3.3 Cỏc điều kiện biờn
Hỡnh 3.3 mụ tả điều kiện biờn được ỏp đặt cho bài toỏn mụ phỏng dũng qua PaT hoạt động ở chế độ bơm và tuabin. Điều kiện biờn “velocity inlet” được sử dụng tại cửa vào của ống hỳt (chế độ bơm) và cửa vào của buồng xoắn (chế độ tuabin). Điều kiện biờn “pressure outlet” được sử dụng tại cửa vào của buồng xoắn (chế độ bơm) và cửa vào của ống hỳt (chế độ tuabin) với ỏp suất tĩnh được ỏp đặt bằng khụng (P = 0Pa). Điều kiện biờn lăn khụng trượt được ỏp đặt tại cỏc tường rắn và hàm biờn rắn tiờu chuẩn (standard wall function) được sử dụng để tớnh toỏn năng lượng động năng dũng rối và tần số tiờu tỏn dũng rối tại biờn tường rắn. Sự quay của vựng bỏnh cụng tỏc được ỏp đặt bằng phương phỏp MRF (Mutiple Reference Frame). Dũng rối được mụ hỡnh bởi mụ hỡnh rối tiờu chuẩn k-ε. Giỏ trị cường độ rối và đường kớnh thủy lực của bỏnh cụng tỏc lần lượt là 5% và D. Liờn kết vận tốc – ỏp suất được giải thụng qua
thuật toỏn SIMPLE. Hạng tử đối lưu được xấp xỉ bởi sai phõn tiến (upwind), và hạng tử khuếch tỏn được xấp xỉ bởi sai phõn trung tõm bậc 2. Số vũng quay đồng bộ trong cả hai chế độ đều là 600 vũng/ phỳt.
a. Chế độ bơm b. Chế độ tuabin Hỡnh 3.3 Điều kiện biờn cho mụ phỏng PaT
3.4 Cỏc kết quả trong chế độ bơm
Hỡnh 3.4 (a) Sự phõn bố đường dũng trong vùng bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng. Sự phõn bố vận tốc tại một mỏng dẫn của vựng bỏnh cụng tỏc
Hỡnh 3.4 thể hiện sự phõn bố ba chiều của cỏc đường dũng chất lỏng chảy từ phần lưới cỏnh của bỏnh cụng tỏc sang vựng cỏnh hướng. Nhỡn tổng thể, sự phõn bố cho thấy cỏc đường dũng bỏm tốt theo biờn dạng cỏnh và khụng xuất hiện dũng quẩn hay tỏch thành. Điều này chứng tỏ, tại điểm lưu lượng thiết kế Qtk, PaT khi hoạt động ở chế độ bơm cho chế độ dũng chảy rất tốt.
Để thấy rừ hơn sự phõn bố vận tốc tại vựng bỏnh cụng tỏc, chỳng ta sử dụng mặt cắt vuụng gúc với trục tại ba vị trớ dọc theo bề rộng của lưới cỏnh bỏnh cụng tỏc (tớnh từ đĩa sau bỏnh cụng tỏc): vị trớ 20%, 50% và 80% bề rộng của lưới cỏnh (hay được
Cửa vào Cửa ra Mặt phõn cỏch Cửa vào Cửa ra Buồng xoắn
gọi là bề rộng cỏnh bỏnh cụng tỏc). Sau đú trải cỏc mặt lờn mặt phẳng và thể hiện trường vộctơ vận tốc trờn cỏc mặt cắt đú (như được thấy trờn hỡnh3. 5).
