Chương 1. Giới thiệu tổng quan đề tài Trong chương này trình bày chi tiết về tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phương pháp thực hiện và ý nghĩa của đề tài. Tính cấp thiết của đề tài Trong giai đoạn hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học – kỹ thuật, các ngành công nghiệp đang phát triển một cách nhanh chóng và đa dạng với sự ra đời của nhiều hệ thống máy móc, dây chuyền sản xuất phong phú ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Đi cùng với sự phát triển này, vấn đề ô nhiễm môi trường, lọc sạch bụi bẩn, không khí ô nhiễm tại nơi làm việc là một vấn đề cần được quan tâm.
Một trong những cách giải quyết vấn đề này là sử dụng quạt ly tâm. Quạt ly tâm là thiết bị cơ khí đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và các ứng dụng thương mại… nhằm vận chuyển không khí từ nơi này đến nơi khác đáp ứng các yêu cầu khác nhau trong công nghiệp và sinh hoạt thường ngày. Quạt ly tâm có nhiều ứng dụng như: Điều hòa, lọc sạch không khí và bụi bẩn cho môi trường trong các nhà xưởng, tòa cao ốc, trung tâm mua sắm, nhà hàng cao cấp, các khu công nghiệp, khu vực làm việc có môi trường thông thường và khắc nhiệt, nhà xưởng, điển hình như lắp đặt trong hệ thống hầm lò, tăng áp cầu thang cho tòa nhà cao tầng. Được sử dụng hút bụi trên các máy gia công như máy mài, máy cắt, máy bào, máy chế biến gỗ, thổi lò, di chuyển hạt vật liệu nhẹ gián tiếp.
Hay được sử dụng hút thổi lò hơi, di chuyển hạt vật liệu nhẹ. Hút bụi trong nhà bếp, sàn rạp chiếu bóng, sân vận động hay các phòng họp và các nhà cao tầng. Đồng thời có thể hút bụi công nghiệp, giầy da công nghiệp, khí thải môi trường, cấp gió tươi, công nghệ thực phẩm, lọc bụi, hút nhiệt ở những công trình phức tạp. Quạt ly tâm chống cháy có khả năng hút khói và được sử dụng rộng rãi để chống hỏa hoạn.
Quạt ly tâm còn được sử dụng thông gió cưỡng bức trong ngành công nghiệp như ngành thủy tinh, gốm sứ, lò luyện kim, nồi hơi, bình ắc quy. 17 Quạt ly tâm có 6 ưu điểm là: Hiệu suất chuyển hoá năng lượng tương đối lớn, độ bền cao, khả năng hạn chế chế độ làm việc quá tải, tính linh hoạt cao, có nhiều kích cỡ giúp sử dụng ở nhiều nơi khác nhau và dễ dàng bảo trì. Với việc khoa học – kỹ thuật đang phát triển nhanh chóng và toàn diện trên tất cả các lĩnh vực: giải trí, văn hóa, kinh tế, chính trị, quốc phòng, khoa học, đời sống … Yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao. Trong quá trình phát triển sản phẩm các kỹ sư ngày càng mong muốn phát triển các sản phẩm mới có hiệu quả hoạt động cao với thời gian phát triển ngắn, chi phí thấp.
Đồng thời có thiết kế nhẹ về khối lượng, an toàn, thoải mái, hiệu quả và bền vững… Đối với công tác thiết kế quạt ly tâm, đòi hỏi cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng về cấu tạo và hình dáng quạt nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động, tiết kiệm nhiên liệu… Có nhiều cách để đáp ứng yêu cầu trên, một trong số đó là mô phỏng số. Xây dựng mô hình mô phỏng số 3D cho quạt ly tâm dự đoán được các đặc điểm, các thông số hoạt động của quạt một cách tương đối chính xác mà không cần tiến thành thực nghiệm trên hệ thống thực tế (điều này có thể gây tiêu tốn nhiều kinh phí và nhiều thời gian cho công tác chuẩn bị, cũng như có những kết quả không thể tính toán chính xác trong quá trình thực nghiệm do sai số). Thông qua mô phỏng nhiều mô hình thử nghiệm và thiết kế khác nhau có thể được đánh giá một cách nhanh chóng, từ đó thiết kế tối ưu nhất được lựa chọn. Trong thời gian gần đây trong quá trình thiết kế, vấn đề tối ưu hình dạng giữ vai trò và ý nghĩa vô cùng quan trọng, nhằm mục đích xác định kích thước, hình dạng hợp lý của vật thể trên cơ sở đảm bảo đầy đủ đặc tính hoạt động, nâng cao hiệu suất.
Tối ưu hóa về hình dạng có thể được dùng cho giai đoạn thiết kế ban đầu hoặc là phương tiện tinh chỉnh thiết kế đã có, là bước đầu của giai đoạn phát triển nâng cao chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, trong tất cả các ngành công nghiệp, quá trình tối ưu hóa về các đặc tính động lực học lưu chất ngày càng trở nên quan trọng. Ở Việt Nam hiện nay, vấn đề mô phỏng số đã tương đối phát triển, và có nhiều kết quả được ghi nhận. Tuy nhiên, bài toán tối ưu hoá hình dạng vẫn chưa được đặt đúng vị trí và khai thác hết tiềm năng của nó.
