Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dòng trong ống khí động kín

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT ĐẶC
TÍNH DỊNG TRONG ỐNG KHÍ ĐỘNG KÍN
NGUYỄN NAM MINH


Ngành Cơ khí động lực

Giảng viên hướng dẫn:
Viện:

TS. Lưu Hồng Quân
Cơ khí động lực

HÀ NỘI, 6/2020

Chữ ký của GVHD



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Nam Minh
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dịng trong

ống khí động kín
Chun ngành: Cơ khí động lực

Mã số SV: CBC18014
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả
đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 17/5/2010 với các
nội dung sau:
Chương 1: Chỉnh sửa lại các đoạn thuyết minh một cách rành mạch, rõ ràng.
Chương 2: Chỉnh sửa các công thức tính tốn, bổ xung thêm các trích dẫn tài liệu
tham khảo.
Chương 3: Thêm một số nhận xét về kết quả mơ phỏng thu được.
Bổ xung thêm bảng các kí hiệu sử dụng trong luận văn

Ngày 30 tháng 6 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG



TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn nghiên cứu, thiết kế và khảo sát dịng trong ống khí động kín bằng phương
pháp tính tốn động lực chất lỏng. Mơ hình nghiên cứu đã ước lượng được tổng tổn
thất áp suất phụ thuộc vào điều kiện biên đầu vào. Một mơ hình đầy đủ của ống khí
động đã được nghiên cứu thay vì như thơng thường chỉ có dịng qua buồng thử mới
được kiểm tra, cho phép tối ưu hóa chất lượng dịng chảy khơng chỉ ở buồng thử mà
cịn ở tồn bộ hệ thống. Đồng thời thể hiện các cách tối ưu thiết kế ống khí động được
kiểm chứng bằng các bài tốn mơ phỏng khí động.

ABSTRACT OF THESIS
A systematic investigation into the design and simulation of flow parameters in a

closed-loop wind tunnel was carried out using Computational Fluid Dynamics (CFD).
The model for estimating pressure losses were directed as input boundary conditions.
Full-scale model of the entire wind tunnel was considered instead of the conventional
approach, in which only test section flow is simulated. This allowed for optimisation
of flow quality not only in the test section but also the flow in the entire tunnel.

Hà Nội, ngày 30 tháng 6 năm 2020
Tác giả luận văn

Nguyễn Nam Minh



MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ỐNG KHÍ ĐỘNG ...............................................2
1.1. Giới thiệu .......................................................................................................2
1.2. Định nghĩa .....................................................................................................2
1.3. Lịch sử phát triển...........................................................................................3
1.4. Phân loại ........................................................................................................3
1.5. Nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng. .................................................4
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG VỊNG KÍN ............6
2.1. Lý thuyết thiết kế các thành phần chính của ống khí động ...........................7
2.1.1. Buồng thử (test chamber) .......................................................................7
2.1.2. Ống côn (contraction) ............................................................................8
2.1.3. Buồng lắng và lưới (settling chamber & screen) .................................10
2.1.4. Góc phần tư (corner) ............................................................................12
2.1.6. Quạt (fan) .............................................................................................14
2.2. Tính tốn các thơng số của ống khí động ....................................................15
2.3. Hồn thiện thiết kế ......................................................................................20

