nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến lực lorentz trong lưu lượng kế từ thủy động lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VŨ CÔNG CHÍNH

NGHIÊN CỨU NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC
LORENTZ TRONG LƯU LƯỢNG KẾ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 6 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VŨ CÔNG CHÍNH

NGHIÊN CỨU NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC
LORENTZ TRONG LƯU LƯỢNG KẾ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ CHÍ KIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Vũ Công Chính

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30-07-1985

Nơi sinh: Nhơn Trạch-Đồng Nai

Quê quán: Đồng Nai

Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu:
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 2333, Trần Văn Trà, Ấp Thị Cầu, Xã Phú Đông,
Nhơn Trạch, Đồng Nai
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại riêng: 0984.751.614

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 6/2006

Nơi học (trường, thành phố):

Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, TP.HCM

Ngành học: Điện Tử Công Nghiệp
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Liên thông đại học

Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 09/2011

Nơi học (trường, thành phố):

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Hệ thống Server dự phòng dùng WINCC
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 08/2011, Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
3. Cao học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2012 đến 09/2014

Nơi học (trường, thành phố):

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ thuật Điện
Tên Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến lựclorentz trong

lưu lượng kế từ thủy động lực
Người hướng dẫn: TS. Lê Chí Kiên

i


4. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh trình độ B1
5. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:
bằng Kỹ Sư Điện - Điện Tử và Bằng trung cấp chuyên nghiệp, cấp tạiĐại HọcSư Phạm
Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh và cao đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ 07/2011
đến 08/2012
Từ 09/2012
đến nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Tập đoàn mắt kính Ánh Rạng

Nhân viên kỹ thuật

Làm việc tại nhà
Ngày 16 tháng 04 năm 2015
Ngƣời khai ký tên

Vũ Công Chính

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. HCM, ngày 16 tháng 4 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Vũ Công Chính

iii


LỜI CẢM TẠ
Trước hết, tôi xin cảm ơn TS. Lê Chí Kiên, người thầy đã tận tình hướng dẫn
và dìu dắt tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ
Chí Minh đã trang bị cho tôi một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong
quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin cảm ơn các bạn bè, người thân, đồng nghiệp và các bạn học cùng khóa đã giúp

đỡ, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn !
TP. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2015
Học viên thực hiện

Vũ Công Chính

iv


TÓM TẮT
Các dòng kim loại nóng chảy thường có nhiệt độ cao, ăn mòn và không trong
suốt. Do đó việc sử dụng các kỹ thuật đo lưu lượng thông thường sẽ gặp nhiều khó
khăn. Gần đây, một kỹ thuật đo lưu lượng không tiếp xúc đã được phát triển, nó
được gọi Lorentz Force Flowmeter (LFF).Nguyên lý cơ bản của LFF là dựa trên sự
tương tác của một chất lỏng dẫn điện chuyển động trong từ trường. Từ trường của
các nam châm sẽ tạo ra một lực Lorentz trong lòng chất lỏng và chúng phụ thuộc
vào vận tốc của dòng kim loại chuyển động.
Để đo được lưu lượng của các dòng kim loại lỏng thì cần phải xác định được
lực lorentz, tuy nhiên lực lorentz trong các LFF thường rất nhỏ và còn phụ thuộc
vào nhiều yếu tố. Do đó nội dung đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng đến sự thay đổi của lực lorentz.
Mô hình để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến lực lorentz trong LFF được
xây dựng trên nền tảng của phần mềm COMSOL Multiphysics (ver 5.0). Mô hình
gồm có một thanh kim loại hình vuông và hệ thống tạo từ trường hình chữ U gồm
hai khối nam châm được gắn trên khung sắt.

v

ABSTRACT
The flow of molten metal is usually high temperature, corrosion and not
transparent. Hence the use of flow measurement techniques usually difficult.
Recently, a non-contact technique has been developed, it is called the Lorentz Force
Flowmeter (LFF). The basic principle of the LFF is based on the interaction of an
electrically conductive fluid motion in the magnetic field. The magnetic field of the
magnet will generate a Lorentz force in the liquid and it depends on the velocity of
moving metal.
To measure the flow of liquid metal flow is necessary to determine the
Lorentz force, however Lorentz force in the LFF is usually very small and depends
on many factors. Thus the content of this topic focuses on the study of the factors
influencing the change of Lorentz force.
Model to examine the factors affecting the Lorentz force in the LFF is built on
a foundation of software COMSOL Multiphysics (ver 5.0). The model consists of a
square metal bar and the system generates a magnetic field consists of two Ushaped magnet is mounted on a steel frame.