(a) 20% bề rộng cỏnh (b)50% bề rộng cỏnh (c)80% bề rộng cỏnh
Hỡnh 3.5 Sự phõn bố vận tốc tại cỏc mặt cắt dọc theo bề rộng cỏnh trong vựng bỏnh cụng tỏc
Hỡnh 3.6 Sự phõn bố ỏp suất dọc theo biờn dạng cỏnh tại cỏc mặt cắt dọc theo bề rộng cỏnh trong vựng bỏnh cụng tỏc. s và c lần lượt là tọa độ cong (từ đầu biờn dạng) và c là
chiều dài dõy cung của biờn dạng
Chỳng ta thấy tại mặt cắt trung bỡnh (50% bề rộng cỏnh, hỡnh 3.5b) cỏc vộc tơ vận tốc trong vựng lưới cỏnh đều cú hướng về phớa vựng cỏnh hướng (nằm phớa bờn phải lưới cỏnh) và khụng xuất hiện bất cứ vộc tơ vận tốc nào chuyển động ngược lại. Điều đú chứng tỏ dũng chảy trong vựng bỏnh cụng tỏc là rất tốt tại vựng trung gian này. Tuy nhiờn tại hai mặt cắt cũn lại (phớa gần đĩa sau, 20% bề rộng cỏnh, Hỡnh 3.5a; và phớa gần đĩa trước, 80% bề rộng cỏnh, hỡnh 3.5c) cú sự xỏo động về trường vộctơ vận tốc gần biờn dạng cỏnh mà tại đú xuất hiện dũng quẩn. Điều này cú thể hiểu được vỡ hai mặt cắt này gần đĩa trước và đĩa sau của bỏnh cụng tỏc và do đú chịu tỏc động của điều kiện biờn tại hai đĩa này dẫn đến hỡnh thành dũng quẩn nhỏ như được thấy trờn hỡnh 3.5a và c. Tuy nhiờn tỏc động là nhỏ như được thấy trờn hỡnh 3.6. Với sự phõn bố của ỏp suất dọc theo biờn dạng cỏnh tại cỏc mặt cắt tương ứng. Do bụng cỏnh đẩy chất lỏng nờn ỏp suất phần bụng cỏnh cao hơn ỏp suất phần lưng cỏnh. Phõn bố trường ỏp suất trờn lưng và bụng cỏnh cho thấy khụng cú vựng ỏp cao trờn lưng cỏnh do tỏc dụng của dũng chất lỏng bị đẩy bởi cỏnh tiếp sau. Nghĩa là dũng chảy khụng bị cản
trở bởi hiện tượng chờm cỏnh nờn chất lượng động lực học là tốt. Tuy nhiờn ở phớa gần mộp ra, ỏp suất phần lưng cỏnh lại cao hơn ỏp suất phần bụng cỏnh. Điều này cú hiểu được vỡ đõy là vựng mà dũng chảy đang dần chuyển sang phần cỏnh hướng. Và do tỏc động của cỏnh hướng, ỏp suất bị đẩy lờn cao (hỡnh 3.6). Điều này cũng giải thớch tại sao thường xuất hiện dũng quẩn tại khu vực khụng cỏnh giữa bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng [58].
Hỡnh 3.7 thể hiện phõn bố ỏp suất dọc theo mỏng cỏnh và trong cả bỏnh cụng tỏc. Kết quả cho thấy sự phõn bố trường ỏp suất trờn mặt lưng và bụng cỏnh tốt để tạo lực nõng, bụng cỏnh đẩy chất lỏng ỏp suất cao.Trờn phõn bố trường ỏp suất lưng và bụng cỏnh cú thể thấy khụng cú vựng ỏp cao trờn lưng cỏnh do tỏc dụng của dũng chất lỏng bị đẩy bởi cỏnh tiếp sau. Nghĩa là dũng chảy khụng bị cản trở bởi hiện tượng chờm cỏnh nờn cho chất lượng động lực học tốt.
Hỡnh 3.7 Sự phõn bố ỏp suất tại mặt cắt 50% bề rộng cỏnh cho vựng bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng. Ps là ỏp suất tĩnh.
Hỡnh 3.8 cho thấy phõn bố và giỏ trị vận tốc của cỏc thành phần vận tốc W và Cm
và hỡnh 3.9 thể hiện chi tiết phõn bố vộctơ của dũng chảy trong khu vực cỏnh hướng. Kết quả cho thấy vận tốc tương đối lớn nhất đạt 6,8m/s và vận tốc kinh tuyến đạt 2,2m/s trong vựng cỏnh bỏnh cụng tỏc. So sỏnh với cỏc nghiờn cứu của [58, 59] cho thấy phõn bố vận tốc trong mỏng cỏnh của nghiờn cứu là hợp lý. Khụng giống như hoạt động tuabin, bơm khụng được thiết kế với cỏc cỏnh hướng để điều chỉnh chế độ dũng chảy vào bỏnh cụng tỏc. Trong cỏc điều kiện lồng tốc hoặc hoạt động ngoài điểm thiết kế, thành phần vận tốc tương đối (cm) trở nờn mạnh hơn tại vựng mộp vào
cỏnh, tạo nờn “vũng nước” và ngăn cản dũng chảy giữa bỏnh cụng tỏc và cỏnh hướng. Tương tự, trong tài liệu tham khảo [24, 60], cỏc tỏc giả đó dự đoỏn dũng khụng ổn định trong vựng hỡnh chữ S, và cho thấy rằng cỏc xoỏy cục bộ trong mỏng dẫn bỏnh cụng tỏc và kộo theo dũng chảy bờn ngoài bỏnh cụng tỏc trong vựng khụng cỏnh là
nguồn tạo nờn sự khụng ổn định. Và đõy là một trong những lý do quan trọng dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của mỏy trong những vựng xa ngoài điểm thiết kế.
