Mô phỏng kỹ thuật các hiện tượng vật lý của quạt không cánh

Nếu các bạn đã đọc bài “Mô phỏng kỹ thuật định hướng phát triển quạt không cánh” thì hẳn đã thấy được sự hỗ trợ hiệu quả của các phần mềm mô phỏng kỹ thuật. Phần mềm mô phỏng ANSYS đã giúp đội ngũ kỹ sư của Dyson hiện thực hóa ý tưởng sáng tạo trong quy trình đột phá và thời gian thực hiện rất ngắn.

Trong nội dung bài viết này chúng tôi sẽ trình bày những mô phỏng kỹ thuật được thực hiện trong quá trình thiết kế và tính toán quạt không cánh, để các bạn thấy rõ bản chất các hiện tượng vật lý liên quan.

Trước tiên, chúng ta cùng nhau xem xét nguyên lý cấu tạo và hoạt động của chiếc quạt khác biệt này. Nhìn thoáng qua, đúng là chiếc quạt này thật kỳ lạ, không có cánh quạt nào cả. Vậy gió từ đâu mà ra?

Nhìn kỹ hơn, nếu có thể bóc tách chiếc quạt không cánh ra, chúng ta sẽ ồ lên ngạc nhiên, ra là vậy, vẫn có một chiếc quạt, và nó được ẩn dấu thật là tinh tế. Dưới đây là ảnh chụp cấu tạo của một chiếc quạt không cánh:

Hình 1. Cấu tạo bên trong của quạt không cánh

Thiết bị màu xám trong ảnh trên chính là cánh gió dọc trục (impeller) được dấu trong thân quạt hình trụ, nó được gắn với động cơ hiệu suất cao. Bạn có biết rằng thiết bị đó là sự kết hợp công nghệ tiên tiến hiện này được sử dụng trong thiết bị dạng “turbocharger” và động cơ phản lực (jet engine) không. Sản phẩm quạt không cánh mới nhất đã tối ưu cánh gió hơn nhờ sự kết hợp cánh gió tĩnh và cánh gió quay dạng turbocharger.

Hình 2. Bộ cánh gió tĩnh và quay của quạt không cánh

Nhờ bộ cánh gió “nhỏ mà có võ” này mà không khí được hút vào trong thông qua các lỗ khí nhỏ xung quanh. Không khí đi vào trong sẽ được bộ cánh gió hút và đẩy lên phía trên.

Hình 3. Bộ cánh gió dạng turbocharger

Nhóm thiết kế đã sử dụng bộ công cụ thiết kế máy cánh cực mạnh ANSYS Tubormachinery để thiết kế biên dạng cánh gió phức tạp bằng BladeModeler và chia lưới với TurboGrid sau đó mô phỏng đặc tính khí động lực học của bộ cánh gió bằng ANSYS CFX, một công cụ chuyên dụng mô phỏng các loại máy cánh quay (Turbomachinery).

Hình 4. Hình học và lưới của một biên dạng cánh quay tạo bằng ANSYS

Bên cạnh biên dạng cánh quay đặc biệt này tạo hiệu suất cao thì một vấn đề mà nhóm thiết kế đã giải quyết được khi sử dụng công cụ mô phỏng kỹ thuật. Đó là tìm ra nguồn gây tiếng ồn (noise) do đặc tính khí động dòng khí và đã giảm thiểu được tới 70% độ ồn với thiết kế này của cánh gió.

Quay lại hình 1 các bạn sẽ thấy miếng xốp đen ngăn cách giữa các thiết bị điện tử và buồng khí, nó có hai mục đích là cách nhiệt sinh ra của các thiết bị điện tử với khoang khí và hấp thụ âm thanh do tiếng ồn động cơ và khí động học phản xạ lại.

Tiếp tục hành trình của mình, dòng khí đi ra khỏi cánh gió tiến tới một vòng dẫn khí hết sức đặc biệt. Vòng dẫn khí chính là phần chứa đựng hầu hết những đặc điểm sáng tạo và độc đáo của chiếc quạt không cánh từ trong ra ngoài.

Chúng ta hãy cùng xem biên dạng của vòng dẫn khí, đầu tiên là mặt cắt của nó trong hình 5.

Hình 5. Mặt cánh của vòng dẫn khí quạt không cánh

Hình ảnh trên là kết quả mô phỏng dòng chảy 2D mà các kỹ sư Dyson thực hiện với ANSYS Fluent để kiểm tra các ý tưởng của biên dạng vòng dẫn khí. Các mô phỏng này đơn giản nên thực hiện nhanh chóng và cho kết quả trực quan, giúp các kỹ sư đánh giá khả năng của từng ý tưởng vòng dẫn khí.

Biên dạng cuối cùng mà các kỹ sư đạt được bao gồm các yếu tố then chốt tích cực tác động lên dòng khí: khe hẹp làm tăng tốc dòng khí, bề mặt dốc 16 độ của biên dạng ngoài giúp mở rộng dòng khí nhờ hiệu ứng Coanda.

Hiệu ứng Coanda này rất nổi tiếng và đã được áp dụng nhiều trong thực tiễn kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực hàng không như động cơ Coanda cho máy bay trực thăng, thiết bị bay không người lái (UAV)...

Do tác động của áp suất xung quanh tạo áp lực lên dòng khí, bắt buộc dòng khí đi bám sát bề mặt dốc của biên dạng vòng dẫn khí, do bề mặt dốc có xu hướng mở rộng nên dòng khí cũng được mở rộng ra.

Tiếp tục thực hiện các mô phỏng với mô hình 3D các kỹ sư đã nhận thấy thêm một hiệu ứng tích cực khác lên dòng khí đó là sự cảm ứng của không khí xung quanh lên dòng khí đi ra khỏi vòng dẫn khí.

Sự cảm ứng tích cực ở đây làm cho lưu lượng khí đến khu vực làm mát được tăng cường, hiện tượng này thì cũng như quạt bình thường cũng có, nhưng với quạt không cánh thì sự cảm ứng mạnh hơn do tốc độ dòng khi ra khỏi vòng dẫn khí là rất mạnh.

Hình 6. Không khí xung quanh cảm ứng theo dòng khí chính

Nhờ những công cụ mô phỏng mạnh mẽ và kinh nghiệm áp dụng cho quá trình phát triển sản phẩm từ lâu của mình, đội ngũ kỹ sư Dyson đã đạt được thành quả tuyệt vời, ra đời một sản phẩm sáng tạo trong thời gian ngắn với khối lượng công việc lớn (gần 200 mô phỏng) được thực hiện. Triết lý “Mô phỏng định hướng phát triển sản phẩm” đã được Dyson áp dụng vô vùng hiệu quả.

Các bài viết liên quan :

• Quạt không cánh, sản phẩm sáng tạo sử dụng công nghệ mô phỏng kỹ thuật

• Mô phỏng kỹ thuật định hướng phát triển quạt không cánh

--------------------------------------------------------------------------------

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