5.1.1. Mục đích và yêu cầu thí nghiệm
Thí nghiệm mô hình dòng chảy qua cánh nhằm khảo sát định tính hiện tượng chuyển động của lưu chất qua vật thể. Thí nghiệm giúp sinh viên có được cái nhìn trực quan, từ đó hiểu biết sâu sắc hơn về các vấn đề quan trọng của thủy động lực học: lớp biên, sự tách rời lớp biên, sự hình thành xoáy do tách rời lớp biên …
5.1.2. Công cụ và thiết bị thí nghiệm cần chuẩn bị
- Kênh nước và các thiết bị thí nghiệm sau khi được chế tạo có cấu tạo như hình 5.1. Hình 5.1: Tổng thể mô hình thiết kế Khu vực tiến hành thí nghiệm Hạ lưu Thượng lưu Bơm hút và cấp tuần hoàn
Kênh nước có kích thước phần thí nghiệm: B x H x L = 20x20x75cm
Hệ thống tạo tia màu : hệ thống tạo tia màu gồm 5 bình chứa mực được nối với 5 ổng dẩn bằng đồng có đường kính d = 3mm.
Hình 5.2: Hệ thống tạo tia màu
Vật thể được sử dụng chủ yếu là cánh NACA với biên dạng profin khác nhau: NACA 0020; NACA 6320; NACA 6520; NACA 6720; NACA 9816.
Ngoài ra còn sử dụng một số loại vật thể khác có hình dạng như hình trụ tròn, hình cầu, tấm mỏng… Trong thí nghiệm này chỉ sử dụng thêm vật thể có hình dạng trụ tròn.
Hệ thống ống dẫn và van điều khiển: sử dụng 4 van điều khiển và hệ thống ống dẫn có đường kính Φ34mm.
Hình 5.4: Hệ thống van và ống dẫn
Chuẩn bị nguồn bơm cấp
Nguồn cấp cho bơm tuần hoàn cần có: + Công suất máy : 370W
+ Nguồn điện sử dụng : 220VAC - 50Hz + Kích thước đầu ra : d = 34mm
5.1.3. Tiến hành thí nghiệm
Quá trình thí nghiệm tiến hành theo các bước sau:
Khởi động bơm cấp trong một thời gian để dòng chảy có thể ổn định. Chuẩn bị khởi động hệ thống tạo tia màu để cho vào dòng chảy.
Lần lượt tiến hành thí nghiệm với những vật thể khác nhau với vận tốc dòng chảy V = 0,1m/s:
+ Đối với biên dạng cánh mỏng – cánh NACA: tiến hành thí nghiệm với từng biên dạng cánh với các góc tới khác nhau từ 0º - 20º và 0º - (-20º).
Các biên dạng cánh sử dụng: NACA 0020; NACA 6320; NACA 6520; NACA 6720; NACA 9816.
Khoảng cách giữa đáy kênh với tâm trục chính cánh được chọn là 10cm. + Sau đó cũng tiến hành thí nghiệm với vật thể hình trụ tròn.
Quan sát, đối chiếu lại lý thuyết và vẽ lại hiện tượng (nếu có thể). Tiến hành đo đạt lấy số liệu và tính toán.
Lưu chất sử dụng là nước với:
Khối lượng riêng: ρ = 998,23 KG/m3 Hệ số nhớt động học: ν = 1,01.10-6 m2/s Hệ số nhớt động lực học: µ = 1.789 x 10-5
KGS/m
- Đo vận tốc dòng chảy: tiến hành đo quãng đường đi được trên 1 đơn vị thời gian tại khu vực thí nghiệm, từ đó có thể suy ra được vận tốc dòng chảy.
- Tính lưu lượng và số Reynolds:
Ứng với từng vận tốc dòng chảy ta tính được lưu lượng và số Re: + Tính lưu lượng:
Q = Av (m3/s)
Với A = B.H = 0,2.0,2 = 0,04m2 : là diện tích mặt cắt ướt kênh. v – vận tốc dòng đo được. + Số Re: ρ µ γ DV DV = = Re
Ví dụ hệ số Re của dòng tại cánh : Vận tốc dòng điều chỉnh 0,1m/s ; D =0,1m
Vậy : 6 10 . 01 , 1 1 , 0 . 1 , 0 Re= − ≈ 9900
5.2. NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Sau khi thử nghiệm dòng chảy qua cánh nhóm rút ra một số nhận xét về tính chất của dòng chảy khi gặp cánh như sau:
5.2.1. Nhận xét chung về đặc trưng dòng chảy khi gặp cánh
- Khi tiếp xúc cánh dòng chảy được tách thành hai hướng đối với cánh, dòng ở trên cánh và dòng phía dưới cánh vận tốc của hai dòng này lớn hơn vận tốc dòng trước cánh.