Hỡnh 3.8 Phõn bố cỏc thành vận tốc W và Cm dọc theo mỏng cỏnh tại vị trớ lỏt cắt trung bỡnh 50% tại điểm thiết kế
Hỡnh 3.9 Trường dũng chảy qua khu vực cỏnh hướng và cột trụ
(a) Phõn bố đường dũng (b) Phõn bố ỏp suất
Bờn cạnh đú, khi bơm hoạt động ở chế độ tuabin, dũng chảy bị đổi chiều; do đú, hỡnh dạng và phõn bố tổn thất cũng trở nờn khỏc khi ở chế độ bơm. Trong chế độ nghịch của PaT, tổn thất cú thể được phõn loại theo ảnh hưởng của nú lờn cỏc đường đặc tớnh năng lượng của bơm và tuabin. Một vài nghiờn cứu đó được thực hiện để đỏnh giỏ sự phõn bố tổn thất tại cỏc vựng khỏc nhau (vớ dụ, [32, 61]). Cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy tổn thất trong vựng bỏnh cụng tỏc và vựng buồng xoaắn chiếm tỉ trọng lớn, trong khi tổn thất trong phần ống hỳt ra phụ thuộc vào điều kiện dũng chảy, giỏ trị của nú nhỏ và cú thể bỏ qua.
Hỡnh 3.10 cho chỳng ta thấy hỡnh ảnh tổng thể về dũng chất lỏng chuyển động cũng như phõn bố ỏp suất trong hệ thống tại lưu lượng thiết kế. Nhỡn chung, phõn bố vận tốc tốt, dũng bao cỏnh ổn định và khụng cú xoỏy. Đường dũng phõn bố mượt từ vựng bỏnh cụng tỏc đến vựng buồng xoắn. Độ lớn vận tốc phõn bố ổn định, khụng xuất hiện cỏc giỏ trị cục bộ bất thường (như quỏ cao hoặc quỏ thấp). Theo đú, trường ỏp suất phõn bố hài hũa giữa cỏc vựng. Như vậy, với lưu lượng thiết kế dũng bao cỏnh ổn định, chất lượng thủy lực tốt và khụng cú xoỏy. Do đú, hệ thống hoạt động tốt và cho hiệu suất cao.
Hỡnh 3.11 Đặc tớnh năng lượng của PaT ở chế độ bơm
Hỡnh 3.11 cho thấy sự thay đổi cột ỏp H, cụng suất P và hiệu suất của hệ thống
theo lưu lượng. Chỳng ta cú thể thấy tại điểm thiết kế (Qtk=220m3/h), hiệu suất trong vựng giỏ trị cao nhất (hiệu suất đạt giỏ trị cao nhất tại cỏc điểm nằm trong khoảng 95% đến 110% của lưu lượng thiết kế). Điều này chứng tỏ điểm thiết kế ở đõy là phự hợp và là một lựa chọn tốt. Về cột nước, tại điểm thiết kế (Qtk=220m3/h), cột nước đạt 10,2m, cao hơn một chỳt so với thụng số thiết kế của bơm ban đầu. Cụng suất yờu cầu tại điểm thiết kế là P = 6,37kw.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 40 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 P ( K W ); H ( m ) η (% ) Q (m3/h) ηCFD HCFD PCFD
3.5 Kết quả trong chế độ tuabin
Hỡnh 3.12 Phõn bố ỏp suất dọc theo lỏ cỏnh và trong hệ thống tuabin
Hỡnh 3.12 thể hiện phõn bố ỏp suất tĩnh dọc theo cỏc bộ phận qua nước của tuabin và trong mỏng cỏnh. Nhỡn chung, phõn bố ỏp suất trong vựng BCT là tương đối đều, chỉ cú vựng mộp vào cột trụ với buồng xoắn cú sự va đập của dũng chảy dẫn đến hỡnh thành một vựng ỏp suất tăng cục bộ. Khi vận hành ở vựng thiết kế, phõn bố ỏp suất trong BCT khỏ đều và đối xứng với sự giảm dần từ cỏc ỏp suất cao (màu đỏ cam) tại đầu vào trong bỏnh cụng tỏc đến ỏp suất thấp (màu xanh) tại đầu ra (miệng hỳt) của bỏnh cụng tỏc. Tại đầu vào của bỏnh cụng tỏc, giỏ trị ỏp suất trung bỡnh P2 =100690Pa
và ỏp suất trung bỡnh tại mặt cắt cửa ra P1=7417Pa. Khi vận hành ngoài vựng thiết
kế, ỏp suất phõn bố trờn vựng BCT cú phần khụng đồng đều, nguyờn nhõn chủ yếu là do tớnh tương thớch của biờn dạng buồng xoắn với lưu lượng.
