Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến lực lorentz trong lưu lượng kế từ thủy động lực

Nội dung text: Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến lực lorentz trong lưu lượng kế từ thủy động lực

1. NGHIÊN CỨU NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰCLORENTZ TRONG LƯU LƯỢNG KẾ TỪ THỦY ĐỘNG LỰC 1 2 Vũ Công Chính ; Lê Chí Kiên 1 Học viên cao học, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh 2 Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh Tóm tắt: Các dòng kim loại nóng chảy thường có nhiệt độ cao, ăn mòn và không trong suốt. Do đó việc sử dụng các kỹ thuật đo lưu lượng thông thường sẽ gặp nhiều khó khăn. Gần đây, một kỹ thuật đo lưu lượng không tiếp xúc đã được phát triển, nó được gọi Lorentz Force Flowmeter (LFF). Nguyên lý cơ bản của LFF là dựa trên sự tương tác của một chất lỏng dẫn điện chuyển động trong từ trường. Từ trường của các nam châm sẽ tạo ra một lực Lorentz trong lòng chất lỏng và chúng phụ thuộc vào vận tốc của dòng kim loại chuyển động. Để đo được lưu lượng của các dòng kim loại lỏng thì cần phải xác định được lực lorentz, tuy nhiên lực lorentz trong các LFF thường rất nhỏ và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do đó, nội dung đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi của lực lorentz. Mô hình để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến lực lorentz trong LFF được xây dựng trên nền tảng của phần mềm COMSOL Multiphysics (ver 5.0). Abstract: The flow of molten metal is usually high temperature, corrosion and not transparent. Hence the use of flow measurement techniques usually difficult. Recently, a non-contact technique has been developed, it is called the Lorentz Force Flowmeter (LFF). The basic principle of the LFF is based on the interaction of an electrically conductive fluid motion in the magnetic field. The magnetic field of the magnet will generate a Lorentz force in the liquid and it depends on the velocity of moving metal. To measure the flow of liquid metal flow is necessary to determine the Lorentz force, however Lorentz force in the LFF is usually very small and depends on many factors. Thus the content of this topic focuses on the study of the factors influencing the change of Lorentz force.Model to examine the factors affecting the Lorentz force in the LFF is built on a foundation of software COMSOL Multiphysics (ver 5.0) Từ khóa: Lorentz Force Flowmeter, lực lorentz, LFF, COMSOL Multiphysics. 1
2. 1. GIỚI THIỆU Ưu điểm chính của LFF là trong Lorentz Force Flowmeter (LFF) quá trình đo chúng ta không cần phải là một kỹ thuật đo lưu lượng không cho thiết bị tiếp xúc trực tiếp với dòng tiếp xúc được sử dụng để đo lưu lượng chất lỏng nhưng vẫn đo được lưu các dòng chảy như kim loại hóa lỏng. lượng, điều này cho phép chúng có thể Nguyên lý hoạt động của LFF dựa trên đo lưu lượng của các dòng chất lỏng có sự tác động của từ trường lên dòng nhiệt độ và tính ăn mòn cao. chất lỏng dẫn điện. Khi đó trong lòng Để xác định được lưu lượng của chất lỏng sẽ xuất hiện các dòng điện dòng chất lỏng thì cần phải xác định xoáy. Dưới tác động