Thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới nước trồng cây công nghiệp tại vùng núi tỉnh khánh hòa

Nhận thức được vai trò quan trọng của nước tưới trong phát triển cây trồng và khả năng sử dụng thủy năng của các dòng suối để cấp nước tưới phục vụ sản xuất cho đồng bào trên các vùng nú

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHẠM VĂN QUANG

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU BỘ DẪN ĐỘNG CỦA BƠM THỦY NĂNG PHỤC VỤ TƯỚI NƯỚC TRỒNG CÂY CÔNG NGHIỆP TẠI VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa, 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHẠM VĂN QUANG

THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU BỘ DẪN ĐỘNG CỦA BƠM THỦY NĂNG PHỤC VỤ TƯỚI NƯỚC TRỒNG CÂY CÔNG NGHIỆP TẠI VÙNG NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

Ts NGUYỄN VĂN TƯỜNG

Khoa sau đại học:

Khánh Hòa, 2015

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài:”Thiết kế tối ưu kết cấu

bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới nước trồng cây công nghiệp tại vùng núi tỉnh Khánh Hòa” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được

công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Nha trang, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

iv

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trong trường nói chung cũng như quý thầy ngành cơ khí trường Đại học Nha Trang nói riêng Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Phó Giáo sư – Tiến sĩ Phạm Hùng Thắng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất

cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, ngày tháng năm 2015

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THỦY VĂN VÀ BƠM THỦY NĂNG 1 1.1 Tổng quan về thủy văn và tình hình trồng cây công nghiệp của vùng núi tỉnh Khánh Hòa 1

1.2 Tổng quan về bơm nước sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy 3

1.2.1 Bơm cọn nước vùng cao .3

1.2.2 Bơm va 4

1.2.3 Bơm thủy luân 6

1.2.4 Bơm bánh xe xoắn ốc 7

1.2.5 Bơm cáp treo 9

1.3 Mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu 10

1.3.1 Lý do thực hiện đề tài 10

1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 11

1.3.4 Nội dung nghiên cứu 12

1.3.5 Phạm vi nghiên cứu 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ TỐI ƯU 13

2.1 Tổng quan về tối ưu hóa 13

2.1.1 Các phương pháp cơ bản 13

2.1.2 Phân loại các bài toán tối ưu 14

2.1.3 Đặc điểm của bài toán tối ưu hóa kết cấu 15

2.1.4 Ưu nhược điểm của các phương pháp tối ưu kết cấu hiện nay 15

2.1.5 Đặc điểm của bài toán tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng 17

vi

2.1.6 Mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu 17

2.2 Cơ sở lý thuyết về mô phỏng CFD 20

2.2.1 Những phương trình chủ đạo của CFD 20

2.2.2 Trình tự giải bải toán CFD 22

2.2.3 Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT 22

CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA 23

3.1 Tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu hóa 23

3.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 24

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới cột áp 26

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới lưu lượng 28

3.2 Tính toán, mô phỏng xác định hình dạng cánh tối ưu 31

3.2.1 Tính toán xác định hình dạng cánh tối ưu 31

3.2.2 Mô phỏng xác định hình dạng cánh tối ưu 37

3.2.2.1 Mô tả bài toán 37

3.2.2.2 Giải bài toán 38

3.3 Tối ưu hóa số lượng cánh, bề rộng guồng bơm 46

3.3.1 Chọn các biến thiết kế 46

3.3.2 Xác định các điều kiện ràng buộc 47

3.3.3 Xây dựng hàm mục tiêu 49

3.3.4 Bài toán tối ưu 65

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 77

4.1 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng 77

4.2 Cách đo các thông số .78

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 80

5.1 Kết luận 80

5.2 Đề xuất 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

l: Chiều dài cánh (m)

b: Bề rộng cánh (m)

a: Chiều dày vật liệu làm cánh (m)

D: Khối lượng riêng (kg/m3)

Z: Số cánh

b: Bề rộng của guồng bơm (m)

m: Khối lượng vật liệu làm cánh (kg)

P: Trọng lực trên mỗi vùng chứa nước (N)

Si: Diện tích tiết diện của phần cánh bơm chứa nước (m2)

di: Cánh tay đòn (m)

g: Gia tốc trọng trường (g = 9.8m/s2)

Q: Lưu lượng (Lít / ngày)

M: Mô men quay bơm (N.m)

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng thông số diện tích và cánh tay đòn của hình dạng cánh tròn và hình

dạng cánh ban đầu sau khi tính toán 37 Bảng 3.2 Bảng số liệu tính toán giữa giá trị Z, M, K 47 Bảng 3.3 Bảng số liệu thể hiện mối quan hệ giữa mô men quay M với số lượng cánh Z

và bề rộng cánh b .52 Bảng 3.4 Bảng thông số thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ vật liệu K với số lượng cánh Z

và bề rộng cánh b .60

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Bơm cọn nước 3

Hình 1.2: Cấu tạo bơm va 4

Hình 1.3 Bơm va 5

Hình 1.4: Bơm thủy luân 6

Hình 1.5: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc 7

Hình 1.6: Bơm bánh xe xoắn ốc 8

Hình 1.7: Bơm cáp treo 9

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động bơm cáp treo 9

Hình 3.1 Bơm xoắn đặt trên bờ suối đã được chế tạo trước đó 23

Hình 3.2: Bản vẽ cấu tạo và tang quấn ống 24

Hình 3.3: Biểu đồ liên hệ giữa tốc độ quay và cột áp 26

Hình 3.4: Biểu đồ liên hệ giữa ống quấn và cột áp 27

Hình 3.5: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính ống và cột áp 27

Hình 3.6: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính tang và cột áp 28

Hình 3.7: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính ống và lưu lượng 28

Hình 3.8: Biểu đồ liên hệ giữa tốc độ quay và lưu lượng 29

Hình 3.9: Biểu đồ liên hệ giữa số vòng ống và lưu lượng 30

Hình 3.10: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính tang và lưu lượng 30

Hình 3.11 Hình dạng cánh ban đầu 32

Hình 3.12 Hình vẽ tính toán theo mô hình ban đầu 33

Hình 3.13 Hình dạng cánh tròn 34

Hình 3.14 Vẽ tính toán theo mô hình mới (hình dạng cánh tròn) 35

Hình 3.15 Diện tích các vùng chứa nước 35

Hình 3.16 Kết quả diện tích vùng chứa nước và trọng tâm vùng chứa nước 36

Hình 3.17a Hình dạng cánh ban đầu .38

Hình 3.17b Hình dạng cánh tròn 38

Hình 3.18 Tạo mô hình chia lưới hình dạng cánh ban đầu và cánh tròn 39

Hình 3.19 Chia lưới mô hình 40

Hình 3.20 Đọc file 41

Hình 3.21 Kiểm tra lưới 41

x

Hình 3.22 Chọn phương pháp giải 41

Hình 3.23 Chọn mô hình để giải 42

Hình 3.24 Chọn phương trình giải 42

Hình 3.25 Nhập thông số 42

Hình 3.26 Lựa chọn điều kiện biên 43

Hình 3.27 Đặt điều kiện biên của cửa vào 43

Hình 3.28 Đặt điều kiện biên đầu ra 43

Hình 3.29 Nhập số lần lặp 44

Hình 3.30 Xét độ hội tụ 44

Hình 3.31 Lựa chọn kết quả mô phỏng 44

Hình 3.32 Lựa chọn biến đầu ra 45

Hình 3.33 Kết quả mô phỏng với cánh tròn 45

Hình 3.34 Kết quả mô phỏng với cánh ban đầu 45

Hình 3.35 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa mô men quay bơm với số lượng cánh 48