Hỡnh 3.13 Phõn bố đường dũng trong hệ thống tuabin
Hỡnh 3.13 và hỡnh 3.14 thể hiện phõn bố vận tốc và trường dũng trong cả hệ thống PaT tại lưu lượng thiết kế. Kết quả cho thấy dũng chảy thuận, khụng cú đột biến,
khụng tạo xoỏy, dũng chảy đi vào và đi ra thuận, vận tốc tăng dần theo chiều dũng chảy cho thấy sự biến đổi dần năng lượng từ thế năng sang động năng trờn bề mặt lỏ cỏnh. Kết quả phõn bố cho thấy vận tốc trong khu buồng xoắn khỏ lớn, đạt xấp xỉ 8m/s. Trong vựng bỏnh cụng tỏc, độ lớn vận tốc tuyệt đối cao nhất tại đầu vào là 9,5m/s và tại đầu ra là 3,4m/s. So sỏnh phõn bố vận tốc trong cỏc chế độ vận hành với lưu lượng thấp và cao. Kết quả cho thấy trong vựng lưu lượng thấp xuất hiện xoỏy qua cỏc vựng cỏnh hướng và cột trụ trong khi tại vựng lưu lượng cao, dũng bị tỏch thành. Chớnh điều này làm tăng tổn thất và dẫn đến hiệu suất bị suy giảm.
Hỡnh 3.14 Phõn bố đường dũng và vận tốc trong mỏng cỏnh BCT và cỏnh van tuabin
Hỡnh 3.15 Phõn bố chi tiết vộctơ vận tốc tại lối ra của chế độ tuabin
Hỡnh 3.15 thể hiện chi tiết vộc tơ vận tốc tại vị trớ cửa ra của bỏnh cụng tỏc. Như cú thể thấy, dũng chảy ra rất thuận, khụng bị va đập hoặc xoỏy. Hỡnh 3.16 thể hiện phõn bố của ỏp suất dọc theo biờn dạng cỏnh tại cỏc mặt cắt 50% bề rộng cỏnh. Áp suất phõn bố đều trờn mặt lưng và bụng cỏnh, ỏp suất phớa lưng lớn hơn phớa bụng đảm bảo sự chờnh lệch ỏp tạo mụmen quay cho từng lỏ cỏnh, trờn toàn bộ bề mặt cỏnh khụng sinh ra ỏp suất bóo hồ, chờnh lệch ỏp suất bụng và lưng lớn nhất ở vị trớ gần giữ cỏnh (khoảng 35% đến 55%) tớnh từ mộp vào theo chiều dũng chảy tuabin. So
với phõn bố của bơm thỡ phõn bố ỏp suất dọc theo lỏ cỏnh của tuabin tốt hơn, đặc biệt là tại hai vị trớ mộp vào và mộp ra của bỏnh cụng tỏc.
