i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa
học và công trình nào khác.
Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ
ràng./.
Tác giả
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trần Văn Khiêm
ii
LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp
Long An, được sự hỗ trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện từ nhiều cơ quan, tổ chức và cá
nhân. Luận văn của tôi cũng được hoàn thành dựa trên sự tham khảo, học tập kinh
nghiệm từ các kết quả nghiên cứu liên quan, các tạp chí chuyên ngành của nhiều tác giả
ở các trường Đại học, các tổ chức nghiên cứu, tổ chức chính trị…Đặc biệt tôi xin chân
thành cảm ơn Ban Giám hiệu, các phòng, khoa thuộc Trường Đại học Kinh tế Công
nghiệp Long An và các Giáo sư, P. Giáo sư, Tiến sĩ đã nhiệt tình giảng dạy và tạo điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm Luận văn. Đặc biệt, tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn và lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trương Tích Thiện, người thầy
đã trực tiếp hướng dẫn khoa học đã luôn dành thời gian, công sức để cập nhật thêm
kiến thức, cung cấp tài liệu và phương pháp luận trong suốt quá trình thực hiện đề tài
để tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Ban lãnh đạo nhà trường; các Anh chị
Cán bộ quản lý, giáo viên, nhân viên, cùng bạn bè, đồng nghiệp đã luôn ở bên cạnh tôi
ủng hộ, giúp đỡ tôi có thời gian nghiên cứu đề tài và hết lòng hỗ trợ tôi về mặt tinh
thần, tạo điều kiện tốt nhất để tôi nghiên cứu và hoàn thành Luận văn.
Do điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, trong quá trình thực hiện luận
văn, mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài qua tham khảo tài liệu, trao đổi và tiếp thu ý
kiến đóng góp nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy tôi kính
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong hội đồng khoa học,
những người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè để luận văn của tôi
được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn./.
Tác giả (Ký và ghi rõ họ tên)
Trần Văn Khiêm
iii
TÓM TẮT
Việt Nam có rất nhiều thuận lợi để khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) khi có lượng ánh sáng mặt trời trung bình hàng năm dao động từ 4,3 đến 5,7 triệu kWh/m2.
Do đó,chúng ta cần có nhiều nghiên cứu về công nghệ để khai thác được tiềm năng to
lớn này. Tháp NLMT là công nghệ được sử dụng phổ biến trên Thế giới để khai thác
NLMT. Tháp hoạt động dựa trên sự kết hợp từ hiệu ứng của 03 công nghệ: tháp đối
lưu, nhà kính và turbine gió. Tháp NLMT có rất nhiều ưu điểm nhưng với kết cấu thân
tháp quá lớn, tiếp xúc với cả lưu chất bên trong và bên ngoài tháp, đòi hỏi quá trình
phân tích kết cấu phải chính xác. Với các bài toán đa môi trường phức tạp như bài toán
tương tác lưu chất - kết cấu, giải pháp chủ yếu là sử dụng các chương trình tính toán số
gần đúng hoặc phải thực nghiệm. Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu
phương pháp số phân tích bài toán lưu chất và bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết
cấu và sử dụng các phương pháp này để phân tích cho hai mô hình tháp NLMT với 4
bài toán được thực hiện thông qua chương trình ANSYS. Các kết quả sơ bộ của luận
văn khá phù hợp với thực tế và có sai số bé khi so sánh với kết quả của các nghiên cứu
trước.
iv
ABSTRACT
VietNam has many advantages to exploit solar energywhen the average annual amount of sunlight ranges from 4.3 to 5.7 million kWh/m2. Therefore, we need a lot of
research to exploit this great potential. Solar energy tower is a technology commonly
used in the world to exploit solar energy. The tower works based on a combination of
the effects of three technologies: convection towers, greenhouses and wind turbines.
Solar energy towers have many advantages but with the too large tower structure,
contacting to both internal and external fluid, requiring strict structural analysis. With
complex multi-environment problems such as fluid-structure interaction problem, the
solution is mainly to use numerical method. In thethesis, the author focuses on studying
numerical methods to analyze fluid problem and fluid-structure coupling field problem
and uses these methods to analyze for two solar power tower models with 4 problemsis
analyzedbased on the ANSYS program. The preliminary results of the thesis are quite
consistent with reality and have small errors compared to the results of previous
studies.
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................................ ii
TÓM TẮT .................................................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................................................. iv
MỤC LỤC ................................................................................................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT................................................................................ viii
DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH ........................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................................. ix
DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ ............................................................................................... x
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI......................................................................................... 1
1.1. Tính cần thiết của đề tài ............................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 2
1.2.1. Mục tiêu chung ................................................................................................... 2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể .................................................................................................. 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 4
1.5. Câu hỏi nghiên cứu ................................................................................................... 5
1.6. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 5
1.7. Tổng quan các công trình nghiên cứu trước ............................................................ 5
1.7.1. Các nghiên cứu trong nước: .............................................................................. 5
1.7.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài ............................................................................ 6
CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................................... 8
2.1. Công nghệ tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời ............................................ 8
2.1.1. Nguyên lí hoạt động ........................................................................................... 9
2.1.2. Những ưu và khuyết điểm từ hệ thống tháp đối lưu nhờ năng lượng mặt trời ...................................................................................................................................... 10
2.2. Lý thuyết tổng quan bài toán trường cặp đôi lưu chất – kết cấu .......................... 11
vi
2.2.1. Các thông số cơ bản của lưu chất .................................................................... 11
2.2.2. Phương pháp thể tích kiểm soát – Đạo hàm toàn phần của một tích phân khối ...................................................................................................................................... 15
2.2.3. Phương trình liên tục ........................................................................................ 17
2.2.4. Phương trình chuyển động của lưu chất lý tưởng (Phương trình Euler) ....... 18
2.2.5. Phương trình chuyển động của lưu chất thực (Phương trình Navier – Stockes) ....................................................................................................................... 20
2.2.6. Phương trình động lượng ................................................................................. 23
2.3. Lý thuyết phương pháp số ...................................................................................... 25
2.3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn [5] ................................................................... 25
2.3.2. Phương pháp thể tích hữu hạn ......................................................................... 26
2.3.3. Kết luận ............................................................................................................. 33
CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG DÒNG LƯU CHẤT TRONG MÔ HÌNH THÁP SOLAR CHIMNEY .................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... 34
3.1. Mô hình tháp Manzanares ...................................................................................... 34
3.1.1. Mô hình bài toán ............................................................................................... 34
3.1.2 Mô hình thể tích hữu hạn trong ANSYS.......................................................... 35
3.1.3. Điều kiện biên ................................................................................................... 37
3.1.4. Kết quả phân tích .............................................................................................. 38
3.1.5. Kết luận ............................................................................................................. 41
3.2. Mô hình tháp Enviro Mission................................................................................. 41
3.2.1. Mô hình bài toán ............................................................................................... 41
3.2.2. Mô hình thể tích hữu hạn của khối lưu chất trong ANSYS .......................... 43
3.2.3. Điều kiện biên ................................................................................................... 44
3.2.4. Kết quả phân tích .............................................................................................. 45
3.3. Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên trong đến kết cấu thân tháp ........... 47
3.3.1. Phương pháp phân tích ..................................................................................... 47
3.3.2. Mô hình bài toán ............................................................................................... 47
3.3.3. Điều kiện biên và lực tác động từ lưu chất bên trong .................................... 48
vii
3.3.4. Kết quả phân tích .............................................................................................. 49
3.4. Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên ngoài đến kết cấu thân tháp ........... 50
3.4.1. Mô hình bài toán trong ANSYS ...................................................................... 50
3.4.2. Điều kiện biên mô hình bài toán: .................................................................... 50
3.4.3. Kết quả mô phỏng dòng lưu chất bên ngoài: .................................................. 52
CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 53
4.1. Kết luận .................................................................................................................... 53
4.1.1. Những ưu điểm chính của luận văn................................................................. 53
4.1.2. Những thiếu sót chính của luận văn ................................................................ 54
4.2. Hướng phát triển ..................................................................................................... 54
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 55
viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT
STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ
Việt Nam VN 1
Năng lượng mặt trời NLMT 2
EVN HANOI Tổng công ty Điện lực Hà Nội 3
Phương pháp phần tử hữu hạn PP PTHH 4
Phương pháp thể tích hữu hạn PP TTHH 5
DANH MỤC VIẾT TẮT TIẾNG ANH
STT TỪ VIẾT TẮT VIẾT ĐẦY ĐỦ
Computational Fluid Dynamics CFD 1
Analysis System ANSYS 2
Finite element method FEM 3
Finite volume method FVM 4
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG BIỂU TÊN BẢNG BIỂU TRANG
Những thông số kỹ thuật chính của mô hình Bảng 1.1 3 tháp tại Manzanares
Những thông số kỹ thuật chính của mô hình Bảng 3.1 31 tháp tại Manzanares
Những thông số kỹ thuật chính của mô hình 39 Bảng 3.2 tháp năng lượng 1000m
x
DANH MỤC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1. (a) - Tháp Solar Tower 194.60m (Manazares – Tây Ban Nha) .......................... 4
Hình 2.1. Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại Manzanares - Tây Ban Nha) [4] ................................................................................................................... 8
Hình 2.2. Sơ đồ hoạt động tháp năng lượng mặt trời [6] .................................................... 9
Hình 2.3. Bộ phận hấp thu năng lượng mặt trời thành hệ thống nhà kính ....................... 10
Hình 2.4. Sự phân bố vận tốc tại lớp biên sát thành cứng ................................................. 14
Hình 2.5. Thể tích kiểm soát ............................................................................................... 15
Hình 2.6. Phân tố lưu chất ................................................................................................... 19
Hình 2.7. Phân tố lưu chất thực........................................................................................... 22
Hình 2.8. Đoạn dòng chảy giới hạn .................................................................................... 24
Hình 2.9. Cách thức chia lưới có cấu trúc (trong bài toán 2 chiều): (a) không gian vật lý thực tế (b) không gian tính toán; η, ξ thể hiện tọa độ cong. .............................................. 28
Hình 2.10. Hình dạng các ô lưới của phương pháp chia lưới có cấu trúc ........................ 28
Hình 2.11. Hình dạng lưới có cấu trúc, đa khối đối với miền khảo sát có hình dạng phức tạp; Các đường in đậm là đường biên của các khối.................................................. 29
Hình 2.12. Lưới không có cấu trúc và hỗn hợp ................................................................. 30
Hình 2.13. Các hình dạng ô lưới sử dụng trong phương pháp chia lưới không có cấu trúc ........................................................................................................................................ 31
Hình 2.14. Phương pháp thể tích hữu hạn .......................................................................... 32
Hình 3.1. Tháp Solar Tower 194.60m (Manazares – Tây Ban Nha) ................................ 35
Hình 3.2. Mô hình tháp trong ANSYS: (a)-Mô hình đầy đủ của tháp; (b)-Mô hình 1/64 tháp........................................................................................................................................ 36
Hình 3.3.Mô hình lưới trong ANSYS: (a)-Mô hình lưới phần tháp; (b)-Mô hình lưới phần đế; (c) mô hình lưới inflation cho lớp biên ............................................................... 36
Hình 3.4. Điều kiện biên bài toán trong môi trường CFX ................................................ 37
Hình 3.5. Trường vận tốc khối lưu chất trong mô hình ½ tháp ........................................ 38
xi
Hình 3.6. Biểu đồ vận tốc thay đổi theo chiều cao tháp (tính theo đường dòng sát lớp biên) ...................................................................................................................................... 39
Hình 3.7. Kết quả phân bố nhiệt độ (kết quả 1/4 mô hình) ............................................... 40
Hình 3.8. Biểu đồ nhiệt theo độ cao ................................................................................... 40
Hình 3.9. Giá thành xây dựng trên 1KW năng lượng theo chiều cao (theo Solar Tower Conference – Germany 2010) ............................................................................................. 41
Hình 3.10. Tháp Enviro Mission cao 1000m ..................................................................... 42
Hình 3.11. Mô hình tháp 1000m xây dựng trong môi trường Ansys ............................... 43
Hình 3.12. Mô hình lưới thể tích hữu hạn khối lưu chất bên trong tháp .......................... 44
Hình 3.13. Điều kiện biên bài toán trong môi trường CFX .............................................. 45
Hình 3.14. Trường vận tốc khối lưu chất trong mô hình ½ tháp ...................................... 46
Hình 3.15. Biểu đồ vận tốc thay đổi theo chiều cao tháp (tính theo đường dòng sát lớp biên) ...................................................................................................................................... 46
Hình 3.16. Mô hình thân tháp trong ANSYS ..................................................................... 47
Hình 3.17. Điều kiện biên và áp lực của dòng khí bên trong sau khi được chuyển vào bài toán tĩnh học ................................................................................................................... 48
Hình 3.18. Kết quả ứng suất và biến dạng của thân tháp chịu tác dụng áp suất của dòng khí bên trong. ....................................................................................................................... 49
Hình 3.19. Mô hình tháp và khối không khí xung quanh tháp ......................................... 50
Hình 3.20. Điều kiện biên và tải trọng bản thân tháp ........................................................ 51
Hình 3.21. Trường áp suất của dòng khí bên ngoài tác dụng lên thân tháp ..................... 51
Hình 3.22. Kết quả trường ứng suất – biến dạng trong thân tháp ..................................... 52
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tính cần thiết của đề tài
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận và thân thiện với môi trường.
