I. Tổng quan mô phỏng lưu lượng quạt không cánh ĐH Sư phạm Kỹ thuật
Đề tài nghiên cứu mô phỏng số quạt không cánh được thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do nhóm nghiên cứu ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt thực hiện dưới sự hướng dẫn chuyên môn của các giảng viên bộ môn. Thiết bị quạt không cánh ứng dụng nguyên lý khí động học hiện đại để tạo ra luồng gió liên tục. Cơ chế hoạt động dựa trên hiệu ứng cảm ứng dòng khí và hiệu ứng Coanda quanh vành khuyên. Luồng không khí sơ cấp được cấp từ quạt ly tâm đặt tại phần đế tháp hình trụ. Không khí đi qua khe hở hẹp trên vành khuyên với vận tốc cao. Hiện tượng chênh lệch áp suất kéo theo luồng không khí thứ cấp từ môi trường xung quanh. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán mô phỏng dòng chảy ba chiều phức tạp. Mục tiêu hướng tới việc nâng cao hiệu quả làm mát và giảm tiêu hao năng lượng. Quạt không cánh khắc phục hoàn toàn nhược điểm mất an toàn của các loại quạt truyền thống. Thiết bị vận hành êm ái, kiểu dáng thẩm mỹ và dễ vệ sinh. Dữ liệu mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học tin cậy để cải tiến thiết kế cơ khí chính xác.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu khí động học
Nhu cầu thông gió và làm mát dân dụng ngày càng tăng cao trong đô thị hiện đại. Thiết bị làm mát truyền thống thường sử dụng cánh quạt quay hở tốc độ lớn. Kết cấu này tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây chấn thương cho trẻ nhỏ và người già. Cánh quạt cơ học cũng tích tụ bụi bẩn nhanh và phát sinh tiếng ồn khó chịu. Mặt khác, hệ thống máy lạnh tiêu thụ lượng điện năng rất lớn và có chi phí lắp đặt cao. Quạt không cánh xuất hiện như một phát kiến công nghệ thông minh. Thiết bị đưa luồng khí qua vành khuếch đại khí động học. Cấu trúc vành khuyên tạo dòng khí êm ái và đồng đều hơn. Nghiên cứu dòng chảy khí động học của thiết bị đòi hỏi nền tảng mô phỏng số chuyên sâu.
1.2. Mục tiêu đề tài tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung phân tích các thông số vận hành của quạt không cánh. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của thông số hình học và lưu lượng cấp ban đầu. Nghiên cứu giải thích chi tiết cơ chế hòa trộn dòng khí giữa luồng khí sơ cấp và không khí môi trường. Nhóm tác giả xây dựng mô hình hình học hoàn chỉnh của vành khuyên biên dạng khí động học. Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi của trường vận tốc và trường áp suất tại nhiều vị trí. Kết quả tính toán cung cấp dữ liệu định lượng về hệ số khuếch đại dòng. Công trình này đóng góp thiết thực cho kho tàng học thuật chuyên ngành kỹ thuật nhiệt.
II. Phân tích lưu lượng quạt không cánh ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP
Cơ chế khuếch đại dòng khí trong quạt không cánh chứa đựng nhiều hiện tượng thủy khí động lực phức tạp. Quạt ly tâm ở phần chân đế hút không khí bên ngoài và đẩy vào lòng rỗng của thân quạt. Dòng khí bị nén và thoát ra ngoài qua khe hở biên dạng khí động học có kích thước rất mỏng. Vấn đề cốt lõi nằm ở sự tương tác giữa chùm tia khí tốc độ cao với không khí tĩnh. Độ dày khe thoát và góc nghiêng biên dạng vành khuyên quyết định trực tiếp đến lưu lượng khí tổng. Nếu thông số hình học không tối ưu, dòng khí dễ xuất hiện hiện tượng tách lớp sớm. Hiện tượng tách dòng gây tiêu hao áp suất và phát sinh xoáy lốc nhiễu loạn cục bộ. Các xoáy lốc làm suy giảm hệ số khuếch đại dòng và tạo tiếng ồn lớn khi vận hành. Hơn nữa, việc duy trì áp suất ổn định bên trong khoang rỗng đòi hỏi thiết kế hình học chính xác. Việc thử nghiệm thực tế tốn kém chi phí gia công khuôn mẫu và thời gian đo đạc. Phân tích bằng mô phỏng số trở thành yêu cầu cấp thiết để giải quyết bài toán thủy khí này.