Hình 3.36 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tỉ lệ mô men với với tổng khối lượng làm cánh 48 Hình 3.37: Hộp thoại chứa các công cụ phân tích dữ liệu 50

Hình 3.38: Hộp thoại khai báo các thông số của mô hình hồi quy 51

Hình 4.1 Mẫu bơm mới được tối ưu và đưa vào sử dụng 77

xi

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Chủ đề nghiên cứu

Miền núi tỉnh Khánh Hoà gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh và một số

xã thuộc các huyện Cam Ranh, Cam Lâm, Ninh Hoà và Vạn Ninh với diện tích tự nhiên khoảng 290.500ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh Với đặc trưng là vùng đồi cao khá khô hạn mặc dù sen lẫn nhiều dòng suối nhỏ ít nước về mùa khô nhưng khá hung hãn về mùa mưa Do khó khăn về khả năng tài chính và tập quán canh tác còn khá lạc hậu nên việc tưới nước phục vụ trồng trọt cho các vùng miền núi của tỉnh cơ bản nhờ mưa tự nhiên Chính hạn chế này đã làm giảm năng suất cây trồng và tạo không ít khó khăn cho công cuộc phát triển kinh tế - xóa đói giảm nghèo cho cư dân

miền núi của Tỉnh

Nhận thức được vai trò quan trọng của nước tưới trong phát triển cây trồng và khả năng sử dụng thủy năng của các dòng suối để cấp nước tưới phục vụ sản xuất cho đồng bào trên các vùng núi của Tỉnh, các mẫu máy bơm nước sử dụng thủy năng của dòng suối phục vụ tưới cây phù hợp với điều kiện địa hình vùng núi của tỉnh đã được trường Đại học Nha Trang nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng khá thành công

Tuy nhiên, các Bơm thủy năng hiện nay vẫn còn một số hạn chế: hiệu suất sử dụng nước chưa cao do hình dáng, kết cấu của phần tạo động lực sinh ra mômen để quay bơm vẫn chưa được hợp lí dẫn đến giảm công suất của bơm Mặt khác, kích cỡ của bơm tương đối cồng kềnh, tăng chi phí vật liệu, chi phí gia công chế tạo bơm dẫn đến giá thành của bơm còn khá cao Vì vậy việc áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối

ưu kết cấu bộ dẫn động của Bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành bơm hiện đang là vấn đề cấp thiết

Trong đề tài luận văn tập trung đi nghiên cứu mẫu bơm sử dụng cho những trang trại với những dòng suối nhỏ, dòng chảy của suối thấp không ổn định Mẫu bơm phù hợp với qui mô trang trại là mẫu bơm đặt gần bờ, trên dòng suối có xây đập tràn Đập tràn có tác dụng chứa nước khi dòng chảy thấp và xả tràn nước khi lượng nước của suối nhiều giúp ổn định được lưu lượng nước dẫn và đảm bảo an toàn cho bơm

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của Bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành Bơm thủy năng

xii

Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài có sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản sau:

- Phương pháp điều tra thực tế và tổng quan tài liệu để xác định chi tiết mục tiêu

nghiên cứu

- Phương pháp mô hình hóa để tối ưu hóa kết cấu bộ dẫn động

- Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng và hoàn chỉnh kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của Bơm thủy năng cho thấy cùng một khối lượng vật liệu giống nhau, khi thiết kế chế tạo bơm theo hướng đã được tối ưu sẽ giúp tăng mô men để quay bơm lên 1.2 lần so với mẫu bơm đã được chế tạo và đi vào hoạt động trước đó

Về mặt thực nghiệm cũng cho thấy kết quả tính toán trên lý thuyết tương đối phù hợp với việc thử nghiệm mô hình tối ưu thực tế So sánh lưu lượng nước bơm được giữa mẫu bơm chưa tối ưu và mẫu bơm đã được tối ưu cho thấy lưu lượng nước bơm được của mẫu bơm tối ưu (Q = 8512.3(lít/ngày) cao hơn 1.2 lần mẫu bơm chưa

được tối ưu (Q = 7149 lít/ngày)

Đề tài đã xác định được hình dạng cánh mới tốt hơn hình dạng cánh ban đầu Mặt khác đã tìm ra được số lượng cánh phù hợp đảm bảo đạt được ngưỡng mô men lớn nhất

để quay bơm Từ đó giúp cho nâng cao hiệu quả sử dụng nước cũng như nâng cao được lưu lượng của bơm Qua đó giúp giảm số lượng cánh không cần thiết, tiết kiệm chi phí vật liệu, giảm chi phí gia công, nâng cao khả năng hoạt động hiệu quả của bơm

Kết luận và khuyến nghị

Trong phạm vi đề tài đi nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng với mô hình bơm đặt gần bờ ứng dụng qui mô trang trại với những dòng suối nhỏ và tốc độ dòng chảy thấp, không ổn định Hiện tại thực tế vẫn còn một số mẫu bơm đặt giữa dòng ứng với các dòng suối lớn kết cấu tương đối cồng kềnh và hiệu quả hoạt động vẫn chưa cao Qua đây tác giả xin đề xuất tiếp tục áp dụng lý thuyết được sử dụng trong đề tài để đi xây dựng tối ưu cho mô hình bơm giữa dòng và các mẫu bơm khác

Ái và Thuận Bắc của tỉnh Ninh Thuận, phía Tây Nam giáp huyện Lạc Dương của tỉnh Lâm Đồng, phía Đông giáp Biển Đông Tỉnh lỵ của Khánh Hòa là thành phố Nha Trang, cách Thành phố Hồ Chí Minh 447 km và cách thủ đô Hà Nội 1.278 km đường

bộ Khánh Hòa có diện tích tự nhiên là 5.197 km² Phần đất liền của tỉnh nằm kéo dài

từ tọa độ địa lý 12°52’15" đến 11°42’50" vĩ độ Bắc và từ 108°40’33" đến 109°27’55" kinh độ Đông Là một tỉnh nằm sát dãy núi Trường Sơn, đa số diện tích Khánh Hòa là núi non, miền đồng bằng rất hẹp, chỉ khoảng 400 km², chiếm chưa đến 1/10 diện tích toàn tỉnh Miền đồng bằng lại bị chia thành từng ô, cách ngăn bởi những dãy núi ăn ra biển Do đó để đi suốt dọc tỉnh phải đi qua rất nhiều đèo như đèo Cả, đèo Cổ Mã, đèo Chín Cụm, đèo Bánh Ít, đèo Rọ Tượng, đèo Rù Rì [6]

