Luận văn: Ứng dụng phương pháp số mô phỏng động học, động lực học quạt Roots

Luận văn thạc sĩ phân tích, mô phỏng động học và động lực học quá trình làm việc của quạt thổi Roots bằng phương pháp số. Bao gồm kết quả chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Đức
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Vân Hương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Ứng Dụng Phương Pháp Số Trong Tính Toán Mô Phỏng Động Học, Động Lực Học Quá Trình Làm Việc Của Quạt Thổi Roots
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Quạt Roots và Ứng dụng

Quạt Roots là một loại máy thủy lực dương tính được phát minh bởi anh em nhà Roots vào năm 1860. Đây là một thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Mô phỏng động học và động lực học quạt Roots giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của thiết bị này. Quạt Roots được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống xử lý nước thải, công nghiệp hóa chất, vận chuyển nhiên liệu bằng khí, và các hệ thống sấy sản phẩm nông nghiệp. Lưu lượng đầu ra lớn hơn so với các loại quạt thông thường khiến nó trở nên không thể thiếu trong các quy trình công nghiệp. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống công nghiệp ở Việt Nam vẫn phải nhập khẩu thiết bị này, do đó nghiên cứu sâu về hoạt động của quạt Roots là hết sức cần thiết.

1.1. Lịch sử phát triển Quạt Roots

Quạt Roots được phát minh vào năm 1860 với mục đích tạo ra một thiết bị bơm có lưu lượng đầu ra cao. Qua hơn 160 năm, quạt Roots đã trải qua nhiều lần cải tiến và phát triển. Các biến dạng roto khác nhau đã được nghiên cứu, từ roto 2 răng đơn giản đến các thiết kế phức tạp hơn như roto 3 răng và roto với đường biên dạng hypoxyelôit.

1.2. Tầm quan trọng của Mô phỏng Động học và Động lực học

Mô phỏng động học, động lực học của quạt Roots giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Phương pháp số trong tính toán mô phỏng cho phép phân tích chi tiết dòng chất khí qua quạt, từ đó cải thiện lưu lượng và áp suất. Các nhà nghiên cứu có thể dự đoán hành vi của thiết bị trong các điều kiện khác nhau.

II. Phương pháp Mô phỏng Động học Quạt Roots

Mô phỏng động học quạt Roots sử dụng các phương pháp số hiện đại để phân tích chuyển động của các roto. Qua mô hình hóa các biểu thức giải tích, kỹ sư có thể xác định lưu lượng lý thuyết và áp suất của quạt một cách chính xác. Động học quạt Roots liên quan đến sự tương tác giữa các roto, khoảng cách giữa roto và vỏ quạt, cũng như quá trình khớp nối của các roto. Sử dụng phần mềm mô phỏng CFX, các nhà khoa học có thể hiển thị trực quan các quỹ đạo và vị trí của các roto trong quá trình hoạt động. Phương pháp này giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm bớt rung động, tiếng ồn, và tăng độ bền của thiết bị.

2.1. Mô hình hóa các Roto

Các roto của quạt Roots có thể được mô hình hóa dựa trên các đường biên dạng khác nhau. Biên dạng roto truyền thống là 2 răng, nhưng các biến dạng mới sử dụng 3 răng hoặc các đường cong phức tạp hơn. Mô phỏng động học cho phép tính toán vị trí chính xác của các roto tại mỗi thời điểm, đảm bảo không có va chạm giữa chúng.

2.2. Tính toán Lưu lượng và Áp suất

Tính toán mô phỏng lưu lượng của quạt dựa trên mô hình động học chi tiết. Áp suất được xác định thông qua phân tích lực tác dụng lên các roto. Phương pháp này cho phép dự báo hiệu suất quạt trong các điều kiện vận hành khác nhau.

