Nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý vortex induced vibration

Đề tài trình bày các phương án thiết kế và thực nghiệm mô hình thiết bị phát điện dựa trên nguyên lý VIV lấy thông số đầu vào là vận tốc dòng chảy tương đương với dòng chảy thực tế của s

i

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ PHÁT ĐIỆN LÀM VIỆC THEO NGUYÊN LÝ VORTEX INDUCED

VIBRATION

Sinh viên thực hiện: PHAN NGUYỄN QUANG SƠN

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu toàn cầu về các nguồn năng lượng tái tạo có thể mở rộng là rất lớn và ngày càng tăng Hầu hết năng lượng hiện được khai thác từ dòng nước bằng nỗ lực chung của đập và máy phát thủy điện Một công nghệ mới đầy hứa hẹn đáp ứng các tiêu chí này sử dụng các rung động do xoáy trong nước để trích xuất năng lượng Các cấu trúc chịu dòng chảy chất lỏng thường được thiết kế để giảm thiểu sự mệt mỏi do rung động do xoáy gây ra Chỉ gần đây, ý tưởng mới được đề xuất để tăng cường các rung động nhằm tối đa hóa việc khai thác năng lượng từ chất lỏng

Công nghệ này hoạt động bằng cách lắp một hình trụ nằm ngang trong nước và hạn chế nó ở một bậc tự do duy nhất, chuyển động lên xuống trong mặt phẳng vuông góc với dòng chất lỏng Dòng chảy qua xi lanh này tạo ra một mô hình xoáy xen kẽ mà tác dụng lực nâng xen kẽ lên xi lanh, đẩy nó lên và xuống, công nghệ mới hơn và ít xâm lấn hơn về mặt sinh thái

Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration”sẽ làm rõ các vấn đề: Giới thiệu, phân tích hoạt động, kết cấu mô hình thực nghiệm, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng sản xuất điện của mô hình và định hướng ứng dụng, lắp đặt thực tế cho sông Hàn

Được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS Lê Minh Đức, cùng toàn thể các thầy trong Khoa Cơ Khí Giao Thông đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành

đồ án này Nhưng do chưa có kinh nghiệm và trình độ của bản thân còn hạn chế nên trong đồ án không tránh khỏi những sai sót Rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp của các thầy, các bạn để đồ án ngày càng được hoàn thiện hơn

Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019 Sinh viên thực hiện

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration” là một công trình nghiên cứu của bản thân Đề tài là một sản phẩm mà chúng em đã nỗ lực nghiên cứu trong thời gian làm

đồ án tốt nghiệp Trong quá trình viết bài có sự tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc

rõ ràng, được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo, các số liệu trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC KỸ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU viii

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION (VIV) 1

1.1 Giới thiệu tên đề tài 1

1.2 Phân loại rung động khi có dòng bao vật cản 2

1.2.1 Rung động do dòng chảy khí bao vật cản 2

1.2.1.1 Nguyên lí làm vệc của hệ thống 2

1.2.1.2 Ưu, Nhược điểm của hệ thống 2

1.2.1.3 Ứng dụng 3

1.2.2 Rung động do dòng chảy nước bao vật cản 3

1.2.2.1 Nguyên lí làm vệc của hệ thống 4

1.2.2.3 Ứng dụng 4

1.2.3 Chọn phương án dòng chảy bao vật cản làm thực nghiệm 5

1.3 Chọn phương pháp thiết kế 6

1.3.1 Khảo sát hệ sinh thái sông Hàn 6

1.3.2 Các phương án bố trí Xilanh 7

1.3.2.1 Bố trí Xi lanh kiểu thằng đứng 7

1.3.2.2 Bố trí Xi lanh kiểu nằm ngang 8

1.3.3 Chọn phương án bố trí 8

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH THEO NGUYÊN LÝ VIV 9

2.1 Tính toán sơ bộ 9

2.1.1 Tính toán vật cản của mô hình thực nghiệm 9

2.1.2 Chọn bơm cho mô hình thực nghiệm 11

2.1.3 Tính toán lực nâng của xi lanh Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. 2.1.4 Tính toán độ cứng lò xo 15

