Nghiên cứu cải tiến chất lượng hầm gió (wind tunnel) hiện có ở phòng thí nghiệm cơ lưu chất báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t ktxd 2013 60

Các bộ phận trên được tính toán, thiêt kế, và gia công lại nhằm làm tăng vận tốc gió và giảm cường độ rối.. 1.1 Tính năng hiện tại của hầm gió ở PTN Cơ Lưu Chất Hình 2 cho thấy sự thay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

FOG

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:

Nghiên cứu cải tiến chất lượng hầm gió (Wind tunnel) hiện có

ở phòng thí nghiệm Cơ lưu chất

Mã số đề tài: T-KTXD-2013-60

Thời gian thực hiện: từ tháng 05/2013 đến tháng 05/2014

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Quốc Ý

Cán bộ tham gia đề tài: PGS TS Nguyễn Thị Bảy, KS Hà Phương

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 2/2014

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm)

1 TS Nguyễn Quốc Ý, Khoa KTXD, ĐH Bách Khoa Tp HCM

2 PGS TS Nguyễn Thị Bảy, Khoa KTXD, ĐH Bách Khoa Tp HCM

3 KS Hà Phương, Khoa KTXD, ĐH Bách Khoa Tp HCM

LỜI CẢM ƠN Nhóm nghiên cứu trân trọng cảm ơn sự tài trợ quý báu của Trường Đh Bách Khoa Tp HCM Cho nghiên cứu này Sản phẩm của đề tài (hầm gió) có ý nghĩa rất lớn đối với Nhóm nghiên cứu về thông gió tự nhiên ở PTN Cơ lưu chất thuộc Khoa KTXD

Chủ nhiệm đề tài chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Bảy và đồng nghiệp Hà Phương

đã nhiệt tình tham gia và ủng hộ đề tài, hai em sinh viên Huỳnh Giác và Phan Phú Quốc nhiệt tình tham gia trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp đại học ở PTN

Cơ lưu chất Các đóng góp này giúp đề tài được hoàn thành tốt

Nhóm nghiên cứu cũng biết ơn các chuyên gia phản biện, các chuyên viên Phòng KHCN & DA, Phòng KHTC của Trường Đh Bách Khoa Tp HCM hỗ trợ chuyên môn

và hành chính cho việc thực hiện đề tài

Nguyễn Quốc Ý

Tóm tắt

Đề tài thực hiện việc cải tiến các bộ phận chính của hầm gió hiện có ở PTN Cơ lưu chất thuộc Khoa KT Xây Dựng, Đh Bách Khoa Tp HCM Hầm gió hiện hữu loại hở với kích thước vùng thử bằng 1m*1m và vận tốc gió lớn nhất bằng 10m/s Các vấn đề cần cải tiến bao gồm: bộ lọc nắn dòng (honey comb), miệng hút, và ống hội tụ Mức độ đồng đều và cường độ rối cũng cần được cải thiện Các bộ phận trên được tính toán, thiêt kế, và gia công lại nhằm làm tăng vận tốc gió và giảm cường độ rối Kết quả thử nghiệm sau khi cải tiến cho thấy vận tốc gió lớn nhất đạt gần 15m/s, độ đồng đều tang với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 5% và cường độ rối giảm dưới 2% Các giá trị này nằm trong giới hạn thông thường của hầm gió hở

I Hiện trạng của hầm gió

Hầm gió hiện có ở PTN Cơ lưu chất, khoa KTXD là loại hầm gió hở, vận tốc thấp, với

kích thước và hình như trên Hình 1 và Bảng 1

Hầm gió được thổi bởi quạt hướng trục có công suất 11KW, đường kính quạt 1.2m và

lưu lượng tối đa 60000m3/h Khu vực thử có kích thước 1m*1m Vận tốc gió tối đa ở khu

vực thử mà hầm gió có thể tạo được là khoảng 10m/s

Hầm gió được xây dựng nhằm phục vụ và giảng dạy cho các môn học của sinh viên xây

dựng Trước mắt, hầm gió phục vụ giảng dạy thí nghiệm các môn học liên quan lĩnh vực

vật lý kiến trúc (thông gió, tương tác gió và công trình…) của sinh viên hai ngành: Kiến

trúc và Tòa nhà & năng lượng Về nghiên cứu, hầm gió phục vụ cho các nghiên cứu về

thông gió tự nhiên cho công trình nhà ở, tương tác gió và công trình nhà ở, cầu…

Hầm gió được xây dựng từ kinh phí mua sắm thiết bị năm 2011 do Trường ĐH Bách

Khoa TpHCM cấp cho phòng thí nghiệm Cơ Lưu Chất với số tiền là 73.5 triệu đồng

Kinh phí này là rất khiêm tốn so với các hầm gió đang được bán trên thị trường Ví dụ,

công ty Techno lab equipmnets (Ấn độ) bán hầm gió hở có kích thước vùng thử

0.3m*0.3m và vận tốc lớn nhất là 30m/ với giá 55000 Euro (tương đương 1.5 tỷ đồng)