2.4. Lựa chọn hệ thống quạt ...............................................................................20
CHƯƠNG 3: KIỂM NGHIỆM MƠ HÌNH BẰNG ANSYS FLUENT ..............23
3.1. Tổng quan về CFD và phần mềm ANSYS Fluent ......................................23
3.1.1. Tổng quan về CFD ...............................................................................23
3.1.2. Giới thiệu ANSYS Fluent ....................................................................24
3.2. Thiết kế mô phỏng ống khí động trên ANSYS FLUENT...........................26
3.2.1. Vẽ mơ hình ...........................................................................................26
3.2.2. Chia lưới ...............................................................................................26
3.2.3. Cài đặt mô phỏng .................................................................................27
3.3. Mô phỏng kiểm nghiệm mơ hình ................................................................30
3.3.1. Kiểm nghiệm bộ phận ..........................................................................30
3.3.1.1. Kiểm nghiệm lá cánh phân dòng tại bộ khuếch tán ....................30
3.3.1.2. Kiểm nghiệm khả năng giảm nhiễu loạn của lá cánh hướng dịng
tại các góc phần tư. ...................................................................................31
3.3.2. Kiểm nghiệm tổng thể thiết kế ống khí động .......................................33
3.3.2.1. Kiểm nghiệm ống khí động đầy đủ .............................................33
3.3.2.2. Kiểm nghiệm các trường hợp khác nhau của ống .......................35
3.3.2.2.1. Trường hợp ống không có lá cánh hướng dịng ..................35
3.3.2.2.2. Trường hợp có lá cánh phân dòng ở sau buồng thử ...........37
3.3.2.2.3. Trường hợp có lá cánh phân dịng ở trước buồng thử ........38
3.3.2.3. So sánh đồ thị vận tốc và năng lượng rối của dòng vào buồng thử
theo các trường hợp ..................................................................................39
CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG ỐNG KHÍ ĐỘNG ................................................43
4.1. Khảo sát đặc tính khí động của vật thể hình cầu trong ống khí động .........43
4.1.1. Tại vận tốc đầu vào 30m/s ...................................................................43
4.1.2. Tại vận tốc đầu vào 100m/s .................................................................44
4.1.3. Tại vận tốc đầu vào 200m/s .................................................................45
4.1.4. So sánh với kết quả thu được của John Singleton và Rajesh Bhaskaran
tại Đại học Cornell. ........................................................................................45
4.2. Khảo sát đặc tính khí động của cánh naca trong ống khí động ...................46

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ......................................................................................46


TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 48
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 49


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Ống khí động trong thực tế ............................................................................5
Hình 2: Sơ đồ ống khí động vịng kín .........................................................................6
Hình 3: Hình dạng buồng thử......................................................................................7
Hình 4: Hình dạng ống cơn .........................................................................................8
Hình 5: Thiết kế ống cơn .............................................................................................9
Hình 6: Hình dạng buồng lắng ..................................................................................10
Hình 7: Phân bố các lớp của buồng lắng ...................................................................11
Hình 8: Hình dạng của góc ống khí động .................................................................12
Hình 10: Sơ đồ thiết kế ống khí động kín .................................................................16
Hình 11: Bản vẽ thiết kế chi tiết (đơn vị mm) ..........................................................20
Hình 12: Động cơ đốt trong được mơ hình hóa bằng ANSYS FLUENT ................25
Hình 13: Mơ hình thiết kế ống khí động ...................................................................26
Hình 14: Chia lưới mơ hình ......................................................................................26
Bảng 3: Thơng số chia lưới .......................................................................................27
Hình 15: Cài đặt chế độ mơ phỏng ...........................................................................28
Hình 16: Cài đặt mơ hình rối.....................................................................................29
Hình 17: Cài đặt điều kiện đầu vào ...........................................................................29
Hình 18: Vận tốc dịng khí sau khi đi qua bộ khuếch tán khơng cài đặt lá cánh ......30
Hình 19: Vận tốc dịng khí sau khi đi qua bộ khuếch tán có cài đặt lá cánh phân dịng
...................................................................................................................................30
Hình 20: Mặt phẳng cắt trong mơ phỏng góc ...........................................................31
Hình 22: Vận tốc theo mặt cắt dọc trong 2 trường hợp ............................................32

Hình 23: Vận tốc theo mặt cắt ngang của góc khơng có lá hướng dịng ..................32
Hình 24: Vận tốc theo mặt cắt ngang của góc có lá hướng dịng .............................32
Hình 25: Phân bố vận tốc tại mặt phẳng cắt của ống ................................................33
Hình 28: Vị trí đường tâm xét vận tốc ......................................................................34
Hình 29: Vận tốc dịng khí khi đi qua trục giữa ........................................................34
Hình 30: Vận tốc theo mặt cắt ngang trường hợp khơng có lá cánh góc ..................35
Hình 31: Vận tốc theo mặt cắt dọc qua buồng thử trường hợp khơng lá cánh góc ..35
Hình 32: Vận tốc theo mặt cắt qua buồng thử trường hợp khơng lá cánh góc .........36
Hình 33: Vận tốc tại đầu ra (outlet) ở trường hợp khơng có lá cánh góc .................36
Hình 34: Mặt cắt ngang và dọc của ống trong trường hợp có lá cánh phân dịng phía
sau buồng thử ............................................................................................................37
Hình 35: Một số mặt cắt trong trường hợp có lá cánh ở phía sau buồng thử ...........37
Hình 36: Mặt cắt ngang và dọc của ống trong trường hợp có lá cánh phân dịng phía
trước buồng thử .........................................................................................................38
Hình 37: Một số mặt cắt trong trường hợp có lá cánh ở phía trước buồng thử ........38
Hình 38: So sánh vận tốc qua các trường hợp ..........................................................39
Hình 39: So sánh động năng rối theo các trường hợp ...............................................40
Hình 40: Vận tốc theo trục Ox tại tâm buồng thử .....................................................40
Hình 41: Động năng rối theo trục Oy tại tâm buồng thử ...........................................41
Hình 42: Vận tốc theo trục Oz tại tâm buồng thử......................................................41
Hình 43: Động năng rối theo trục Oy tại tâm buồng thử ...........................................42
Hình 54: Mơ hình mơ phỏng buồng thử....................................................................49
Hình 55: Mơ hình ống khí động đầy đủ ....................................................................50


