Nghiên cứu ứng dụng thiết bị AEROPROBE trong nghiên cứu thủy lực dòng chảy có vận tốc lớn
03/05/2012Các thiết bị đo vận tốc theo nguyên lý điện từ trường và cánh quay của Trung tâm Nghiên cứu thủy lực có dải đo danh định lớn nhất đến 5m/s. Ứng dụng các thiết bị nêu trên cho nghiên cứu mô hình thủy lực với dòng chảy có xung vận tốc lớn hơn 5m/s gặp phải các sai số phép đo, dẫn đến xác định không đúng thông số thủy lực. Vì vậy, thiết bị đo vận tốc Aeroprobe có dải đo danh định lớn nhất đến 15m/s là giải pháp bổ sung cho những yêu cầu thí nghiệm mô hình thủy lực với vận tốc lớn hơn 5m/s. Bài viết này trình bày nguyên lý hoạt động cơ bản và khả năng ứng dụng của thiết bị đo vận tốc Aeroprobe cho các thí nghiệm thủy lực công trình.
Giới thiệu thiết bị đo Aeroprobe
Một trong những nghiên cứu chủ yếu của thuỷ động lực học là xác định vận tốc dòng chảy. Trong các thí nghiệm mô hình thuỷ lực, các thiết bị đo làm việc theo nguyên lý điện từ trường và cánh quay có hạn chế là không xác định sự biến đổi cục bộ vận tốc và áp lực dòng chảy, đồng thời dải đo danh định tối đa thông thường khống chế 5m/s. Đôi với các nghiên cúu thí nghiệm thuỷ lực có vận tốc lớn hơn 5m/s, việc ứng dụng các thiết bị đo này thường gặp phải sai số phép đo do thông số thuỷ lực dòng chảy có giá trị lớn hơn khả năng đo của bản thân thiết bị. Vì vậy, thiết bị đo vận tóc dòng chảy Aeroprobe có dải đo danh định đến 15m/s được nghiên cứu chế tạo nhằm khắc phục sai số nêu trên.
Thiết bị đo vận tốc dòng chảy Aeroprobe [1] do hãng Aeroprobe (Mỹ) sản xuất và chế tạo là một hệ thống các thành phần thiết bị liên kết với nhau bằng các đường truyền dữ liệu tương tự và tín hiệu số. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm thủy lực trên thế giới như DanTech (Đan Mạch), Nasa (Mỹ), Đại học Ham-Buôc (Cộng hòa liên bang Đức), Đại học Vũ Hán (Trung Quốc)… đã và đang ứng dụng hệ thống thiết bị này trong các nghiên cứu thuỷ lực.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị Aeroprobe dựa trên nguyên lý làm việc của pi-tô, là loại thiết bị đo vận tốc dòng chảy kinh điển của thuỷ lực học, được xem như thiết bị kiểm chuẩn. Phương trình Bec-nu-ly đựơc áp dụng để tính áp lực thuỷ động và vận tốc dòng chảy của pi-tô.
Từ nguyên lý của pi-tô, hãng Aeroprobe phát triển thiết bị đo với nền tảng hỗ trợ là công nghệ điện tử và công nghệ thông tin (hình 1). Giá trị áp lực dòng chảy thu nhận từ các đầu thu được truyền đến các cảm biến áp suất ở dạng dữ liệu tương tự (analog), sau đó được truyền dẫn đến bộ xử lý DaqScan. Cấc dữ liệu được bộ Daq Scan thu thập chuyển đổi từ dạng tương tự sang dạng tín hiệu số (digital). Thông qua quá trình thu và xử lý số liệu của bộ xử lý, các tín hiệu số truyền dẫn đến máy tính bằng cáp truyền dữ liệu RJ45 hoặc RS232 và xử lý bằng bộ phần mềm máy tính Multiprobe, AeroAcquire và AeroMove. Các thuật toán trong phần mềm máy tính điện tử xử lý tín hiệu số và chuyển đổi tín hiệu áp suất số sang tín hiệu vận tốc thông qua tương tác với dữ liệu chuẩn từ bảng tham chiếu chuyển đổi áp suất – vận tốc.
