Tối ưu quạt thông gió đường hầm với ANSYS Fluent

Bởi: Frank Kelecy - kỹ sư hỗ trợ kỹ thuật hàng đầu với hơn 20 năm kinh nghiệm làm việc tại ANSYS.

Những vấn đề của hệ thống thông gió đường hầm đang gặp phải

Nguồn nhiên liệu trên thế giới là có hạn, vì vậy thách thức thiết kế kỹ thuật quan trọng nhất là hiệu suất năng lượng và tính bền vững. Kỹ sư Frank Kelecy sử dụng quạt thông gió ở đường hầm như một ví dụ chứng minh cách mà phần mềm mô phỏng CFD và Bộ giải liên hợp - Adjoint Solver trong ANSYS 18 tối ưu hóa hiệu suất cánh quạt.

Theo báo cáo của công ty Mosen, công ty đi đầu trong việc tính toán thông gió đường hầm và phòng chống cháy nổ, tính “xanh” của đường hầm vẫn chưa được thực hiện. Đường hầm vẫn tiêu tốn năng lượng đáng kể, có khi lên đến vài MegaWatt; thêm vào đó, các quy định của chính phủ yêu cầu các đường hầm có chiều dài lớn (hơn 300m) phải có hệ thống thông gió giúp thoát khí và khói trong trường hợp có cháy nổ. Do đó, các đường hầm cần khả năng thông gió nhiều hơn mức cần thiết cho chất lượng không khí hàng ngày.

Nếu chúng ta làm cho thiết bị thông gió đường hầm có hiệu suất năng lượng cao hơn, điều này có thể ảnh hưởng đến lợi nhuận. Theo báo cáo, chi phí thông gió chiếm khá nhiều trong chi phí hoạt động của đường hầm, dao động từ 10% đến 30%.

Kỹ sư Faithi Tarada của Mosen đưa ra ví dụ về đường hầm M5 dài 8km, ở phía tây Sydney, Australia sử dụng 54,000 MWh điện mỗi năm tương đương với chi phí 15,660,000 đô la Mỹ (giả sử là 29 cents/KWh). Rõ ràng, đây là chi phí cần phải được xem xét một cách kỹ lưỡng.

Đây là lúc mô phỏng kỹ thuật vào cuộc. Tối ưu hóa động lực học chất lưu của hệ thống thông gió là nhiệm vụ không dễ dàng. Ví dụ như các bộ phận của cánh quạt không tồn tại được trong chân không – chúng phải được thiết kế để hoạt động hiệu quả nhất trong và giữa các bộ phận khác của hệ thống thông gió. Vì thế, các công cụ mô phỏng thông thường không còn phù hợp bởi độ phức tạp của không gian thiết kế.

Mô hình quạt thông gió hầm

Giải pháp mới trong mô phỏng quạt thông gió đường hầm

Một cách hay để giải quyết những vấn đề này đó là sử dụng bộ giải liên hợp, một phương pháp tối ưu hóa cho các nghiên cứu đòi hỏi ước tính độ nhạy của đầu ra mô hình (dự đoán) với đầu vào. Bộ giải liên hợp tính toán dẫn xuất của một quan sát kỹ thuật đơn lẻ đối với lượng lớn tham số đầu vào.

Các tính năng mới được cập nhật trong ANSYS 18, bộ giải liên hợp có thể tối ưu hóa các thiết bị quay như cánh quạt thông gió với sự hỗ trợ cho khung tham chiếu quay và bổ sung các vùng biến dạng hình trụ. Các tính năng bổ sung cũng được thêm vào để hỗ trợ việc truyền nhiệt liên hợp.

Trường hợp thông gió trong đường hầm, bộ giải liên hợp ANSYS Fluent có thể chỉ ra được các vấn đề của khung tham chiếu di chuyển (MRF) trong máy quay – quạt quay. Và có thể xem dưới dạng hình học 3D điều mà các công cụ truyền thống không thể làm được. Mục đích là để cải tiến hiệu suất làm việc thông qua thay đổi hình dạng của cánh quạt.

Di chuyển khung tham chiếu (MRF) là một khả năng mới trong ANSYS 18.0 dễ dàng xử lý gia tốc nhanh hơn.
Bộ giải liên hợp được nhúng trong Fluent và không mất thêm chi phí.

Kết quả sau khi tối tư hóa bằng mô phỏng

Với nghiên cứu này, chỉ cần một lần lặp thiết kế duy nhất để tìm ra cách tối ưu hóa các cánh quạt làm cho tổng áp lực giảm xuống 14.9% và trục quay (điện năng) giảm 21.6%. Điều này mang lại sự cải tiến về hiệu suất đáng kể 8.5% so với thiết kế ban đầu. Quá trình này có thể được lặp lại cho một vài thiết kế khác hướng đến sự tối ưu hóa.

Vì bộ giải liên hợp xác định trực tiếp cái gì cần thay đổi và thay đổi bằng cách nào, do đó sẽ nhanh chóng có được hình dạng tiêu chuẩn. Khi phân tích kết thúc, bạn có thể xuất hình dạng đã được tối ưu ra tệp STL để sử dụng thêm trong hệ thống thiết kế sản phẩm CAD.

Mô phỏng để tối ưu hóa mô hình cánh quạt gió, tổng áp lực giảm 15% và hiệu suất được cải thiện 8,5%.

Dĩ nhiên, trường hợp nghiên cứu quạt thông gió đường hầm không phải ứng dụng duy nhất được hưởng lợi từ bộ giải liên hợp. Các kỹ sư có thể áp dụng để cải tiến các thiết kế trong nhiều mảng công nghiệp và ứng dụng khác nữa.

---

Nguồn: ANSYS

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này.