Tỉnh Khánh Hoà có hai huyện miền núi là Khánh Sơn, Khánh Vĩnh và một số

xã miền núi của các huyện Cam Ranh, Diễn Khánh, Ninh Hoà, Vạn Ninh, có diện tích

tự nhiên là 290.500 ha, chiếm 63,5% của tỉnh Toàn tỉnh có 49 xã thuộc khu vực miền núi, vùng cao, do điều kiện tự nhiên, những con suối được hình thành tại các huyện miền núi này, hầu hết nước sinh hoạt của những người dân vùng cao đều lấy tại các con suối này Sông suối ở Khánh Hòa nhìn chung ngắn và dốc, cả tỉnh có khoảng 40 con sông dài từ 10km trở lên, tạo thành một mạng lưới sông suối phân bố khá dày Hiện nay có 32 dân tộc đang sinh sống trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa, trong đó dân tộc Kinh chiếm 95,3% sống phân bố đều khắp huyện, thị, thành phố, nhưng tập trung nhiều nhất vẫn là các vùng đồng bằng, thành phố, thị xã, thị trấn Dân tộc Raglai chiếm 3,4% sống tập trung chủ yếu ở hai huyện Khánh Sơn, Khánh Vĩnh trong các bản làng (palây) Dân tộc Hoa chiếm 0,86% sống chủ yếu ở Nha Trang và Ninh Hòa Các nhóm chính khác gồm Cơ-ho chiếm 0,34%, Ê-đê chiếm 0,25% Ngoài ra, còn có các

2

dân tộc Tày, Nùng, Mường, Chăm Người Chăm là cư dân bản địa ở Khánh Hòa Tuy nhiên do những điều kiện lịch sử, từ giữa thế kỷ XVII về sau này, người Chăm ở Khánh Hòa lần lượt di chuyển vào các tỉnh phía Nam Vì vậy mà ngày nay, người Chăm ở Khánh Hòa còn lại số lượng không đáng kể

Khánh Hòa nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới xavan Song khí hậu Khánh Hòa có những nét biến dạng độc đáo với các đặc điểm riêng biệt So với các tỉnh, thành phía Bắc từ Đèo Cả trở ra và phía Nam từ Ghềnh Đá Bạc trở vào, khí hậu ở Khánh Hòa tương đối ôn hòa hơn do mang tính chất của khí hậu đại dương Thường chỉ có 2 mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa nắng Mùa mưa ngắn, từ khoảng giữa tháng 9 đến giữa tháng 12 dương lịch, tập trung vào 2 tháng 10 và tháng 11, lượng mưa thường chiếm trên 50% lượng mưa trong năm Những tháng còn lại là mùa nắng, trung bình hàng năm có tới 2.600 giờ nắng Nhiệt độ trung bình hàng năm của Khánh Hòa cao khoảng 26,7°C riêng trên đỉnh núi Hòn Bà (cách Nha Trang 30 km đường chim bay)

có khí hậu như Đà Lạt Độ ẩm tương đối khoảng 80,5%

Từ tháng 1 đến tháng 8, có thể coi là mùa khô, thời tiết thay đổi dần Những tháng đầu mùa, trời mát, nhiệt độ từ 17-25°C, nhưng từ tháng 5 đến tháng 8 trời nóng nực, nhiệt độ có thể lên tới 34°C (ở Nha Trang) và 37-38°C (ở Cam Ranh) Tháng 9 đến tháng 12, được xem như mùa mưa, nhiệt độ thay đổi từ 20-27°C (ở Nha Trang) và 20-26°C (ở Cam Ranh) Khánh Hòa là vùng ít gió bão, tần số bão đổ bộ vào Khánh Hòa thấp chỉ có khoảng 0,82 cơn bão/năm so với 3,74 cơn bão/năm đổ bộ vào bờ biển Việt Nam Các trận bão được dự đoán sẽ đổ bộ vào Khánh Hòa trong những năm gần đây thường lệch hướng vào Nam hoặc tan ngay khi gần vào bờ Tuy vậy, do địa hình sông suối có độ dốc cao nên khi có bão kèm theo mưa lớn, làm nước dâng cao nhanh chóng, trong khi đó sóng bão và triều dâng lại cản đường nước rút ra biển, nên thường gây ra lũ lụt

Cây công nghiệp ngắn ngày được trồng nhiều nhất là cây mía, sau đó là đậu phộng, cây lương thực được trồng nhiều nhất trong tỉnh là cây khoai mì và cây bắp Việc trồng cây bắp đã mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều hộ đồng bào dân tộc thiểu

số ở huyện Khánh Vĩnh

Ta thấy được rằng, mức nước cũng như tốc độ dòng chảy của suối vào mùa mưa và mùa nắng là hoàn toàn khác nhau, về mùa mưa nước nhiều và chảy mạnh, mùa

3

nắng suối cạn, tốc độ dòng chảy chậm, để tăng dòng chảy của suối về mùa nắng ta phải tiến hành dẫn dòng

1.2 Tổng quan về bơm nước sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy [5]

1.2.1 Bơm cọn nước vùng cao

a Nguyên lý hoạt động của cọn nước

- Tận dụng sức đẩy của dòng chảy người dân ở các huyện vùng núi đã biết chế tạo ra những chiếc bơm cọn nước, dùng chính năng lượng của dòng nước để làm quay guồng

Hình 1.1: Bơm cọn nước

Nhờ lực đẩy của dòng nước tác dụng lên cánh của cọn nước làm cọn nước quay, các ống nước thường được lắp trên mỗi cánh quạt nước, khi cọn nước quay thì các ống nước thay nhau múc nước và đổ vào máng Quan trọng nhất đối với mỗi chiếc cọn nước là việc đặt và bố trí những ống đựng nước trên thân cọn Thông thường mỗi ống đựng nước thường được buộc kèm chéo theo mỗi cánh quạt nước và phải buộc tất

cả các ống cùng nghiêng một độ nhất định thì mới khiến cọn không bị lỗi nhịp khi guồng nước

+ Lưu lượng nước thấp

+ Chỉ đưa được nước từ nơi có vị trí cao đến nơi có vị trí thấp

1.2.2 Bơm va

a Nguyên lý làm việc

Bơm va (hay còn gọi là bơm nước va) là một thiết bị bơm nước lên cao bằng cách dùng hiệu ứng nước va, trực tiếp biến năng lượng cột nước thấp thành năng lượng cột nước cao (tối đa tới 130m) Dùng loại máy bơm này, người sử dụng có thể đưa nước từ sông suối lên phục vụ cho các vùng đất dốc (có độ cao 30- 80m) Bơm va có