vi


MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời cảm tạ
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách các từ viết tắt và ký hiệu khoa học
Danh sách các hình
Chƣơng 1: Tổng quan

TRANG
i
iii
iv
v
vii
ix
xi
1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước đã công bố

1

1.1.1 Giới thiệu về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)

1

1.1.2 Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí trong công nghiệp

2

1.1.3 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

3

1.2 Mục đích của đề tài

6

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

6

1.4 Phương pháp nghiên cứu

6

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

7

2.1 Lý thuyết về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)

7

2.1.1 Khái niệm

7

2.1.2 Ví dụ điển hình về từ thủy động lực học

7

2.1.3 Nguyên lý từ thủy động lực học

9

2.1.4 Các phương trình cơ bản

10

2.1.4.1 Phương trình Navier Stokes

10

2.1.4.2 Phương trình Maxwell

10

2.1.4.3 Định luật Ohm

11

2.1.4.4 Phương trình lực Lorentz

11

2.2 Dòng điện xoáy (Eddy Currents)

13

2.3 Kỹ thuật đo lưu lượng của các dòng kim loại hóa lỏng

15

vii

2.3.1 Lưu lượng kế điện từ DC

15

2.3.1.1 Lịch sử hình thành

15

2.3.1.2 Lưu lượng kế quy nạp điện từ

16

2.3.1.3 Lưu lượng kế lực Lorentz

17

2.3.1.4 Lưu lượng kế quay

17

2.3.2 Lưu lượng kế điện từ AC

17

2.3.2.1 Lưu lượng kế dòng điện xoáy

17

2.3.2.2 Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp Tomography (CIFT)

18

Chƣơng 3. LƢU LƢỢNG KẾ LỰC LORENTZ

19

3.1 Giới thiệu

19

3.2 Nguyên lý cơ bản

20

3.3 Lưu lượng kế thông lượng theo chiều dọc

22

3.4 Lưu lượng kế thông lượng theo chiều ngang

25

3.5 Sự tương tác của lưỡng cực từ với dòng lưu chất chuyển động đồng nhất

28

3.5.1 Từ trường sơ cấp

28

3.5.2 Dòng điện thứ cấp

30

3.5.3 Từ trường thứ cấp

31

3.5.4 Lực Lorentz

33

Chƣơng 4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƢỞNG ĐẾN LỰC
LORENTZ

35

4.1 Sự ảnh hưởng của vận tốc tới lực lorentz

35

4.2 Sự ảnh hưởng của điện dẫn suất tới lực Lorentz

38

4.3 Sự ảnh hưởng của mật độ từ hóa tới lực Lorentz

41

4.4 Sự ảnh hưởng của chiều cao (độ dày) của thanh kim loại tới lực lorentz

41

4.5 Sự ảnh hưởng của gông từ tới lực Lorentz

42

Chƣơng 5. KẾT LUẬN
5.1 Kết luận

48
48

5.2 Hạn chế

49

5.3 Hướng phát triển đề tài
TÀI LIỆU THAM KHẢO

49
50
viii


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
VÀ KÝ HIỆU KHOA HỌC
Các từ viết tắt
MHD: MagnetoHydroDynamics (từ thủy động lực học).

LFF: Lorentz force flow meters(lưu lượng kế lực Lorentz)
CIFT: Contactless Inductive Flow Tomography (Lưu lượng kế không tiếp xúc quy nạp
Tomography)

Ký hiệu khoa học
F: là lực tác động
B: là từ trường
E: là điện trường
q: là điện tích của hạt mang điện chuyển động
v: là vận tốc chuyển động
x: là phép nhân có hướng vector
ρ: là mật độ chất lỏng
P: là áp suất của dòng chảy
ν: độ nhớt động học của chất lỏng
µ: là độ từ thẩm
𝜎: là điện dẫn suất của dòng lưu chất
S: là độ nhạy của lưu lượng kế
j: là mật độ dòng điện
dF: là lực Lorentz tác dụng lên một khu vực nhỏ trên một phân bố điện tích đều liên tục
dq: là điện tích tại khu vực nhỏ
dV:một đơn vị thể tích
f : là lực Lorentz trên một đơn vị thể tích (hay là mật độ lực lorentz)
J(r): dòng điện trong cuộn dây
B(r): từ trường do dòng điện sơ cấp tạo ra
j(r): dòng điện xoáy được gây ra bởi sự chuyển động của dòng lưu chất dưới tác dụng của
từ trường sơ cấp

 (r): điện thế
ix

b(r): là từ trường thứ cấp
𝑟, 𝜑, 𝑧: tọa độ cầu
𝑒𝑟 ,𝑒𝜑 ,𝑒𝑧 : các vector đơn vị của tọa độ cầu

 : là độ xoáy

 :là số sóng không thứ nguyên của từ trường
m: moment lưỡng cực từ
h: khoảng cách từ lưỡng cực từ tới mặt chất lỏng
d :độ dày lớp chất lỏng
R: bán kính ống dẫn hình tròn
g(ξ) : hàm chức năng

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
Hình 2.1: Hình ảnh cực quang trong tự nhiên.