III. Phân tích Động lực học Dòng Chất Khí

Động lực học dòng chất khí chảy qua quạt Roots là một yếu tố quan trọng để hiểu rõ hiệu suất của thiết bị. Sử dụng phần mềm CFX, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng động lực học dòng lưu chất trong các trường shép quạt. Phân tích này giúp xác định các khu vực với tổn hao năng lượng cao, sự rối loạn của dòng chảy, và khả năng cải thiện thiết kế. Mô phỏng động lực học cho phép nhà thiết kế tối ưu hóa hình dạng roto và vỏ quạt để nâng cao lưu lượng hoặc áp suất đầu ra. Các kết quả từ mô phỏng này cung cấp thông tin quý báu cho việc chế tạo các loại quạt Roots hiệu suất cao trong tương lai.

3.1. Phân tích Dòng Chảy trong Quạt

Dòng chảy trong quạt Roots không phải là đều đặn mà có sự biến thiên theo vị trí của các roto. Mô phỏng động lực học cho thấy các vùng áp suất cao và thấp khác nhau. Hiểu rõ động lực học dòng giúp giảm rung động và tiếng ồn của quạt.

3.2. Tối ưu hóa Hiệu suất

Thông qua mô phỏng, các kỹ sư có thể xác định cách cải thiện hiệu suất quạt Roots. Các điều chỉnh về biên dạng roto, kích thước lỗ xả, và thiết kế vỏ quạt đều có thể được đánh giá trước khi chế tạo thực tế.

IV. Ứng dụng Ghép Quạt Roots

Trong các ứng dụng công nghiệp, quạt Roots có thể được ghép với nhau theo hai cách: ghép nối tiếp và ghép song song. Tính toán mô phỏng cho hai cách ghép này cho thấy những khác biệt về lưu lượng, áp suất, và hiệu suất tổng thể. Khi ghép nối tiếp, áp suất tích lũy nhưng lưu lượng giảm. Khi ghép song song, lưu lượng tăng nhưng áp suất không thay đổi đáng kể. Mô phỏng động học và động lực học quạt trong cấu hình ghép giúp kỹ sư lựa chọn cách ghép phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể, tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

4.1. Ghép Nối tiếp Quạt Roots

Trong ghép nối tiếp, quạt thứ hai nhận chất khí từ quạt thứ nhất. Mô phỏng tính toán cho thấy áp suất đầu ra tăng đáng kể nhưng lưu lượng có thể giảm do sự chống đối từ quạt thứ hai. Cấu hình này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu áp suất cao.

4.2. Ghép Song song Quạt Roots

Ghép song song cho phép hai quạt cùng cấp cấp chất khí, dẫn đến lưu lượng đầu ra gấp đôi. Mô phỏng động lực học cho thấy các quạt hoạt động độc lập mà không ảnh hưởng lớn đến nhau. Cách ghép này lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu lưu lượng lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy thủy lực thế tính kiểu rôto dạng Roots Trình bay các vẫn đẻ tổng quan về loại máy thủy lực thể tích kiểu Roots nổi chững. Ngoài ra, chương này còn tìm hiểu tỉnh hìn nghiên cứu rong và ngoài mước về loại quạt thổi Roots, từ đó định hướng nghiên cứu của luận văn. Chương 2 Thiết lập mồ hình todn học mô tá biên dang rôIo có cùng tròn ở đình Trình bày thiết lập mô hình toán biên đạng rồto có biên đạng đỉnh rôto là cung tron bằng phương pháp dộng học giải tịch. Trên cơ sé do tiền hành dánh giá ảnh hưởng cũa phản chiếm chỗ bởi rôto đến buồng làm việc của quai theo hệ số thiết kế đặc Trưng, từ đó chỉ ra hệ số thiết kế tôi ưu nhat.