10 bộ phận chính sau: đường ống nước vào, cụm van 1 chiều, cửa làm vệ sinh máy, bình tích áp, đường ống bơm lên, cụm van va, cần khởi động, đế máy và thân bơm va Hiện có 4 loại bơm va chính có ký hiệu: HBIL 840, HBIL 630, HBIL 420 và BV 2000

Hình 1.2: Cấu tạo bơm va

5

Về nguyên lý hoạt động, khi chưa khởi động, nước từ bể áp lực theo đường ống

áp lực vào bình điều áp, rồi ép không khí lại với áp lực ban đầu bằng áp lực thuỷ tĩnh

Để khởi động, chỉ cần ấn cho van mở ra, dưới tác động của đầu nước, nước sẽ trào ra khiến lưu lượng nước qua cửa van tăng dần Khi tốc độ đạt đến mức độ nhất định, nước kéo van va lên, van va đóng lại và trong hệ thống van va sẽ xảy ra hiện tượng nước va Lúc này, áp lực tăng lên, van được mở để đẩy nước ra, nước theo quán tính

và áp lực chảy vào bình điều áp ép không khí lại, nước sẽ theo đường ống đẩy dâng lên

và chảy ra bể xả Cứ như vậy, sau một thời gian, ở pha âm van đẩy đóng lại, van va

mở ra, nước trào ra và tốc độ chảy trong đường ống tăng dần Khi tốc độ đạt đến mức nhất định, van va đóng lại, van đẩy mở ra và quá trình được lặp lại tự động theo một chu kỳ nhất định

Hình 1.3 Bơm va + Ưu điểm:

- Cột áp cao

- Dễ vận hành

- Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

+ Nhược điểm:

- Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác

- Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác

- Phải xây ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

- Phù hợp với dòng suối sâu

6

1.2.3 Bơm thủy luân

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm

Bơm thuỷ luân (hay còn gọi là bơm tua bin) Loại bơm này thực chất là một thiết bị gồm bơm và tua - bin, trong đó cánh bơm và cánh tua- bin được lắp đặt trên cùng một trục, năng lượng của nước làm quay cánh tua- bin, kéo theo cánh bơm cũng quay và đưa nước lên cao Tua- bin của bơm thuỷ luân là loại tua- bin hướng trục, ly tâm Ngoài những nguyên lý trên, bơm thuỷ luân có một số ưu điểm chính: tua- bin và bơm là một khối thống nhất, nội dung một trục nên tiết kiệm được cơ cấu truyền chuyển động mà kết cấu rất chặt chẽ Do máy bơm làm việc ở trong nước nên tiết kiệm được các thiết bị và thủ tục mồi nước ban đầu, hơn nữa vì máy bơm không có quá trình hút nước, do đó máy rất ít bị hư hỏng Công suất trục của máy bơm được thiết kế bằng công suất trục của tua- bin, nên khi làm việc, nếu phụ tải của máy bơm thay đổi, bộ phận trong tua- bin sẽ tự động điều chỉnh tốc độ cho phù hợp Còn về bản chất, tua- bin và máy bơm giống như máy phát điện và động cơ điện, đây là đặc điểm rất phù hợp cho việc lắp đặt máy móc trên địa hình các tỉnh miền núi Bơm có khả năng đưa nước lên độ cao 10- 15m

Hình 1.4: Bơm thủy luân

7

Cấu tạo: Bao gồm các cụm chính

- Cụm tuabin hướng trục – bánh công tác tua bin - buồng tua bin

- Cụm bơm ly tâm – bánh công tác bơm - buồng bơm

- Cụm ổ bi, ổ bạc đỡ trục

Nguyên lý làm việc: Bơm thủy luân thường làm việc ngập dưới nước Nước

chảy qua tua bin làm quay bánh công tác tua bin đồng thời làm quay bánh công tác bơm ly tâm (do nối liền trục) – bơm quay tạo sức ly tâm đưa nước lên cao

b Ưu và nhược điểm của bơm

- Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác

- Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác

- Phải ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

- Bảo trì khó và tốn kém

1.2.4 Bơm bánh xe xoắn ốc

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1.5: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc

Máy bơm gồm các bộ phận: bánh xe bơm, cuộn ống, vòng xoắn ốc, gầu múc, khung bơm, bàn đạp quay bơm, trục bơm, phao nổi, gối đỡ đầu trục bơm, ống khít quay (đây là bộ phận liên kết để chuyền nước từ trục bơm vào ống dẫn nước lên cao)

8

Máy bơm có hình dáng giống như guồng nước (từng được người dân vùng cao sử dụng để đưa nước lên ruộng) nhưng trên guồng máy bơm gắn thêm các cuộn ống nước xếp hình xoắn ốc

Hình 1.6: Bơm bánh xe xoắn ốc Nguyên lý hoạt động: Đặt xuống suối, guồng tự quay theo sức đẩy của nước,

mỗi vòng sẽ lấy một lượng nước và không khí vào ống cuộn Cứ theo các vòng quay của guồng, lượng nước và không khí liên tục đi vào ống sẽ dồn ép tạo ra áp suất lớn nhất ở vòng quay cuối cùng, đẩy nước phụt qua ống xả lên cao Trục bơm luôn quay còn ống dẫn nước lên cao phải cố định; ống khít quay được cấu tạo đặc biệt để nước tuy dưới áp suất lớn nhưng không bị phụt rỉ ra ngoài Vỏ ống khít quay làm bằng thép hoặc nhựa, các bộ phận liên kết được chế tạo bằng cao su, đồng, thép không gỉ; hai ổ

bi là loại có chất lượng cao, ngăn được nước không vào bi, không phải bơm mỡ

b Ưu và nhược điểm

+ Ưu điểm:

- Cột áp cao

- Dễ vận hành

- Thích hợp với nhiều địa hình

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Kinh phí thấp vì có thể chế tạo bằng những vật liệu rẻ tiền như gỗ, tre…

- Tính cơ động cao

9

+ Nhược điểm:

- Lưu lượng thấp hơn bơm va và bơm thủy luân

- To, cồng kềnh hơn các loại trên

tự do mà không ảnh hưởng đến các đường ống xả Nước chảy qua các cánh quạt ở phía trước bơm trong chuyển động quay Bơm được giữ cố định bằng một hoặc hai dây cáp

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động bơm cáp treo

10

Cấu tạo của bơm cáp treo cơ bản gồm có thân bơm hình nón thường được làm bằng nhựa, cánh quạt được làm bằng nhôm, cuộn ống, ống khít quay (bạc chà), dây cáp giữ bơm Nguyên lý hoạt động của bơm cáp treo cũng tương tự của bơm bánh xe xoắn ốc

b Ưu nhược điểm của bơm

- Lưu lượng thấp hơn cá loại bơm trên

- Không thích hợp với địa hình gồ ghề

- Cánh quạt dễ bị vướng mắc bởi các vật trên dòng suối nên phải theo dõi thường xuyên

