Bài viết này trình bày cách dùng CFD để dự đoán và tối ưu hiệu suất hệ thống hút khí thông gió nhà xưởng. Hệ thống được mô phỏng bao gồm một quạt hút ly tâm công nghiệp có 8 cánh, đường kính Ø0,57 m, hút không khí từ một phòng kích thước 10×4×4 m thông qua 5 cửa hút.
Mô tả hệ thống hút khí thông gió nhà xưởng [nguồn]
Lưu lượng hút cần phân bố đều qua 5 cửa hút trong phòng. Mục đích là loại bỏ hiệu quả mọi khí bay hơi độc hại, đồng thời giảm vận tốc cao cục bộ (trên 10 m/s) trong các ống dẫn. Quạt hút phải đạt lưu lượng tối thiểu 2,6 m3/s ở tốc độ quay 2500 vòng/phút. Mục tiêu chính của dự án này là sử dụng CFD để (1) đánh giá và tối ưu phân bố lưu lượng dòng chảy qua các cửa hút khí, (2) tối ưu hiệu suất quạt hút để đảm bảo lưu lượng hút khí yêu cầu.
Các thiết lập cơ bản cho phân tích CFD
Phân tích CFD được thực hiện trên một mô hình CAD 3D thể hiện miền thể tích chứa không khí. Mặt hút của phòng và mặt thổi ra của buồng xả khí (các mặt màu đỏ) được gán điều kiện biên thông với khí quyển (áp suất dư = 0). Tốc độ quay guồng cánh của quạt hút được thiết lập tại giá trị 2500 vòng/phút. Cách thiết lập mô phỏng cho quạt có thể được tham khảo tại bài viết này.
Thiết lập điều kiện biên cho mô phỏng CFD
Phân tích kết quả của thiết kế ban đầu
Mô hình được chia lưới (~1,2 triệu phần tử polyhedron); mô phỏng dừng sau khoảng 4000 bước lặp, khi lưu lượng khí qua 5 cửa hút đã ổn định.
Phân bố lưu lượng qua 5 cửa hút và mặt cắt thể hiện phân bố vận tốc
Hình trên thể hiện mặt cắt phân bố vận tốc khí chảy qua các cửa hút, qua đó ta có thể tính được lưu lượng thể tích qua từng cửa một. Ta có thể thấy sự khác biệt khá lớn (từ 0,72 m3/s đến 0,34 m3/s) giữa cửa hút tận cùng bên trái và cửa tận cùng bên phải. Vận tốc khí qua cửa hút gần quạt nhất vượt 10 m/s, cho thấy thiết kế ban đầu không thỏa mãn điều kiện vận hành yêu cầu. Từ hình này cũng thấy được các vùng có vận tốc thấp trong ống dẫn chính, cũng như các vùng xoáy tụ (recirculation zones) với xu hướng chảy ngược về phía cửa hút. Nguyên nhân là các dòng ra khỏi cửa hút tranh nhau thoát ra khỏi đường ống chính.
Ở quạt hút, xuất hiện một số vùng vận tốc thấp quanh đầu cánh quạt. Điều này thể hiện sự phân tách dòng do sự thay đổi của góc tới (incidence angle) quá lớn khi không khí chảy dọc theo cánh quạt. Mức độ phân tách dòng càng lớn thì hiệu suất khí động của thiết bị sẽ càng bị suy giảm.
Phân bố vận tốc khí qua các cánh quạt (tại mặt cắt vuông góc với cánh)
Với thiết kế hiện tại, quạt đạt lưu lượng 2,42 m3/s, không đáp ứng yêu cầu thiết kế. Do đó, cần đề xuất thiết kế mới cho hệ thống hút để phân phối khí đều hơn giữa các cửa hút, đồng thời quạt mới phải đạt lưu lượng tối thiểu 2,6 m3/s.
Thiết kế cải tiến được đề xuất cho hệ thống thông gió
Hình dưới đây chỉ rõ những thay đổi được đề xuất trong hệ thống hút khí. (1) Dùng các ống gió cong nối cửa hút với đầu vào quạt hút để dòng chuyển hướng mượt hơn. Mỗi cửa hút được bố trí riêng một đường ống hút cùng tụ về bộ góp cỡ lớn. Thiết kế này giúp loại bỏ xoáy tụ và có thể đưa dòng hút đi thẳng tới quạt.
Thiết kế tối ưu được đề xuất cho hệ thống ống gió
(2) Với quạt hút, góc tấn (attack angle) của cánh được tăng từ 20° lên 40°, đồng thời giảm độ cong cánh để hạn chế phân tách dòng như ở thiết kế gốc.
Đề xuất thiết kế cải tiến của cánh trong quạt gió
Kết quả so sánh: Thiết kế gốc & thiết kế đề xuất
Kết quả mô phỏng cho thấy phân phối dòng qua các cửa hút được cải thiện đáng kể: lưu lượng giữa các cửa chênh lệch tối đa 0,05 m3/s. Vận tốc lớn nhất cũng được giảm xuống chỉ còn khoảng 9 m/s.
Phân bố vận tốc và lưu lượng khí qua 5 cửa hút của thiết kế gốc và thiết kế đề xuất
Lưu lượng khí phân bố cho các ống hút đều hơn, kết quả được thể hiện rõ hơn qua hình dưới đây:
So sánh phân bố lưu lượng khí qua các cửa hút ở thiết kế gốc và thiết kế cải tiến
Phân bố vận tốc tại mặt cắt đứng qua guồng cánh cho thấy cánh quạt cải tiến tạo vận tốc cao hơn thiết kế gốc, nhờ đó đạt lưu lượng lớn hơn (2,64 m3/s) ở cùng tốc độ quay guồng cánh 2500 vòng/phút. Hiện tượng phân tách dòng quanh đầu cánh ở thiết kế gốc cũng đã được loại bỏ.
Phân bố vận tốc qua cánh quạt trong thiết kế cũ (trái) và thiết kế mới (phải)
Kết luận
Trong dự án này, thiết kế hệ thống thông gió nhà xưởng được đánh giá và tối ưu bằng mô phỏng CFD. Các kết quả chỉ ra rằng lưu lượng mà quạt hút tạo ra thấp hơn so với yêu cầu. Lưu lượng qua các cửa hút không đồng đều, tạo ra các vùng có vận tốc cục bộ cao hơn mức khuyến nghị, do đó hệ thống sẽ dễ bị rung và gây ra tiếng ồn không mong muốn khi hoạt động. Vì vậy cần đề xuất thiết kế cải tiến.
Thiết kế mới tăng góc tấn, giảm độ cong cánh quạt hút và thiết kế lại ống dẫn giữa cửa hút và đầu vào quạt. So với thiết kế gốc, quạt hút mới đạt lưu lượng 2,64 m3/s, trên mức tối thiểu yêu cầu (2,6 m3/s), và vận tốc cao cục bộ trong đường ống dẫn đã được loại bỏ, với các giá trị vận tốc thấp hơn 10 m/s.