Hình 1: Hệ thống thiết bị đo vận tốc Aeroprobe
Do đặc trưng cấu tạo với nhiều lỗ thu nhận tín hiệu áp lực, trong đó có cổng thu nhận giá trị áp lực lớn nhất và có cổng thu nhận giá trị nhỏ nhất, nên thiết bị Aeroprobe có khả năng xác định và hiển thị vận tốc dòng chảy theo 3 phương đồng thời với việc xác định các thành phần áp suất thủy tĩnh và áp suất dư của dòng chảy. Số liệu đo được xử lý bằng phần mềm, cho phép phân tích và hiển thị kết quả các số trị vận tốc theo 3 phương gồm vec-tơ tổng, các thành phần vec-tơ vận tốc và các góc chỉ phương theo nguyên tắc hợp vec-tơ toán học (hình 2).
Hình 2: Thiết bị Aeroprobe hiển thị véc-tơ vận tốc dòng chảy theo 3 phương
Kết nối dữ liệu giữa đầu đo và cảm biến áp suất bằng hệ thống ống kín (pneumatic pipe), tuỳ theo môi trường đo (nước, khí) sẽ khống chế điều kiện kín khít. Trong các thí nghiệm với môi trường nước, yêu cầu bắt buộc đặt ra là không cho phép tồn tại bọt khí trong ống. Vì vậy, ở bước khởi tạo thí nghiệm (set-up) biện pháp đẩy khí ra khỏi ống được nhà sản xuất đặt lên hàng đầu. Có hai giải pháp là hút chân không và đẩy áp lực, việc áp dụng giải pháp nào tuỳ thuộc vào điều kiện thí nghiệm. Với môi trường nước sạch, ít bọt khí, giải pháp hút chân không được áp dụng do ưu điểm ít tác động đến cảm biến áp suất. Tuy nhiên, khi môi trường nước có nhiều tạp chất, giải pháp đẩy áp lực cần phải áp dụng nhằm tránh tạp chất vào trong đầu đo.
Động cơ điều khiển bước theo phương đứng cho phép đầu đo dịch chuyển tịnh tiến nhằm định vị chính xác vị trí điểm đo trên thuỷ trực.
Đánh giá tính năng kỹ thuật thiết bị đo Aeroprobe
Khả năng đo của thiết bị Aeroprobe được hãng chế tạo tập trung vào 3 hướng chính: a) hiển thị đo vận tốc theo 3 chiều; b) dải đo mở rộng trên 5m/s và c) định vị đầu đo theo 3 phương bằng bộ giá chuyển động động cơ bước (servo-motor) điều khiển theo chương trình tích hợp trong môi trường hệ điều hành.
Tính năng thu nhận dữ liệu thông số thuỷ lực của dòng chảy
Phần mềm thu nhận dữ liệu AeroAcquire [2] là chương trình máy tính tổng thể được hãng Aeroprobe thiết kế xây dựng nhằm tích hợp với phần mềm Multiprobe và phần mềm AeroMove. Phần mềm AeroAcquire hỗ trợ quá trình thu nhận dữ liệu từ các cảm biến áp suất của các đầu đo, đồng thời hỗ trợ phần cứng quét dữ liệu ở các cấu hình mạng Ethernet, bo mạch PCI và giao thức kết nối thông tin USB. Phần mềm cho phép người sử dụng điều khiển quá trình thu nhận từ một hoặc nhiều đầu đo, xác lập liên kết với các cảm biến áp suất và tệp dữ liệu tham chiếu chuyển đổi áp suất – vận tốc, định vị vị trí đầu đo trên hệ thống giá đỡ, điều khiển tốc độ lấy mẫu, khoảng lấy mẫu và độ trễ tín hiệu và xuất số liệu sang các phần mềm xử lý đồ thị khác như Tecplot, Excel macro hoặc đồ họa 3 chiều.
