Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> QUÁ TRÌNH TĂNG ÁP SUẤT TẠI VAN CHẶN DÒNG CHẢY HAI PHA<br /> Nguyễn Văn Tuấn*, Lữ Thị Dung<br /> Tóm tắt: Dòng chảy hai pha là hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi, thường gặp<br /> nhiều trong tự nhiên và các quá trình kỹ thuật. Trong báo cáo này sẽ trình bày các<br /> kết quả nghiên cứu về quá trình tăng áp suất trên van do việc đóng chặn đột ngột<br /> dòng chảy hai pha. Sự ảnh hưởng của các tham số đặc trưng cho dòng chảy và cấu<br /> trúc của hỗn hợp như: thời gian đóng van, lưu tốc,thể tích của pha hơi trong hỗn<br /> hợp, lên quá trình tăng áp suất trong hỗn hợp trên sẽ được trình bày.<br /> Từ khóa: Chất lỏng, Bọt hơi, Sóng, Van đóng, Pha, Hỗn hợp, Áp suất.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi là môi trường hai pha có tính chất đặc biệt. Trong hỗn<br /> hợp do có sự kết hợp của các tính chất phi tuyến, tính phân tán và hao tán năng lượng, nên<br /> biểu đồ mô tả các sóng có nhiều dạng. Đặc biệt, khi thay đổi các điều kiện thủy động lực,<br /> sẽ dẫn đến sự thay đổi mạnh các cấu trúc về sóng và các quá trình tương tác giữa các pha.<br /> Đã có nhiều công trình khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm nghiên cứu các quá<br /> trình lan truyền của sóng [4], [7], các quá trình tương tác sóng [1], [5] hay các quá trình<br /> tương tác giữa các pha [2], [3]. Trong các quá trình trên, các bọt trong hỗn hợp sẽ bị co<br /> nén, và chính sự co nén của bọt trong hỗn hợp sẽ xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt và trao<br /> đổi khối lượng giữa các pha, từ đó dẫn đến các hiện tượng bất thường xuất hiện trong hỗn<br /> hợp.Hiện tượng tăng áp suất đột ngột tại van đóng chặn dòng chảy được gọi là hiện tượng<br /> nước va (hay hiện tượng búa nước - water hammer) là một vấn đề đã và đang được các<br /> nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu. Trong báo cáo này, sẽ trình<br /> bày một số kết quả nghiên cứu về quá trình tăng áp suất đột ngột tại van đóng chặn dòng<br /> chảy hai pha. Đồng thời sự ảnh hưởng của tốc độ đóng van, của thể tích của pha hơi trong<br /> hỗn hợp lên quá trình tăng áp suất tại van sẽ được đề cập tới. Kết quả nghiên cứu mang lại<br /> đóng góp mới cho lĩnh vực động lực học dòng chảy nhiều pha và có thể ứng dụng trong<br /> các ngành công nghiệp năng lượng, chế biến và vận chuyển dầu khí…<br /> <br /> 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC<br /> Môi trường hai pha được sử dụng là hỗn hợp của nước chứa bọt hơi được chứa trong<br /> ống xung kích nằm ngang. Giả thiết rằng, bọt hơi hình cầu được phân bố đều trong hỗn<br /> hợp, không có có sự phân chia bọt và nồng độ thể tích pha hơi không quá lớn [1]. Giả sử<br /> hỗn hợp này đang chuyển động với vận tốc v0 trong ống. Trên đường ống có một van đóng<br /> ống được chế tạo bởi vật liệu cứng tuyệt đối. Tại một thời điểm nào đó, van đột ngột được<br /> đóng lại, do quán tính nên hỗn hợp trong ống bị dồn lại làm cho áp suất trong ống đột<br /> nhiên tăng cao. Sự ngừng chảy và tăng áp suất bắt đầu từ van đóng sau đó lan truyền<br /> ngược lại trong ống - đó là giai đoạn tăng áp suất tại van đóng.