Nói cách khác, từ kết quả chương này, hình dạng sơ bộ của thiết bị giúp tăng lượng không khí di chuyển bên trong được xác định.. Cũng như thiết bị cơ khí, thiết bị thông gió tự nhiên có
Trang 1MỤC LỤC
TÓM TắT 3
ABSTRACT 3
DANH MụC CÁC HÌNH ảNH VÀ BảNG BIểU 4
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 6
1.1 Những hạn chế của quả cầu 7
1.2 Một số nghiên cứu nhằm cải tiến hay thay thế quả cầu 7
1.3 Thiết bị đang được nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Cơ lưu chất thuộc Khoa KT Xây Dựng 9
1.4 Ý tưởng thiết kế mới 12
1.5 Tính mới của nghiên cứu 13
1.6 Lợi ích công nghệ và kinh tế - xã hội 13
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG MÁI VÀ THÂN ỐNG LÊN HIỆU QUẢ TẠO ÁP SUẤT ÂM 15
2.1 Giới thiệu 15
2.2 Mô tả thí nghiệm 15
2.3 Kết quả và bàn luận 16
2.3.1 Ảnh hưởng của hình dạng mái và thân 16
2.3.2 Ảnh hưởng của chiều cao giữa đỉnh ống và mái 19
2.3.3 Ảnh hưởng của hướng gió 20
2.4 Kết luận 21
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC LỖ THÔNG GIÓ LÊN ÁP SUẤT TRÊN MÁI 22
3.1 Giới thiệu 22
3.2 Mô tả thí nghiệm 23
3.3 Kết quả và bàn luận 25
3.3.1 Phân bố áp suất bên dưới mái 26
3.3.2 Ảnh hưởng của chiều cao mái lên phân bố áp suất bên dưới mái 28 3.3.3 ảnh hưởng của kích thước lỗ lên phân bố áp suất bên dưới mái 29
3.3.4 Bàn luận 32
3.4 Kết luận 33
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ THÔNG GIÓ HOÀN CHỈNH 34
4.1 Giới thiệu 34
4.2 Thí nghiệm trong hầm gió và mô phỏng số 34
4.2.1 Mô tả thí nghiệm 34
4.2.2 Mô tả phương pháp số 37
Trang 24.2.3 Kết quả và bàn luận 39
4.3 Phương pháp thí nghiệm trong mô hình thực 45
4.3.1 Mô tả thí nghiệm 45
4.3.2 Kết quả và bàn luận 45
4.4 Kết luận 48
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 49
TÀI LIệU THAM KHảO 50
Trang 3TÓM TắT
Trong chuyên đề, nội dung tập trung vào việc đề xuất thiết bị thông gió hiệu quả phù hợp cho công trình thấp tầng Toàn bộ quá trình trải qua 3 giai đoạn tương ứng với nội dung từng chương Đầu tiên, thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá mối quan hệ giữa hình dáng thân và mái thiết bị đối với khả năng tạo áp suất
âm Nói cách khác, từ kết quả chương này, hình dạng sơ bộ của thiết bị giúp tăng lượng không khí di chuyển bên trong được xác định Sau đó, vai trò của các lỗ thông gió lên việc tạo áp suất âm trên mái được phân tích Và cuối cùng,
mô hình thiết bị thông gió phát triển từ những nội dung trước được nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp thiết kế tốt Ngoài ra, khả năng ứng dụng và tính thực tế của thiết kế hoàn chỉnh cũng được kiểm tra trong bước cuối
ABSTRACT
This report focuses on analyzing and designing a model of new ventilator device, which is useful for low-story building The whole process is divided to 3 parts In the first step, measurements are produced to determine relations between shapes of device and provided negative pressure In other words, results of these experiment contribute to find out the best shapes of devices for increasing flowrate through it In the second step, effects of ventilator holes on producing negative pressure in roof are analysed And in the final step, based on results of two previous parts, a full model of a new ventilator device is built and
tested Besides, possibility and application of the best model are calculated
Trang 4DANH MụC CÁC HÌNH ảNH VÀ BảNG BIểU
Hình 1.1: Mẫu thiết bị của Lai (2005) [5] 8
Hình 1.2:Wing Jetter (Khan, 2008) [1] 8
Hình 1.3:Thiết bị đang được nghiên cứu ở PTN Cơ lưu chất: (trái) sơ đồ nguyên tắc làm việc, (phải) hình ảnh mẫu thiết bị (prototype) 9
Hình 1.4:Đặc tính thông gió của thiết bị đang nghiên cứu 11
Hình 1.5:Phân bố đường dòng qua thiết bị đang nghiên cứu 11
Hình 1.6:Thiết kế mới của thiết bị thông gió 12
Hình 2.1: Mô hình thí nghiệm 1 Mô hình ống; 2: Miệng hầm gió; 3: Ống pi-tô đo áp suất tĩnh; 4: Hướng gió; 5: Đầu đo vận tốc; 6: Ống đo áp suất trên đỉnh mô hình ống 16