Theo Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam (VN) đến năm 2030, tỷ lệ
thâm nhập của điện mặt trời được dự kiến đạt 0,5%, 6% và 20% vào các năm 2020,
2030 và 2050. Để đạt được mục tiêu chiến lược đề ra, nhiều chuyên gia đã kiến nghị
Chính phủ và các Bộ, ngành cần xây dựng chính sách hỗ trợ vay vốn cho các doanh
nghiệp, hộ dân đầu tư sản xuất và sử dụng các phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng
tái tạo, năng lượng mặt trời; đặc biệt khuyến khích tăng tỷ lệ “nội địa hóa” trong sản
xuất để có giá thành rẻ hơn nữa. Cùng với đó là sớm ban hành bộ tiêu chuẩn cho các
thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời, công bố quy hoạch phát triển điện năng lượng
mặt trời và công bố giá mua - bán điện năng lượng mặt trời hợp lý [1] … Do đó, chủ đề
nghiên cứu về năng lượng mặt trời thu hút sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu. Tạ
Văn Đa, Hoàng Xuân Cơ, Đinh Mạnh Cường [2] cùng các đồng sự đã thực hiện nghiên
cứu về khả năng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ các hoạt động đời sống ở miền
Trung Việt Nam. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đi đến kết luận là tiềm năng
ứng dụng năng lượng mặt trời tại khu vực miền Trung là rất lớn. Tuy nhiên, rào cản lớn
nhất của việc khai thác NLMT là giá thành đầu tư và cơ chế chính sách của nhà nước…
Trên Thế giới đã phát triển nhiều công nghệ hiện đại để tận dụng nguồn năng
lượng sạch từ mặt trời. Tuy nghiên, cần có nhiều nghiên cứu về các công nghệ này để
lựa chọn những công nghệ nào phù hợp với vị trí địa lý và khí hậu Việt Nam. Theo các
chuyên gia, Việt Nam có nhiều thuận lợi vì là một trong những quốc gia có lượng ánh
sáng mặt trời cao trong bản đồ bức xạ mặt trời Thế giới với trung bình dao động từ 4,3 đến 5,7 triệu kWh/m2. Theo Tổng công ty Điện lực Hà Nội (EVN HANOI) [1], ở các
tỉnh Nam Trung Bộ, Tây Nguyên có số giờ nắng khá cao, từ 2.000 đến 2.600 giờ/năm.
Lợi thế là vậy, nhưng việc khai thác nguồn NLMT ở Việt Nam cho đến thời điểm này
là chưa tương xứng với tiềm năng. Nguyên nhân chủ yếu là do giá thành của công nghệ
khai thác quá cao dẫn tới giá thành điện năng cao. Do đó, cần có những nghiên cứu về
2
các công nghệ khai thác NLMT để giảm giá thành và phù hợp với điều kiện tự nhiên
của Việt Nam. Với các bài toán đa môi trường phức tạp như bài toán tương tác lưu chất
– kết cấu, việc áp dụng phương pháp giải tích gần như là không thể, giải pháp chủ yếu
là thực nghiệm hoặc sử dụng các chương trình tính toán số gần đúng. Tuy nhiên, để
thực nghiệm ta phải tốn chi phí cao và khá nhiều thời gian. Do đó, giải pháp ứng dụng
các chương trình tính toán số hiện đại phân tích các bài toán trường cặp đôi như bài
toán của luận văn có tính thực tiễn cao. Trên cơ sở này, tác giả lựa chọn đề tài nghiên
cứu về tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời. Do là luận văn thạc sĩ, nên tác giả chỉ
thực hiện nghiên cứu giải bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu trong quá trình tháp
vận hành dựa trên chương trình tính toán số hiện đại ANSYS.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu chung
Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên trong kết cấu tháp dưới tác động của
nhiệt, qua đó phân tích trường vận tốc lưu chất để đánh giá vị trí tối ưu để bố trí các
tuabin.
Trong kết cấu tháp NLMT, phần thân tháp thường có chiều cao lớn, do đó ảnh
hưởng của dòng lưu chất bên ngoài đến khả năng làm việc ổn định của tháp cũng cần
phân tích và đánh giá.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
Mục tiêu (1). Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của tháp NLMT.
Mục tiêu (2). Tìm hiểu lý thuyết tính toán các bài toán trường cặp đôi lưu chất -
kết cấu, nhiệt - lưu chất.
- Mục tiêu (2.1). Phân tích dòng chảy lưu chất trong tháp dưới tác động của
nhiệt tĩnh.
- Mục tiêu (2.2). Phân tích dòng chảy lưu chất trong tháp dưới tác động của
nhiệt theo thời gian.
3
Mục tiêu (2.3). Phân tích hiệu quả dòng chảy, từ đó đề xuất vị trí tối ưu bố trí
các tuabin.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Dòng lưu chất bên trong kết cấu tháp NLMT và sự tương tác giữa dòng lưu chất
bên ngoài với kết cấu tháp NLMT.Công nghệ này chưa phổ biến ở trong nước nên học
viên cùng Thầy hướng dẫn không tìm được mô hình tính toán thực tế. Do đó, học viên
và Thầy hướng dẫn chọn mô hình tính toán là mô hình tháp Manzanares (hình 1.1b).
Đây là mô hình học viên tìm được từ các tài liệu tham khảo và có tương đối đầy đủ các
số liệu cần thiết cho quá trình tính toán mô phỏng.
Bảng 1.1. Những thông số kỹ thuật chính của mô hình tháp tại Manzanares
194.6 m Chiều cao tháp
Bán kính tháp 5.08 m
Bán kính trung bình của mái nhận nhiệt 122.0 m
Chiều cao trung bình của mái 1.85 m
Số cánh turbine 4
Biên dạng cánh turbine FX W- 151- A
Tỉ lệ vận tốc cánh turbine nhận được 1:10
20
K
T Δ =
Khả năng gia nhiệt
50kW Năng lượng thu được
9 m Vị trí đặt turbine
(a)
(b)
4
Hình 1.1. (a) - Tháp Solar Tower 195m (Manazares – Tây Ban Nha)
(b) - Tháp Enviro Mission cao 1000m
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Tháp năng lượng mặt trời là hệ thống tạo năng lượng điện được kết hợp từ hiệu
ứng của ba công nghệ: tháp đối lưu, nhà kính và turbine gió. Nguyên lý hoạt động của
tháp rất phức tạp, vừa có lưu chất chuyển động trong thân tháp, vừa có lưu chất tác
động bên ngoài tháp. Trong quá trình tính toán thiết kế, thường chúng ta chỉ quan tâm
đến đối tượng là kết cấu thân tháp, sự tương tác giữa kết cấu tháp với các khối lưu chất
được quy đổi thành tải tác động hoặc điều kiện biên. Tuy nhiên, việc quy đổi này làm
giảm độ chính xác của kết quả tính toán. Với phương pháp phân tích trường cặp đôi kết
hợp với chương trình tính toán phần tử hữu hạn mạnh mẽ ANSYS, chúng ta có thể
phân tích sự tương tác giữa lưu chất và kết cấu tháp một cách trực tiếp. Luận văn tập
trung mô phỏng bài toán đối lưu nhiệt của luồng lưu chất trong tháp năng lượng mặt
trời.
5
Trong phạm vi luận văn này, người thực hiện chỉ xét đến lưu chất không nén
được, tức là khối lượng riêng phụ thuộc rất ít vào áp suất và nhiệt độ, ngoài ra, vận tốc
khối lưu chất được xét là nhỏ (số Mach < 0,3).
1.5. Câu hỏi nghiên cứu
- Chương trình ANSYS CFX có phù hợp với bài toán tương tác lưu chất –
nhiệt.
- Cơ sở đánh giá tính chính xác của kết quả mô phỏng.
- Cơ sở để phân tích hiệu quả dòng lưu chất di chuyển trong tháp năng lượng
mặt trời.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng bài toán trường cặp đội lưu chất - kết
cấu đã được công bố bởi các nhà khoa học để so sánh kết quả. Từ đó rút ra phương
pháp đúng để giải bài toán thực tế của luận văn. Các phương pháp tính toán được sử
dụng trong luận văn: Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH - FEM) và phương
pháp thể tích hữu hạn (PP TTHH - FVM)
1.7. Tổng quan các công trình nghiên cứu trước
1.7.1. Các nghiên cứu trong nước:
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận và thân thiện với môi trường.