<br /> Trên cơ sở các phương trình bảo toàn khối lượng, số lượng bọt và xung lượng [6]:<br />  1  1 v<br />    4R 2 nj ; (1)<br /> t  0 <br />  2  2 v<br />   4R 2 nj ; (2)<br /> t  0 <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 165<br />  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br /> <br /> n n v (3)<br />   0;<br /> t  0 <br /> v 1 p<br />   0; (4)<br /> t  0 <br /> <br /> 4<br />  i   i  i0 ;  1   2  1 ;   1   2 ;  2  R 3 n ;<br /> 3<br />  2 <br /> p   1 p1   2  p 2  ; (5)<br />  R <br /> Các phương trình trên kết hợp với các phương trình thay đổi khối lượng của từng bọt,<br /> phương trình dòng nhiệt trong pha lỏng, phương trình dòng nhiệt trong pha hơi, phương<br /> trình tương thích biến dạng Rayleigh - Plesset biểu diễn áp suất của các pha và bán kính<br /> bọt, lập thành một hệ phương trình thủy nhiệt động lực học kín mô tả quá trình lan truyền<br /> các sóng xung kích, các quá trình tương tác pha, các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng<br /> giữa các pha trong hỗn hợp lỏng – hơi [6]. Trong hệ phương trình trên, các chỉ số dưới i =<br /> 1, 2, 0 là các tham số của chất lỏng, hơi và trạng thái cân bằng ban đầu; i, pi, i, 0 là<br /> phần thể tích, áp suất, mật độ trung bình và mật độ thực của pha thứ i; v là vận tốc hỗn<br /> hợp; n là số lượng bọt trong một đơn vị thể tích; R là bán kính bọt; j là tỷ lệ của sự chuyển<br /> pha trong một đơn vị diện tích bề mặt giữa các pha;  là hệ số sức căng bề mặt;  là toạ độ<br /> Lagrange và t là thời gian.<br /> Giải hệ phương trình thủy – nhiệt động lực học trên với các điều kiện đầu và điều kiện<br /> biên sau:<br /> 2<br /> t  0 : p1  p 0 ; p 2  p 0  ; R  R0 ; T1  T2  T0 ;<br /> R<br /> v  v0 ; w1  w2  0 ;   0 .<br />   0 : p  pe  p0 ;<br /> p v p<br />   L:  0 0 khi t  t* ;  0. khi t  t* .<br />    L t*   L<br /> <br /> trong đó L là độ dài của ống khảo sát; t* là khoảng thời gian đóng van.<br /> 3. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Hệ phương trình trên đã được giải bằng phương pháp số, dựa trên phương pháp Ơle<br /> biến đổi và phương pháp khử đuổi qua thuật toán Thomas. Chương trình tính đã được xây<br /> dựng và đã được kiểm định bằng cách so sánh các kết quả nhận được với một số kết quả<br /> thực nghiệm đã được công bố của Terushige Fujii và Koij Akagawa [8]. Thực nghiệm đã<br /> được thực hiện trong một ống bằng thép có độ dài 16.17 m. Trong ống chứa hỗn hợp nước<br /> chứa bọt hơi ở nhiệt độ 4380K, áp suất của hỗn hợp là 0.7 MPa. Trong hình 1 dưới đây là<br /> hình ảnh minh hoạ sự so sánh giữa các kết quả tính toán (các đường cong liên tục mảnh)<br /> và các kết quả thực nghiệm (các đường cong liên tục đậm), đó là các profil áp suất trong<br /> giai đoạn tăng áp của sóng va khi hỗn hợp chuyển động tới tác động vào van đóng ống.<br /> Các kết quả trong hình 1 là trường hợp đã sử dụng các điều kiện đầu, điều kiện biên và các<br /> tham số vật chất của hỗn hợp như sau: thể tích của pha hơi  20  0.1% ; thời gian đóng<br /> van hoàn toàn là  *  9 ms ; vận tốc của hỗn hợp v  0.5 m / s . Các đường cong từ 1 - 4<br /> <br /> <br /> <br /> 166 N. V. Tuấn, L. T. Dung, “Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> trình bày các profil áp suất tương ứng với các vị trí được xác định áp suất của hỗn hợp<br /> trong ống xung kích, khi tính từ van đóng của ống là: x = 0.21; 1.75; 3.51 và 7.01 m.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm của [8].<br /> Từ các kết quả thu nhận được đã cho thấy sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm và<br /> các kết quả tính toán. Chương trình trên đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình tăng áp<br /> suất tại van chặn dòng chảy là hỗn hợp của nước chứa bọt trên.<br /> Các hình từ 2-4 là các biểu đồ biểu diễn các kết quả tính toán của sự tăng áp suất đột<br /> ngột trong hỗn hợp do bị đóng van bất ngờ. Sự ngừng chảy và quá trình tăng áp suất này<br /> bắt đầu từ van đóng sau đó lan truyền ngược lại trong hỗn hợp. Trong các trường hợp này<br /> thì các điều kiện đầu và các tham số vật chất của hỗn hợp được cho như sau: áp suất ban<br /> đầu của hỗn hợp p0 = 0.7MPa; thể tích của pha hơi  20  0.1% ; vận tốc của hỗn hợp<br /> v 1 m / s . Tuy nhiên thời gian đóng van hoàn toàn, được thay đổi tương ứng<br />  *  7; 9; 11 ms . Các đường cong từ 1- 8 trong các hình 2 - 4 là các profil áp suất biểu<br /> diễn sự tăng áp suất trong giai đoạn tăng áp tại các vị trí dọc theo ống.