Hình 2.2: Hình trên: mái tròn Hình dưới: Mái vuông 17
Hình 2.3: Chênh lệch áp suất cho bốn trường hợp kết hợp thân và mái 17
Hình 2.4: Hệ số áp suất được biểu diễn theo số Re cho số liệu trên Hình 2.3 18
Hình 2.5: Hệ số áp suất Cp theo tỉ số c/D cho hai trường hợp: thân tròn – mái tròn và thân tròn – mái vuông 19
Hình 2.6: Hệ số Cp thay đổi theo hướng gió 20
Hình 3.1: Mô tả dòng khí giữa mái và đỉnh ống: a) không có lỗ, b) có lỗ– không có dòng khí bên trong lỗ, c) có lỗ – có dòng khí bên trong lỗ 22
Hình 3.2: Mô hình thí nghiệm 1: Hướng gió, 2: Ống Pi-tô, 3: Mô hình thân ống, 4: Mô hình mái, 5: Ống đo áp 24
Hình 3.3: Các vị trí đo áp suất bề mặt dưới của mô hình mái (hình chiếu bằng) 24
Hình 3.4: Hệ số áp suất ở các vị trí đo áp cho trường hợp d=83mm (d/D=41,5%) và h=10mm (h/D=5,0%) 26
Hình 3.5: Ảnh hưởng của chiều cao, h, lên hệ số áp suất, Cp, ở vị trí 1 a: d=18mm, b: d=38mm, c: d=83mm 27
Hình 3.6: Ảnh hưởng của h lên hệ số áp suất trung bình bề mặt mái a: d=18mm, b: d=38mm, c: d=83mm 29
Trang 5Hình 3.7:Ảnh hưởng của d lên hệ số áp suất ở vị trí 1 30
Hình 3.8:Ảnh hưởng của d lên hệ số áp suất trung bình 32
Hình 3.9: Ảnh hưởng của d lên hệ số áp suất ở vị trí 1 cho hai trường hợp h/D=2,5% và 5,0% 33
Hình 4.1:Thiết bị đề xuất 34
Hình 4.2:Mô hình trong hầm gió 35
Hình 4.3: Phân bố vận tốc trong hầm gió ở các mức độ gió khác nhau 36
Hình 4.4: Miền tính 37
Hình 4.5:Vùng tập trung lưới tính 38
Hình 4.6: Lưu lượng đo được khi thay đổi vận tốc gió và chiều cao khe hẹp 39
Hình 4.7: Các giá trị đo được ở ba trường hợp: thân thẳng-mái phẳng, đầu thân bo cong-mái phẳng, thân thẳng-mái có phần dưới cong 40
Hình 4.8: Lưu lượng dòng khí thu được từ thiết bị đầu bo cong-không mái, thân thẳng-mái phẳng, thiết bị đề xuất 41
Hình 4.9:So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng 42
Hình 4.10:So sánh quan hệ giữa khe hẹp và lưu lượng 43
Hình 4.11: Lưu lượng tính toán trong mô hình thiết bị kích thước khác nhau 44
Hình 4.12: Thiết bị trong mô hình nhà thực nghiệm: (trái) nhà thực nghiệm, (phải) sơ đồ lắp đặt thiết bị và các đầu đo 45
Hình 4.13: Đồ thị tổng hợp kết quả đo trong thời gian 1 giờ 46
Hình 4.14: Tương quan vận tốc gió ngoài và vận tốc gió trong (ống) 47
Hình 4.15: So sánh mối quan hệ của vận tốc gió ngoài, V, và lưu lượng trong ống, Q, giữa mô hình thực nghiệm và hầm gió 47
Bảng 4.1: So sánh lưu lượng dòng khí qua thiết bị đề xuất với thiết bị đón gió, quạt gió tua-bin 44
Trang 6CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
Thông gió tự nhiên là một trong những phương pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng cho nhà ở Việc thông gió nhằm tạo ra sự lưu thông của dòng khí qua không gian sống và làm việc để đảm bảo chất lượng không khí (nồng độ khí CO2, chất ô nhiễm…) ở mức yêu cầu Việc thông gió cũng góp phần đảm bảo mức tiện nghi nhiệt (nhiệt độ, độ ẩm không khí…) bên trong nhà Việc thông gió có thể được thực hiện theo một trong hai cách, hoặc kết hợp cả hai:
- Biện pháp cơ khí: dùng quạt điện hay máy điều hòa nhiệt độ để hút hay thổi không khí từ/vào không gian bên trong nhà
- Biện pháp tự nhiên: lợi dụng các hiệu ứng được tạo ra bởi gió và nguồn nhiệt (chủ yếu là nguồn nhiệt mặt trời) để tạo ra sự lưu thông của dòng khí xuyên qua nhà
Ngoài việc giúp tiết kiệm điện, biện pháp thông gió tự nhiên cũng không gây ồn như biện pháp cơ khí
Biện pháp thông gió tự nhiên có thể là một phần của kết cấu nhà, như cửa sổ hay lỗ lấy gió, hay được thực hiện bằng các thiết bị, như quả cầu thông gió (hay quả cầu hút nhiệt) Cũng như thiết bị cơ khí, thiết bị thông gió tự nhiên có thể hút không khí từ trong nhà ra ngoài, như trường hợp quả cầu thông gió, hay lấy không khí từ bên ngoài đưa vào trong nhà, như trường hợp “con cá hút gió”- thiết bị được dùng ở Việt Nam
