Bài viết này cho thấy cách CFD có thể dự đoán và qua đó tối ưu hiệu suất của một 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]

 

Việc hút không khí cần được phân bố đều qua 5 cửa hút ở trong phòng. Mục đích là để loại bỏ các khí bay hơi độc hại bất kỳ một cách hiệu quả và đồng thời cũng làm giảm vận tốc cao cục bộ (trên 10 m/s) trong các ống dẫn. Yêu cầu lưu lượng tối thiểu là 2,6 m3/s đối với quạt hút, 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. Điều kiện biên là thông với áp suất khí quyển (áp suất dư = 0) được gán cho cả không gian mặt hút của phòng và không gian mặt thổi ra của buồng xả khí (được đánh dấu là các mặt có màu đỏ). 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

Sau khi chia lưới (~1,2 triệu phần tử polyhedron) và chạy mô phỏng được khoảng 4000 bước lặp thì dừng lại (lúc này lưu lượng khí qua 5 cửa hút đạt giá trị ổn định).

 

Phân bố lưu lượng và mặt cắt thể hiện phân bố vận tốc
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. Không khí chảy qua cửa hút gần quạt nhất đạt vận tốc trên 10 m/s, điều này cho thấy thiết kế nguyên bản này không thỏa mãn các điều kiện vận hành theo 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. Điều này có thể được lý giải là do sự cạnh tranh của các dòng ra khỏi cửa hút để thoát ra khỏi đường ống chính.

Về phía quạt hút, ta có thể thấy tồn tại một số vùng có vận tốc thấp xung quanh phần 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 quạtPhân bố vận tốc khí qua các cánh quạt (tại mặt cắt vuông góc với cánh)

 

Với thiết kế hiện tại này của quạt, công suất lưu lượng của nó là 2,42 m3/s –> không đáp ứng yêu cầu thiết kế. Do đó, một thiết kế mới của hệ thống hút sẽ được đề xuất để đảm bảo dòng khí được phân phối đều hơn giữa các cửa hút và cùng với đó thì thiết kế mới của quạt cũng đáp ứng công suất yêu cầu tối thiểu là 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) Tạo ra sự chuyển hướng dòng mượt hơn bằng cách sử dụng các đường ống gió cong nằm giữa cửa hút và đầu vào của quạt hút. Mỗi cửa hút được bố trí riêng một đường ống hút cùng tụ về bộ góp cỡ lớn. Kiểu thiết kế này giúp loại bỏ sự xoáy tụ và có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các dòng được hút thẳng tới quạt.

Thiết kế tối ưu được đề xuất cho hệ thống ống gióThiết kế tối ưu được đề xuất cho hệ thống ống gió

 

(2) Đối với quạt hút, góc tấn (attack angle) của các cánh trong quạt gió sẽ được tăng từ 20° lên 40°. Cùng với đó là việc giảm độ cong của cánh cũng có thể làm giảm mức độ phân tách dòng xảy ra ở thiết kế gốc.

 

Đề xuất thiết kế cải tiến của cánh trong quạt gióĐề 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 sự cải thiện đáng kể về phân phối dòng chảy qua các cửa hút với sự khác biệt về lưu lượng là rất nhỏ (chênh lệch tối đa 0,05 m3/s). Vận tốc lớn nhất cũng được giảm xuống chỉ còn khoảng 9 m/s.

 

Phân phối tốc độ dòng chảy qua các cửa hút của thiết kế gốc và thiết kế đề xuất

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 tiếnSo 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 rõ rằng thiết kế cải tiến của cánh quạt có khả năng tạo ra vận tốc cao hơn so với thiết kế gốc và do đó đạt được lưu lượng lớn hơn = 2,64 m3/s ở cùng một tốc độ quay của guồng cánh (2500 vòng/phút). Cùng với đó là sự phân tách dòng quanh vùng đầu cánh tồn tại ở thiết kế gốc đã được loại bỏ.

 

Phân bố vận tốc qua cánh quạt trong thiết kế cũ (trái) và thiết kế mới (phải)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 của một hệ thống thông gió nhà xưởng đã được đánh giá và tối ưu bằng việc sử dụng mô phỏng CFD. Các kết quả chỉ ra rằng lưu lượng mà quạt hút tạo ra thấp hơn so với yêu cầu. Các cửa hút khí ra với lưu lượng không đồng đều, hệ quả là 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. Với các vấn đề như vậy thì việc đề xuất các thiết kế cải tiến là cần thiết.

Thiết kế mới bao gồm việc tăng góc tấn và giảm độ cong của cánh quạt hút cũng như thiết kế lại ống dẫn giữa cửa hút và đầu vào của quạt hút. Kết quả từ thiết kế mới này được so sánh với thiết kế gốc, và nó chứng tỏ rằng thiết kế mới của quạt hút đạt được lưu lượng trên mức tối thiểu mong muốn (2,6 m3/s) là 2,64 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.

Mục lục

    Đăng ký theo dõi CFDWAYS Blog!

    Something went wrong. Please check your entries and try again.
    0 Bình luận
    Inline Feedbacks
    View all comments