Theo Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tỷ lệ thâm
nhập của điện mặt trời được dự kiến đạt 0,5%, 6% và 20% vào các năm 2020, 2030 và
2050. Để đạt được mục tiêu chiến lược đề ra, nhiều chuyên gia đã kiến nghị Chính phủ
và các Bộ, ngành cần xây dựng chính sách hỗ trợ vay vốn cho các doanh nghiệp, hộ
dân đầu tư sản xuất và sử dụng các phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng tái tạo,
năng lượng mặt trời; đặc biệt khuyến khích tăng tỷ lệ “nội địa hóa” trong sản xuất để
có giá thành rẻ hơn nữa. Cùng với đó là sớm ban hành bộ tiêu chuẩn cho các thiết bị sử
dụng năng lượng mặt trời, công bố quy hoạch phát triển điện năng lượng mặt trời và
công bố giá mua - bán điện năng lượng mặt trời hợp lý [3] … Do đó, chủ đề nghiên
6
cứu về năng lượng mặt trời thu hút sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu. Tạ Văn Đa,
Hoàng Xuân Cơ, Đinh Mạnh Cường [4] cùng các đồng sự đã thực hiện nghiên cứu về
khả năng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ các hoạt động đời sống ở miền Trung
Việt Nam. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đi đến kết luận là tiềm năng ứng
dụng năng lượng mặt trời tại khu vực miền Trung là rất lớn. Tuy nhiên, rào cản lớn
nhất của việc khai thác NLMT là giá thành đầu tư và cơ chế chính sách của nhà nước…
1.7.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài
Trong những loại năng lượng mới thì năng lượng mặt trời có trữ năng vô cùng
to lớn mà con người cần nghiên cứu khai thác, trên Thế giới hiện nay đã có nhiều phát
minh để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện như tấm pin mặt trời,
tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời.
Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời được mô tả vào năm 1931 bởi
Gunther, sau đó vào những năm 1983, 1984 Haaf đưa ra những kết quả kiểm tra và
nguyên lý mô hình tháp ở Manzanares, Tây Ban Nha. Đến năm 1990, Schlaich tổng
hợp những kết quả đạt được từ thí nghiệm ở Manzanares và sau đó 5 năm ông đưa ra
cái nhìn khái quát về công nghệ này. Năm 1997, Kreetz thêm vào hệ thống những túi
chứa đầy nước nằm dưới máy thu nhiệt nhằm mục đích dự trữ nhiệt lượng. Gannon và
Backstrom vào năm 2000 đã giới thiệu phân tích quá trình nhiệt động lực học của tháp
mặt trời, bên cạnh đó các ông này còn phân tích về những tính chất của turbine sử dụng
trong hệ thống này vào năm 2003. Ruprecht và cộng sự đưa ra kết quả tính toán động
học lưu chất và thiết kế turbine cho loại tháp có công suất 200MW.
7
Hình 2. Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại
Manzanares - Tây Ban Nha)
8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Công nghệ tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời
Theo Wiki [3], tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời được mô tả vào năm
1931 bởi Gunther, sau đó vào những năm 1983, 1984 Haaf đưa ra những kết quả kiểm
tra và nguyên lý mô hình tháp ở Manzanares, Tây Ban Nha. Đến năm 1990, Schlaich
tổng hợp những kết quả đạt được từ thí nghiệm ở Manzanares và sau đó 5 năm ông đưa
ra cái nhìn khái quát về công nghệ này. Năm 1997, Kreetz thêm vào hệ thống những túi
chứa đầy nước nằm dưới máy thu nhiệt nhằm mục đích dự trữ nhiệt lượng. Gannon và
Backstrom vào năm 2000 đã giới thiệu phân tích quá trình nhiệt động lực học của tháp
mặt trời, bên cạnh đó các ông này còn phân tích về những tính chất của turbine sử dụng
trong hệ thống này vào năm 2003. Ruprecht và cộng sự đưa ra kết quả tính toán động
học lưu chất và thiết kế turbine cho loại tháp có công suất 200MW.
Hình 2.1. Tháp đối lưu sử dụng năng lượng mặt trời (Mô hình thực tế tại
Manzanares - Tây Ban Nha) [4]
9
2.1.1. Nguyên lí hoạt động
Tháp đối lưu nhờ lượng mặt trời là hệ thống tạo năng lượng điện mới được kết
hợp từ hiệu ứng của ba công nghệ: tháp đối lưu, nhà kính và turbine gió. Không khí
được đốt nóng bởi ánh mặt trời và chứa bên dưới mái kính tròn mở tại bán kính ngoài
và được gia nhiệt suốt 24 giờ nhờ các ống nước kín đặt bên dưới mái kính, những ống
này thường chỉ cần được bơm nước vào một lần. Ở giữa mái kính là một tháp đối lưu
được nối kín với mái kính, chân tháp có không gian nhận không khí rất lớn. Bởi vì
không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh cùng với sự chênh lệch áp suất giữa hai tầng
độ cao khác nhau nên không khí chuyển động hướng lên theo tháp đối lưu. Tháp hút
không khí nóng tích trữ trong mái kính và không khí ở nhiệt độ thường tràn vào từ rìa
ngoài của mái kính tiếp tục được đốt nóng. Từ đó tạo được sự chuyển động liên tục của
dòng không khí bên trong tháp đối lưu. Dòng khí này làm quay những turbine gắn ở
chân tháp, chuyển hóa cơ năng thành điện năng.
Hình 2.2. Sơ đồ hoạt động tháp năng lượng mặt trời [6]
10
2.1.2. Những ưu và khuyết điểm từ hệ thống tháp đối lưu nhờ năng lượng mặt trời
a. Ưu điểm
- Mô hình thiết kế đơn giản.
- Giá thành vận hành thấp.
- Tận dụng cả sóng trực tiếp và khuếch tán của mặt trời nên hệ thống có thể
hoạt động ở những vùng nhiều nắng và những vùng trời u ám bởi vì nguyên lí
hoạt động của hệ thống dựa trên sự đốt nóng chứ không dựa trên dải quang
phổ của ánh sáng.
- Hệ thống này có thể tạo năng lượng cả ngày lẫn đêm nhờ những ống nước trữ
nhiệt mặt trời vào ban ngày và cung cấp nhiệt lại vào ban đêm.
- Tạo ra năng lượng sạch 100%.
- Không cần sử dụng nước trong quá trình vận hành (đập thủy điện giữa sa mạc)
rất phù hợp với các nước có khí hậu khô nóng thiếu nước.
- Không thải ra khí CO2 nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính.
- Không gây hiệu ứng nhà kính.
- Không thải chất độc ra môi trường.
- Tạo ra nguồn năng lượng ổn định và không làm tổn hại môi trường.
- Tạo ra khả năng thay đổi môi trường theo chiều hướng có lợi nhờ hệ thống
nhà kính hấp thụ năng lượng mặt trời phía dưới.
Hình 2.3. Bộ phận hấp thu năng lượng mặt trời thành hệ thống nhà kính
11
b. Nhược điểm
- Chi phí đầu tư ban đầu tương đối cao làm mất tính cạnh tranh so với các
nguồn năng lượng khác.
- Cần một diện tích lớn và tương đối bằng phẳng nhưng ít xảy ra thiên tai để
triển khai bộ phận hấp thụ năng lượng mặt trời cũng như tháp đối lưu.
- Tháp năng lượng mặt trời chỉ đạt được 1/10 hiệu quả trong việc sử dụng sóng
mặt trời so với những tấm pin mặt trời.
2.2. Lý thuyết tổng quan bài toán trường cặp đôi lưu chất - kết cấu
2.2.1. Các thông số cơ bản của lưu chất
Tại bất kỳ điểm nào trong lưu chất (chất lỏng hay chất khí) đều tồn tại áp suất.
Nếu một vật thể được đặt trong lưu chất, bề mặt của nó sẽ chịu lực va chạm của một
lượng lớn phân tử lưu chất di chuyển ngẫu nhiên. Xét theo phương vuông góc với bề
mặt vật thể, sự va chạm trên một vùng diện tích nhỏ xảy ra thường xuyên và không thể
xem xét riêng lẻ. Hiện tượng này được xem như có một lực ổn định tác động lên trên
diện tích đó. Mức độ (intensity) của các lực va chạm được gọi là áp suất tĩnh (static
pressure).
Đối với các vật thể di chuyển hoặc đứng yên trong môi trường lưu chất. Áp suất
sẽ không được phân bố đều trên bề mặt vật thể và điều này sẽ gây ra lực khí động
(aerodynamic force) hoặc lực khí tĩnh (aerostatic force).
p
Do áp suất là lực trên một đơn vị diện tích, nên nó có thứ nguyên là:
=
F A
δ lim δ→ 0 A δ
(2.1)
a. Mật độ lưu chất ρ
Mật độ khối của lưu chất, ký hiệu là ρ được định nghĩa là khối lượng của nó trên
một đơn vị thể tích.
ρ
=
m δ lim V δ→ 0 V δ
(2.2)
12
Khối lượng riêng có thứ nguyên là [ML-3]. Đơn vị của nó trong hệ SI là kg/m3
Mật độ khối của không khí thay đổi theo mức áp suất. Mật độ khối của chất
lỏng gần như là không thay đổi theo áp suất. Do đó, ta có thể xem chất lỏng như là lưu
chất không nén được.
b. Trọng lượng riêng γ
Trọng lượng riêng của lưu chất, ký hiệu là γ, được định nghĩa là trọng lượng của
g γ ρ=
nó trên một đơn vị thể tích.
(2.3)
Trong đó g là gia tốc trọng trường có giá trị là 9,81 m/s2.
Dưới tác dụng của trọng lực, trọng lượng riêng của không khí và nước tại 20oC
và 1 atm xấp xỉ là γkk= 11.8 N/m3 và γnước= 9790 N/m3.
c. Tỷ trọng δ
Tỷ trọng của lưu chất, ký hiệu là δ là tỷ số giữa trọng lượng riêng γ của nó với
một lưu chất ở điều kiện tiêu chuẩn.Đối với chất lỏng, lưu chất chuẩn là nước. Đối với
δ
ρ
liquid
chất khí, lưu chất chuẩn là không khí.
δ
=
=
liquid
3
liquid kg m /
988
δ
water
(2.4)
Tỷ trọng không có thứ nguyên.
d. Suất đàn hồi K
Mọi vật thể, dù là chất lỏng hoặc khí, đều có thể nén được nghĩa là, khi áp suất
tăng từ p lên p+Δp, thể tích vật thể giảm từ V xuống V- ΔV. Để đặc trưng cho khả
năng nén được này, người ta sử dụng đại lượng gọi là suất đàn hồi (bulk modulus). Nó
được định nghĩa:
K
V
= −
= −
lim V 0 Δ →
p Δ / V V
dp dV
Δ
(2.5)
13
Suất đàn hồi phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Đối với chất lỏng, K ít thay đổi
theo áp suất và nhiệt độ. Do đó, có thể xem K của chất lỏng là hằng số. Đối với chất
khí, giá trị K nhỏ hơn rất nhiều so với chất lỏng và thay đổi rất nhanh theo sự thay đổi
của áp suất.
e. Hệ số nhớt (Viscosity)
Lưu chất không có khả năng chịu lực cắt, một khi có lực này tác dụng, nó sẽ
chảy và xuất hiện lực ma sát bên trong. Hình 2.4 mô tả một cánh định tính biến thiên
vận tốc của một dòng chảy bên trên một thành rắn.Vận tốc của phần tử lưu chất tiếp
xúc trực tiếp với thành rắn có cùng vận tốc với thành rắn (đều bằng không). Càng ra xa
thành rắn, vận tốc các phần tử lưu chất càng gia tăng. Ta có thể chia lưu chất thành các
lớp chuyển động song song với nhau. Ứng suất ma sát (lực ma sát trên một đơn vị diện
tích) giữa các lớp do sự chuyển động tương đối giữa chúng phụ thuộc vào gradient vận
/du dy ) giữa các lớp. Sự phụ thuộc này được mô tả bời định luật Newton:
tốc (
τ μ=
du dy
(2.6)
Với µ được gọi là hệ số nhớt động lực học (hoặc đơn giản là hệ số nhớt) và u là vận tốc
của lưu chất ở xa thành vật rắn. Đối với hầu hết các lưu chất µ=const. Lưu chất loại đó
được gọi là lưu chất Newton. Lưu chất mà hệ số nhớt thay đổi theo gradient vận tốc
được gọi là lưu chất phi Newton.