2.1.4.1 Tính tần số xoáy fv Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.

2.1.4.2 Tính khối lượng xilanh mapp khi có dòng chảy bao vật cảnLỗi! Thẻ đánh

2.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm VIV bố trí xilanh nằm ngang 16

2.2.1 Chọn phần mềm thiết kế 3D 16

2.2.2 Thiết kế mô hình bể thử 16

2.2.3 Thiết kế mô hình vật cản làm việc theo nguyên lý VIV 20

2.2.3.1 Mô hình vật cản 20

2.2.3.2 Lò xo Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 2.2.3.3 Bố trí mô hình VIV Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định 2.2.3.4 Thiết kế hệ thống đường ống Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. 2.3 Thiết kế mô hình VIV bố trí xilanh theo kiểu thẳng đứng 28

2.3.1 Mô hình vật cản 28

2.3.2 Tính toán lực nâng xilanh 29

2.3.3 Lò xo 30

2.3.3.1 Tính toán độ cứng lò xo 30

2.3.3.2 Tính tần số xoáy fv 30

2.3.3.3 Tính khối lượng xilanh mapp khi có dòng chảy bao vật cản 31

2.3.4 Bố trí mô hình VIV 21

2.3.4 Thiết kế hệ thống đường ống 23

Chương 3: CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 28

3.1 Thiết kế nguồn điện 28

3.2 Chế tạo mô hình VIV bố trí xilanh kiểu nằm ngang 39

3.2.1 Bố trí nam châm và cuộn dây lên mô hình thực nghiệm 39

3.2.2 Chế tạo bể 40

3.2.3 Đặt bơm 1.5DK-22 41

3.3 Chế tạo mô hình VIV bố trí xilanh kiểu thẳng đứng 42

3.4 Thực nghiệm mô hình VIV bố trí xilanh nằm ngang 44

3.4.1 Đo điện áp Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. 3.5 Thực nghiệm mô hình VIV bố trí xilanh thẳng đứng 33

3.5.1 Đo điện áp 33

3.5.2 Xác định số Strohal từ thực nghiệm 34

3.6 So sánh và nhận xét thực nghiệm của 2 phương án bố trí VIV 50

Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT 53

4.1 Kết luận 53

4.2 Kiến nghị và đề xuất 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Rung động do xoáy khi có dòng nước, khí bao vật cản 1

Hình 1.2 Rung động do dòng khí bao vật cản 2

Hình 1.3 Dao động cộng hưởng của dòng khí bao vật cản 3

Hình 1.4 Rung động do dòng nước bao vật cản 4

Hình 1.5 Mô phỏng dòng xoáy để tính toán đường ống dầu 5

Hình 1.6 Bố trí xilanh kiểu thẳng đứng 7

Hình 1.7 Bố trí xi lanh theo kiểu nằm ngang 8

Hình 2.1 Chế độ dòng xoáy [1] 9

Hình 2.2 Bố trí các vị trí khảo sát của mô hình 10

Hình 2.3 Thông số bể thử 12

Hình 2.4 Lực nâng khi có dòng chảy bao xilanh.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. Hình 2.9 Mô hình bể thiết kế 16

Hình 2.10 Mặt cắt dọc bể thử 16

Hình 2.11 Mô hình bể thử 17

Hình 2.12 Dòng chảy trong bể thử 18

Hình 2.13 Mô phỏng mô hình dòng chảy khép kín 19

Hình 2.14 Mô hình vật cản Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.15 Bố trí lò xo vào xilanh Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.16 Hệ thống giá đỡ/khung đỡ Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.17 Bố trí xilanh, lò xo vào hệ thống giá đỡ.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.18 Bố trí tổng thể Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.19 Bố trí hệ thống thí nghiệm thực tế.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. Hình 2.20 Dòng chảy trong hệ thống đường ống 26