Tính năng chuyển đổi số trị áp lực dòng chảy sang vận tốc
Phần mềm Multiprobe là chương trình máy tính được thiết kế chuyên dụng để chuyển đổi giá trị áp lực đo thành giá trị vận tốc tính toán. Chương trình hoạt động tương tác động theo thời gian thực với thiết bị đo Aeroprobe loại 5 cảm biến áp lực. Màn hình hiển thị được thiết kế theo giao diện đồ họa với người sử dụng, số liệu nhập vào phần mềm theo dạng thực đơn (me-nu) và xử lý toán học bằng các hàm lưu trữ trong các thư viện liên kết động. Các thư viện liên kết động cũng hỗ trợ người sử dụng lập trình thủ tục chuyển đổi áp lực dòng chảy sang vận tốc với các ngôn ngữ lập trình C/C++, Delphi, Visual Basic và Excel macro.
Phần mềm Multiprobe được xây dựng trên nền tảng định dạng dữ liệu chung với phần mềm AeroAcquire, do đó hai phần mềm tích hợp với nhau đồng bộ nhằm thiết lập quá trình chuyển đổi dữ liệu áp suất sang vận tốc. Phần mềm sử dụng thuật toán bình phương gia quyền LLS tối thiểu để xác định đồ thị tiệm cận sát nhất các điểm đo trong quá trình hiệu chỉnh và kiểm định thiết bị. Thuật toán LLS ứng dụng kỹ thuật tìm kiếm đa miền và các chương trình miền kiểm định các giá trị góc lệch phương để nâng cao độ chính xác.
Các thuật toán chuyển đổi đều có sai số trung bình giá trị vận tốc nhỏ hơn 0,8% trong giá trị vận tốc tổng thể (bao gồm sai số lan truyền áp lực dòng chảy và góc lệch phương) và nhỏ hơn 0,4% giá trị góc. Mặt khác, các thuật toán chuyển đổi có tính năng nội suy giữa các tệp dữ liệu hiệu chỉnh đa biến. Tính năng nội suy này hỗ trợ người sử dụng thiết bị với phạm vi dải đo rộng và vẫn duy trì được độ chính xác quá trình chuyển đổi khi sử dụng tệp dữ liệu hiệu chỉnh tiêu chuẩn.
Một đặc điểm nổi bật trong cấu trúc phần mềm Multiprobe là cho phép người sử dụng tự phát triển công cụ và thuật toán tìm kiếm nhanh hơn thuật toán LLS để tăng tốc độ chuyển đổi dữ liệu khi thí nghiệm đòi hỏi phải xử lý nhanh dữ liệu đầu vào. Tuy nhiên, thuật toán do người sử dụng tự xây dựng sẽ không đạt được độ chính xác của thuật toán LLS do hãng Aeroprobe đã thiết lập được quá trình tối ưu hóa trong quá trình lập trình.
Ngoài ra, phần mềm Multiprobe còn có tính năng mở rộng trong tiền-xử lý các dữ liệu hiệu chỉnh và chuyển đổi dữ liệu thí nghiệm tương thích với đầu đo do người sử dụng tự chế tạo hoặc do nhà sản xuất thiết bị khác cung cấp.
Tính năng hiển thị kết quả đo
Ưu điểm của thiết bị Aeroprobe là có khả năng hiện thị các thành phẩn véc-tơ vận tốc theo 3 phương, các góc chỉ phương cũng như áp suất thủy tĩnh và áp suất tổng của dòng chảy. Do đố cho phép người nghiên cứu xác định các yếu tố biến đổi cục bộ của cấu trúc dòng chảy
Một đặc điểm cần lưu ý trong quá trình ứng dụng thiết bị là ảnh hưởng của kích thước đầu đo đến trường dòng chảy tạo ra hiện tượng giao thoa. Hãng sản xuất khuyến cáo trong quá trình thí nghiệm không nên đặt đầu đo trong phạm vi 4 – 5 lần đường kính đầu đo tới các vật thể khác trong môi trường thí nghiệm hoặc thành biên mô hình.
