Đồ án thiết kế tua bin gió trục ngang cỡ nhỏ có đầy đủ các bước tính toán, thiết kế, mô phỏng. Dựa vào điều kiện và tài nguyên gió tự nhiên của những khu vực ven biển Việt Nam với các điều kiện thực tế, tôi muốn thiết kế một tuabin gió cỡ nhỏ, dễ chế tạo, dễ lắp đặt ở quy mô hộ gia đình.
TỔNG QUAN VỀ TIỀM NĂNG GIÓ KHU VỰC VEN BIỂN VIỆT NAM
Tiềm năng về năng lượng gió khu vực ven biển Việt Nam
1.1.1 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam
Nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 37/QĐ-TTg vào ngày 29/6/2011, yêu cầu xây dựng quy hoạch phát triển điện gió quốc gia và tại các tỉnh có tiềm năng Một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quy hoạch là đánh giá tiềm năng lý thuyết và kỹ thuật của nguồn điện gió Tuy nhiên, việc đánh giá tiềm năng gió với độ tin cậy cao tại Việt Nam vẫn chưa được thực hiện, mặc dù đã có một số đánh giá ban đầu từ các tổ chức và đơn vị khác nhau.
Năm 2001, Ngân hàng Thế giới đã tài trợ cho việc xây dựng bản đồ gió tại bốn quốc gia Đông Nam Á: Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam, nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng gió trong khu vực Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu gió từ các trạm khí tượng thủy văn và mô hình MesoMap, cung cấp ước tính tiềm năng gió ở Việt Nam ở độ cao 65m và 30m, phù hợp với các loại tuabin gió lớn và nhỏ Dữ liệu khí tượng thủy văn được cung cấp bởi Viện Khí tượng và Thủy văn quốc gia Việt Nam (VNHM) và Cục quản lý Hải dương học và Khí tượng quốc gia Mỹ (NOAA), với NOAA đã kết nối với 24 trạm khí tượng thủy văn tại Việt Nam từ năm 1994 để thu thập dữ liệu.
Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam sở hữu tiềm năng gió lớn nhất trong bốn quốc gia khu vực, với hơn 39% tổng diện tích có tốc độ gió trung bình hàng năm vượt quá 6m/s ở độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích đất nước được đánh giá có tiềm năng gió rất tốt.
Bảng 1.1 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 65 m phía trên mực nước biển
Vận tốc gió trung bình (m/s)
Thấp Trung bình Khá cao Cao Rất cao
Việt Nam có tiềm năng lớn trong phát triển năng lượng gió, với 41% diện tích nông thôn có thể khai thác điện gió loại nhỏ ở độ cao 30 m So với các nước láng giềng, con số này vượt xa Campuchia (6%), Lào (13%) và Thái Lan (9%), cho thấy Việt Nam có lợi thế nổi bật trong lĩnh vực năng lượng tái tạo này.
Nghiên cứu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam về tiềm năng gió tại Việt Nam cho thấy tốc độ gió trung bình thấp hơn so với khảo sát của Ngân Hàng Thế giới Bảng 1.2 trình bày sự so sánh tốc độ gió trung bình giữa hai nguồn khảo sát tại một số địa điểm ở Việt Nam.
Bảng 1.2 So sánh về tốc độ gió trung bình theo khảo sát của EVN và WB
STT Địa điểm Tốc độ gió trung bình hàng năm tại độ cao 65 m (m/s)
Nghiên cứu chỉ ra rằng tổng công suất điện gió dự kiến đạt khoảng 1.785 MW, với khu vực Miền Trung từ Quảng Bình đến Bình Định có tiềm năng lớn nhất, khoảng 880 MW Khu vực Nam Trung Bộ, bao gồm hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận, theo sau với công suất khoảng 855 MW.
Bảng 1.3 Công suất điện gió tiềm năng của Việt Nam
STT Khu vực Công suất điện gió dự kiến (MW)
Việc tính toán tiềm năng năng lượng gió của EVN vẫn chưa hoàn tất do quy mô dự án và sự tập trung vào các tỉnh duyên hải miền Trung Điều này cho thấy có khả năng tồn tại nhiều vị trí có tiềm năng gió tốt chưa được khám phá, do đó cần thực hiện các nghiên cứu sâu rộng hơn để có cái nhìn toàn diện về tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam.
Hình 1.2 Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở Việt Nam tại độ cao 80m
Bảng 1.4 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tại độ cao 80m phía trên mực nước biển
Vận tốc gió trung bình(m/s)
Công suất tiềm năng (MW)
Ngoài các khảo sát từ những tổ chức đã đề cập, nhiều tổ chức và viện nghiên cứu khác cũng tiến hành đánh giá tiềm năng năng lượng gió tại Việt Nam, đặc biệt là ở cấp độ tỉnh và thành phố.
Tại độ cao 10m Tại độ cao 100m
Hình 1.3 Sơ đồ phân bố tốc độ gió trung bình năm ở vùng biển ven bờ Việt
Nam tại độ cao 10m và 100m
Hình 1.4 Tiềm năng điện gió ngoài khơi ở Việt Nam
1.1.2Tiềm năng năng lượng gió tại khu vực Miền Trung vực miền trung Việt Nam Còn ở độ cao 10m tốc độ gió 5 – 7m/s phân bố nhiều nhất ở các tỉnh như Thanh Hóa, Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Khánh Hòa, Phan Thiết, Bình Thuận, Ninh Thuận Tìm năng gió tuy là rất lớn như vậy nhưng việc khai thác, sử dụng năng lượng gió tại khu vực này chưa tương xứng với tiềm năng hiện có của nó
1.1.3 Vị trí mục tiêu Để xác định vị trí đích cho việc lắp đặt tuabin gió, so sánh một số vị trí liệt kê ở trên có thể được thực hiện Các đặc điểm của từng vị trí mà các so sánh sẽ được thực hiện là chế độ gió, tiềm năng thay thế các nguồn cung cấp năng lượng không thể tái tạo, và tiềm năng mang lại lợi ích cho cộng đồng cùng với việc họ sẵn sàng áp dụng công nghệ.
Phước Minh, Ninh Thuận được xác định là địa điểm lý tưởng cho việc lắp đặt và thử nghiệm mô hình tuabin gió, với tốc độ gió trung bình hằng năm đạt 7,22 m/s theo EVN và 8,03 m/s theo WB.
Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay
1.2.1 Tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới
Hình 1.5 cho thấy sản xuất điện từ năng lượng tái tạo trên toàn cầu, với khoảng 13,44% tổng sản lượng điện nội địa của Hoa Kỳ đến từ nguồn năng lượng tái tạo (Enerdata, 2016) Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió nổi bật nhờ tính dễ tiếp cận, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí, đã trở thành một trong những lựa chọn phổ biến cho phát điện Gió được xem là nguồn tài nguyên tiềm năng quan trọng và bền vững, trong khi công nghệ tuabin gió có thể hoạt động như một động cơ chính sử dụng năng lượng tái tạo này.
Ngành năng lượng gió, mặc dù còn mới, đang trở thành một trong những nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất toàn cầu nhờ vào sự phát triển công nghệ và chi phí vận hành thấp Thương mại tuabin gió đã mở rộng về kích thước, giúp gia tăng năng lượng chiết xuất từ gió Theo Hội đồng Năng lượng gió Toàn cầu (GWEC), tổng công suất điện gió toàn cầu đã đạt gần 487 GW, với Mỹ, Trung Quốc, Đức và Ấn Độ là những quốc gia dẫn đầu Bên cạnh đó, Pháp, Thổ Nhĩ Kỳ và Hà Lan cũng có những bước tiến mạnh mẽ trong lĩnh vực này.
2017) Công suất gió lắp đặt tích lũy toàn cầu 2001-2016 được thể hiện trong hình 1.6.
Hình 1.6 Công suất gió lắp đặt tích lũy toàn cầu giai đoạn 2001-2016 (GWEC, 2017) Hơn nữa, công suất năng lượng gió tích lũy của các nước lớn đến tháng 12 năm
2016 được thể hiện trong hình sau.
Hình 1.7 Năng lượng gió tích lũy của các nước lớn
Hình 1.8 Tỷ trọng nguồn điện gió toàn cầu hết năm 2017
1.2.2 Tình hình sử dụng năng lượng gió hiện nay tại Việt Nam
Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng gió với bờ biển dài hơn 3000km và vận tốc gió trung bình từ 5m/s trở lên Tuy nhiên, sự phát triển công nghệ điện gió vẫn chưa tương xứng với khả năng này, hiện cả nước chỉ có khoảng 50 dự án điện gió Một số dự án tiêu biểu đang được triển khai.
Dự án điện gió Tuy Phong tại Bình Thuận, do Công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) phát triển, có tổng mức đầu tư khoảng 1.450 tỷ đồng và công suất 120MW, bao gồm 80 tuabin điện gió 1,5MW Giai đoạn 1 của dự án đã hoàn thành vào năm 2011 với 20 tuabin đang hoạt động hiệu quả.
Dự án điện gió Bạc Liêu, do Công ty TNHH Xây Dựng – Thương mại & Du Lịch Công Lý phát triển, có tổng mức đầu tư khoảng 5.300 tỷ đồng và công suất 99.2MW Hiện tại, giai đoạn 1 của dự án đã hoàn thành với 10 tuabin gió, mỗi tuabin có công suất 1.6MW Giai đoạn 2 đã được khởi công vào tháng 8/2013, dự kiến sẽ lắp đặt tổng cộng 52 tuabin gió.
Nhà máy điện gió Bạc Liêu và dự án điện gió Phú Quý - Bình Thuận, do Tổng công ty Điện lực dầu khí Việt Nam đầu tư, có tổng công suất 6MW, sử dụng tuabin loại 2,0MW.
Dự án điện gió Phương Mai, do Công ty cổ phần Phong điện Phương Mai đầu tư, đã chính thức khởi công tại Bình Định vào tháng 4 năm 2012 Giai đoạn 1 của dự án có công suất 30MW với 12 tuabin điện gió loại 2,5MW, trong khi giai đoạn 2 đạt công suất 75MW và giai đoạn 3 dự kiến sẽ đạt công suất 100MW.
Dự án điện gió Phú Lạc, do Công ty Bình Thuận Wind Power JSC đầu tư, có công suất 24MW với 16 tuabin 1,5MW Bên cạnh đó, dự án điện gió An Phong, do Công ty Thuận Phong Energy Development JSC phát triển, có tổng công suất lên tới 180MW.
Các dự án điện gió tại Việt Nam, như thể hiện trong hình 1.14, chủ yếu tập trung ở các tỉnh miền Trung và miền Nam Hình 1.13 minh họa cho sự phát triển của điện gió Phú Lạc, cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển năng lượng tái tạo tại khu vực này.
Việt Nam đang mở rộng ứng dụng năng lượng gió thông qua việc xây dựng các nhà máy điện gió lớn tại những khu vực có điều kiện gió thuận lợi Tuy nhiên, việc này cũng gây ra nhiều tác động xấu đến môi trường Các khảo sát cho thấy Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng gió ở nhiều khu vực khác, đặc biệt là các tỉnh ven biển miền Trung Bên cạnh đó, ứng dụng năng lượng gió quy mô nhỏ cho nhu cầu hộ gia đình hoặc nông nghiệp, thông qua việc sử dụng tuabin gió cỡ nhỏ, vẫn chưa được triển khai rộng rãi.