Do kinh phí hạn chế (chỉ đủ để mua máy móc: quạt, động cơ, máy đo lưu tốc… và vật tư:

gỗ, thép…) nên không có kinh phí cho việc thiết kế và thi công Việc thiết kế và thi công

chủ yếu dựa vào các sinh viên làm đề tài tốt nghiệp [1,2] và tập thể nhân viên phòng thí

nghiệm và dựa theo các thiết kế có sẵn Mặc dù điều này giúp tiết kiệm kinh phí, nhưng

do hạn chế về tay nghề thi công và máy móc nên chất lượng của hầm gió bị ảnh hưởng

rất lớn

Bảng 1 Các kích thước cơ bản của hầm gió

Hình 1 Kích thước (hình trên) và hình ảnh của hầm gió (ảnh dưới) hiện có ở PTN Cơ

Lưu Chất, khoa KT Xây Dựng

1.1 Tính năng hiện tại của hầm gió ở PTN Cơ Lưu Chất

Hình 2 cho thấy sự thay đổi của vận tốc gió đo tại tâm của khu vực thử ở các tốc độ quạt khác nhau

Kết quả đo đạc cho thấy vận tốc gió lớn nhất mà quạt có thể tạo được là khoảng 10m/s ở

số vòng quay cực đại của động cơ bằng 1450rpm

Hình 2 cũng cho thấy mức độ không ổn định (mức độ rối) của vận tốc trong khu vực thử tăng lên khi vận tốc gió, hay tương ứng là tốc độ quay của quạt, tăng lên

Cường độ rối tương ứng lên đến gần 3% ở vận tốc gió lớn nhất Giá trị này gấp 10 lần so với giá trị tiêu chuẩn của một hầm gió tốt [1]

Hình 2 Sự thay đổi của vận tốc gió đo tại tâm của khu vực thử ở các tốc độ quạt khác

nhau

Hình 3 Phân bố vận tốc theo phương ngang qua khu vực thử ở các số vòng quay khác

nhau

Hình 3 Cho thấy mức độ đồng đều của phân bố vận tốc theo phương ngang ở tâm của khu vực thử ở ba tốc độ quạt Kết quả đo sơ bộ này cho thấy phân bố vận tốc chỉ đều ở tốc độ 350rpm Ở tốc độ lớn hơn, phân bố vận tốc không còn đồng đều và đối xứng

1.2 Nhu cầu cải thiện chất lượng hầm gió ở PTN Cơ lưu chất:

Các kết quả đo sơ bộ trên, Hình 2,3, cho thấy hầm gió hiện tại chưa thể đáp ứng tốt cho nhu cầu giảng dạy và nghiên cứu ở PTN Cơ lưu chất Để phục vụ tốt hai nhu cầu này, hầm gió cần được cải thiện 2 yếu tố sau:

1) Cường độ rối,

2) Mức độ đồng đều của phân bố vận tốc trong khu vực thử

Đó cũng là mục tiêu nghiên cứu của đề tài này

II Các nội dung nghiên cứu

2.1 Tính toán thiết kế miệng hút

Theo thiết kế ban đầu thì khung bao cánh quạt là hình vuông Khi hầm gió hoạt động tạo dòng rối tại 4 góc của khung và gây tiếng ồn lớn và thất thoát lưu lượng Vì vậy, cần cải tiến đầu hút gió để triệt tiêu bớt dòng rối, giảm tiếng ồn, thất thoát và dẫn gió từ bên ngoài một cách ổn định

2.1.1 Thông số cơ bản

Đầu hút gió đặt trong khung bao cánh quạt hình vuông có tiết diện 1300 mm × 1300 mm

và bao quát toàn bộ cánh quạt để đảm bảo an toàn cho cánh quạt khi hoạt động Khi thiết

kế, cần tạo khoảng hở giữa thành trong của đầu hút và đường kính ngoài của cánh quạt (1200mm)

Phương án 2 :