- Vì được cố định bằng sợi cáp ở giữa dòng nên tính ổn định lâu dài không cao

Thông qua đặc điểm của các dòng suối tự chảy cũng như địa hình và yêu cầu tưới tiêu của các huyện vùng núi tỉnh Khánh Hòa ta đưa ra được cách chọn loại bơm sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy là tốt nhất, phù hợp nhất thỏa mãn các yêu cầu:

+ Giá thành bơm rẻ, vì người dân ở các khu vực miền núi thường có kinh tế khó khăn + Dễ lắp đặt, sử dụng và bảo trì, vì trình độ người dân còn hạn chế và các thiết

bị kỹ thuật ít

+ Bơm phải có khả năng đưa được nước lên cao và lưu lượng ổn định

 Từ các yêu cầu trên chúng ta có thể chọn được loại bơm sử dụng năng lượng dòng suối phù hợp nhất đó là bơm xoắn ốc

1.3 Mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Lý do thực hiện đề tài

Miền núi tỉnh Khánh Hoà gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh và một số

xã thuộc các huyện Cam Ranh, Cam Lâm, Ninh Hoà và Vạn Ninh với diện tích tự nhiên khoảng 290.500ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh Với đặc trưng là vùng đồi

11

cao khá khô hạn mặc dù sen lẫn nhiều dòng suối nhỏ ít nước về mùa khô nhưng khá hung hãn về mùa mưa Do khó khăn về khả năng tài chính và tập quán canh tác còn khá lạc hậu nên việc tưới nước phục vụ trồng trọt cho các vùng miền núi của tỉnh cơ bản nhờ mưa tự nhiên Chính hạn chế này đã làm giảm năng suất cây trồng và tạo không ít khó khăn cho công cuộc phát triển kinh tế - xóa đói giảm nghèo cho cư dân

miền núi của Tỉnh

Nhận thức được vai trò quan trọng của nước tưới trong phát triển cây trồng và khả năng sử dụng thủy năng của các dòng suối để cấp nước tưới phục vụ sản xuất cho đồng bào trên các vùng núi của Tỉnh, các mẫu máy bơm nước sử dụng thủy năng của dòng suối phục vụ tưới cây phù hợp với điều kiện địa hình vùng núi của tỉnh đã được trường Đại học Nha Trang nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng khá thành công

Về mặt tổng quan kết cấu bơm đã đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật Tuy nhiên, các bơm thủy năng hiện nay nói chung và loại bơm đặt gần bờ nói riêng vẫn còn một số hạn chế: hiệu suất sử dụng nước chưa cao do hình dáng, kết cấu của phần tạo động lực (ở đây chính là những cánh bơm) sinh ra mômen để quay bơm vẫn chưa được hợp lí dẫn đến giảm công suất của bơm Mặt khác, kích cỡ của bơm tương đối cồng kềnh, tăng chi phí vật liệu, chi phí gia công chế tạo bơm dẫn đến giá thành của bơm còn khá cao Vì vậy việc áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành Bơm hiện đang là vấn đề cấp thiết Với ý tưởng tạo lập cơ sở khoa học tin cậy trên cơ sở các thành tựu mới về khoa học thiết kế máy, Tác giả xin chọn đề tài nghiên cứu nêu trên

để nghiên cứu phục vụ đề tài tốt nghiệp ngành kỹ thuật cơ khí

1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu

Áp dụng lý thuyết tối ưu để thiết kế tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động & hạ giá thành sản phẩm

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau như phương pháp điều tra thực tế và tổng quan tài liệu, phương pháp mô hình hóa, phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp điều tra thực tế và tổng quan tài liệu để xác định chi tiết mục tiêu nghiên cứu

12

- Phương pháp mô hình hóa để tối ưu hóa kết cấu bộ dẫn động

- Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng và hoàn chỉnh kết quả nghiên cứu

1.3.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung luận văn được kết cấu thành 5 chương cụ thể như sau :

Chương 1 : Tổng quan

Nội dung chương trình bày những vấn đề tổng quan về thủy văn và tình hình trồng cây công nghiệp của vùng núi tỉnh Khánh Hòa, tổng quan về bơm nước sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy, tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu, lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu, phương pháp, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chương 2 : Cơ sở khoa học và lý thuyết để thiết kế tối ưu

Nội dung chương trình bày tổng quan về tối ưu hóa và cơ sở lý thuyết về mô phỏng CFD, trong đó có giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys

Chương 3 : Tối ưu hóa

Nội dung chương trình bày tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu; tính toán, mô phỏng xác định biên dạng cánh bơm tối ưu và tối ưu số lượng cánh, bề rộng của guồng bơm

Chương 4 : Thực nghiệm kiểm chứng

Nội dung chương đi thực nghiệm kiểm chứng mẫu bơm tối ưu nhằm khẳng định

lại kết quả nghiên cứu trong đề tài

Chương 5 : Kết luận và đề xuất

Nội dung chương trình bày các kết luận và khuyến nghị rút ra trong quá trình thực hiện đề tài

1.3.5 Phạm vi nghiên cứu

Kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng phục vụ tưới cây cho vùng núi tỉnh

Khánh Hòa qui mô trang trại

13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ LÝ THUYẾT ĐỂ THIẾT KẾ TỐI ƯU

2.1 Tổng quan về tối ưu hóa

Trong lĩnh vực thiết kế kết cấu hiện nay, ngoài các yêu cầu về độ bền, độ cứng, độ

ổn định, đảm bảo được nhiệm vụ đặt ra người thiết kế phải thiết kế được kết cấu sao cho

chi phí vật liệu là nhỏ nhất, giá thành thấp nhất, trọng lượng toàn kết cấu là bé nhất…Với

yêu cầu như vậy, việc tính toán kết cấu theo lý thuyết tối ưu là hết sức cần thiết

2.1.1 Các phương pháp cơ bản [2] [3]

Cho đến nay, xét trên cả cơ sở lý luận cũng như ứng dụng tính toán, có thể phân

ra hai dòng phương pháp chính để giải bài toán tối ưu hóa kết cấu, đó là lý thuyết quy

hoạch toán học và tiêu chuẩn tối ưu

* Phương pháp quy hoạch toán học

Thiết kế tối ưu kết cấu thực chất là bài toán xác định đặc điểm hình học hợp lí

của kết cấu thỏa mãn một số điều kiện ràng buộc và đảm bảo một số tiêu chuẩn nào

đó, là lớn nhất hay bé nhất Nói cách khác, bài toán thiết kế tối ưu nói chung và tối ưu

kết cấu nói riêng có thể phát biểu như sau:

