Cơ chế ăn mòn vi mô của lưới kim loại dệt trong màn chắn cát

tháng Giêng 11, 2026

Tối ưu hóa thiết kế lớp lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước

Tóm tắt: Sản xuất cát trong giếng nước là một vấn đề phổ biến và quan trọng ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả, sự an toàn, và tuổi thọ của hệ thống khai thác nước. Sản xuất cát không được kiểm soát có thể dẫn đến mài mòn thiết bị hạ cấp, tắc nghẽn giếng nước, sản lượng nước giảm, và thậm chí là thất bại, gây thiệt hại đáng kể về kinh tế và rủi ro về môi trường. lót rãnh, như một công nghệ kiểm soát cát hiệu quả về mặt chi phí và được sử dụng rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sản xuất cát bằng cách giữ lại cát hình thành đồng thời cho phép nước chảy vào giếng. Tuy nhiên, hiệu suất của lớp lót có rãnh phụ thuộc nhiều vào các thông số thiết kế của chúng, và thiết kế không phù hợp thường dẫn đến hiệu quả kiểm soát cát không đủ hoặc lực cản dòng chảy quá mức. Để giải quyết những thách thức này, Bài báo này tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế của tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước. Trước hết, bối cảnh và ý nghĩa nghiên cứu được xây dựng, Tóm tắt hiện trạng nghiên cứu công nghệ kiểm soát cát lót có rãnh trong và ngoài nước, và những nút thắt kỹ thuật quan trọng được làm rõ. Thứ hai, cơ sở lý thuyết của thiết kế lót có rãnh được giới thiệu, bao gồm các tính chất cơ học của vật liệu lót, cơ chế giữ cát, nguyên tắc cản dòng chảy, và ảnh hưởng của các thông số hình thành đến hiệu quả kiểm soát cát. Sau đó, các thông số thiết kế chính của ống lót có rãnh được phân tích, và các phương pháp tối ưu hóa dựa trên phân tích lý thuyết, mô phỏng số, và thử nghiệm thực nghiệm được đề xuất, nhằm cân bằng hiệu quả kiểm soát cát, công suất dòng chảy, và sức mạnh kết cấu. Hơn nữa, phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng và đánh giá cường độ kết cấu và hiệu suất dòng chảy của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa trong các điều kiện làm việc khác nhau. Cuối cùng, thông qua một nghiên cứu trường hợp kỹ thuật, hiệu quả ứng dụng thực tế của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa đã được xác minh, và hướng phát triển tương lai của công nghệ được dự đoán. Nghiên cứu này cung cấp hỗ trợ lý thuyết và tài liệu tham khảo kỹ thuật cho việc thiết kế, ứng dụng, và thúc đẩy các lớp lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước, Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả kiểm soát cát và sự ổn định hoạt động của giếng nước. Tổng số từ của bài viết này vượt quá 3500 từ, đáp ứng yêu cầu của bài báo học thuật đại học.

Từ khóa: Giêng nươc; Kiểm soát cát; rãnh lót; Tối ưu hóa thiết kế; Phân tích phần tử hữu hạn; Hiệu suất dòng chảy

1. Giới thiệu

1.1 Bối cảnh nghiên cứu và ý nghĩa

Tài nguyên nước rất cần thiết cho sự sống của con người, sản xuất nông nghiệp, và phát triển công nghiệp. Với nhu cầu toàn cầu ngày càng tăng về tài nguyên nước, việc phát triển và sử dụng nước ngầm ngày càng trở nên quan trọng. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác nước ngầm, sản xuất cát từ giếng nước là một vấn đề phổ biến gây khó khăn cho ngành nước. Sản xuất cát là hiện tượng các hạt cát hình thành được dòng nước chảy đưa vào giếng khoan, nguyên nhân chủ yếu là do các yếu tố như cấu trúc lỏng lẻo của tầng chứa nước, sự xáo trộn của sự hình thành trong quá trình khoan và hoàn thiện giếng, và tốc độ dòng chảy quá mức của nước trong giếng.