Hình 5 Bản vẽ phác thảo 3D phương án 2

Phương án này được đưa ra lần này thì việc gia công đã khả quan hơn nhưng một vấn đề mới phát sinh là khối lượng của đầu hút gió quá lớn và giá thành cao (tiêu tốn nhiều vật liệu)

Phương án 3:

Cuối cùng qua các phương án đã đề xuất, để tối ưu giữa thiết kế và chế tạo cũng như giá thành phương án kết hợp giữa phương án 1 và phương án 2 được lựa chọn Để tiện cho việc gia công, các rảnh nhỏ được bố trí trên phần loe ra của đầu hút gió Để lắp ráp chính xác đầu hút gió vào khung bao và bệ đỡ động cơ ta phải cắt phần dưới đầu hút thêm 2 rãnh lớn với bản vẽ và thiết kế sau như trên Hình 6

Hình 6 Bản vẽ phác thảo 3D phương án 3

Hình 7 Hình ảnh miệng hút sau khi hoàn thiện

2.2 Cải tiến bộ lọc (honeycomb)

Chức năng chính của lưới tổ ong là triệt tiêu thành phần vận tốc quay và làm giảm cường

độ rối của dòng khí từ quạt hướng trục Theo Mehta và Bradshaw [3], kích thước lớn nhất của ô trên lưới tổ ong nên bằng 1/150 đường kính thủy lực Dh của buồng nắn dòng và chiều dài lưới tổ ong nên bằng từ 6 đến 8 lần kích thước ô Trong thiết kế của chúng tôi, với Dh = 1,8 m, đường kính mỗi ô nên nhỏ hơn 12 mm

Để tiết kiệm chi phí, chúng tôi thử nghiệm hai phương pháp: dùng tấm thấm nước và dùng ống hút nước giải khát bằng nhựa, như trên Hình 3 Kết quả đo đạc đặc tính dòng khí sau khi hoàn thiện cho thấy giải pháp dùng tấm thấm nước cho vận tốc dòng khí lớn nhất chỉ khoảng 10 m/s trong khi giải pháp dùng ống hút cho vận tốc lớn nhất bằng 14 m/s Hơn nữa, giải pháp dùng ống hút tạo ra tiếng ồn ít hơn Do đó, chúng tôi chọn ống hút có đường kính bằng 10 mm để làm lưới tổ ong Chiều dài ống hút (bằng chiều dài lưới tổ ong) bằng

80 mm, hay 8 lần đường kính ống Các ống hút được liên kết nhau bằng keo

Ống hút nước cũng đã được sử dụng để làm lưới tổ ong cho hầm gió trên thế giới, ví dụ như hầm gió của Boureau [4]

Hình 8 Hai giải pháp cho lưới tổ ong: tấm thấm nước (trên) và ống hút nước (dưới)

2.3 Tính toán thiết kế lại Ống hội tụ

Ống hội tụ có tác dụng làm tăng vận tốc dòng khí nhờ chênh lệch diện tích đầu ra và đầu vào Bên cạnh đó, việc tăng vận tốc dòng cũng làm giảm cường độ rối của dòng [3] Ba thông số quan trọng của ống hội tụ là: hình dạng, tỉ số co hẹp diện tích và chiều dài Ba yếu tố này cần được tính toán để không xảy ra hiện tượng tách rời lớp biên bên trong ống hội tụ, hạn chế bề dày của lớp biên ở đầu ra của ống, và làm cho chiều dài ống nhỏ đến mức có thể để tiết kiệm chi phí và không gian

Bell và Mehta [5] đề xuất các biên dạng của ống hội tụ cho hầm gió có vận tốc thấp dưới dạng các hàm đa thức bậc 3 đến bậc 7 Chúng tôi chọn biên dạng hàm đa thức bậc 5:

y(x) = Hi – (Hi – He) [6(x’)5 – 15 (x’)4 +10(x’)3] (1) trong đó:

- x và y là tọa độ theo phương ngang và phương đứng tính từ tâm lối vào ống hội tụ,

- Hi là ½ chiều cao lối vào, bằng 1,8 m/2 = 0,9 m,

- He là ½ chiều cao lối ra, bằng 1,0 m/2 = 0,5 m,

- x' = x/L, với L là chiều dài ống hội tụ

Với hầm gió hiện tại, tỉ số co hẹp diện tích của ống hội tụ bằng (1,8 m x 1,8 m)/ (1,0 m x 1,0 m) = 3,24 Bell và Mehta [5] và Mehta và Bradshaw [3] chỉ ra rằng với tỉ số co hẹp nhỏ hơn 9, chiều dài của ống hội tụ nên nằm trong khoảng [0,89 – 1,76]Hi Hầm gió hiện tại có Hi