Bên cạnh hệ số nhớt động lực học, người ta còn sử dụng khái niệm hệ số nhớt
ν
=
động học ν. Nó được định nghĩa là:
μ ρ
(2.7)
Nói chung, hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
14
Hình 2.4. Sự phân bố vận tốc tại lớp biên sát thành cứng
f. Phân loại lưu chất
Lưu chất có thể phân loại tùy theo các giả thiết được chấp nhận trong cách phân
tích bài toán dòng lưu chất. Dòng lưu chất thường được phân loại thành cặp như sau::
- Ổn định (Steady) hoặc không ổn định (unsteady). Dòng lưu chất ổn định
(Steady flow) là dòng lưu chất có các tham số (parameters), chẳng hạn như:
vận tốc, áp suất..., thay đổi từ điểm này sang điểm khác trong không gian. Tuy
nhiên, Các thông số đó tại một điểm lại không thay đổi theo thời gian.
- Dòng không nhớt (Inviscid) hoặc dòng nhớt (viscous). Dòng không nhớt là
dòng có hệ số nhớt bằng μ=0 và ngược lại.
- Không nén được (Incompressible) hoặc nén được (compressible). Dòng lưu
chất không nén được là dòng có mật độ khối ρ=const không thay đổi theo thời
gian và ngược lại.
- Chất khí hoặc chất lỏng.
Dòng lưu chất trong các bài toán thường là sự kết hợp của các tính chất trên.
Chẳng hạn, chúng ta có thể nói là một dòng khí ổn định, nhớt và không nén được.
15
2.2.2. Phương pháp thể tích kiểm soát - Đạo hàm toàn phần của một tích phân
khối
Thể tích kiểm soát là một thể tích cố định với một hệ tọa độ xác định nào đó
trong trường lưu chất chuyển động, trong đó, ta nghiên cứu sự biến thiên theo thời gian
của các thông số của dòng chảy.
Hình 2.5. Thể tích kiểm soát
Trong dòng chảy, xét một thể tích nhất định W1 được bao bởi mặt cong kín S.
Tại thời điểm t1, thể tích lưu chất chứa trong thể tích đó chính là W1. Sang thời điểm t2
= t1 + Δ t, cả lượng lưu chất trên sẽ di chuyển sang vị trí mới và chiếm một thể tích mới
W2. Ta gọi các thể tích A, B, C (hình 2.3), trong đó B là phần thể tích chung giữa W1
và W2. W1 được gọi là thể tích kiểm soát. Lưu chất có thể ra vào thể tích đó nhưng thể
tích kiểm soát vẫn được giữ không đổi trong toàn miền nghiên cứu. Ta nhận thấy, trong
khoảng thời gian Δ t, một số phần tử lưu chất đã di chuyển ra khỏi thể tích kiểm soát
chiếm thể tích C và các phần tử ngoài thể tích kiểm soát đi vào và lấp đầy thể tích A.
Gọi X là một đại lượng nào đó của khối lưu chất chứa trong thể tích kiểm soát
(khối lượng, năng lượng hoặc động lượng) và κ là lượng X chứa trong một đơn vị
X
dWκρ
khối lượng lưu chất (ví dụ κ là năng lượng của một đơn vị khối lượng lưu chất), ta có:
W
= ∫∫∫
(2.8)
16
Như vậy, ở thời điểm t1 đại lượng X của toàn hệ thống nằm trong thể tích kiểm
soát bao gồm:
X
X
X
=
+
t 1
Bt 1
At 1
(2.9)
(2.10)
X
X
X
=
+
t
Ct
Bt
2
2
2
Tương tự ở thời điểm t2 đại lượng X của toàn hệ thống bao gồm:
Vậy trong khoảng thời gian Δ t, hệ thống các phần tử lưu chất di chuyển từ vị trí
X
X
X
X
X Δ =
+
−
+
(2.11)
có thể tích W1 sang vị trí có thể tích W2 và sự thay đổi đại lượng X của hệ thống là:
(
)
(
)
Bt 2
Ct 2
At 1
Bt 1
2AtX ta có:
X
X
X
X
X
X
X Δ =
+
−
+
+
−
(2.12)
Bằng cách thêm vào và trừ bớt đi đại lượng
(
)
(
)
Bt 2
At 2
At 1
Bt 1
At 2
Ct 2
X
X
X
X
(2.13)
=
−
+
−
(
(
At
Ct
A B t ) +
2
A B t ) + 1
2
2
X
X
X
X
−
−
(
(
A B t ) + 2
A B t ) + 1
Ct 2
At 2
=
+
(2.14)
t Δ
t Δ
X Δ t Δ
X
X
X
X
−
−
(
(
A B t ) +
2
A B t ) + 1
Ct 2
At 2
=
=
+
(2.15)
lim t 0 Δ →
lim t 0 Δ →
lim t 0 Δ →
dX dt
X Δ t Δ
t Δ 144424443 (1)
t Δ 14243 (2)
Sự biến thiên của X theo thời gian là:
X
−
)
(
(
+
2
A B t ) + 1
dW
X lim A B t
=
=
κρ
(2.16)
W
∫∫∫
0 t Δ →
t Δ
X ∂ t ∂
∂ t ∂
⎛ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
theå tí ch kieåm soaùt
Xét thành phần (1) trong phương trình (2.37) ta có:
2CtX là giá trị X của các
Xét thành phần (2) trong phương trình (2.14) ta có:
2S ,
2AtX là giá trị X của các
phần tử lưu chất ra khỏi thể tích kiểm soát qua diện tích
phần tử lưu chất đi vào thể tích kiểm soát qua diện tích 1S .
17
= r r . . nu dA u n dA
đơn vị thời gian là Xét vi phân diện tích dA, vector vận tốc ur . Thể tích lưu chất qua dA trong một , nr là vector đơn vị pháp tuyến của diện tích dA hướng
ra ngoài thể tích kiểm soát.
.u ndA
κρr r
. Giá trị đại lượng X của các phần tử lưu chất đi qua diện tích dA là
X
r r . u ndA
κρ
(2.17)
Ct
2
S
= Δ ∫∫ t
2
và
X
r r u ndA .
κρ
(2.18)
At
2
S
= −Δ ∫∫ t
1
Như vậy ta có:
Dấu (-) trong biểu thức (2.18) vì trên diện tích 1S , nr ngược chiều với ur vector vận tốc hướng đi vào và vector nr hướng ra ngoài thể tích kiểm soát, do vậy tích số .u nr r luôn
t
r r . u ndA
t
r r . u ndA
Δ
κρ
+ Δ
κρ
X
X
−
Ct
S
∫∫
∫∫
2
At 1
2
S 1
r r . u ndA
r r . u ndA
κρ
κρ
=
=
=
S
S
+
∫∫
lim t 0 Δ →
lim t 0 Δ →
S 1
2
t
t
Δ
Δ
∫∫ (cid:0)
Phương trình (2.15) trở thành:
r r . u ndA
κρ
=
+
(2.19)
S
dX dt
X ∂ t ∂
∫∫ (cid:0)
he äthoáng
CV
Với CV là thể tích kiểm soát và S là diện tích bao quanh thể tích kiểm soát.
hay:
(2.20)
dW
r r . u ndA
κρ
κρ
=
+
S
d dt
X ∂ t ∂
∫∫∫ (cid:0) he äthoáng
∫∫ (cid:0)
CV
âm.Vậy
Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng của hệ thống không thay đổi
theo thời gian:
(2.21)
= 0
dm dt
2.2.3. Phương trình liên tục
18
Áp dụng phương trình vận chuyển (2.21) với X là khối lượng của hệ thống lưu
chất:
vậy
1κ =
(2.22)
κρ
ρ
X
dW
=
dW m =
=
W
W
∫∫∫
∫∫∫
(2.23)
0
r r . u ndA
ρ
=
+
=
S
dm dt
m ∂ t ∂
∫∫ (cid:0)
HT
CV
hay:
(2.24)
dW
r r u ndA .
0
+
ρ
=
W
S
∫∫∫
ρ ∂ t ∂
∫∫ (cid:0)
Bằng phép biến đổi Gauss biến từ tích phân diện tích sang tích phân thể tích ta
có:
(2.25)
dW
div
0
+
r u dW ( ) ρ
=
W
W
∫∫∫
∫∫∫
ρ ∂ t ∂
hay:
(2.26)
div
)
dW
0
+
=
r u ( ρ
W
∫∫∫
∂⎡ ρ ⎢ t ∂⎣
⎤ ⎥ ⎦
Tích phân trên áp dụng cho thể tích W bất kỳ nên ta có dạng vi phân của
phương trình liên tục là:
(2.27)
div
)
0
r u ( ρ
+
=
∂ ρ t ∂
Trong cơ học, nguyên lý biến thiên động lượng được phát biểu như sau: ngoại
lực tác dụng lên một hệ thống lưu chất bằng tốc độ thay đổi động lượng của khối lưu
chất đó.
r
r F
=
r udW ρ
(2.28)
∑
W
∫∫∫
dK d = dt dt
2.2.4. Phương trình chuyển động của lưu chất lý tưởng (Phương trình Euler)
19
Xét một khối lưu chất vô cùng nhỏ (hình 2.4) có các cạnh
,
,
y
x
δ δ δ . Gọi p, ρ z và ur là áp suất, khối lượng riêng, vector cường độ lực khối và vector vận tốc tại
r , F
trung tâm của khối. Phương trình động lượng áp dụng cho khối lưu chất có dạng:
(2.29)
+
=
x y z ρδ δ δ
r f m
r f S
r ∑ ∑ f =
∑
r du dt
Trong đó:
-
-
f∑ r : tổng ngoại lực tác dụng lên khối lưu chất mf∑ r : tổng lực khối Sf∑ r
: tổng lực mặt
-
Hình 2.6. Phân tố lưu chất
Theo phương x, các lực tác dụng lên khối lưu chất bao gồm:
- Lực khối:
(2.30)
xF x y z ρ δ δ δ
với
lên phương x.
