Đánh Giá Hiệu Suất Của Quạt Ly Tâm Bằng Mô Phỏng CFD

Trong công nghiệp chúng ta thường bắt gặp hai kiểu thiết bị là thiết bị tĩnh (thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị phân tách ly tâm cyclone, v.v) và thiết bị động (bơm, quạt, khuấy trộn, v.v). Có thể nói quạt, đặc biệt là quạt ly tâm (thường được gọi là quạt lồng sóc) là loại thiết bị động gần như phổ biến nhất trong công nghiệp. Do thiết kế đơn giản, quạt ly tâm dễ sản xuất hơn các loại quạt khác, điều này khiến cho việc sản xuất tiết kiệm thời gian và chi phí hơn. Bởi lẽ đó, quạt ly tâm trở thành một lựa chọn phổ biến với các ứng dụng như thông gió (HVAC), cấp khí lò đốt, vận chuyển khí động v.v.

Khi lựa chọn quạt cho các ứng dụng HVAC, đa số các kỹ sư chọn quạt ly tâm vì hiệu quả năng lượng tốt (đạt hiệu suất tĩnh lên đến 84%) và độ bền cao ngay cả trong môi trường ăn mòn, dễ bảo trì và phù hợp với dải lưu lượng và áp suất làm việc rộng.

Làm thế nào để dự đoán được hiệu suất của quạt ly tâm?

Một trong những ưu điểm của quạt ly tâm là đặc tính khí động học vượt trội. Đặc tính này là một yếu tố quan trọng phải được xem xét tới trong quá trình thiết kế để tối đa hóa hiệu suất của quạt. Vì vậy, để thực hiện công việc này có thể sử dụng các phương pháp hỗ trợ thiết kế khác nhau, trong đó mô phỏng CFD sẽ là một công cụ hỗ trợ thiết kế hiệu quả. 

Mô phỏng CFD có thể dự đoán chính xác hiệu suất của quạt trong giai đoạn thiết kế ban đầu, phân tích các mô hình CAD khác nhau, giảm số lượng nguyên mẫu cần thử nghiệm, đồng thời tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu suất tối đa. Kết quả mô phỏng có thể đưa ra các thông tin chính xác về lưu lượng, cột áp tĩnh, cột áp tổng, hiệu suất tĩnh, hiệu suất tổng, hiệu suất tổng tối đa, lực và mô men tác động lên quạt, v.v.

Để minh họa rõ ràng cho khả năng của CFD trong việc đánh giá hiệu suất quạt ly tâm, bài viết này sẽ trình bày một ví dụ phân tích cụ thể cho một quạt ly tâm công nghiệp dùng trong hệ thống lò đốt vật liệu sinh khối.

Minh họa vị trí của quạt hút trong hệ thống lò đốt sinh hơi [nguồn]

Mô tả bài toán đánh giá hiệu suất quạt

Mục đích của lò hơi là chuyển nước thành hơi bằng lượng nhiệt được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu như than, dầu, khí tự nhiên hoặc sinh khối. Hệ thống lò hơi sử dụng một số loại quạt để duy trì luồng không khí, tuần hoàn không khí và loại bỏ khí thải. Quạt được phân tích hiệu suất trong bài này là một quạt hút được đặt ở đầu ra của hệ thống lò hơi (thường là có vị trí ở giữa bộ lọc bụi và ống khói thải). Quạt này tạo ra lực hút (áp suất âm) để xả khí ra ngoài sau quá trình đốt cháy từ lò. Loại quạt phổ biến nhất có thể được sử dụng làm quạt hút là quạt ly tâm cánh hướng kính (radial blades) và quạt ly tâm cánh nghiêng ngược (backward-inclined blades). Hiệu suất của quạt ly tâm này sẽ được phân tích dự đoán ở trạng thái hoạt động ổn định của nó trong hệ thống (điều này có nghĩa là lưu lượng, tốc độ vòng quay là không đổi).