TRANG
8

Hình 2.2: Chiều chuyển động của điện tích q trong từ trường.

9

Hình 2.3: Qui tắc xác định chiều dòng điện.

9

Hình 2.4: Lực Lorentz trên điện tích q.

11

Hình 2.5: Lực Lorentz trên điện tích dq.

11

Hình 2.6: Quỹ đạo điện tích trong từ trường.

12

Hình 2.7: Dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn điện.

13

Hình 2.8: Hình ảnh dòng điện xoáy trong trường hợp không có vết nứt (hình
bêntrái) và trường hợp có vết nứt (hình bên phải).

14

Hình 2.9: Hình ảnh dòng điện xoáy suy giảm theo độ sâu của vật liệu dẫn điện. 15
Hình 3.1a: Từ trường sinh ra bởi cuộn dây.

20

Hình 3.1b: Từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu.

20

Hình 3.2 Sự tương tác của dòng lưu chất với từ trường.

21

Hình 3.3 Sự di chuyển của một dòng lưu chất đồng nhất với độ dẫn điện σ tương
tác với một lưỡng cực từ có hướng vuông góc với bề mặt.

29

Hình 3.4 Sự phân bố của dòng điện xoáy khi lưỡng cực từ tác dụng lên dòng lưu
chất.

31

Hình 3.5 cấu trúc của từ trường sơ cấp được sinh ra khi lưu chất tương tác với
lưỡng cực từ: (a) lớp mỏng; (b) trường hợp chung; (c) lớp nửa vô hạn

33

Hình 4.1: Sơ đồ cấu tạo của lưu lượng kếtrong COMSOL Multiphysics

35

Hình 4.2: Lực lorentz và vận tốc

36

Hình 4.3:Chiều lực lorentz trong thanh dẫn khi có gông từ (mũi tên màu xanh)

36

Hình 4.4a:Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=0cm khi vận tốc thay
đổi

37

Hình 4.4b: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=3cm khi vận tốc thay
đổi

37

Hình 4.4c: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi vận tốc thay
xi


đổi

37

Hình 4.5: Lực lorentz và điện dẫn suất

38

Hình 4.6: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi 𝜎 thay đổi

39

Hình 4.7: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương y,z khi 𝜎 thay đổi 40

Hình 4.8: Lực lorentz và độ từ hóa

41

Hình 4.9: Lực lorentz và chiều cao

42

Hình 4.10: Sơ đồ cấu tạo của lưu lượng kế không có gông từ

42

Hình 4.11: Lực lorentz và vận tốc khi không có gông từ

43

Hình 4.12: Chiều lực lorentz trong thanh dẫn khi không có gông từ

43

Hình 4.13a:Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=0cm khi không có gông từ44
Hình 4.13b: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=3cm khi không có gông
từ
44
Hình 4.13c: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi không có gông
từ
45
Hình 4.14: Lực lorentz và chiều cao của thanh dẫn khi không có gông từ

45

Hình 4.15: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi không có
gông từ và chiều cao 6cm

46

Hình 4.16: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn theo phương x khi không có
gông từ và chiều cao 14cm

47

xii


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố
1.1.1Giới thiệu về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)
Sự tương tác của các chất lỏng dẫn điện đang chuyển động với điện từ trường
sẽ làm xuất hiện các loại hiện tượng phong phú liên quan đến sự chuyển đổi năng
lượng từ sự chuyển động của các dòng chất lỏng dẫn điện thành năng lượng điện.
Các hiệu ứng có nguồn gốc từ các tương tác như vậy có thể được quan sát thấy
trong các chất lỏng, chất khí, hỗn hợp hai pha, hoặc plasma. Nhiều ứng dụng khoa
học kỹ thuật đã và đang được sử dụng hiện nay, chẳng hạn như kiểm soát nhiệt độ