r xF là hình chiếu của F
p
x
−
+
= −
p y z δ δ
x y z δ δ δ
- Lực mặt:
(2.31)
p ∂ x ∂
p ∂ x ∂
⎛ ⎜ ⎝
⎞ y z δ δ δ ⎟ ⎠
Lực mặt trên bốn bề mặt còn lại không có thành phần trên phương x. Phương
trình (2.29) xuống phương x, thế vào ta được:
20
(2.32)
x y z
=
F x y z ρ δ δ δ
−
x y z = δ δ δ ρδ δ δ
F x
x
∑
du dt
p ∂ x ∂
Từ đó suy ra:
(2.33)
−
=
ρ
F ρ x
du x dt
p ∂ x ∂
Tương tự, xét trên phương y và z, ta có:
du
(2.34)
ρ
−
=
F ρ y
y dt
p ∂ y ∂
(2.35)
−
=
ρ
F ρ z
du z dt
p ∂ z ∂
Hệ ba phương trình (2.33), (2.34), (2.35) được gọi là hệ phương trình vi phân
chuyển động của lưu chất lý tưởng, còn gọi là hệ phương trình Euler. Dưới dạng
vector, hệ này còn có thể được viết:
(
)
r F
uur grad p
−
=
(2.36)
r du dt
1 ρ
,
,
u
u
u ,
Trong trường hợp lưu chất lý tưởng, hệ phương trình trên có 4 ẩn
p .
z
y
x
Để giải hệ phương trình này, ta cần thêm 1 phương trình liên tục:
u ∂
(2.37)
0
=
+
+
=
r ( ) div u
u ∂ x x ∂
y y ∂
u ∂ z z ∂
2.2.5. Phương trình chuyển động của lưu chất thực (Phương trình Navier –
Phương trình Euler được viết cho lưu chất lý tưởng, nghĩa là bỏ qua lực ma sát.
Ngoại lực tác dụng gồm có lực khối và lực mặt, trong đó lực mặt chỉ là áp lực. Chuyển
động của lưu chất thực luôn có ma sát. Ứng suất bề mặt tại 1 điểm sẽ gồm 9 thành
phần. Trong đó theo phương x có 3 thành phần là
,
,
σ τ τ . Các ứng suất này được
xx
xy
yx
xác định theo định luật ma sát nhớt của Newton mở rộng:
Stockes)
21
u ∂
p = − +
−
+
+
(2.38a)
σ xx
2 3
u ∂ x 2 μ x ∂
u ∂ x x ∂
y y ∂
u ∂ z z ∂
⎛ μ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
u ∂
u ∂ 2 μ
p = − +
−
+
+
(2.38b)
σ yy
2 3
y y ∂
u ∂ x x ∂
y y ∂
u ∂ z z ∂
⎛ μ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
u ∂
p = − +
−
+
+
(2.38c)
σ zz
2 3
u ∂ z 2 μ z ∂
u ∂ x x ∂
y y ∂
u ∂ z z ∂
⎛ μ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
u ∂
=
=
+
(2.38d)
xy
u ∂ x y ∂
y x ∂
⎛ τ τ μ ⎜ yx ⎝
⎞ ⎟ ⎠
(2.38e)
=
=
+
xz
u ∂ x z ∂
u ∂ z x ∂
⎛ τ τ μ ⎜ zx ⎝
⎞ ⎟ ⎠
=
=
+
(2.38f)
yz
u ∂⎛ y τ τ μ ⎜ zy z ∂ ⎝
⎞∂ u z ⎟ y ∂ ⎠
Hoặc viết dưới dạng dạng tensor:
= −
+
−
(2.39)
σ ij
ij
2 3
u ∂ i x ∂
j
u ∂ k μ δ ij x ∂ k
⎛ p δ μ + ⎜ ⎜ ⎝
⎞∂ u j ⎟ ⎟ x ∂ ⎠ i
Tương tự như khi thiết lập phương trình Euler, ta cũng xét 1 khối lưu chất vô
cùng nhỏ (hình 2.7). Ngoại lực tác dụng cũng gồm có lực khối và lực mặt, trong đó
thành phần trên phương x và của lực khối vẫn được tính như cũ:
(2.40)
ρ δ δ δ xF x y z
Còn lực mặt chiếu lên phương x được tính:
(2.41)
x y z δ δ δ
x y z δ δ δ
x y z δ δ δ
+
+
∂ σ xx x ∂
∂ τ xy y ∂
∂ τ zx z ∂
22
Hình 2.7. Phân tố lưu chất thực
Thế (2.38a), (2.38d), (2.38e), (2.38f) vào (2.41), ta được:
2
2
2
u ∂
−
+
+
+
+
+
+
(2.42)
μ 3
p ∂ x ∂
u ∂ x 2 x ∂
u ∂ x 2 y ∂
u ∂ x 2 z ∂
y y ∂
u ∂ z z ∂
⎛ u ∂ ∂ x ⎜ x x ∂ ∂ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
⎛ μ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
⎡ ⎢ ⎣
⎤ x y z δ δ δ ⎥ ⎦
Phương trình (2.36) được chiếu xuống phương x và thế vào (2.41), (2.42) ta
được:
2
2
2
x y z
+
+
+
+
+
+
F x y z ρ δ δ δ
x y z = δ δ δ ρδ δ δ
x
u x 2 x
u x 2 y
μ 3
du x dt
p ∂ x ∂
∂ ∂
∂ ∂
u ∂ x 2 z ∂
∂ x ∂
u ∂ x x ∂
u ∂ y y ∂
u ∂ z z ∂
⎛ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
⎛ μ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
⎡ + − ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
u
x y z
F x y z ρ δ δ δ
μ
2 + ∇ +
x y z = δ δ δ ρδ δ δ
hay:
(2.43)
r ( div u
)
x
x
(
)
μ 3
du x dt
p ∂ x ∂
∂ x ∂
⎡ + − ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
đơn giản x y z
δ δ δ , và tương tự với các phương y, z, ta được:
(2.44)
u
μ
ρ
2 + ∇ +
=
r ( div u
)
F ρ x
x
(
)
du x dt
μ 3
p ∂ x ∂
∂ x ∂
⎡ + − ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
du
u
2 + ∇ +
μ
=
ρ
(2.45)
r ( div u
)
F ρ y
y
(
)
y dt
μ 3
p ∂ y ∂
∂ y ∂
⎡ + − ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
(2.46)
u
μ
ρ
2 + ∇ +
=
r ( div u
)
F ρ z
z
(
)
du z dt
μ 3
p ∂ z ∂
∂ z ∂
⎡ + − ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
Ta có thể viết dưới dạng vector như sau:
23
uur
r F
uur grad p ( )
r u
−
2 + ∇ +
ν
=
(2.47)
)
r ( ( grad div u
)
ν 3
r du dt
1 ρ
với toán tử:
2
2
2
uur grad
r i
r j
r k
=
+
+
và
2 ∇ =
+
+
2
2
2
∂ x ∂
∂ y ∂
∂ z ∂
∂ x ∂
∂ y ∂
∂ z ∂
Trong đó:
- μ: độ nhớt động lực học
- ν: độ nhớt động học, μν
ρ=
Phương trình (2.47) được gọi là phương trình Navier – Stokes. Đối với lưu chất
không nén được,
nên phương trình chỉ còn dưới dạng sau:
0
div u =r (
)
r F
uur grad p ( )
r u
−
2 + ∇ =
ν
(2.48)
r du dt
1 ρ
Dạng tensor của phương trình Navier – Stokes:
j
−
+
+
−
=
+
(2.49)
(
)
F i
u u i k
u ∂ i t ∂
1 ρ
1 ρ
2 1 3 ρ
p ∂ x ∂ i
∂ x ∂ k
u ∂ i x ∂ k
u ∂ k x ∂ i
∂ x ∂ i
j
∂ x ∂ k
⎞ ⎟ ⎠
⎡ ⎛ μ ⎢ ⎜ ⎝ ⎣
⎤ ⎥ ⎦
⎡ u ∂ μ ⎢ x ∂ ⎢ ⎣
⎤ ⎥ ⎥ ⎦
với:
.
i
x y z , ,
;
j
x y z , ,
;
k
x y z , ,
=
=
=
Áp dụng phương trình động lượng (2.36) cho một thể tích kiểm soát, ta có:
(2.50)
r F
ρ
=
=
=
+
r ) u dW ρ
(
r ) u dW ρ
(
r r r ( ). u u n dA
∑
w
w
∫∫∫
∫∫∫
Σ
r dK dt
d dt
∂ t ∂
∫∫ (cid:0)
( ∑là mặt kín bao thể tích W)
Trường hợp chuyển động ổn định, ta có phương trình động lượng như sau:
(2.51)
r F
=
=
ρ
r r r ( ). u u n dA
r F S
Σ
r ∑ ∑ ∑ ∫∫ F + (cid:0) m
2.2.6. Phương trình động lượng
24
r là tổng ngoại lực khối và ngoại lực mặt tác dụng lên khối lưu chất F S
∑r +∑ F m
nằm trong thể tích kiểm soát W bao bởi mặt kín ∑.
Hình 2.8. Đoạn dòng chảy giới hạn
Xét một đoạn dòng chảy giới hạn bởi hai mặt cắt ướt phẳng 1-1 và 2-2 (hình
2.8) và mặt bên Sb tạo bởi các đường dòng như hình vẽ. Tương tự như phương trình
năng lượng, phương trình động lượng được biến đổi như sau:
r F
+
=
=
ρ
r r r ( ). u u n dA
r F m
r F S
∑ ∑ ∑
Σ
∫∫ (cid:0)
(2.52)
=
+
(
)
)
(
r r r . ρ u u n dA 1 1 1 1
r r r . ρ u u n dA 2 2 2 2
2
A
∫∫
∫∫
A 1
= −
+
ρ
ρ
r u u dA 1 1 1
r u u dA 2 2 2
∫∫
∫∫
A 1
A 2
Số hạng
là động lượng của khối lưu chất đi qua diện tích A. Nếu giả
A
r uudAρ∫∫
sử trên toàn mặt cắt A, vận tốc tại các điểm đều bằng nhau và bằng vận tốc trung bình
V. Động lượng tính theo vận tốc trung bình là:
(2.53)
r VVdA
r VVA
ρ
=
ρ
r VQ ρ
=
A
∫∫
Số hạng thực qua một mặt cắt luôn lớn hơn động lượng tính theo vận tốc trung
bình.
(2.54)
r VVdA
r VQ
ρ
αρ= 0
A
∫∫
Với
0α > 1: hệ số hiệu chỉnh động lượng
25
2
2 u dA
ρ
(2.55)
dA
=
=
α 0
2
A
∫∫
2 V A
1 A
u V
∫∫ A ρ
Ta viết lại phương trình động lượng như sau:
r F
+
=
=
−
α
(2.56)
r F S
r V 02 2
r V 01 1
( Q ρ α
)
r ∑ ∑ ∑ F m
Ta nhận xét rằng:
r là động lượng của các phần tử lưu chất đi ra khỏi thể tích kiểm soát
-
Q Vρ α 02 2
trong một đơn vị thời gian.
-
r là động lượng của các phần tử lưu chất đi vào thể tích kiểm soát trong
Q Vρ α 01 1
một đơn vị thời gian.