Hình 2.21 Bảng chọn hệ số tổn thất năng lượng cục bộ 26

Hình 2.22 Mô hình vật cản 29

Hình 2.23 Lực nâng khi có dòng chảy bao xilanh 29

Hình 2.25 Hệ thống giá đỡ/khung đỡ 21

Hình 2.26 Bố trí xilanh, lò xo vào hệ thống giá đỡ 22

Hình 2.27 Bố trí tổng thể 23

Hình 2.28 Bố trí hệ thống thí nghiệm thực tế 24

Hình 3.1 Sơ đồ dòng điện cảm ứng 39

Hình 3.2 Nam châm vĩnh cửu 39

Hình 3.3 Bố trí nam châm và cuộn dây lên mô hình thực nghiệm 40

Hình 3.4 Chế tạo bể thử 41

Hình 3.5 Bố trí mô hình thực nghiệm 42

Hình 3.6 Bố trí nam châm và cuộn dây lên mô hình thực nghiệm 43

Hình 3.7 Bố trí mô hình thực nghiệm VIV 44

Hình 3.8 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dòng chảy U.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. Hình 3.9 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tần số xoáy fv và St 47

Hình 3.10 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa biên độ dao động xilanh A(cm) và tần số xoáy fv(Hz) 33

Hình 3.11 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dòng chảy U 48

Hình 3.12 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tần số xoáy fv và St 50

Hình 3.13 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa biên độ dao động của xilanh A(cm) và tần số xoáy fv(Hz) 50

Hình 3.14 Hình 3.10 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ giữa tần số xoáy fv(Hz) và số strohal St của 2 phương án bố trí xilanh 51

Hình 3.15 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ giữa tốc độ dòng chảy U(m/s) và hiệu điện thế U’(mA) của 2 phương án bố trí xilanh 52

Hình 3.16 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ giữa biên độ dao động xilanh A(cm) và tần số xoáy fv(Hz) của 2 phương án bố trí xilanh 53

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật tính chọn xilanh 9

Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của bơm 10

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của bơm 28

Bảng 2.4 Các thông số cho trước 31

Bảng 3.1 Kết quả đo từ thực nghiệm Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Bảng 3.2 Kết quả đo và tính toán từ thực nghiệm.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. Bảng 3.3 Kết quả đo từ thực nghiệm 47

Bảng 3.4 Kết quả đo và tính toán từ thực nghiệm 49

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

VIV : Vortex induced Vibration

[1] Tài liệu tham khảo mục [1]

[2] Tài liệu tham khảo mục [2]

[3] Tài liệu tham khảo mục [3]

MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Nhu cầu toàn cầu về các nguồn năng lượng tái tạo có thể mở rộng là rất lớn và ngày càng tăng Hầu hết năng lượng hiện được khai thác từ dòng nước bằng nỗ lực chung của đập và máy phát thủy điện Một công nghệ mới đầy hứa hẹn đáp ứng các tiêu chí này sử dụng các rung động do xoáy trong nước để trích xuất năng lượng Các cấu trúc chịu dòng chảy chất lỏng thường được thiết kế để giảm thiểu sự mệt mỏi do rung động do xoáy gây ra Chỉ gần đây, ý tưởng mới được đề xuất để tăng cường các rung động nhằm tối đa hóa việc khai thác năng lượng từ chất lỏng

Công nghệ này hoạt động bằng cách lắp một hình trụ nằm ngang hoặc thẳng đứng trong nước và hạn chế nó ở một bậc tự do duy nhất, chuyển động lên xuống trong mặt phẳng vuông góc với dòng chất lỏng Dòng chảy qua xi lanh này tạo ra một mô hình xoáy xen kẽ mà tác dụng lực nâng xen kẽ lên xi lanh, đẩy nó lên và xuống, công nghệ mới hơn và ít xâm lấn hơn về mặt sinh thái

Đề tài trình bày các phương án thiết kế và thực nghiệm mô hình thiết bị phát điện dựa trên nguyên lý VIV lấy thông số đầu vào là vận tốc dòng chảy tương đương với dòng chảy thực tế của sông Hàn (Đà Nẵng) Thành công của nghiên cứu này là nền móng để thực hiện tham vọng của nhóm nghiên cứu, đó là có thể sử dụng nguyên lý VIV để phát ra điện, phục vụ một số các nhu cầu giải trí ven sông, các tín hiệu đèn báo ven sông, tín hiệu đèn báo dọc các thành cầu, bảng tín hiệu khác,v.v

II Đối tượng, phạm vi và mục đích nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: VIV

- Phạm vi nghiên cứu: Khả năng làm việc của mô hình VIV với tốc độ dòng chảy vào mùa khô và tốc độ lưu lượng trung bình hàng ngày