Quả cầu thông gió là thiết bị thông gió tự nhiên phổ biến nhất hiện nay ở Việt Nam Thiết bị này hoạt động dựa trên hai hiệu ứng: 1) động lượng của gió làm quay cánh turbine trên thiết bị, tạo ra áp suất chân không bên trong lòng quả cầu
và hút không khí từ trong nhà ra ngoài, 2) áp suất chân không ở phần khuất gió của quả cầu được tạo ra do hiện tượng tách dòng của luồng gió cũng góp phần hút không khí từ trong nhà ra ngoài Mặc dù quả cầu thông gió được sử dụng khá phổ biến nhưng nó cũng có những hạn chế Nhiều nhà nghiên cứu đã tìm cách cải tiến quả cầu hay phát triển những thiết bị tương tự để thay thế nó
Trang 71.1 Những hạn chế của quả cầu
Theo các nghiên cứu trước ([1], [2], [3])cũng như nghiên cứu và quan sát thực
tế của nhóm chúng tôi ([4]), quả cầu có những hạn chế chính sau:
- Quả cầu chỉ hoạt động (quay) khi gió bên ngoài đủ lớn Ví dụ, quả cầu có đường kính cổ bằng 21cm chỉ quay khi vận tốc gió bên ngoài lớn hơn 0.5m/s
- Khi không có gió bên ngoài nhưng bên trong nhà nóng hơn bên ngoài (ví
dụ do bếp, đèn…), dòng khí nóng thoát từ trong nhà ra ngoài làm quay quả cầu Tuy nhiên, trong trường hợp này quả cầu cản trở dòng khí hơn
- Quả cầu chống dột kém, dễ bị kẹt nên cần bảo trì thường xuyên…
1.2 Một số nghiên cứu nhằm cải tiến hay thay thế quả cầu
Nhằm tăng khả năng thông gió của quả cầu trong điều kiện vận tốc gió thấp, Lai (2005)[5]kết hợp quạt dùng pin mặt trời vào bên trong quả cầu thông thường Kết quả của ông cho thấy khả năng thông gió của giải pháp này hiệu quả nhất khi vận tốc gió bên ngoài nhỏ hơn 5m/s Tuy nhiên, thiết bị này chưa thể khắc phục các hạn chế khác của quả cầu thông gió
Mẫu thiết bị của Lai (2005)[5]như trênHình 1.1.Một thiết bị tương tự được thương mại hóa ở Nhật Bản là Wing Jetter, như trên Hình 1.2
Thiết bị này sử dụng biên dạng như của cánh máy bay và sử dụng hiệu ứng Bernoulli Khi có gió bên ngoài thổi qua, nhờ có cấu tạo với biên dạng cánh máy bay lật ngược, phần phía dưới cánh có áp suất chân không Áp suất chân không này hút không khí từ trong nhà ra ngoài Mặc dù thiết bị này giúp khắc
Trang 8phục phần lớn các hạn chế của quả cầu nhưng nó lại có hai nhược điểm chính: kích thước và khối lượng lớn (hơn 50kg) trong khi khả năng thông gió lại thấp hơn quả cầu với cùng tiết diện ống hút
Hình 1.1:Mẫu thiết bị của Lai (2005)[5]
Hình 1.2:Wing Jetter (Khan, 2008)[1]
Khan và cộng sự ([2]) so sánh khả năng hút gió của quả cầu với ống thông gió thẳng đứng có nắp đậy ngang phía trên bằng thực nghiệm Kết quả của họ cho thấy ống thông gió, mặc dù đơn giản và rẻ hơn, nhưng có khả năng thông gió tương tự như quả cầu, với cùng vận tốc gió bên ngoài và đường kính ống hút
Nghiên cứu của nhóm chúng tôi ([4]) cũng cho kết quả tương tự Hơn nữa, khi
so sánh hai thiết bị này trong điều kiện không có gió bên ngoài và nhiệt độ bên trong nhà cao hơn bên ngoài, khả năng thông khí của ống thông gió cao hơn quả cầu đến khoảng 60% Bên cạnh đó, nghiên cứu của nhóm chúng tôi cũng cho
Trang 9thấy khi tăng chiều cao
khả năng làm việc c
Từ những kết quả
(hút không khí) hoàn toàn m
(Nguyen Quoc Y & Ha Phuong, 2012
1.3 Thiết bị đang đư
thuộc Khoa KT Xây D
Thiết bị này được phát tri
- Ống thẳng đ
trước của chúng tôi (
- Quạt hút sử
thiết bị Khi không có gió bên ngoài nhưng có n
từ trong nhà ra ngoài Khi có gió và có nkhông hút không khí ra ngoài
u cao ống hút của quả cầu bằng với chiều cao
c của quả cầu cải tiến tăng lên đáng kể
và quan sát này, chúng tôi đề xuất một m(hút không khí) hoàn toàn mới và đã thử nghiệm đặc tính làm vi
Nguyen Quoc Y & Ha Phuong, 2012[6])
đang được nghiên cứu ở Phòng thí nghi
c Khoa KT Xây Dựng
c phát triển với sự tài trợ kinh phí của Trư Sơ đồ làm việc và hình ảnh thực như trênHình
t bị đang được nghiên cứu ở PTN Cơ lưu ch
ắc làm việc, (phải) hình ảnh mẫu thiết bị (prototype).