Ứng dụng thiết bị đo vận tốc dòng chảy Aeroprobe trong nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực
Thiết bị đo vận tốc dòng chảy Aeroprobe được ứng dụng vào nghiên cứu thí nghiệm mô hình vật lý công trình thuỷ lợi hồ chứa sông Cái và đập dâng Tân Mỹ [3, 4] tại Trung tâm Nghiên cứu thuỷ lực – Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển. Mô hình thuộc loại chính thái tổng thể, có tỷ lệ 1/70. Yêu cầu của cơ quan thiết kế đặt hàng là thông qua thí nghiệm mô hình, xác định truờng phân bố vận tốc trên đập tràn và bể tiêu năng để tìm ra giải pháp bảo vệ công trình, hạn chế khả năng xói lòng dẫn và an toàn cầu giao thông ở hạ lưu.
Nhóm nghiên cứu mô hình đã ứng dụng thiết bị Aeroprobe đo thông số vận tốc tại các vị trí gồm đỉnh, thân và mũi phun tràn xả lũ, trong hố xói hạ lưu, sân sau bể tiêu năng và vị trí cầu giao thông. Tổng số mặt cắt đo là 16 với 4 ở thượng lưu, 4 trong phạm vi công trình tại tràn và cống, và hạ lưu 8 mặt cắt hạ lưu. Trên mỗi mặt cắt đo từ 5 đến 13 thủy trực, mỗi thủy trực đo đo 3 điểm mặt, giữa, đáy. Vị trí điểm trên từng thuỷ trực được định vị bằng giá đõ gắn động cơ bước (servo) điều khiển điện. Kết quả đo vận tốc trên công trình đầu mối trình bày trong bảng 1. Bảng 2 thể hiện kết quả đo vận tốc dòng chảy tại vị trí tuyến cầu giao thông ở hạ lưu của phương án thiết kế.
Trong quá trình đo đạc, nhóm nghiên cứu đã sử dụng đồng thời phương pháp hút chân không và đẩy áp lực để thoát toàn bộ khí trong ống dẫn từ đầu đo đến cảm biến áp suất. Trong đó, hút chân không bằng thiết bị tạo chân không được áp dụng tại vị trí đo trên mặt tràn do lưu tốc dòng chảy tại đây lớn, dòng chảy xiết và không xuất hiện dòng xoáy cuộn. Tại vị trí hố xói, dòng cuộn trong khu vực nước nhảy rất lớn, bọt khí xuất hiện và xáo trộn vào dòng chủ lưu, vì vậy giải pháp đẩy áp lực được áp dụng đã chứng tỏ có hiệu quả thoát khí tốt hơn phương pháp hút chân không.
Hình 3 : Ứng dụng thiết bị đo Aeroprobe trong nghiên cứu thí nghiệm mô hình hồ chứa sông Cái và đập dâng Tân Mỹ, tỉnh Ninh Thuận
Bảng 1 : Kết quả đo vận tốc tại vị trí hố xói sau đập, phương án thiết kế đập dâng Tân Mỹ (đã chuyển đổi sang giá trị nguyên hình với hệ số lv = 8,3667)
Tần suất p (%) | 0,5 | 0,1 | 0,02 |
Lưu lượng (m3/s) | 4358,70 | 5546,30 | 7423,46 |
Vận tốc tại đỉnh tràn (m/s) | 11,21 | 14,95 | 15,45 |
Vận tốc tại giữa tràn (m/s) | 19.98 | 22,80 | 23,00 |
Vận tốc tại chân đập tràn (m/s) | 23,80 | 25,17 | 26,92 |
Bảng 2: Vận tốc dòng chảy tại vị trí cầu giao thông hạ lưu hồ chứa sông Cái – phương án thiết kế (lv = 8,3667)
TT | Q(m3/s) | Vận tốc mố trái | Vận tốc dòng chảy tại các nhịp cầu (m/s) | Vận tốc mố phải | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Nhịp 7 | ||||
1 | 4358,7 | 6,12 | 6,12 | 4,61 | 3,36 | 1,32 | 1,99 |
| 1,43 | 1,43 |
2 | 5546,3 | 8,47 | 8,47 | 5,97 | 3,63 |
| 1,53 |
| 1,08 | 1,08 |