Tình hình nghiên cứu, chế tạo tuabin gió cỡ nhỏ
Trong 35 năm qua, nghiên cứu và chế tạo tuabin gió trên toàn cầu đã có những bước tiến vượt bậc Công suất của tuabin gió đã tăng từ 50 kW với đường kính cánh từ 10 m – 15 m lên mức tối đa hiện nay là 5 MW, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ năng lượng tái tạo này.
MW, với đường kính cánh tuabin 120 m
Hình 1.11 Tình hình phát triển tuabin gió của thế giới từ năm 1980 đến nay
Tuy nhiên, một thực tế đặt ra là, mặc dù công nghệ dành cho tuabin cỡ lớn (>
Mặc dù tuabin gió cỡ lớn (trên 100 kW) đã được phát triển hoàn thiện, tuabin gió cỡ nhỏ vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn do sự đa dạng về cấu trúc và ứng dụng Tuabin gió cỡ nhỏ thích hợp cho các khu vực nông thôn, ngoại ô hoặc khu dân cư đông đúc, nơi không thể lắp đặt tuabin lớn do hạn chế về diện tích và tiếng ồn Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng tuabin gió cỡ nhỏ có hệ số công suất Cp thấp, chỉ khoảng 0,25, so với 0,45 của tuabin lớn Nguyên nhân là do tuabin lớn thường được đặt ở những vùng có điều kiện gió ổn định, trong khi tuabin nhỏ thường lắp trên mái nhà hoặc cánh đồng, nơi có gió không ổn định do vật cản xung quanh Thêm vào đó, kích thước nhỏ và tốc độ gió thấp khiến tuabin gió cỡ nhỏ hoạt động với số Reynolds không tối ưu.
Dòng chảy tầng trên cánh tuabin gió bị tách rời do áp suất thấp, dẫn đến sự hình thành bong bóng tách thành, làm tăng lực cản và giảm lực nâng, gây ra tiếng ồn và giảm hệ số công suất Do đó, nghiên cứu cải thiện hiệu suất của tuabin gió cỡ nhỏ trong điều kiện làm việc xác định là rất quan trọng, chủ yếu thông qua các phương pháp mô phỏng số như Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) và các phương pháp mô hình khác Bên cạnh đó, việc tìm kiếm vật liệu "xanh" thay thế cho composite sợi thủy tinh và nhựa từ dầu mỏ trong chế tạo cánh tuabin cũng đang được các nhà khoa học toàn cầu chú trọng nghiên cứu, nhằm giải quyết vấn đề tái sử dụng vật liệu.
Khảo sát về tiềm năng gió của Việt Nam cho thấy tốc độ gió trung bình tại khu vực ven biển Miền Trung chỉ đạt khoảng 5 – 7 m/s, thấp hơn mức cần thiết (> 8 m/s) để tuabin gió hoạt động hiệu quả Do đó, cần tiến hành nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất của tuabin gió, đặc biệt là thiết kế cánh tuabin phù hợp với điều kiện gió này Việc thiết kế liên quan đến lựa chọn biên dạng cánh thích hợp cho số Reynolds thấp và xác định kích thước, hình dạng cánh để đạt hiệu suất cao trong điều kiện tốc độ gió thấp Một số nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển các biên dạng cánh phù hợp với điều kiện này.
Một số biên dạng cánh như SG60XX, SD7062, SD7037, E387, AF3000 đã được ứng dụng để chế tạo cánh tuabin gió cỡ nhỏ với hiệu suất cao Nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định chiều dài cánh, chiều dài dây cung và góc xoắn tại các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài cánh, nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc và đạt được các đặc tính như khả năng khởi động tốt.
Cánh tuabin gió cỡ nhỏ được nghiên cứu và thiết kế nhằm hoạt động hiệu quả trong điều kiện tốc độ gió thấp (5 – 7 m/s) tại khu vực Miền Trung Việt Nam Quá trình thiết kế bao gồm việc lựa chọn biên dạng cánh phù hợp và xác định kích thước cùng chiều dài cánh thông qua các phương pháp khác nhau Đặc tính làm việc của cánh tuabin gió được mô phỏng và tính toán bằng phương pháp động lượng phần tử cánh và phương pháp phần tử xoáy Sau khi hoàn thành thiết kế, cánh tuabin sẽ được chế tạo từ vật liệu composit sợi thủy tinh và sẽ trải qua các thử nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động.
TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ
Khái niệm về tuabin gió
Tuabin gió là thiết bị cơ khí đơn giản, sử dụng sức gió để chuyển đổi động năng thành cơ năng, sau đó thành điện năng Năng lượng gió được coi là một trong những nguồn năng lượng bền vững hấp dẫn nhất, vì nó sản xuất lượng điện cao và vẫn bảo vệ môi trường.
Một số loại tuabin gió hiện nay
Turbine gió có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí như số cánh (1, 2 hay 3 cánh), kích thước (bán kính, chiều cao), dạng dòng chảy, cách điều khiển và công suất Tuy nhiên, hiện nay, turbine gió chủ yếu được chia thành hai loại: trục ngang và trục đứng Trong đó, turbine trục ngang là loại truyền thống, còn turbine trục đứng là công nghệ mới, có khả năng quay ổn định với mọi hướng gió.
Tuabin gió trục ngang được thiết kế với trục cánh quạt và máy phát điện ở đỉnh tháp, cần phải được định hướng về phía gió Các tuabin nhỏ thường sử dụng cánh gió đơn giản để chỉnh hướng, trong khi các tuabin lớn thường áp dụng cảm biến gió kết hợp với động cơ servo Hầu hết các tuabin đều trang bị hộp số để điều chỉnh tốc độ quay, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho máy phát điện.
Tuabin gió được sử dụng trong các trang trại gió để sản xuất điện thương mại thường có ba cánh và được định hướng theo chiều gió bằng động cơ điện, dưới sự kiểm soát của hệ thống máy tính.
Hình 2.1 Tua bin gió trục ngang
Một số đặc điểm của tuabin gió trục ngang phổ biến trên thị trường:
- Công suất phát điện từ vài trăm Watt đến vài MW.
- Dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s- 25m/s.
- Chiều cao cột chống tuabin 6m (loại công suất nhỏ) 120m (loại công suất lớn).
- Số cánh quạt 2-3 cánh quạt.
- Số vòng quay cánh quạt 20-40 vòng/phút.
- Là loại tuabin phát triển từ lâu đời nên có nhiều dữ liệu trong việc thiết kế.
- Đây là loại tuabin gió có hiệu suất cao nhất.
- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.
- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao.
- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng gió xong vẫn giới hạn ở góc quay nhất định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định.
- Tiếng ồn lớn, chịu ảnh hưởng nhiều từ môi trường.
Tuabin gió trục đứng có thiết kế cánh quạt chính theo chiều dọc, giúp loại bỏ nhu cầu phải quay về hướng gió, điều này rất có lợi trong môi trường có nhiều hướng gió khác nhau, như khi tích hợp vào tòa nhà Hơn nữa, việc đặt máy phát điện và hộp số gần mặt đất cho phép sử dụng ổ đĩa trực tiếp từ cánh quạt đến hộp số, từ đó cải thiện khả năng bảo trì.
Một số đặc điểm của tuabin gió trục đứng phổ biến trên thị trường:
- Dải vận tốc gió hoạt động 3-40m/s.
- Bán kính cánh quạt dưới 10m.
- Dải vận tốc gió hoạt động khá rộng.
- Tuabin hoạt động không phụ thuộc vào hướng gió của dòng không khí nên có
- Ít chịu ảnh hưởng từ môi trường bên ngoài.
- Công nghệ mới nên giá thành cao và chưa có nhiều kĩ năng thiết kế.
Phân loại tuabin gió trục đứng: có 2 loại phổ biến
Savonius hoạt động nhờ lực cản
- Tạo momen khởi động lớn nhưng hiệu suất thấp
- Tốc độ quay ko thể lớn hơn tốc độ gió đầu vào
Hình 2.2 Tuabin gió trục đứng
Darrieus hoạt động nhờ lực nâng
- Tạo hiệu suất lớn hơn nhưng momen khởi động thấp
- Không thể tự khởi động
- Áp lực các cánh đè lên tâm máy lớn
Hình 2.3 Các dạng cánh của tuabin gió trục đứng Các dạng biến thể cánh trên Darrieus có thể kể đến như 4 dạng trên:
Để cải thiện nhược điểm của hai loại tuabin gió trục đứng hiện nay, chúng ta có thể kết hợp sử dụng cả tuabin Savonius và Darrieus Các dạng tuabin bao gồm: dạng chữ H, dạng chữ V, dạng Troposkien và dạng xoắn ốc, giúp tối ưu hóa hiệu suất khai thác năng lượng gió.
Hình 2.4 Kết hợp dạng Savonius và Darrieus của tuabin gió trục đứng
Loại tuabin này đã được triển khai thực tế tại một số quốc gia để cung cấp điện cho các thiết bị công suất nhỏ, cho thấy hiệu quả rõ rệt so với hai loại tuabin khác.
Hình 2.5 Ứng dụng loại tuabin gió kết hợp trong thực tế
Tuabin gió cỡ nhỏ
Các bộ phận chính của tuabin gió cỡ nhỏ trục ngang được trình bày trong hình 2.6 Cấu trúc của tuabin gió cỡ nhỏ đơn giản hơn so với tuabin lớn, với việc kết nối trực tiếp đến máy phát điện mà không cần hộp số cơ khí Thêm vào đó, tuabin gió cỡ nhỏ thường có bánh lái để tự động điều chỉnh hướng quay theo hướng gió.
Cánh tuabin gió là bộ phận quan trọng nhất, chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng Hình dạng và kích thước cánh được xác định bởi công suất thiết kế của tuabin, với hai yếu tố chính cần chú ý: thiết kế khí động học và thiết kế kết cấu Thiết kế khí động học bao gồm việc xác định hình dạng cánh, biên dạng sử dụng và phân bố kích thước dây cung cùng góc xoắn Trong khi đó, thiết kế kết cấu tập trung vào lựa chọn vật liệu và độ bền của cánh Đối với tuabin gió cỡ nhỏ, thiết kế khí động học là ưu tiên hàng đầu, vì vậy bài viết này sẽ tập trung vào khía cạnh khí động học của cánh tuabin gió.
Hình 2.6 Cấu tạo của tuabin gió 1.Cánh tuabin, 2.Bầu cánh, 3.Trụ đỡ, 4.Máy phát điện, 5.Bánh lái điều khiển tuabin.
Tuabin gió hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học và điện Để tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng gió, các tuabin gió được lắp đặt trên trụ cao.
Khi có gió, chuyển động tạo ra lực đẩy khiến cánh quạt quay dọc theo trục của tuabin, tạo ra lực cơ học từ cánh quạt.
Khi các bộ phận chuyển động của động cơ máy phát điện quay kết nối với trục tuabin, cơ chế này tạo ra năng lượng tái tạo Nguồn điện gió này phục vụ cho con người, cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong cuộc sống hàng ngày.
THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CÁNH TUABIN GIÓ
Cơ sở lý thuyết về thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ
3.1.1 Cơ sở thiết kế cánh tuabin gió cỡ nhỏ
3.1.1.1 Các thông số cơ bản của tuabin gió Để đánh giá hiệu suất hoạt động của tuabin gió, các hệ số không thứ nguyên thường được sử dụng Trong đó, hệ số công suất Cp, tỷ số giữa công suất thực tế tuabin gió sinh ra và công suất vốn có của gió đi đến tuabin, là thông số quan trọng nhất và được xác định như sau:
(3.1) Trong đó: P (W) – là công suất của tuabin gió, V (m/s) là vận tốc gió tuabin, R (m) là chiều dài cánh tuabin và ρ (kg/m 3 ) là khối lượng riêng của không khí.
Hệ số công suất Cp tối đa của tuabin gió là 0,593, được gọi là giới hạn Betz-Joukowsky Tuy nhiên, trong thực tế, Cp của tuabin gió thường thấp hơn giá trị này do các yếu tố như vệt hút phía sau rotor, lực cản khí động tác động lên cánh, và số lượng cánh hạn chế.
Hình 3.1 Hệ số công suất thực tế của tuabin gió
Từ biểu thức (3.1), công suất của tuabin gió có thể được xác định như sau:
Hệ số tỷ tốc đầu mũi cánh (λ) là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất hoạt động của tuabin, được xác định bằng tỷ số giữa vận tốc vòng của đầu mũi cánh tuabin (Vtip) và tốc độ gió (V).
Vận tốc góc của tuabin, ký hiệu là ɷ (rad/s), là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất, moment, ứng suất, đặc tính khí động học và độ ồn của cánh tuabin Hiệu suất của tuabin tăng khi hệ số tỷ tốc đầu mút cánh λ lớn, nhưng việc tăng λ cũng có thể dẫn đến những hệ quả không mong muốn như tăng độ ồn và lực tác động lên cánh Hệ số λ cao đồng nghĩa với vận tốc lớn tại đầu mút cánh, yêu cầu giảm bề rộng cánh để giảm chi phí sản xuất, nhưng cũng làm tăng lực khí động và lực ly tâm, có thể ảnh hưởng đến độ bền của cánh Các tuabin gió trục ngang hiện đại thường có λ từ 9 – 10 cho 2 cánh và từ 6 – 9 cho 3 cánh.
Hình dạng cánh tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa khả năng hấp thu năng lượng gió và chuyển đổi thành cơ năng Xác định hình dáng tối ưu cho cánh tuabin gió là một trong những nhiệm vụ thiết yếu trong quá trình thiết kế tuabin gió Hình dạng cánh tuabin gió thường được minh họa trong Hình 3.2.
Phần lớn công suất của tuabin gió được tạo ra ở đầu mút cánh, trong khi phần gốc cánh không ảnh hưởng nhiều đến công suất nhưng lại chịu moment lớn nhất Do đó, thiết kế cánh tuabin gió thường tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất khí động học cho phần thân và mũi cánh, trong khi phần gốc cánh được làm rộng và dày hơn để đảm bảo độ bền Để cải thiện các đặc tính khí động học, cánh tuabin gió thường được chế tạo với các biên dạng khác nhau; cánh nhỏ thường sử dụng một loại biên dạng duy nhất, trong khi cánh lớn sử dụng nhiều loại biên dạng khác nhau dọc theo chiều dài Kích thước của các biên dạng này, được thể hiện qua chiều dài dây cung, thay đổi từ gốc đến mũi cánh, với chiều dài dây cung lớn gần gốc để đảm bảo độ bền, và giảm dần về phía mũi cánh Việc xác định sự phân bố chiều dài dây cung là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế cánh tuabin gió.
Cánh tuabin gió có các biên dạng khác nhau, với chiều dài dây cung c thay đổi dọc theo cánh, dẫn đến số Reynolds của dòng khí qua cánh cũng khác nhau ở các vị trí khác nhau Để tối ưu hóa góc gió vào cánh và đạt được đặc tính khí động học tốt nhất, cánh tuabin gió thường có độ xoắn thay đổi dọc theo chiều dài cánh Góc xoắn lớn nhất nằm gần gốc cánh và giảm dần về phía mũi cánh Việc xác định sự phân bố góc xoắn này là yếu tố quan trọng trong thiết kế cánh tuabin gió.
Hình 3.4 Sự thay đổi kích thước biên dạng cánh và góc xoắn dọc theo chiều dài cánh tuabin gió
3.1.1.3.Các biên dạng cánh dành cho tuabin gió cỡ nhỏ
Biên dạng cánh NACA, do Ủy ban Tư vấn quốc gia Hoa Kỳ về Hàng không phát triển vào cuối những năm 1920, là một trong những biên dạng cánh phổ biến nhất Hình 3.5 giới thiệu họ biên dạng cánh NACA bốn chữ số, đã định nghĩa các thuật ngữ cơ bản và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay Dây cung, là đường thẳng nối các cạnh đầu và cuối của biên dạng cánh, có chiều dài c, trong khi góc tấn α là góc giữa phương gió V và dây cung Đường trung bình, cách đều bề mặt trên và dưới, cùng với độ cong và độ dày biên dạng cánh, là các yếu tố quan trọng trong thiết kế Mặc dù các biên dạng cánh NACA bốn chữ số không còn phổ biến như trước, biên dạng cánh NACA 0012, với sự trùng lặp giữa đường trung bình và dây cung, là một trong những biên dạng được nghiên cứu nhiều nhất Số đầu tiên trong ký hiệu chỉ ra độ cong, số thứ hai chỉ vị trí độ cong lớn nhất, và hai số cuối thể hiện độ dày tối đa t, ví dụ như các biên dạng trong hình 3.5 có độ dày tối đa 12% chiều dài dây cung.
Hình 3.5 Biên dạng cánh bốn chữ số của NACA
Mặc dù biên dạng cánh NACA đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không, nhưng chúng không phù hợp với tuabin gió cỡ nhỏ do làm việc với góc tấn lớn và số Reynolds nhỏ Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các biên dạng cánh mới, trong đó nổi bật là họ cánh SG60XX, được thiết kế bởi Giáo sư Michael Selig và Phillipe Giguere từ Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, nhằm phục vụ cho tuabin gió cỡ nhỏ Đây là những biên dạng cánh đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho mục đích này, với các thông số thiết kế cơ bản như moment và ứng suất lớn nhất.
Bảng 3.1 Các thông số của họ cánh SG60XX
Biên dạng cánh t/c (%) Độ cong (%) Cl thiết kế Số Re thiết kế
Một biên dạng cánh nhất định tạo ra lực nâng L và lực cản D, phụ thuộc vào vận tốc V, chiều dài dây cung c, khối lượng riêng của không khí ρ, hệ số nhớt động học ν và các góc tấn α Từ đó, ta có thể định nghĩa hệ số lực nâng và lực cản.
Các nghiên cứu cho thấy tuabin gió lớn (trên 5 kW) hoạt động hiệu quả ở số Reynolds (Re) lớn hơn 500.000, đặc biệt gần đầu mũi cánh, nơi tạo ra hầu hết công suất Trong khi đó, tuabin gió cỡ nhỏ hoạt động ở Re dưới 100.000 Để hiểu tác động của số Re nhỏ, cần làm rõ mối quan hệ giữa lực nâng và phân bố áp suất xung quanh biên dạng cánh Lực nâng chủ yếu được sinh ra từ phân bố áp suất và ứng suất nhớt trên bề mặt cánh, trong đó lực do phân bố áp suất thường lớn hơn nhiều Đối với các biên dạng cánh và vật thể khí động khác, phân bố áp suất không đóng góp nhiều vào lực cản, khiến lực nâng có thể vượt trội hơn lực cản Khi số Re giảm, lớp biên dày lên làm thay đổi hình dạng biên dạng cánh, dẫn đến giảm lực nâng và tăng lực cản Tuy nhiên, dữ liệu về đặc tính khí động học của biên dạng cánh tại Re dưới 100.000 còn hạn chế Nghiên cứu của Laitone và các nhà nghiên cứu khác cho rằng biên dạng cánh tối ưu tại Re dưới 100.000 cần có độ dày dưới 2,5% chiều dài dây cung và độ cong khoảng 5% chiều dài dây cung.
Nếu biên dạng cánh tuabin quá mỏng, lực ly tâm sẽ tăng, làm giảm công suất định mức và gây kém bền khi hoạt động ở tốc độ cao Để cải thiện độ cứng vững và độ bền, các biên dạng cánh dày gần bầu thường được sử dụng, nhưng điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất khí động học Khu vực gần bầu cánh tuabin rất quan trọng trong việc tạo ra moment khởi động ở tốc độ gió thấp.
Thiết kế cánh tuabin gió cỡ nhỏ
3.2.1 Các thông số thiết kế ban đầu
Khi thiết kế tuabin gió, tốc độ gió định mức, hay tốc độ gió thiết kế, thường được chọn cao hơn tốc độ gió làm việc thường xuyên của tuabin Trong nghiên cứu này, tốc độ gió định mức được xác định là V m/s.
Trong đề tài này, chúng tôi thiết kế một tuabin gió cỡ nhỏ cho hộ gia đình với công suất 1,0 kW, đủ để đáp ứng nhu cầu điện trung bình mà không chiếm quá nhiều diện tích, giúp giảm chi phí và thuận tiện cho lắp đặt Số cánh của tuabin gió là yếu tố quan trọng, và chúng tôi chọn 3 cánh cho thiết kế Tuabin gió 3 cánh có hệ số công suất Cp cao, đảm bảo hiệu suất khí động học và độ cứng vững Hệ số tỷ tốc đầu mút cánh λ tối ưu cho loại tuabin này nằm trong khoảng 6 đến 9, vì vậy chúng tôi chọn hệ số tỷ tốc là 6 cho thiết kế.
3.2.2 Thiết kế hình dạng cánh tuabin gió cỡ nhỏ
3.2.2.1 Bán kính cánh tuabin gió
Kích thước và hình dạng cánh tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng gió, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và hiệu suất hoạt động của tuốc bin Chiều dài R của cánh tuabin gió được xác định theo công thức (3.1).
Công suất của tuabin được xác định là P = 1 kW, với khối lượng riêng của không khí là ρ = 1,25 kg/m³ và vận tốc thiết kế là V = 10 m/s Hệ số công suất Cp của tuabin chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó có hệ số tỷ tốc λ và tỷ số lực nâng trên lực cản ε.
= CL/CD của biên dạng cánh và số cánh z.
Hệ số công suất Cp của tuabin gió được xác định xấp xỉ bằng 0,4 dựa trên hệ số tỷ tốc λ = 6, số cánh z = 3 và tỷ số lực nâng trên lực cản ε = CL/CD ≈ 40 Các thông số này được trình bày trong Hình 3.7 và phương trình 3.6.