của từ trường và được lực lorentz tác dụng lên dòng dòng điện xoáy này sẽ làm xuất hiện chảy. Thông thường thì các lực lorentz các lực lorentz trong lòng chất lỏng, này có giá trị nhỏ và còn phụ thuộc vào chúng có xu hướng hãm dòng chảy, có các yếu tố khác. Do đó, nội dung chính nghĩa là chiều của lực lorentz ngược của bài báo này là khảo sát những yếu chiều so với chiều chuyển động của tố chính làm ảnh hưởng đến giá trị của dòng chảy. Theo định luật 3 Newton lực lorentz trong LFF. thì sẽ có một lực tác dụng lên hệ thống 2. SỰ TƯƠNG TÁC CỦA LƯỠNG phát ra từ trường, lực này sẽ có cùng CỰC TỪ VỚI DÒNG LƯU CHẤT độ lớn nhưng ngược chiều so với lực CHUYỂN ĐỘNG ĐỒNG NHẤT lorentz trong lòng chất lỏng như hình 1. Lực này tỉ lệ với vận tốc của dòng chảy. Do đó, có thể xác định được lưu lượng của dòng chảy thông qua việc xác định giá trị lực này. Hình 2:Sự di chuyển của một dòng lưu chất đồng nhất với độ dẫn điện σ tương tác với một lưỡng cực từ có hướng vuông góc với bề mặt. Hãy xem xét một lưỡng cực đơn Hình 1: Sự tương tác của dòng lưu với moment lưỡng cực từ m = mez, chất trong từ trường nằm cáchmặt chất lỏng một khoảng 2
3. cách h, lớp chất lỏng có độ dày d như lưỡng cực từ. Độ nhạy của lưu lượng hình 2, lớp chất lỏng chuyển động theo kế lực lorentz là một hàm phi tuyến phương ngang với vận tốc v = v.exvà của cường độ từ trường sơ cấp. Do đó, kéo dài từ z = -d đến z = 0. Mục tiêu độ nhạy của lưu lượng kế lực lorentz của chúng ta là để tính toán các từ có thể được điều chỉnh bằng cách sử trường sơ cấp B(r), điện thế  (r), dòng dụng các loại vật liệu với độ từ hóa điện xoáy J(r) và từ trường thứ cấp cao. b(r). Lực lorentz sẽ được tính bằng 3. MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG KẾ cách đánh giá sự tương tác của từ LỰC LORENTZ TRONG trường thứ cấp với lưỡng cực từ.Sau COMSOL MULTIPHYSICS khi tìm được các giá trị của từ trường Module AC/DC trong phần thứ cấp thì giá trị lực lorentz do từ mềm COMSOL Multiphysics phiên trường thứ cấp tạo ra có thể được tính bản 5.0. Các phương trình được sử theo lý thuyết điện động lực học như dụng trong các ứng dụng liên quan đến sau: từ trường trong module AC/DC như sau [2]: Fm  b (2.1) rotH j () E v B (3.1) Kết quả tính toán phân tích ta được div j = 0 (3.2) biểu thức tính lực lorentz có dạng như Trong đó H là cường độ từ trường và E sau [1]: là cường độ điện trường. Các vấn đề 1 22mv 0 được xây dựng trong điều kiện của F 3 SFx() e (2.2) 128 h điện thế vô hướng V và vector từ tính S () Trong đó F là đại lượng không thứ A, được cho bởi các phương trình sau: nguyên thể hiện độ nhạy liên quan đến B = rot A (3.3) độ dày của dòng lưu chất và vị trí A E gradV (3.4) lưỡng cực từ  dh/ , có dạng như t sau: Sử dụng mối quan hệ 1 BHM 0 () (3.5) SF ( ) 1 3 (2.3) (1  ) Trong đó vector từ hóa M là mật độ Đối với lớp mỏng  0 thì SF 3 khối của moment lưỡng cực từ. biểu Đối với lớp dày bán vô hạn  thì thức 3.1, 3.2 có thể được viết lại như sau: SF 1  ( 1  AMAV )   ( )   0 Từ biểu thức 2.2 cho ta thấy lực tỉ lệ 0 (3.6) với vận tốc và bình phương moment (  (  AV )   ) 0 (3.7) 3