này làm việc dựa trên sự kết hợp của các hiệu ứng:
ng Bernoulli (như Wing Jetter): luồng gió th
m ngang với biên dạng hai nửa cánh máy bay tkhông bên trong ống và hút không khí trong nhà ra ngoài
ng đứng hoạt động như ống thông gió như trong nghiên c
a chúng tôi (Nguyễn Quốc Ý và cộng sự, 2012
ử dụng pin mặt trời Tấm pin mặt trời được b Khi không có gió bên ngoài nhưng có nắng, qutrong nhà ra ngoài Khi có gió và có nắng, quạt k
không hút không khí ra ngoài
u cao ống thông gió,
t mẫu thiết bị thông gió
c tính làm việc của nó
Phòng thí nghiệm Cơ lưu chất
a Trường đại học Bách Hình 1.3
PTN Cơ lưu chất: (trái) sơ đồ
(prototype)
ng gió thổi xuyên qua phần
a cánh máy bay tạo áp suất chân
ng và hút không khí trong nhà ra ngoài
ng thông gió như trong nghiên cứu
, 2012[4])
c bố trí trên đỉnh của
ng, quạt hút không khí
t kết hợp áp suất chân
Trang 10Khả năng thông gió của thiết bị đã được đánh giá bằng thực nghiệm Kết quả thu được được tóm tắt như trên Hình 1.4(Nguyễn Quốc Ý & Hà Phương, 2012[6])
Hình 1.4cho thấy lưu lượng không khí được hút ra ngoài qua thiết bị trong hai trường hợp: quạt bên trong không hoạt động và quạt hoạt động với điện áp 12V Lưu lượng được hút ra bởi một quả cầu thông gió có cùng diện tích tiết diện ống hút (Nguyễn Quốc Ý và cộng sự, 2012[4]) cũng được trình bày để so sánh
Kết quả cho thấy khi quạt bên trong không hoạt động, ở cùng vận tốc gió, lưu lượng qua thiết bị này và quả cầu là tương đương nhau Khi có thêm quạt bên trong, lưu lượng qua thiết bị tăng lên đáng kể ở vận tốc gió thấp
Kết quả này cho thấy thiết bị mà chúng tôi đang nghiên cứu phát triển thực sự làm việc như ý tưởng thiết kế
Tuy nhiên, để tăng khả năng thông gió, cũng như để có thể thử nghiệm thiết bị trên nhà thực, thiết bị cần được cải tiến thêm các điểm hạn chế sau đây:
- Đặc tính làm việc không hơn quả cầu thông gió khi không có quạt:Như
có thể thấy trênHình 1.4, trong trường hợp chỉ nhờ vào hiệu ứng Bernoulli, khả năng hút khí của thiết bị không hơn quả cầu thông gió
- Sự kết hợp giữa quạt và hiệu ứng Bernoulli chưa tốt:Cũng trênHình 1.4,
có thể thấy khi có thêm quạt với điện áp 12V, khả năng hút khí của thiết
bị chỉ được cải thiện hơn khi vận tốc gió bên ngoài nhỏ hơn khoảng 1.7m/s Ở vận tốc gió lớn hơn, việc gắn thêm quạt lại làm giảm khả năng
hút khí của thiết bị
- Chỉ có thể đón gió 2 phương:Với thiết kế hiện tại, thiết bị chỉ có thể đón gió theo hai phương Khả năng hút gió của thiết bị có thể giảm đi hoặc bằng không nếu gió theo các phương khác
- Chưa có bộ phận che mưa:Hiện tại, hai đầu lấy gió của thiết bị đều hở, như trênHình 1.3 Do vậy, khả năng che mưa rất kém Hơn nữa, khi thêm phần che mưa (ví dụ như lam), khả năng hút khí của thiết bị có thể bị thay đổi
- Chưa tối ưu hóa thiết kế:Kích thước và hình dạng các chi tiết của thiết bị cần được tối ưu hóa để tăng khả năng hút khí của thiết bị Ví dụ, bằng
Trang 11phương pháp tính toán sthấy rằng đư
ngang bị co hhưởng lớn đhình dạng có th
Hình 1.
Hình 1.5
- Chưa xét đế
bằng gỗ và thép tráng kthí nghiệm Đ
phương pháp tính toán số CFD (computational fluid dynamic
ng đường dòng của luồng khí từ ống thẳng đ
co hẹp lại trong diện tích rất nhỏ, như trênHình
n đến khả năng hút khí của thiết bị Tối ưu hóa kích thư
ng có thể giúp cải thiện các hạn chế tương tự
.4:Đặc tính thông gió của thiết bị đang nghiên c
5:Phân bố đường dòng qua thiết bị đang nghiên c
ến vật liệu:Mẫu thiết bị hiện tại, như trên
và thép tráng kẽm Nó chỉ thích hợp để nghiên c
m Để có thể ứng dụng trên nhà thực, vật liệ
n và tối ưu hóa
Chưa tính độ bền kết cấu:Do chưa chọn vật liệu chính th
u chưa được quan tâm
t kế phần liên kết với mái nhà:Để có thể th
c, giải pháp liên kết thiết bị với mái nhà cần đư
CFD (computational fluid dynamics), chúng tôi
ng đứng vào ống nằm Hình 1.5 Điều đó ảnh
i ưu hóa kích thước và
đang nghiên cứu
đang nghiên cứu
i, như trênHình 1.3, được làm nghiên cứu trong phòng
ệu cần được lựa chọn
u chính thức, nên độ bền
thử nghiệm được trên
n được tính toán thiết
Trang 12qua phBernoulli.