- Hình thành lớp biên trên thành biên của cánh, chiều dày lớp biên là rất nhỏ tuy nhiên vẫn có thể quan sát khá rõ ràng.
- Tại điểm đầu của cánh bề dày lớp biên là không có, vùng dòng chảy sau cánh trở nên rất rối.
- Hiện tượng tách lớp biên thể hiện khá rõ ràng. Tuy nhiên khó phân biệt được vùng lớp biên chuyển tiếp.
Các hiện tượng quan sát được tương thích với lý thuyết đã trình bày.
Tuy nhiên, khi quan sát hiện tượng dòng chảy qua cánh vẫn còn một số điểm hạn chế sau:
+ Dòng chảy trong kênh chưa đều, chưa thể hiện được tính chất của dòng chảy đều tầng.
+ Vận tốc dòng chảy còn thấp, đối với kích thước cánh đã thiết kế thì vận tốc dòng chảy phải đủ lớn để tạo sự cuộn xoáy phía sau vật thể rõ ràng.
5.2.2. Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy
Dòng qua cánh đối xứng:
Khi gặp cánh dòng bị tách ra hai phía với chiều dày lớp biên đều nhau, dòng qua cánh tương đối êm, hiện tượng tách lớp biên diễn ra ở cuối bề mặt cánh, được thể hiện trên hình 5.5.
Dòng qua cánh cong:
Chiều dày lớp biên được tách ra hai phía của cánh không đều nhau, sự chênh lệch trên là do hình dạng bề mặt cánh. Mặt dưới của cánh có diện tích tiếp xúc ít hơn mặt trên nên xảy ra hiện tượng tách lớp biên và tạo ra cuộn xoáy sớm.
Thí nghiệm đối với cánh có độ cong khác nhau:
- Sau khi thí nghiệm đối với các cánh NACA 6320, NACA 6520, NACA 6720 và NACA 9816 có thể thấy:
+ Đối với các cánh NACA 6320, NACA 6520, NACA 6720 có độ cong và chiều dày lớn nhất bằng nhau (cùng X1,X3,X4) dòng ở mặt trên của cánh chiều dài lớp biên ngắn hơn, hiện tượng tách lớp biên và tạo ra dòng xoáy phía trên bề mặt cánh sớm hơn so với cánh NACA 6520 và NACA 6720.
Hình 5.6: Thí nghiệm với cánh NACA 6320
Hiện tượng này là do sự thay đổi hình dạng bề mặt cánh, những cánh có khoảng cách từ độ cong lớn nhất tới cạnh trước cánh càng gần thì hiện tượng tách lớp biên diễn ra càng sớm.
Vị trí phân tách
Hình 5.7: Thí nghiệm với cánh NACA 6720
- Đối với cánh NACA 9816 có độ cong tối đa lớn hơn so với các cánh khác nên dòng tại vị trí có độ cong lớn nhất bị tách hẳn và tạo xoáy lớn.
Hình 5.8: Thí nghiệm với cánh NACA 9816
Thí nghiệm đối với dòng chảy qua vật thể hình trụ tròn.
Hình 5.9: Thí nghiệm với vật thể có hình trụ tròn
Vị trí phân tách Vị trí
Vật thể hình trụ tròn có kích thước lớn hơn các cánh (d = 40mm) nên vùng sau cánh tạo cuộn xoáy mạnh. Lớp biên được phân bố đều ở hai bên dòng chảy qua vật thể, sự phân tách lớp biên diễn ra đều nhau.
Bảng tổng hợp ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy
Qua quá trình tiến hành thí nghiệm và nhận xét kết quả có thể xây dựng bản tổng hợp ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc tính dòng chảy như sau:
Loại cánh Góc
tới Phân bố lớp biên
Vị trí vùng phân tách Tính chất vùng cuộn xoáy NACA 0020
0o Phân bố đều ở hai bên bề mặt cánh Cuối bề mặt cánh (cạnh sau cánh) Ít cuộn xoáy NACA 6320 0o Cách cạnh trước 30%C NACA 6520 0o Cách cạnh trước 50%C NACA 6720 0o Cách cạnh trước 70%C NACA 9816 0o Phân bố không đều: chiều dài lớp biên ở mặt trên lớn hơn mặt dưới cánh Cách cạnh sau 20%C Vùng cuộn xoáy lớn hơn so với cánh NACA 0020 Trụ tròn d = 40
Phân bố đều ở hai
bên vật thể Sau vật thể
Cuộn xoáy mạnh sau vật thể
Bảng 5.1: Ảnh hưởng của hình dạng vật thể đến đặc trưng dòng chảy
Để đánh giá các ảnh hưởng của góc tới đến tính chất dòng chảy, xét dòng chảy đối với cánh NACA 0020.
