Nghiên cứu tiếp cận phương pháp mô phỏng theo ngăn trộn (Compartmental Model - CM) trên mô hình bể chứa cơ bản không phản ứng hóa học

Các báo cáo trước đây cho thấy đánh dấu là kỹ thuật thường được áp dụng trong nghiên cứu dòng chảy của bể chứa. Đánh dấu là kỹ thuật sử dụng nguyên lý kích thích - đáp ứng để khảo sát hệ thống dòng chảy. Kích thích nghĩa là bơm chất đánh dấu dưới dạng xung vào hệ thống tại lối vào, đáp ứng là quan trắc nồng độ chất đánh dấu tại lối ra theo thời gian.

Kỹ thuật đánh dấu được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực dầu khí, hóa dầu hay xử lý nước thải. Đây là một công cụ quan trọng để phân tích các đặc trưng dòng chảy trong một hệ thống kín như tổng thời gian lưu trung bình từ đầu vào đến đầu ra, tổng thể tích hoạt động, phân bố thông lượng, sự luân chuyển của các phần tử trong hệ thống... Nhờ đó tối ưu hóa hiệu suất làm việc và tiết kiệm chi phí thiết kế hệ thống.

Các phương pháp thường dùng là phương pháp mô hình phân tích hệ thống dựa trên phân tích thời gian lưu (RTD) bằng mô hình hệ thống, phương pháp mô phỏng số Computational Fluid Dynamic (CFD)...

Ở Việt Nam, ứng dụng phương pháp RTD và phương pháp CFD khảo sát dòng chảy trong bể chứa, môi trường nước ngầm, mỏ dầu đã được Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp triển khai như một trong những thế mạnh đặc thù trong nhiều năm qua.

Mô hình hệ thống RTD đơn giản trong tính toán nhưng không định xứ được các vùng chảy đặc trưng trong hệ thống. Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng CFD cung cấp lượng lớn thông tin chi tiết của hệ thống, tuy nhiên phương pháp này phức tạp và đòi hỏi khối lượng thời gian tính toán lớn do đó hạn chế ứng dụng trong thực tế. Vì vậy, trong khoảng thập kỷ nay, phương pháp thứ ba có tên Compartmental Model (CM) đang được phát triển với đặc trưng tích hợp cả ưu điểm của mô hình hệ thống và CFD hứa hẹn nhiều khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

Nhằm bước đầu tiếp cận phương pháp mô phỏng theo ngăn trộn (Compartmental Model - CM), nhiệm vụNghiên cứu tiếp cận phương pháp mô phỏng theo ngăn trộn (Compartmental 2 Model - CM) trên mô hình bể chứa cơ bản không phản ứng hóa học do Cử nhân Trần Trọng Hiệu cùng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm ứng dụng công nghệ hạt nhân trong công nghiệp thực hiện với mục tiêu chính là hiểu được nguyên lý và phương pháp luận của phương pháp Compartment Model và đánh giá được khả năng ứng dụng của phương pháp này.

Phương pháp CM là cách tiếp cận trung gian giữa phương pháp phân tích hệ thống dựa vào phân tích phân bố thời gian lưu và phương pháp mô phỏng số CFD. Phương pháp này chia hệ thống thành một số lượng hợp lý các thể tích con được gọi là ngăn. Số thể tích con này nhiều hơn phương pháp phân tích hệ thống dựa trên phân tích phân bố thời gian lưu và ít hơn so với phương pháp mô phỏng số CFD.

Mô hình ngăn trộn (CM) xây dựng hệ thống dòng chảy gồm tổ hợp các ngăn trộn tương ứng với các vùng dòng chảy cơ bản như hòa trộn lý tưởng, chảy nút, thể tích chết... với tiêu chí phân vùng dựa vào các tiêu chí quan tâm (nồng độ, vận tốc....) của bể xác định từ CFD. Sau đó, mô hình được xác nhận thông qua việc mô hình hóa đường cong RTD sao cho phù hợp với kết quả thu được từ thực nghiệm.

Mô hình ngăn trộn CM mô tả hệ thống như một mạng lưới các ngăn trộn theo không gian. Việc phân vùng các ngăn dựa trên việc xác định các thể tích trong đó các 6 thuộc tính đồng nhất với dung sai nhất định. Trong đề tài này, sự phân bố vận tốc dòng chảy từ kết quả mô phỏng CFD là thuộc tính được khảo sát.

Đề tài đã hoàn thành mục tiêu, nội dung và các sản phẩm như đã đăng kí, xây dựng thành công mô hình mô phỏng theo ngăn trộn (CM) cho bể chứa cơ bản không phản ứng hóa học, một đầu vào, một đầu ra có phân bố thời gian lưu khá tương đồng với mô hình mô phỏng số CFD và kết quả thực nghiệm trên mô hình vật lý với hệ số RMSECM-CFD = 0,04 và RMSECM-Thực nghiệm = 0,08, đánh giá được mối tương quan giữa lưu lượng vào ra với các thông số xây dựng mô hình CM.

Việc thực hiện thảnh công đề tài đã giúp nhóm nghiên cứu bước đầu tiếp cận được phương pháp mô phỏng theo ngăn trộn, làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về phương pháp này nhằm áp dụng vào trong thực tiễn.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19463/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)