3 | 7423,46 | 4,06 | 4,06 | 3,11 | 2,06 | 6,98 | 8,12 | 8,47 | 7,47 | 7,47 |
Bảng 3: Vận tốc dòng chảy tại vị trí cầu giao thông hạ lưu hồ chứa sông Cái – phương án sửa đổi (lv = 8,3667)
STT | Q (m3/s) | Vận tốc của dòng chảy tại các nhịp cầu (m/s) | ||||||
Nhịp 1 | Nhịp 2 | Nhịp 3 | Nhịp 4 | Nhịp 5 | Nhịp 6 | Nhịp 7 | ||
1 | 4358,70 | 4,69 | 5,32 | 3,21 | 0.57 | 1.09 | 1.11 | 1.86 |
2 | 5546,30 | 6,11 | 6,64 | 5,37 | 3,57 | 1,10 | 2,12 | 1,30 |
3 | 7423,46 | 2,91 | 0,34 | 4,46 | 7,57 | 7.31 | 6.32 | 5.60 |
Hình 4: Trường phân bố vận tốc dòng chảy sau trụ cầu đo bằng thiết bị Aeroprobe
Với cấp lưu lượng thiết kế Qtk = 4358,7m3/s, vận tốc dòng chảy tại vị trí chân cầu mố trái là 6,12m/s, phía sau trụ cầu xuất hiện các dòng vật và xoáy (hình 4). Dòng chảy xiết với vận tốc lớn gây nguy cơ xói lớ bờ và mố cầu. Do vậy, giải pháp công trình tiêu năng phải được nghiên cứu nhằm giảm vận tốc dòng chảy, đồng thời biện pháp gia cố bờ và mố cầu bằng vật liệu cường độ cao phải được xét đến.
Thiết bị Aeroprobe tiếp tục được ứng dụng đo vận tốc dòng chảy trong nghiên cứu phương án mô hình sửa đổi. Bảng 3 thể hiện giá trị vận tốc tại vị trí cầu giao thông của phương án sửa đổi. So sánh vận tốc từ các bảng 2 và 3 cho thấy tại nhịp cầu số 1, vận tốc dòng chảy giảm đáng kể (23,4%).
Từ kết quả thí nghiệm sửa đổi, nhóm nghiên cứu đã đề xuất giải pháp cải tiến thay đổi kích thước bể tiêu năng và được đơn vị thiết kế là Công ty tư vấn xây dựng thuỷ lợi 1 – CTCP (HEC 1) áp dụng trong thiết kế kỹ thuật [5].
Kết luận
Thiết bị đo vận tốc Aeroprobe là công cụ hữu ích phục vụ nghiên cứu đo đạc cho phòng thí nghiệm thuỷ lực. Tính năng đo đạc hiện đại của thiết bị với khả năng hiển thị thành phần vận tốc theo 3 phương cho phép xác định thông số thuỷ lực dòng chảy tại khu vục có lưu tốc lớn, xuất hiện các vùng xoáy cuộn và dòng vật. Số liệu đo bằng thiết bị Aeroprobe trên mô hình vật lý đạt độ độ chính xác, góp phần cung cấp số liệu cho cán bộ thiết kế, bảo đảm yêu cầu vận hành an toàn công trình./.
Tài liệu tham khảo
1. Aeroprobe corporation (2009), Aeroprobe system summary and specification, USA;
2. Aeroprobe corporation (2009), Aeroprobe software summary and specification, USA;
3. Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển (2009), Báo cáo thí nghiệm mô hình thuỷ lực đầu mối đập dâng Tân Mỹ - tỉnh Ninh Thuận, Hà Nội;
4. Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển (2009), Báo cáo thí nghiệm mô hình thuỷ lực đầu mối hồ chứa sông Cái – tỉnh Ninh Thuận, Hà Nội;
5. HEC 1 (2009), Hồ sơ thiết kế kỹ thuật công trình thuỷ lợi hồ chứa sông Cái – tính Ninh Thuận, giai đoạn thiết kế kỹ thuật.
Tác giả: ThS. Phạm Anh Tuấn, PGS.TS. Lê Văn Nghị
Trung tâm NC Thủy lực - Phòng TNTĐ Quốc gia về Động lực học sông biển
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Tạp chí KH&CN Thủy lợi
Ý kiến góp ý:
