Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha - Nguyễn Văn Tuấn

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 165 QUÁ TRÌNH TĂNG ÁP SUẤT TẠI VAN CHẶN DÒNG CHẢY HAI PHA Nguyễn Văn Tuấn*, Lữ Thị Dung Tóm tắt: Dòng chảy hai pha là hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi, thường gặp nhiều trong tự nhiên và các quá trình kỹ thuật. Trong báo cáo này sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu về quá trình tăng áp suất trên van do việc đóng chặn đột ngột dòng chảy hai pha. Sự ảnh hưởng của các tham số đặc trưng cho dòng chảy và cấu trúc của hỗn hợp như: thời gian đóng van, lưu tốc,thể tích của pha hơi trong hỗn hợp, lên quá trình tăng áp suất trong hỗn hợp trên sẽ được trình bày. Từ khóa: Chất lỏng, Bọt hơi, Sóng, Van đóng, Pha, Hỗn hợp, Áp suất. 1. MỞ ĐẦU Hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi là môi trường hai pha có tính chất đặc biệt. Trong hỗn hợp do có sự kết hợp của các tính chất phi tuyến, tính phân tán và hao tán năng lượng, nên biểu đồ mô tả các sóng có nhiều dạng. Đặc biệt, khi thay đổi các điều kiện thủy động lực, sẽ dẫn đến sự thay đổi mạnh các cấu trúc về sóng và các quá trình tương tác giữa các pha. Đã có nhiều công trình khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu các quá trình lan truyền của sóng [4], [7], các quá trình tương tác sóng [1], [5] hay các quá trình tương tác giữa các pha [2], [3]. Trong các quá trình trên, các bọt trong hỗn hợp sẽ bị co nén, và chính sự co nén của bọt trong hỗn hợp sẽ xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt và trao đổi khối lượng giữa các pha, từ đó dẫn đến các hiện tượng bất thường xuất hiện trong hỗn hợp.Hiện tượng tăng áp suất đột ngột tại van đóng chặn dòng chảy được gọi là hiện tượng nước va (hay hiện tượng búa nước - water hammer) là một vấn đề đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu. Trong báo cáo này, sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về quá trình tăng áp suất đột ngột tại van đóng chặn dòng chảy hai pha. Đồng thời sự ảnh hưởng của tốc độ đóng van, của thể tích của pha hơi trong hỗn hợp lên quá trình tăng áp suất tại van sẽ được đề cập tới. Kết quả nghiên cứu mang lại đóng góp mới cho lĩnh vực động lực học dòng chảy nhiều pha và có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp năng lượng, chế biến và vận chuyển dầu khí 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC Môi trường hai pha được sử dụng là hỗn hợp của nước chứa bọt hơi được chứa trong ống xung kích nằm ngang. Giả thiết rằng, bọt hơi hình cầu được phân bố đều trong hỗn hợp, không có có sự phân chia bọt và nồng độ thể tích pha hơi không quá lớn [1]. Giả sử hỗn hợp này đang chuyển động với vận tốc v0 trong ống. Trên đường ống có một van đóng ống được chế tạo bởi vật liệu cứng tuyệt đối. Tại một thời điểm nào đó, van đột ngột được đóng lại, do quán tính nên hỗn hợp trong ống bị dồn lại làm cho áp suất trong ống đột nhiên tăng cao. Sự ngừng chảy và tăng áp suất bắt đầu từ van đóng sau đó lan truyền ngược lại trong ống - đó là giai đoạn tăng áp suất tại van đóng. Trên cơ sở các phương trình bảo toàn khối lượng, số lượng bọt và xung lượng [6]: (1) (2) ;4 2 0 11 njR v t          ;4 2 0 22 njR v t          Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông N. V. Tuấn, L. T. Dung, “Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha.” 166 (3) (4) ; 3 4 ;;1; 322121 0 nRiii   ; 2 2211        R ppp   (5) Các phương trình trên kết hợp với các phương trình thay đổi khối lượng của từng bọt, phương trình dòng nhiệt trong pha lỏng, phương trình dòng nhiệt trong pha hơi, phương trình tương thích biến dạng Rayleigh - Plesset biểu diễn áp suất của các pha và bán kính bọt, lập thành một hệ phương trình thủy nhiệt động lực học kín mô tả quá trình lan truyền các sóng xung kích, các quá trình tương tác pha, các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp lỏng – hơi [6]. Trong hệ phương trình trên, các chỉ số dưới i = 1, 2, 0 là các tham số của chất lỏng, hơi và trạng thái cân bằng ban đầu; i, pi, i, 0 là phần thể tích, áp suất, mật độ trung bình và mật độ thực của pha thứ i; v là vận tốc hỗn hợp; n là số lượng bọt trong một đơn vị thể tích; R là bán kính bọt; j là tỷ lệ của sự chuyển pha trong một đơn vị diện tích bề mặt giữa các pha;  là hệ số sức căng bề mặt;  là toạ độ Lagrange và t là thời gian. Giải hệ phương trình thủy – nhiệt động lực học trên với các điều kiện đầu và điều kiện biên sau: ;;; 2 ;:0 02100201 TTTRR R ppppt   .;0; 0210   wwvv 0:0 ppp e  ; 0 0 * * : L vp L khi t t t             ; *0. . L p khi t t         trong đó L là độ dài của ống khảo sát; *t là khoảng thời gian đóng van. 3. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hệ phương trình trên đã được giải bằng phương pháp số, dựa trên phương pháp Ơle biến đổi và phương pháp khử đuổi qua thuật toán Thomas. Chương trình tính đã được xây dựng và đã được kiểm định bằng cách so sánh các kết quả nhận được với một số kết quả thực nghiệm đã được công bố của Terushige Fujii và Koij Akagawa [8]. Thực nghiệm đã được thực hiện trong một ống bằng thép có độ dài 16.17 m. Trong ống chứa hỗn hợp nước chứa bọt hơi ở nhiệt độ 4380K, áp suất của hỗn hợp là 0.7 MPa. Trong hình 1 dưới đây là hình ảnh minh hoạ sự so sánh giữa các kết quả tính toán (các đường cong liên tục mảnh) và các kết quả thực nghiệm (các đường cong liên tục đậm), đó là các profil áp suất trong giai đoạn tăng áp của sóng va khi hỗn hợp chuyển động tới tác động vào van đóng ống. Các kết quả trong hình 1 là trường hợp đã sử dụng các điều kiện đầu, điều kiện biên và các tham số vật chất của hỗn hợp như sau: thể tích của pha hơi ;%1.020  thời gian đóng van hoàn toàn là ms9*  ; vận tốc của hỗn hợp smv /5.0 . Các đường cong từ 1 - 4 ;0 0         vn t n ;0 1 0        p t v Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 167 trình bày các profil áp suất tương ứng với các vị trí được xác định áp suất của hỗn hợp trong ống xung kích, khi tính từ van đóng của ống là: x = 0.21; 1.75; 3.51 và 7.01 m. Hình 1. So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm của [8]. Từ các kết quả thu nhận được đã cho thấy sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm và các kết quả tính toán. Chương trình trên đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy là hỗn hợp của nước chứa bọt trên. Các hình từ 2-4 là các biểu đồ biểu diễn các kết quả tính toán của sự tăng áp suất đột ngột trong hỗn hợp do bị đóng van bất ngờ. Sự ngừng chảy và quá trình tăng áp suất này bắt đầu từ van đóng sau đó lan truyền ngược lại trong hỗn hợp. Trong các trường hợp này thì các điều kiện đầu và các tham số vật chất của hỗn hợp được cho như sau: áp suất ban đầu của hỗn hợp p0 = 0.7MPa; thể tích của pha hơi ;%1.020  vận tốc của hỗn hợp smv /1 . Tuy nhiên thời gian đóng van hoàn toàn, được thay đổi tương ứng ms11;9;7*  . Các đường cong từ 1- 8 trong các hình 2 - 4 là các profil áp suất biểu diễn sự tăng áp suất trong giai đoạn tăng áp tại các vị trí dọc theo ống. Hình 2. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 và 16.17 m. Thời gian đóng van hoàn toàn là * = 7ms. Từ các kết quả trình bày trên hình 2, khi thời gian đóng van hoàn toàn là 7 ms thì giá trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.72 MPa. Sau đó sóng áp suất này lan truyền ngược lại và sẽ bị giảm dần theo hướng trục, mà nguyên nhân chủ yếu do ảnh hưởng quan trọng của hiện tượng trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha. Khi sóng tăng áp lan truyền ngược lại tới cuối đường ống, do sự chênh áp đột ngột ở trong ống và ngoài Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông N. V. Tuấn, L. T. Dung, “Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha.” 168 ống, nên hỗn hợp bắt đầu bị chảy ngược và áp suất trong ống giảm xuống (đây là giai đoạn giảm áp trong hiện tượng nước va). Hình 3. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 và 16.17 m. Thời gian đóng van hoàn toàn là * = 9ms. Từ các kết quả trình bày trên hình 3, khi thời gian đóng van hoàn toàn là 9 ms thì giá trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.684 MPa. Hình 4. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 và 16.17 m. Thời gian đóng van hoàn toàn là * = 11ms. Từ các kết quả trình bày trên hình 4, khi thời gian đóng van hoàn toàn là 11 ms thì giá trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.681 MPa. Như vậy, khi tăng dần thời gian đóng van, thì giá trị của áp suất cực đại tại van đóng giảm dần. Trong hình 5 và 6 là biểu đồ biểu diễn các kết quả tính toán sự tăng áp suất trong hỗn hợp do bị đóng van đột ngột. Trong trường hợp này thì các điều kiện đầu và các tham số vật chất của hỗn hợp được cho như sau: áp suất ban đầu của hỗn hợp p0 = 0.7 MPa; vận tốc của hỗn hợp smv /1 ; thời gian đóng van hoàn toàn ms11*  , tuy nhiên thể tích của pha hơi tương ứng là 20 0.2%  và 20 0.3%  . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 169 Hình 5. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 5.66; 7.01; 10.15 và 12.26 m. Thể tích của pha hơi tương ứng là 20 0.2%  . Từ các kết quả trình bày trên hình 5, khi thể tích của pha hơi tương ứng là 20 0.2%  thì giá trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.322 MPa. Hình 6. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 12.26 m. Thể tích của pha hơi tương ứng là 20 0.3%  . Trong trường hợp này, khi thể tích của pha hơi tương ứng là 20 0.3%  , thì giá trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.162 MPa. Từ kết quả nhận được có thể thấy khi tăng phần thể tích của pha hơi trong hỗn hợp thì áp suất cực đại nhận được trên van đónggiảm. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo đã trình bày các kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất của giai đoạn tăng áp trong hỗn hợp nước chứa bọt hơi, khi hỗn hợp này chuyển động trong ống và bị đóng van đột ngột. Sự ngừng chảy và tăng áp suất sẽ bắt đầu từ van đóng sau đó được lan truyền về phía ngược lại. Trên cơ sở các kết quả nhận được có thể đưa ra một số kết luận như sau: Giá trị của áp suất cực đại nhận được trên van đóng giảm khi tăng dần thời gian đóng van hoàn toàn. Tuy nhiên đại lượng này phụ thuộc yếu vào thời gian đóng van hoàn toàn. Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông N. V. Tuấn, L. T. Dung, “Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha.” 170 Áp suất nhận được trên van phụ thuộc mạnh vào thể thể tích pha hơi trong hỗn hợp. Khi tăng phần thể tích của pha hơi trong hỗn hợp, thì giá trị cực đại của áp suất nhận được trên van giảm. Khi đã đóng van hoàn toàn, thì cường độ của sóng áp suất trong hỗn hợp sẽ giảm dần, khi nó lan truyền ngược lại theo hướng trục. Nguyên nhân chủ yếu là do hiện tượng trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Duong Ngoc Hai, Nguyen Van Tuan, “Waves reflected by solid wall in the mixture of liquid with vapour bubbles”. J. Mechanics Vol. 24, No3. 2002, 167-180. [2]. Duong Ngọc Hai and Nguyen Van Tuan, “Interphase Heat-Mass Transfer in Bubbly Liquid and its Influence on Wave Propagation Processes”, Proceedings of the 2nd International Forum on Heat Transfer, September17-19, 2008, Tokyo, Japan, paper ID N128. [3]. Duong Ngoc Hai and Nguyen Van Tuan, “Interphase Heat-Mass Transfer in Wave Propagation Processes in Bubbly Liquid”, Proceedings of the International Workshop Thermal Hydrodynamics of Multiphase Flows and Applications, Hanoi, Vietnam, May 5 - 6, 2009, pp. 11 – 18. [4]. Gubaigullin A. A., Beregova O.Sh. & Bekishev S. A., “Shock waves in non- Newtonian bubbly liquids”. Int.J. Multiphase Flow Vol. 27, 2001, 635-655,. [5]. Nguyễn Văn Tuấn và Dương Ngọc Hải, “Quá trình lan truyền và tương tác sóng của các sóng ngắn trong một số hốn hợp Lỏng – Hơi”,Tuyển tập công trình hội nghị khoa học Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Vũng tàu, 2006, tr. 515-526. [6]. NigmatulinR.I. “Dynamics of Multiphase Media”. Hemisphere, publ. Corp., Washington, 1990. [7]. Nigmatulin R.I., KhabeevN.S.& Duong Ngoc Hai, “Waves in liquid with vapour bubbles”. J.Fluid Mech., Vol. 186, 1988, 85-117. [8]. Terushige Fujii và Koij Akagawa, “Water hammers phenomena in one-component two-phase bubbly flow”. Proc. of the Int. Conf. on Multiphase Flow’ 91- Tsukuba, Japan, 1991. ABSTRACT PROCESS OF PRESSURE INCREASE AT TWO-PHASE FLOW INTERRUPTION VALVE Two-phase flow is a mixture of liquid with vapour bubbles and it was met in many natural and industrial processes. In this paper, the results of process of pressure increase at valve where two-phase flow is suddenly interrupted are presented. The effects of the initial and boundary conditions such as: valve closure time, velocity, volume fraction of vapour phase in the mixture, on the process of pressure increase in the mixture of are studied. Keywords: Liquid; Water hammer; Vapour; Bubble; Wave; Valve closure; Phase; Presure; Mixture. Nhận bài ngày 12 tháng 05 năm 2016 Hoàn thiện ngày 23 tháng 06 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 04 tháng 07 năm 2016 Địa chỉ: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. *Email: nltuan@tnut.edu.vn; ĐT: 0912526637.