Chương 3 Ứng dụng phương pháp số trong tính toán mô phòng dộng học dộng lực hạc dòng lưu chất qua quạt thôi Roots ‘Trinh bày khảo sát ảnh hưởng của hệ số thiết kế đặc trưng đến lưu lượng và áp suất của quạt thông qua tỉnh toán mô phỏng số dòng lực học lưu chất của kẻ DANU MUC BANG Bang 1.1 So sánh diện tích hữu ích quạt cải tiễn và quạt truyền thông [17].1 Thêng số thiết kế và lim lượng riêng. lưu lượng trung bình của quạt.2 Bộ thông số thiết kế của rôto theo hệ số thiết kế đặc trưng ^.3 Khảo sát lưu lượng trung binh biên dạng quạt Roots 2 Bang 3.1 Thông số điều kiên biên mô phông số - 33 Bang 3.2 Bộ thông số thiết kế cửa quạt theo hệ số thiết kế đặc trưng Â.3 Số phân tử tứ giác - - 33 Bảng 4.1 Kết quả tình toán mô phỏng đường dòng và vận tốc dòng chãy ở các vị trí đặc biệt trong chu kỳ ổn định .2 Kết quả lính toán ấp suất ở các vị trí đặc biệt trong chu ky dn dinh .3 Kết quả tính toán rnô phòng trường véc tơ dòng chất khi và đường dòng, chất khí đi chuyển trong hệ quạt - - - 54 Bang 4.4 Kết quả lĩnh toán ấp suất ở các vị Irí đặc biệt trong chú kỹ Ổn định.6 Kết quả tính toán áp quất của quạt 44 3.7 Dao dòng áp suất của quạt AS CIUGNG 4. TINIT TOAN VA MO PIIONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC KHI GHÉP QUẠT.2 Kết quả tỉnh toán mô phỏng đổi với trường hợp ghép nói tiếp 49 4.3 Kết quả tính toán mô phông đổi với trường hợp ghép song song 53 4.4 Théo luận kết quả tính toán mẽ phỏng và kết luận,.,Š9 KÉT LUẬN CỦA LUẬN VĂN - - 6L TÀI1LIEU THAM KHẢO - - - 63 DARH MỤC HÌNH ẢNH Tlinh 1.1 Sáng chế đầu tiên của quạt Roots [1].2 Cée vi tii cfia roto trong quá trinh hoạt đông của quạt 5 Hình 1.3 8o sảnh đặc tỉnh lưu lượng-áp suất của một số loại bơm [#].4 Sáng chế đầu tiên của quạt Rogts [1] 8 Hinh 1.5 Bién dang roto cải tiến với đình rolo là đường gpixyeôiL, chan roto 1a đường hypôxyelôit |41. 6 Bign dang roto cdi tiễn trên cơ sở nguyên lý ăn khớp đối tiếp của bánh Tăng - - 10 Hình 1.7 Biên dạng quạt mởi và biên dạng quạt truyền thông.

seo TÔ Hinh 1. 8 Biển đạng roto 3 răng câi tiến. 9 Cảnh quạt cải tiến bằng việc ghép nối các cưng tròn |21| 13 Hình1. 10 Nguyên lý hình thành biên dạng roto cải tiến.

1] Các kết quả thiết kế biên đạng roto mới 13 Hình 1.12 Mô hình thiết kế quạt Roots truyền thống roto răng thẳng và dạng, truc vit [23]. 13 Thiết kể liên hợp các quạt ở dạng nói tiếp va dang song song [25, 26] TH. 2n H HH HH HH de egrerreg seseeer TẢ inh 2.1 Nguyên lý hình thành của cặp rÔto.2 Mô tả mỗi quan hệ giữa các đại lượng +, a, ø với 1ô to 2 răng 17 Tình 3.3 Biên dạng đình rôto thực hiện tính loán mô phông trên Mallsl› 18 Tình3.4 Xác định các quan hệ hình học.5 Kết quả cung biên đạng, chân rôto khi lập trinh wén Matlab.6 Biên dạng rô lo hoàn chỉnh sử dụng phần mêm Matlsb a Hình 3.7 Mö tả mồ hình 3D của một tôt0.8 Bản thiết kế kết câu quạt Roots rồto 2 cánh.9 Biểu diễn diễn tích Ø,.10 Diện tích rô to. in nHer e ie r ie _.11 Cổ định bán kính hướng trục rụ của rô to.12 Kich thước rôto với các giá trị cáo 4 trên mặt cắt vuÔng góc với trục Lạ HH HH HH HH HH H HH HH tu HH egrerei 227 Tình 2.13 Ảnh hưởng cũa kích thước khoang quạt đến lưu lượng, 28 ih MUC LUC DANIL MUG LUNI ẢNHH.