3.2.2.3 Sự phân bố c và θ cho một cánh tuabin gió cỡ nhỏ
Để tối ưu hóa đặc tính khí động học của cánh tuabin gió, việc thiết kế cánh cần xác định kích thước và góc xoắn dọc theo chiều dài cánh, từ gốc đến mũi Sự phân bố kích thước dây cung c và góc xoắn θ được xác định dựa vào lý thuyết động lượng phần tử cánh, trong đó cánh tuabin gió được chia thành nhiều phần tử Nghiên cứu này tập trung vào cánh tuabin gió dài 1,13 m, được chia thành 10 phần tử để xác định kích thước dây cung và góc xoắn tại mỗi phần tử.
Ba cánh tuabin gió sử dụng biên dạng cánh SD7062, với góc tấn tối ưu α là 7° tại số Re = 100.000 và CL = 1,25 Lựa chọn biên dạng cánh phù hợp sẽ được trình bày trong phần sau của chương Kết quả phân bố c và góc xoắn θ của cánh tuabin gió sẽ được giới thiệu thông qua phương pháp Burton.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc xác định phân bố kích thước dây cung và góc xoắn tối ưu cho từng phần tử cánh là rất quan trọng Burton và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp trực tiếp nhằm xác định các thông số này cho cánh tuốc bin gió cỡ nhỏ.
Chiều dài tại phần tử cánh được ký hiệu là r, trong đó hệ số tỷ tốc cục bộ λr được tính bằng λ.r/R, với λ tại r = 0,8R Số cánh của tuabin được ký hiệu là B, và ϕ là góc gió đi vào tuabin.
Bảng 3.2 Sự phân bố c và θ cho một cánh tuốc bin gió theo phương pháp Burton
Góc gió đi vào TB ϕ đổi ra ϕ (độ)
Phần tử 10 1.130 0.044 0.109 6.226 -0.774 b) Theo phương pháp Manwell
Sự phân bố c và θ được xác định khi có tính đến ảnh hưởng các vệt hút phía sau tuốc bin gió, có công thức như sau [32]:
Chiều dài tại phần tử cánh đang xét được ký hiệu là r, trong đó hệ số tỷ tốc cục bộ λr được tính bằng λr/R Số cánh tuabin được ký hiệu là B, và ϕ là góc gió đi vào tuabin.
Bảng 3.3 Sự phân bố c và θ cho một cánh tuốc bin gió theo phương pháp Manwell
Góc gió đi vào TB ϕ đổi ra ϕ (độ)
Để đánh giá và chọn lựa phương pháp thiết kế phù hợp cho cánh tuabin gió, chúng ta sẽ tính toán sự phân bố c và góc xoắn θ theo hai phương pháp khác nhau Sau đó, phương pháp động lượng phần tử cánh sẽ được áp dụng thông qua phần mềm mã nguồn mở Q-Blade.
[11] , để đánh giá về đặc tính làm việc của 3 cánh thiết kế theo 2 phương pháp này, từ đó chọn lựa ra phương pháp phù hợp nhất
SỰ PHÂN BỐ CHIỀU DÀI DÂY CUNG C DỌC THEO CÁNH Burton Manwell
C hi ều d ài d ây c un g c (m )
Hình 3.9 Sự phân bố của chiều dài dây cung c dọc theo cánh
Hình ảnh trên minh họa sự phân bố c dọc theo chiều dài cánh bằng hai phương pháp Burton và Manwell Tại các phần tử cánh gần mút cánh, giá trị c từ hai phương pháp tương tự nhau Tuy nhiên, ở gốc cánh, giá trị c theo phương pháp Burton thấp hơn nhiều so với phương pháp Manwell, cho thấy cánh tuabin gió thiết kế theo Burton sẽ nhỏ gọn hơn Hơn nữa, sự thay đổi của c dọc theo chiều dài cánh theo phương pháp Burton gần như tuyến tính, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo cánh.
SỰ PHÂN BỐ GÓC XOẮN θ DỌC THEO CÁNH Burton Manwel l
Hình 3.10 minh họa sự phân bố góc xoắn θ dọc theo cánh, được trình bày theo hai phương pháp Burton và Manwell Sự khác biệt giữa hai phương pháp chủ yếu tập trung tại các phần tử cánh gần gốc cánh Cụ thể, theo phương pháp Burton, góc xoắn lớn nhất xảy ra tại r = 0,1R với giá trị 14,3 độ, trong khi phương pháp Manwell cho thấy góc xoắn lớn nhất tại cùng vị trí là 32,36 độ Việc gia tăng góc xoắn của cánh dẫn đến độ phức tạp cao hơn trong quá trình chế tạo.
Kết quả tính toán c và θ theo hai phương pháp cho thấy cánh tuabin gió theo phương pháp Burton có kích thước nhỏ gọn và dễ chế tạo hơn Tuy nhiên, các tính toán chưa đánh giá được khả năng làm việc, hiệu suất và các đặc tính khí động học của hai cánh tuabin đã thiết kế Để khắc phục điều này, phương pháp động lượng phân tử cánh sẽ được áp dụng.
3.2.3 Lựa chọn biên dạng cánh
Biên dạng cánh đóng vai trò quan trọng trong thiết kế cánh tuabin gió, tạo ra lực nâng cần thiết Tuy nhiên, đối với tuabin gió cỡ nhỏ hoạt động ở tốc độ gió thấp, việc sử dụng biên dạng cánh truyền thống như NACA không hiệu quả, vì dễ dẫn đến hiện tượng tách dòng chảy trên bề mặt cánh, gây ra bong bóng tách và làm giảm hiệu suất Do đó, việc lựa chọn biên dạng cánh phù hợp là rất cần thiết khi thiết kế tuabin gió cỡ nhỏ.
Giguere và Selig đã đề xuất một họ biên dạng cánh SG60XX (SG6040 – SG6043) dành cho tuabin gió cỡ nhỏ, hoạt động trong dải số Re từ 1x10 5 đến 5x10 5
KHÍ ĐỘNG HỌC TUABIN GIÓ TRỤC NGANG
Giới thiệu về thuyết động lượng phần tử cánh
Cánh tuabin gió là bộ phận quan trọng nhất và phức tạp nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của tuabin Để đánh giá hiệu suất và các đặc tính khí động học của tuabin gió, có nhiều phương pháp khác nhau Trong số đó, mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) cung cấp cái nhìn toàn diện về các hiện tượng xảy ra trong quá trình hoạt động, nhưng lại tốn nhiều thời gian và tài nguyên tính toán Phương pháp phần tử xoáy có thể thay thế CFD nhưng không thể mô phỏng các hiện tượng do tính nhớt của chất lỏng Do đó, phương pháp động lượng phần tử cánh thường được áp dụng trong nghiên cứu và thiết kế cánh tuabin gió, nhờ vào sự đơn giản, hiệu quả và khả năng giảm thời gian tính toán.
Phương pháp BEM
Phương pháp BEM kết hợp lý thuyết động lượng và lý thuyết phần tử cánh để phân tích hiệu suất của tuabin gió Trong phương pháp này, khối rotor được coi như một đĩa phẳng lý tưởng, trong khi các hiện tượng thực tế tại cánh tuabin được xem xét chi tiết Cánh tuabin gió được chia thành 10 đến 20 phần tử, mỗi phần tử được xác định bởi biên dạng cánh, chiều dài dây cung c và góc xoắn θ Khi biết vận tốc gió tương đối, hệ số nâng Cl và hệ số cản Cd tại mỗi phần tử, phương pháp BEM cho phép tính toán công suất và moment tương ứng, từ đó tổng hợp thành công suất và moment cho toàn bộ tuabin gió.
Lý thuyết động lượng
Hình 4.1 giới thiệu một thể tích kiểm tra để phân tích hoạt động của tuabin gió.
Thể tích kiểm tra là một hình trụ có bán kính lớn hơn nhiều so với bán kính đầu mũi cánh tuabin R Mặt thượng lưu của thể tích kiểm tra nằm đủ xa để gió vào với tốc độ V mà không bị ảnh hưởng bởi cánh tuabin gió Do tuabin chuyển đổi năng lượng từ gió, tốc độ gió phía sau V∞ luôn nhỏ hơn V và có bán kính R∞.
Để đánh giá hiệu suất và thông số vận hành của tuabin gió, hệ số công suất Cp được xác định bằng tỷ số giữa công suất thực tế mà tuabin gió sản xuất và công suất tiềm năng của dòng gió tiếp cận tuabin.
Vận tốc trung bình gió vào và ra khỏi thể tích kiểm tra được xác định bằng công thức V1 = (V + V∞)/2, trong đó V1 là vận tốc trung bình, V là vận tốc gió vào, và V∞ là vận tốc gió ra Hệ số cảm ứng trục a cũng được xác định trong quá trình này.
Phương trình (4.2) chỉ ra rằng khi giá trị a tăng, tốc độ gió qua tuabin sẽ giảm đáng kể Hệ số công suất tối đa đạt được khi dCp/da = 0, và theo (4.1), điều này xảy ra khi a = 1/3 Do đó, hệ số công suất tối đa của tuabin gió được xác định là:
Hiệu suất giới hạn Betz-Joukowsky chỉ ra rằng một tuabin gió không thể chuyển đổi toàn bộ động năng của gió chảy qua các đĩa cánh Theo lý thuyết, tuabin chỉ có thể thu được hai phần ba tốc độ gió và chuyển đổi 8/9 tốc độ đó thành điện năng, với diện tích gió thu được gấp ba lần diện tích cánh tuabin Giới hạn này dựa trên các giả định về dòng không khí ổn định và đều, bỏ qua độ nhớt, điều mà thực tế không phản ánh Hiện tại, không có nghiên cứu nào chứng minh hiệu suất tuabin gió vượt quá giá trị này, với Cp tối đa cho tuabin hiện đại khoảng 0,50 Do đó, nhiệm vụ chính của nhà thiết kế cánh tuabin là tạo ra sản phẩm có hiệu suất càng gần với giới hạn Betz-Joukowsky càng tốt.
Nghiên cứu chỉ ra rằng để vượt qua giới hạn Betz-Joukowsky, cần tăng lưu lượng gió vào cánh tuabin Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng ống khuyếch tán xung quanh tuabin gió Ống khuyếch tán thường được đặt ở phía đuôi cánh tuabin, và đôi khi ở phía đầu, nhằm tăng tốc độ dòng chảy và lưu lượng không khí qua cánh Mặc dù có thể thiết kế tuabin gió với ống khuyếch tán có hiệu suất vượt quá giới hạn này, nhưng chúng gặp khó khăn trong việc thích ứng với sự thay đổi hướng gió, khiến cho việc ứng dụng thực tế trở nên khó khăn.
Hệ số lực đẩy CT là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất hoạt động của tuốc bin gió, tương tự như hệ số công suất Hệ số này có thể được tính toán theo một công thức cụ thể.
Lực đẩy do gió tác dụng lên cánh tuabin được ký hiệu là T, với hiệu suất tối ưu đạt được khi a = 1/3, tương ứng với hệ số lực đẩy tối ưu CT = 8/9 Theo phương trình (4.4), giá trị tối đa của CT là 1 khi a = 1/2 Tuy nhiên, một số thực nghiệm thực tế cho thấy giá trị CT có thể vượt qua mức tối đa này khi a > 1/3.
Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã đề xuất điều chỉnh sai lệch trong tính toán CT theo phương trình 4.4, nhưng chưa có nghiên cứu nào xem xét nguồn gốc của lực đẩy bổ sung hay bản chất của dòng chảy Một trong những điều chỉnh phổ biến nhất được Glauert đề xuất, trong đó phương trình (4.4) được thay thế bằng một phương trình khác.
(4.5) Khi a > ẵ, một phương phỏp hiệu chỉnh khỏc được đề xuất là:
(4.6)Khi a > 1/3, như biểu diễn trong hình 4.6 Phương trình này được sử dụng bởiClifton-Smith và một số nhóm nghiêm cứu khác
Hình 4.2 Vận tốc cho phần tử lưỡi ở bán kính r
Từ Hình 4.2, suy ra được mối quan hệ cho ϕ:
(4.7) Vận tốc cho mỗi phần tử lưỡi ở bán kính r [7]:
Ut 2 = (1-a) 2 + [(1+a’).λr] 2 (4.8) Tổng lực đẩy trên phần tử lưỡi là: dT = 0,5.ρ.UT 2.c.N.(CL.cos ϕ + CD.sin ϕ)dr = 0,5 ρ.UT 2.c.N.Ca.dr (4.9)
Ca = CL.cos ϕ + CD.sin ϕ Momen xoắn gây ra là: dQ = 0,5 ρ.UT 2.c.N.(CL.cos ϕ – CD.sin ϕ)dr = 0,5 ρ.UT 2.c.N.Ca’.dr (4.10)
Phương trình cơ bản cho phần tử cánh được thể hiện qua công thức Ca’ = CL.cos ϕ - CD.sin ϕ Đây là những phương trình quan trọng, và có thể đã có nhiều phương trình khác được phát triển nhằm thực hiện các tính toán liên quan.
Tỷ số giửa hệ số cảm ứng trung bình a với giá trị tại các cánh ab là F Ở dạng đơn giản nhất, phương trình của F là [7]: f = N.(R-r)/(2.r.sin ϕ) (4.12)
Từ phương trình 4.9 và 4.10, ta viết được:
(4.13) (4.14) Trong đó dòng trên bên trái biểu trị động lượng từ phương trình 4.13 và momen động lượng từ phương trình 4.14.
Giá trị thông thường của ac là 1/3, cho thấy sự hiệu chỉnh lực đẩy cao bắt đầu từ giới hạn Benz-Joukowsky Shen và cộng sự đã xác định hai hàm trung gian Y1 và Y2.
Y2 = 4.F.sinϕ.cosϕ/( σ.Ca’) (4.17) Được sử dụng trong biểu thức sau cho hệ cảm ứng:
Đánh giá phần tử cánh bằng phương pháp động lượng
Bằng cách áp dụng phương pháp động lượng BEM, chúng tôi sử dụng phần mềm Matlab để thực hiện đánh giá theo trình tự các bước trong các sơ đồ khối Các sơ đồ này giúp xác định các thông số quan trọng như kích thước dây cung c và góc xoắn θ của các phần tử cánh Từ đó, chúng tôi áp dụng phương pháp động lượng phân tử cánh để tính toán và đánh giá hệ số công suất CP cũng như hệ số lực đẩy CT.
Sau khi tính toán trên phần mềm Matlab, ta được kết quả như sau:
Enter the wind speed in m/sec: end with -ve: 10
Enter TSR: end with -ve: 6
Radius iter aoa a Cl Cd deltor Re aoa = 16.35 degrees too large
Kết quả cho thấy hệ số công suất Cp của cánh tuabin thiết kế theo phương pháp Burton đạt giá trị cao nhất là 0,483 khi λ = 7 Tuy nhiên, giá trị Cp thực tế thường thấp hơn so với dự đoán của phương pháp BEM, do phương pháp này không xem xét ảnh hưởng của dòng chảy không ổn định và không cung cấp chi tiết về các dòng chảy qua tuabin Mặc dù BEM đơn giản và nhanh chóng, nhưng sai số so với thực tế thường không nhỏ Để có dự đoán chính xác hơn về khả năng làm việc của tuabin gió, cần thực hiện mô hình tính toán CFD và xem xét chế độ làm việc không ổn định.
THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CỦA TUABIN GIÓ CỠ NHỎ
Máy phát điện
Máy phát điện là thiết bị chuyển đổi cơ năng thành điện năng thông qua nguyên lý cảm ứng điện từ, với nguồn cơ năng đa dạng như tua bin hơi và tua bin nước Hiện nay, động cơ đốt và tuabin gió là những nguồn cơ năng phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất điện Vai trò của máy phát điện là rất quan trọng, đóng góp vào việc cung cấp điện cho các thiết bị.
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại máy phát điện, nhưng máy phát điện nam châm vĩnh cửu (PMG) là lựa chọn lý tưởng cho tuabin gió do yêu cầu đặc biệt của chúng Để sản xuất điện năng, máy phát điện cần một moomen đầu vào, và PMGs hoạt động hiệu quả ở tốc độ thấp với công suất yêu cầu là 1Kw Do đó, PMG có khả năng đạt được công suất này ở vận tốc thấp, làm cho chúng trở thành sự lựa chọn tối ưu cho ứng dụng này.
Máy phát điện tuabin gió Ginlong PMG 1kw ( GL-PMG-1000) [11]
Hình 5.1 Máy phát điện tuabin gió 1kw (GL-PMG-1000) Một số đặc điểm của máy phát điện này:
- Tốc độ khởi động tháp do thiết kế moomen xoắn và điện thở thấp.
- Không hộp số, truyền động trực tiếp, máy pháp RPM thấp.
- Các thành phần chất lượng, tiêu chuẩn cao để sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
- Tản nhiệt tuyệt vời nhờ vào khung bên ngoài bằng hợp kim nhôm và cấu trúc bên trong đặc biệt.
- Độ bền cao từ cấu trúc thiết kế đặc biệt và nhôm xử lý nhiệt hoàn toàn được xử lý để chống ăn mòn và ôxy hóa.
- Được thiết kế để có tuổi thọ hoạt động lâu dài và đáng tiên cậy hoạt động 20 năm với công suất đầy đủ dài hạn.
Bảng 5.1 Thông số kĩ thuật của máy phát điện GL-PMG-1000
Số mô hình: GL-PMG-1000
Tốc độ Rotor định mức
Công suất đầu ra định mức (W) 1000
Vật liệu khung bên ngoài Hợp kim nhôm tiêu chuẩn cao với xử lý nhiệt
Quá trình xử lý nhiệt TF/T6 được thực hiện để nâng cao hiệu suất của hợp kim nhôm, bao gồm gia nhiệt trong khoảng 4-12 giờ ở nhiệt độ từ 525-545 độ C, sau đó làm nguội bằng nước nóng và thực hiện xử lý nhiệt lượng mưa trong 8-12 giờ ở nhiệt độ 155-175 độ C.
Bề mặt nhôm được anodised sau đó sơn nguồn để bảo vệ chống ăn mòn
Vật liệu trục Thép không gỉ tiêu chuẩn cao Ổ trục Tiêu chuẩn cao NSK 6207DDUC3 (Trước) NSK
6207VVC3 (Sau) Trọng lượng (Kgs) 16,7
Chốt (đai ốc và bu lông) Thép không gỉ tiêu chuẩn cao
Cấu hình máy phát điện Đầu ra AC kết nối sao 3 pha
Sự an toàn điện cấp 1 được thiết kế để ngăn ngừa điện giật, đảm bảo khả năng chịu đựng của các cuộn dây trước hiện tượng ngắn mạch ngắn hạn, đồng thời duy trì hiệu quả hãm ở tốc độ quay định mức.
Mô men xoắn yêu cầu ở công suất định mức
Chiều dài dây đầu ra
Tốc độ quay định mức của máy phát yêu cầu là 450 v/ph hoặc 47,12 rad/s.
Tốc độ quay của rotor là:
Khi vận tốc gió đạt 10 m/s, tốc độ quay của rotor vượt quá tốc độ định mức của máy phát, cho phép máy phát này sản xuất công suất 1 KW.
Hình 5.2 Đường cong công suất của GL-PMG-1000
Hình 5.3 Điện áp mạng của GL-PMG-1000 Dùng vật liệu sau để chế tạo các bộ phận tiếp theo [15].
Bảng 5.2 Bảng thông số thép CT3
Mác thép Tiêu chuẩn Cơ tính
CT3 ΓOCT 380-71 - Giới hạn bền kéo: σb = 380 ÷ 490
Bộ phận lắp cánh
Là bộ phận để kết nối cho các cánh, để hình thành nên rotor Nó gắn với trục
Bộ phận lắp cánh chịu tải trọng chính từ quán tính của các cánh khi rotor quay trong quá trình hoạt động bình thường Để đảm bảo sự phù hợp với máy phát điện và các cánh rotor, kích thước của bộ phận này cần phải chính xác Vật liệu thép là lựa chọn tối ưu cho bộ phận lắp cánh nhờ vào độ bền cao và tính sẵn có.
Đường kính bộ phận lắp cánh:
Trong đó: D là đường kính rotor (m)
Đường kính lỗ may-ơ lắp với trục máy phát:
Vị trí các lỗ trên bộ phận lắp cánh phụ thuộc vào các lỗ trên đuôi mỗi cánh và có đường kính lỗ d = 10 mm.
Lực quán tính tác động lên cánh tuabin, tạo ra mô men quay được gọi là lực ly tâm Mặc dù các tuabin gió lớn có số vòng quay thấp dẫn đến lực ly tâm không đáng kể, nhưng ở các tuabin gió cỡ nhỏ với tốc độ quay cao, lực ly tâm có thể gia tăng đáng kể ở đầu mũi cánh Các lực ly tâm trên cánh tuabin được xác định theo các phương pháp cụ thể.
Trong đó: rG = Khoảng cách từ trục đến trọng tâm (m) ɷ = Vận tốc góc của rôto (rad / s) mlưỡi = Khối lượng của từng cánh rôto (kg)
Theo tính toán xuất ra từ phần mềm Solidwork cho khối lượng của lưỡi là mlưỡi = 1,62 kg và khoảng cách từ trục đên trọng tâm lưỡi là rG =0,61 m.
Lực được phân bổ đồng đều qua ba lỗ bu lông trên lưỡi, đảm bảo mỗi lỗ lắp nhận lực như nhau Sử dụng phần mềm Catia để thiết kế và kiểm tra độ bền của bộ phận.
Sử dụng phần mềm Catia để thiết kế và kiểm tra độ bền của bộ phận lắp cánh Gán lực quán tính vào từng vị trí lắp bu lông của mỗi cánh để đánh giá độ bền của bộ phận này.
Hình 5.5 Ứng suất do lực quán tính của cánh gây ra
Ứng suất do lực quán tính trên cơ cấu lắp cánh nhỏ đạt giá trị tối đa là 14,5 MPa, thấp hơn nhiều so với giới hạn bền của vật liệu là 380 MPa, cho thấy vị trí các lỗ trên bộ phận lắp cánh tuabin gió đảm bảo đủ điều kiện bền Hơn nữa, khoảng chuyển vị của các lỗ lắp cánh chỉ là 0,00167 mm, gần như không ảnh hưởng đến độ quay ổn định của rotor.