Hình 56: Mơ phỏng vận tốc dịng khí qua ống khí động ......................................... 51
Hình 57: Phân bố áp suất trên ống khí động ............................................................ 52
Hình 58: Dịng khí qua profil cánh đặt trong buồng thử .......................................... 52

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
CFD ................................................Computational Fluid Dynamics
(Tính tốn động lực học dòng chảy)
SIMPLEC ......................................Semi-Implicit Method for Pressure-Linked
Equations
(Phương pháp thường dùng cho các phương trình
liên kết áp suất)
CLSWT..........................................Close loop Subsonic Wind Tunnel
(Ống khí động vịng kín dưới âm)

BẢNG KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
DC1_C2
DF
Dh
ei
Hent, Went
Hexit, Wexit
LTC, WTC,
HTC
LSC, WSC,
HSC
LC, WC, HC
LD, WD, HD
LCi
STC
DTC
LWT
N
n
P

Q
Re
ri
V
VTC
WCL, LCL
∆p
ζ
α/2
β/2
𝜌
𝜂

Khoảng cách giữa đầu ra của góc 1 tới giữa góc 2
Đường kính quạt
Đường kính thủy lực
Tỷ lệ mở của góc “I”
Chiều cao, chiều rộng lối vào góc
Chiều cao, chiều rộng lối ra góc
Chiều dài, chiều rộng, chiều cao buồng thử

m
m
m

Chiều dài, chiều rộng, chiều cao buồng lắng

m

Chiều dài, chiều rộng, chiều cao ống côn

Chiều dài, chiều rộng, chiều cao bộ khuếch tán
Chiều dài của góc thứ “I”
Diện tích lối vào buồng thử
Đường kính thủy lực của buồng thử
Chiều dài tổng cộng của ống khí động
Tỉ lệ co của ống cơn
Số lá cánh trong 1 góc
Cơng suất quạt
Lưu lượng thể tích
Hệ số Renold
Bán kính góc thứ “i”
Vận tốc dịng khí
Vận tốc dịng khí tối đa tại buồng thử
Chiều dài, rộng theo đường trung tâm của ống khí động
Độ tăng áp suất
Hệ số tổn thất áp suất
Góc bán mở dọc của ống cơn
Góc bán mở ngang của ống cơn
Khối lượng riêng của khơng khí
Hiệu suất quạt

m
m
m
m2
m
m

m
m

m

W
m3/s
m
m/s
m/s
m

deg
deg
Kg/m3



LỜI NÓI ĐẦU

Sau chuyến bay đầu tiên của anh em nhà Wright vào năm 1903, ngành hàng không
thế giới bước sang một giai đoạn mới. Để phục vụ nghiên cứu đặc tính của các loại
máy bay mới con người đã chế tạo ra các ống khí động hỗ trợ cho việc nghiên cứu
khí động một cách tiện lợi và an tồn.
Ống khí động ra đời cách đây gần 100 năm, nhưng tới bây giờ vẫn là cơng cụ rất hữu
ích cho các nhà nghiên cứu khí động. Mặc dù trong thế giới phẳng ngày nay đã có rất
nhiều phương pháp thay thế để nghiên cứu các đặc tính của dịng khí tác động lên các
vật thể bay như các phương pháp mơ phỏng số sử dụng máy vi tính, nhưng vẫn chưa
thể loại bỏ hoàn toàn tác dụng của ống khí động. Thơng thường trong những cơng
đoạn cuối nghiên cứu khí động, vật thể bay vẫn được kiểm tra lại bằng việc làm thí
nghiệm trong ống khí động.
Do nhu cầu cần thiết có một thiết kế ống khí động có chất lượng khí động tốt làm
tiền đề cho việc phát triển, chế tạo sau này. Em đã được giao luận văn thạc sĩ: Nghiên