- Mục đích nghiên cứu: Tính toán, phân tích hoạt động của mô hình VIV và khả năng ứng dụng thực tế là sông Hàn

III Cấu trúc đồ án tốt nghiệp

Cấu trúc đồ án gồm các phần:

Mở đầu

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION

Nghiên cứu và chế tạo máy phát điện làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH THEO NGUYÊN LÝ VIV Chương 3:CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION

1.1 Giới thiệu tên đề tài

Rung động do xoáy là một hiện tượng dòng chảy, dòng khí được nghiên cứu trong các ngành đa hướng và thường được tìm cách để giảm thiểu Tuy nhiên, một tiềm năng tồn tại để khai thác hiện tượng này để tạo ra năng lượng điện từ dòng hải lưu vận tốc thấp

Công nghệ này hoạt động bằng cách bảo vệ một hình trụ nằm ngang trong nước hoặc trong gió và hạn chế nó ở một mức độ tự do duy nhất; chuyển động lên xuống trong mặt phẳng vuông góc với dòng chất lỏng được thể hiện trong Hình 1.1

Hình 1.1 Rung động do xoáy khi có dòng nước, khí bao vật cản

1.2 Phân loại

1.2.1 Rung động khi có dòng bao vật cản

+ Mô hình thực nghiệm rung động do dòng khí bao vật cản được thể hiện qua Hình

ra lực nâng trên xi lanh di chuyển nó lên và xuống nhờ lực đàn hồi của lò xo, tạo ra năng lượng cơ học

1.2.1.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống

Ưu điểm của mô hình ứng dụng nguyên lý rung động do dòng khi bao vật cản là: Kết cấu gọn gàng, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hệ thống hoạt động êm dịu, khả năng mở rộng

và tính linh hoạt là một trong số những thế mạnh của của công ngệ này

Ngoài những ưu điểm thì cũng tồn tại nhiều hạn chế nếu sử dụng công ngệ này là: Gió phải liên tục, khi không có gió thì hệ thống không hoạt động được, kết cấu vật cản phải nhẹ để đảm bảo với hệ thống mô hình hoạt động được khi có tốc độ gió ở mức trung bình cho phép, vật liệu chế tạo chịu được nhiệt tốt

1.2.1.3 Ứng dụng

Công ngệ rung động do dòng khí bao vật cản này có những ứng dụng là:

+ Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của công ngệ này là tính toán dao động cộng hưởng làm sụp cầu

Hình 1.3 Dao động cộng hưởng của dòng khí bao vật cản

+ Chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng thông qua các máy phát quay hoặc tuyến tính, tùy chọn đơn giản nhất là khai thác chuyển động tuyến tính cho máy phát điện dựa trên cảm ứng điện từ

1.2.2 Rung động do dòng chảy nước bao vật cản

Mô hình thực nghiệm mô phỏng dòng chảy nước bao vật cản được thể hiện qua Hình 1.4:

Hình 1.4 Rung động do dòng nước bao vật cản

1.2.2.1 Nguyên lí làm vệc của hệ thống

Cũng giống như Rung động khi có dòng khí bao vật cản, khi có dòng chảy với tốc độ U(m/s) nhất định, Sự hiện diện của ống hình trụ trong dòng nước gây ra các xoáy khí trên và dưới của hình trụ Các xoáy khí sau đó được hình thành do thay đổi sự phân phối áp lực dọc theo bề mặt hình trụ Các xoáy này tạo ra lực nâng trên xi lanh di chuyển

nó lên và xuống nhờ lực đàn hồi của lò xo, tạo ra năng lượng cơ học

1.2.2.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống

Ưu điểm của mô hình ứng dụng nguyên lý rung động do dòng khi bao vật cản là: Kết cấu gọn gàng, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, giá thành rẻ, cho công suất lớn hơn mô hình sử dụng dòng khí bao vật cản (Một dàn VIV để sản xuất ra điện năng mắc nối tiếp có kích thước một toà nhà 2 tầng có thể cung cấp điện năng cho 100 ngôi nhà)