Tháp tuabin
Chiều cao của tháp gió ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí và khả năng bảo trì Do đó, việc tính toán độ cao tháp cần được thực hiện một cách hợp lý Các loại tháp chính được sử dụng trong tuabin gió hiện đại bao gồm tháp khung dàn, tháp ống và tháp dây nối đất.
Tháp tuabin hiện nay phải chịu tải trọng không đều trong suốt quá trình hoạt động, đòi hỏi khả năng chống chịu với tải trọng dao động ngẫu nhiên để tránh hỏng hóc đột ngột hoặc do mỏi Thiết kế tháp với trọng lượng tối thiểu là ưu tiên hàng đầu, trong đó tháp hình ống được lựa chọn do khả năng chịu lực tốt, kích thước nhỏ gọn và tính đơn giản trong thi công Vật liệu chính được xem xét cho thiết kế tháp là thép.
Chiều cao tối thiểu của cột tuabin được xác định theo công thức gần đúng như sau:
Trong đó : Hcột là chiều cao cột tháp
Hvật cản là chiều cao vật cản dưới tháp
Chiều dài cánh tuabin gió (L) là yếu tố quan trọng trong việc lắp đặt tuabin Tại khu vực Phước Minh, Ninh Thuận, nơi có vị trí trống trải hoặc gần nhà ở ven biển, việc lựa chọn chiều cao vật cản là cần thiết Trong trường hợp này, chiều cao vật cản được chọn là 7 m do khu vực ít bị ảnh hưởng bởi cây cối.
Theo (5.5), suy ra: Hcột = Hvật cản + L = 7 + 1,23 = 8,23 (m)
Trụ tháp sẽ có 2 mặt bích ở đỉnh và chân tháp.
Hình 5.7 Các lực tác dụng lên tuabin gió
Các lực khí động học gây ra bởi dòng không khí khi đi qua cánh và tháp tuabin.
Lực khí động học có thể được phân loại thành hai loại chính: lực nâng và lực cản dọc theo cánh, cùng với lực cản khí động học tác động lên tháp tuabin.
Cd là hệ số lực cản lên tháp
Atháp là diện tích bề mặt của tháp (m 2 ) vH =7 m/s là tốc độ trung bình ρ=1,25 kg/m 3 là khối lượng riêng không khí
CD được xác định bằng cách tính số Reynolds cho lưu lượng không khí
Hình 5.8 Hệ số kéo của một hình trụ tròn nhẵn như một hàm của
Số Reynolds, ReD , được đưa ra bởi Fox, McDonald & Pritchard 2004:
Đường kính trung bình của tháp được ký hiệu là dtuabin (m) và độ nhớt động lực của không khí ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn được ký hiệu là μ (kg/m.s) Hiện tại, đường kính tháp chưa được xác định, vì vậy giá trị trung bình được lấy là dtuabin%0mm, trong khi độ nhớt động lực của không khí là μ = 1,79 x 10^-5 kg/m.s.
Tra hình 5.8, suy ra hệ số lực cản khí đọng học Cd =1.
Tính được lực cản khí động học lên tháp theo công thức (5.6) là:
Trong điều kiện gió mạnh, tuabin gió thường ở trạng thái cố định, lúc này lực cản trở thành yếu tố chính cần xem xét Ngược lại, khi tuabin hoạt động, lực nâng trở nên quan trọng hơn trong việc đánh giá hiệu suất.
Các lực hấp dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến sức bền mỏi của cánh tuabin và tháp đỡ tuabin Khi kích thước tuabin gió lớn, trọng lượng vật liệu chế tạo trở thành yếu tố quan trọng liên quan đến độ bền của tuabin Công thức đơn giản được sử dụng để xác định các lực hấp dẫn này.
Trong đó: g = 9,81 m/s 2 là gia tốc trọng trường mi là khối lượng của mỗi cánh thứ i được xác định ở trên cho mỗi cánh là m=1,62 kg.
Lực hấp dẫn của cả phần trên tuốc tuabin gió là:
Khối lượng của rotor, thân, cụm bánh lái, đầu tháp và bộ phận lắp cánh đều góp phần vào tổng khối lượng của tháp tuabin Lực hấp dẫn tác động lên tháp tuabin có thể được xác định bằng công thức cụ thể.
Khối lượng tháp tuabin được xác định thông qua phần mềm Catia là mthap)0 kg.
Sử dụng phần mềm Catia, chúng tôi thiết kế và kiểm tra độ bền của bộ phận dựa trên các lực đã xác định Giá trị lực tác dụng lên tháp được gán để thực hiện kiểm tra bền.
Hình 5.9 Kiểm tra độ bền tháp
Để xác định mức tối ưu hình học cho tháp tuabin gió, cần lặp đi lặp lại các phép tính dựa trên lực tác dụng và ứng suất lớn nhất cho phép Ứng suất cực đại tại vị trí gốc của tháp đạt giá trị max = 0,627 MPa, thấp hơn nhiều so với giới hạn bền cho phép [] cp = 380 MPa, cho thấy tháp đảm bảo đủ điều kiện bền Bên cạnh đó, chuyển vị lớn nhất của tháp chỉ là 0,0399 mm, một giá trị rất nhỏ không ảnh hưởng đến hoạt động của tuabin gió.
Hình 5.10 Ứng suất cực đại tại chân tháp tuabin
Thân tuabin gió
Thân tuabin gió là bộ phận chính, nằm ở trung tâm và kết nối với máy phát điện tại đỉnh tháp Thiết kế của nó bao gồm cơ chế di chuyển xoay lệch, giúp cánh tuabin luôn hướng về phía gió, đảm bảo rotor được căn chỉnh chính xác với hướng gió Do gió là nguồn năng lượng thay đổi liên tục về cường độ và hướng, cơ chế này cần hoạt động nhanh chóng để tối ưu hóa khả năng thu nhận năng lượng.
Thiết kế máy phát điện cần bao gồm vỏ bọc với lỗ ở đĩa lắp máy phát để dẫn dây cáp theo trục tháp xuống và một ống trục kết nối với tháp Ngoài ra, cần có vị trí lắp đặt cho vây đuôi để điều chỉnh hướng tuabin Để đảm bảo độ cứng vững, thép được lựa chọn làm vật liệu cho thân tuabin nhờ vào khả năng gia công, hàn tốt và độ bền cao.
Bề rộng của máy phát là 114,5 mm, do đó cần chọn vỏ bọc có bề rộng 125 mm Đường kính của máy phát là 265 mm, vì vậy vỏ bọc cần có đường kính 290 mm.
Mặt sau thân lắp máy phát cần độ cứng vững tốt nên gán bề dày thành là 10 mm.
Bộ phận thân của tuabin gió chịu tác động của hai lực chính: lực khí động học từ hoạt động của tuabin và trọng lực từ các bộ phận lắp đặt trên tuabin.
Lực hấp dẫn tác dụng lên thân:
Khối lượng của rotor, thân, cụm bánh lái và bộ phận lắp cánh được kiểm tra và xác định thông qua phần mềm Catia.
Lực khí động học tác dụng lên thân là FD = 222 N
Gán các lực vào thân để kiểm nghiệm độ bền là cần thiết, và quá trình này cần được lặp lại nhằm xác định mức tối ưu về hình học Việc này dựa trên lực tác dụng và ứng suất lớn nhất cho phép.
Kiểm nghiệm độ bền của thân tháp cho thấy ứng suất cực đại tại vị trí nối giữa ống trục và thân trước đạt 0,875 MPa, thấp hơn nhiều so với giới hạn bền cho phép là 380 MPa, cho thấy thân tuabin gió đảm bảo đủ điều kiện bền Hơn nữa, chuyển vị lớn nhất của tháp chỉ là 0,00214 mm, một con số rất nhỏ, không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của tuabin gió.
Cụm bánh lái tuabin gió
Cân bằng lực gió trên bánh lái giúp tuabin tự động điều chỉnh theo hướng gió khi có sự thay đổi, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của tuabin.
Hình dạng của bánh lái trường không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất, nhưng hầu hết các tuabin gió cỡ nhỏ đều sử dụng bánh lái cơ bản Quan trọng là bánh lái phải phù hợp với kích thước đường kính rotor để đảm bảo an toàn cho tuabin trong điều kiện gió lớn và tối ưu hóa khả năng đón gió.
Hình 5.13 Một số tuabin gió cỡ nhỏ có vây đuôiChọn hình dạng bánh lái như sau:
Để đảm bảo sự cân đối với đường kính rotor của tuabin gió, chiều dài cần bánh lái được chọn sơ bộ là 2 mét, kèm theo mặt bích để lắp vào thân tuabin Bên cạnh đó, cũng cần xác định vị trí lắp bánh lái hợp lý.
Hình 5.15 Cần bánh lái tuabin gió Lực hấp dẫn tác dụng lên cần bánh lái:
(5.12) Lực khí động học tác dụng lên cần bánh lái:
FD = 222 NGán các lực trên vào cụm để kiểm tra độ bền.
Kiểm tra bền cần bánh lái của tuabin gió cho thấy ứng suất cực đại tại vị trí gốc của cần bánh lái là 40,3 MPa, thấp hơn giới hạn bền cho phép là 380 MPa, chứng tỏ cần bánh lái đảm bảo đủ điều kiện bền Bên cạnh đó, chuyển vị lớn nhất của tháp chỉ là 0,963 mm, một con số rất nhỏ không ảnh hưởng đến hoạt động của tuabin gió.
Trục đầu tháp
Đầu tuabin là bộ phận nằm ở đỉnh tháp, được thiết kế với mặt bích để kết nối với tháp Nó cũng có đầu lắp với ổ bi, giúp cho tuabin có thể quay Kích thước của ổ bi sẽ quyết định kích thước của đầu trục.
Chọn ổ bi đỡ chặn 46309 có kích thước như sau: dngoài = 100 mm là đường kính ngoài của ổ bi. dtrong = 45 mm là đường kính trong của ổ bi.
B = 25 mm là chiều cao của ổ bi.
Vì vậy, dđầu trục = 45 mm là đường kính của đầu trục
Chọn sơ bộ bề dày mặt bích lắp tháp là lbích = 10 mm.
Hình 5.17 Trục đầu tháp tuabin gió Lực hấp dẫn tác dụng lên trục đầu tháp:
Gán lực trên vào trục đầu tháp để xác định độ bền
Kiểm nghiệm bền trục đầu tháp cho thấy ứng suất cực đại tại vị trí gắn ổ bi là max = 0,74 MPa, nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền [] cp = 380 MPa, chứng tỏ trục đầu tháp tuabin gió đáp ứng đủ điều kiện bền Hơn nữa, chuyển vị lớn nhất của tháp chỉ là 8,98x10 -5 mm, cho thấy rằng chuyển vị này rất nhỏ và không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của tuabin gió.
Bầu khí động
Là bộ phận đặt giửa rotor tuabin, nhằm mục đích khí động học, giúp gió qua cánh tốt hơn, nhằm tạo ra công suất cao hơn.
