Kiểm soát tổn thất quạt hướng trục bằng phương pháp mô phỏng số

Hiệu suất và sự ổn định vận hành của quạt hướng trục bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi dòng tổn thất tại khe hở đỉnh cánh, một hiện tượng không khí đi tắt qua khe hở giữa cánh quạt và vỏ. Dòng tổn thất này không chỉ gây ra tổn thất năng lượng đáng kể mà còn tạo ra tiếng ồn và rung động không mong muốn, làm giảm hiệu suất tổng thể và tuổi thọ của thiết bị công nghiệp. Các phương pháp thực nghiệm truyền thống để nghiên cứu cấu trúc dòng chảy phức tạp này thường gặp nhiều thách thức. Nghiên cứu này sử dụng các mô phỏng Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) tiên tiến để điều tra chi tiết động lực học của dòng tổn thất tại khe hở và khám phá các chiến lược kiểm soát chủ động, nhằm cải thiện đặc tính khí động học và hiệu quả vận hành của quạt hướng trục.

Các kỹ sư, nhà nghiên cứu, chuyên gia trong lĩnh vực động lực học chất lỏng, thiết kế turbomachinery, kỹ thuật cơ khí và sản xuất quạt công nghiệp đang tìm kiếm các giải pháp tiên tiến để cải thiện hiệu suất quạt, giảm tổn thất năng lượng và tiếng ồn.

Nghiên cứu này trình bày một phân tích Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) chi tiết nhằm hiểu và kiểm soát chủ động dòng tổn thất tại khe hở đỉnh cánh quạt hướng trục, một yếu tố chính gây ra tổn thất năng lượng, tiếng ồn và giảm hiệu suất. Công trình tập trung vào thiết kế quạt cụ thể với cánh rỗng, được chế tạo bằng phương pháp đúc ly tâm, cho phép tuần hoàn khí nén bên trong. Các mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Star CCM+ với mô hình nhiễu loạn k-w SST trên bệ thử nghiệm quạt tiêu chuẩn ISO5801. Phương pháp được đề xuất là bơm khí nén thông qua 16 lỗ phun bố trí quanh chu vi quạt để tạo ra rào cản áp suất, từ đó giảm dòng chảy ngược trong khe hở đỉnh cánh. Kết quả cho thấy cơ chế kiểm soát chủ động này giảm đáng kể dòng tổn thất, với mức giảm 80% ở tốc độ quay 1000 vòng/phút và 60% ở 2000 vòng/phút, trên nhiều điều kiện vận hành và đường kính cửa hút khác nhau. Vị trí lắp đặt quạt tối ưu (Zfan=0) cũng được xác định. Mặc dù các mô phỏng CFD mang lại cái nhìn sâu sắc có giá trị về cấu trúc dòng chảy phức tạp và hiệu quả của hệ thống kiểm soát chủ động, nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết của việc xác nhận thực nghiệm sâu hơn để khẳng định các phát hiện và đánh giá tác động trong thực tế. Phương pháp này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất khí động học, ổn định và hiệu quả năng lượng của các loại turbomachinery hướng trục.