Ngoài những ưu điểm thì cũng tồn tại nhiều hạn chế nếu sử dụng công ngệ này là: Vật liệu chế tạo phải thích hợp với việc ở dưới nước trong thời gian dài, để hạn chế

hư hỏng và có thể hoạt động lâu dài, sửa chữa gặp nhiều khó khăn

1.2.2.3 Ứng dụng

+ Tính toán mô phỏng các xoáy nước để chế tạo các đường ống chở dầu, các dây

cáp xuyên biển, các dàn khoan dầu để giảm thiểu thiệt hại mà chúng gây ra

Hình 1.5 Mô phỏng dòng xoáy để tính toán đường ống dầu

+ Chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng thông qua các máy phát quay hoặc tuyến tính, tùy chọn đơn giản nhất là khai thác chuyển động tuyến tính cho máy phát điện dựa trên cảm ứng điện từ

1.2.3 Chọn phương án dòng chảy bao vật cản làm thực nghiệm

Từ các ưu nhược điểm mà rung động tạo ra xoáy từ dòng khí và nước đã đề cập

ở trên, ta chọn phương án thiết kế tối ưu nhất cho đề tài “ Thiết kế trạm phát điện làm

việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration ” là tạo rung động do xoáy nước

1.3 Chọn phương pháp thiết kế

Phương án thiết kế mô hình thiết bị phát điện dựa trên nguyên lý VIV và lấy thông số vận tốc dòng chảy tương đương với dòng chảy thực tế của sông Hàn Với tham vọng có thể sử dụng nguyên lý VIV để phát ra điện, phục vụ một số các nhu cầu giải trí ven sông, các tín hiệu đèn báo ven sông, tín hiệu đèn báo dọc các thành cầu, bảng tín hiệu khác,v.v

1.3.1 Khảo sát đặc điểm dòng chảy sông Hàn

Lưu lượng:

+ Lưu lượng dòng chảy trung bình 350 m3/s

+ lưu lượng dòng chảy vào mùa mưa trung bình 850m3/s

+ Lưu lượng dòng chảy vào mùa khô 45m3/s

Dòng chảy: Có sự thay đổi theo Tầng chuẩn thủy văn ( 0.2H, 0.6H, 0.8H )

Chọn Tầng trung bình là 0.8H với tốc độ dòng chảy: [1]

+ Vào mùa mưa: V=(1,9-35,4)m/s

+ Vào mùa khô: V=(0,03-0,22)m/s

Mùa mưa có lưu lượng và tốc độ dòng chảy rất lớn, biến động theo thời gian lớn Vtb=(1,9-35,4)m/s, nhưng vào mùa khô và tốc độ dòng chảy hàng ngày ít biến động, đồng thời xét về tính hiệu quả và tính kinh tế của mô hình Vì vậy nhóm tiến hành khảo sát và thiết kế mô hình dùng cho mùa khô và lưu lượng hàng ngày tại sông Hàn Chọn tốc độ dòng chảy thiết kế: [1]

V1=0,2m/s, V2=0,15m/s, V3=0,05m/s

1.3.2 Phương án bố trí Xilanh kiểu thẳng đứng

Hình 1.6 Bố trí xilanh kiểu thẳng đứng

Trong đó: 1: là xilanh bố trí theo kiểu thẳng đứng; 2: là bể thử

Đối với trường hợp bố trí xilanh kiểu thẳng đứng như Hình 1.6, xi lanh được cố định bậc tự do chỉ cho chuyển động lên suống và tạo năng lượng

Sau khi khảo sát sông Hàn chọn tốc độ dòng chảy thiết kế V1=0,2m/s,

V2=0,15m/s, V3=0,05m/s Để tiến hành thí nghiệm ta cần có bơm thủy lực có thể thay

đổi được tốc độ dòng chảy, nhưng với khả năng kinh tế còn hạn chế không có được bơm đáp ứng yêu cầu như vậy Vì thế thay vì ta thay đổi tốc độ dòng chảy bằng bơm thì ta cần thay đổi diện tích bề mặt bể và tính toán sao cho đạt tốc độ dòng chảy yêu cầu, với công thức:

Q=U.S (m3/s) Trong đó: Q: là lưu lượng chất lỏng (m3/s); U: là tốc độ dòng chảy (m/s); S: là diện

tích bề mặt (m2)