Đường kính bầu khí động:
Trong đó: D là đường kính rotor (m)
Hình 5.19 Bầu khí động tuabin gió Kết cấu cuối cùng của tuabin gió cỡ nhỏ được thể hiện qua các hình sau:
Hình 5.21 Tổng thể tuabin gió
CHƯƠNG 6: TỒNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU CFD VÀ PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
6.1 Phương pháp tính toán động lực học chất lưu CFD
CFD – Computational Fluid Dynamics là lĩnh vực khoa học ứng dụng các phương pháp số và công nghệ mô phỏng máy tính để giải quyết các vấn đề liên quan đến chuyển động của môi trường, đặc tính lý hóa, sức bền, nhiệt động, động học, động lực học, khí động lực học, lực và tương tác giữa các môi trường CFD có tính ứng dụng cao và phụ thuộc vào từng đối tượng và phạm vi cụ thể của từng vấn đề trong các lĩnh vực khoa học khác nhau.
Những khía cạnh vật lý của bất kỳ dòng chất lỏng nào đều được kiểm soát bởi ba nguyên lý cơ bản sau:
Các nguyên lý cơ bản có thể được biểu diễn dưới dạng các số hạng của phương trình toán học, với dạng tổng quát nhất là các phương trình đạo hàm riêng Tính toán động lực học chất lỏng thay thế các phương trình đạo hàm riêng chủ đạo của dòng chất lỏng bằng các giá trị số, từ đó đưa chúng vào không gian và thời gian để có được mô tả số cuối cùng về trường dòng chảy mà chúng ta quan tâm.
6.1.2 Vai trò và ứng dụng của CFD trong kỹ thuật
CFD (Computational Fluid Dynamics) đã trở thành một công cụ quan trọng trong dự báo kỹ thuật công nghiệp, được coi như "chiều thứ ba" trong động lực học chất lỏng bên cạnh thực nghiệm và lý thuyết Mặc dù CFD không thể mô phỏng mọi quá trình vật lý của dòng chảy, nhưng khả năng kiểm soát chính xác các phương trình và xem xét các hiện tượng vật lý chi tiết đã giúp nó trở thành một công cụ phổ biến trong phân tích kỹ thuật CFD được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như cơ học môi trường chất lỏng, khí, plasma, và trong các ngành khoa học công nghệ cao Cụ thể, CFD được sử dụng để mô phỏng chuyển động của tàu vũ trụ siêu thanh, nghiên cứu quy luật dòng biển và tác động của chúng đến khí hậu, cũng như mô phỏng quá trình hoàn lưu máu trong y tế và ảnh hưởng của các yếu tố đến sức khỏe Phạm vi ứng dụng của CFD rất rộng lớn, đóng vai trò thiết yếu trong nghiên cứu và phát triển công nghiệp, mang lại nhiều thành tựu đáng kể.
Một số lĩnh vực ứng dụng CFD thu được nhiều thành tựu lớn ngày nay:
- Mô phỏng trên máy tính dòng chảy bên trong các phần tử kết cấu (tua bin, máy nén, máy bơm,…).
- Xác định các đặc tính khí – thủy động lực học của của cánh quạt, máy bơm và máy nén…
- Mô phỏng trên máy tính các dòng chảy bao quanh vật thể bay ở chế độ dưới âm thanh, lân cận âm thanh, siêu âm và siêu thanh.
- Xác định khí động lực học của ô tô, máy bay và các kết cấu xây dựng.
- Mô tả trên máy tính các quá trình chảy đa pha hoặc môi trường đa cấu tử.
- Lời giải số về các bài toán liên hợp về truyền nhiệt, truyền vật chất.
Công nghiệp hàng không vũ trụ
- Mô phỏng dòng chảy bao các phương tiện bay, biên dạng cánh trong dòng chảy dưới âm thanh, lân cận âm thanh, siêu âm và siêu thanh.
- Xác định các đặc tính khí động lực học.
Công nghiệp chế tạo ô tô
- Mô phỏng trên máy tính dòng chảy bao ngoài vỏ ô tô.
- Xác định hệ số ma sát mặt sườn.
- Mô phỏng trên máy tính quá trình điều hòa không khí.
- Mô phỏng trên máy tính quá trình làm việc của hệ thống thải khí và làm lạnh.
- Mô phỏng chuyển động của dầu và khí trong các ống dẫn.
- Mô phỏng hoạt động của các trạm bơm.
- Xác định các đặc tính thủy lực.
- Dòng chảy với tạp chất.
Để đảm bảo độ tin cậy và an toàn khi sử dụng các trang thiết bị cơ nhiệt điện, cần tăng cường công suất cho các cụm phát điện tại nhà máy điện hạt nhân Việc này không chỉ nâng cao hiệu suất hoạt động mà còn bảo vệ an toàn cho hệ thống và môi trường.
- Mô phỏng hoạt động của các phân tử nguyên
6.1.3 Những phương trình cơ bản của phương pháp tính toán động học lưu chất –
Nền tảng của CFD là những phương trình chủ đạo cơ bản của động lực học chất lỏng.
- Phương trình liên tục (The Continuity Equation)
- Phương trình động lượng (The Momentum Equation)
- Phương trình năng lượng (The Energy Equation)
Các phương trình này mô tả quá trình vật lý và là phát biểu toán học của ba nguyên lý vật lý cơ bản, từ đó toàn bộ động lực học chất lỏng được xây dựng.
6.1.3.2 Mô hình hóa dòng chất lưu [16] Để nhận được những phương trình cơ bản của chuyển động chất lỏng, phải tuân thủ những quan điểm sau [16] :
- Chọn những nguyên lý vật lý cơ bản thích hợp từ những định luật vật lý.
- Áp dụng những nguyên lý vật lý này cho một mô hình dòng thích hợp.
- Từ áp dụng này, rút ra những phương trình toán học gồm những nguyên lý vật lý như vậy.
Trong việc mô hình hóa dòng chất lưu của một chất lỏng liên tục, chúng ta có thể lựa chọn giữa hai mô hình: mô hình thể tích kiểm soát hữu hạn và mô hình phần tử chất lỏng vô cùng bé Mô hình thể tích kiểm soát hữu hạn, còn được gọi là quan điểm Euler, cho phép phân tích dòng chảy bằng cách tập trung vào các thuộc tính của chất lỏng trong một vùng không gian xác định.
Trong một trường dòng tổng quát, chúng ta có thể hình dung một thể tích khép kín trong khu vực hữu hạn của dòng, được gọi là thể tích kiểm soát (V) và bề mặt kiểm soát (S) Thể tích kiểm soát này có thể được cố định trong không gian, trong khi chất lỏng chuyển động qua nó, hoặc có thể di chuyển cùng với chất lỏng để đảm bảo rằng các hạt chất lỏng luôn nằm trong thể tích đó.
Hình 6.1 Mô hình thể tích kiểm soát hữu hạn
Trong mọi tình huống, thể tích kiểm soát (V) là một khu vực hữu hạn và đủ lớn của dòng chảy Các nguyên lý vật lý cơ bản được áp dụng cho chất lỏng trong thể tích kiểm soát, cũng như cho chất lỏng cắt qua bề mặt kiểm soát (S) nếu thể tích kiểm soát được cố định trong không gian Do đó, thay vì xem xét toàn bộ trường dòng, mô hình thể tích kiểm soát cho phép chúng ta tập trung vào chất lỏng trong khu vực hữu hạn của chính thể tích đó.
Các phương trình dòng chất lỏng được xây dựng dựa trên nguyên lý vật lý cơ bản áp dụng cho thể tích kiểm soát hữu hạn, và có dạng tích phân Những phương trình này có thể được chuyển đổi gián tiếp thành các phương trình đạo hàm riêng Các phương trình dạng tích phân hoặc đạo hàm riêng, xuất phát từ thể tích kiểm soát hữu hạn cố định, được gọi là dạng bảo toàn Ngược lại, các phương trình nhận được từ thể tích kiểm soát hữu hạn chuyển động cùng với chất lỏng được gọi là dạng không bảo toàn Mô hình phần tử chất lỏng vô cùng bé được xem xét từ quan điểm Lagrange.
Xét một trường dòng tổng quát được minh họa bởi các đường dòng, chúng ta có thể tưởng tượng một phần tử chất lỏng vô cùng nhỏ với thể tích vi phân dV Mặc dù phần tử này nhỏ theo khái niệm vi phân, nhưng đủ lớn để chứa nhiều phần tử, cho phép xem xét như một môi trường liên tục Phần tử chất lỏng có thể đứng yên trong không gian trong khi chất lỏng di chuyển xung quanh, hoặc nó có thể di chuyển dọc theo dòng chảy với vận tốc vector thể tích v tương ứng với vận tốc dòng tại mỗi điểm.
Hình 6.2 Mô hình phần tử chất lỏng vô cùng bé
Thay vì xem xét toàn bộ dòng chất lỏng cùng một lúc, các nguyên lý vật lý cơ bản chỉ áp dụng cho từng phần tử riêng lẻ Điều này dẫn đến việc hình thành các phương trình cơ bản dưới dạng phương trình đạo hàm riêng Hơn nữa, các phương trình vi phân này được phát sinh từ phần tử chất lỏng tĩnh trong không gian mang tính chất bảo toàn, trong khi các phương trình từ phần tử chất lỏng chuyển động lại là dạng không bảo toàn.
6.1.3.3 Phương trình chủ đạo cho động lực học chất lỏng
Hình 6.3 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của dòng lưu chất a, Phương trình đối với dòng nhớt
Các phương trình được trình bày trong các mục trước áp dụng cho dòng nhớt, tập trung vào hiện tượng vận chuyển, tiêu tán của nhớt và truyền nhiệt Những phương trình chính liên quan đến dòng nhớt, chịu nén và không ổn định ba chiều bao gồm:
(6.8 ) b, Phương trình đối với dòng không nhớt
Dòng không nhớt là loại dòng mà trong đó các hiện tượng như vận chuyển, tiêu tán nhớt, khuếch tán khối lượng và dẫn nhiệt không được xem xét Các phương trình chính cho dòng chảy ba chiều, không ổn định và không nhớt được thiết lập bằng cách loại bỏ các hạng mục nhớt trong các phương trình liên quan.
6.1.3.4 Lớp biên a, Khái niệm lớp biên
Trong vật lý và cơ học lưu chất, lớp biên là khu vực gần bề mặt biên của một vật thể, nơi mà độ nhớt của chất lỏng có ảnh hưởng rõ rệt Đây là lớp chất lỏng (hoặc không khí) trên bề mặt, trong đó vận tốc của chất lỏng thay đổi từ 0 đến gần với vận tốc của dòng chất lỏng bên ngoài.
Hình 6.4 Biểu diễn lớp biên
Khi chất lỏng chảy, các phần tử không trượt theo bề mặt vật thể mà bị hãm lại, tạo ra nội ma sát giữa các lớp chất lỏng, khiến lớp trên chuyển động chậm hơn Vận tốc của các lớp chất lỏng tăng dần khi ra xa bề mặt vật thể, và lớp chất lỏng có vận tốc gần bằng với dòng khí được gọi là ranh giới của lớp bề mặt Độ dày của lớp bề mặt, chỉ vào cỡ mm, phụ thuộc vào độ nhớt, áp suất của chất lỏng, hình dạng của vật thể, trạng thái bề mặt, và vị trí trong luồng chất lỏng, và nó tăng lên từ mép trước đến mép sau của vật thể Các phần tử khí trong lớp bề mặt có đặc tính chuyển động khác biệt so với dòng chất lỏng bên ngoài.
Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent
ANSYS FLUENT là phần mềm mô phỏng mạnh mẽ, cho phép mô hình hóa đa dạng các đặc tính vật lý liên quan đến dòng chảy chất lỏng, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng hóa học Phần mềm này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ việc phân tích dòng chảy qua cánh máy bay, sự cháy trong lò, đến thiết kế các hệ thống xử lý nước thải và chế tạo vật liệu bán dẫn ANSYS FLUENT cũng cung cấp các mô hình chuyên biệt cho buồng cháy động cơ, khí động học, máy cánh quạt và các hệ thống đa pha, nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong nghiên cứu và phát triển.
Các bộ giải kỹ thuật tiên tiến của Ansys giúp cung cấp kết quả CFD nhanh chóng và chính xác, với khả năng chuyển động lưới và tăng tốc chạy song song Chức năng người dùng định nghĩa cho phép bổ sung mô hình mới và tương tác trên mô hình hiện có Ansys Fluent hỗ trợ thiết lập bộ giải tương tác, giúp dễ dàng tạm dừng tính toán, kiểm tra kết quả và thay đổi thiết lập trước khi tiếp tục Dữ liệu và trường hợp tính toán có thể được nhập vào Ansys CFD-Post để phân tích sâu hơn với các công cụ xử lý kết quả tiên tiến, cho phép đánh giá song song các trường hợp khác nhau.
Sự tích hợp của Ansys Fluent vào Ansys Workbench mang lại cho người dùng hai phương thức kết nối với toàn bộ hệ thống CAD, giúp xây dựng và thay đổi hình học hiệu quả thông qua Ansys Design Modeler và công nghệ chia lưới tiên tiến từ Ansys Meshing Các chức năng cơ bản này cho phép chia sẻ dữ liệu và kết quả giữa các ứng dụng một cách dễ dàng qua kéo và thả, đồng thời hỗ trợ mô phỏng dòng chảy chất lỏng với các điều kiện biên cho mô phỏng cấu trúc cơ khí Ansys Fluent cung cấp kết quả dưới dạng một trong những gói phần mềm toàn diện nhất cho quá trình mô hình hóa CFD hiện nay.
Phần mềm Ansys Fluent có khả năng mô hình hóa các mô hình vật lý cần thiết cho các mô hình dòng chảy, rối, truyền nhiệt, và phản ứng.
6.2.1 Các ứng dụng và khả năng giải quyết bài toán của Ansys Fluent
Phần mềm Ansys Fluent có khả năng mô hình hóa các hiện tượng vật lý quan trọng như dòng chảy, rối, truyền nhiệt và phản ứng hóa học trong các hình học phức tạp.
Ansys Fluent được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và là phần mềm mô phỏng sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method - FVM).
Ansys Fluent cung cấp khả năng chia lưới linh hoạt, cho phép giải quyết các vấn đề dòng chảy với lưới không cấu trúc Phần mềm hỗ trợ nhiều loại lưới, bao gồm 2D tam giác, tứ giác và 3D tứ diện, lục giác, kim tự tháp, hình nêm, đa diện cùng lưới hỗn hợp Ansys Fluent cũng cho phép tinh chỉnh lưới dựa trên giải quyết dòng chảy Sau khi lưới được nhập vào, tất cả các thao tác như điều kiện biên, định nghĩa thuộc tính chất lưu, thực thi giải pháp, tinh chỉnh lưới, hậu xử lý và hiển thị kết quả đều được thực hiện ngay trong Ansys Fluent.
6.2.2 Nguyên lý giải quyết trong phần mềm ANSYS Fluent
Các bộ giải trong Ansys Fluent dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn:
- Vùng chất lỏng được phân ly thành hữu hạn tập hợp các thể tích điều khiển.
Các phương trình bảo toàn tổng thể cho khối lượng, động lượng, năng lượng và hình thái được áp dụng cho các thể tích điều khiển trong quá trình phân tích.
Các phương trình vi phân từng phần liên tục, còn gọi là các phương trình chủ đạo, có thể được chuyển đổi thành hệ thống các phương trình đại số tuyến tính, giúp máy tính có khả năng giải quyết một cách hiệu quả.
6.2.3 Các mô hình rối sử dụng trong phần mềm Ansys Fluent
6.2.3.1 Mô hình rối Standard k- (SKE)
Các phương trình truyền tải cho động năng rối k và tốc độ hao tán của nó
- Tốc độ tạo thành động năng rối.
C = 0.09, C 1 = 1.44, C 2 = 1.92, k = 1.0, = 1.3 Độ nhớt xoáy (hoặc nhớt rối) t được tính toán từ việc kết hợp 2 phương trình k, như sau: ở đó C là hằng số.
Mô hình rối SKE được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp
- Các thông số mô hình được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng dữ liệu từ một số thí nghiệm chuẩn như dòng trong đường ống, tấm phẳng…
- Mạnh mẽ và có độ chính xác tốt cho nhiều ứng dụng.
- Bao gồm các mô hình phụ cho tính nén, sự nổi, cháy…
Những hạn chế được biết đến của mô hình SKE
- Hiệu quả kém khi áp dụng với các dòng chảy có gradient áp suất lớn, chia tách mạnh, xoáy lớn và đường dòng cong nhiều.
- Dự đoán không chính xác sự mở rộng tốc độ của luồng phun tròn.
- Sự tạo thành k quá mức (phi vật lý) trong vùng tốc độ biến dạng lớn (ví dụ: gần điểm dùng/ hãm) kết quả rất thiếu chính xác.
6.2.3.2 Mô hình rối Realizable k - (RKE)
Phương trình truyền tải đối với k và Ɛ trong mô hình k-Ɛ
Gk - Sự tạo thành động năng rối.
Gb - Sự tạo thành động năng rối do lực nổi gây ra.
YM - Sự tiêu tán dãn nở trong rối đến tốc độ tiêu tán tổng thể.
C2, C1Ɛ - Hằng số. σ, σ - Lần lượt là số Prandtl rối đối với k và Ɛ
Phương trình tốc độ tiêu tán (Ɛ) bắt nguồn từ trung bình bình phương dao động rối, về cơ bản khác SKE.
Một vài điều kiện xác thực được ép buộc cho ứng suất Reynolds.
Những ưu điểm của mô hình RKE
- Dự đoán chính xác tốc độ lan rộng của các dòng phun phẳng và quay tròn.
Có khả năng cung cấp hiệu suất cao cho các dòng có sự quay, đồng thời hoạt động hiệu quả trong các lớp biên dưới gradient áp suất mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa quá trình chia tách và tuần hoàn.
Các hằng số trong phương trình k - Ɛ được xác định thông qua phân tích theo thuyết nhóm tái chuẩn hóa, thay thế cho các dữ liệu thực nghiệm tiêu chuẩn Đồng thời, phương trình tốc độ tiêu tán rối cũng đã được rút gọn một cách hiệu quả.
Thực hiện tốt hơn SKE cho dòng chảy trượt phức tạp hơn, và dòng với tốc độ biến dạng cao, xoáy và chia tách.
Các phương trình truyền tải của động năng rối k và tốc độ hao tán cục bộ
Gk - Tốc độ tạo thành động năng rối.
G- Tốc độ sinh ra của
Yk, Y - Độ tiêu tán của k và do rối.
Sk, S - Các toán hạng nguồn do người dùng định nghĩa.
k, - Số Prandtl rối của k và . Độ nhớt rối t được tính từ việc kết hợp phương trình k và : và trong mô hình k có số Reynolds cao.
Những ưu điểm của mô hình SKW
- Một số mô hình phụ của k : Tác dụng nén, dòng quá độ và hiệu chỉnh dòng trượt.
- Cải thiện ứng xử dưới gradient áp suất ngược.
- SKW nhạy cảm hơn với điều kiện dòng tự do.
- Áp dụng rộng rãi ở hàng không và các máy cánh dẫn.
6.2.3.5 Mô hình Shear Stress Transport k (KW SST)
Mô hình rối k-ω (SST) kết hợp hai phương trình rối - nhớt tương tự như mô hình k-ε, mang lại lợi ích trong việc ứng suất cắt Mô hình SST sử dụng hành vi của ε để giảm thiểu ảnh hưởng đến dòng tự do, đồng thời đảm bảo hiệu suất tốt hơn trong tính toán gần tường nhờ vào những ưu điểm của mô hình k-ω Thêm vào đó, việc bổ sung các hạng mục khuếch tán ngang trong phương trình ω và hàm “trộn” giúp nâng cao độ chính xác của mô hình trong cả trường hợp dòng sát thành và xa thành.
Gk - Tốc độ tạo thành động năng rối.
Gɷ- Tốc độ sinh ra của ɷ
Yk, Y - Độ tiêu tán của k và do rối.
Các toán hạng nguồn do người dùng định nghĩa là Sk và Sɷ Số Prandtl rối của k và ɷ được ký hiệu là σk và σɷ Độ nhớt rối μt được tính toán từ sự kết hợp của phương trình k và ɷ, đặc biệt trong mô hình k - ɷ với số Reynolds cao.
Mô hình k-ω SST kết hợp giữa mô hình k-ω tiêu chuẩn và k-ε tiêu chuẩn Để thực hiện sự kết hợp này, mô hình k-ε tiêu chuẩn được chuyển đổi thành các phương trình dựa trên k và ω, tạo ra số hạng khếch tán ngang.
Mô hình k - ɷ SST áp dụng chức năng hỗn hợp để chuyển tiếp mượt mà từ mô hình k - ɷ tiêu chuẩn gần tường đến phiên bản số Reynolds cao của mô hình k - ɷ trong vùng ngoài của lớp biên.
Chứa công thức nhớt rối được thay đổi để tính cho tác động vận chuyển của ứng suất trượt rối lý thuyết.
Mô hình SST thường tạo dự đoán chính xác của sự xâm lấn và kích thước chia tách dưới gradient áp suất ngược.
6.2.3.6 Mô hình Reynolds Stress Model (RSM)
RSM phù hợp nhất cho các dòng dị hướng cao, 3D Chi phí tính toán cao hơn. Tuy nhiên, RSM khó hội tụ nhất trong các mô hình 2 phương trình.
6.2.3.7 Mô phỏng xoáy lớn (LES)
Large Eddy Simulation (LES) là phương pháp mô phỏng hiệu quả nhất cho các ứng dụng phức tạp, nơi mà mô hình RANS thường gặp sai sót Các lĩnh vực ứng dụng nổi bật của LES bao gồm cháy, hòa trộn và khí động lực học bề mặt.
6.2.4 Các bộ giải sẵn có trong Ansys Fluent
Bộ giải dựa trên áp suất (Pressure-Based)
Coi động lượng và áp suất là hai biến chính trong các thuật toán liên kết áp suất-vận tốc, được phát triển từ việc tái định dạng phương trình liên tục.
Trong bộ giải dựa trên áp suất có hai thuật toán được sử dụng:
- Thuật toán độc lập (Absolute): Giải áp suất hiệu chỉnh và động lượng một cách liên tục.
- Thuật toán liên kết (Relative): Giải áp suất và động lượng đồng thời.
Bộ giải dựa trên mật độ (Density-Based)