Đánh giá hiệu suất của Quạt ly tâm bằng Mô phỏng CFD

Trong công nghiệp chúng ta thường bắt gặp hai kiểu thiết bị là thiết bị tĩnh (thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị phân tách ly tâm cyclone, v.v) và thiết bị động (bơm, quạt, khuấy trộn, v.v). Quạt, đặc biệt là quạt ly tâm (thường gọi là quạt lồng sóc), là một trong những thiết bị động phổ biến nhất trong công nghiệp. Do thiết kế đơn giản, quạt ly tâm dễ sản xuất hơn các loại quạt khác, nên tiết kiệm được thời gian và chi phí sản xuất. Vì vậy, quạt ly tâm được dùng rộng rãi trong thông gió (HVAC), cấp khí lò đốt, vận chuyển khí động v.v.

Khi lựa chọn quạt cho các ứng dụng HVAC, đa số các kỹ sư chọn quạt ly tâm vì hiệu quả năng lượng tốt (đạt hiệu suất tĩnh lên đến 84%) và độ bền cao ngay cả trong môi trường ăn mòn, dễ bảo trì và phù hợp với dải lưu lượng và áp suất làm việc rộng.

Làm thế nào để dự đoán được hiệu suất của quạt ly tâm?

Một trong những ưu điểm của quạt ly tâm là đặc tính khí động học vượt trội. Đây là yếu tố quan trọng cần tính tới khi thiết kế để quạt đạt hiệu suất cao nhất. Có nhiều phương pháp hỗ trợ thiết kế cho việc này, trong đó mô phỏng CFD là công cụ hiệu quả.

Mô phỏng CFD có thể dự đoán chính xác hiệu suất của quạt trong giai đoạn thiết kế ban đầu, phân tích các mô hình CAD khác nhau, giảm số lượng nguyên mẫu cần thử nghiệm, đồng thời tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu suất tối đa. Kết quả mô phỏng cho thông tin chính xác về lưu lượng, cột áp tĩnh, cột áp tổng, hiệu suất tĩnh, hiệu suất tổng, hiệu suất tổng tối đa, lực và mô men tác động lên quạt, v.v.

Để minh họa khả năng đánh giá hiệu suất quạt ly tâm của CFD, bài viết phân tích cụ thể một quạt ly tâm công nghiệp dùng trong hệ thống lò đốt vật liệu sinh khối.

image/bai-viet/danh-gia-hieu-suat-cua-quat-ly-tam-1.png

Minh họa vị trí của quạt hút trong hệ thống lò đốt sinh hơi [nguồn]

Mô tả bài toán đánh giá hiệu suất quạt

Lò hơi chuyển nước thành hơi bằng nhiệt sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu như than, dầu, khí tự nhiên hoặc sinh khối. Hệ thống lò hơi sử dụng một số loại quạt để duy trì luồng không khí, tuần hoàn không khí và loại bỏ khí thải. Quạt phân tích trong bài là quạt hút đặt ở đầu ra hệ thống lò hơi (thường nằm giữa bộ lọc bụi và ống khói thải). Quạt này tạo ra lực hút (áp suất âm) để xả khí sau quá trình cháy từ lò ra ngoài. Quạt hút thường dùng nhất là quạt ly tâm cánh hướng kính (radial blades) và quạt ly tâm cánh nghiêng ngược (backward-inclined blades). Bài này phân tích hiệu suất quạt ở trạng thái vận hành ổn định trong hệ thống (lưu lượng và tốc độ quay không đổi).

Mô tả hình học của quạt

• Vỏ quạt (volute) dạng xoắn ốc, kích thước lớn nhất ~ 1 m
• Đường kính guồng cánh (impeller) = 0.5 m
• Cánh nghiêng dạng thẳng, số lượng cánh (blade) = 12
• Đường kính cửa hút (inlet) = 0.32 m, kích thước cửa đẩy (outlet) = 0.45x0.35 m

image/bai-viet/danh-gia-hieu-suat-cua-quat-ly-tam-2.png

Hình học nguyên bản của quạt (trái) và hình tách một nửa vỏ để thấy rõ guồng cánh (phải)

