Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu giảm lực cản dòng chảy rối với rãnh răng cưa

Nghiên cứu giảm lực cản dòng chảy rối bằng rãnh răng cưa riblets trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật, mang lại ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp.

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Giảm Lực Cản Dòng Chảy Rối Bằng Rãnh Răng Cưa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Ninh Thuận

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN
• 1.1. Giới thiệu chung về phương pháp giảm lực cản
• 1.2. Các phương pháp giảm lực cản
• 1.2.1. Sử dụng Fiber (sợi)
• 1.2.2. Sử dụng chất phụ gia Polymer
• 1.2.3. Sử dụng chất phụ gia surfactant
• 1.2.4. Sử dụng phương pháp tạo bọt khí
• 1.2.5. Sử dụng Riblets
• 1.3. Ứng dụng của Riblets về giảm lực cản
• 1.4. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ GIẢM LỰC CẢN BẰNG RIBLETS
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Sự ra đổi của bề mặt Riblets
• 2.3. Khái niệm về Riblets
• 2.4. Các biên dạng hình học của Riblets
• 2.5. Phân tích lý thuyết về cơ chế Riblets
• 2.6. Phương pháp chế tạo Riblets
• 2.7. Sự tối ưu hóa của các tấm Riblets
• 2.8. Khái niệm cơ bản về lớp biên
• 2.9. Cấu trúc dòng chảy
• 2.10. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BÀI TOÁN DÒNG CHẢY TRONG KÊNH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
• 3.1. Giới thiệu về phần mềm Ansys Fluent
• 3.2. Sử dụng Ansys để mô phỏng bài toán dòng chảy
• 3.2.1. Mô bài toán
• 3.2.2. Các bước mô phỏng
• 3.3. Kết quả và thảo luận
• 3.3.1. Trường vận tốc
• 3.3.2. Trường áp suất
• 3.3.3. Profile vận tốc
• 3.3.4. Kết luận
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Giới thiệu chung về hệ thống thực nghiệm
• 4.2. Giới thiệu các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm
• 4.3. Thiết kế mạch thực nghiệm, vật liệu thực nghiệm
• 4.3.1. Thiết kế mạch thực nghiệm
• 4.3.2. Vật liệu thực nghiệm
• 4.4. Kết quả và thảo luận
• 4.4.1. Reynolds và hệ số ma sát
• 4.4.2. Đo với biên dạng tam giác
• 4.4.3. Đo với biên dạng hình chữ nhật
• 4.4.4. So sánh sự giảm lực cản của các biên dạng Riblets
• 4.5. Kết luận
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp giảm lực cản

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng, đặt ra thách thức lớn trong việc bảo vệ môi trường và khai thác nguồn năng lượng thiên nhiên. Giảm lực cản là một trong những giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển, hệ thống làm lạnh và sưởi ấm. Các phương pháp giảm lực cản hiện nay bao gồm sử dụng chất phụ gia polymer, surfactant, sợi Fiber, và phương pháp tạo bọt khí. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, nhưng việc ứng dụng Riblets đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc giảm lực cản. Riblets, với hình dạng rãnh chữ V, được lấy cảm hứng từ bề mặt da cá mập, đã chứng minh khả năng giảm lực cản đáng kể trong các thử nghiệm thực tế.

1.1. Giới thiệu chung về phương pháp giảm lực cản

Giảm lực cản không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn làm giảm chi phí vận hành trong các hệ thống. Việc áp dụng các phương pháp giảm lực cản như Riblets đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện hiệu suất dòng chảy. Theo nghiên cứu, Riblets có thể giảm lực cản lên tới 46%, cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ hàng không đến thủy lợi. Sự phát triển của công nghệ cũng đã giúp tối ưu hóa kích thước và hình dạng của Riblets, từ đó nâng cao hiệu quả giảm lực cản.