DANH MỤC BẰNG - - Vv LOIMGDAL. val CIIUONG 1 TONG QUAN VEE TINIT [INI] NGIIEN cUU TRONG VA NGOAT NUGC VE MAY THUY LUC THE TICH KIEU ROTO DANG L.1 Lịch sử phát triển.2 Các ứng đụng của mấy thủy lực kiểu Rools. Tổng quan vẻ tình hình nghiên cửu ngoài nước vẻ MTLTT kiêu Roơt.1 Các nghiên cứu về phát triển và cải tiến biên đang, 8 1.2 Nghiên cứu về lưu lượng và ấp suật 13 1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước vẻ MTILLTT kiểu Roots,. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TA BIEN DANG RÔTO CÓ CUNG TRÒN Ở ĐĨNH.

ch HH HH HH HH HH HH ng ưe 16 2. M6 hinh toan hoe bién dang dinh réto - - 16 3.3 Mö hình toán học biên đạng chân rồto.4 Vi dụ áp dụng cả.5 Lưu lượng trưng bình của quạt Roots.6 Ảnh hưởng của hệ số thiết kế đặc trưng ^. đến biên dạng và lưu lượng quạt Roots - - - 36 2.7 Ảnh hưởng của tam số thiết kế đặc trưng £ đếu lưu lượng của quạt. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHÒNG DỘNG HỌC, DỘNG LỰC HỌC DÒNG LƯU CHÁT QUA QUẠT THÔI ROOT8.

HH HH H HH HH ao Han uet 31 3.1 'Thiết lập mô hình tính toản.2 Các thông sô thiết kế - - - 33 3.3 Kết quả tính toán mô phông động chây.4 Kết quả tính toán lưu lượng.5 Tính toán mô phỏng áp suất trang quạt - 41 TỒI MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐÈ Quạt Roots là mội. loại quạt thủy lực thể tích được phát Iriển lừ năm 1960 do anh em nha Roots phát minh. Từ đỏ đến nay đã có rất nhiều cãi tiển đã dược tiến hành nghiên cửu vá phát triển nhằm đáp ứng những kịch ban ứng dụng của thực tiến, dẫn đến ra đời nhiều phiên bản quạt khác nhau phù hợp cho tùng đối tượng công nghệ.

Trong đó phổ biến nhất là hướng cải tiến biên dạng rôto của máy từ đó cho ra đời các mẫu máy khác nhau trong hướng nghiền cứu nảy lại dược chúa theo nguyên lý: (1) Dẫn động bằng bảnh răng trụ tron [19 -29] va (2) dẫn động bằng bánh răng ô van tựa elip [33-41]. Tuy nhiên, đều có ưu điểm la lượng đâu ra lớn hơn hẳn những loại quạt thông thường nên quạt Roots được img dụng trong rất nhiều các ngành công nghiệp khác nhau như: Hệ thông xử lý nước thải công nghiệp, các ngành công nghiệp hóa chi, các loại qual. én dinh trong y học, trong van chuyển nhiên liêu bằng khí, trong các hệ thông sấy các sân phẩm nông nghiệp, hệ thống cung cấp ö xi của các nhà máy nhiệt điện đốt than, hệ thông cung, cấp ö xi và hút khi độc trong hằm lò của ngảnh khai thác khoáng sân v. Ô trong nude các hệ thống công nghiệp có ứng dụng các loại quai Rools đêu phải nhập khâu nhằm muục đích thay thế, sửa chữa, bảo đưỡng v.