Các nghiên cứu khoa học về vấn đề tối ưu hoá đặc tính động lực học lưu chất vẫn còn khá hạn chế. Trong điều kiện ngày nay, với sự phát triển hết sức mạnh mẽ của ngành khoa học máy tính với hệ thống máy tính mạnh, cường độ xử lý nhanh chóng, hiệu quả cùng 18 với sự việc phát triển vượt bậc của các công cụ tính toán mô phòng số việc nghiên cứu tối ưu hoá dựa trên nền tảng mô phỏng số đã bước lên một tầm cao mới với một sự chính xác, hiệu quả, nhanh chóng và tiết kiệm rất nhiều thời gian, chi phí. Mục đích nghiên cứu Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn, đáp ứng như cầu xã hội và tầm quan trọng nêu trên, đề tài “Xây dựng thuật toán tối ưu biên dạng hình học cho cánh của bánh công tác quạt ly tâm công suất 5.5 kW” được thực hiện. Tại Việt Nam, hiện nay, việc chế tạo hình dạng các thiết bị có nền tảng hoạt động dựa trên lý thuyết động lực học lưu chất vẫn dựa nhiều trên kinh nghiệm hoặc các mẫu thiết kế từ nước ngoài, mà chưa có một công cụ tính toán tối ưu hình dạng vật thể.
Việc này, dẫn đến khó khăn trong việc nâng cao hiệu quả, chất lượng sản phẩm. Vì vậy, đề tài này được xây dựng hướng đến việc xây dựng và lựa chọn một mô hình mô phỏng số 3D cho quạt ly tâm có khả năng mô phỏng được các thông số hoạt động quan trọng của quạt bằng cách so sánh kết quả giữa 2 mô hình lưới cụ thể, sau khi lựa chọn được mô hình lưới cho kết quả tốt hơn, tiếp tục so sánh mô phỏng với một vài mô hình rối thông dụng, từ đó đưa ra mô hình hợp lý cho việc mô phỏng quạt ly tâm. Tiếp theo, đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán tối ưu thiết kế hình học cho một biên dạng cánh với các điều biện biên và hàm tối ưu đơn giản nhằm tối thiểu quá lực cản… dựa trên lý thuyết tối ưu thông qua phần mềm tối ưu DAKOTA, từ đó làm cơ sở cho việc phát triển, hoàn thiện mô hình tối ưu thiết kế hình học áp dụng vào các vật thể có hình học và điều kiện hoạt động phức tạp, đòi hỏi hàm mục tiêu cần được xây dựng với nhiều thông số khác nhau như quạt ly tâm, các bộ phận trên tàu bay… hướng đến việc phân tích lựa chọn phù hợp thiết kế quạt ly tâm và các đối tượng khác trong tương lai. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu được sử dụng trong việc xây dựng mô hình mô phỏng số 3D là mẫu quạt ly tâm có công suất 5.5 kW của công ty TNHH Kỹ thuật công nghiệp Đồng Tâm hình 1.1) với bộ phận quan trọng là bánh công tác quạt (hình 1.
Các thông số thiết kế của quạt ly tâm được xây dựng lại một cách chính xác thông qua các phần mềm CAD chuyên dụng, làm mô hình hình học cho quá trình mô phỏng số.1: Quạt ly tâm công suất 5.5 kW của Công ty Đồng Tâm Hình 1.2: Hình dạng bánh công tác quạt ly tâm 5.5 kW Trong bài toán xây dựng thuật toán tối ưu biên dạng hình học cánh, mô hình biên dạng này được lựa chọn từ bài báo của Manuel J. Garcia và các cộng sự [1], nhằm có được sự so sánh nhất định về kết quả đạt được của mô hình sử dụng trong luận văn so với kết quả công bố trong bài báo. Phương pháp nghiên cứu Đề tài được thực hiện thông qua các phần mềm mô phỏng trên máy tính. Mô hình mô phỏng 3D được xây dựng thông qua phần mềm ANSYS CFX.
Trong khi đó, bài toán tối ưu hoá hình học được xây dựng dựa trên phần mềm tối ưu DAKOTA và phần mềm mô phỏng OpenFOAM, hai phần mềm được liên kết với nhau thông qua một tập tin điều khiển. Từ hình học 3D ban đầu tiến thành chia lưới. Việc chia lưới và đánh giá lưới rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến kết quả và thời gian thực hiện. Cùng một miền tính toán nếu kích thước mỗi ô lưới quá nhỏ thì số lượng phần tử lưới rất lớn dẫn tới thời gian chạy lâu hơn và tiêu tốn tài nguyên máy tính.
Ngược lại khi kích thước mỗi ô lưới 20 quá lớn lưới không mô tả chính xác được các ứng xử của dòng lưu chất. Kích thước lưới được xác định dựa vào mô hình rối được chọn. Bên cạnh đó việc xác định điều kiện biên chính xác và lựa chọn thuật giải cũng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả. Trong bài toán xây dựng mô hình tối ưu, kết quả mô phỏng hệ số lực cản của biên dạng hình học cánh sử dụng được lấy giá trị và đưa vào phần mềm DAKOTA để đánh giá và thay đổi biên dạng hình học.
Cuối cùng, biên dạng hình học mới thực hiện lại các bước theo thứ tự cho đến khi đạt giá trị tối ưu như mong muốn. Nghiên cứu và phân tích lý thuyết Xây dựng hình học 3D ban đầu Chia lưới mô hình Xác định điệu kiện biên Vòng lặp Xác định mô hình rối và solver Chạy mô phỏng (trích xuất kết quả) Tối ưu kết quả Kết thúc Xuất kết quả Hình 1.3: Sơ đồ cơ bản của quá trình mô phỏng số sử dụng trong luận văn 1. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận văn Hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học máy tính, các chương trình mô phỏng số và tối ưu hoá đang ngày càng phong phú và có độ chính xác rất cao, trên thế giới đã có rất nhiều bài báo, đề tài nghiên cứu ứng dụng các phần mềm mô phỏng số trong việc xây dựng mô hình 3D và tối ưu biên dạng hình học.