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van<br /> đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 và 16.17 m. Thời gian đóng van<br /> hoàn toàn là * = 7ms.<br /> Từ các kết quả trình bày trên hình 2, khi thời gian đóng van hoàn toàn là 7 ms thì giá trị<br /> lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.72 MPa. Sau đó sóng áp suất này lan<br /> truyền ngược lại và sẽ bị giảm dần theo hướng trục, mà nguyên nhân chủ yếu do ảnh<br /> hưởng quan trọng của hiện tượng trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha. Khi sóng tăng<br /> áp lan truyền ngược lại tới cuối đường ống, do sự chênh áp đột ngột ở trong ống và ngoài<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 167<br />  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br /> <br /> ống, nên hỗn hợp bắt đầu bị chảy ngược và áp suất trong ống giảm xuống (đây là giai đoạn<br /> giảm áp trong hiện tượng nước va).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van<br /> đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 và 16.17 m. Thời gian đóng van<br /> hoàn toàn là * = 9ms.<br /> Từ các kết quả trình bày trên hình 3, khi thời gian đóng van hoàn toàn là 9 ms thì giá trị<br /> lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.684 MPa.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van<br /> đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 4.72; 7.01; 10.15; 13.64 và 16.17 m. Thời gian đóng van<br /> hoàn toàn là * = 11ms.<br /> Từ các kết quả trình bày trên hình 4, khi thời gian đóng van hoàn toàn là 11 ms thì giá<br /> trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.681 MPa.<br /> Như vậy, khi tăng dần thời gian đóng van, thì giá trị của áp suất cực đại tại van đóng<br /> giảm dần.<br /> Trong hình 5 và 6 là biểu đồ biểu diễn các kết quả tính toán sự tăng áp suất trong hỗn<br /> hợp do bị đóng van đột ngột. Trong trường hợp này thì các điều kiện đầu và các tham số<br /> vật chất của hỗn hợp được cho như sau: áp suất ban đầu của hỗn hợp p0 = 0.7 MPa; vận<br /> tốc của hỗn hợp v 1 m / s ; thời gian đóng van hoàn toàn  *  11 ms , tuy nhiên thể tích<br /> của pha hơi tương ứng là  20  0.2 % và  20  0.3% .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 168 N. V. Tuấn, L. T. Dung, “Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van<br /> đóng ống là: x = 1.75; 3.51; 5.66; 7.01; 10.15 và 12.26 m. Thể tích của pha hơi tương<br /> ứng là  20  0.2 % .<br /> Từ các kết quả trình bày trên hình 5, khi thể tích của pha hơi tương ứng là<br />  20  0.2 % thì giá trị lớn nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.322 MPa.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Quá trình tăng áp suất tại van đóng và trong hỗn hợp tại các vị trí tính từ van<br /> 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<br />  20  0.3% .<br /> Trong trường hợp này, khi thể tích của pha hơi tương ứng là  20  0.3% , thì giá trị lớn<br /> nhất của áp suất nhận được trên van đóng là 1.162 MPa.<br /> Từ kết quả nhận được có thể thấy khi tăng phần thể tích của pha hơi trong hỗn hợp thì<br /> áp suất cực đại nhận được trên van đónggiảm.