4. Biểu thức -σv×(∇×A) là viết tắt của 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG mật độ của dòng điện cảm ứng được 4.1Sự ảnh hưởng của vận tốc tới lực sinh ra bởi sự di chuyển của vật dẫn lorentz điện trong một từ trường tĩnh. Để khảo sát sự ảnh hưởng của Khi giải các phương trình 3.6, 3.7, lực vận tốc chuyển động của thanh kim Lorentz tác dụng lên vật dẫn được tính loại đến lực lorentz, ta cho vận tốc v bằng cách lấy tíchphân khối mật độ lực thay đổi từ 0.01m/s đến 0.1m/s và giữ Lorentz trên vật dẫn: nguyên các thông số như: chiều cao F ( j B )dV (3.8) của thanh kim loại dẫn điện là 10cm; mật độ từ hóa M=970kA/m; điện dẫn Mô hình được sử dụng để khảo suất của thanh kim loại là sát sựảnh hưởng của các yếu tố chính 37.74x106S/m. Sự thay đổi của lực đến lực lorentz được xây dựng trong lorentz có dạng như hình vẽ sau: phần mềm COMSOL Multiphysics như hình 3 và có các thông số như sau: gồm hai nam châm loại NdFeB có kích thước (4 x 14 x 20) cm, được lắp đặt trên một khung thép có bề dày 1cm, khoảng cách giữa hai nam châm là 25cm. Một thanh kim loại dẫn điện có chiều dài 80cm, chiều rộng 10cm, Hình 4.1: Lực lorentz và vận tốc. chiều cao(bề dày) thay đổi từ 4cm đến Căn cứ vào hình trên ta thấy lực 10cm. Thanh kim loại được đặt ở giữa lorentz sẽ tăng tuyến tính khi vận tốc hai nam châm và cách mép dưới của chuyển động của thanh kim loại dẫn nam châm một khoảng là 3cm. điện tăng. Hình 4.2: Chiều lực lorentz trong Hình 3: Sơ đồ cấu tạo của lưu lượng thanh dẫn khi có gông từ (mũi tên màu kế trong COMSOL Multiphysics. xanh). 4
5. lực lorentz, ta cho giá trị điện dẫn suất thay đổi trong khoảng 20x106S/m đến 60x106S/m, tương ứng với các loại vật liệu khác nhau. Trong khi đó vận tốc được giữ cố định là 5cm/s; chiều cao của thanh kim loại dẫn điện là 10cm; mật độ từ hóa M=970kA/m. Sự thay Hình 4.3a: Sự phân bố lực lorentz đổi của lực lorentz có dạng như hình trong thanh dẫn tại x=0cm khi vận tốc vẽ sau: thay đổi. Hình 4.4: Lực lorentz và điện dẫn suất Hình 4.3b: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=3cm khi vận tốc thay đổi. Hình 4.3c: Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi vận tốc thay đổi. 4.2 Sự ảnh hưởng của điện dẫn suất Hình 4.5: Sự phân bố lực lorentz trong tới lực lorentz thanh dẫn theo phương x khi 휎 thay Để khảo sát sự ảnh hưởng của đổi. điện dẫn suất của thanh kim loại đến 5
6. 4.3 Sự ảnh hưởng của mật độ từ hóa 4.5 Sự ảnh hưởng của gông từ tới lực tới lực lorentz lorentz Trong mô hình này chúng ta sử Các thông số tương tự như các dụng nam châm NdFeB, mật độ từ hóa phần trên, trong phần này chúng ta loại thay đổi trong khoảng 500kA/m đến bỏ các gông từ, do đó hệ thống từ 1000kA/m;mật độ dẫn điện trường chỉ bao gồm có hai nam châm 37.74x106S/m; vận tốc được giữ cố như hình sau: định là 5cm/s; chiều cao của thanh kim loại dẫn điện là 10cm.Sự thay đổi của lực lorentz theo phương x có dạng như hình vẽ sau: Hình 4.8: Sơ đồ cấu tạo của lưu lượng kế không có gông từ. Kết quả mô phỏng với các thông số như sau: vận tốc v thay đổi từ Hình 4.6: Lực lorentz và độ từ hóa. 0.01m/s đến 0.1m/s; mật độ dẫn điện 4.4 Sự ảnh hưởng của chiều cao (độ 37.74x106S/m; mật độ từ hóa dày) của thanh kim loại tới lực 970kA/m; chiều cao thanh kim loại là lorentz 10cm. Mật độ từ hóa 970kA/m;điện dẫn suất 37.74x106S/m; vận tốc được giữ cố định là 5cm/s; chiều cao của thanh kim loại dẫn điện thay đổi từ 6cm đến 10cm.Lực lorentz theo phương x có dạng như hình vẽ sau: Hình 4.9:Lực lorentz và vận tốc khi không có gông từ. Hình 4.7: Lực lorentz và chiều cao. 6