Hỡnh 3.16 Phõn bố ỏp suất (tải trọng cỏnh) dọc theo lỏ cỏnh
Hỡnh 3.17 Đặc tớnh năng lượng của PaT ở chế độ tuabin
Hỡnh 3.17 cho thấy sự thay đổi cột ỏp H, cụng suất P và hiệu suất của hệ thống
theo lưu lượng trong chế độ tuabin. Chỳng ta cú thể thấy tại điểm BEP (Qtk=320m3/h), hiệu suất đạt 74,2%, cột nước phỏt điện đạt 9,6m và phỏt được P = 6,2kw điện.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 180 210 240 270 300 330 360 390 P (K w ); H (m ) η (% ) Q(m3/h) PCFD HCFD ηCFD Lưng cỏnh Bụng cỏnh
3.6 Đỏnh giỏ phõn bố tổn thất trong chế độ bơm và tuabin
Hỡnh 3.18a so sỏnh phõn bố tổn thất trong cỏc khối vựng khỏc nhau trong vận hành bơm và tuabin. Năm thành phần tổn thất bao gồm tổn thất thủy lực trong buồng xoắn (hcas), khối van (hvan), khoảng trống (hspa) (khoảng trống giữa cỏc khối), bỏnh cụng
tỏc (him), và ống hỳt (hdr) được thể hiện. Kết quả cho thấy tụn thất thủy lực bỏnh cụng tỏc và tổn thất thủy lực cỏnh hướng chiếm tỷ lệ lớn. Hiệu suất cao nhất của bơm đạt được khi tổn thất thủy lực trong bỏnh cụng tỏc trong vựng là nhỏ nhất. Ngoài ra, sự phõn bố tổn thất trong cỏc khu vực cũn lại cho thấy một xu hướng tăng ổn định theo lưu lượng.
a) Đỏnh giỏ tổn thất qua cỏc khối vùng
b) Tỷ lệ phõn bố tổn thất trong tại điểm thiết kế
Hỡnh 3.18 Đỏnh giỏ tổn thất trong chế độ bơm
a) Đỏnh giỏ tổn thất qua cỏc khối vùng
b) Tỷ lệ phõn bố tổn thất trong tại điểm thiết kế
Hỡnh 3.19 Đỏnh giỏ tổn thất trong chế độ tuabin
Trong vận hành bơm: Hỡnh 3.18 so sỏnh tỷ lệ tổn thất của cỏc vựng đú tại điểm
thiết kế. Kết quả cho thấy tổn thất trong vựng bỏnh cụng tỏc là lớn nhất, chiếm gần
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 h (m ) q = Q/QBEP h-im h-cas h-spa h-van h-dr h-Sum 56.20 5.54 4.21 18.56 12.87 2.63
h-im h-cas h-spa h-van h-dr h- Leg Đơn vị 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 h (m ) q = Q/ QBEP
h-im h-cas h-spa
h-van h-dr h-Sum 59.13 11.69 6.74 7.92 11.31 3.20
h-im h-cas h-spa h-van h-dr h- Leg
56,2%, tiếp sau là cỏnh hướng và ống hỳt với 18,56% và 12,87%. Tổn thất rũ rỉ chiếm tỷ lệ thấp nhất với 2,63%. Những kết quả này là tương đối phự hợp với kết quả cụng bố của Rawal và Kshirsagar [18], Li [61] và Yang [62].
Trong vận hành tuabin: Tương tự như vận hành bơm, hỡnh 3.19 đưa ra cỏc kết quả so sỏnh tổn thất trong cỏc khối vựng theo sự thay đổi của lưu lượng và tại điểm thiết kế. Tỷ lệ tổn thất thủy lực của bỏnh cụng tỏc vẫn chiếm tỷ lệ nhiều nhất là 59,13%, sau đú là vựng buồng xoắn với 11,69%.
Hỡnh 3.20 so sỏnh tỷ lệ phõn bố tổn thất qua cỏc khối vựng trong vận hành bơm và tuabin. Nhỡn chung cho thấy tổn thất thủy lực trong vựng bỏnh cụng tỏc là lớn nhất, chiếm hơn 50% trong cả vận hành bơm và tuabin. Trong chế độ bơm, tổn thất bỏnh cụng tỏc là lớn nhất với 56,2%, sau đú là tổn thất trong vựng van (18,6%), vựng ống hỳt là 12,9%. Trong chế độ tuabin, sau tổn thất vựng BCT là lớn nhất với 59,13% lại là vựng buồng xoắn với 11,69%. Vựng van chỉ chiếm 7,92% thấp hơn nhiều so với vận hành bơm (18,6%). Tổn thất rũ rỉ trong hai mụ hỡnh là xấp xỉ nhau và cựng chiếm tỷ lệ nhỏ nhất.