Điều kiện hoạt động

• Khí vận chuyển là không khí ở 30^oC (khối lượng riêng = 1,1644 kg/m³)
• Lưu lượng hút yêu cầu = 3400 m³/h (~ 1 kg/s)
• Tốc độ guồng cánh = 1500 vòng/phút

Mô phỏng CFD cho quạt ly tâm

Dưới đây là các bước cơ bản để tiến hành mô phỏng cho bài toán này:

1. Đơn giản hóa hình học (geometry simplification):
Hình học nguyên bản của quạt cần được đơn giản hóa về dạng miền thể tích chứa lưu thể (trong trường hợp này, lưu thể là không khí ở 30^oC), phần thể tích này ta gọi là miền tính toán. Hình dưới đây mô tả việc đơn giản hóa toàn bộ phần vỏ của quạt thành một bề mặt, đó là mặt phía trong, tiếp xúc trực tiếp với lưu thể. Guồng cánh giữ nguyên, vì mọi bề mặt của nó đều tiếp xúc với lưu thể. Ngoài ra ta cần bổ sung các mặt khác để gán điều kiện biên cho bài toán như sau: Mặt có màu xanh là phần hút khí vào (inlet) và mặt màu đỏ là mặt đẩy khí ra (outlet).

image/bai-viet/danh-gia-hieu-suat-cua-quat-ly-tam-3.png

Đơn giản hóa hình học của quạt

2. Chia lưới (mesh generation):
Chia lưới, hay “rời rạc hóa miền tính toán”, là chia nhỏ miền tính toán thành các phần tử thể tích hữu hạn (finite volume). Kiểu lưới được sử dụng trong bài toán này là kiểu khối đa diện (polyhedron). Tổng số phần tử (cell, element) là 2 triệu; kích thước phần tử nhỏ nhất là 2 mm (chủ yếu ở phần guồng cánh), phần tử lớn nhất là 20 mm.

image/bai-viet/danh-gia-hieu-suat-cua-quat-ly-tam-4.png

Chia lưới cho miền tính toán

3. Chọn, thiết lập mô hình CFD (model setup):
Giả sử không có truyền nhiệt (heat transfer) và chuyển khối (mass transfer), đây là bài toán CFD giải cho dòng chảy một pha (không khí) xảy ra trong quạt. Dòng trong quạt là dòng rối nên cần dùng mô hình rối. Chọn mô hình Realizable k-epsilon vì độ chính xác khá cao mà tiết kiệm thời gian tính. Chuyển động quay của guồng cánh được mô phỏng bằng mô hình MRF (Moving Reference Frame). Để áp dụng MRF, cần tạo một vùng quay riêng bao quanh guồng cánh. Thay vì cho lưới guồng cánh “chuyển động”*, MRF cho hệ quy chiếu của guồng cánh quay tương đối với hệ quy chiếu tuyệt đối của vỏ quạt. MRF phù hợp để mô phỏng quạt chạy ở trạng thái ổn định như đã nêu.

4. Thiết lập điều kiện biên (boundary conditions setup):
Coi dòng là không nén được (incompressible flow). Để đảm bảo lưu lượng yêu cầu qua quạt, mặt hút được gán điều kiện biên lưu lượng vào (mass flow inlet) cố định 1 kg/s và áp suất dư (gauge pressure) = 0. Mặt đẩy khí ra thì sẽ được đặt điều kiện là áp suất dư = 82 Pa (bằng tổn thất áp suất của đường ống dẫn khí ra). Tốc độ của vùng quay và bề mặt của guồng cánh sẽ được thiết lập ở giá trị 1500 vòng/phút với phương pháp MRF.

5. Chọn thuật giải và chạy mô phỏng (solver setup and run calculation):
(1) Chọn phương pháp giải (trình tự thuật giải kiểu Coupled, độ chính xác bậc 2).
(2) Khởi tạo giá trị ban đầu (giá trị biến ban đầu x = x₀).
(3) Chọn số bước lặp (iteration) và bắt đầu giải.
(4) Dừng giải tại bước lặp có giá trị sai số chấp nhận được (thường được gọi là đã hội tụ). Ngưỡng này chủ yếu chọn theo kinh nghiệm, tùy kiểu bài toán, mô hình, v.v.

6. Trích xuất kết quả:
Phần này trình bày các kết quả quan trọng khi phân tích hiệu suất quạt ly tâm: cột áp (head pressure), phân bố vận tốc trong guồng cánh (velocity distribution in impeller) và hiệu suất khí động (aerodynamic efficiency).