1.2. Các phương pháp giảm lực cản

Các phương pháp giảm lực cản hiện nay bao gồm: sử dụng sợi Fiber, chất phụ gia polymer, surfactant, và phương pháp tạo bọt khí. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, như sợi Fiber có thể giảm lực cản lên tới 95%, trong khi surfactant có khả năng hồi phục cấu trúc sau khi bị phá vỡ. Tuy nhiên, việc sử dụng các phương pháp này cũng gặp nhiều hạn chế, ví dụ như vấn đề sức khỏe khi sử dụng surfactant trong nước sinh hoạt. Trong khi đó, Riblets lại cho thấy ưu điểm vượt trội về tính an toàn và hiệu quả trong nhiều ứng dụng.

II. Lý thuyết chung về giảm lực cản bằng Riblets

Riblets là một phương pháp giảm lực cản được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Cấu trúc của Riblets có thể ảnh hưởng đến sự chuyển động của dòng chảy, giúp giảm ma sát và tăng lưu lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Riblets có thể tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh kích thước và hình dạng, từ đó gia tăng hiệu quả giảm lực cản. Điều này không chỉ áp dụng trong lý thuyết mà còn trong thực tiễn, khi các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm Riblets trên nhiều loại máy bay và hệ thống ống dẫn.

2.1. Phương pháp giảm lực cản bằng Riblets

Riblets được thiết kế với hình dạng đặc biệt, giúp giảm lực cản bằng cách thay đổi cách thức dòng chảy tương tác với bề mặt. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng Riblets có thể giảm lực cản lên tới 46%, nhờ vào khả năng tối ưu hóa kích thước và hình dạng của chúng. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng không và giao thông thủy, nơi mà việc giảm lực cản có thể mang lại lợi ích kinh tế lớn.

2.2. Cơ chế hoạt động của Riblets

Hai cơ chế chính được đề xuất để giải thích hiệu quả giảm lực cản của Riblets là giảm ma sát gần bề mặt và cản trở chuyển động dòng chảy chéo. Việc nghiên cứu sâu về cơ chế này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của Riblets mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các thiết kế mới nhằm tối ưu hóa hiệu suất dòng chảy trong các hệ thống thực tế.

III. Mô phỏng bài toán dòng chảy trong kênh bằng phần mềm ANSYS Fluent

Phần mềm ANSYS Fluent được sử dụng rộng rãi trong việc mô phỏng dòng chảy và phân tích lực cản. Việc sử dụng ANSYS Fluent cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng và tính toán các thông số như vận tốc, áp suất và lực cản trong các hệ thống có sử dụng Riblets. Kết quả mô phỏng giúp kiểm chứng lý thuyết và đưa ra các dự đoán chính xác về hiệu quả của Riblets trong thực tế.

3.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS Fluent

ANSYS Fluent là một phần mềm mạnh mẽ trong lĩnh vực mô phỏng động lực học chất lỏng. Phần mềm này cho phép người dùng mô phỏng các tình huống phức tạp, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc giảm lực cản. Việc sử dụng ANSYS Fluent trong nghiên cứu về Riblets giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực, đồng thời nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán hiệu quả của các thiết kế mới.

3.2. Kết quả và thảo luận

Kết quả mô phỏng cho thấy Riblets có khả năng giảm lực cản đáng kể trong các hệ thống dòng chảy. Các thông số như trường vận tốc và áp suất được phân tích để đánh giá hiệu quả của Riblets. Việc so sánh giữa các mô hình khác nhau giúp xác định được thiết kế tối ưu cho việc giảm lực cản, từ đó ứng dụng vào thực tế trong các hệ thống giao thông và công nghiệp.

IV. Thực nghiệm và kết quả

Thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm chứng các lý thuyết và mô phỏng đã được thực hiện. Các thí nghiệm được tiến hành trên hệ thống kênh kín với các thiết kế Riblets khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả giảm lực cản. Kết quả thực nghiệm cho thấy Riblets không chỉ giảm lực cản mà còn tăng lưu lượng dòng chảy, từ đó khẳng định giá trị của phương pháp này trong ứng dụng thực tế.