- Thiết kế mớ
- Biên dạng c
được thiết ktrọng lượng thi
ng thiết kế mới
n các hạn chế trên, từ kinh nghiệm nghiên cứu c
t quả của các nghiên cứu đã được công bố trên th
a thiết bị này như trênHình 1.6
Hình 1.6:Thiết kế mới của thiết bị thông gió.
mới so với thiết bị hiện tại như sau:
có dạng ống trụ tròn thay vì dạng chữ nhật như hi
i có hai điểm mạnh so với phiên bản hiện tại:
t bị có thể đón gió theo mọi hướng, Giúp cho việc bố trí lam che mưa dễ dàng hơn mà không
ng hoặc ảnh hưởng ít tới khả năng hút gió clam che mưa được bố trí lên phiên bản cũ, gió bkhông lưu thông qua thiết bị do trở lực do lam gây ra V
i, gió có thể không cần đi xuyên qua lam mà chqua phần xung quanh lam cũng vẫn có thểBernoulli
ới có thêm lam che mưa
ng của mặt trên và mặt dưới của phần tạo ra hi
t kế lại theo hướng đơn giản hơn nhằm làm gi
ng thiết bị Các biên dạng này sẽ được tối ưu hóa đ
u của nhóm chúng tôi trên thế giới, chúng tôi
thông gió
t như hiện tại Thiết kế
dàng hơn mà không ảnh năng hút gió của thiết bị Nếu
ũ, gió bên ngoài có thể
c do lam gây ra Với thiết kế
n đi xuyên qua lam mà chỉ cần di chuyển
ể tạo được hiệu ứng
o ra hiệu ứng Bernoulli
m làm giảm kích thước và
i ưu hóa để có thể tạo
Trang 13ra hiệu ứng Bernoulli bằng hoặc tốt hơn so với biên dạng cánh máy bay hiện tại
- Quạt bên trong thiết bị được đặt bên trong ống xuyên suốt chiều dài ống dẫn thẳng đứng Với cách bố trí này, hai luồng không khí được hút ra ngoài bởi hiệu ứng Bernoulli và quạt tách biệt nhau nên tránh được ảnh hưởng của việc chênh lệch vận tốc của hai luồng Nhờ đó, khả năng hút khí của thiết bị có thể được cải thiện
- Đầu ra của ống hút khí thẳng đứng được bo tròn Điều này giúp tránh được hiện tượng co hẹp của đường dòng thoát ra từ ống hút, như trênHình 1.5
Trong quá trình nghiên cứu, thiết kế này có thể được hiệu chỉnh để tối ưu hóa khả năng thông gió của thiết bị
1.5 Tính mới của nghiên cứu
- Mặc dù ý tưởng kết hợp hiệu ứng Bernoulli và pin mặt trời cho thiết bị thông gió không phải là mới, ví dụ: thiết kế của Lai (2003) như trênHình 1.1, thiết bị Wing Jetter như trên Hình 1.2, thiết kế mà chúng tôi đề xuất như trên Hình 1.6là hoàn toàn mới Do vậy, thiết bị này sẽ được đăng ký bản quyền sở hữu trí tuệ
- Với thiết kế mới này, sản phẩm hoàn toàn sẵn sàng để phát triển thành sản phẩm thương mại
1.6 Lợi ích công nghệ và kinh tế - xã hội
- Thiết bị này có thể khắc phục được hạn chế của quả cầu thông gió nên có thể trở thành sản phẩm cạnh tranh trên thị trường
- Khi được sử dụng rộng rãi, thiết bị có thể thay thế một phần hoặc hoàn toàn quạt điện để thông gió cho nhà ở và nhà xưởng, góp phần giải quyết một trong những vấn đề hiện nay: tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu khí thải
- Thiết bị sẽ được đăng ký sở hữu trí tuệ và sẵn sàng để thương mại hóa nên góp phần vào việc thúc đẩy chuyển giao công nghệ giữa Đại học Bách Khoa Tp HCM và giới công nghiệp
Trang 14- Kết quả nghiên cứu sẽ được xuất bản trên tạp chí và hội nghị khoa học trong và ngoài nước nên sẽ đóng góp vào kiến thức khoa học công nghệ, nhất là lĩnh vực vật lý kiến trúc và cơ học lưu chất
Trang 15CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG MÁI VÀ
THÂN ỐNG LÊN HIỆU QUẢ TẠO ÁP SUẤT ÂM 2.1 Giới thiệu
Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát giải pháp tạo ra áp suất âm kết hợp giữa mái và thân ống thông gió Mục đích của nghiên cứu là tìm ra hình dạng mái kết hợp với thân ống tạo ra được áp suất âm ở phần giữa mái và thân ống hiệu quả nhất Để tập trung vào ảnh hưởng của hình dạng mái và thân, thân ống trong trường hợp này không có lỗ bên trong và hoàn toàn đặc
2.2 Mô tả thí nghiệm