2.1. Hạn chế của quạt truyền thống và quạt ly tâm
Quạt cánh quay truyền thống tạo lưu lượng gió lớn nhờ cơ chế cắt không khí trực tiếp. Tuy nhiên, luồng gió tạo ra thường không đồng đều và gây cảm giác khó chịu. Cánh quạt quay nhanh phát ra tiếng ồn cơ khí đáng kể và bám bụi sau thời gian ngắn. Khi kết hợp quạt ly tâm vào thân quạt không cánh, ưu điểm cột áp cao được khai thác. Quạt ly tâm thổi không khí theo phương vuông góc với cửa vào để nâng áp suất. Mặc dù vậy, lưu lượng riêng của khối quạt ly tâm ban đầu thường khá khiêm tốn. Luồng khí cần trải qua quá trình biến đổi góc 90 độ trong rãnh cánh. Quá trình này gây tổn thất áp suất ma sát đáng kể trước khi khí đi vào vành khuyên.
2.2. Thách thức phân bố vận tốc và áp suất đầu ra
Sự phân bố vận tốc tại cửa ra vành khuyên là yếu tố quyết định lưu lượng khí. Dòng khí sơ cấp phun ra từ khe hẹp hình thành một lớp biên mỏng bám sát bề mặt cong. Hiện tượng chênh lệch áp suất tạo ra vùng áp suất thấp phía sau vành quạt. Vùng chân không này lôi kéo không khí tĩnh xung quanh cùng chuyển động. Thách thức lớn nằm ở việc duy trì trường áp suất đồng nhất trên toàn chu vi vành. Khi lưu lượng đầu vào dao động từ 5 lít/giây đến 80 lít/giây, trường dòng thay đổi mạnh mẽ. Vùng tiếp giáp giữa dòng sơ cấp và thứ cấp phát sinh ma sát nhớt cao. Nếu không kiểm soát tốt hình học khe thoát, hiệu ứng bám dính Coanda sẽ bị phá vỡ.
III. Giải pháp mô phỏng lưu lượng quạt không cánh ĐH Sư phạm Kỹ thuật
Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM áp dụng phương pháp động lực học chất lưu tính toán CFD. Phần mềm ANSYS Fluent đóng vai trò công cụ phân tích số chủ đạo trong đề tài. Mô hình hình học ba chiều của quạt không cánh được xây dựng với kích thước chuẩn xác. Miền tính toán được phân chia thành hai vùng lưu chất chuyên biệt nhằm tối ưu độ chính xác. Miền thứ nhất bao gồm không gian bên trong quạt với mắt lưới siêu nhỏ để mô phỏng khe hở. Miền thứ hai đại diện cho môi trường xung quanh với kích thước mắt lưới mở rộng dần. Kỹ thuật chia lưới đa diện Poly-hexcore hiện đại được triển khai với gần năm triệu phần tử. Lưới Poly-hexcore nâng cao độ hội tụ và giảm sai số hình học tại các bề mặt cong. Các phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds kết hợp cùng mô hình nhiễu loạn phù hợp được thiết lập. Phương pháp này giải quyết triệt để sự tương tác đa tầng của dòng khí nén và khí tự do.
3.1. Thiết lập mô hình tính toán số với ANSYS Fluent
Quy trình mô phỏng số bằng ANSYS Fluent bắt đầu từ việc tiền xử lý hình học quạt. Dòng không khí trong khí quyển được giả định là chất lưu không nén được. Tính chất vật lý của không khí duy trì mật độ và độ nhớt không đổi trong điều kiện thường. Phương pháp phân tích số thiết lập điều kiện biên dòng khối ở đáy tháp hình trụ. Lưu lượng dòng vào thay đổi tuần tự từ mức 5 lít/giây đến 80 lít/giây để đối chứng. Bề mặt ngoài của vỏ bọc được gán điều kiện biên tự do với áp suất khí quyển chuẩn. Thuật toán phân giải liên kết áp suất và vận tốc đảm bảo độ tin cậy của nghiệm số.