Trong trường hợp thể tích kiểm soát được bao bởi nhiều mặt cắt ướt, phương
trình động lượng được viết một cách tổng quát như sau:
(2.57)
r F
+
=
=
−
r F S
r Q V α ra ra
r Q V α vao vao
(
)
(
)
r ∑ ∑ ∑ F m
∑
∑
⎡ ρ ⎣
⎤ ⎦
Phần 2.2 được tham khảo từ tài liệu [4].
2.3. Lý thuyết phương pháp số
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương
pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học. Tư tưởng của phương pháp là chia vật thể ra
thành một tập hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với
nhau trên khắp từng mặt biên của chúng. Trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất được
xác định trong từng miền con. Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn. Dạng
phần tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối. Các phần tử được nối kết với nhau
qua các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến n (n là số nút của phần tử).
Các bước giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn:
- Chia vật liệu ra thành nhiều phần tử sao cho tính chất vật lý của mỗi phần tử
không thay đổi.
2.3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn [5]
26
- Nếu vật liệu có dạng biên phức tạp, ta có thể chia các phần tử ở gần biên sao
cho thật nhuyễn. Nếu làm như vậy, ta có thể dùng các phần tử đơn giản thay vì
dùng các phần tử phức tạp.
- Tìm phiếm hàm.
- Tìm điều kiện biên.
- Dùng các hàm số tạo hình để tìm ra các ma trận cứng của các phần tử.
- Kết nối những phần tử với nhau qua các nút, ta sẽ có hệ thống phương trình
cho cấu trúc.
- Giải hệ thống phương trình để xác định các ẩn số là chuyển vị.
- Suy ra độ biến dạng và ứng suất.
- Kết quả sẽ thỏa các điều kiện biên, các điều kiện vật lý.
Phương pháp thể tích hữu hạn về cơ bản là sự phát triển như một dạng đặc biệt
của phương pháp sai phân hữu hạn, việc tích phân đươc xác định dựa trên thể tích kiểm
soát. Phương pháp này gồm các bước sau:
- Bước thứ nhất: Tạo lưới, người ta tách miền khảo sát bằng hệ thống rời rạc
hữu hạn các điểm, gọi là nút lưới và các phần tử khối rời rạc nhất định bao
quanh các nút lưới, gọi là thể tích kiểm tra.
- Bước thứ hai: tích phân đúng theo thủ tục các phương trình đặc trưng cho
luồng lưu chất trên thể tích kiểm tra đề có được phương trình rời rạc tại các
điểm nút.
- Bước thứ ba: Rời rạc hóa phương trình tích phân bằng các tỉ sai phân tương
ứng. Bước này còn được gọi là bước xấp xỉ phương trình tích phân bằng
phương trình sai phân. Điều này sẽ biến đổi các phương trình tích phân thành
hệ các phương trình đại số.
- Bước thứ tư: Rời rạc hóa các điều kiện biên, các điều kiện biên được xấp xỉ
bằng các phương trình sai phân đối với các nút lưới gần biên hoặc ở ngay trên
2.3.2. Phương pháp thể tích hữu hạn
27
biên. Tập hợp các phương trình sai phân và các điều kiện biên đã được rời rạc
hóa cho ta một hệ phương trình đại số, được gọi là lược đồ sai phân.
- Bước thứ năm: Giải hệ phương trình đại số cho ta lời giải gần đúng của bài
toán đã cho.
Tuy nhiên, phương pháp khối hữu hạn không phải chỉ đơn giản là rời rạc hóa
phương trình tích phân và các điều kiện biên rồi giải hệ phương trình đại số thu được.
Muốn áp dụng thành công phương pháp khối hữu hạn, chúng ta cần xem xét các vần đề
sau: Tạo lưới như thế nào là thích hợp, lược đồ sai phân có hợp lý không? …
Việc chia lưới nói chung rất phức tạp. Nó được xem như là một đề tài nghiên
cứu độc lập. Tuy nhiên, việc chia lưới phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
- Miền khảo sát phải được bao phủ hoàn toàn bởi các lưới chia
- Giữa 2 ô lưới bất kỳ không được có khoảng trống
- Các ô lưới không được xếp chồng lên nhau
Ta có thể phân thành 2 loại lưới cơ bản: Lưới có cấu trúc và lưới không cấu
trúc.
A. Vấn đề chia lưới
Mỗi điểm lưới được xác định duy nhất bằng các chỉ số i,j,k và tọa độ vuông góc
tương ứng xi,j,k, yi,j,k và zi,j,k. Các ô lưới (grid cell) có hình tứ giác (quadrilaterals) và
hình tam giác trong bài toán hai chiều và hexahedra trong bài toán ba chiều. Lưới có
thể ở dạng cong sao cho các đường lưới trùng với biên không phải là đường thẳng. Ưu
điểm chính của phương pháp này cũng chính là các chỉ số của các điểm lưới thể hiện
không gian địa chỉ tuyến tính (linear address space) đồng thời cũng gọi là không gian
tính toán, do nó tương ứng trực tiếp cách thức các biến số dòng chảy được lưu trữ trong
máy tính. Điều này giúp cho việc truy cập đến các điểm lưới lân cận dễ dàng hơn và
nhanh chóng hơn, bằng cách thêm vào hay bớt đi một giá trị nguyên tại điểm lưới
A1. Lưới có cấu trúc:
28
tương ứng. Do đó, việc tính toán các gradients, luồng (fluxes), và cách tính toán cho
điều kiện biên vật lý cũng đơn giản hơn rất nhiều.
Hình 2.9. Cách thức chia lưới có cấu trúc (trong bài toán 2 chiều): (a) không gian
vật lý thực tế (b) không gian tính toán; η, ξ thể hiện tọa độ cong.
Hình 2.10. Hình dạng các ô lưới của phương pháp chia lưới có cấu trúc
(a) Tứ giác (Quadrilateral) trong bài toán 2D (b) Khối sáu mặt (hexahedra) trong
bài toán 3D
Tuy vậy, đối với việc vùng khảo sát có hình dạng quá phức tạp, việc chia lưới
bằng phương pháp này hoàn toàn bất lợi, điều đó đồng thời cũng chính là khuyết điểm
lớn nhất của nó. Chẳng hạn như trong hình 2.11, để chia lưới cho vùng khảo sát có biên
dạng phức tạp, chúng ta có thể chia không gian vật lý thành một sô khối nhỏ hơn, thuận
tiện cho việc chia lưới. Và dĩ nhiên, mức độ phức tạp cho việc giải bài toán lưu chất
càng gia tăng, do chúng ta cần thêm các điều kiện logic đặc biệt để chuyển đổi các đại
lượng vật lý (physical quantities) hay giá trị luồng (fluxes) giữa các khối với nhau.
Đồng thời, việc chia lưới cũng cần thời gian dài hơn trong trường hợp biên dạng hình
học quá phức tạp.
29
Hình 2.11. Hình dạng lưới có cấu trúc, đa khối đối với miền khảo sát có hình dạng
phức tạp; Các đường in đậm là đường biên của các khối
Các ô lưới và các điểm lưới không có một thứ tự nhất định nghĩa là các ô lưới
kế cận hay các điểm lưới kế cận đều không thể xác định trực tiếp dựa vào các chỉ số
của nó (chẳng hạn ô lưới thứ 6 kế cận ô lưới thứ 119 trong hình 2.12. Các ô lưới có
hình dạng tam giác trong bài toán 2D và tetrahedral trong bài toán 3D. Hiện nay, các
lưới không có cấu trúc thường bao gồm cả ô lưới dạng quadrilateral lẫn tam giác trong
bài toán 2D và hexahedra, tetrahedral, prisms cùng với hình kim tự tháp trong bài toán
3D.Việc chia lưới bằng phương pháp này rất thích hợp với các biên dạng hình học
phức tạp. Các lưới tam giác (2D) và tetrahedral (3D) có thể tạo một cách tự động,
không phụ thuộc vào mức độ phức tạp của vùng khảo sát. Đây chính là ưu điểm lớn
nhất của nó. Đồng thời, việc chia lưới bằng cách thức này cũng khiến cho việc hiệu
chỉnh lưới dễ dàng hơn.
A2. Lưới không có cấu trúc (Unstructured grids):
30
Hình 2.12. Lưới không có cấu trúc và hỗn hợp
Tuy nhiên, phương pháp này sẽ cần đến nhiều bộ nhớ hơn để lưu trữ các điểm và ô
lưới. Đồng thời, chúng ta cũng cần triển khai các cấu trúc dữ liệu phức tạp cho trình xử
lý dòng. Các cấu trúc dữ liệu liên quan đến việc đánh dấu địa chỉ gián tiếp (indirect
addressing). Điều này khiến cho việc giải bài toán đòi hỏi thời gian lâu hơn. Mặc dù có
các khuyết điểm như vậy, phương pháp này vẫn được sử dụng rộng rãi do có khả năng
tùy biến dễ dàng.
31
Hình 2.13. Các hình dạng ô lưới sử dụng trong phương pháp chia lưới không có
cấu trúc
Chúng ta có nhiều cách để định hình và vị trí của thể thích kiểm soát đối với
lưới. Có 2 cách tiến hành:
- Cell-center scheme (Hình 3.6a): Các đại lượng vật lý của dòng chảy sẽ được
lưu giữ tại trọng tâm của ô lưới. Do đó, thể tích kiếm soát sẽ trùng với ô lưới.
- Cell-vertex scheme (Hình 3.6b): Các đại lượng vật lý của dòng chảy sẽ được
lưu giữ tại các điểm lưới. Như vậy, thể tích kiểm soát có thể là hợp của các ô
lưới có cùng chung điểm lưới, hoặc các thể tích có tâm là điểm lưới.
32
Hình 2.14. Phương pháp thể tích hữu hạn a) Cell-center scheme b) Cell-vertex scheme
Bước quan trọng của phương pháp khối hữu hạn là việc tích phân phương trình:
∂
(2.58)
div
)
div
[
grad
(
S
B. Vấn đề tích phân các phương trình vi phân
V
( ρ
+
Φ
=
Γ
)] Φ +
Φ
( ) ρφ t ∂
Trên thể tích kiểm tra (V) trong hệ tọa độ ba chiều, ta có:
∂
(2.59)
dV
div
dV
dV )
[
(
)]
V
( ρ
+
Φ
=
div grad Γ
Φ
+
S dV Φ
∫
∫
∫
∫
) ( ρφ t ∂
V
V
V
V
Các tích phân khối trong biểu thức thứ hai vế trái (thành phần đối lưu) và biểu
thức đầu tiên vế phải (thành phần khuếch tán) có thể viết dưới dạng tích phân trên toàn
bộ bề mặt giới hạn kín của thể tích kiểm tra (V) bằng cách sử dụng định lý về
Divergent của Gaoxơ-Ostrogratxki đối với vector F:
dV
div
F
=
n.F dS
(2.60)
∫
∫
V
S
Trong đó
⋅n F là thành phần của vector F theo hướng của vector đơn vị n vuông
góc với diện tích phân tố dS. Áp dụng định lý Gaoxo-Ostrogratxki với phương trình
(2.59) ta có:
dV
ρφ
∫
V
⎛ ∂ ⎜ ⎝
(2.61)
n
V
n
dS
grad
dS
)
( ρφ
⎞ ⎟ ⎠ +
=
Γ
+
[
] φ
S dV Φ
∫
∫
∫
t ∂
S
V
S
33
Đối với bài toán phân tích mô phỏng dòng lưu chất bên trong kết cấu tháp ta cần
sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn, vì đối tượng phân tích là lưu chất.
