm ảnh, với tỷ lệ khung khung hình 16:9
Trang thiết bị và dụng cụ trình bày cụ thể trong mục 3.3 của Chương 3. Video ghi lại được phân tách thành các ảnh riêng biệt bằng công cụ Free Video to JPG converter. Từ các ảnh riêng biệt, sử dụng công cụ phân tích ảnh ImageJ để xác định vận tốc trung bình, kích thước khoang hơi và quỹ đạo chuyển động của vật. Để biết phân tích cụ thể như nào chi tiết mục 2.5 sẽ mô tả cụ thể từng bước xử lý từng ảnh.
2.5 Phân tích ảnh sử dụng phần mềm ImageJ
ImageJ là phần mềm xử lý ảnh, phần mềm này có thể chạy trực tuyến hoặc cũng có thể chạy như một ứng dụng download về được, trên bất kỳ máy tính nào có Java 1.1 hoặc máy tính ảo. ImageJ có thể hiển thị, chỉnh sửa, phân tích, xử lý, lưu lại và in ảnh theo 8-bit, 16-bit và 32-bit. Bên cạnh đó, phần mềm này còn có thể đọc bất kì định dạng ảnh nào, bao gồm TIFF, GIF, JPEG, BMP, DICOM, FITS và RAW. Nó hỗ trợ "stacks", một tập hợp các bức ảnh chia sẻ một cửa sổ đơn. Bên cạnh đó, phần mềm này có thể đa đọc, giúp tiết kiệm thời gian có thể đọc file ảnh song song với các hoạt động khác. Nó cũng có thể tính toán khu vực và thông số giá trị pixel của một lựa chọn nào đó do người dùng xác nhận, tính
37
toán khoảng cách và các góc, tạo biểu đồ mật độ và các điểm profile. Ngoài ra, phần mềm hỗ trợ các chức năng chỉnh sửa ảnh chuẩn, ví như vận dụng tương phản, độ sắc nét, mượt, dò tìm góc cạnh, lọc trung tuyến. Các bức ảnh có thể phóng to lên tới 32:1 và giảm xuống 1:32. Tất cả các chức năng phân tích và xử lý đều được hỗ trợ. Phần mềm còn hỗ trợ số lượng ảnh lớn, chỉ bị hạn chế bởi bộ nhớ trong của máy tính [33].
Hình 2.9 Giao diện làm việc của phần mềm xử lý ảnh ImageJ
Các đoạn phim ghi lại được tách thành từng ảnh bằng phần mềm Free Video to
JPG converter. Hình 2.10 là các ảnh được tách từ một Video thu được, với vận