cứu, thiết kế và khảo sát đặc tính dịng trong ống khí động kín.
Em xin trân trọng cảm ơn Tiến sĩ Lưu Hồng Quân đã hướng dẫn và giúp đỡ em tận
tình để em có thể hồn thành nội dung luận văn thạc sĩ của mình. Tuy nhiên do mặt
hạn chế về thời gian cũng như kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi những
sai sót. Rất mong sự góp ý bổ sung của các thầy cô.

Em xin trân trọng cảm ơn!
[1]


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ỐNG KHÍ ĐỘNG
1.1. Giới thiệu
Cơ cấu của ống khí động rất đơn giản, bao gồm một ống tạo luồng, bên trong lắp đặt
hệ thống cánh quạt gió, và bên ngồi thì đặt các thiết bị đo đạc. Hiện đại hơn nữa thì
có thêm các hệ thống cân điện tử sử dụng các cảm biến điện trở, các tín hiệu từ cảm
biến được chuyển tới các máy vi tính để vẽ thành các đồ thị phụ thuộc lực khí động,
moment, … vào các trạng thái đặt vật thí nghiệm.
Phụ thuộc vào chức năng, kiểu dáng của mình mà ống khí động được chia thành các
loại: ống dưới âm, cận âm, siêu thanh, ống khép kín, ống hở, ống tạo luồng ổn đinh,
khơng ổn định,…
Khơng chỉ có mục đích là nghiên cứu các vật thể bay mà ống khí động cịn giúp con
người nghiên cứu bất kỳ vật gì chịu tác động các lực đáng kể sinh ra bởi khơng khí.

Hình 1: Ống khí động trong thực tế
1.2. Định nghĩa
Ống khi động (wind tunnel) là 1 công cụ để nghiên cứu khí động, xem xét tác động
của dịng khí lên 1 vật thể rắn được đặt trong ống. Dịng khí trong ống khí động thơng
[2]

thường được tạo thành bằng một hệ thống quạt. Các đối tượng được nghiên cứu trong
ống khí động thường gắn với các cảm biến thích hợp để đo lực khí động, phân bố áp
suất và các đặc tính khí động khác.
1.3. Lịch sử phát triển
Năm 1987, Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky đã chế tạo ra các mẫu ống khí động
đầu tiên.
Năm 1903, Stanton tại phịng Vật lý quốc gia Ln Đơn đã chế tạo được ống khí động
mà khơng khí được lấy trực tiếp của khí quyển.
Năm 1909, ở Gottingen nhà bác học Đức Ludvvig Prandtl đã cải tiến thiết kế của
Stanton.
Trong cùng năm này, kỹ sư Pháp nổi tiếng Gustave Eiffel đã hồn thiện thiết kế của
ống khí động và từ đó cho đến tận ngày nay, kết cấu nguyên lý của các ống khí động
lực học dùng để nghiên cứu các vận tốc dưới âm vẫn không thay đồl: chúng chi tăng
các kích thước và cải tiến các đặc điềm riêng lẻ hoặc là cải tiến thêm để nghiên cứu
các dịng khí trong các điều kiện đặc biệt.
1.4. Phân loại
Ống khí động phân loại theo:


Vùng vận tốc của dịng khí tạo ra bên trong nó (tới âm thanh, ngưỡng âm thanh

(0.8 

Kích thước và kiểu loại vùng làm việc: kín, hở
 Ống khí động kín: Ống khí động là một quy trình khép kín của dịng khí.
 Ống khí động hở: Ống khí động hở có hai đầu hở. Một đầu để khơng khí vào
một đầu để khơng khí được thổi ra ngồi.

Về đặc điểm hai loại ống khí động này đều có những ưu điểm riêng.

-

Vận tốc: Ống khí động hở cho phép đạt vận tốc cao hơn ống khí động kín khi
so sánh cùng một cơng suất quạt. Đó là do dịng khí trong ống khí động hở
được thổi hoặc hút trực tiếp tới buồng thí nghiệm.