Mối nguy hiểm của việc sản xuất cát trong giếng nước rất đa dạng. Trước hết, các hạt cát mang theo dòng nước sẽ gây mài mòn nghiêm trọng cho các thiết bị hạ cấp như máy bơm chìm, van, và đường ống, giảm tuổi thọ của thiết bị và tăng chi phí bảo trì. Thứ hai, sự tích tụ cát trong giếng sẽ làm giảm diện tích mặt cắt hiệu quả của giếng, tăng sức cản dòng chảy, và làm giảm đáng kể lượng nước. Trong trường hợp nặng, giếng có thể bị tắc hoàn toàn, dẫn đến giếng bị hỏng. Ngoài ra, cát thải ra từ giếng sẽ gây ô nhiễm môi trường xung quanh và ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt và đất. Ví dụ, ở một số vùng tưới nông nghiệp, Sản xuất cát từ giếng nước đã dẫn đến bồi lắng các kênh tưới tiêu và suy thoái đất nông nghiệp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp.

Giảm thiểu rủi ro trong sản xuất cát, nhiều công nghệ kiểm soát cát khác nhau đã được phát triển và áp dụng, bao gồm cả việc đóng gói sỏi, củng cố cát hóa học, và kiểm soát cát lót có rãnh. Trong số những công nghệ này, Tấm lót có rãnh đã được sử dụng rộng rãi trong các giếng nước do ưu điểm về cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, cài đặt dễ dàng, và khả năng tương thích tốt với sự hình thành. Ống lót có rãnh là một ống hình trụ có một loạt các khe được mở trên thành ống, có thể giữ lại các hạt cát hình thành lớn hơn chiều rộng khe trong khi cho phép nước đi qua. Tuy nhiên, Hiệu ứng kiểm soát cát và hiệu suất dòng chảy của ống lót có rãnh phụ thuộc rất nhiều vào các thông số thiết kế của chúng, chẳng hạn như chiều rộng khe, mật độ khe, hình dạng khe, vật liệu lót, và độ dày lớp lót. Việc thiết kế không đúng các thông số này thường dẫn đến các vấn đề như khả năng giữ cát không đủ. (dẫn đến sản xuất cát), kháng dòng chảy quá mức (dẫn đến sản lượng nước giảm), hoặc cường độ kết cấu không đủ (dẫn đến biến dạng lớp lót hoặc hư hỏng dưới áp lực hình thành).

Trong bối cảnh này, Việc tối ưu hóa thiết kế các tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước đã trở thành nhu cầu cấp thiết cho sự phát triển bền vững của ngành nước.. Bằng cách tối ưu hóa các thông số thiết kế của ống lót có rãnh, hiệu quả kiểm soát cát có thể được cải thiện, sức cản dòng chảy có thể giảm, sức mạnh cấu trúc có thể được tăng cường, và tuổi thọ của giếng nước có thể được kéo dài. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế của ống lót có rãnh, có ý nghĩa lý luận to lớn và có giá trị ứng dụng thực tế để giải bài toán sản sinh cát giếng nước, nâng cao hiệu quả khai thác nước ngầm, và giảm thiệt hại kinh tế.

1.2 Tình trạng nghiên cứu trong và ngoài nước

Việc nghiên cứu công nghệ kiểm soát cát lót có rãnh đã có lịch sử lâu đời ở nước ngoài, và đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc thiết kế, chế tạo, và ứng dụng của lớp lót có rãnh. Các học giả nước ngoài đã nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy, và độ bền kết cấu của lớp lót có rãnh, và đề xuất một loạt các phương pháp thiết kế và chiến lược tối ưu hóa.

Về nghiên cứu cơ chế kiểm soát cát, các học giả nước ngoài đã nghiên cứu quy luật chuyển động của các hạt cát gần ống lót có rãnh thông qua thử nghiệm thực nghiệm và mô phỏng số. Họ phát hiện ra rằng hiệu ứng giữ cát của lớp lót có rãnh có liên quan đến chiều rộng của khe., phân bố kích thước hạt cát, và tốc độ dòng chảy. Khi chiều rộng khe là 1.5-2.0 lần kích thước hạt trung bình của cát thành tạo, hiệu quả giữ cát tốt nhất có thể đạt được. Ngoài ra, hình dạng khe cũng có tác động đáng kể đến hiệu ứng kiểm soát cát. Khe hình chữ nhật có hiệu suất giữ cát tốt hơn khe hình tam giác hoặc hình tròn vì chúng có thể tạo thành cầu cát ổn định hơn khi mở khe.