3.2. Kỹ thuật chia lưới Poly hexcore và điều kiện biên
Kỹ thuật chia lưới đóng vai trò quyết định đến độ chính xác của kết quả mô phỏng CFD. Mô hình ba chiều được rời rạc hóa thành xấp xỉ năm triệu phần tử đa diện Poly-hexcore. Sự kết hợp giữa các phần tử lục giác và đa diện giúp giảm thiểu số lượng phần tử mà vẫn giữ nguyên độ mịn. Bề mặt hình trụ, hình vòng khuyên và đáy vỏ đều được đặt điều kiện biên tường không trượt. Tính liên tục giữa hai miền chất lỏng được xử lý qua điều kiện biên giao diện không khớp tại đầu ra quạt. Vị trí khe hở vành khuyên được làm mịn lưới cục bộ với kích thước cực nhỏ. Cấu trúc lưới này nắm bắt trọn vẹn hiện tượng phân tách và bám dính của dòng khí.
IV. Ứng dụng mô phỏng lưu lượng quạt không cánh ĐH Sư phạm Kỹ thuật
Kết quả nghiên cứu mô phỏng tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghiệp chế tạo. Mô hình số chứng minh rõ nét cơ chế khuếch đại lưu lượng của vành khuyên biên dạng khí động học. Lưu lượng gió tổng ở đầu ra tăng gấp nhiều lần so với lưu lượng ban đầu từ quạt ly tâm. Hiện tượng lôi cuốn dòng khí xung quanh diễn ra mạnh mẽ khi vận tốc dòng sơ cấp đạt ngưỡng tối ưu. Dữ liệu trường vận tốc và áp suất giúp các kỹ sư hiệu chỉnh kích thước khe hở chính xác. Đề tài cung cấp cơ sở kỹ thuật vững chắc để sản xuất quạt không cánh thương mại với chi phí hợp lý. Thiết bị mang lại luồng gió dịu mát, không tạo xoáy cắt ngắt quãng và tuyệt đối an toàn. Ngoài ứng dụng làm mát dân dụng, mô hình còn hỗ trợ thiết kế hệ thống thông gió tòa nhà và làm mát vi mạch điện tử. Nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ mô phỏng CFD trong đào tạo kỹ thuật nhiệt.
4.1. Kết quả kiểm chứng lưu lượng và hiệu suất khí động
Kết quả mô phỏng cho thấy lưu lượng gió đầu ra tăng tuyến tính theo dải lưu lượng cấp từ 5 l/s đến 80 l/s. Sự gia tăng này xuất phát từ hiện tượng cảm ứng không khí mạnh mẽ xung quanh vành quạt. Khi lưu lượng cấp đạt giá trị danh định, hệ số nhân đôi dòng khí đạt mức cao nhất. Biên dạng vành khuyên dẫn hướng luồng khí mượt mà dọc theo bề mặt cong Coanda. Độ suy giảm áp suất dọc thân quạt được duy trì ở mức tối thiểu. Các vùng xoáy cục bộ gần như bị triệt tiêu hoàn toàn khi góc nghiêng vành được tối ưu hóa. Sự đối sánh dữ liệu khẳng định độ chuẩn xác cao của mô hình số so với lý thuyết khí động học.
4.2. Khả năng ứng dụng thực tế và hướng phát triển
Nghiên cứu mang lại tiềm năng ứng dụng thực tế to lớn cho các đơn vị sản xuất thiết bị nhiệt lạnh. Doanh nghiệp có thể tận dụng bộ thông số tối ưu để thiết kế các dòng quạt êm ái cho phòng ngủ và bệnh viện. Mẫu quạt này giúp nâng cao độ an toàn cho môi trường có trẻ em và người già. Trong tương lai, hướng nghiên cứu có thể mở rộng khảo sát các biên dạng vành khuyên elip hoặc đa giác. Việc tích hợp thêm bộ lọc không khí HEPA hoặc khử khuẩn ion vào khoang lấy gió cũng là giải pháp giàu tiềm năng. Ngoài ra, việc kết hợp thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất tiêu thụ điện năng.