-

Độ ổn định và phân bố trường vận tốc: Ống khí động kín cho độ ổn định cao
hơn cũng như một trường phân bố vận tốc đều hơn cả ở hai vùng biên.

-

Giá thành và kích thước: Ống khí động kín có giá thành đắt hơn rất nhiều so
[3]


với ống khí động hở có cùng vận tốc. Hơn thế ống khí động kín địi hỏi một
diện tích rất lớn.


Tỉ lệ co giữa diện tích tiết diện ngang của miệng phun của ống với của ống

cơn trước.


Ngồi ra cịn có những kiểu ống khí động khác như:


Loại nhiệt độ cao: cho phép nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ cao và các

hiện tượng liên quan đến sự phân ly và ion khí.



Loại cho nghiên cứu vật thể bay cao: để nghiên cứu chảy bao vật thể bởi dịng
khí loãng (trên độ cao rất lớn).



Kiểu âm học: dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của các trường âm thanh lên độ
bền của cấu trúc, lên sự hoạt động của các thiết bị khác.

1.5. Nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng.
Khơng khí được thổi hoặc hút qua một ống dẫn được trang bị dụng cụ quan sát và
dụng cụ đo, nơi các mơ hình hoặc hình dạng hình học được cho vào trong ống để
nghiên cứu. Thông thường không khí được di chuyển qua ống khí động bằng quạt.
Đối với các ống khí động rất lớn có đường kính vài mét, một quạt lớn khơng thiết
thực và vì vậy thay vào đó một hệ nhiều quạt được sử dụng song song để cung cấp
một luồng khơng khí cần thiết. Do mỗi thí nghiệm lưu lượng và vận tốc khơng khí
u cầu khác nhau, quạt có thể được cung cấp bởi động cơ phản lực tĩnh chứ khơng
chỉ có mỗi động cơ điện.
Luồng khơng khí tạo ra bởi các quạt bản thân nó rất hỗn loạn do chuyển động quạt
(khi quạt thổi khơng khí vào buồng thử - khi hút khơng khí ra khỏi buồng ở phần
đằng sau, khơng chỉ do nhiễu loạn gió ở cánh quạt) và dẫn tới các phép đo thiếu chính
xác. Khơng khí di chuyển qua ống khí động cần phải tương đối ổn định và chảy tầng.
Để khắc phục vấn đề này, các lá cánh phân dòng được sắp xếp chặt chẽ được sử dụng
để làm sn luồng khơng khí hỗn loạn trước khi vào buồng thử.
Do ảnh hưởng của độ nhớt, mặt cắt ngang của ống khí động thường là hình trịn chứ
khơng phải là hình vng, vì sẽ có sự co thắt dịng chảy lớn hơn ở các góc của một
ống hình vng có thể làm cho dịng chảy hỗn loạn. Một ống trịn cung cấp một dịng

chảy có chất lượng tốt hơn.
[4]


Mặt bên trong của ống khí động thường phẳng nhất có thể để giảm nhiễu loạn bề mặt
và vật thể đang được thử nghiệm thường được giữ gần trung tâm của ống khí động
nhằm tránh ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo.
Ánh sáng thường được gắn bên thành ngồi của ống khí động và chiếu qua cửa sổ.
Nếu ánh sáng được gắn trên bề mặt bên trong của ống khí động theo cách thơng
thường, bóng đèn sẽ tạo ra sự hỗn loạn khi khơng khí thổi xung quanh nó. Vì vậy việc
quan sát thường được thực hiện thông qua các cửa sổ trong suốt gắn vào thành ống
khí động. Thay vì chỉ đơn giản là các mặt phẳng, các cửa sổ quan sát này có thể được
uốn cong để phù hợp với mặt cắt ngang của ống và làm giảm đi sự nhiễu loạn xung
quanh.
Các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để nghiên cứu luồng không khí đi qua vật thể
và so sánh nó với các kết quả lý thuyết, cũng phải tính đến số Reynolds và số Mach
cho chế độ hoạt động.
Ống khí động thường được sử dụng trong các mục đích: học tập, nghiên cứu, thử
nghiệm mơ hình, hàng khơng, xe đua, xây dựng,…

[5]