và lưu lượng trong chế biến kim loại, phát điện sử dụng hỗn hợp hai pha hoặc việc
cung cấp các khí ở nhiệt độ cao, trong các lĩnh vực liên quan đến các dòng plasma ở
nhiệt độ cao. Hiệu ứng điện từ trong các chất lỏng dẫn điện đã được áp dụng trong
các lĩnh vực, chẳng hạn như magneto-fluid-mechanics, magneto-gas-dynamics, và
chúng thường được biết đến với tên gọi làtừ thủy động lực học
(MagnetoHydroDynamics_MHD).
Thiết bị MHD trong thực tế đã được sử dụng từ những năm đầu của thế kỷ 20. Ví
dụ, một mẫu thử nghiệm hệ thống bơm chất lỏng dựa trên nguyên lý MHD được
xây dựng vào đầu năm 1907. Gần đây hơn, các thiết bị MHD đã được sử dụng trong
hệ thống khuấy trộn, kiểm soát dòng chảy của kim loại lỏng trong quá trình chế
biến, luyện kim, các máy phát điệnứng dụng nguyên lý MHD, lưu lượng kế MHD
và các ứng dụng khác. Từ năm 1959, những nỗ lực lớn đã được thực hiện trên toàn
thế giới để phát triển công nghệ này nhằm mục đích cải thiện hiệu suất chuyển đổi
năng lượng điện năng, tăng độ tin cậy trong các hệ thống phát điện bằng cách loại
bỏ bộ phận chuyển động, và nhằm giảm lượng khí thải từ các nhà máy điện sử dụng
than đá và khí đốt. Các hệ thống dựa trên nguyên lý MHD sử dụng kim loại lỏng

HVTH: Vũ Công Chính1

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

hoạt động theo chu trình khép kín cũng đã được phát triển.
Vẫn còn nhiều những ứng dụng mới đang được phát triển. Ví dụ, các nghiên
cứu vềkhả năng sử dụngnước biển để tạo ra lực đẩy theo nguyên lý MHD, nghiên
cứu về việc kiểm soát các phần tử ở các lớp biên trong dòng chất lỏng hỗn loạn để

giảm lực cản. Nghiên cứu rộng rãi trên toàn cầu về khả năng lưu trữ từ của các dòng
plasma nhằm mục đích đạt được tới các điều kiện để duy trì phản ứng nhiệt hạch.
1.1.2 Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí trong công nghiệp
Đo lưu lượng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì nó phục vụ cho mục
đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa
các quá trình sản xuất. Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo, cũng như nắm
vững các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng là điều hết sức cần thiết.
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí,
chất lỏng, hay hỗn hợp khí-lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như thực phẩmnước giải khát, dầu mỏ- khí đốt, hóa chất-dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng,
kim loại hóa lỏng, thủy tinh hóa lỏng … Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất
đa dạng và luôn sẵn có cho bất kỳ ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào. Việc
chọn lựa cảm biến đo lưu lượng loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào đặc
tính chất lỏng (dòng chảy, độ nhớt, độ đậm đặc, …), dạng dòng chảy (chảy tầng,
chuyển tiếp, chảy hỗn loạn, …), dải lưu lượng và yêu cầu về độ chính xác phép đo.
Các yếu tố khác như các hạn chế về cơ khí và kết nối đầu ra mở rộng cũng sẽ ảnh
hưởng đến quyết định chọn lựa này. Nói chung, độ chính xác của lưu lượng kế còn
phụ thuộc vào cả môi trường đo xung quanh. Các ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ,
chất lỏng/khí hay bất kỳ tác động bên ngoài nào đều có thể ảnh hưởng đến kết quả
đo.
Các cảm biến lưu lượng được phân làm bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý
hoạt động của chúng: cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất, cảm biến lưu
lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis, cảm biến lưu lượng siêu âm.
Một vấn đề gặp phải đó là việc đo lưu lượng trong các dòng kim loại lỏng,
thủy tinh tan chảy… là một vấn đề rất khó khăn bởi vì các vật liệu này thường
HVTH: Vũ Công Chính2