Đối với bài toán phân tích tác động của các dòng lưu chất trong và ngoài tháp
đến kết cấu tháp, ta phải sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương
pháp thể tích hữu hạn.
2.3.3. Kết luận
34
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG DÒNG LƯU CHẤT
TRONG MÔ HÌNH THÁP SOLAR CHIMNEY
3.1. Mô hình thápManzanares
Mô hình tính toán được chọn là mô hình tháp Manzanares (hình 3.1). Mô hình
khối lưu chất bên trong dựa vào kích thước thực tế của bài toán (bảng 3.1).
Bảng 3.1. Những thông số kỹ thuật chính của mô hình tháp tại Manzanares [8]
3.1.1. Mô hình bài toán
Kích thước
Giá trị
Chiều cao tháp
194,6 m
Bán kính tháp
5,08 m
Bán kính trung bình của mái
nhận nhiệt
122 m
Chiều cao trung bình của mái
1,85 m
Số cánh turbine
4
Biên dạng cánh turbine
FX W- 151- A
Tỉ lệ vận tốc cánh turbine
1:10
nhận được
Khả năng gia nhiệt
20
K
T Δ =
Năng lượng thu được
50kW
Vị trí đặt turbine
9 m
35
Hình 3.1. Tháp Solar Tower 194.60m (Manazares – Tây Ban Nha)
Mô hình tháp được xây dựng lại trong ANSYS bằng module Design Modeler
(hình 3.2a). Do mô hình có tính đối xứng nên để tiết kiệm tài nguyên máy tính, tác giả
chỉ thực hiện phân tích 1/64 mô hình (hình 3.2b).
Phương pháp chia lưới cho mô hình lưu chất trên:
- Toàn mô hình: Tetraherons.
- Phương pháp lưới cho lớp biên: Inflation.
- Số node: 26802 nodes.
- Số phần tử: 54283 phần tử.
Mô hình lưới thể tích hữu hạn cho mô hình được trình bày trong hình 3.3.
3.1.2 Mô hình thể tích hữu hạn trong ANSYS
36
(a) (b)
Hình 3.2. Mô hình tháp trong ANSYS: (a)-Mô hình đầy đủ của tháp;
(b)-Mô hình 1/64 tháp
Hình 3.3. Mô hình lưới trong ANSYS: (a)-Mô hình lưới phần tháp; (b)-Mô hình
lưới phần đế; (c) mô hình lưới inflation cho lớp biên
37
3.1.3. Điều kiện biên
A. Điều kiện biên đầu vào (Inlet)
- Áp suất tuyệt đối: p = 1(atm). - Nhiệt độ trung bình từ mặt đất đến độ cao 2m: t = 23oC.
B. Điều kiện biên đầu ra (Outlet)
- Áp suất tuyệt đối tại độ cao 194.60m so với mực nước biển: p = 0.9771(atm) - Nhiệt độ trung bình tại độ cao 194.60m so với mực nước biển: t = 21.7oC.
C. Điều kiện biên xung quanh
Bề mặt Collector:
- Bề mặt hấp thụ luồng nhiệt lượng từ mặt trời: 1000W/m2.
- Bề mặt có độ lồi lõm: 15mm.
Thân tháp Solar Chimney tower:
- Bề mặt có độ nhám 5mm
- Vật liệu: Thép tấm.
- Nhiệt độ không ảnh hưởng đến dòng khí bên trong (Adiabatic).
Từ các thông số cơ bản trên, chúng ta thiết lập điều kiện biên giải trong môi
trường CFX (hình 3.4).
-
Hình 3.4. Điều kiện biên bài toán trong môi trường CFX
38
3.1.4. Kết quả phân tích
Để kết quả trực quan hơn, tác giả đã xuất kết quả của ½ mô hình. Kết quả vận tốc dòng
khí di chuyển bên trong tháp được thể hiện trong hình 3.5. Để đánh giá kết quả chi tiết hơn, ta
chọn một đường dòng nằm sát lớp biên để khảo sát sự biến đổi vận tốc theo chiều cao khối lưu
chất, kết quả này được trình bày trong hình 3.6.
A. Kết quả về vận tốc
Dựa vào đồ thị và ảnh chụp ½ mô hình cho thấy vận tốc gia tăng đột ngột tại vị trí đặt
Turbine do có sự thay đổi tiết diện một cách đột ngột của dòng không khí. Kết quả vận tốc tại
vị trí đặt turbine là: 42,6199 (m/s) rất phù hợp với kết quả vận tốc tham khảo theo [6] là
41,677 (m/s).
Hình 3.5. Trường vận tốc khối lưu chất trong mô hình ½ tháp
39
Hình 3.6. Biểu đồ vận tốc thay đổi theo chiều cao tháp (tính theo đường dòng sát
lớp biên)
B. Kết quả về nhiệt độ
Kết quả trường phân bố nhiệt độ của ¼ mô hình được trình bày trong hình 3.7.
Theo đó, không khí được gia nhiệt từ từ theo mái của bộ phận thu nhiệt.
Biểu đồ hình 3.8 cho thấy nhiệt độ tăng nhanh khi dòng không khí đi qua vùng
có tiết diện thay đổi, bắt đầu tại vị trí đặt quạt do không khí lúc này tập trung hơn khiến
quá trình truyền nhiệt giữa các phân tử khí tốt hơn không gian rộng lớn của bộ phận thu
nhiệt bên dưới.
Kết quả mô phỏng cho thấy không khí được gia nhiệt là: 311,1oK - 296oK=15.1oK. Theo [6], khả năng gia nhiệt tham khảo của tháp 194.60m: 15-20oK.
Kết quả mô phỏng đảm bảo yêu cầu gia tăng nhiệt độ không khí trong thực tế.
40
Hình 3.7. Kết quả phân bố nhiệt độ (kết quả 1/4 mô hình)
Hình 3.8. Biểu đồ nhiệt theo độ cao
41
Các kết quả mô phỏng về vận tốc và khả năng gia nhiệt từ ANSYS khá phù hợp
với kết quả tham khảo từ [6]. Kết quả mô phỏng cho thấy vận tốc dòng lưu chất tăng
rất nhanh tại vị trí có lắp tuabin, kết quả này khá hợp lý với thực tế. Đồng thời, kết quả
này cũng góp phần cung cấp giải pháp tìm vị trí tối ưu để bố trí tuabin.
3.1.5. Kết luận
3.2.Mô hình tháp Enviro Mission
Tại hội nghị về năng lượng mặt trời được tổ chức ở Đức vào năm 2010, các nhà
nghiên cứu cho rằng chiều cao tháp ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế và đã đưa ra giá
thành xây dựng cho 1KW theo chiều cao (hình 3.9). Theo các nhà nghiên cứu này thì
tháp có độ cao 1000m thì giá thành đầu tư là tối ưu nhất. Do đó, luận văn tiếp tục mô
phỏng dòng lưu chất cho mô hình tháp cao 1000m, đây là mô hình tháp Enviro Mission
(hình 3.10). Các thông số kỹ thuật của mô hình được trình bày trong bảng 3.2.
3.2.1. Mô hình bài toán
) € ( d e l l a t s n i
w k r e p t s o C
6000 5750 5500 5250 5000 4750 4500 4250 4000 3750 3500 3250 3000
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tower Height [m]
Hình 3.9. Giá thành xây dựng trên 1KW năng lượng theo chiều cao(theo Solar
Tower Conference – Germany 2010)
42
Hình 3.10. Tháp Enviro Mission cao 1000m
Bảng3.2. Những thông số kỹ thuật chính của mô hình tháp năng lượng 1000m
Chiều cao tháp
1000 m
Bán kính tháp
130 m
Bán kính trung bình của mái nhận nhiệt
1500 m
Chiều cao trung bình của mái
25 m
Số turbine
16
Tỉ lệ vận tốc cánh turbine nhận được
Khả năng gia nhiệt
1:10 300K
Năng lượng thu được
200MW
Thông số Giá trị
43
3.2.2. Mô hình thể tích hữu hạn của khối lưu chất trong ANSYS
Mô hình tháp được xây dựng lại trong ANSYS bằng module Design Modeler
(hình 3.11).
Phương pháp chia lưới cho mô hình lưu chất trên:
- Toàn mô hình: Tetraherons.
- Phương pháp lưới cho lớp biên: Inflation.
- Số node: 1067086 nodes.
- Số phần tử: 2771415 phần tử.
Mô hình lưới thể tích hữu hạn cho mô hình được trình bày trong hình 3.12.
Hình 3.11. Mô hình tháp 1000m xây dựng trong môi trường Ansys
44
Hình 3.12. Mô hình lưới thể tích hữu hạn khối lưu chất bên trong tháp
3.2.3. Điều kiện biên
A. Điều kiện biên đầu vào (Inlet)
- Áp suất tuyệt đối: p = 1(atm). - Nhiệt độ trung bình từ mặt đất đến độ cao 8m: t = 250C.
B. Điều kiện biên đầu ra (Outlet)
- Áp suất tuyệt đối tại độ cao 1000m so với mực nước biển: p = 0.887(atm) - Nhiệt độ trung bình tại độ cao 1000m so với mực nước biển: t = 18.50C.
C. Điều kiện biên xung quanh
Bề mặt Collector:
- Bề mặt hấp thụ luồng nhiệt lượng từ mặt trời: 1500W/m2.
- Bề mặt có độ nhẵn cao.
Thân tháp Solar Chimney tower:
45
- Bề mặt có độ nhám 5mm
- Vật liệu: Beton cốt thép 340Mpa.
- Nhiệt độ không ảnh hưởng đến dòng khí bên trong (Adiabatic).
Từ các thông số cơ bản trên, chúng ta thiết lập điều kiện biên giải trong môi
trường CFX (hình 3.13).
Hình 3.13. Điều kiện biên bài toán trong môi trường CFX
3.2.4. Kết quả phân tích
Kết quả vận tốc dòng khí di chuyển bên trong tháp được thể hiện trong hình
3.14. Kết quả này cho thấy dòng di chuyển của không khí bên trong tháp 1000m khi
không có những turbine thu năng lượng gió. Khi xét có hệ thống turbine thì dòng chỉ
còn đúng phía trước chúng mà thôi.
Để đánh giá kết quả chi tiết hơn, ta chọn một đường dòng nằm sát lớp biên để
khảo sát sự biến đổi vận tốc theo chiều cao khối lưu chất, kết quả này được trình bày
trong hình 3.15.