7. Từ kết quả mô phỏng ta thấy giá trị lực lorentz có thay đổi nhưng chiều tổng hợp lực lorentz và sự phân bố lực khi không có gông từ trong trường hợp vận tốc thay đổi cũng tương tự như trường hợp có gông từ và cho vận tốc thay đổi. Mật độ lực lorentz lớn nhất Hình 4.10: Chiều lực lorentz trong nằm ở hai mặt bên của thanh dẫn. thanh dẫn khi không có gông từ. Hình 4.11a:Sự phân bố lực lorentz Hình 4.12: Lực lorentz và chiều cao trong thanh dẫn tại x=0cm khi không của thanh dẫn khi không có gông từ. có gông từ. Từ kết quả mô phỏng như hình 4.12 chúng ta có thể thấy khi chiều cao của thanh dẫn nhỏ hơn 10cm thì lực lorentz biến thiên theo đường cong không tuyến tính, trong khoảng từ 10cm trở lên lực lorentz tăng gần như tuyến tính so với chiều cao của thanh Hình 4.11b:Sự phân bố lực lorentz dẫn. trong thanh dẫn tại x=3cm khi không có gông từ. Hình 4.11c:Sự phân bố lực lorentz trong thanh dẫn tại x=5cm khi không có gông từ. 7
8. Hình 4.13:Sự phân bố lực lorentz trong lưu lượng kế loại này. Cụ thể trong thanh dẫn theo phương x khi như sau: không có gông từ và chiều cao 6cm. - Khi vận tốc của thanh dẫn thay đổi Hình 4.13 cho thấy sự phân bố càng lớn thì giá trị lực lorentz tăng của lực lorentz nằm ở hai mặt bên của theo nhanh. Điều này cho ta thấy lực thanh dẫn, mật độ lực lorentz tại tâm lorentz phụ thuộc mật thiết với cấu và 2 mặt trên dưới của thanh dẫn gần hình vận tốc trong các dòng lưu chất như bằng không. dẫn điện khi ta sử dụng lưu lượng kế Từ kết quả về sự phân bố mật trong thực tế. độ lực lorentz trong thanh dẫn như - Lực lorentz cũng thay đổi theo điện hình 4.14 ta thấy rằng khi bề mặt thanh dẫn suất của thanh dẫn, giá trị lực dẫn tiếp xúc với một diện tích lớn so lorentz không tăng nhiều khi điện dẫn với bề mặt nam châm thì mật độ lực suất tăng trong khoảng lớn. Do đó khi lorentz tăng lên ở hai mặt bên và ở tâm xây dựng hệ thống đo lưu lượng cho của thanh dẫn. các vật liệu có điện dẫn suất nhỏ cần chọn lựa hệ thống và hiệu chỉnh hợp lý. - Lực lorentz cũng phụ thuộc vào từ trường của nam châm, cho nên việc lựa chọn và lắp đặt hệ thống nam châm là rất cần thiết. Từ trường mạnh hay yếu ảnh hưởng rất nhiều đến sự phân bố của lực lorentz bên trong thanh dẫn hay dòng lưu chất, nó cũng được coi Hình 4.14:Sự phân bố lực lorentz như khả năng quyết định độ nhạy của trong thanh dẫn theo phương x khi lưu lượng kế. không có gông từ và chiều cao 14cm. 5. KẾT LUẬN - Bề dày của thanh dẫn hay dòng lưu Thông qua mô hình và kết quả chất cũng là yếu tố làm thay đổi lực mô phỏng lưu lượng kế theo nguyên lý lorentz trong lưu lượng kế. Mặt tiếp từ thủy động lực học được xây dựng xúc với từ trường càng nhiều thì lực bằng phần mềm COMSOL lorentz sinh ra càng lớn. Multiphysics, chúng ta có thể thấy - Thông qua sự phân bố về lực lorentz được mối quan hệ của các yếu tố chính trong thanh dẫn cho chúng ta thấy tại ảnh hưởng trực tiếp đến lực lorentz các biên trên và dưới xuất hiện các lực 8