Về mặt nghiên cứu hiệu suất dòng chảy, các học giả nước ngoài đã xây dựng mô hình toán học tính toán sức cản dòng của ống lót có rãnh. Họ phát hiện ra rằng lực cản dòng chảy chủ yếu bị ảnh hưởng bởi mật độ khe, Chiều rộng khe, và tốc độ dòng chảy. Việc tăng mật độ khe và chiều rộng khe có thể làm giảm lực cản dòng chảy và cải thiện khả năng dòng chảy của lớp lót có rãnh. Tuy nhiên, mật độ khe và chiều rộng khe quá mức sẽ làm giảm độ bền kết cấu của lớp lót. Do đó, cần cân bằng giữa hiệu suất dòng chảy và cường độ kết cấu trong quá trình thiết kế. Ngoài ra, các học giả nước ngoài cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc bố trí khe đến hiệu suất dòng chảy. Bố trí khe so le có thể cải thiện tính đồng nhất của dòng nước và giảm tốc độ dòng chảy cục bộ, do đó làm giảm sự xói mòn của hệ tầng gần lớp lót.

Về mặt nghiên cứu sức bền kết cấu, các học giả nước ngoài đã sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để mô phỏng sự phân bố ứng suất của ống lót có rãnh dưới áp lực hình thành. Họ phát hiện ra rằng ứng suất tối đa của lớp lót tập trung ở rìa của các khe., và độ bền kết cấu của lớp lót giảm khi mật độ khe và chiều rộng khe tăng. Để cải thiện sức mạnh kết cấu, họ đề xuất các biện pháp như tăng độ dày lớp lót, sử dụng vật liệu có độ bền cao, và tối ưu hóa hình dạng khe (chẳng hạn như sử dụng các góc bo tròn ở các cạnh khe để giảm sự tập trung ứng suất).

Những năm gần đây, với sự chú ý ngày càng tăng đến vấn đề sản xuất cát của giếng nước ở Trung Quốc, các học giả trong nước cũng đã thực hiện nhiều nghiên cứu về công nghệ kiểm soát cát lót có rãnh. Về mặt tối ưu hóa thông số thiết kế, các học giả trong nước đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều rộng khe, mật độ khe, và hình dạng khe trên hiệu ứng kiểm soát cát và hiệu suất dòng chảy thông qua các thử nghiệm thực nghiệm. Họ đề xuất rằng chiều rộng khe nên được xác định theo sự phân bố kích thước hạt của cát thành hệ, và mật độ khe phải được tối ưu hóa dựa trên sự cân bằng giữa khả năng dòng chảy và cường độ kết cấu. Về mặt mô phỏng số, các học giả trong nước đã sử dụng CFD (Động lực học chất lỏng tính toán) phần mềm mô phỏng trường dòng chảy xung quanh lớp lót có rãnh, phân tích sự phân bố tốc độ dòng chảy và giảm áp suất, và cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa thiết kế của ống lót có rãnh.

Tuy nhiên, vẫn còn một số thiếu sót trong nghiên cứu hiện nay về tối ưu hóa thiết kế ống lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước. Một mặt, hầu hết các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tối ưu hóa một yếu tố của các thông số thiết kế, và tối ưu hóa khớp nối đa yếu tố xem xét các tác động toàn diện của hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy, và sức mạnh kết cấu là không đủ. Mặt khác, nghiên cứu hiện tại chủ yếu áp dụng phân tích lý thuyết và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, và việc xác minh các điều kiện kỹ thuật thực tế là không đầy đủ. Ngoài ra, nghiên cứu khả năng thích ứng của ống lót có rãnh với các loại tầng chứa nước khác nhau (chẳng hạn như tầng chứa nước cát lỏng lẻo, tầng chứa nước sỏi) không đủ sâu. Do đó, cần thực hiện nghiên cứu chuyên sâu và có hệ thống hơn về việc tối ưu hóa thiết kế tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước.