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

không trong suốt và thường ở trạng thái nhiệt độ cao và có tính ăn mòn. Đặc biệt là
trong các trường hợp khi mà các kim loại được hóa lỏng ở nhiệt độ cao, như trong
quá trình luyện kim.
Vấn đề đo lưu lượng sử dụng từ trường đã có một lịch sử lâu đời. Nó bắt đầu
vào năm 1832 khi Michael Faraday tiến hành một thử nghiệm để xác định vận tốc
của dòng sông Thames. Phương pháp của Faraday là cho dòng chảy đi ngang qua
một từ trường và sử dụng hai điện cực để đo điện áp cảm ứng, thí nghiệm này đã
được phát triển thành một ứng dụng thành công về mặt thương mại và được gọi là
lưu lượng kế quy nạp. Trong khi lưu lượng kế quy nạp được sử dụng rộng rãi để đo
lưu lượng chất lỏng ở nhiệt độ thấp như đồ uống, hóa chất, nước thải, chúng không
thích hợp cho việc đo lưu lượng dòng chất lỏng trong một số lĩnh vực như luyện
kim. Các lưu lượng kế quy nạp yêu cầu các điện cực phải được đưa vào bên trong
chất lỏng, điều đó sẽ gặp một số vấn đề khi sử dụng trong các ứng dụng mà có nhiệt
độ cao như nhiệt độ nóng chảy của dòng kim loại.Do đó đã có nhiều nghiên cứu để
phát triển các phương pháp đo lưu lượng với yêu cầu là không có bất kỳ mối liên hệ
vế mặt cơ khí của thiết bị đo với dòng chất lỏng cần đo.
1.1.3Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
+ “Numerical study of magnet systems for Lorentz force velocimetry in
electrically low conducting fluids”,M. Werner, B. Halbedel, E. Rädlein[1]:
Vấn đề được đặt ra trongbài báo này là việc để đo lưu lượng dòng thủy tinh
nóng chảy, với đặc điểm của chất lỏng là có điện dẫn suất thấp và chất lỏng có độ
nhớt cao, có nghĩa là để phát hiện được vận tốc chất lỏng trong khoảng 1mm/s ở
nhiệt độ khoảng 11000C với đặc trưng về điện dẫn suất chỉ tương đương 10S/m.
Hiện tại không có nhiều kỹ thuật đo lưu lượngcó thể làm việc tốt trong các điều kiện
như vậy. Do đó, các ứng dụng đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc lực Lorentz là một
giải pháp rất phù hợp, bởi vì đặc điểm của các ứng dụng dạng này là không cần phải
tiếp xúc trực tiếp với dòng chất lỏng.

Bài viết này mô tả các bước đầu tiên trong quá trình thiết kế của một hệ thống
từ trường cho các lưu lượng kế để đo lưu lượng của dòng chất lỏng sử dụng lực
HVTH: Vũ Công Chính3

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Lorentz trong các dòng chất lỏng có điện dẫn suất thấp nhưdòng thủy tinh nóng
chảy. Do đó, phương pháp mô hình mạng đã được sử dụng để lựa chọn các loại
nguồn từ tính. Tác giả sử dụng các công cụ mô phỏng 3D MAXWELL và
COMSOL để so sánh các sự ảnh hưởng của các hệ thống từ tính khác nhau đến việc
đo lưu lượng. Kết quả đạt được trong bài báo muốn đề cập là chọn lựa được một hệ
thống từ trường phù hợp cho các lưu lượng kế cho những dòng lưu chất có đặc điểm
như trên.
+“Contactless Electromagnetic Phase-Shift Flowmeter for Liquid Metals”,
Janis Priede, Dominique Buchenau and Gunter Gerbeth[2]
Bài báo này trình bày một khái niệm và các kết quả thử nghiệm của một lưu
lượng kế dựa trên nguyên tắc dòng điện xoáy để đo lưu lượng cho dòng kim loại
lỏng. Tốc độ dòng chảy được xác định bằng cách áp một từ trường xoay chiều yếu
lên một dòng kim loại lỏng và đo các sự xáo trộn pha trong chất lỏng được sinh ra
bởi từ trường bên ngoài. Các đặc tính cơ bản của lưu lượng kế loạinày được phân
tích bằng cách sử dụng mô hình lý thuyết đơn giản, trong đó dòng chảy được xấp xỉ
bằng một chuyển động vật thể rắn.
Mô hình được sử dụng trong bài báo này gồm có một cuộn dây tạo ra từ
trường và hai cuộn dây được đặt đối diện với cuộn dây thứ nhất để phát hiện các từ
trường thứ cấp được sinh ra do dòng điện xoáy gây ra. Kết quả thu được khi thay

đổi tần số, số vòng dây của các cuộn dây tạo ra từ trường cũng như các cuộn dây
cảm ứng thu được kết quả về mối quan hệ giữa độ dịch pha và vận tốc dòng chảy.
+“Lorentz Force Flowmeter for Liquid Aluminum: Laboratory Experiments
and Plant Tests”, Yurii Kolesnikov, Christian Karcher, Andre´ Thess[3]
Vấn đề được đặt ra trong bài viết này là việc đo lường trong quá trình sảnxuất
nhômthứ cấp. Trong quá trình sản xuất, nhôm phế liệu được nấu chảy trong lò nung
sử dụngnguyên liệu dầu để đốt lò. Hệ thống đốt tạo ra nhiệt độ cao hơn19730K
(17000C) bên trong lò. Sau đó dung dịch nhôm hóa lỏng được đưa tới các lò chuyển
đổi thông qua một kênh dẫn để hở. Trong các lò chuyển đổi này, các thành phần
cuối cùng để tạo nên hợp kim cần chế tạo được thêm vào bao gồm Si, Cu, Fe, Mn,
HVTH: Vũ Công Chính4