- Ở góc tới bằng 0: dòng chảy trên bề mặt cánh ít tạo cuộn xoáy, dòng chảy ở mặt trên và mặt dưới cánh gần giống nhau. Lớp biên quan sát được trên bề mặt là lớp biên tầng hiện tượng này kết thúc khi dòng đi hết chiều dài cánh. Kết quả được thể hiện trên hình 5.5.
- Ở góc tới là góc nâng (200): dòng phía trên cánh rối hơn so với bên dưới, hiện tượng tách lớp biên và tạo dòng xoáy diễn ra tại bề mặt trên của cánh, lớp biên quan sát được ở mặt dưới cánh là lớp biên tầng chiều dài lớp biên này kết thúc khi dòng chảy qua khỏi bề mặt cánh.
Hình 5.10: Thí nghiệm với cánh NACA 0020 ở 200
- Ở góc tới là góc hạ (-200): dòng chảy phía dưới rối hơn so với phía trên cánh hiện tượng tách lớp biên và tạo ra cuộn xoáy diễn ra ở mặt dưới của cánh
So với trường hợp ở góc tới 00 thì ở trường hợp 200 và (-200) dòng chảy phía sau cánh tạo rối lớn hơn.
Bảng tổng hợp sự ảnh hưởng của góc tới đối với cánh NACA 0020 đến đặc tính dòng chảy:
Phân bố lớp biên Góc tới
Phía trên cánh Phía dưới cánh
Đặc điểm vùng xoáy
0o Phân bố đều ở hai bên bề mặt cánh Ít tạo xoáy trên bề mặt Nâng 20o - Là lớp biên rối - Vị trí tách lớp nằm gần cạnh trước Lớp biên tầng phân bố đều trên bề mặt, chỉ tạo dòng xoáy khi hết tiếp xúc Dòng xoáy nằm ở mặt trên cánh Hạ 20o
- Ngược lại với trường hợp góc nâng. Dòng ở mặt dưới cánh cuộn xoáy mạnh hơn so với trường hợp góc nâng.
Bảng 5.2: Ảnh hưởng của góc tới đến đặc trưng dòng chảy
5.3. HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH
Mô hình đã được chế tạo theo đúng kích thước đã chọn, kết cấu mô hình và cấu tạo các thiết bị khác khá hợp lý. Tuy nhiên trong quá trình thử nghiệm nhóm đã phát hiện ra vài điểm chưa hợp lý cần phải điều chỉnh lại:
5.3.1. Điều chỉnh cửa xả
Khi tiến hành thí nghiệm có thể thấy dòng chảy ở cuối kênh không được đều, đã xuất hiện sự cuộn xoáy nhỏ. Nguyên nhân chính là do sự tập trung dòng ở cửa xả quá lớn mà đường kính cửa ra lại nhỏ do đó sự chuyển động của các phần tử nước ở
gần khu vực này có vận tốc không đều nhau, với sự bố trí cửa xả ở đáy kênh lớp chất lỏng gần đáy kênh vận tốc có xu hướng lớn hơn các lớp chất lỏng ở tầng trên.
Để khắc phục hiện tượng này nhóm tiến hành tăng thêm cửa xả ở những vị trí khác để sự phân bố vận tốc chuyển động trong kênh là đều nhau:
Hình 5.12: Hiệu chỉnh cửa xả
- Tăng thêm 2 cửa xả có đường kính d = 34mm, bố trí đối xứng qua mặt phẳng đối xứng của kênh.
- Khoảng cách tính từ trục 2 cửa xả là 15cm, chiều cao so với đáy kênh là 12cm.
- Trục của cửa xả hướng song song và gần với thành kênh nhằm tăng vận tốc dòng ở vị trí tiếp xúc thành kênh.
5.3.2. Thay đổi vị trí cánh
- Khi chế tạo kênh nước tuy đã giảm thiểu độ nhám của đáy kênh nhưng do lần đầu tiên thực hiện mô hình khó có thể đạt được độ nhám như ý muốn. Chính vì vậy, lớp chất lỏng ở tầng dưới có vận tốc thấp do ma sát với đáy kênh.
Để hạn chế tình trạng này ta cần tăng khoảng cách giữa đáy kênh với dây cung cánh để thí nghiệm được thực hiện chính xác hơn.
- Ngoài ra qua thí nghiệm cũng cho thấy vị trí đặt vật thể cũng chưa hợp lý, vị trí thí nghiệm gần với cửa xả nên bị ảnh hưởng dòng rối từ khu vực thượng lưu.
Mặt bên kênh được tăng thêm 2 cửa xả
Giải pháp hiệu chỉnh là chế tạo thêm cơ cấu thay đổi vị trí vật thể so với cửa xả, với cơ cấu này có thể thay đổi vị trí đặt vật thể phù hợp với quá trình thí nghiệm.