Điều đó thúc dây các nhà nghiền cửu trong nước nghiên cứu về các loại quạt này trong dó có hai bung chính đó là: (0 Nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện ở Viên nghiên cứu cơ khí với hai đề tải cập bô công thương theo hướng nghiên cửu giải xnã cóng nghệ chế tạo các chỉ tiết tĩnh của quạt [42-43] và (0) Nghiên củu lý thuyết nhằm cải tiễn biên dạng để hình thành các loại quạt mới có lưu lượng lớn hon được thực hiện bi nhóm tác giả Nguyễn Hồng Thái [35-41] ở trường Đại học HKHN. Tuy nhiên trong hướng nghiền cứu lý thuyết nhém tác giả mới chỉ giải quyết vẫn để động học và tập trung vào mô hình hóa các biểu thức giải tích xác định luu lượng lý thuyết và áp suấi của quạt và chưa giải ó Leac van dé động lục học lưu chật chây qua quạt. Vị vậy, để giải quyết vẫn đề này trong luận văn này ting dụng mô đơn CEX để khảo sát động lực học dong chất khí chảy qua quat. Ngoài ra, cũng tiễn hành tính toán mô phỏng động lực hoc dong lưu chất trong các trường ghép quạt nhằm nâng cao lưu lượng hoặc 4p uấtsua của quại.

Thư đã trình bảy ở trên củng với sự định hướng của TS. Nguyễn Thị Vân wong em da lua chọn dễ tải “ Ứng dụng phương pháp số trong tính (oán động học và động lực học quá trình làm việc vita quat thai Reots” làm chủ để xghiên cứu của luận văn. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU + Tìm hiểu, tổng hợp, hệ thống hóa thành một tài liệu thiết kế biên dang cho loại quạt thổi của Latvin để xuất [14] có biên đựng, đỉnh rồio là các cùng tồn từ các nguồn học liệu khác nhau như tài liệu kỹ thuật, các bài báo trong các tạp chí uy tín trong nước và quốc tế, + Vận dụng, kế thừa các kết quả nghiên cứu trước day để thiết lập phương trình mô tả biên dạng rôto theo đề xuất của Litvin. MUC LUC DANIL MUG LUNI ẢNHH.

DANH MỤC BẰNG - - Vv LOIMGDAL. val CIIUONG 1 TONG QUAN VEE TINIT [INI] NGIIEN cUU TRONG VA NGOAT NUGC VE MAY THUY LUC THE TICH KIEU ROTO DANG L.1 Lịch sử phát triển.2 Các ứng đụng của mấy thủy lực kiểu Rools. Tổng quan vẻ tình hình nghiên cửu ngoài nước vẻ MTLTT kiêu Roơt.1 Các nghiên cứu về phát triển và cải tiến biên đang, 8 1.2 Nghiên cứu về lưu lượng và ấp suật 13 1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước vẻ MTILLTT kiểu Roots,. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TA BIEN DANG RÔTO CÓ CUNG TRÒN Ở ĐĨNH.

ch HH HH HH HH HH HH ng ưe 16 2. M6 hinh toan hoe bién dang dinh réto - - 16 3.3 Mö hình toán học biên đạng chân rồto.4 Vi dụ áp dụng cả.5 Lưu lượng trưng bình của quạt Roots.6 Ảnh hưởng của hệ số thiết kế đặc trưng ^. đến biên dạng và lưu lượng quạt Roots - - - 36 2.7 Ảnh hưởng của tam số thiết kế đặc trưng £ đếu lưu lượng của quạt. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHÒNG DỘNG HỌC, DỘNG LỰC HỌC DÒNG LƯU CHÁT QUA QUẠT THÔI ROOT8.

HH HH H HH HH ao Han uet 31 3.1 'Thiết lập mô hình tính toản.2 Các thông sô thiết kế - - - 33 3.3 Kết quả tính toán mô phông động chây.