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

Cr… Cuối cùng, chúng được đưa tới các máy đúc để hóa rắn, hoặc vào một lò nung,
được sử dụng để cung cấp nhôm lỏng khi cần thiết. Để việc giám sát và điều khiển
quá trình sản xuất, thì cần phải liên tục đo vận tốc trung bình của dòng nhôm lỏng
để tính toán các thông số như khối lượng và dung tích. Nhìn chung, trong một số
quá trình sản xuất việc kiểm soát được thông qua các thông số ở việc cân khối
lượng phế liệu và các khối nguyên liệu dạng rắn hoặc khối lượng các bồn chứa
nguyên liệu dạng lỏng. Do đó, một vài thông tin quan trọng trong quá trình sản xuất
sẽ không được cập nhật. Ví dụ, không biết lượng nhôm vẫn còn trong lò hoặc bao
nhiêu nhôm đã và đang trong quá trình chuyển đổi, làm cho việc đánh giá hiệu suất
từ việc sử dụng các phế liệu không được chính xác và chi phí của các nguyên liệu
cần bổ sung vào quá trình chuyển đổi không được tính toán chính xác. Vì vậy, việc

nghiên cứu các phương pháp đo trong các lĩnh vực như vậy là điều rất được quan
tâm hiện nay.
Nội dung bài viết này nhằm mục đích chứng minh rằng các dòng kim loại
nóng chảy ở nhiệt độ cao có thể đo được một cách hiệu quả theo phương pháp
không tiếp xúc bằng cách sử dụng từ trường bên ngoài. Các thiết bị được áp dụng
trong nội dung bài viết này được gọi là lưu lượng kế lực Lorentz (LFF) và được dựa
trên nguyên tắc là cho dòng chảy đi qua một hệ thống nam châm và đo lực kéo tác
động lên hệ thống nam châm đó. Có hai kết quả của phép đo được trình bày trong
bài viết này. Kết quả đo thứ nhất thu được từ việc thực hiện một thí nghiệm trên mô
hình trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng hợp kim eutectic GaInSn, trong đó
dòng chất lỏng ở nhiệt độ phòng. Kết quả đo thứ hai thu được từ việc thực hiện thử
nghiệm việc đo lưu lượng của hợp kim nhôm hóa lỏng tại nhà máy. Trong cả hai
thử nghiệmtrên, các lực tác động lên hệ thống nam châm được đo chính là lực
Lorentz tác độnglên dòng chảy. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy vấn đề hiệu chỉnh
trong quá trình sử dụng là cần thiết, các yếu tố về từ trường cần phải chú ý khi thiết
kế hay nói cách khác hệ thống từ trường đóng một vai trò quan trọng trong lưu
lượng kế loại này.

HVTH: Vũ Công Chính5

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 1

+“Sensitivity Analysis Of A Lorentz Force flowmeter For Laminar And
Turbulent flows In A Circular Pipe”, A. Thess, B. Knaepen, E. Votyakov and
O. Zikanov[4]

Bài viết này phân tích độ nhạy của một lưu lượng kế lực Lorentz cho hai
trường hợp cụ thể: trường hợp thứ nhất là một dòng chảy trong một ống được tiếp
xúc với từ trường theo chiều dọc, và trường hợp thứ hai là một dòng chảy trong ống
được đặt dưới sự tác động của từ trường theo chiều ngang. Quá trình khảo sát bao
gồm các giải pháp phân tích cho dòng chảy một chiều từng lớp và các giải pháp số
cho dòng chảy hỗn loạn. Kết quả của việc khảo sát cho thấy độ nhạy của một lưu
lượng kế lực Lorentz chỉ phụ thuộc yếu vào các chi tiết về sự phân bố vận tốc trung
bình. Ngoài ra, các mô phỏng số chỉ ra rằng lý thuyết động học thực hiện khá tốt và
biến động hỗn loạn không ảnh hưởng lớn đến các phép đo của lưu lượng kế. Hơn
nữa, nó cho thấy rằng sự có mặt của các biến động có thể dễ dàng được lọc ra từ tín
hiệu lưu lượng kế.
1.2Mục đích của đề tài
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu các các yếu tố chính ảnh hưởng đến lực
lorentz trong lưu lượng kế từ thủy động lực.
1.3Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
- Tổng quan về nguyên lý từ thủy động lực học.
- Tổng quan về nguyên lý đo lưu lượng.
- Nguyên lý làm việc chung của lưu lượng kế MHD.
- Cấu tạo chungcủa lưu lượng kế MHD
- Những yếu tố chính ảnh hưởng tới lực lorentz trong lưu lượng kế MHD
1.4Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu tham khảo.
- Sử dụng các phần mềm hỗ trợ.