4.1. Giới thiệu chung về hệ thống thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm được thiết kế để kiểm tra hiệu quả của Riblets trong việc giảm lực cản. Các thiết bị đo lường được sử dụng để thu thập dữ liệu về lưu lượng, áp suất và lực cản trong quá trình thí nghiệm. Việc thiết kế mạch thực nghiệm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả thu được.

4.2. Kết quả và thảo luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy Riblets có khả năng giảm lực cản rõ rệt so với các thiết kế bề mặt truyền thống. Các biên dạng khác nhau của Riblets cũng được so sánh để xác định thiết kế tối ưu nhất. Những phát hiện này không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu mà còn có thể ứng dụng vào thực tiễn trong việc thiết kế các hệ thống giảm lực cản cho máy bay, tàu thuyền và các thiết bị công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang tăng mạnh trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng khan hiếm và các nguồn năng lượng mới chưa phát triển đầy đủ. Việc tiết kiệm năng lượng trở thành một trong những mục tiêu quan trọng nhằm giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Trong đó, giảm lực cản trong các hệ thống dòng chảy là giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng, đặc biệt trong các ứng dụng như vận chuyển chất lỏng qua đường ống, hệ thống làm mát, sưởi ấm, và tưới tiêu thủy lợi.

Luận văn tập trung nghiên cứu sự giảm lực cản dòng chảy rối trong lớp biên bằng cách sử dụng bề mặt rãnh cưa (Riblets) trong kênh kín hình chữ nhật. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu quả giảm lực cản của các biên dạng Riblets tam giác và chữ nhật, xây dựng mô hình mô phỏng 3D bằng phần mềm ANSYS Fluent và kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Ninh Thuận trong năm 2019, tập trung vào dòng chảy nước trong kênh kín với kích thước 10 mm x 100 mm x 700 mm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp và dân dụng, góp phần giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ thiết bị. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng Riblets trong các hệ thống dòng chảy kín, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế giảm lực cản trong dòng chảy rối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết lớp biên và cơ chế giảm lực cản bằng Riblets. Lớp biên là lớp chất lỏng gần bề mặt vật thể, nơi vận tốc thay đổi từ 0 tại bề mặt đến vận tốc dòng chảy chính, chịu ảnh hưởng của ma sát và tạo ra lực cản. Dòng chảy trong lớp biên có thể là chảy tầng hoặc chảy rối, trong đó dòng chảy rối gây ra lực cản lớn hơn do các xoáy nước hỗn loạn.

Riblets là các rãnh nhỏ trên bề mặt, mô phỏng cấu trúc da cá mập, có khả năng điều chỉnh dòng chảy rối, giảm ma sát bề mặt và lực cản. Các biên dạng Riblets phổ biến gồm tam giác, chữ nhật, bán nguyệt và parabol. Nghiên cứu cho thấy biên dạng chữ nhật có hiệu suất giảm lực cản tốt nhất, tiếp theo là tam giác. Cơ chế giảm lực cản của Riblets liên quan đến việc nâng các xoáy nước ra khỏi bề mặt, giảm ứng suất cắt và hạn chế chuyển động dòng chảy ngang.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: số Reynolds (Re) để xác định trạng thái dòng chảy, hệ số ma sát Fanning và Blasius để tính toán lực cản, và các thông số hình học Riblets như chiều cao (h), chiều rộng (s), và khoảng cách (L). Việc tối ưu hóa kích thước Riblets dựa trên các thông số không thứ nguyên giúp đạt hiệu quả giảm lực cản tối đa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm. Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm trên hệ thống kênh kín hình chữ nhật kích thước 10 mm x 100 mm x 700 mm, với vật liệu acrylic và nước làm chất lưu. Hai loại Riblets được chế tạo với biên dạng tam giác và chữ nhật, kích thước được thiết kế tối ưu dựa trên lý thuyết.

Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm ANSYS Fluent, sử dụng phương pháp chia lưới tinh vi và thuật toán giải phù hợp để mô phỏng dòng chảy rối trong kênh có và không có Riblets. Cỡ mẫu mô phỏng gồm ba trường hợp: kênh phẳng, kênh có Riblets tam giác và kênh có Riblets chữ nhật. Phân tích kết quả dựa trên trường vận tốc, trường áp suất và hệ số ma sát.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, bao gồm giai đoạn tổng hợp tài liệu, thiết kế và chế tạo mẫu Riblets, thực hiện mô phỏng và tiến hành thí nghiệm đo lực cản. Kết quả mô phỏng được so sánh và kiểm chứng với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác và tính khả thi của phương pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả giảm lực cản của Riblets: Thí nghiệm và mô phỏng cho thấy Riblets hình chữ nhật giảm lực cản ma sát lên đến khoảng 8%, trong khi Riblets hình tam giác giảm khoảng 6%. So với kênh phẳng, lực cản giảm tương ứng 7-8% và 5-6% tùy theo biên dạng.

2. Ảnh hưởng của số Reynolds: Hệ số ma sát giảm rõ rệt ở dải số Reynolds từ 2000 đến 6000, với mức giảm trung bình khoảng 10% so với kênh phẳng. Ở số Reynolds cao hơn, hiệu quả giảm lực cản có xu hướng giảm nhẹ do sự chuyển đổi dòng chảy sang trạng thái rối mạnh hơn.

3. Trường vận tốc và áp suất: Mô phỏng cho thấy Riblets làm thay đổi cấu trúc dòng chảy gần bề mặt, nâng các xoáy nước ra khỏi bề mặt Riblets, giảm ứng suất cắt. Trường áp suất giảm dần từ đầu vào đến đầu ra kênh, với áp suất giảm lớn hơn ở kênh có Riblets so với kênh phẳng, chứng tỏ giảm lực cản hiệu quả.

4. So sánh biên dạng Riblets: Riblets chữ nhật có hiệu suất giảm lực cản tốt hơn khoảng 2% so với Riblets tam giác, tuy nhiên biên dạng tam giác dễ chế tạo và có độ bền cao hơn trong thực tế vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm lực cản là do Riblets điều chỉnh dòng chảy rối, hạn chế sự phát triển của các xoáy nước gần bề mặt, từ đó giảm ứng suất cắt và ma sát. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về cơ chế Riblets và mô hình dòng chảy rối trong lớp biên.

So với các phương pháp giảm lực cản khác như sử dụng chất phụ gia polymer hay surfactant, Riblets có ưu điểm không làm thay đổi tính chất vật lý của chất lưu và không ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt. Tuy nhiên, hiệu quả giảm lực cản của Riblets thấp hơn một số phương pháp chủ động, nhưng bù lại Riblets dễ ứng dụng trong các hệ thống dòng chảy kín và an toàn cho nguồn nước sinh hoạt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hệ số ma sát theo số Reynolds cho từng biên dạng Riblets và kênh phẳng, cũng như bảng so sánh tỷ lệ giảm lực cản giữa các biên dạng. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự khác biệt hiệu quả giảm lực cản và hỗ trợ cho việc lựa chọn biên dạng Riblets phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng Riblets trong hệ thống ống dẫn: Khuyến nghị sử dụng Riblets biên dạng tam giác hoặc chữ nhật trong các hệ thống kênh kín để giảm lực cản ma sát, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và giảm chi phí vận hành. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng, do các biên dạng này đã được chứng minh hiệu quả qua mô phỏng và thực nghiệm.

2. Tối ưu hóa kích thước Riblets: Đề xuất nghiên cứu thêm về kích thước tối ưu của Riblets dựa trên điều kiện dòng chảy thực tế, đặc biệt là số Reynolds và độ nhớt chất lưu, nhằm nâng cao hiệu quả giảm lực cản. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp trong vòng 1-2 năm.

3. Phát triển công nghệ chế tạo Riblets: Khuyến khích đầu tư phát triển công nghệ chế tạo Riblets bằng vật liệu polymer hoặc composite có độ bền cao, dễ thi công và bảo dưỡng, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 1 năm.

4. Mở rộng ứng dụng Riblets: Khuyến nghị áp dụng Riblets trong các hệ thống HVAC, hệ thống làm mát và sưởi ấm, cũng như trong các thiết bị thủy lực để giảm lực cản và tăng hiệu suất hoạt động. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế hệ thống và doanh nghiệp sản xuất thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cơ chế giảm lực cản bằng Riblets, phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực kỹ thuật dòng chảy.

2. Doanh nghiệp sản xuất và thiết kế hệ thống ống dẫn: Thông tin về hiệu quả giảm lực cản và các biên dạng Riblets giúp doanh nghiệp lựa chọn giải pháp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo trì.

3. Các tổ chức quản lý năng lượng và môi trường: Nghiên cứu góp phần vào việc phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng.

4. Nhà thiết kế hệ thống HVAC và thiết bị thủy lực: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để áp dụng Riblets trong thiết kế nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị, đồng thời giảm chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Riblets là gì và cơ chế giảm lực cản như thế nào?
   Riblets là các rãnh nhỏ trên bề mặt mô phỏng cấu trúc da cá mập, giúp điều chỉnh dòng chảy rối, nâng các xoáy nước ra khỏi bề mặt, giảm ứng suất cắt và ma sát, từ đó giảm lực cản.

2. Hiệu quả giảm lực cản của Riblets đạt được bao nhiêu phần trăm?
   Thí nghiệm và mô phỏng cho thấy Riblets có thể giảm lực cản ma sát từ 6% đến 8% tùy thuộc vào biên dạng và điều kiện dòng chảy.

3. Riblets có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Riblets được ứng dụng trong hàng không, hàng hải, hệ thống ống dẫn, HVAC, thiết bị thủy lực và cả trong đồ bơi thể thao nhằm giảm lực cản và tiết kiệm năng lượng.

4. So sánh Riblets với các phương pháp giảm lực cản khác như polymer hay surfactant?
   Riblets không làm thay đổi tính chất vật lý của chất lưu và an toàn cho nguồn nước sinh hoạt, trong khi polymer và surfactant có thể giảm lực cản cao hơn nhưng có hạn chế về sức khỏe và khả năng truyền nhiệt.

5. Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng phần mềm ANSYS Fluent để mô phỏng dòng chảy trong kênh kín với các biên dạng Riblets, đồng thời tiến hành thí nghiệm đo lực cản trên hệ thống kênh thực tế để kiểm chứng kết quả mô phỏng.

Kết luận

• Riblets là giải pháp hiệu quả và an toàn để giảm lực cản trong dòng chảy rối, với mức giảm lực cản từ 6-8% tùy biên dạng.
• Biên dạng Riblets chữ nhật có hiệu suất giảm lực cản tốt nhất, nhưng biên dạng tam giác dễ chế tạo và vận hành hơn.
• Mô phỏng bằng ANSYS Fluent kết hợp với thực nghiệm cho kết quả nhất quán, khẳng định cơ chế giảm lực cản của Riblets.
• Ứng dụng Riblets trong các hệ thống kênh kín và HVAC giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ thiết bị.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu kích thước Riblets và phát triển công nghệ chế tạo để mở rộng ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và tiết kiệm năng lượng, đồng thời kêu gọi các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đầu tư phát triển công nghệ Riblets nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE PHƯƠNG PHAP GIẢM LỰC CAN 1. Giới thiệu chung về phương pháp giảm lực cản "Ngày nay, nhủ cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn thé giới dang gia ting mạnh mẽ, trong bối cảnh đang phải phần đầu vượt qua những thách thức to lớn vỀ nguy cơ "hủy hoại mỗi trường, nguồn tải nguyên năng lượng hóa thạch (than, dẫu khí, thủy, dign.) ngày cảng khan hiểm, các nguồn năng lượng mớichưa phát tid thi chủ đề năng lượng có nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự ph kinh tế của mỗi quốc gia, một trong những giải pháp để giải quyết vin đề trên là phương pháp lâm giảm lực cản. Các phương pháp giảm lực cản có. giá tri lớn trong việc giảm mức u thụ nhiên liệu, vi nhiên liệu đóng vai trò quan trọng việc vận chuyển hàng hóa, chất lưu trong, nhiễu lĩnh vực khác nhau của đồi sống con người.

Bên cạnh đó giảm lực cản (DR) được ứng dung nhiều tong các trường hợp khác nhau thu được hiệu qua cao, có thé kế đến một số phương pháp làm giảm lực cán như các phương pháp chủ động gdm sử dụng chất phụ gia polymer, surfactant, sử dung sợi Fibers phương pháp tạo bot khí. và các phương pháp thụ động gdm Thiết kế khí động học, Lim bóng, nhẫn bŠ mặt, 1.2 - Các phương pháp giảm lực cản 12. Sie đụng Fiber (sợi) Ci dung dịch với tỷ lệ kích thước của các sợi (Ud) từ 25-35 cho thấy sự giảm lực cán với ni 1g độ sợi cao. Với tỷ lệ kích thước tăng lên và giảm bớt đường kinh sợi, hiệu quả của các sợi hóa học tăng lên.

Các hệ thống của các sợi hóa học hòa trộn với polymer đã đạt được hiệu quả giảm lực cản lên tới 95%. Mức độ giảm lực cản này cao hơn mức độ giảm lực cản đối với các polymer hoặ với các sợi đơn. Các polymer trong loại hệ thống này cũng bền hơn với sự phân rã Tuy nhiên, việc sử dụng các sợi hóa học bị han chế bởi các trở ngại mà chúng có thể sty ta các vin dễ kin trong các đường Ống nước do nồng độ cao (khoảng một vài phiin trim) yêu cầu cho sự giảm lực cản. Ngoài ra, chúng chỉ được ứng dụng vào việc giảm lực cản trong các hệ thống nhà máy công nghiệp và gần như không được sử dụng nhiều vào các hệ thông sinh hoạt, nguồn nước dân cư do các vấn đề về sức khỏe và các chỉ phí liên quan lọc bỏ các tạp chất trong nguồn nước.

hộ thống dễ âm thi bị bị mãi môn 1.2 Sử dụng chit phụ gia Polymer Sự giảm lực cản của các dung dich polymer đã được nghiên et u rộng rãi trong cả môi trường nước và môi trường hydrocarbon bởi nhiều nhà nghiên cứu. an đầu đã đề xuất hai loại giảm lực cản rong các dung địch polymer loãng. Các dung dich qué loãng cho thấy sự giảm lực căn lắc ban đầu được phát triển hoàn toàn trong vũng chảy rồi, sự giảm lực cản chi xuất hiện trên một số Reynolds ngay từ lúc ban đầu, nơi mà hệ số ma sit giảm xuống đưới hệ số ma sit đối với dòng chủy rồi của chit lòng Newton bình thường. Với số Reynolds thấp hơn giá tị lúc bắt đầu, sự giảm lực cản không xảy ra, Như vậy, có một ứng suất tiếp lúc bắt đầu và một giá trị ‘ing suất tiếp lúc bắt đầu.

Với dung dich polymer cô đặc, sự giảm lực can xuất hiện bởi sự mở rộng của các. vũng chay ting. Trong trường hop này, các điều kiện ban đầu đạt được cúc gi tỉ số Reynolds thấp, điều đó có nghĩa là vùng chuyển tiếp giữa chảy ting và chảy rồi không được tuân theo vi chuyên động chảy tầng của chat lỏng được mở rộng tới một vùng chảy ting được mỡ rộng hơn, nơi ma hệ số ma sit thấp hơn hệ số ma sát của ding chất long Newton chảy réi thông thường tại cùng một số Reynolds. Sy giảm lực cân tại đây và cũng rong sự giảm lực cin lúc ban đầu tăng cũng lưu lượng cho đến khi có một ứng suất tiếp tới han ở thành ống được đạt đến nơi mà tốc độ.

phân ly polymer trong vùng thành Sng vượt qué tốc độ nơi mã polymer được cung cấp thêm trong vùng này và sự giảm lực cản giảm bớt.3 Sử dụng chit phụ gia surfactant Cie surfactant thường là các hợp chất hữu cơ bao gồm các nhớm ky nước (phần đuôi) và các nhóm wa nước (phần đầu). Bởi vậy, một surfactant bao gdm một thành phan không hoa tan trong nước (hoặc hoà tan trong dầu) và một thành phần hoa tan trong nước. Các surfactant sẽ khuếch tan trong nước và hip thụ tại mặt phân cách giữa khí và nước hoặc tại mặt phân cách giữa dẫu và nước, trong trường hợp nơi mà nước được trộn với dầu. Hiệu quả giảm lực cản phụ thuộc vào loại chit phụ gia surfactant được sử dụng và sự bố trí hệ thống.

Khả năng tiết kiệm năng lượng khi sir dụng chất giảm lực cân sẽ tăng nếu hệ thống có it nhánh rẽ hoặc các ông ải hơn và cổ ít cút nối. Uu điểm của dung dich surfactant cao hơn các polymer là vì các cấu trúc nano của chúng cổ thể hồi phục li sau hi bị phá vỡ đo biển dang cắt lớn. Cấu trúc mixen của chất giảm lực cản surfactant thi lại có khả năng tự hẳn gắn sau kh bị suy thoái cơ học do ứng suất cắt. Các cấu trúc vĩ mô bị phá vỡ sẽ dB dàng lắp rip lại nhiều lần trong thời gian rất ngắn.

Do đồ các chit giảm lục cản surfactant không bị suy thoái sơ học trong vũng có ứng suất cắt cao như trong buỗng bom, Tuy nhiền các dưng dich surfactant cũng có một nhược điểm lớn do không thể sử dụng trong các hệ thống nước sinh hoạt cho các hộ din ew do sự ảnh hướng tí sức khỏe con người và chỉ được sử đụng trong các hệ thống sản x nghiệp như các hệ thống làm mát, sưởi ấm và điều hòa. Giảm lực cân sử dụng chất surfactant được ứng dung trong các hệ thing sisi âm và lâm lạnh khu vực. Các hệ thống này cung cắp hoặc loại bỏ nhiệt trong các tòa nhà hoặc một khu vực bằng sự tin hoàn của nước nông hoặc lạnh ti các trạm trung tâm, Năng lượng yêu cầu dé ạo đồng nước tuin hoàn chiếm khoảng 15% tổng năng lượng cho một hệ thông DHC.4 Sie dụng phương pháp tạo bạt khí Lực cản sinh ra khi một vật thé chuyển động trong chất ling với tốc độ khác biệt "Để giảm lực cân ma sét người ta tạo ra một đệm mỏng cổ định để ngăn cích dòng chiy với biên cứng bằng cách cấp (phun, thôi) khí liên tục qua bộ tạo khí vào lớp biên rối. Phương pháp nay còn được gọi là khí hỏa lớp biên hay bôi trơn bằng khí Phương pháp này chi phí it 6 tính khả thi cao.