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ỐNG KHÍ ĐỘNG KÍN
Ống khí động kín là ống khí động tạo thành một vịng khép kín trong đó dịng khí
được thổi bên trong ống bằng một hệ thống quạt. Trong một ống khí động kín, khơng
khí được tính tốn lại để nâng cao hiệu suất khí động cho nên những ống này thường
lớn hơn và khó khăn hơn để chế tạo. Phải được thiết kế cẩn thận để tối đa hóa tính
thống nhất của dịng chảy khi tuần hồn. Những ống khí động này được trang bị quạt
hướng trục và đôi khi bao gồm máy nén nhiều tầng để tạo ra tốc độ khơng khí cận âm

và siêu âm. Ống khí động kín và tuần hồn do đó thường cần ít năng lượng để đạt
được một tốc độ cần thiết, và trên hết thuận lợi cho kiểm sốt tốt dịng khí vào buồng
thử. Hiện tại hầu hết các ống khí động ở tốc độ thấp dùng để nghiên cứu là ống khí
động kín. Có 3 tiêu chí chính cần đạt được khi thiết kế ống khí động là tốc độ dịng
tối đa, dịng đồng nhất và mức độ nhiễu loạn.

Hình 2: Sơ đồ ống khí động vịng kín

[6]


2.1. Lý thuyết thiết kế các thành phần chính của ống khí động
2.1.1. Buồng thử (Test chamber)
Kích thước phải được thiết kế theo các thơng số kĩ thuật chính của ống khí động bao
gồm tốc độ hoạt động và chất lượng lưu lượng mong muốn.
Kích thước và tốc độ hoạt động của buồng thử quyết định kích thước tối đa của mẫu
và hệ số Reynold cao nhất đạt đc. Hình dạng mặt cắt ngang phụ thuộc vào ứng dụng.
Dân dụng và cơng nghiệp: hình vng, mẫu thử đa dạng và diện tích mặt cắt của mẫu
khơng được lớn hơn 10% diện tích mặt cắt ngang của buồng thử để tránh phải điều
chỉnh sự tắc nghẽn phi tuyến (nguồn A Theory of the Blockage Effects on Bluff Bodies
and Stalled Wings in a Closed Wind Tunnel, Maskell, 1963)
Hàng khơng: hình chữ nhật


Với mẫu thử 3D tỉ lệ chiều rộng/chiều cao là 4:3



Với mẫu thử 2D là 2:5 nhằm làm cho độ dày lớp biên nhỏ hơn nhiều so với

khoảng cách mơ hình.

Hình 3: Hình dạng buồng thử

[7]




Hệ số tổn thất áp suất được tính
ζ = λ · L / Dh

(1)

Trong đó: L chiều dài buồng thử
Dh đường kính thủy lực
λ là hệ số cho bởi biểu thức λ=1/(1,8logRe-1,64)2
(Tài liệu tham khảo: Design Methodology for a Quick and Low-Cost Wind Tunnel
Miguel. A. González Hernández, Ana I. Moreno López, Artur A. Jarzabek, José M.
Perales Perales, Yuliang Wu and Sun Xiaoxiao, 2013)
2.1.2. Ống côn (contraction)
Ống côn (Contraction) là 1 trong những phần thiết kế quan trọng nhất của 1 ống khí
động, nó có tác động lớn nhất chất lượng dịng khí vào buồng thử. Mục đích của nó
là tăng tốc độ dòng chảy từ buồng lắng (settling chamber) vào buồng thử. Giảm
nhiễu loạn dịng chảy và khơng đồng đều trong buồng thử. Điều này phụ thuộc vào
tỉ lệ co (N) giữa lối vào và lối ra.

Hình 4: Hình dạng ống côn

[8]

Mặc dù để cải thiện dòng chảy tỉ lệ co nên càng lớn càng tốt tuy nhiên nó ảnh hưởng
rất lớn đến kích thước hầm gió tổng thể. Trong một số trường hợp nó được chọn phù
hợp với yêu cầu.
Trong trường hợp dân dụng hay cơng nghiệp thì tỉ lệ co 4 và 6 là đủ. Với 1 thiết kế
tốt, mức độ biến động dịng chảy và khơng đồng nhất có thể đạt được 2%, đó là chấp
nhận được với nhiều ứng dụng, tuy nhiên nếu có lưới đặt trong buồng lắng thì những
mức độ có thể giảm xuống 0.5%, đó là giá trị rất hợp lý ngay cả đối với hàng khơng.
Đối với hàng khơng địi hỏi nhiều hơn, khi chất lượng dòng chảy phải là tốt hơn so
với 0.1% sự không đồng đều tốc độ theo chiều dọc, và tốt hơn 0.3% ở mức độ bất ổn
dọc và ngang, một tỉ lệ co giữa 8 và 9 là chấp nhận được. Tỷ lệ này cho phép cài đặt
2 hoặc 3 lưới trong buồng lắng mục tiêu đảm bảo chất lượng dịng và khơng tổn thất
áp suất khi qua chúng.
Hình dạng của ống cơn là đặc tính thứ 2 cần xác định. Kiểu cổ điển với hình dạng
ống cơn với độ cong bán kính nhỏ ở góc vào rộng và độ cong lớn cửa ra hẹp không
phải tối ưu. Có nguy cơ tách ranh giới lớp ở góc rộng, hoặc nhiễu loạn dòng chảy khi
qua lưới cuối. Khi tất cả bán góc của ống cơn α/2 và β/2 lấy giá trị khoảng 12°, ống
cơn có chiều dài hợp lý và chất lượng dịng chảy tốt với hình dạng đường viền 2 phân
đoạn của đường cong đa thức bậc 3.

Hình 5: Thiết kế ống côn
Hệ số tổn thất áp suất liên quan đến áp suất động trong phần hẹp:
𝜉={

𝜆

} (1 −

𝛼

[16 sin( )]
2

1
𝑁2

)+{

𝜆

} (1 −

𝛽
[16 sin( )]
2

1
𝑁2

)

1

Với 𝜆 = (1,8𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒−1,64)2
Số Reynolds dựa vào đường kính thủy lực phần thu hẹp.
[9]

(3)

(Tài liệu tham khảo: Design Methodology for a Quick and Low-Cost Wind Tunnel
Miguel. A. González Hernández, Ana I. Moreno López, Artur A. Jarzabek, José M.
Perales Perales, Yuliang Wu and Sun Xiaoxiao, 2013)
2.1.3. Buồng lắng và lưới (settling chamber & screen)
Trong trường hợp yêu cầu chất lượng lưu lượng thấp, nó là một đoạn ống dẫn liên tục
đơn giản, kết nối đầu ra của góc 4 với lối vào của ống cơn. Tuy nhiên nếu cần dịng
chất lượng cao, một số thiết bị có thể cài đặt để tăng tính đồng nhất dòng chảy và
giảm mức độ bất ổn ở đầu vào của ống côn. Các thiết bị thường sử dụng là lưới và
ống tổ ong. Ống tổ ong rất hiệu quả trong việc giảm nhiễu loạn bên, như dòng chảy
qua ống dài và hẹp. Tuy nhiên nó tạo ra các nhiễu loạn trục tương đương với kích
thước của nó cái mà giới hạn bởi độ dày của lỗ tổ ong. Chiều dài phải lớn hơn đường
kính ít nhất 6 lần.

Hình 6: Hình dạng buồng lắng
Mặc dù lưới khơng ảnh hưởng đến sự bất ổn bên, chúng rất hiệu quả trong việc giảm
nhiễu loạn theo chiều dọc. Trong ống côn nhiễu loạn bên ít hơn nhiễu loạn dọc. sử
dụng 1 loạt 2 hoặc 3 lưới có thể giảm bớt mức độ nhiễu loạn theo 2 hướng đến 15%.
[10]


Hệ số tổn thất áp suất, ứng với áp lực động, một lưới 80% làm bằng xốp dày 0,5 mm
là khoảng 0,4.

Hình 7: Phân bố các lớp của buồng lắng
Nếu muốn chất lượng dòng chảy tốt, ta kết hợp ống tổ ong và lưới. Ống tổ ong được
đặt phía trước 1 đến 2 lưới. Hệ số tổn thất áp suất cục bộ là 1,5. Nếu tỉ lệ co là 9, tác
động vào tổng hệ số áp suất sẽ vào khoảng 0,02 nghĩa là sẽ giảm khoảng 5% tốc độ
gió tối đa của nguồn năng lượng cài đặt trước.
(Tài liệu tham khảo: Design Methodology for a Quick and Low-Cost Wind Tunnel
Miguel. A. González Hernández, Ana I. Moreno López, Artur A. Jarzabek, José M.

Perales Perales, Yuliang Wu and Sun Xiaoxiao, 2013)

[11]


2.1.4. Góc phần tư (corner)
Ống khí động vịng kín bao gồm 4 góc, chịu trách nhiệm hơn 50% tổng tổn thất áp
suất. Quan trọng nhất là góc 1 vì nó chiếm 34% tổng tổn thất áp suất. Để giảm tổn
thất áp suất và nâng cao chất lượng dòng chảy ở lối ra.
Chiều cao và chiều rộng lối vào Hent và Went đã được cho bởi bộ khuếch tán trước đó.
Chiều cao lối ra nên giống như lối vào nhưng chiều rộng tăng (tỉ lệ mở rộng
Wexit/Went). Tham số này có thể tác động tích cực vào giá trị của hệ số tổn thất áp suất
vào khoảng 1,1. Sẽ được thiết kế chi tiết trong phần này

Hình 8: Hình dạng của góc ống khí động
Bán kính góc là một tham số thiết kế và nó tỉ lệ với chiều rộng ở lối vào góc. Bán
kính sẽ giống hệt nhau với các lá cánh ở góc. Mặc dù tăng bán kính góc làm giảm tổn
thất áp suất do sự phân bố áp suất lên lá cánh góc nhưng nó lại tăng cả tổn thất do ma
sát và kích thước ống khí động tổng thể. Theo kinh nghiệm, bán kính góc bằng khoảng
0.25Went tại góc 1 và 2. Và bằng 0.2Went ở các góc cịn lại.
Khoảng cách giữa các lá cánh của góc là 1 tham số quan trọng. Khi số lá cánh tăng
lên sự tổn thất áp suất giảm nhưng ma sát tăng. Khoảng cách như nhau thì sẽ dễ dàng
xác định và thiết kế hơn. Trong trường hợp này, để giảm thiểu tổn thất áp suất, khoảng
[12]


cách sẽ được tăng dần từ các lá cánh bên trong đến bên ngồi. Các lá cánh có thể
được định nghĩa là các tấm cong đơn giản, nhưng cũng có thể được thiết kế như các
cánh thuôn, giảm tổn thất áp suất hơn nữa. Các trường hợp ống khí động tốc độ thấp
các tấm cong cho kết quả khá tốt. Tuy nhiên góc 1 cần thiết kế để để ổn định dông

chảy và giảm tổn thất áp suất. phần mở rộng bằng với dây cung cánh là 1 giải pháp
cho vấn đề này.
Các thơng số khác như độ dài vịng cung của lá cánh hoặc hướng của nó khơng được
đề cập ở đây. Việc giảm tổn thất áp suất là rất quan trọng nên thiết kế tối ưu của các
yếu tố này, ít nhất là góc 1 hoặc 2, có 1 tác động đáng kể về hiệu suất ống khí động.
(Tài liệu tham khảo: Design Methodology for a Quick and Low-Cost Wind Tunnel
Miguel. A. González Hernández, Ana I. Moreno López, Artur A. Jarzabek, José M.
Perales Perales, Yuliang Wu and Sun Xiaoxiao, 2013)
2.1.5. Bộ khuếch tán (diffuser)
Các chức năng của bộ khuếch tán là phục hồi áp suất tĩnh để tăng hiệu quả ống khí
động, duy trì các dịng tấng cho hiệu quả khí động. Bộ khuếch tán đóng vai trị quan
trọng cho chất lượng dịng khí qua buồng thử.
Trong trường hợp dòng tách rời, các rung động áp suất truyền ngược vào buồng thử
dẫn đến áp lực và vận tốc không đồng đều. Bộ khuếch tán hoạt động như bộ đệm
trong việc truyền tải các rối loạn sau khi dòng khí đi qua buồng thử. Để tránh các
dịng chảy tách rời thì góc bán mở tối đa trong bộ khuếch tán phải nhỏ hơn 3.5 độ.
(Tài liệu tham khảo: Design Methodology for a Quick and Low-Cost Wind Tunnel
Miguel. A. González Hernández, Ana I. Moreno López, Artur A. Jarzabek, José M.
Perales Perales, Yuliang Wu and Sun Xiaoxiao, 2013)

Hình 9: Hình dạng bộ khuếch tán

[13]