HVTH: Vũ Công Chính6

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết về từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD)
2.1.1 Khái niệm
Từ thủy động lực học (MagnetoHydroDynamics_MHD) là một lĩnh vực nằm
trong khuôn khổ vật lý – toán học liên quan đến vấn đề động lực học trong các chất
lỏng dẫn điện, hay nói cách khác từ thủy động lực học là một lĩnh vực nghiên cứu
các chất lưu (kim loại lỏng, plasma,…) dẫn điện chuyển động dưới tác động của
điện trường hoặc từ trường. Từ “MagnetoHydroDynamics” bao gồm các từ
Magneto-có nghĩa là từ tính, Hydro-có nghĩa là nước (hoặc chất lỏng) và Dynamicsđề cập đến sự chuyển động của một đối tượng dưới tác dụng của lực. Ngoài rà còn
có các thuật ngữ đồng nghĩa của từ “MagnetoHydroDynamics” mà ít được sử dụng
là“MagnetoFluidDynamics” và “HydroMagnetics”.
Một

trong

những

học

giả

nổi

tiếng

nhất

liên

quan

đến

MagnetoHydroDynamics (MHD) là nhà vật lý Thụy Điển Hannes Alfvén (19081995), người đã nhận được giải Nobel Vật lý (1970) cho công trình nghiên cứu liên
quan về lĩnh vực MagnetoHydroDynamics thuộc lĩnh vực vật lý plasma.
Ý tưởng cơ bản của từ thủy động lực học là từ trường có thể tác động lực
Lorentz lên các điện tích chuyển động trong plasma, gây ra áp suất và dòng điện
cảm ứng, và dòng cảm ứng lại sinh ra từ trường cảm ứng thay đổi từ trường tổng.
Các phương trình mô tả các hiện tượng từ thủy động lực học là sự kết hợp giữa các
phương trình Navier-Stokes (mô tả thủy động lực học) và các phương trình
Maxwell (mô tả trường điện từ).
2.1.2 Ví dụ điển hình về từ thủy động lực học
Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai ví dụ điển hình của từ thủy động lực
học (MHD). Ví dụ đầu tiên liên quan đến các vấn đề về các dòng kim loại hóa lỏng
trong công nghiệp, nhằm minh họa cho lý do tại sao các thông tin về cấu trúc

HVTH:Vũ Công Chính

7

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

củadòng chảy là cần thiết ngoài những thông số về khối lượng. Ví dụ thứ hai mở
rộng
phạm vi của MHD ngoài các ứng dụng kỹ thuật và cung cấp cho ta một cáinhìn sâu
sắc hơn về MHD trong tự nhiên.
Ví dụ thứ nhất: Trong công nghiệp việc một thanh thép được sản xuất bằng
cách nung chảy một lượng thép nhất định và thêm vào một số thành phần để thay
đổi các đặc tính vật liệu của sản phẩm cần tạo ra, sau đó nó được rót vào khuôn đúc
với các hình dạng như mong muốn. Nếu việc nung chảy thép chỉ đơn thuần là quá
trình đúc, làm mát và hóa rắn thì sẽ đòi hỏi mộtlượng thời gian đáng kể và sản
phẩm sẽ không có sự đồng nhất và hoàn hảo.
Thay vào đó, người ta sử dụng một máy trộn điện từ được đặt ở phía trên
miệng của khuôn đúc. Khi dung dịch thép hóa lỏng được đổ vào khuôn, nó sẽ đi
ngang qua nam châm điện của máy trộn và chúng sẽ bị lệch khỏi phương thẳng khi
đi xuống theo hướngngang. Các thay đổi hướng trong quá trình nung làm cho việc
tạo ra các sản phẩm chất lượng hơn.
Mặc dù phải cung cấp một nguồn năng lượng cho nam châm điện, tuy nhiên
các nam châm điện không chỉ liên quan đến các thành phần trong quá trình đúc thép
mà còn liên quan đến nhiệt độ của các khuôn đúc. Như vậy, các máy trộn không chỉ
giúp loại bỏ tạp chất mà nócòn tăng cường sự truyền nhiệt ra bên ngoài của các
phôi thép, giảm thiểu thời gian trong quá trình làm nguội thép.
Ví dụ thứ hai: Đây là một ví dụ nổi bật và hữu hình của một hiện tượng MHD
trong tự nhiên được gọi là Polar Lights, còn được biết đến dưới tên gọi Aurora
Borealis (Bắc cực quang) và Aurora Australis (Nam cực quang), hoặc chỉ đơn giản
là Aurora.