Thí nghiệm được mô tả trênHình 2.1 Mô hình mái và ống thu nhỏ được đặt trên bàn ở đầu ra của hầm gió Mái được bố trí ngay tâm của miệng hầm gió Vận tốc gió được đo bằng cảm biến sợi nhiệt của hãng Kanomax (Nhật) với độ phân giải bằng 0.01m/s Áp suất tĩnh của dòng được đo bằng ống Pi-tô và nối với áp
kế Áp kế suất trên đỉnh thân ống được đo bằng ống đo áp nối với áp kế Áp kế được sử dụng của hãng Kanomax (Nhật) với độ phân giải và độ chính xác bằng 10Pa
Hai loại thân ống được khảo sát trong nghiên cứu này: thân tròn với đường kính bằng 0,1m và thân vuông với kích thước 0,1m x 0,1m
Hai loại mái được khảo sát: mái vuông với kích thước mỗi cạnh bằng 0,12m và mái tròn với đường kính bằng 0,12m Biên dạng mái được thiết kế với nửa biên dạng cánh NACA 0021 và được gia công CNC, như trênHình 2.2
Vận tốc gió trong thí nghiệm từ 4m/s đến 8m/s Ống Pi-tô và đầu đo vận tốc được đặt ở khoảng cách 25cm phía trước mô hình Khoảng cách này đủ để tránh vùng ảnh hưởng của mô hình lên dòng khí
Áp suất từ ống Pi-tô và từ ống đo áp trên đỉnh thân ống được lấy mẫu đồng thời
để tính ra giá trị áp suất chênh lệch Các giá trị áp suất và vận tốc được lấy mẫu trong thời gian ít nhất 05 phút và được tính trung bình theo thời gian
Trang 162.3 Kết quả và bàn lu
2.3.1 Ảnh hưởng c
Với hai kiểu mái: tròn và vuông k
tôi làm thí nghiệm v
Thân vuông - mái vuông,
Thân vuông - mái tròn,
Thân tròn – mái tròn,
Thân tròn – mái vuông
Chiều cao giữa đỉnh
ng của hình dạng mái và thân
u mái: tròn và vuông kết hợp với hai kiểu thân: tròn và vu
m với bốn kiểu kết hợp thân – mái:
mái vuông,
mái tròn,
mái tròn,
mái vuông
nh ống và mái được giữ cố định bằng 1,5cm Hư
ng Chênh lệch giữa áp suất tĩnh và áp suất trên đHình 2.3 Chênh lệch áp suất được định nghĩa nh
là chênh lệch áp suất; pm là áp suất trên đỉnh ố
Mô hình thí nghiệm 1 Mô hình ống; 2: Miệng hầ
; 4: Hướng gió; 5: Đầu đo vận tốc; 6: Ống đo áp su
Trang 17Hình 2.2:Hình trên: mái tròn Hình dưới: Mái v
độ lớn của chênh lệch áp suất tăng khi vậ
p kết hợp thân – mái Theo phương trình(PT) khí di chuyển qua hai điểm cho hai điểm: 1) ngay phía trư
a mái và đỉnh ống, bỏ qua mất mát năng lượng (Munson
Chênh lệch áp suất cho bốn trường hợp kết h
i: Mái vuông
ận tốc gió tăng trong ình(PT) Berbnoulli cho m: 1) ngay phía trước mô hình và
(Munson và cộng sự,
t hợp thân và mái
Trang 18, và tương ứng là vận tốc gió trước mô hình, v
nh mô hình, và khối lượng riêng không khí Do ma sát, v
nh mô hình bằng không PT (2.2) cho thấy độ lớn chênh l
V
, chênh lệch áp suất hầu như khó phân biệ– mái Do đó, Hình 2.3được biễu diễn lại dưnguyên, như trênHình 2.4 Trong đó, số Reynolds(Re),
c gió V, chiều dài cạnh/hay đường kính thân D và đ
t Cp được định nghĩa như sau:
y quan hệ phi tuyến giữa số Re và Cp, ngưHình 2.3
áp suất được biểu diễn theo số Re cho số
Trang 19Mối quan hệ phi tuy
cao c giữa mái và đ
thay đổi của Cp khi t
p thân tròn – mái tròn và thân tròn – mái vuông đ
u như nằm ngang cho hai giá trị Re lớn nhất
trường hợp kết hợp thân tròn – mái tròn cho h
t, trong khi trường hợp kết hợp thân vuông – mái vuông cho đ
ng của chiều cao giữa đỉnh ống và mái
ết hợp thân – mái cho hiệu quả tạo áp sumái tròn và thân tròn – mái vuông tiếp tục được sử d
ng của chiều cao mái Vận tốc gió được gi
và đỉnh ống thay đổi từ 10,5cm đến 0,1cm
a Cp khi tỉ số c/D thay đổi
áp suất Cp theo tỉ số c/D cho hai trường h
tròn và thân tròn – mái vuông
m, hay nói cách khác khoảng cách giữa mái và đ
ng Bernoulli làm giảm áp suất trên đỉnh ống Áp su
số Cp càng âm Cp đạt giá trị thấp nhất khi t
n 4% Khi tỉ số c/D tiếp tục giảm, hệ số
o sát trong thí nghiệm đang
t, dòng khí trong hai trường mái vuông đã đạt chế độ rối do
mái tròn cho hệ số Cp có độ
mái vuông cho độ lớn