Mô tả hình học của quạt

• Vỏ quạt (volute) dạng xoắn ốc, kích thước lớn nhất ~ 1 m
• Đường kính guồng cánh (impeller) = 0.5 m
• Cánh nghiêng dạng thẳng, số lượng cánh (blade) = 12
• Đường kính cửa hút (inlet) = 0.32 m, kích thước cửa đẩy (outlet) = 0.45x0.35 m

Hình học nguyên bản của quạt (trái) và hình tách một nửa vỏ để thấy rõ guồng cánh (phải)

Điều kiện hoạt động

• Khí vận chuyển là không khí ở 30oC (khối lượng riêng = 1,1644 kg/m3)
• Lưu lượng hút yêu cầu = 3400 m3/h (~ 1 kg/s)
• Tốc độ guồng cánh = 1500 vòng/phút

Mô phỏng CFD cho quạt ly tâm

Dưới đây là các bước cơ bản để tiến hành mô phỏng cho bài toán này:

1. Đơn giản hóa hình học (geometry simplification): Hình học nguyên bản của quạt cần được đơn giản hóa về dạng miền thể tích chứa lưu thể (trong trường hợp này, lưu thể là không khí ở 30oC), phần thể tích này ta gọi là miền tính toán. Hình dưới đây mô tả việc đơn giản hóa toàn bộ phần vỏ của quạt thành một bề mặt, mặt này sẽ phải là mặt phía trong mà có tiếp xúc trực tiếp với lưu thể. Phần guồng cánh sẽ để nguyên mà không được đơn giản hóa bởi vì tất cả các bề mặt của nó đều tiếp xúc với lưu thể. Ngoài ra ta cần bổ sung các mặt khác để gán điều kiện biên cho bài toán như sau: Mặt có màu xanh là phần hút khí vào (inlet) và mặt màu đỏ là mặt đẩy khí ra (outlet).

Đơn giản hóa hình học của quạt

2. Chia lưới (mesh generation): Việc chia lưới hay còn được gọi là “rời rạc hóa miền tính toán” sẽ chia nhỏ miền tính toán thành các phần tử thể tích hữu hạn (finite volume). Kiểu lưới được sử dụng trong bài toán này là kiểu khối đa diện (polyhedron). Tổng số phần tử (cell, element) là 2 triệu; kích thước phần tử nhỏ nhất là 2 mm (chủ yếu ở phần guồng cánh), phần tử lớn nhất là 20 mm.

Chia lưới cho miền tính toán

3. Chọn, thiết lập mô hình CFD (model setup): Với giả sử là không xảy ra các hiện tượng truyền nhiệt (heat transfer) và chuyển khối (mass transfer) thì đây là bài toán CFD giải cho dòng chảy một pha (không khí) xảy ra trong quạt. Với bản chất dòng chảy rối của bài toán thì mô hình dòng chảy rối sẽ được sử dụng. Mô hình Realizable k-epsilon sẽ được chọn bởi độ chính xác khá cao và tiết kiệm thời gian tính toán. Để mô phỏng cho sự quay của guồng cánh thì mô hình MRF (Moving Reference Frame) sẽ được chọn. Để áp dụng mô hình MRF này thì ta cần phải tạo một vùng quay riêng biệt bao quanh guồng cánh; bản chất của mô hình này là thay vì thiết lập cho phần lưới của guồng cánh “chuyển động”* thì ta sẽ thiết lập cho hệ quy chiếu của nó quay tương đối với hệ quy chiếu tuyệt đối của vỏ quạt. Việc lựa chọn mô hình MRF là phù hợp với việc mô phỏng quạt hoạt động ở trạng thái ổn định như đã đề cập.

4. Thiết lập điều kiện biên (boundary conditions setup): Giả sử các tính toán hiện tại là cho dòng không nén được (incompressible flow), để đảm bảo lưu lượng yêu cầu qua quạt thì mặt hút khí vào sẽ được gán điều kiện biên là lưu lượng vào (mass flow inlet) với một giá trị cố định = 1 kg/s, và áp suất dư (gauge pressure) = 0. Mặt đẩy khí ra thì sẽ được đặt điều kiện là áp suất dư = 82 Pa (là giá trị của tổn thất áp suất của đường ống dẫn khí ra). Tốc độ của vùng quay và bề mặt của guồng cánh sẽ được thiết lập ở giá trị 1500 vòng/phút với phương pháp MRF. 

5. Chọn thuật giải và chạy mô phỏng (solver setup and run calculation): (1) Chọn phương pháp giải (trình tự thuật giải kiểu Coupled, độ chính xác bậc 2).(2) Khởi tạo giá trị ban đầu (giá trị biến ban đầu x=x_0 ). (3) Chọn số bước lặp (iteration) và bắt đầu giải.(4) Dừng giải tại bước lặp có giá trị sai số chấp nhận được (thường được gọi là đã hội tụ). Giá trị này được quyết định chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và tùy vào kiểu bài toán, mô hình, v.v.  

6. Trích xuất kết quả: Một số kết quả quan trọng khi phân tích hiệu suất hoạt động của quạt ly tâm như cột áp (head pressure), phân bố vận tốc trong guồng cánh (velocity distribution in impeller), và hiệu suất khí động (aerodynamic efficiency) sẽ được trình bày trong phần này.