• Áp suất hút (head pressure)

Khi quạt ly tâm hút khí, ta dự đoán áp suất tổng (total pressure) (áp tĩnh + áp động) tại cửa hút nhỏ hơn tại cửa đẩy. Hình dưới đây minh họa phân bố áp suất tổng trên vỏ quạt, tại cửa hút và cửa đẩy. Cột áp hút (p_t) sẽ được tính dựa trên độ chênh áp trung bình giữa cửa đẩy (p_t2) và cửa hút (p_t1):

p_t = p_t2 − p_t1 = 82 − (−770) = 852 [Pa]

image/bai-viet/danh-gia-hieu-suat-cua-quat-ly-tam-5.png

Phân bố áp suất tổng của quạt

• Phân bố vận tốc trong guồng cánh (velocity distribution in impeller)

Phân bố vận tốc giúp đánh giá sơ bộ chất lượng thiết kế về mặt hiệu quả khí động của phần cánh trong guồng cánh. Ta có thể dựa vào hiện tượng “sự phân tách dòng” (flow separation) tại vùng phía sau của mỗi cánh (mô tả ở hình bên dưới) để đánh giá đặc tính khí động của quạt. Khi thiết kế và tối ưu quạt, vùng tách dòng càng nhỏ thì hiệu suất càng cao.

image/bai-viet/danh-gia-hieu-suat-cua-quat-ly-tam-6.png

Phân bố vận tốc trong guồng cánh

• Hiệu suất khí động (aerodynamic efficiency)

Hiệu suất khí động của quạt là hiệu suất không kể tới các tổn thất khác của quạt như là ma sát tại ổ trục, động cơ, bộ truyền động, v.v. Hiệu suất khí động bằng tỷ số giữa công suất khí động (aerodynamic power) và công suất của mô men cản tại guồng cánh (torque power, impeller power).

+ Công suất khí động (P_u) được tính dựa vào độ chênh áp (p_t) (trong bài toán này là áp suất hút) và lưu lượng dòng khí qua quạt (Q_v):

P_u = p_tQ_v = 852 [Pa] × 1/1,1644 [m³/s] = 732 [W]

+ Công suất của mô men cản (P_r) là tích của mô men cản tại guồng cánh (impeller torque) (được lấy trực tiếp từ kết quả CFD) và vận tốc góc:

P_r = M_cω = 10,32 [Nm] × 1500 × 2π/60 [rad/s] = 1621 [W]

Do đó hiệu suất khí động của quạt (η) sẽ là:

η^fan = P_u/P_r = 732/1621 = 45%

Như vậy, với thiết kế hiện tại, khi quạt vận chuyển 3400 m³/h không khí (ở 30^oC) ở tốc độ quay 1500 vòng/phút, hiệu suất khí động chỉ đạt 45%.

Kết luận

Bài viết đã dùng mô phỏng CFD để phân tích sơ bộ hiệu suất một quạt ly tâm qua các đặc tính hoạt động. Kết quả mô phỏng giúp đánh giá và tối ưu hóa thiết kế của quạt (cánh, guồng cánh, vỏ quạt, v.v) để đạt được đặc tính hoạt động phù hợp (áp suất hút, đẩy, lưu lượng, hiệu quả năng lượng v.v) với yêu cầu của hệ thống công nghệ. Bài toán trên chỉ xét một trường hợp vận hành cụ thể. Để đánh giá hiệu suất quạt trên dải làm việc rộng, cần biết đặc tính làm việc của quạt ở các điều kiện khác nhau, thể hiện qua “đường đặc tính làm việc của quạt” (fan performance curve). Cách xây dựng đường đặc tính làm việc của quạt bằng mô phỏng CFD sẽ được trình bày trong bài sau.

*Phương pháp lưới chuyển động hay còn được gọi là “Sliding mesh” cũng được sử dụng để mô phỏng cho kiểu bài toán có vùng quay như thế này, tuy nhiên phương pháp này tốn nhiều thời gian tính toán hơn để đạt giá trị hội tụ. Với những kiểu bài toán cần phân tích bản chất dòng thay đổi theo thời gian (transient) thì nên sử dụng phương pháp “Sliding mesh”.