o áp suất âm tốt nhất: thân dụng để thực nghiêm
c giữ bằng 6m/s Chiều Hình 2.5cho thất sự
Trang 20đối xứng quanh hư
gió 0 độ và 90 độ, hay nói cách khác là khi gió th
n dòng khi khoảng cách c nhỏ làm tăng áp suất trên đ
ng cho thấy trường hợp thân tròn – mái tròn cho hTuy nhiên, chênh lêch của hệ số Cp giữa hai trường hợp khi giá tr
ng của hướng gió
nh hưởng của hướng gió, chúng tôi làm thực nghi mái tròn Trường hợp này cho hệ số Cp tmái vuông, như kết quả trênHình 2.4
c giữ cố định bằng 6m/s Khoảng cách c đư
t nhất, bằng 2,5% D hay c=2,5mm Hướng gió h
nh thân ống thay đổi từ 0 đến 90 độ, với kho
y sự thay đổi của Cp khi hướng gió thay đ
ng quanh hướng gió ở góc 45 độ Giá cị Cp đạt độ lớ
, hay nói cách khác là khi gió thổi vuông góc v
Hình 2.6:Hệ số Cp thay đổi theo hướng gió.
ng tách dòng xảy ra nhiều nhất ở hai hướng gió đó, h
âm nhất Tuy nhiên, để thấy rõ được điều đó, c
c quan dòng khí hay mô phỏng
nh ống và mái cùng với
t trên đỉnh ống
mái tròn cho hệ số Cp thấp nhất
p khi giá trị Cp âm nhất
c nghiệm cho trường
Cp tốt hơn trường hợp
ng cách c được chọn cho trường
ng gió hợp với phương khoảng tăng bằng 15
ng gió thay đổi Mối quan hệ này
Trang 212.4 Kết luận
Chúng tôi đã dùng thực nghiệm để khảo sát khả năng tạo áp suất âm trên đỉnh ống thông gió bằng mái Bốn trường hợp kết hợp thân – mái đã được khảo sát: thân tròn –mái tròn và mái vuông; và thân vuông - mái tròn và mái vuông Kết quả cho thấy trường hợp thân tròn – mái tròn cho khả năng tạo áp suất âm tốt nhất Chiều cao giữa mái và đỉnh ống tối ưu trong khoảng từ 2% đến 4% đường kính hay chiều dài cạnh thân ống Trong trường hợp thân vuông – mái tròn, hướng gió cũng ảnh hưởng đáng kể đến áp suất trên đỉnh thân ống
Trang 22CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC LỖ
THÔNG GIÓ LÊN ÁP SUẤT TRÊN MÁI 3.1 Giới thiệu
Trong thí nghiệm trước (Chương 2), chúng tôi đã khảo sát ảnh hưởng của hình dạng mái và thân ống lên khả năng tạo áp suất âm trên đỉnh thân ống Từ các thí nghiệm đó, chúng tôi đã tìm được trường hợp hiệu quả nhất: thân ống tròn kết hợp mái tròn
Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của kích thước lỗ thông gió lên áp suất cho trường hợp thân tròn – mái tròn
Khi thân ống thông gió rỗng, tương tác giữa gió và phần không khí bên trong ống trở nên phức tạp và hiệu quả tạo áp suất âm của mái có thể bị ảnh hưởng Tuỳ thuộc vào việc có hay không có dòng khí lưu thông bên trong ống, tương tác giữa gió và phần giữa đỉnh ống – mái có thể được mô tả như trênHình 3.1
Hình 3.1:Mô tả dòng khí giữa mái và đỉnh ống: a) không có lỗ, b) có lỗ– không
có dòng khí bên trong lỗ, c) có lỗ – có dòng khí bên trong lỗ
Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của lỗ lên áp suất trên mặt dưới của mái Áp suất này càng nhỏ thì khả năng hút không khí lưu thông qua lỗ càng tốt Để tập trung vào ảnh hưởng của kích thước giếng, chúng tôi xét trường hợp chưa có dòng khí lưu thông bên trong giếng, như trên Hình 3.1b
Dựa trên kết quả nghiên cứu trước (Chương 2), chúng tôi lựa chọn mô hình nhà
và mái có khả năng tạo áp suất âm hiệu quả nhất: thân dạng trụ tròn và mái tròn
Mô hình lỗ cũng có dạng trụ tròn Thực nghiệm được tiến hành với ba kích thước lỗ và ba chiều cao mái khi vận tốc gió thay đổi Áp suất đo được trên mái được phân tích dưới ảnh hưởng của các yếu tố đó
Trang 233.2 Mô tả thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện với hầm gió hở ở Phòng thí nghiệm (PTN) Cơ lưu chất và Vật lý kiến trúc của Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (DHBKTPHCM) Phương thức thí nghiệm tương tự như trong các nghiên cứu trước đây