• Áp suất hút (head pressure)

Với quạt ly tâm hoạt động ở trạng thái hút khí thì ta dự đoán sẽ thu được kết quả là áp suất tổng (total pressure) (áp tĩnh + áp động) tại cửa hút nhỏ hơn áp suất tổng tại cửa đẩy. Hình dưới đây minh họa phân bố áp suất tổng trên vỏ quạt, tại cửa hút và cửa đẩy. Cột áp hút (pt) sẽ được tính dựa trên độ chênh áp trung bình giữa cửa đẩy (pt2) và cửa hút (pt1):

p_t = p_{t2} - p_{t1} = 82 - (-770)  = 852 [Pa] 

Phân bố áp suất tổng của quạt

• Phân bố vận tốc trong guồng cánh (velocity distribution in impeller)

Thông tin từ phân bố vận tốc này giúp hỗ trợ đánh giá sơ bộ chất lượng thiết kế về mặt hiệu quả khí động của phần cánh trong guồng cánh. Ta có thể dựa vào hiện tượng “sự phân tách dòng” (flow separation) tại vùng phía sau của mỗi cánh (mô tả ở hình bên dưới) để đánh giá đặc tính khí động của quạt. Với bài toán thiết kế và tối ưu quạt thì sự phân tách dòng này càng nhỏ thì hiệu suất của quạt càng cao.

Phân bố vận tốc trong guồng cánh

• Hiệu suất khí động (aerodynamic efficiency)

Hiệu suất khí động của quạt là hiệu suất không kể tới các tổn thất khác của quạt như là ma sát tại ổ trục, động cơ, bộ truyền động, v.v. Hiệu suất khí động có giá trị là tỷ số giữa công suất khí động (aerodynamic power) và công suất của mô men cản tại guồng cánh (torque power, impeller power). 

+ Công suất khí động (Pu) được tính dựa vào độ chênh áp (pt) (trong bài toán này là áp suất hút) và lưu lượng dòng khí qua quạt (Qv):

P_u = p_t Q_v = 852 [Pa]\times 1/1.1644 [m^3/s] = 732[W]  

+ Công suất của mô men cản (Pr) là tích của mô men cản tại guồng cánh (impeller torque) (được lấy trực tiếp từ kết quả CFD) và vận tốc góc:

P_r = M_c \omega = 10.32 [Nm]\times 1500\times 2\pi/60 [rad/s] =1621[W]

Do đó hiệu suất khí động của quạt (η) sẽ là:

\eta^{fan} = P_u/P_r=732/1261=45\%

Như vậy với thiết kế như hiện tại của quạt ly tâm này thì khi quạt hoạt động ở điều kiện luân chuyển 3400 m3/h  không khí (ở 30oC) tại tốc độ quay 1500 vòng/phút thì hiệu suất khí động của nó chỉ đạt 45%.

Kết luận

Bằng việc sử dụng mô phỏng CFD, hiệu suất của một quạt ly tâm đã được phân tích sơ bộ thông qua các đặc tính hoạt động của nó. Các kết quả mô phỏng thu được là hữu ích cho việc đánh giá, và qua đó giúp tối ưu hóa thiết kế của quạt (cánh, guồng cánh, vỏ quạt, v.v) để đạt được đặc tính hoạt động phù hợp (áp suất hút, đẩy, lưu lượng, hiệu quả năng lượng v.v) với yêu cầu của hệ thống công nghệ. Trên đây chỉ là bài toán phân tích cho một trường hợp vận hành cụ thể của quạt, để có thể đánh giá hiệu suất hoạt động của quạt với dải làm việc rộng thì ta cần phải có được thông tin về đặc tính làm việc của nó ở các điều kiện khác nhau, đặc tính này thể hiện qua “đường đặc tính làm việc của quạt” (fan performance curve). Phương pháp triển khai để xây dựng đường đặc tính làm việc của quạt sử dụng mô phỏng CFD sẽ được trình bày trong bài viết sau này.

*Phương pháp lưới chuyển động hay còn được gọi là “Sliding mesh” cũng được sử dụng để mô phỏng cho kiểu bài toán có vùng quay như thế này, tuy nhiên phương pháp này tốn nhiều thời gian tính toán hơn để đạt giá trị hội tụ. Với những kiểu bài toán cần phân tích bản chất dòng thay đổi theo thời gian (transient) thì nên sử dụng phương pháp “Sliding mesh”.