9. ngược chiều so với các lực nằm ở vị trí and turbulent flows in a circular pipe, khác. 2006 - Trong mô hình không có gông từ sự [7] Janis Priede, Single-magnet rotary phụ thuộc của lực lorentz vào các yếu flowmeter for liquid metals, 2011 tố cũng tương tự như mô hình có gông [8] Christian Weidermann, Design and từ nhưng giá trị lực lorentz bị giảm đi. laboratory test of a Lorentz force - Qua đây chúng ta có thể thấy rất flowmeter for pipe flows, 2013 nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự biến [9] M.Sc.Christiane Heinicke, Local đổi của lực lorentz trong lưu lượng kế. Lorentz Force Velocimetry for liquid Do đó, việc hiệu chỉnh trong quá trình metal duct flows, 2013 lắp đặt và sử dụng là cần thiết. [10] Xiaodong Wang, Yurii TÀI LIỆU THAM KHẢO Kolesnikov and Andre Thess´ , [1] Andre Thess, Evgeny Votyakov, Numerical calibration of a Lorentz Bernard Knaepen and Oleg Zikanov, force flowmeter, 2012 Theory of the Lorentz force flowmeter, [11] Bo Lu, Liangwang Xu, Xiaozhang 2007 Zhang, Three-dimensional MHD [2] C.Stelian, A.Alferenok, U. Ludtke, simulations of the electromagnetic fl Yu. Kolesnikov, A.Thess, optimization owmeter for laminar and turbulent fl of a lorentz force flowmeter by using ows, 2013 numerical modeling, 2011 [12] COMSOL AB, COMSOL [3] A.Thess, E.V.Votyakov, and Multiphysics Users Guide, version 4.3, Y.Kolesnikov, Lorentz Force 2012 Velocimetry, 2006 [13] Janis Priede, Dominique [4] Yurii Kole Snik Ov, Ch Ristian Buchenau and Gunter Gerbeth, Karc Her, and Andre Thess, Lorentz Contactless Electromagnetic Phase- Force Flowmeter for Liquid Shift Flowmeter for Liquid Metals, Aluminum: Laboratory Experiments 2011 and Plant Tests, 2011 [14] Gautam Pulugundla, Mladen [5] S.Sahu,R.P.Bhattacharyay, E. Zec,and Artem Alferenok,Three Rajendrakumar, E.Platacis, I.Brucenis, Dimensional Numerical Study of the Calibration of MHD Flowmeter Using Interaction of Turbulent Liquid Metal COMSOL Software, 2012 Flow with an External Magnetic [6] A.Thess, B.Knaepen, E.Votyakov Field,2011. and O.Zikanov, Sensitivity analysis of [15] Hartmut Brauer , Marek a Lorentz force flowmeter for laminar Ziolkowski , Eddy Current Testing of 9
10. Metallic Sheets with Defects Using [18] Carmen Stelian , Calibration of a Force Measurements, 2008. Lorentz force flowmeter by using [16] A. Alferenok, U. Lüdtke, numerical modeling, 2013. Numerical simulation and magnet [19] M. Werner, B. Halbedel, E. system optimization for the Rädlein, Numerical study of magnet LorentzForce Velocimetry (LFV) of systems for Lorentz force velocimetry low-conducting fluids, 2010. in electrically low conducting fluids, [17] Vincent DOUSSET, Numerical 2010. simulations of MHD flows past obstacles in a duct under externally applied magnetic field, 2009. Ý kiến của cán bộ hướng dẫn khoa học Học viên thực hiện TS. LÊ CHÍ KIÊN VŨ CÔNG CHÍNH 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.