Mô hình nhà hình trụ tròn có đường kính D bằng 200mm và chiều cao H bằng 500mm Mái có hình tròn có đường kính Dm cũng bằng 200mm, bằng với đường kính thân, và bề dày lớn nhất Tm bằng 35mm với mặt trên phẳng và mặt dưới có dạng hai nửa biên dạng cánh máy bay NACA 0021 ghép lại (Hình 3.2) Mái được treo phía trên nhà với hệ thống dịch chuyển theo ba phương và quay theo hai phương đứng và ngang Hệ thống này giúp thay đổi độ cao h giữa mái
và đỉnh ống, bằng 5mm, 10mm và 25mm, cũng như điều chỉnh để đảm bảo mặt phẳng trên của mái nằm ngang
Mô hình lỗ bên trong mô hình ống cũng có dạng hình trụ tròn với đường kính d bằng 18mm, 38mm và 83mm đồng trục với mô hình ống Mô hình lỗ xuyên suốt chiều cao ống Mặc dù trong thực tế, lỗ giúp thông gió tự nhiên xuyên qua công trình nhưng trong nghiên cứu này, chúng tôi chưa khảo sát việc thông gió tự nhiên qua lỗ mà tập trung vào ảnh hưởng của kích thước lỗ lên phân bố áp suất trên mái Do đó, để tránh ảnh hưởng của dòng khí lưu thông từ bên trong mô hình ống qua đầu trên của lỗ, chúng tôi chỉ để đầu trên của lỗ hở và đầu dưới được bịt kín cũng như không bố trí các cửa lấy gió và đón gió trên bề mặt mô hình thân ống và lỗ
Mô hình thí nghiệm như trên Hình 2 được bố trí ở đầu ra của hầm gió có tiết diện hình vuông với kích thước bằng 1m × 1m Với kích thước đầu ra của hầm gió là 1m × 1m = 1m2, diện tích chắn dòng của mô hình nhà (D×H=0,2m × 0,5m = 0,1m2) bằng 10% diện tích đầu ra nên có thể bỏ qua ảnh hưởng chắn dòng [7]
Áp suất trên bề mặt dưới của mái và áp suất tĩnh của dòng khí được đo bằng cảm biến áp suất của Pace Scientific (Mỹ) Độ phân giải của cảm biến là 0,0006 inch nước (tương đương 0,15 Pa) Các giá trị áp suất tương ứng với vận tốc gió
Trang 24thấp nhất đo được trong thí nghiệm vào khoảng 0,5 Pa, gấp hơn ba lần so với độ phân giải Các cảm biến được kết nối với máy tính
Hình 3.2:Mô hình thí nghiệm 1: Hướng gió, 2: Ống Pi-tô, 3: Mô hình thân
ống, 4: Mô hình mái, 5: Ống đo áp
Tổng cộng có 05 vị trí đo áp suất trên bề mặt dưới của mái: 01 vị trí ở điểm thấp nhất của mái (trùng với trục của lỗ) và 04 vị trí ở các hướng 0o, 90o, 180o và
270o so với hướng gió, như trênHình 3.3 Các lỗ đo áp suất trên bề mặt mái có đường kính bằng 0,5mm, có trục vuông góc với mặt mái tại vị trí đo, sau đó được mở rộng đến đường kính bằng 3,2mm (bằng với đường kính ống đo áp kèm theo thiết bị)
Hình 3.3:Các vị trí đo áp suất bề mặt dưới của mô hình mái (hình
chiếu bằng)
12
3
45
5
Trang 25Áp suất tĩnh của dòng khí được đo bằng ống Pi-tô ở vị trí cách trước mô hình 300mm và cao hơn đỉnh mô hình 200mm Ở vị trí này, dòng khí được cho là đều và chưa bị ảnh hưởng bởi mô hình
Số liệu áp suất được đo với tần số 1Hz và được trung bình trong khoảng thời gian 05 phút cho một trường hợp Chúng tôi đã kiểm tra khoảng thời gian này
đủ dài để không ảnh hưởng đến kết quả trung bình
Vận tốc gió được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ quay của quạt Vận tốc gió được đo ở vị trí đo áp suất tĩnh của dòng khí (khi có mô hình) và được thực hiện nhiều lần với nhiều tốc độ quạt khác nhau để thiết lập mối liên hệ giữa vận tốc dòng khí và tốc độ quay của quạt
Vận tốc gió trong thí nghiệm thay đổi từ khoảng 1,5m/s đến khoảng 7,0m/s, tương ứng với số Re tính theo vận tốc gió và đường kính mô hình thân trong khoảng từ 2.104 đến 9.104 Số Re này trên khoảng chảy tầng của dòng khí nhưng vẫn thấp hơn mức chảy rối hoàn toàn của dòng khí qua ống trụ tròn thông thường (khoảng 106[7]) Hầm gió hiện tại không có khả năng tạo ra gió tĩnh với vận tốc lớn hơn
3.3 Kết quả và bàn luận
Áp suất đo được qui đổi về hệ số áp suất, một dạng vô thứ nguyên Hệ số áp suất được tính theo giá trị áp suất đo tại từng vị trí trên mặt dưới của mái p, áp suất tĩnh ∞, vận tốc ∞ của dòng khí: