Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, góp phần giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hạn chế biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, hiện nay năng lượng gió mới chỉ chiếm khoảng 2.9% tổng sản lượng điện năng toàn cầu, chưa tương xứng với tiềm năng sẵn có, đặc biệt trong các khu vực có vận tốc gió thấp hoặc môi trường đô thị với hướng gió thay đổi liên tục. Động cơ gió trục đứng (VAWT) được xem là giải pháp phù hợp cho những điều kiện này nhờ khả năng thu năng lượng từ mọi hướng gió, vận hành an toàn ở vận tốc gió lớn và chi phí bảo trì thấp.

Tuy nhiên, động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng gặp phải hiện tượng cánh vẫy (flapping wing) và mất lực nâng động (dynamic stall) khi vận hành ở tỉ số vận tốc mũi thấp (λ < 5). Hiện tượng này gây ra sự tách rời lớp biên, biến dạng vùng hậu lưu, làm giảm hiệu suất khí động và gây khó khăn trong việc dự báo hiệu suất động cơ. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là sử dụng phương pháp mô phỏng số (CFD) để nghiên cứu hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động trên động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng, từ đó xây dựng mô hình rối và giải thuật phù hợp nhằm mô tả chính xác đặc tính khí động của động cơ.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng, sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT, với dữ liệu thực nghiệm tham khảo từ các biên dạng cánh NACA đối xứng tại số Reynolds khoảng 10^5. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của động cơ gió trục đứng, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng gió trong các điều kiện vận hành phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết khí động học về mất lực nâng động và mô hình mô phỏng dòng chảy rối trong CFD.

  1. Lý thuyết mất lực nâng động (Dynamic Stall): Hiện tượng mất lực nâng động được đặc trưng bởi sự hình thành và phát triển xoáy mũi cánh (Leading Edge Vortex - LEV) và bọt tầng tách lớp (Laminar Separation Bubble - LSB) trên cánh khi góc tới thay đổi nhanh và vượt quá góc tới giới hạn của mất lực nâng tĩnh. Quá trình này gồm các giai đoạn: tăng lực nâng vượt mức tĩnh, phát triển xoáy, tách rời lớp biên và giảm lực nâng đột ngột. Hai chế độ chính là mất lực nâng nhẹ (light stall) và mất lực nâng sâu (deep stall), trong đó deep stall phổ biến ở động cơ gió trục đứng do góc tới lớn và tỉ số vận tốc mũi thấp.

  2. Mô hình rối trong CFD: Các mô hình rối được sử dụng bao gồm k-ε, k-ω SST, Transition SST và Large Eddy Simulation (LES). Mô hình k-ω SST được đánh giá cao trong việc mô phỏng cấu trúc xoáy và hiện tượng mất lực nâng động ở số Reynolds vừa và thấp. LES cho phép mô phỏng chi tiết cấu trúc rối 3D nhưng tốn nhiều tài nguyên tính toán hơn. Lựa chọn mô hình rối phù hợp là yếu tố then chốt để mô phỏng chính xác hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động.

  3. Các khái niệm chính:

    • Tỉ số vận tốc mũi (λ): tỉ số giữa vận tốc đầu mút cánh và vận tốc gió tự do.
    • Hệ số công suất (Cp): đại lượng đánh giá hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng.
    • Hệ số dày đặc (σ): tỉ số diện tích cánh trên diện tích quét của động cơ, ảnh hưởng đến vùng hoạt động và hiệu suất.
    • Góc tới (α): góc giữa vận tốc gió tương đối và dây cung cánh, thay đổi theo góc chỉ phương trong chu kỳ quay.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD với phần mềm ANSYS FLUENT, kết hợp so sánh với dữ liệu thực nghiệm từ các nghiên cứu trước về biên dạng cánh NACA đối xứng.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm về lực nâng, lực cản, cấu trúc xoáy từ các nghiên cứu PIV, LDV và đo lực khí động trên cánh NACA 0015 và động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng.
  • Phương pháp phân tích:
    • Mô phỏng dòng chảy qua tấm phẳng để khảo sát ảnh hưởng của mô hình rối và lưới tính đến sự chuyển tiếp từ tầng sang rối.
    • Mô phỏng dòng chảy qua biên dạng cánh NACA để đánh giá hiện tượng mất lực nâng tĩnh và động, xác định mô hình rối phù hợp.
    • Mô phỏng động cơ gió trục đứng 3D với các mô hình rối khác nhau, phân tích hệ số công suất, moment và cấu trúc xoáy trong chu kỳ quay.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình 3D động cơ gió trục đứng với kích thước lưới tinh phù hợp, bước thời gian Δt được khảo sát để đảm bảo hội tụ và độ chính xác.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 08 năm 2016, bao gồm các giai đoạn khảo sát mô hình rối, xây dựng mô hình tính toán, so sánh với thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của mô hình rối đến kết quả mô phỏng: Mô hình k-ω SST và Transition SST cho kết quả hệ số lực nâng và lực cản gần với thực nghiệm hơn so với k-ε. Mô hình LES mô phỏng chi tiết cấu trúc xoáy nhưng tốn nhiều thời gian tính toán. Sai số hệ số công suất giữa mô hình 3D và thực nghiệm giảm xuống còn khoảng 5-10% khi sử dụng k-ω SST.

  2. Hiện tượng mất lực nâng động và cánh vẫy: Mô phỏng cho thấy hiện tượng mất lực nâng động xuất hiện rõ rệt ở tỉ số vận tốc mũi thấp (λ < 3), với lực nâng tăng vượt mức tĩnh rồi giảm đột ngột do tách rời lớp biên và phát triển xoáy mũi cánh. Chu kỳ dao động lực nâng có biên độ lớn, gây ra hiện tượng cánh vẫy.

  3. Ảnh hưởng của tỉ số vận tốc mũi và hệ số dày đặc: Với hệ số dày đặc cao, vùng hoạt động của động cơ bị thu hẹp, công suất cực đại giảm khoảng 20-30% so với hệ số dày đặc thấp. Tỉ số vận tốc mũi thấp làm tăng góc tới cực đại, dẫn đến mất lực nâng sâu và giảm hiệu suất.

  4. Cấu trúc dòng và xoáy: Mô hình 3D mô phỏng thành công cấu trúc xoáy mũi cánh và xoáy hậu lưu, tương đồng với kết quả PIV thực nghiệm. Cường độ xoáy thay đổi theo góc chỉ phương và tỉ số vận tốc mũi, ảnh hưởng trực tiếp đến lực moment và công suất động cơ.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình rối k-ω SST là lựa chọn tối ưu trong việc mô tả hiện tượng mất lực nâng động và cánh vẫy trên động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng, phù hợp với số Reynolds vừa và thấp (khoảng 10^5). So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả tương đồng về xu hướng biến đổi lực nâng và cấu trúc xoáy, tuy nhiên sai số vẫn tồn tại do các yếu tố như điều kiện biên, mô hình hóa lưới và giới hạn của mô hình rối.

Phân tích biểu đồ hệ số công suất theo tỉ số vận tốc mũi cho thấy vùng công suất âm xuất hiện ở λ < 2, tương ứng với vùng mất lực nâng động mạnh, làm giảm hiệu suất tổng thể. Vùng công suất dương ở λ > 3 là vùng hoạt động ổn định, lực nâng và moment dao động nhỏ hơn. Việc mô phỏng chi tiết cấu trúc xoáy giúp hiểu rõ cơ chế mất lực nâng động, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện thiết kế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố lực nâng theo góc tới, hệ số công suất theo tỉ số vận tốc mũi, và hình ảnh cấu trúc xoáy 3D tại các góc chỉ phương khác nhau, giúp minh họa rõ ràng sự biến đổi khí động trong chu kỳ quay.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình rối k-ω SST trong mô phỏng động cơ gió trục đứng: Động từ hành động: triển khai; Target metric: độ chính xác hệ số công suất; Timeline: 6 tháng; Chủ thể: các nhóm nghiên cứu và kỹ sư thiết kế động cơ gió.

  2. Tối ưu thiết kế cánh với hệ số dày đặc thấp và biên dạng NACA 0015: Động từ hành động: thiết kế lại; Target metric: tăng công suất cực đại ít nhất 15%; Timeline: 1 năm; Chủ thể: nhà sản xuất động cơ gió.

  3. Phát triển hệ thống điều khiển góc đặt cánh biến đổi (variable pitch): Động từ hành động: nghiên cứu và ứng dụng; Target metric: giảm hiện tượng mất lực nâng động; Timeline: 2 năm; Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  4. Mở rộng nghiên cứu mô phỏng LES để mô tả chi tiết cấu trúc rối 3D: Động từ hành động: đầu tư phát triển; Target metric: mô phỏng chính xác cấu trúc xoáy; Timeline: 3 năm; Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu CFD.

  5. Xây dựng cơ sở dữ liệu thực nghiệm bổ sung cho các điều kiện vận hành khác nhau: Động từ hành động: thu thập và phân tích; Target metric: đa dạng hóa dữ liệu tham chiếu; Timeline: liên tục; Chủ thể: các phòng thí nghiệm và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hàng không và năng lượng tái tạo: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về hiện tượng mất lực nâng động và mô hình mô phỏng CFD ứng dụng trong động cơ gió trục đứng.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển động cơ gió: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu thiết kế cánh, lựa chọn mô hình rối phù hợp nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của động cơ.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành hệ thống năng lượng gió: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ gió trục đứng, từ đó cải tiến sản phẩm và quy trình vận hành.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng thông tin khoa học để đánh giá tiềm năng và hạn chế của động cơ gió trục đứng trong các dự án năng lượng tái tạo, hỗ trợ quyết định đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng mất lực nâng động là gì và tại sao nó quan trọng với động cơ gió trục đứng?
    Mất lực nâng động là hiện tượng lực nâng trên cánh tăng vượt mức tĩnh rồi giảm đột ngột do sự tách rời lớp biên và phát triển xoáy khi góc tới thay đổi nhanh. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ ổn định của động cơ gió trục đứng, đặc biệt ở tỉ số vận tốc mũi thấp.

  2. Tại sao mô hình rối k-ω SST được ưu tiên sử dụng trong mô phỏng động cơ gió trục đứng?
    Mô hình k-ω SST có khả năng mô phỏng chính xác sự chuyển tiếp từ tầng sang rối và cấu trúc xoáy gần bề mặt cánh ở số Reynolds vừa và thấp, phù hợp với điều kiện vận hành của động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng.

  3. Hệ số dày đặc ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất động cơ gió trục đứng?
    Hệ số dày đặc cao làm thu hẹp vùng hoạt động, giảm công suất cực đại và làm động cơ dễ bị mất lực nâng động, trong khi hệ số dày đặc thấp giúp mở rộng vùng hoạt động và tăng hiệu suất.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động trong thiết kế động cơ gió?
    Có thể áp dụng thiết kế cánh với biên dạng phù hợp, sử dụng hệ thống điều khiển góc đặt cánh biến đổi, và lựa chọn mô hình rối chính xác trong mô phỏng để tối ưu hóa khí động học, giảm dao động lực và tăng hiệu suất.

  5. Phương pháp mô phỏng số có thể thay thế hoàn toàn thực nghiệm không?
    Mô phỏng số giúp tiết kiệm chi phí và thời gian, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc dòng, nhưng vẫn cần dữ liệu thực nghiệm để hiệu chỉnh và xác nhận kết quả, đảm bảo độ tin cậy và chính xác.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định và áp dụng thành công mô hình rối k-ω SST để mô phỏng hiện tượng cánh vẫy và mất lực nâng động trên động cơ gió trục đứng loại cánh thẳng.
  • Kết quả mô phỏng tương đồng với dữ liệu thực nghiệm, giúp hiểu rõ cơ chế mất lực nâng động và ảnh hưởng của các thông số như tỉ số vận tốc mũi, hệ số dày đặc và góc tới.
  • Phân tích cấu trúc xoáy 3D cung cấp cơ sở khoa học để cải tiến thiết kế và vận hành động cơ gió trục đứng.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định của động cơ gió trục đứng.
  • Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng mô phỏng LES và thu thập thêm dữ liệu thực nghiệm đa dạng để hoàn thiện mô hình và ứng dụng thực tế.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình rối phù hợp, kết hợp thực nghiệm và mô phỏng số, đồng thời tập trung vào tối ưu thiết kế cánh và hệ thống điều khiển nhằm khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió trục đứng.