MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén là phương pháp thường được sử dụng để vận chuyển các hạt rắn như hạt nông sản, than đá, xi măng, hóa chất dạng hạt và chip nhựa, vv [1]. So với các phương pháp vận chuyển truyền thống như sử dụng băng tải, xe nâng, v., vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm hiệu quả cao, linh hoạt, an toàn, vệ sinh, thân thiện với mô trường. [2,3] Thật vậy, hệ thống vận chuyển khí nén có thể vận chuyển lượng lớn hạt trong thời gian ngắn với chi phí thấp. Hệ thống có thể dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với nhiều địa hình và nhu cầu vận chuyển khác nhau.
Hơn nữa, hệ thống hạn chế nguy cơ hư hỏng hạt nông sản do va đập hay tiếp xúc trực tiếp với con người. Bên cạnh đó, hệ thống vận chuyển giúp giữ cho hạt nông sản luôn sạch sẽ và vệ sinh. Cuối cùng, hệ thống vận chuyển ít tiếng ồn và bụi bẩn, góp phần bảo vệ môi trường. Trong ngành sản xuất dược phẩm, vận chuyển khí nén được sử dụng cho bột penicillin trong quy trình sản xuất thuốc viên [4].
Trong ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, vận chuyển khí nén được sử dụng để vận chuyển bột đá thạch anh nhân tạo với các kích cỡ khác nhau [5]. Trong ngành nông nghiệp, vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều giai đoạn như gieo trồng, thu hoạch, hậu xử lý và bảo quản hạt nông sản. Trong các ngành công nghiệp nhiệt điện, tro bay là một dạng bụi khí thải hạt mịn xuất hiện trong quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá, được vận chuyển bằng khí nén trong các nhà máy nhiệt điện [6]. Trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy, hệ thống vận chuyển đất cát tại chỗ để phun vào đám cháy, dập tắt các đám cháy rừng, đã được nghiên cứu và phát triển [7].
Ngoài ra, hệ thống có thể được sử dụng để vận chuyển hạt từ nơi này sang nơi khác bên trong nhà máy để bảo quản hoặc xử lý, hoặc vận chuyển từ silo ra xe tải một cách nhanh chóng và dễ dàng [8]. 1 Có nhiều phương pháp mô phỏng vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén, bao gồm phương pháp phần tử rời rạc (DEM), phương pháp động lực học thuỷ khí tính toán (CFD) và phương pháp kết hợp DEM-CFD [9]. Phương pháp DEM mô phỏng chuyển động của từng hạt nguyên liệu riêng lẻ, mô tả chi tiết sự tương tác giữa các hạt. Phương pháp động lực học thuỷ khí tính toán (CFD).
Phương pháp này mô phỏng dòng khí nén như một dòng lưu chất liên tục, mô tả sự phân bố áp suất, tốc độ và hướng dòng trong hệ thống. Phương pháp kết hợp DEM-CFD: kết hợp DEM và CFD để mô phỏng chi tiết hơn quá trình vận chuyển khí nén, bao gồm cả chuyển động của hạt nguyên liệu và dòng khí nén [10]. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu mô phỏng phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại nguyên liệu, kích thước hạt, mật độ, tính chất vật liệu. Yếu tố thứ hai bao gồm các điều kiện vận hành như tốc độ khí nén, áp suất khí nén, kích thước ống dẫn.
Nghiên cứu mô phỏng có nhiều lợi ích như cung cấp thông tin chi tiết về quá trình vận chuyển khí nén, giúp thiết kế hệ thống hiệu quả với các mục tiêu đặt ra [11]. Lý do lựa chọn đề tài Các lý do chính để lựa chọn đề tài như sau: • Dù vận chuyển nguyên liệu bằng khí nén có vai trò rất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, tuy nhiên, việc nắm bắt các tương tác bên trong đường ống cũng như quá trình thiết kế và vận hành hệ thống một cách hiệu quả vẫn còn nhiều thách thức. • Hiệu quả của mô phỏng DEM-CFD: Mô phỏng DEM-CFD kết hợp phương pháp phần tử rời rạc (DEM) và động lực học thuỷ khí tính toán (CFD) là công cụ mạnh mẽ giúp mô phỏng chi tiết sự tương tác giữa các hạt nguyên liệu và dòng khí, cung cấp thông tin chính xác về hiệu quả vận chuyển, áp suất, v. Nhờ vậy, mô phỏng DEM-CFD giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống, giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả và an toàn cho hệ thống.
2 • Tính mới và tiềm năng ứng dụng: Kết hợp DEM và CFD để mô phỏng vận chuyển khí nén là lĩnh vực nghiên cứu mới và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để thiết kế và vận hành hiệu quả các hệ thống vận chuyển khí nén trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. • Khả năng thực hiện: Đã có nhiều nghiên cứu về mô phỏng DEM-CFD trong vận chuyển nguyên liệu, cung cấp cơ sở lý luận và dữ liệu cho nghiên cứu. Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng như Ansys Fluent, OpenFoam, Altair Acusolve đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi.
Với sự phát triển của công nghệ tính toán, việc thực hiện mô phỏng DEM-CFD ngày càng trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đầu tiên, đề tài góp phần vào sự phát triển của mô hình DEM-CFD. Nghiên cứu này sẽ góp phần hoàn thiện và phát triển mô hình DEM-CFD trong lĩnh vực vận chuyển khí nén, đặc biệt trong vận chuyển hạt nông sản. Các mô hình DEM-CFD hiện tại vẫn còn một số hạn chế như độ chính xác chưa cao, khả năng mô phỏng các hiện tượng phức tạp chưa tốt.
Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình DEM-CFD để áp dụng hiệu quả hơn cho các hệ thống vận chuyển hạt nông sản. Từ đó, đề tài góp phần nâng cao hiểu biết về quá trình vận chuyển khí nén hạt nông sản. Mô hình mô phỏng DEM-CFD giúp đưa ra thông tin chi tiết quá trình vận chuyển khí nén, bao gồm sự chuyển động của các hạt nguyên liệu, sự tương tác giữa các hạt và dòng khí nén, sự phân bố áp suất trong hệ thống, v. Nhờ vậy, nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao hiểu biết về các quy luật chi phối quá trình vận chuyển khí nén, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả vận chuyển.
Việc hiểu rõ hơn về quá trình vận chuyển khí nén sẽ giúp thiết kế các hệ thống vận chuyển hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện với môi trường hơn. 3 Từ đó, đề tài xây dựng mối quan hệ chi tiết giữa các đặc tính cơ lý của hạt nông sản và các thông số của hệ thống vận chuyển như độ giảm áp, lưu lượng, vận tốc dòng khí. Cuối cùng, đề tài cung cấp công cụ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống vận chuyển khí nén. Mô hình DEM-CFD được phát triển trong nghiên cứu này có thể được sử dụng như một công cụ thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả cho các hệ thống vận chuyển khí nén.
Bằng cách mô phỏng các thiết kế khác nhau của hệ thống, có thể lựa chọn thiết kế tối ưu nhất về hiệu quả vận chuyển, v. TỔNG QUAN Khi vật liệu hạt rắn được vận chuyển trong hệ thống đường ống, có thể quan sát thấy hai chế độ dòng chảy cơ bản, đó là: (i) dòng pha loãng (hoặc dòng lơ lửng) trong đó mật độ hạt là nhỏ và tốc độ vận chuyển đủ để giữ các hạt lơ lửng trong khi di chuyển dọc theo đường ống, (ii) dòng đậm đặc (hoặc dòng không lơ lửng) trong đó mật độ hạt là lớn và tốc độ dòng khí vận chuyển không đủ để giữ các hạt lơ lửng [12]. Có thể nhận thấy rằng, trong trường hợp các hạt vận chuyển có kích thước đáng kể so với đường kính đường ống, tính chất cơ lý tính của các hạt này có ảnh hưởng lớn đến chế độ dòng chảy [13]. Do việc vận chuyển bằng khí nén có liên quan đến dòng chảy hai pha khí-rắn, nên việc mô hình hóa/mô phỏng thường được dựa trên các phương pháp tiếp cận mô hình lai Eulerian-Eulerian hoặc Eulerian-Lagrangian [14].
Đối với tiếp cận Eulerian-Eulerian, mỗi pha được giả định hoạt động giống như một môi trường liên tục. Các hệ phương trình bảo toàn được sử dụng cho từng pha; do đó, cần có ba phương trình bổ sung chi phối sự truyền khối lượng, động lượng và năng lượng giữa các pha để mô hình hóa sự tương tác giữa các pha [15]. Trong mô hình Eulerian-Lagrangian, các hạt rắn được tách khỏi pha liên tục và quỹ đạo của nhiều hạt riêng lẻ được tính toán, do đó còn được gọi là phương pháp tiếp cận quỹ đạo hạt [16]. Do đó, trong mô hình Eulerian-Lagrangian, các phương trình chủ đạo là định luật thứ hai của Newton cộng với các phương trình của trường dòng lưu chất.
Nhận thấy rằng các công trình gần đây trong mô hình vận chuyển bằng khí nén tập trung vào hai loại chính. Một là dành riêng cho việc nghiên cứu đặc tính dòng chảy trong các bộ phận đường ống riêng lẻ như ống thẳng, ống khuỷu Chu và Yu [17], Liu và cộng sự [14], Greifzu và cộng sự [18], Zhao và cộng sự [19]. Thứ hai, các nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa dòng chảy trong một hệ thống máy hoàn chỉnh hoặc kết hợp của nhiều thành phần đường ống Yang và cộng sự [16], Foroushani và cộng sự [15], 5 Wang và cộng sự [20], Bourges và cộng sự [21], Lei và cộng sự [22], Lei và cộng sự [1]. Các công trình liên quan đến nhóm đầu tiên thường xem xét các chi tiết đặc trưng của dòng chảy như phân bố phần thể tích hạt trên các mặt cắt ngang đường ống khác nhau, chiều dài phát triển đầy đủ và ảnh hưởng của các điều kiện vận hành khác nhau đến các đặc tính dòng chảy đó.
Ở khía cạnh còn lại, các công trình ở nhóm thứ hai xem xét các khía cạnh tổng quát hơn như giảm áp suất dọc theo toàn bộ đường ống, yêu cầu về điện năng, công suất máy, v. và ảnh hưởng của các điều kiện vận hành khác nhau. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của các thông số cơ lý tính của hạt vận chuyển tới hiệu năng quá trình vận chuyển cũng rất được quan tâm. Chu và Yu [17] đã sử dụng các hạt có đường kính 2.8 mm để nghiên cứu khả năng vận chuyển khi đường ống có đoạn khuỷu.
Yang và cộng sự [16] nghiên cứu xem xét vận chuyển các hạt than đá với nhiều đường kính hạt từ 5,10,15,20mm. Bourges và cộng sự [21] nghiên cứu hệ thống máy gieo hạt đậu nành sử dụng vận chuyển khí nén, với vận tốc hạt mặt cắt đầu vào 5m/s. Tương tự như vậy, Bayati và Johnston [23] nghiên cứu vận chuyển hạt đậu xanh với đường kính 8-10mm và hạt lúa mì với đường kính 4.