Tìm tập hợp các giá trị X = (x1, x2,…,xn) để sao cho hàm số Z = f(x1, x2, …, xn)

đạt cực trị (cực đại hay cực tiểu), đồng thời thỏa mãn các điều kiện sau [2] [3]:

Trong đó, hàm Z gọi là hàm mục tiêu, điều kiện (2.1) là hệ các ràng buộc gồm

nhiều hàm ràng buộc Riêng đối với bài toán bài toán tối ưu hóa kết cấu, hàm mục tiêu

Z có thể là trọng lượng, giá thành …, các hàm ràng buộc có thể là ràng buộc về độ

bền, độ cứng, độ ổn định hoặc điều kiện cân bằng v.v…, còn xi

min, xi max

là giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất của biến thiết kế, có thể là các kích thước kết cấu

14

Khi đó, tập hợp giá trị X = (x1, x2, …, xn) thỏa mãn tất cả điều kiện ràng buộc gọi là một phương án, còn phương án làm hàm Z đạt cực trị (cực đại hay cực tiểu) là phương án tối ưu hoặc nghiệm bài toán và mục tiêu của bài toán thiết kế tối ưu kết cấu

là tìm ra phương án tối ưu, tức là nghiệm bài toán Miền tập hợp tất cả phương án gọi

là miền nghiệm hay gọi là không gian biến thiết kế

Bài toán được mô tả như trên được gọi là một quy hoạch toán học, đặc điểm chung của phương pháp này là xuất phát từ một điểm X0 ban đầu trong miền nghiệm (D), từ đó tìm hướng đi đến một nghiệm mới X1 tốt hơn, từ nghiệm X1 mới tìm được tiếp tục tìm hướng đi đến nghiệm X2 tốt hơn X1 và cứ như vậy đến khi tìm được một nghiệm thỏa mãn giá trị hàm Z là lớn nhất (hay nhỏ nhât) mà vẫn thỏa mãn các ràng buộc thì dừng lại

* Phương pháp tiêu chuẩn tối ưu

Đây là phương pháp gián tiếp dựa trên phương pháp nhân tử lagrange, phương pháp này có ưu điểm là cho kết quả chính xác, biểu diễn toán học chặt chẽ nhưng phạm vi áp dụng chủ yếu là các bài toán có hàm ràng buộc là các phương trình

2.1.2 Phân loại các bài toán tối ưu

* Phân loại theo mức độ tuyến tính: Tùy vào hàm mục tiêu và hàm ràng buộc mà người ta phân ra làm hai loại chính là quy hoạch phi tuyến và quy hoạc tuyến tính

+ Tối ưu hóa tuyến tính: Hàm Z và g (hàm ràng buộc) đều tuyến tính và thường được biểu diễn dưới dạng:

+ Tối ưu hóa phi tuyến: Có ít nhất một hàm Z hoặc g là phi tuyến

* Phân loại theo số biến:

+ Tối ưu hóa hàm một biến: chỉ có một biến thiết kế

+ Tối ưu hóa hàm nhiều biến: chỉ có một biến thiết kế

15

* Phân loại theo điều kiện ràng buộc:

+ Tối ưu hóa có ràng buộc: bài toán có cả hàm mục tiêu và hàm ràng buộc + Tối ưu hóa hàm nhiều biến: chỉ có hàm mục tiêu, không có hàm ràng buộc Thực chất bài toán này là bài toán tìm cực trị của hàm mục tiêu

* Phân loại theo tính liên tục của biến thiết kế:

+ Biến thiết kế liên tục: biến nhiệt độ, vận tốc …

+ Biến thiết kế rời rạc: Biến diện tích tiết diện, biến mômen kháng uốn

* Phân loại theo tính tường minh của hàm ràng buộc:

+ Hàm ràng buộc tường minh: Có thể lập được phương trình của hàm ràng buộc với các biến đầu vào

+ Hàm ràng buộc không tường minh: Không lập được hàm ràng buộc tường minh với các biến đầu vào

2.1.3 Đặc điểm của bài toán tối ưu hóa kết cấu

Tối ưu hóa kết cấu có một số đặc điểm sau:

+ Tính phi tuyến: Có thể là tuyến tính (Bài toán dàn, khung đơn giản) nhưng đa

số là phi tuyến (bài toán thanh, khung, tấm …)

+ Tính tường minh: Có thể tường minh (Bài toán dàn) nhưng đa số không thể viết hàm ràng buộc tường minh

+ Tính đa biến: Chủ yếu là tối ưu hóa hàm nhiều biến

+ Tính rời rạc của biến: Chủ yếu là biến rời rạc

2.1.4 Ưu nhược điểm của các phương pháp tối ưu kết cấu hiện nay

- Phương pháp tìm kiếm trực tiếp:

+ Thuận lợi khi giải bài toán tối ưu rời rạc

+ Tối ưu được bài toán tuyến tính lẫn phi tuyến

+ Không cần hàm ràng buộc tường minh

+ Chắc chắn tìm được nghiệm tối ưu toàn miền + Tốc độ tính toán rất chậm, thời gian tối ưu rất lâu

16

- Phương pháp đồ thị:

+ Chỉ tối ưu tuyến tính, bài toán tối đa hai biến

+ Tìm được nghiệm tối ưu toàn miền + Phải vẽ đồ thị, chỉ tối ưu kết cấu đơn giản (bài toán dàn đơn giản) + Không thể tự động hóa quá trình tối ưu

- Phương pháp đơn hình: được cải tiến từ phương pháp đồ thị

+ Chỉ tối ưu tuyến tính, có thể tối ưu hàm nhiều biến

+ Tìm được nghiệm tối ưu toàn miền + Phải lập bảng, chỉ tối ưu kết cấu đơn giản (bài toán dàn đơn giản) + Có thể tự động hóa quá trình tối ưu

- Phương pháp gradien:

+ Có thể tối ưu phi tuyến, có thể tối ưu hàm nhiều biến

+ Chỉ tìm được tối ưu toàn miền khi miền nghiệm lồi (trong bài toán kết cấu đa số miền nghiệm không lồi)

+ Độ chính xác và tốc độ tối ưu phụ thuộc nghiệm ban đầu lựa chọn

- Phương pháp nhân tử Lagrange

+ Có thể tối ưu phi tuyến, có thể tối ưu hàm nhiều biến

+ Tìm được nghiệm toàn miền + Đòi hỏi các hàm phải tường minh + Độ chính xác tối ưu thấp

- Phương pháp tuyến tính hóa

+ Có thể tối ưu phi tuyến, có thể tối ưu hàm nhiều biến

+ Tìm được nghiệm toàn miền + Đòi hỏi các hàm phải tường minh + Độ chính xác tối ưu thấp

17

- Phương pháp sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo (logic mờ, di truyền)

+ Có thể tối ưu phi tuyến, có thể tối ưu hàm nhiều biến

+ Tìm được nghiệm toàn miền + Không cần các hàm phải tường minh + Tốc độ tối ưu không xác định được, mang tính ngẫu nhiên