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH THEO NGUYÊN LÝ

VIV

2.1 Tính toán sơ bộ

2.1.1 Tính toán vật cản của mô hình thực nghiệm

Giống như nhiều hiện tượng dòng chảy chất lỏng, sự biến đổi dòng xoáy đã được quan sát là phụ thuộc trực tiếp vào số Reynold của dòng chảy, được xác định trong biểu thức:

Re = U.D

vTrong đó: U: là vận tốc dòng chảy tự do; D: là đường kính xi lanh; v: là độ nhớt

động học của chất lỏng

Hình 2.1 Chế độ dòng xoáy [1]

Các kiểu đổ xoáy khác nhau xảy ra trên các phạm vi khác nhau của số Reynold được trình bày trong Hình 2.1 Đối với hai chế độ thấp nhất, việc đổ xoáy định kỳ là không tồn tại và không có lực nâng nào tác động lên cơ thể Đối với Re> 40, một đường xoáy bắt đầu hình thành, trên thực tế, điều này dẫn đến các lực nâng khác nhau, vì các xoáy không đối xứng từ đỉnh và đáy của hình trụ Trong khoảng 150 <Re <300, vùng

chuyển tiếp đầu tiên xảy ra, trong đó đường xoáy thay đổi từ dòng chảy tầng sang hỗn loạn

Với 300 <Re <3x105, đường xoáy hoàn toàn hỗn loạn và kết quả lột xác định kỳ, mạnh mẽ.Vùng chuyển tiếp thứ hai xảy ra khi dòng chảy xung quanh xi lanh thay đổi từ tầng sang hỗn loạn, và một lần nữa sự biến đổi xoáy bị gián đoạn và không đều Phạm

vi theo thỏa thuận cho khu vực chuyển tiếp này được tìm thấy là khác nhau, với kết quả Lienhard cho 3x105 <Re <3.5x106 Phía trên vùng chuyển tiếp cuối cùng này, từ Re> 5x105 đến 3,5x106, cả lớp đường xoáy và lớp ranh giới hình trụ đều hỗn loạn, và các vòng xoáy thường xuyên tiếp tục

Nhận thấy đối với toàn bộ phạm vi khoảng 300 < Re < 3 105 tương ứng rất tốt với đường xoáy hỗn loạn

với Re = U.D

v => D=

v.Re

U Trong đó: v là độ nhớt động học của nước v=1,31.10−6(m2/s)

0,196(cm) < D < 196(cm)

Chọn D=2,7cm, chọn chiều dài xi lanh L=5cm

Các thông số tính toán được thống kê vào Bảng 2.1

Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật tính chọn xilanh

2.1.2 Chọn bơm cho mô hình thực nghiệm

Chọn bơm thủy lực 1.5DK-22 với thông số kỹ thuật bơm như sau:

Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của bơm

S: là tiết diện bề mặt (m2)

Để mô hình thự nghiệm có được tốc độ dòng chảy tương ứng với tốc độ dòng chảy của sông Hàn ta cần tính các diện tích bề mặt mô hình khi có dòng chảy qua Tham khảo lưu lượng sông Hàn ở trên, ta có tốc độ dòng chảy trung bình là: V1=0,05m/s, V2=0,15m/s,

V3=0,2m/s tương ứng với tốc độ lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất

Với lưu lượng bơm Q=11(m3/h) =3,05.10−3 (m3/s )

Hình 2.2 Bố trí các vị trí khảo sát của mô hình

−4 (m2) = 203 (cm2) Vậy bề mặt thiết kế là hình chữ nhật với S=203cm2

−4 (m2) = 610(cm2)

=> Chọn a=10cm => b=61 cm chọn b=60cm

=> Mặt cắt C-C: a=10cm, b=60cm

Hình 2.3 Thông số bể thử

Các thông số tính toán của mặt cắt bể thử được thể hiện qua Hình 2.3

2.2 Thiết kế mô hình thực nghiệm VIV bố trí xilanh thẳng đứng

(b)

Hình 2.6 Mô hình bể thử

(a) Thông số kỹ thuật của bể; (b) Mô phỏng bể 3D

+ Dòng chảy trong: