(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị phát điện làm việc theo nguyên lý vortex induced vibration

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ PHÁT
ĐIỆN LÀM VIỆC THEO NGUYÊN LÝ VORTEX INDUCED
VIBRATION

Sinh viên thực hiện: PHAN NGUYỄN QUANG SƠN

Đà Nẵng – Năm 2019

i


LỜI NĨI ĐẦU

Nhu cầu tồn cầu về các nguồn năng lượng tái tạo có thể mở rộng là rất lớn và
ngày càng tăng. Hầu hết năng lượng hiện được khai thác từ dòng nước bằng nỗ lực
chung của đập và máy phát thủy điện. Một công nghệ mới đầy hứa hẹn đáp ứng các tiêu
chí này sử dụng các rung động do xốy trong nước để trích xuất năng lượng. Các cấu
trúc chịu dòng chảy chất lỏng thường được thiết kế để giảm thiểu sự mệt mỏi do rung
động do xoáy gây ra. Chỉ gần đây, ý tưởng mới được đề xuất để tăng cường các rung
động nhằm tối đa hóa việc khai thác năng lượng từ chất lỏng.
Cơng nghệ này hoạt động bằng cách lắp một hình trụ nằm ngang trong nước và
hạn chế nó ở một bậc tự do duy nhất, chuyển động lên xuống trong mặt phẳng vng
góc với dịng chất lỏng. Dịng chảy qua xi lanh này tạo ra một mơ hình xốy xen kẽ mà
tác dụng lực nâng xen kẽ lên xi lanh, đẩy nó lên và xuống, cơng nghệ mới hơn và ít xâm
lấn hơn về mặt sinh thái.
Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu và chế tạo mơ hình thiết bị phát điện làm việc theo
nguyên lý Vortex Induced Vibration”sẽ làm rõ các vấn đề: Giới thiệu, phân tích hoạt

động, kết cấu mơ hình thực nghiệm, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng sản xuất điện
của mơ hình và định hướng ứng dụng, lắp đặt thực tế cho sông Hàn.
Được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Lê Minh Đức, cùng tồn
thể các thầy trong Khoa Cơ Khí Giao Thơng đã tạo điều kiện cho chúng em hồn thành
đồ án này. Nhưng do chưa có kinh nghiệm và trình độ của bản thân còn hạn chế nên
trong đồ án khơng tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp của
các thầy, các bạn để đồ án ngày càng được hoàn thiện hơn.

Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2019
Sinh viên thực hiện

i


LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu và chế tạo mơ hình thiết bị phát điện
làm việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration” là một công trình nghiên cứu của
bản thân. Đề tài là một sản phẩm mà chúng em đã nỗ lực nghiên cứu trong thời gian làm
đồ án tốt nghiệp. Trong quá trình viết bài có sự tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc
rõ ràng, được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo, các số liệu trình bày trong đồ án là
hoàn toàn trung thực.
Sinh viên thực hiện

ii


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................i

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ........................................................................v
DANH SÁCH CÁC KỸ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... viii
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION (VIV) .....1
1.1. Giới thiệu tên đề tài ..................................................................................................1
1.2. Phân loại rung động khi có dịng bao vật cản...........................................................2
1.2.1. Rung động do dịng chảy khí bao vật cản ............................................................. 2
1.2.1.1. Nguyên lí làm vệc của hệ thống .........................................................................2
1.2.1.2. Ưu, Nhược điểm của hệ thống............................................................................2
1.2.1.3. Ứng dụng ............................................................................................................3
1.2.2. Rung động do dòng chảy nước bao vật cản...........................................................3
1.2.2.1. Nguyên lí làm vệc của hệ thống .........................................................................4
1.2.2.3. Ứng dụng ............................................................................................................4
1.2.3. Chọn phương án dòng chảy bao vật cản làm thực nghiệm ...................................5
1.3. Chọn phương pháp thiết kế ......................................................................................6
1.3.1. Khảo sát hệ sinh thái sông Hàn .............................................................................6
1.3.2. Các phương án bố trí Xilanh .................................................................................7
1.3.2.1. Bố trí Xi lanh kiểu thằng đứng ...........................................................................7
1.3.2.2. Bố trí Xi lanh kiểu nằm ngang ...........................................................................8
1.3.3. Chọn phương án bố trí ...........................................................................................8
Chương 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH THEO NGUN LÝ VIV ..9
2.1. Tính tốn sơ bộ .........................................................................................................9
2.1.1. Tính tốn vật cản của mơ hình thực nghiệm .........................................................9
2.1.2. Chọn bơm cho mơ hình thực nghiệm ..................................................................11
2.1.3. Tính tốn lực nâng của xi lanh ..........Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
2.1.4. Tính tốn độ cứng lị xo.......................................................................................15
2.1.4.1. Tính tần số xốy fv .........................Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
2.1.4.2. Tính khối lượng xilanh mapp khi có dịng chảy bao vật cảnLỗi! Thẻ đánh

dấu không được xác định.
iii


2.2. Thiết kế mơ hình thực nghiệm VIV bố trí xilanh nằm ngang ................................ 16
2.2.1. Chọn phần mềm thiết kế 3D ................................................................................16
2.2.2. Thiết kế mơ hình bể thử .......................................................................................16
2.2.3. Thiết kế mơ hình vật cản làm việc theo ngun lý VIV......................................20
2.2.3.1. Mơ hình vật cản ................................................................................................ 20
2.2.3.2. Lị xo ...............................................Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
2.2.3.3. Bố trí mơ hình VIV.........................Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
2.2.3.4. Thiết kế hệ thống đường ống ..........Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
2.3. Thiết kế mơ hình VIV bố trí xilanh theo kiểu thẳng đứng .....................................28
2.3.1. Mơ hình vật cản ...................................................................................................28
2.3.2. Tính tốn lực nâng xilanh ....................................................................................29
2.3.3. Lị xo ....................................................................................................................30
2.3.3.1. Tính tốn độ cứng lị xo....................................................................................30
2.3.3.2. Tính tần số xốy fv ........................................................................................... 30
2.3.3.3. Tính khối lượng xilanh mapp khi có dịng chảy bao vật cản.........................31
2.3.4. Bố trí mơ hình VIV.............................................................................................. 21
2.3.4. Thiết kế hệ thống đường ống ...............................................................................23
Chương 3: CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ...............................................28
3.1. Thiết kế nguồn điện ................................................................................................ 28
3.2. Chế tạo mơ hình VIV bố trí xilanh kiểu nằm ngang ..............................................39
3.2.1. Bố trí nam châm và cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm .....................................39
3.2.2. Chế tạo bể ............................................................................................................40
3.2.3. Đặt bơm 1.5DK-22 .............................................................................................. 41
3.3. Chế tạo mơ hình VIV bố trí xilanh kiểu thẳng đứng ..............................................42
3.4. Thực nghiệm mơ hình VIV bố trí xilanh nằm ngang .............................................44
3.4.1. Đo điện áp ..........................................Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.

3.5. Thực nghiệm mơ hình VIV bố trí xilanh thẳng đứng .............................................33
3.5.1. Đo điện áp ............................................................................................................33
3.5.2. Xác định số Strohal từ thực nghiệm ....................................................................34
3.6. So sánh và nhận xét thực nghiệm của 2 phương án bố trí VIV .............................. 50
Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT .............................................53
4.1. Kết luận...................................................................................................................53
4.2. Kiến nghị và đề xuất ............................................................................................... 53
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................54

iii


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Rung động do xốy khi có dịng nước, khí bao vật cản. ..................................1
Hình 1.2 Rung động do dịng khí bao vật cản. ................................................................ 2
Hình 1.3 Dao động cộng hưởng của dịng khí bao vật cản. ............................................3
Hình 1.4 Rung động do dịng nước bao vật cản. ............................................................. 4
Hình 1.5 Mơ phỏng dịng xốy để tính tốn đường ống dầu. ..........................................5
Hình 1.6 Bố trí xilanh kiểu thẳng đứng. ..........................................................................7
Hình 1.7 Bố trí xi lanh theo kiểu nằm ngang. .................................................................8
Hình 2.1 Chế độ dịng xốy [1]. ......................................................................................9
Hình 2.2 Bố trí các vị trí khảo sát của mơ hình. ............................................................ 10
Hình 2.3 Thơng số bể thử. ............................................................................................. 12
Hình 2.4 Lực nâng khi có dịng chảy bao xilanh.Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác
định.
Hình 2.9 Mơ hình bể thiết kế. ........................................................................................16
Hình 2.10 Mặt cắt dọc bể thử. .......................................................................................16
Hình 2.11 Mơ hình bể thử. ............................................................................................ 17

Hình 2.12 Dịng chảy trong bể thử. ...............................................................................18
Hình 2.13 Mơ phỏng mơ hình dịng chảy khép kín. ......................................................19
Hình 2.14 Mơ hình vật cản. .........................Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
Hình 2.15 Bố trí lị xo vào xilanh. ...............Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
Hình 2.16 Hệ thống giá đỡ/khung đỡ. .........Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
Hình 2.17 Bố trí xilanh, lị xo vào hệ thống giá đỡ.Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác
định.
Hình 2.18 Bố trí tổng thể. ............................Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác định.
Hình 2.19 Bố trí hệ thống thí nghiệm thực tế.Lỗi! Thẻ đánh dấu khơng được xác
định.
Hình 2.20 Dịng chảy trong hệ thống đường ống. .........................................................26
Hình 2.21 Bảng chọn hệ số tổn thất năng lượng cục bộ................................................26
Hình 2.22 Mơ hình vật cản. ........................................................................................... 29
Hình 2.23 Lực nâng khi có dịng chảy bao xilanh.........................................................29
Hình 2.24 Bố trí lị xo vào xilanh ..................................................................................32
v


Hình 2.25 Hệ thống giá đỡ/khung đỡ ............................................................................21
Hình 2.26 Bố trí xilanh, lị xo vào hệ thống giá đỡ .......................................................22
Hình 2.27 Bố trí tổng thể ............................................................................................... 23
Hình 2.28 Bố trí hệ thống thí nghiệm thực tế. ............................................................... 24
Hình 3.1 Sơ đồ dịng điện cảm ứng. ..............................................................................39
Hình 3.2 Nam châm vĩnh cửu........................................................................................39
Hình 3.3 Bố trí nam châm và cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm. ............................... 40
Hình 3.4 Chế tạo bể thử. ................................................................................................ 41
Hình 3.5 Bố trí mơ hình thực nghiệm............................................................................42
Hình 3.6 Bố trí nam châm và cuộn dây lên mơ hình thực nghiệm. ............................... 43
Hình 3.7 Bố trí mơ hình thực nghiệm VIV. ..................................................................44
Hình 3.8 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dòng chảy U.Lỗi! Thẻ đánh dấu

khơng được xác định.
Hình 3.9 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tần số xốy fv và St. ...................................47
Hình 3.10 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa biên độ dao động xilanh A(cm) và tần số
xoáy fv (Hz).. ..................................................................................................................33
Hình 3.11 Đồ thị biến thiên điện áp U’ theo tốc độ dịng chảy U. ................................ 48
Hình 3.12 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa tần số xoáy fv và St .. .................................50
Hình 3.13 Đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa biên độ dao động của xilanh A(cm) và tần số
xốy fv (Hz). ...................................................................................................................50
Hình 3.14 Hình 3.10 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ giữa tần số xoáy fv (Hz) và số strohal
St của 2 phương án bố trí xilanh. ...................................................................................51
Hình 3.15 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ giữa tốc độ dòng chảy U(m/s) và hiệu điện thế
U’(mA) của 2 phương án bố trí xilanh. .........................................................................52
Hình 3.16 Đồ thị tổng hợp mối liên hệ giữa biên độ dao động xilanh A(cm) và tần số
xoáy fv(Hz) của 2 phương án bố trí xilanh....................................................................53
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng thơng số kỹ thuật tính chọn xilanh. ........................................................9
Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của bơm. ...................................................................10
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của bơm. ...........................................................................28
Bảng 2.4 Các thông số cho trước. .................................................................................31
Bảng 3.1 Kết quả đo từ thực nghiệm. ..........Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.
Bảng 3.2 Kết quả đo và tính tốn từ thực nghiệm.Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác
định.
Bảng 3.3 Kết quả đo từ thực nghiệm. ............................................................................47
Bảng 3.4 Kết quả đo và tính tốn từ thực nghiệm. ........................................................49
v


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

VIV : Vortex induced Vibration

Re

: Số Reynold

St

: Số Strohal

CL

: Hệ số nâng

fv

: Tần số xoáy

FL

: Lực nâng xilanh

A

: Biên độ dao động của xilanh

U

: Tốc độ dòng chảy

K

: Độ cứng lò xo

[1]. Tài liệu tham khảo mục [1]
[2]. Tài liệu tham khảo mục [2]
[3]. Tài liệu tham khảo mục [3]

vi


MỞ ĐẦU

I. Đặt vấn đề
Nhu cầu toàn cầu về các nguồn năng lượng tái tạo có thể mở rộng là rất lớn và
ngày càng tăng. Hầu hết năng lượng hiện được khai thác từ dòng nước bằng nỗ lực
chung của đập và máy phát thủy điện. Một công nghệ mới đầy hứa hẹn đáp ứng các tiêu
chí này sử dụng các rung động do xốy trong nước để trích xuất năng lượng. Các cấu
trúc chịu dòng chảy chất lỏng thường được thiết kế để giảm thiểu sự mệt mỏi do rung
động do xoáy gây ra. Chỉ gần đây, ý tưởng mới được đề xuất để tăng cường các rung
động nhằm tối đa hóa việc khai thác năng lượng từ chất lỏng.
Cơng nghệ này hoạt động bằng cách lắp một hình trụ nằm ngang hoặc thẳng đứng
trong nước và hạn chế nó ở một bậc tự do duy nhất, chuyển động lên xuống trong mặt
phẳng vng góc với dịng chất lỏng. Dịng chảy qua xi lanh này tạo ra một mơ hình
xốy xen kẽ mà tác dụng lực nâng xen kẽ lên xi lanh, đẩy nó lên và xuống, cơng nghệ
mới hơn và ít xâm lấn hơn về mặt sinh thái.
Đề tài trình bày các phương án thiết kế và thực nghiệm mơ hình thiết bị phát điện
dựa trên ngun lý VIV lấy thơng số đầu vào là vận tốc dịng chảy tương đương với
dịng chảy thực tế của sơng Hàn (Đà Nẵng). Thành cơng của nghiên cứu này là nền
móng để thực hiện tham vọng của nhóm nghiên cứu, đó là có thể sử dụng nguyên lý
VIV để phát ra điện, phục vụ một số các nhu cầu giải trí ven sơng, các tín hiệu đèn báo
ven sơng, tín hiệu đèn báo dọc các thành cầu, bảng tín hiệu khác,v.v..

II. Đối tượng, phạm vi và mục đích nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: VIV
- Phạm vi nghiên cứu: Khả năng làm việc của mơ hình VIV với tốc độ dịng chảy
vào mùa khơ và tốc độ lưu lượng trung bình hàng ngày.
- Mục đích nghiên cứu: Tính tốn, phân tích hoạt động của mơ hình VIV và khả
năng ứng dụng thực tế là sông Hàn.
III. Cấu trúc đồ án tốt nghiệp
Cấu trúc đồ án gồm các phần:
Mở đầu
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION
vii


Nghiên cứu và chế tạo máy phát điện làm việc theo ngun lý Vortex Induced Vibration

Chương 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH THEO NGUN LÝ VIV
Chương 3:CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM
Chương 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI VORTEX INDUCED VIBRATION

1.1. Giới thiệu tên đề tài
Rung động do xoáy là một hiện tượng dịng chảy, dịng khí được nghiên cứu trong
các ngành đa hướng và thường được tìm cách để giảm thiểu. Tuy nhiên, một tiềm năng
tồn tại để khai thác hiện tượng này để tạo ra năng lượng điện từ dịng hải lưu vận tốc
thấp.
Cơng nghệ này hoạt động bằng cách bảo vệ một hình trụ nằm ngang trong nước
hoặc trong gió và hạn chế nó ở một mức độ tự do duy nhất; chuyển động lên xuống trong
mặt phẳng vng góc với dịng chất lỏng được thể hiện trong Hình 1.1.

Hình 1.1 Rung động do xốy khi có dịng nước, khí bao vật cản.

viii


1.2. Phân loại
1.2.1. Rung động khi có dịng bao vật cản
+ Mơ hình thực nghiệm rung động do dịng khí bao vật cản được thể hiện qua Hình
1.2.

Hình 1.2 Rung động do dịng khí bao vật cản.
1.2.1.1. Ngun lí làm vệc của hệ thống
Khi có gió với vận tốc V(m/s) nhất định nào đó, Sự hiện diện của ống hình trụ
trong dịng khí gây ra các xốy khí trên và dưới của hình trụ. Các xốy khí sau đó được
hình thành do thay đổi sự phân phối áp lực dọc theo bề mặt hình trụ. Các xốy này tạo
ra lực nâng trên xi lanh di chuyển nó lên và xuống nhờ lực đàn hồi của lò xo, tạo ra năng
lượng cơ học.
1.2.1.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống
Ưu điểm của mơ hình ứng dụng ngun lý rung động do dịng khi bao vật cản là:
Kết cấu gọn gàng, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, hệ thống hoạt động êm dịu, khả năng mở rộng
và tính linh hoạt là một trong số những thế mạnh của của công ngệ này.

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

2


Ngồi những ưu điểm thì cũng tồn tại nhiều hạn chế nếu sử dụng cơng ngệ này

là: Gió phải liên tục, khi khơng có gió thì hệ thống khơng hoạt động được, kết cấu vật
cản phải nhẹ để đảm bảo với hệ thống mơ hình hoạt động được khi có tốc độ gió ở mức
trung bình cho phép, vật liệu chế tạo chịu được nhiệt tốt.
1.2.1.3. Ứng dụng
Công ngệ rung động do dịng khí bao vật cản này có những ứng dụng là:
+ Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của cơng ngệ này là tính tốn dao
động cộng hưởng làm sụp cầu.

Hình 1.3 Dao động cộng hưởng của dịng khí bao vật cản.
+ Chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng thông qua các máy phát quay
hoặc tuyến tính, tùy chọn đơn giản nhất là khai thác chuyển động tuyến tính cho máy
phát điện dựa trên cảm ứng điện từ.
1.2.2. Rung động do dòng chảy nước bao vật cản
Mơ hình thực nghiệm mơ phỏng dịng chảy nước bao vật cản được thể hiện qua
Hình 1.4:

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

3


Hình 1.4 Rung động do dịng nước bao vật cản.
1.2.2.1. Nguyên lí làm vệc của hệ thống
Cũng giống như Rung động khi có dịng khí bao vật cản, khi có dòng chảy với
tốc độ U(m/s) nhất định, Sự hiện diện của ống hình trụ trong dịng nước gây ra các xốy
khí trên và dưới của hình trụ. Các xốy khí sau đó được hình thành do thay đổi sự phân
phối áp lực dọc theo bề mặt hình trụ. Các xốy này tạo ra lực nâng trên xi lanh di chuyển
nó lên và xuống nhờ lực đàn hồi của lò xo, tạo ra năng lượng cơ học.

1.2.2.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống
Ưu điểm của mơ hình ứng dụng ngun lý rung động do dòng khi bao vật cản là:
Kết cấu gọn gàng, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, giá thành rẻ, cho cơng suất lớn hơn mơ hình sử
dụng dịng khí bao vật cản (Một dàn VIV để sản xuất ra điện năng mắc nối tiếp có kích
thước một tồ nhà 2 tầng có thể cung cấp điện năng cho 100 ngơi nhà).
Ngồi những ưu điểm thì cũng tồn tại nhiều hạn chế nếu sử dụng công ngệ này
là: Vật liệu chế tạo phải thích hợp với việc ở dưới nước trong thời gian dài, để hạn chế
hư hỏng và có thể hoạt động lâu dài, sửa chữa gặp nhiều khó khăn.
1.2.2.3. Ứng dụng
+ Tính tốn mơ phỏng các xốy nước để chế tạo các đường ống chở dầu, các dây
cáp xuyên biển, các dàn khoan dầu để giảm thiểu thiệt hại mà chúng gây ra.

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

4


Hình 1.5 Mơ phỏng dịng xốy để tính tốn đường ống dầu.
+ Chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng thơng qua các máy phát quay
hoặc tuyến tính, tùy chọn đơn giản nhất là khai thác chuyển động tuyến tính cho máy
phát điện dựa trên cảm ứng điện từ.
1.2.3. Chọn phương án dòng chảy bao vật cản làm thực nghiệm
Từ các ưu nhược điểm mà rung động tạo ra xốy từ dịng khí và nước đã đề cập
ở trên, ta chọn phương án thiết kế tối ưu nhất cho đề tài “ Thiết kế trạm phát điện làm
việc theo nguyên lý Vortex Induced Vibration ” là tạo rung động do xoáy nước
1.3. Chọn phương pháp thiết kế
Phương án thiết kế mơ hình thiết bị phát điện dựa trên ngun lý VIV và lấy
thơng số vận tốc dịng chảy tương đương với dịng chảy thực tế của sơng Hàn. Với tham

vọng có thể sử dụng nguyên lý VIV để phát ra điện, phục vụ một số các nhu cầu giải trí
ven sơng, các tín hiệu đèn báo ven sơng, tín hiệu đèn báo dọc các thành cầu, bảng tín
hiệu khác,v.v..
1.3.1. Khảo sát đặc điểm dịng chảy sơng Hàn
Lưu lượng:
+ Lưu lượng dịng chảy trung bình 350 m3/s
+ lưu lượng dịng chảy vào mùa mưa trung bình 850m3/s
+ Lưu lượng dịng chảy vào mùa khơ 45m3/s.
Dịng chảy: Có sự thay đổi theo Tầng chuẩn thủy văn ( 0.2H, 0.6H, 0.8H ).

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

5


Chọn Tầng trung bình là 0.8H với tốc độ dịng chảy: [1]
+ Vào mùa mưa: V=(1,9-35,4)m/s
+ Vào mùa khô: V=(0,03-0,22)m/s.
Mùa mưa có lưu lượng và tốc độ dịng chảy rất lớn, biến động theo thời gian lớn
Vtb=(1,9-35,4)m/s, nhưng vào mùa khơ và tốc độ dịng chảy hàng ngày ít biến động,
đồng thời xét về tính hiệu quả và tính kinh tế của mơ hình. Vì vậy nhóm tiến hành khảo
sát và thiết kế mơ hình dùng cho mùa khơ và lưu lượng hàng ngày tại sơng Hàn. Chọn
tốc độ dịng chảy thiết kế: [1]
V1 =0,2m/s, V2 =0,15m/s, V3 =0,05m/s.
1.3.2. Phương án bố trí Xilanh kiểu thẳng đứng

Hình 1.6 Bố trí xilanh kiểu thẳng đứng.
Trong đó: 1: là xilanh bố trí theo kiểu thẳng đứng; 2: là bể thử.

Đối với trường hợp bố trí xilanh kiểu thẳng đứng như Hình 1.6, xi lanh được cố
định bậc tự do chỉ cho chuyển động lên suống và tạo năng lượng.
Sau khi khảo sát sơng Hàn chọn tốc độ dịng chảy thiết kế V1 =0,2m/s,
V2 =0,15m/s, V3 =0,05m/s. Để tiến hành thí nghiệm ta cần có bơm thủy lực có thể thay
SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

6


đổi được tốc độ dòng chảy, nhưng với khả năng kinh tế cịn hạn chế khơng có được bơm
đáp ứng yêu cầu như vậy. Vì thế thay vì ta thay đổi tốc độ dịng chảy bằng bơm thì ta
cần thay đổi diện tích bề mặt bể và tính tốn sao cho đạt tốc độ dịng chảy u cầu, với
cơng thức:
Q=U.S (m3 /s)
Trong đó: Q: là lưu lượng chất lỏng (m3 /s); U: là tốc độ dòng chảy (m/s); S: là diện
tích bề mặt (m2 ).

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

7


Chương 2: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH THEO NGUN LÝ
VIV

2.1. Tính toán sơ bộ

2.1.1. Tính tốn vật cản của mơ hình thực nghiệm
Giống như nhiều hiện tượng dịng chảy chất lỏng, sự biến đổi dịng xốy đã được
quan sát là phụ thuộc trực tiếp vào số Reynold của dịng chảy, được xác định trong biểu
thức:
Re =

U.D
v

Trong đó: U: là vận tốc dòng chảy tự do; D: là đường kính xi lanh; v: là độ nhớt
động học của chất lỏng.

Hình 2.1 Chế độ dịng xốy [1].
Các kiểu đổ xốy khác nhau xảy ra trên các phạm vi khác nhau của số Reynold
được trình bày trong Hình 2.1. Đối với hai chế độ thấp nhất, việc đổ xoáy định kỳ là
khơng tồn tại và khơng có lực nâng nào tác động lên cơ thể. Đối với Re> 40, một đường
xoáy bắt đầu hình thành, trên thực tế, điều này dẫn đến các lực nâng khác nhau, vì các
xốy khơng đối xứng từ đỉnh và đáy của hình trụ. Trong khoảng 150 SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

8


chuyển tiếp đầu tiên xảy ra, trong đó đường xốy thay đổi từ dòng chảy tầng sang hỗn
loạn.
Với 300 mạnh mẽ.Vùng chuyển tiếp thứ hai xảy ra khi dòng chảy xung quanh xi lanh thay đổi từ
tầng sang hỗn loạn, và một lần nữa sự biến đổi xốy bị gián đoạn và khơng đều. Phạm

vi theo thỏa thuận cho khu vực chuyển tiếp này được tìm thấy là khác nhau, với kết quả
Lienhard cho 3x105 5x105 đến 3,5x106 , cả lớp đường xoáy và lớp ranh giới hình trụ đều hỗn loạn, và các
vịng xốy thường xun tiếp tục.
Nhận thấy đối với tồn bộ phạm vi khoảng 300 < Re < 3. 105 tương ứng rất tốt
với đường xoáy hỗn loạn.
với R e =

U.D
v

=> D=

v.Re
U

Trong đó: v là độ nhớt động học của nước v=1,31.10−6 (m2 /s)
U là vận tốc dòng chảy tự do U=0,2m/s (chọn tốc độ lớn nhất là V1).
(Tất cả các tính chất chất lỏng được lấy ở 20 ° C, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ
phịng).
Với Re=300 => D=

1,31.10−6 .300
0.2

Với Re=3.105 => D=

=7,86.10−3 (m) = 0,196(cm)

1,31.10−6 .3.105

0.05

= 7,86(m) = 196(cm)

Suy ra đường kính xi lanh cần thiết kế:
0,196(cm) < D < 196(cm)
Chọn D=2,7cm, chọn chiều dài xi lanh L=5cm.
Các thơng số tính tốn được thống kê vào Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Bảng thơng số kỹ thuật tính chọn xilanh.
STT

Thơng số

Giá trị

Thứ ngun

1

Đường kính xi lanh

2,7

cm

2

Chiều dài xi lanh

5

cm

3

Độ nhớt động học

1,31.10−6

ms /s

4

Tốc độ dòng chảy

0,05

m/s

5

Số Reynold

4122

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

9

2.1.2. Chọn bơm cho mơ hình thực nghiệm
Chọn bơm thủy lực 1.5DK-22 với thông số kỹ thuật bơm như sau:
Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của bơm.
Thông số
Công suất
Lưu lượng Q tb
Điện áp
Dịng điện

STT
1
2
3
4

Giá trị
750
11
220
4,26

Thứ ngun
W
m3 /h
V
A

Ta có cơng thức tính lưu lượng nước:

Q = U.S (𝑚3 /s)
Trong đó: U: là vận tốc dòng chảy (m/s)
S: là tiết diện bề mặt (m2 )
Để mơ hình thự nghiệm có được tốc độ dòng chảy tương ứng với tốc độ dòng chảy của
sơng Hàn ta cần tính các diện tích bề mặt mơ hình khi có dịng chảy qua. Tham khảo lưu
lượng sơng Hàn ở trên, ta có tốc độ dịng chảy trung bình là: V1 =0,05m/s, V2 =0,15m/s,
V3 =0,2m/s tương ứng với tốc độ lớn nhất, trung bình và nhỏ nhất .
Với lưu lượng bơm Q=11(m3 /h) =3,05.10−3 (m3 /s ).

Hình 2.2 Bố trí các vị trí khảo sát của mơ hình.

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

10


+ Xét mặt cắt A-A:
Tương ứng với tốc độ dòng chảy lớn nhất với 𝑉𝑡𝑏 = 0,2(m/s); Q bơm = 3,05.10−3 (m3 /
s):
=>Diện tích bề mặt là S=

Qbơm
𝑉𝑡𝑏

=

3,05.10−3
0,2

= 152,5.10−4 (m2 ) = 152,5 (cm2 )

Chọn bề mặt thiết kế là hình chữ nhật với S= 152,5cm2 gọi a,b lần lượt là chiều dài và
rộng của hình chữ nhật,
=> Chọn a=10cm=> b=15,5 cm chọn b=15cm
=> Mặt cắt A-A: a=10cm, b=15cm.
+ Xét mặt cắt B-B:
Với tốc độ dịng chảy trung bình với Vtb =0,15(m/s) Q bơm =3,05.10−3 (m3 /s ):
=> Diện tích bề mặt là S=

Qbơm
𝑉𝑡𝑏

=

3,05.10−3
0,15

= 203.10−4 (m2 ) = 203 (cm2 )

Vậy bề mặt thiết kế là hình chữ nhật với S=203cm2
=> Chọn a=10cm => b= 20,3cm chọn b=20cm
=> Mặt cắt B-B: a=10cm, b=20cm.
+ Xét mặt cắt C-C:
Với tốc độ dòng chảy thấp nhất Vtb =0,05(m/s); Q bơm =3,05.10−3 (m3 /s ):
=> Diện tích bề mặt là S=

Qbơm
𝑉𝑡𝑏

=

3,05.10−3
0,05

= 610.10−4 (m2 ) = 610(cm2 )

=> Chọn a=10cm => b=61 cm chọn b=60cm
=> Mặt cắt C-C: a=10cm, b=60cm.

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

11


Hình 2.3 Thơng số bể thử.
Các thơng số tính tốn của mặt cắt bể thử được thể hiện qua Hình 2.3.
2.2. Thiết kế mơ hình thực nghiệm VIV bố trí xilanh thẳng đứng
2.2.1. Thiết kế mơ hình bể thử
Xét 3 mặt cắt A-A, B-B, C-C tương ứng với mặt cắt của các dịng chảy là
U1=0,05m/s, U2=0,15m/s và U3=0,2m/s.
Theo tính tốn ở trên ta có các thơng số bể như Hình 2.4:

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

12


Hình 2.4 Mơ hình bể thiết kế.
Theo tính tốn mỗi mặt cắt A-A, B-B và C-C thì ta chọn chiều cao mỗi mặt là 10 cm,
nhưng để đảm bảo quá trình thí nghiệm với lượng nước mạnh để hạn chế nước bị văng
ra khỏi bể ta chọn thành bể cao 1,5Hbể =1,5.10=15cm. Nhưng vẫn đảm bảo mực nước
10cm.

Hình 2.5 Mặt cắt dọc bể thử.
(a)

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

13


(b)

Hình 2.6 Mơ hình bể thử.
(a) Thơng số kỹ thuật của bể; (b) Mơ phỏng bể 3D.
+ Dịng chảy trong:

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

14

Hình 2.7 Dịng chảy trong bể thử.
Thiết kể dịng chảy vào ở đầu bể là một hình trụ rỗng đầu và một bên thân với
chiều dài các cạnh là 15cm.
+ Dịng chảy ngồi: Để cho dịng chảy là khép kín, sau q trình khảo sát và tính
tốn, ta chọn thiết kể bể có chiều dài là 80cm, chiều rộng 75cm, chiều cao là 15cm.

Hình 2.8 Mơ phỏng mơ hình dịng chảy khép kín.

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

15


2.2.3. Thiết kế mơ hình vật cản làm việc theo ngun lý VIV
2.3.1. Mơ hình vật cản
Với thơng số tính chọn ban đầu, xilanh có đường kính D=2,7cm, chọn chiều dài
xilanh là L=5cm, 2 nắp bao kín xilanh với đường kính nắp là 2,5cm, chiều dài mỗi nắ là
1,2cm.
(a)

(b)

SVTH: Phan Nguyễn Quang Sơn

GVHD: TS. Lê Minh Đức

16