= 0,9 m, chiều dài L được chọn bằng 1,5 m nên L = 1,67Hi

Việc thi công chính xác biên dạng theo phương trình (1) đòi hỏi máy CNC Trước tiên, các thanh định hình bằng thép được cắt theo biên dạng phương trình (1) Sau đó, các thanh này được hàn thành khung bao theo các kích thước của ống hội tụ Cuối cùng, thép tấm với bề dày bằng 1 mm được hàn vào các thanh định hình để tạo thành biên dạng ống hội tụ

Hình 9 cho thấy bản vẽ thiết kế 3D và sản phẩm hoàn thiện của ống hội tụ

Hình 9 Bản vẽ thiết kế (trên) và ống hội tụ hoàn thiện (dưới)

Hình 10 Hầm gió hoàn thiện

Hình 10 cho thấy hình ảnh của hầm gió sau khi hoàn thiện

2.4 Đo đạc đặc tính sau khi cải tiến

Vận tốc dòng khí được đo tại nhiều vị trí trên mặt cắt miệng vòi phun Thiết bị đo vận tốc dạng sử dụng sợi nhiệt của Kanomax với độ chính xác và độ phân giải 1 cm/s được sử dụng Thời gian lấy mẫu là 1 giây và 600 mẫu được lấy cho mỗi lần đo Tần số lấy mẫu là

1 Hz

Hình 11, 12, và 13 cho thấy các hình ảnh của quá trình đo

Hình 11 Thiế bị dùng để đo vận tốc

Máy đo

Hình 12 Sơ đồ đo vận tốc

Hình 13 Cách thức đo

Cảm biếnMáy tính

Vùng đo dạc

III Kết quả

3.1 Đặc tính dòng khí sau khi cải tiến

Hình 14 cho thấy vận tốc tại tâm của vòi theo thời gian và theo số vòng quay của quạt Kết quả trên Hình 14 được phân tích và thể hiện dưới hai dạng: quan hệ giữa vận tốc trung bình ở miệng vòi phun theo số vòng quay quạt và phân bố cường độ rối theo vận tốc dòng khí, như trên Hình 15

Giá trị vận tốc trung bình Vi ứng với mỗi tốc độ quay của quạt được tính theo công thức [6]:

(2) trong đó N = 600 là tổng số mẫu cho một tốc độ quay của quạt và vj là giá trị vận tốc của mẫu thứ j

Cường độ rối ứng với giá trị vận tốc trung bình Vi được tính theo công thức [5]:

Hình 15 cho thấy vận tốc trung bình ở miệng vòi tăng tuyến tính với tốc độ quay của quạt

Ở tốc độ quạt bằng 1300 vòng/phút, vận tốc trung bình của dòng khí bằng 13 m/s Lưu ý rằng tốc độ lớn nhất của quạt là 14600 vòng/phút

Cường độ rối trong dãy vận tốc từ 2 m/s trở lên luôn nhỏ hơn 1,8% Tuy nhiên, ở giá trị vận tốc 1 m/s, cường độ rối lên đến 2,2% Điều này có thể hiểu là do ở giá trị vận tốc thấp, bất kỳ nhiễu động nào xuất hiện trong dòng khí (do lưới tổ ong, lưới làm thẳng dòng hay

độ nhám bề mặt ống hội tụ…) đều ảnh hưởng lớn đến dòng khí

Ghorbanian và cộng sự [7] đo cường độ rối trong hai hầm gió hở và cho thấy cường độ rối thay đổi từ 1,4% đến 2,0% trong dãy vận tốc từ 5 m/s đến 15 m/s Chong và cộng sự [8] thiết kế hầm gió hở với các chi tiết được gia công với độ chính xác cao có thể đạt được cường độ rối bằng 0,1%, tuy nhiên ở vận tốc 60 m/s Kết quả của chúng tôi trên Hình 15 cho thấy cường độ rối có xu hướng giảm khi vận tốc dòng khí tăng lên

Hình 16 cho thấy phân bố vận tốc trung bình trên mặt cắt miệng vòi theo phương đứng và phương ngang ở tốc độ quạt bằng 900 vòng/phút Theo cả hai phương, vận tốc có xu hướng tăng dần từ tâm ra Điều này có thể hiểu là do dòng khí bị co hẹp trong ống hội tụ nên vận tốc gần thành tăng nhiều hơn vận tốc gần tâm vòi Tuy nhiên, độ lệch chuẩn của phân bố vận tốc này là không quá 4,5%