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo đã trình bày các kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất của giai đoạn tăng<br /> áp trong hỗn hợp nước chứa bọt hơi, khi hỗn hợp này chuyển động trong ống và bị đóng<br /> van đột ngột. Sự ngừng chảy và tăng áp suất sẽ bắt đầu từ van đóng sau đó được lan truyền<br /> về phía ngược lại. Trên cơ sở các kết quả nhận được có thể đưa ra một số kết luận như sau:<br /> Giá trị của áp suất cực đại nhận được trên van đóng giảm khi tăng dần thời gian<br /> đóng van hoàn toàn. Tuy nhiên đại lượng này phụ thuộc yếu vào thời gian đóng van hoàn<br /> toàn.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 169<br />  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br /> <br /> Áp suất nhận được trên van phụ thuộc mạnh vào thể thể tích pha hơi trong hỗn hợp.<br /> Khi tăng phần thể tích của pha hơi trong hỗn hợp, thì giá trị cực đại của áp suất nhận được<br /> trên van giảm.<br /> Khi đã đóng van hoàn toàn, thì cường độ của sóng áp suất trong hỗn hợp sẽ giảm dần,<br /> khi nó lan truyền ngược lại theo hướng trục. Nguyên nhân chủ yếu là do hiện tượng trao<br /> đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Duong Ngoc Hai, Nguyen Van Tuan, “Waves reflected by solid wall in the mixture of<br /> liquid with vapour bubbles”. J. Mechanics Vol. 24, No3. 2002, 167-180.<br /> [2]. Duong Ngọc Hai and Nguyen Van Tuan, “Interphase Heat-Mass Transfer in Bubbly<br /> Liquid and its Influence on Wave Propagation Processes”, Proceedings of the 2nd<br /> International Forum on Heat Transfer, September17-19, 2008, Tokyo, Japan, paper ID<br /> N128.<br /> [3]. Duong Ngoc Hai and Nguyen Van Tuan, “Interphase Heat-Mass Transfer in Wave<br /> Propagation Processes in Bubbly Liquid”, Proceedings of the International Workshop<br /> Thermal Hydrodynamics of Multiphase Flows and Applications, Hanoi, Vietnam,<br /> May 5 - 6, 2009, pp. 11 – 18.<br /> [4]. Gubaigullin A. A., Beregova O.Sh. & Bekishev S. A., “Shock waves in non-<br /> Newtonian bubbly liquids”. Int.J. Multiphase Flow Vol. 27, 2001, 635-655,.<br /> [5]. Nguyễn Văn Tuấn và Dương Ngọc Hải, “Quá trình lan truyền và tương tác sóng của<br /> các sóng ngắn trong một số hốn hợp Lỏng – Hơi”,Tuyển tập công trình hội nghị khoa<br /> học Cơ học Thủy Khí toàn quốc, Vũng tàu, 2006, tr. 515-526.<br /> [6]. NigmatulinR.I. “Dynamics of Multiphase Media”. Hemisphere, publ. Corp.,<br /> Washington, 1990.<br /> [7]. Nigmatulin R.I., KhabeevN.S.& Duong Ngoc Hai, “Waves in liquid with vapour<br /> bubbles”. J.Fluid Mech., Vol. 186, 1988, 85-117.<br /> [8]. Terushige Fujii và Koij Akagawa, “Water hammers phenomena in one-component<br /> two-phase bubbly flow”. Proc. of the Int. Conf. on Multiphase Flow’ 91- Tsukuba,<br /> Japan, 1991.<br /> ABSTRACT<br /> PROCESS OF PRESSURE INCREASE AT<br /> TWO-PHASE FLOW INTERRUPTION VALVE<br /> Two-phase flow is a mixture of liquid with vapour bubbles and it was met in<br /> many natural and industrial processes. In this paper, the results of process of<br /> pressure increase at valve where two-phase flow is suddenly interrupted are<br /> presented. The effects of the initial and boundary conditions such as: valve closure<br /> time, velocity, volume fraction of vapour phase in the mixture, on the process of<br /> pressure increase in the mixture of are studied.<br /> Keywords: Liquid; Water hammer; Vapour; Bubble; Wave; Valve closure; Phase; Presure; Mixture.<br /> <br /> Nhận bài ngày 12 tháng 05 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 23 tháng 06 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 04 tháng 07 năm 2016<br /> <br /> Địa chỉ: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.<br /> *<br /> Email: nltuan@tnut.edu.vn; ĐT: 0912526637.<br /> <br /> <br /> 170 N. V. Tuấn, L. T. Dung, “Quá trình tăng áp suất tại van chặn dòng chảy hai pha.”<br />