HVTH:Vũ Công Chính

8

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.1: Hình ảnh cực quang trong tự nhiên
2.1.3 Nguyên lý từ thủy động lực học
Từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tích chuyển động một lực:

F = q.(v x B)

(2.1)

Trong đó:
- F là lực tác động
- q là điện tích của hạt mang điện chuyển động
- v là vận tốc của hạt chuyển động
- x là phép nhân có hướng vector
- B là cảm ứng từ
Hình 2.2: Chiều chuyển động của
điện tích q trong từ trường
Theo quy tắc nhân có hướng các véctơ, F vuông góc với cả v và B, và tuân
theo quy tắc bàn tay phải. Lực này sẽ dẫn hướng các điện tích chuyển động trong
lưu chất dẫn điện đến các điện cực đặt ở vị trí thích hợp trong dòng chảy nằm trong
từ trường và các điện cực sẽ tiếp nhận điện năng.

HVTH:Vũ Công Chính

9

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

Hình 2.3: Qui tắc xác định chiều dòng điện
2.1.4 Các phương trình cơ bản
2.1.4.1 Phương trình Navier Stokes
Phương trình chuyển động này dựa trên phương trình chuyển động theo định
luật 2 Newton. Những phương trình này còn được gọi là phương trình NavierStokes. Phương trình ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng có dạng:
V
1
  V.  V   p   2 V  F
t


(2.2)

Trong đó:
- ρ là mật độ chất lỏng.
- V vận tốc của dòng chảy.
- p là áp suất của dòng chảy.
- ν độ nhớt động học của chất lỏng.
- F là các lực khác tác dụng lên dòng chảy.
Khi dòng chất lỏng có mật độ dòng điện là j, được đặt trong một từ trường B,

thì sẽ có một lực tác dụng lên dòng chảy là j x B, và xét đến ảnh hưởng của trọng
lực thì phương trình Navier-Stokes được viết lại như sau:
V
1
1
 V. V   p   2 V  g  j  B
t



(2.3)

2.1.4.2 Phương trình Maxwell
Thông qua các phương trình Maxwell chúng ta thấy được mối quan hệ của các
thành phần tác động lên dòng chảy như sau:

 B   j (Ampere’slaw)

(2.4)

B
   E (Faraday’s law)
t

(2.5)

j   E  V  B

(2.6)

Trong đó:
- µ là độ từ thẩm.
- B là từ trường.
HVTH:Vũ Công Chính

10

GVHD: TS.Lê Chí Kiên


Luận Văn Thạc Sĩ

Chương 2

- jlà mật độ dòng điện.
- E là điện trường.
2.1.4.3 Định luật Ohm
Từ việc áp dụng định luật Ohm cho một vật dẫn chuyển động, có thể rút ra kết
luận về các dòng điện xoáy gây ra trong một vật liệu dẫn điện. Nó phát sinh từ sự
chênh lệch điện thế và sự chuyển động của vật dẫn trong một từ trường. Ở đây, σ là
điện dẫn suất. Đối với kim loại lỏng, σ có giá trị khoảng 106S/m, và chất rắn là 107
S/m.


 
J   [.  (v  B)]

(2.7)

2.1.4.4 Phương trình lực Lorentz

Nếu một hạt mang điện tích q di chuyển với vận tốc v trong từ trường B và
điện trường E thì sẽ có một lực F tác dụng lên điện tích q đó:

F = q(E + v x B)

(2.8)

Trong đó: “x” là tích vector, các đại lượng dưới dạng vector
Phương trình lực Lorentz đối với một phân bố điện tích đều liên tụccóthểviết
dưới dạng như sau:

dF = dq(E + v x B)

(2.9)

Trong đó: dF là lực Lorentz tác dụng lên một khu vực nhỏ trên một phân bố điện
tích đều liên tục, dq là điện tích tại khu vực nhỏ đó.
Nếu chia 2 vế của phương trình (2.9) cho thể tích của khu vực nhỏ dV ta được:

f   ( E  v  B)

(2.10)

Trong đó: f là lực Lorentz trên một đơn vị thể tích (hay là mật độ lực lorentz), ⍴ là
mật độ điện tích trên một đơn vị thể tích.

HVTH:Vũ Công Chính

11

GVHD: TS.Lê Chí Kiên