Hình 14 Vận tốc dòng khí ở tâm vòi theo thời gian và tốc độ quay của quạt

Hình 16 Phân bố vận tốc trên mặt cắt miệng vòi ở tốc độ quạt bằng 900 vòng/phút

Hình 17 Thí nghiệm nghiên cứu đặc tính của thiết bị thông gió tự nhiên [9]: (trái) hệ

thống thí nghiệm, (phải) vận tốc cảm ứng bên trong ống thẳng đứng theo vận tốc gió bên

ngoài

Hình 18 mô tả nghiên cứu bài toán thông gió tự nhiên cho nhà xưởng Nhiều mô hình nhà xưởng với kích thước khe thông gió và hình dạng mái khác nhau được khảo sát trong nhiều điều kiện gió bên ngoài để tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố đó lên dòng khí lưu thông tự nhiên qua công trình

Hình 18 Mô hình thí nghiệm - mô hình tính toán (trái) và kết quả đo (EXP) – tính toán

(CFD) của vận tốc gió xuyên qua nhà đối với vận tốc gió bên ngoài

Hầm gió cũng đang được sử dụng để giảng dạy Thí nghiệm Vật lý kiến trúc cho các lớp PFIEV và Kiến trúc Hình 19 cho thấy hình ảnh thí nghiệm của bài thí nghiệm Thông gió tự nhiên

Hình 19 Hình ảnh Bài thí nghiệm Thông gió tự nhiên.

VI: Kết luận

Hầm gió hở dạng vòi phun đã được tính toán cai3 tiến thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ở Phòng thí nghiệm Cơ lưu chất thuộc ĐH Bách Khoa Tp HCM Tiết diện vòi phun bằng 1 m2 và vận tốc lớn nhất bằng 14 m/s Kết quả đo vận tốc ở miệng vòi phun cho thấy cường độ rối của dòng khí dưới 1,8% trong dãy vận tốc từ 2 m/s đến 13 m/s Độ lệch chuẩn của phân bố vận tốc

ở miệng vòi dưới 4,5% Hầm gió chủ yếu được sử dụng để phục vụ giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý kiến trúc

Tp.HCM, ngày tháng năm Tp.HCM, ngày tháng năm

(Ký và ghi rõ họ tên)

Tài liệu tham khảo

1 Từ Huỳnh Ngân, Thiết kế hoàn chỉnh, thi công và kiểm nghiệm hầm gió hở, Luận văn tốt nghiệp ngành KT Hàng Không ĐH Bách Khoa TpHCM (TS Nguyễn Quốc Ý hướng dẫn) (2011)

2 Trương Thế Phương & Nguyễn Tăng Huỳnh Phi, Thiết kế hoàn chỉnh-thi công và đo đạc kiểm nghiệm hầm gió hở, Luận văn tốt nghiệp ngành Cơ tin kỹ thuật ĐH SPKT TpHCM (TS Nguyễn Quốc Ý hướng dẫn) (2011)

3 Mehta R.D and Bradshaw P., “Design rules for small low speed wind tunnels”, The

aeronautical journal of the aeronautical society, 443-449 (1979)

4 Boudreau III H.S., Design, construction, and testing of an open atmospheric boundary layer wind tunnel, Bachelor Thesis, University of Florida (2009)

5 Bell J H and Mehta R D., Contraction design for small low-speed wind tunnels, Report,

Stanford University (1998)

6 Pope S.B., Turbulent flows, Cambridge University Press (2002)

7 Ghorbanian K, Soltani M.R., Manshadi M.D., “Experimental investigation on turbulence

intensity reduction in subsonic wind tunnels”, Aerospace science and technology, 15, 137 – 147

(2011)

8 Chong T.P., Joseph P.F., Davies P.O.A.L, “Design and performance of an open jet wind tunnel

for aerospace-ascoustic measurement”, Applied ascoustics, 10, 605 – 614, 2009

9 Nguyễn Quốc Ý và Hà Phương, “Experimental and numerical study on performance of a new

ventilation device powered by hybrid wind and photovoltaic energy”, Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ 9, 8-9/12/2012, Hà Nội (2012)

10 Truong H.T Thao – Tran Q Duc – Than N Hai, Nguyen Quoc Y, “A two-dimensonal study on

wind-driven ventilation of buildings”, The 14 th congress of fluid mechanics – 14ACFM, October

15 – 19, 2013, HaNoi, Vietnam (2013)