Ngoài các phương pháp kể trên, còn rất nhiều phương pháp nhưng chủ yếu được xây dựng trên cơ sở các phương pháp này nên ưu nhược điểm cũng tương tự Có thể kể thêm các phương pháp như: Newton, hàm phạt, hàm rào chắn… Bên cạnh đó, vẫn còn chưa kể đến một số phương pháp dùng cho bài toán tối ưu một biến như: Chia đôi, mặt cắt vàng, xấp xỉ bậc hai, Nelder Mead …

2.1.5 Đặc điểm của bài toán tối ưu kết cấu bộ dẫn động của bơm thủy năng

Do đặc điểm kết cấu đặc trưng cũng như yêu cầu tính toán của bơm nên đây là bài toán tối ưu hóa nhiều biến, đa mục tiêu Cho tới thời điểm hiện nay, hàng chục phương pháp giải bài toán qui hoạch tuyến tính đa mục tiêu đã được đề cập tới trong các tạp chí chuyên ngành, mà đa số chúng đều có những ứng dụng rất thành công trong nhiều lĩnh vực, như: phương pháp tham số, phương pháp nón pháp tuyến, phương pháp véc tơ cực đại, phương pháp trọng số tương tác của Chebysev, phương pháp thỏa dụng mờ tương tác của Nguyễn Hải Thanh Trong phạm vi luận văn này sẽ trình bày phương pháp giải bài toán tối ưu hàm nhiều biến, đa mục tiêu bằng cách sử dụng phương pháp thỏa dụng mờ tương tác của Nguyễn Hải Thanh

2.1.6 Mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu [4]

Phát biểu mô hình

Trong các bài toán kĩ thuật, công nghệ, quản lí, kinh tế nông nghiệp v.v nảy sinh từ thực tế, chúng ta thường phải xem xét để tối ưu hoá đồng thời một lúc nhiều mục tiêu Các mục tiêu này thường là khác về thứ nguyên, tức là chúng được đo bởi các đơn vị khác nhau Những tình huống như vậy tạo ra các bài toán tối ưu đa mục tiêu Như vậy, chúng ta cần phải tối ưu hoá (cực đại hoá hoặc cực tiểu hoá tuỳ theo tình huống thực tế) không phải là chỉ một mục tiêu nào đó, mà là đồng thái tất cả các mục tiêu đã đặt ra

18

Bài toán tối ưu đa mục tiêu mà trong đó miền ràng buộc D là tập lồi đa diện và các mục tiêu zi = fi (X), với i = 1, 2,…, p, là các hàm tuyến tính xác định trên D, được gọi là bài toán quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu Khi đó, ta có mô hình toán học sau đây được gọi là mô hình quy hoạch tuyến tính đa mục tiêu:

Max C.X với ràng buộc X D, trong đó:

cụ định lượng chủ yếu nhất của quá trình ra quyết định"

Hiện tại các tài liệu, sách chuyên khảo, tạp chí cập nhật về lĩnh vực liên ngành Toán, Tin, Khoa học quản lí, Công nghệ, Kinh tế, Điện, Cơ khí nông nghiệp, đề cập rất nhiều tới bài toán tối ưu đa mục tiêu Vấn đề nghiên cứu cơ sở lí thuyết, thuật toán, lập mô hình, xây dựng hệ máy tính trợ giúp quyết định, và áp dụng các mô hình tối ưu

đa mục tiêu cho các quá trình công nghệ, quản lí, tính toán là một vấn đề liên ngành được rất nhiều nhà khoa học và kĩ sư thực hành quan tâm

Phương án tối ưu Pareto [4]

Khái niệm then chốt trong tối ưu hoá đa mục tiêu là khái niệm phương án tối ưu Pareto Định nghĩa: Một phương án tối ưu Pareto X* có tính chất sau đây:

- Trước hết nó phải thuộc vào miền các phương án khả thi của bài toán, tức là phải thỏa mãn tất cả các ràng buộc: X* D

- Với mọi phương án khả thi khác X D mà có một mục tiêu nào đó tốt hơn (fi(X) tốt hơn fi(X*) thì cũng phải có ít nhất một mục tiêu khác xấu hơn (fj(X) xấu hơn fj(X*), j # i)

a Bước khởi tạo

+ Nhập số liệu cho các hàm mục tiêu tuyến tính zi (i = 1, 2, ,p) và m điều kiện

ràng buộc

+ Giải BTQHTT cho từng mục tiêu zi (i = 1, 2, , p) với m ràng buộc ban đầu, thu được các phương án tối ưu X1, X2, , Xp (nếu với một mục tiêu nào đó bài toán không cho phương án tối ưu thì cần xem xét để chỉnh sửa lại các điều kiện ràng buộc ban đầu)

+ Tính giá trị hàm mục tiêu tại p phương án X1, X2, ,Xp

+ Lập bảng pay-off Xác định giá trị cận trên Zi

B

và giá trị cận dưới Zi

w của hàm mục tiêu zi (i=1,2,3…,p)

+ Xác định các hàm thoả dụng mờ μ1(z1), μ2(z2),…, μp(zp) cho từng mục tiêu dựa vào thông tin từ bảng pay-off theo công thức:

20

Bước 2:

- Giải bài toán qui hoạch tuyến tính với hàm mục tiêu tổ hợp và m ràng buộc ban đầu để tìm được phương án tối ưu của bước lặp thứ k là X(k) và giá trị của các hàm mục tiêu zi cũng như của các hàm thoả dụng μi(zi) với (i = 1, 2,…, p)

- Nếu người ra quyết định cảm thấy chưa thoả mãn với các giá trị đạt được của các hàm mục tiêu cũng như của các hàm thoả dụng thì phương án thu được X(k) chưa phải là phương án tối ưu thoả mãn nhất Đặt k:= k + 1, quay về bước 1

- Nếu người ra quyết định đã cảm thấy thoả mãn thì phương án thu được là X(k) Chuyển sang bước 3

- Bước 3: Kết thúc

2.2 Cơ sở lý thuyết về mô phỏng CFD

CFD-Computational Fluid Dynamics là phương pháp tính xây dựng trên cơ sở kết hợp phương pháp số và công nghệ mô phỏng trên máy tính để giải quyết các bài toán liên quan đến các yếu tố chuyển động của dòng lưu chất quanh vật thể, các yếu tố chuyển động của môi trường, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính động lực học hoặc khí động lực học, đặc tính lực, hoặc đặc tính lực moment và tương tác của các môi trường với nhau phụ thuộc vào từng đối tượng và phạm vi cụ thể của từng vấn đề, từng lĩnh vực khoa học mà CFD có thể ứng dụng được CFD ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực kỹ thuật, y học, sinh học, khí tượng

Bản chất vật lý của bất kỳ dòng lưu chất nào đều được kiểm soát bởi ba nguyên lý cơ bản sau: Nguyên lý bảo toàn khối lượng

1 Định luật 2 Newton F = ma

2 Nguyên lý bảo toàn năng lượng

Các nguyên lý cơ bản này đều được biểu thị dưới dạng tổng quát là những phương trình đạo hàm riêng Cơ sở lý thuyết CFD là giải các phương trình chủ đạo gồm phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình năng lượng

2.2.1 Những phương trình chủ đạo của CFD

Những phương trình cơ bản trong mô phỏng:

Các phương trình trên không đủ khép kín để giải do số ẩn lớn hơn số phương trình Vì vậy, bổ sung thêm mô hình rối k-ε Mô hình k-ε là mô hình cơ bản dựa trên các phương trình vận chuyển cho dòng động năng rối (k) và tốc độ tiêu tán rối (ε) [10]

 k ku t gradk Gk

t

k

22

Trong đó:

Hệ số nhớt rối

2 t

k

C

  

 và hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành

2.2.2 Trình tự giải bải toán CFD

- Tiền xử lý - phân tích vấn đề

- Tạo mô hình và chia lưới

- Đặt tải và điều kiện biên

- Giải

- Hậu xử lý – phân tích kết quả

2.2.3 Giới thiệu về phần mềm ANSYS FLUENT

ANSYS FLUENT là phần mềm được ứng dụng rộng rãi khắp trong mọi lĩnh

vực công nghiệp Có khả năng mô hình hóa các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt Là cầu nối giữa thí nghiệm mô hình và lý thuyết thông qua máy tính, giúp chúng ta hiểu rõ hơn quá trình vận động của dòng chảy và sự tương tác trong lý thuyết cơ học chất lỏng

Các tính năng đặc trưng cơ bản của phần mềm gồm:

+ Khả năng tạo lưới đa dạng

+ Truyền nhiệt, chuyển pha và bức xạ

+ Động lực học và lưới động

+ Tính tích hợp giữa CAD và CAE

+ Mô hình hóa nhanh

+ Xử lý kết quả

Công cụ xử lý kết quả hay còn gọi là hậu xử lý, có thể được dùng để tạo ra một giao diện đồ họa đầy đủ, hoạt hình và báo cáo để ta có một kết quả tốt, trực quan Dữ liệu có thể được xuất sang chương trình khác để tiếp tục phân tích

23

CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA

3.1 Tổng quan về mẫu bơm đi tối ưu hóa

Hiện nay Trường Đại học Nha Trang đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công 05 mẫu máy bơm nước sử dụng thủy năng của dòng suối phục vụ tưới cây phù hợp với điều kiện địa hình vùng núi của tỉnh Tùy theo từng điều kiện cũng như nhu cầu sử dụng mà người thiết kế sẽ xây dựng các phương án và lựa chọn loại bơm cho phù hợp

Trong phạm vi đề tài luận văn tập trung đi nghiên cứu mẫu bơm sử dụng cho các trang trại với những dòng suối nhỏ, dòng chảy của suối thấp không ổn định Mẫu bơm phù hợp với qui mô trang trại là mẫu bơm đặt gần bờ, trên dòng suối có xây đập tràn Đập tràn có tác dụng chứa nước khi dòng chảy thấp và xả tràn nước khi lượng nước của suối nhiều giúp ổn định được lưu lượng nước dẫn và đảm bảo an toàn cho Bơm

Hình 3.1 Bơm xoắn đặt trên bờ suối đã được chế tạo trước đó

24

3.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của bơm:

Hình 3.2: Bản vẽ cấu tạo và tang quấn ống

Nguyên lý hoạt động: Nước được dẫn từ trên đập tràn xuống đổ vào các guồng

chứa nước, nhờ trọng lượng của lượng nước chứa trong các guồng tạo ra mô men quay làm bơm tự quay, mỗi vòng sẽ lấy một lượng nước và không khí vào ống cuộn Cứ theo các vòng quay của bơm, lượng nước và không khí liên tục đi vào ống sẽ dồn ép tạo ra áp suất lớn nhất ở vòng quay cuối cùng, đẩy nước phụt qua ống xả lên cao Trục bơm luôn quay còn ống dẫn nước lên cao phải cố định; ống khít quay được cấu tạo đặc biệt để nước tuy dưới áp suất lớn nhưng không bị phụt rỉ ra ngoài Vỏ ống khít quay làm bằng thép hoặc nhựa, các bộ phận liên kết được chế tạo bằng cao su, đồng, thép không gỉ; hai ổ bi là loại có chất lượng cao, ngăn được nước không vào bi, không phải bơm mỡ

Từ kết quả đã được kiểm chứng trong nghiên cứu trước đó ta có các hàm thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số đầu vào (D, n, d, k) đến thông số đầu ra (H, Q)

Ta có các hàm sau

H = f(D), H = f(d), H = f(n), H = f(k)

Q = f(D), Q = f(d) , Q = f(n), Q = f(k)

26

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới cột áp [5]

a Tốc độ quay ảnh hưởng tới cột áp

đường kính ống d= 10 mm

0 1 2 3 4 5 6 7

27

 Hàm liên hệ: H 0,0032n 0,0656n4,723 (m) (3.1)

Nhận xét: qua đồ thì ta thấy tốc độ quay không ảnh hưởng nhiều tới cột áp, qua đây

ta cũng chọn được tốc độ tốt nhất để đạt được cột áp cao nhất đó là trong khoảng

n(6;10) vòng/phút

b Số vòng quấn ống ảnh hưởng tới cột áp

0 1 2 3 4 5 6 7

Hình 3.4: Biểu đồ liên hệ giữa ống quấn và cột áp

 Hàm liên hệ giữa cột áp và số vòng quấn

H = 0.5k - 66 (m) (3.2)

c Đường kính ống ảnh hưởng tới cột áp

ảnh hưởng giửa đường k ính ống và cột áp

Hình 3.5: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính ống và cột áp

 Hàm liên hệ giữa đường kính ống và cột áp

Hmax = 0,0337d20,2847d 4,2225 (m) (3.3)

28

d Ảnh hưởng đường kính tang đến cột áp

ảnh hưởng giửa đường kính tang và cột áp

Hình 3.6: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính tang và cột áp

 Hàm liên hệ giữa đường kính tang và cột áp

H = 4,8036D2 4,909D1,2861 (m) (3.4)

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới lưu lượng

a Đường kính ống ảnh hưởng tới lưu lượng

ảnh hưởng của đường kính ống tới lưu lượng nước

y = 34.449x2 - 572.23x + 2822.8

R2 = 0.9988

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Hình 3.7: Biểu đồ liên hệ giữa đường kính ống và lưu lượng

 Hàm liên hệ giữa đường kính ống và lưu lượng

Q1m = 34,45d2 572,23d 2822,8 (lít/ngày) (3.5)