Hình 5.13: Hiệu chỉnh cơ cấu cố định và di chuyển cánh.
5.3.3. Tăng vận tốc dòng chảy
Qua thí nghiệm cũng cho thấy hiện vận tốc dòng chảy còn thấp không thể hiện tốt các hiện tượng của dòng chảy khi tiếp xúc vật thể, để khắc phục nhược điểm này cần hiệu chỉnh hai yếu tố sau:
Thay đổi diện tích mặt cắt ướt
Vận tốc dòng chảy sẽ tăng khi giảm diện tích mặt cắt ướt, giảm diện tích mặt cắt ướt bằng cách thay đổi chiều cao mặt thoáng.
Thông qua các lần thử nghiệm với chiều cao mặt thoáng (h) khác nhau nhóm đã tìm ra chọn được giá trị h phù hợp: h = 16cm.
Hình 5.14: Hiệu chỉnh chiều cao mặt thoáng
Thiết bị cố định cơ cấu xoay góc
cánh
Chiều cao mặt thoáng
Vậy, kích thước mặt cắt ướt thay đổi là: BxH = 20x16cm. Thay đổi công suất máy bơm
Hệ thống bơm cấp được sử dụng có công xuất 370W, đạt vận tốc dòng chảy <5cm/s.
Để tăng vận tốc dòng chảy cần sử dụng hệ thống bơm có công suất lớn hơn:
W : 1hp.
Nguồn : 220VAC, 50Hz Vận tốc dòng: ≤ 0,1m/s
5.4. BẢNG TỔNG HỢP CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH
Với những hiệu chỉnh trên mô hình đã được hoàn thiện, sau đây là bảng các thông số cơ bản mô hình:
Kích thước tổng thể BxHxL = 0,8x0,4x2,4m
Trọng lượng không 150kg
Dung tích 200 lít
Kích thước phần thí nghiệm BxHxL = 0,2x0,16x0,75m Kích thước cửa vào, cửa xả D = 49mm
Tốc độ dòng chảy ≤0,1m/s
Bơm cấp 1hp; 220VAC - 50Hz
Vật liệu chế tạo Thép và mica Kinh phí thực hiện 10 triệu VND
CHƯƠNG 6
NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Sau quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài nhóm sẽ trình bày trong chương này một số ý kiến nhận xét về tổng thể đề tài. Theo đó nhóm sẽ nêu những gì đã thực hiện được và những vấn đề còn tồn tại trong đề tài, từ đó đề xuất ý kiến để phát triển mảng đề tài này được tốt hơn.
6.1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 6.1.1. Thành công đạt được 6.1.1. Thành công đạt được
6.1.1.1. Thành công về phương pháp nghiên cứu
• “Thiết kế và chế tạo mô hình dòng chảy qua cánh” là một đề tài được đánh giá là tương đối khó không chỉ đối với sinh viên mà ngay cả đối với các nhà nghiên cứu cũng là một vấn đề không đơn giản. Việc tìm ra một phương pháp nghiên cứu hợp lý cho đề tài cũng là một bài toán khó, với nguồn tài liệu được cung cấp rất khiêm tốn. Vì vậy, việc tìm ra hướng đi cho đề tài một cách thành công được coi là thành quả lớn.
• Phương pháp nghiên cứu trên đã giúp nhóm thực hiện đề tài dễ dàng và nhanh chóng, từ đó nhóm có thể sắp xếp được thời gian cho việc thiết kế cũng như chế tạo mô hình một cách hợp lý. Vấn đề quan trọng nhất là sự sáng tạo và tìm các giải pháp để thiết kế tối ưu từng thiết bị cụ thể cho mô hình cũng một phần do có được phương pháp nghiên cứu hợp lý.
• Cũng thông qua quá trình thực hiện đề tài nhóm đã rút ra được phương pháp nghiên cứu hợp lý không những cho đề tài này mà còn áp dụng vào các đề tài có thể thực hiện trong tương lai.
6.1.1.2. Thành công về mặt thiết kế và chế tạo
•Về kích thước: mô hình có kích thước phần thí nghiệm là tương đối hợp lý BxHxL=20x20x75cm
Theo các mô hình mẫu kích thước phần thí nghiệm có nhỏ hơn: mô hình dòng chảy qua kênh ở Cairo, Ai Cập – TN3 (18x18x20cm); mô hình hầm khói của đại học Bách khoa TP HCM – TM1 (10,2x17,8x25,4cm).
Về mặt thủy lực chiều rộng kênh càng lớn sẽ dẫn đến diện tích mặt cắt ướt càng lớn, khi diện tích mặt cắt ướt càng lớn bán kính thủy lực tăng, vì vậy kênh sẽ