Với sự phát triển của các công nghệ tao bot khí nhỏ, có thể giảm (20 + 75)% lực cản ma sit, (10 ~ 15)% lực cản toàn phần của tau thuyền. Việc nghiên cứu lý thuyết giảm lực cán vật khi phun khí vào. lớp biên sit bŠ mặt vật vẫn côn nhiều hạn chế so với nghiên cứu thực nghiệm do tính phức tạp của lớp biên đây đặc bot khí bao quanh vật. Về mặtlý thuyết, phương pháp phun khí vio lớp biên lim giảm lực cản ma sit là do tương quan giữa khối lượng riêng của nước và khối lượng tiêng của không khí đến hing tăm lần (chưa tính đến tổn thất năng lượng tạo lớp khí bôi tron) MeCormick và Bhattacharyya đã ghi lại các thí nghiệm giảm lực cản tàu vào năm 1973 bằng phương pháp tạo bọt khi nhờ hiện tượng điện phản.

Nhóm tác gid này tiến hành thực nghiệm với vật thể có chiều dai 91,5 em được kéo trong bể thứ. với tốc độ đi chuyên là 2,6 nưc và nhận thấy cổ sự ảnh hướng của bợi khí tới gidm lực cản, đặc biệt là khi thử nghiệm với số Reynolds thấp. Sau thử nghiệm tiên. hong này, nhiều nhà khoa học đã tgp tục nghiên eu và thử nghiệm phun bọt khí ‘Gi nhiều cách thức khác nhau.

Không chỉ dùng lại ở nghiên cứu lý thuyết và thi nghiệm trên mô hình, các nhà khoa học đã hành th nghiệm hệ thống phun bọt khí trên tau thực. Các nghiên cứu cho lige can ma sắt giảm theo từng điều kiện phun khí tối ưu tương ứng. Phun khí ở khu vực thượng nguồn có hiệu quả hơn so với khu vực ha nguồn. Điều thú vị là hiệu quả giảm lực cản ma sit của đông khí phun không tuyển tính với phần thể tích khí trong lớp biên, Các công nghệ giảm lực cân dựa trên cơ sở phun khi gồm có: xâm thực toàn phần, xâm thực một phần và phun khí tạo bọt nhỏ .Sự xâm thực có thể giảm lực cản, bởi vì một bề mặt bị xâm thực trên thự tế là không có ma sit, Đối với xâm thực toàn phin, thì lực căn này nhỏ hơn, giảm ma sát chỉ xây ra đối với lượng xâm thực cực thấp (nhỏ hơn 6%).

bổ với xâm thực một phần, không có bat lợi về lực cán và giảm lực cán đạt được ở các mức độ vừa phải. Dang xâm thực một phần không có sự bất lợi về lực cản có thể tồn tại với sự bổ sung của các xung xâm thực do gradien áp suất xuôi theo ding chiy của đuôi xâm thực. Từ các thứ nghiệm trên mô hình với các cánh thiết kế đặc biệt trong bé thử ở Trường Đại học Minesota vàở trên biển với tu trọng tải 100 tấn, đo được giảm lục cân (25+30)% nhờ xâm thực một phần. Sự giảm lực cân ma sát tỷ lệ với điện tích bị xâm thực.

Các chiều đài xâm thực và điện tích bị xâm thực. phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của vật thể, Ngược lại với xâm thực toàn phản, lực cân của các bọt khí giảm so với tốc độ dòng (kết quả tốt nhất thu được ở tốc độ dong v = 4,7 mis), tác động của nó phụ thuộc vào hướng bổ mat. Công nghệ này có thể áp dung cho các tau diy phẳng tốc độ thấp. Tuy nhiên trong thực tế khai thác tàu, việc phun khí tại đáy cần quan tâm lớn tới vị tí đặt thiết bị phun khí sao cho khí không lot vào chân vị 12.5 Sử dụng Rilles Tir những hạn chế của các phương pháp ding sợi vả các chất phụ gia lim giảm lực cản th sử dụng Riblet cũng là một phương pháp làm giảm lực cản.

Việc sử đụng riblet được để giảm lục cin được lấy cảm himg từ bé mặt của da cá mập.