46
Hình 3.14. Trường vận tốc khối lưu chất trong mô hình ½ tháp
Hình 3.15. Biểu đồ vận tốc thay đổi theo chiều cao tháp (tính theo đường dòng sát
lớp biên)
47
Dựa vào đồ thị, ta thấy vận tốc gia tăng đột ngột tại vị trí đặt Turbine do có sự
thay đổi tiết diện một cách đột ngột của dòng không khí. Đây là vị trí thuận lợi cho việc
lắp đặt turbine thu năng lượng.
3.3. Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên trong đến kết cấu thân tháp
Module CFX của ANSYS cung cấp khả năng mô phỏng trường vận tốc của
dòng lưu chất trong không gian kết cấu tháp, ngoài ra nó cũng giúp chúng ta tính toán
được áp lực của dòng lưu chất lên kết cấu vách trong của thân tháp. Do đó, trong bài
toán này, luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên trong tháp đến
khả năng làm việc ổn định của thân tháp.
3.3.1. Phương pháp phân tích
Bài toán được giải quyết dựa trên các yếu tố:
- Giải bài toán lưu chất tìm ra áp suất của của dòng khí lên thành tháp.
- Chuyển kết quả áp suất đó sang môi trường tĩnh học giải tìm ứng suất và
chuyển vị của thân tháp dưới tác động của áp suất.
3.3.2. Mô hình bài toán
Mô hình bài toán xây dựng trong ANSYS được trình bày trong hình 3.16.
Hình 3.16. Mô hình thân tháp trong ANSYS
48
Tiến hành chia lưới mô hình với các đặc tính như sau:
- Thân tháp: Sweep.
- Chân tháp: tetraheron.
- Số node: 232773 nodes.
- Số phần tử: 37594 phần tử.
- Kích thước lưới: 5m
Điều kiện biên và tải trọng được trình bày trong hình 3.17. Trước hết, áp lực do
lưu chất tác động lên vách trong được phân tích từ bài toán lưu chất, sau đó áp lực này
được chuyển sang bài toán phân tích tĩnh.
Hình 3.17. Điều kiện biên và áp lực của dòng khí bên trong sau khi được chuyển
vào bài toán tĩnh học
3.3.3. Điều kiện biên và lực tác động từ lưu chất bên trong
49
3.3.4. Kết quả phân tích
Hình 3.18. Kết quả ứng suất và biến dạng của thân tháp chịu tác dụng áp suất của
dòng khí bên trong.
Kết quả ứng suất lớn nhất tạo ra là 5,7341 x 107 (Pa) < 3 x 1010 (Pa) ứng suất
cho phép của bê tông. Bên cạnh đó chuyển vị lớn nhất là 0,53556 m là rất bé so với
kích thước của tháp (1000m chiều cao và bán kính 130m).
Từ các kết quả trên ta nhận định ảnh hưởng áp suất của dòng lưu chất bên trong
lên thân tháp là không đáng kể. Biện pháp nhằm tránh tập trung áp lực của dòng khí là
tại mỗi vị trí 100m theo chiều cao của tháp sẽ được đặt 1 nan hoa chia gió.
50
3.4. Phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất bên ngoài đến kết cấu thân tháp
Với kết cấu thân tháp cao 1000m, tải trọng gió tác động lên kết cấu là rất lớn,
thêm vào đó tải trọng bản thân của tháp cũng rất lớn. Do đó, luận văn sử dụng kỹ thuật
phân tích trường cặp đôi lưu chất - kết cấu (FSI) để đánh giá khả năng làm việc ổn định
của kết cấu tháp.
3.4.1. Mô hình bài toán trong ANSYS
(a) (b)
Hình 3.19. Mô hình tháp và khối không khí xung quanh tháp
Mô hình lưới của khối lưu chất (hình 3.19b):
- Phương pháp chia lưới: tetrahedron.
- Chia lưới lớp biên: xung quanh tháp Solar Chimney chia 7 lớp biên, lớp đầu
tiên dày 1.5m, tỉ lệ phát triển lớp biên 1.2.
- Số node: 195142 nodes.
- Số phần tử: 105573 phần tử.
3.4.2. Điều kiện biên mô hình bài toán:
- Vì xem như ảnh hưởng của lưu chất bên trong là không đáng kể nên ta bỏ qua,
chỉ xét tới ảnh hưởng của áp suất gió bên ngoài.
- Để đơn giản hóa mô hình tính toán, chỉ xét dòng khí chuyển động theo 1
hướng nhất định vuông góc với thân tháp.
51
- Vận tốc di chuyển của dòng không khí được xét lúc đang có bão với giá trị là
133km/h [8].
Áp suất tại thân tháp sẽ được chuyển từ miền khảo sát lưu chất CFX sang Static
Structral để giải bài toán tĩnh học.
Hình 3.20. Điều kiện biên và tải trọng bản thân tháp
Hình 3.21. Trường áp suất của dòng khí bên ngoài tác dụng lên thân tháp
52
3.4.3. Kết quả mô phỏng dòng lưu chất bên ngoài:
Dựa vào kết quả ứng suất: ứng suất max = 3,5502 x 107 (Pa) < 3 x 1010 (Pa) ứng
suất cho phép của vật liệu.
Kết luận: với áp lực gió bão mà mô hình tháp vẫn thỏa trạng thái giới hạn bền
của vật liệu. Vì mô hình bài toán còn bị giới hạn bởi nhiều vấn đề mà nhất là dung
lượng máy tính, nên việc giải mô hình gió ngoài một cách chính xác là không thể.
Muốn đạt được những dự đoán tương đối chính xác hơn cần làm cho hướng dòng
không khí phức tạp và trùng khớp với thực tế hơn.
Hình 3.22. Kết quả trường ứng suất – biến dạng trong thân tháp
53
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa hoc kỹ thuật, đặc biệt là trong thời
đại công nghiệp 4.0, chúng ta cần sử dụng các chương trình tính toán mô phỏng 3D để
tối ưu chi phí và thời gian cho quá trình thiết kế. Đặc biệt là với các bài toán kỹ thuật
phức tạp, các chương trình tính toán lại càng có ích cho việc nghiên cứu cũng như tìm
ra những giải pháp có lợi nhất. Kết quả mô phỏng từ các chương trình tính toán số tạo
ra cái nhìn trực quan sinh động về mô hình, tăng khả năng tương tác, dự đoán ứng xử
của mô hình trong điều kiện hoạt động mà chúng ta mong muốn. Do đó, trong luận văn
này, tác giả đã tìm hiểu, nghiên cứu và sử dụng chương trình ANSYS CFX – chương
trính tính toán số (dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thể tích hữu
hạn) để phân tích ảnh hưởng của dòng lưu chất đến kết cấu tháp năng lượng mặt trời.
4.1. Kết luận
- Tác giả đã tìm hiểu và nghiên cứu các lý thuyết lưu chất và lý thuyết về các
phương pháp tính toán số cho bài toán lưu chất.
- Tác giả đã nghiên cứu phương pháp giải bài toán trường cặp đôi lưu chất – kết
cấu thông qua chương trình ANSYS.
- Tác giả thực hiện được bốn bài toán trong luận văn. Ở bài toán 1 và 2 tác giả
tập trung phân tích dòng lưu chất bên trong mô hình tháp dưới tác động của
nhiệt. Ở bài toán 3 và 4, tác giả tập trung phân tích ảnh hưởng dòng lưu chất
bên trong và bên ngoài tháp đến khả năng chịu tải của kết cấu thân tháp. Các
bài toán mặc dù chỉ dừng lại ở việc mô phỏng bằng chương trình nhưng nó
cũng phần nào giúp ta có cái nhìn trực quan hơn, tiếp cận gần hơn với công
nghệ năng lượng mới như hệ thống Solar Tower - công nghệ mang nhiều lợi
ích về mặt năng lượng và môi trường cũng như nông nghiệp.
- Các kết quả mô phỏng từ ANSYS khá phù hợp với kết quả từ bài báo tham
khảo và thực tế. Do đó, ANSYS là giải pháp phù hợp khi phân tích các bài
4.1.1. Những ưu điểm chính của luận văn
54
toán kỹ thuật có mức độ phức tạp như các bài toán về lưu chất hay các bài
toán đa môi trường.
- Một số mô hình đã được phân tích trong luận văn, các mô hình này được tác
giả tham khảo từ các hội nghị về năng lương mặt trời. Do bài toán này khá
phức tạp, đòi hỏi nhiều thông số về điều kiện lưu chất cũng như kết cấu tháp
nên các bài toán trong luận văn còn chưa sát với thực tế.
- Các bài toán 1 và 2 trong luận văn chưa xét đến yếu tố thời gian.
4.1.2. Những thiếu sót chính của luận văn
- Phát triển vật liệu chế tạo máy thu nhiệt nhằm làm tăng hiệu suất tích trữ năng
lượng nhiệt cho dòng không khí bên trong tháp.
- Việc ứng dụng gói tối ưu hóa trong chương trình Ansys Workbench là một
hướng rất quan trọng giúp cải thiện cấu trúc tháp, cũng như tiết kiệm vật liệu.
- Thực hiện nhiều trường hợp tải gió tác dụng hơn nữa giúp việc đánh giá ứng
xử của thân tháp trong điều kiện môi trường hoạt động xác thực hơn.
4.2. Hướng phát triển
55
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. http://trungtamnangluong.vn/phat-trien-dien-mat-troi-can-co-che-khuyen-khich.
[2]. Tạ Văn Đa, Hoàng Xuân Cơ, Đinh Mạnh Cường, Đặng Thị Hải Linh, Đặng
Thanh An & Lê Hữu Hải (2016). Khả năng khai thác năng lượng mặt trời phục
vụ các hoạt động đời sống ở miền Trung Việt Nam. Tạp chí Khoa học
ĐHQGHN, tập 32, 83-89.
[3]. https://vi.wikipedia.org/wiki/ Năng_lượng_Mặt_Trời
[4]. Bộ môn Cơ Lưu Chất. Cơ học lưu chất (giáo trình). Đại học Bách Khoa
TpHCM.
[5]. Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang, Giải Bài Toán Cơ Kỹ Thuật Bằng Chương Trình ANSYS®. NXB Khoa
Học Và Kỹ Thuật, 2003.
1. Tài liệu tiếng Việt
[6]. Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems – Utilization of Solar
Induced Flows for Power Generation, Jörg Schlaich, Rudolf Bergermann,
Wolfgang Schiel, Gerhard Weinrebe, Schlaich Bergermann und Partner (sbp
gmbh), Hohenzollernstr. 1, 70178 Stuttgart, Germany.
[7]. Solar Updraft Towers: Their Role in Remote On-Site Generation, 10.391 Final
Project Malima Isabelle Wolf Advisor: Professor Jeffrey Freidberg.
[8]. SCCN - Solar Chimney Competence Network, Structural Division Germany.
[9]. Wind Loading for the Design of the Solar Tower, H.-J. Niemann, R. Höffer
Faculty of Civil Engineering, Ruhr-University Bochum, Germany.
[10]. http://infranetlab.org/blog/2009/01/from-ego-to-energy-towers-of-power-
revisited.
[11]. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_updraft_tower
[12]. Coupled-Field Analysis Guide, ANSYS® Documentation.
2. Tài liệu tiếng nước ngoài