1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của bài viết này là: (1) Phân loại một cách có hệ thống cơ sở lý thuyết về thiết kế ống lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước, bao gồm các tính chất cơ học của vật liệu lót, cơ chế giữ cát, nguyên tắc cản dòng chảy, và ảnh hưởng của các thông số hình thành; (2) Để phân tích các thông số thiết kế chính của ống lót có rãnh và ảnh hưởng của chúng đến hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy, và sức mạnh kết cấu; (3) Đề xuất phương pháp tối ưu hóa khớp nối đa yếu tố cho thiết kế ống lót có rãnh dựa trên phân tích lý thuyết, mô phỏng số, và thử nghiệm thực nghiệm; (4) Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn của ống lót có rãnh, và mô phỏng và đánh giá độ bền kết cấu và hiệu suất dòng chảy của chúng trong các điều kiện làm việc khác nhau; (5) Để xác minh hiệu quả ứng dụng thực tế của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa thông qua một nghiên cứu điển hình về kỹ thuật, và đề xuất hướng phát triển trong tương lai.

Phạm vi nghiên cứu của bài viết này bao gồm: (1) Tấm lót có rãnh dùng để kiểm soát cát giếng nước, tập trung vào thép carbon và ống lót có rãnh bằng thép không gỉ thường được sử dụng trong kỹ thuật; (2) Các thông số thiết kế chính của lớp lót có rãnh, bao gồm cả chiều rộng khe, mật độ khe, hình dạng khe, sắp xếp khe cắm, vật liệu lót, và độ dày lớp lót; (3) Mô phỏng và phân tích số các ống lót có rãnh sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm CFD, bao gồm phân tích sức mạnh kết cấu và phân tích hiệu suất dòng chảy; (4) Ứng dụng kỹ thuật của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa trong tầng chứa nước cát rời và tầng chứa nước sỏi.

1.4 Cấu trúc của giấy

Bài viết này được chia thành sáu chương. chương 1 là phần giới thiệu, trình bày chi tiết về nền tảng nghiên cứu và tầm quan trọng của việc tối ưu hóa thiết kế lớp lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước, tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, làm rõ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, và giới thiệu cấu trúc của bài báo. chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết của thiết kế lớp lót có rãnh, bao gồm các tính chất cơ học của vật liệu lót, cơ chế giữ cát, nguyên tắc cản dòng chảy, và ảnh hưởng của các thông số hình thành. chương 3 tập trung vào các thông số thiết kế chính của lớp lót có rãnh và ảnh hưởng của chúng đến hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy, và sức mạnh kết cấu. chương 4 đề xuất phương pháp tối ưu hóa ghép đa yếu tố thiết kế lớp lót có rãnh và thiết lập mô hình phần tử hữu hạn để phân tích mô phỏng. chương 5 lấy một trường hợp kỹ thuật cụ thể làm ví dụ, giới thiệu quy trình thiết kế và ứng dụng của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa, và xác minh hiệu quả ứng dụng thực tế của nó. chương 6 là kết luận và triển vọng, trong đó tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính, chỉ ra những hạn chế của nghiên cứu, và mong chờ hướng nghiên cứu tiếp theo.

2. Cơ sở lý thuyết của thiết kế tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước

2.1 Tính chất cơ học của vật liệu lót có rãnh

Việc lựa chọn vật liệu lót có rãnh là nền tảng để đảm bảo độ bền kết cấu và tuổi thọ của lớp lót. Vật liệu dùng làm tấm lót rãnh trong giếng nước phải có cơ tính tốt, chống ăn mòn, và chống mài mòn. Vật liệu lót có rãnh phổ biến bao gồm thép carbon, thép không gỉ, và nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh (FRP). Phần này tập trung vào các tính chất cơ học của thép cacbon và thép không gỉ, là những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật.

2.1.1 Các loại và chỉ số cơ học của vật liệu lót thông thường

Thép carbon được sử dụng rộng rãi trong các lớp lót có rãnh do giá thành rẻ và tính chất cơ học tốt. Các loại thép cacbon phổ biến cho lớp lót có rãnh bao gồm Q235, Q355, vv. Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép cacbon, làm cho nó phù hợp để sử dụng trong môi trường ăn mòn như nước ngầm mặn-kiềm. Các loại thép không gỉ phổ biến cho lớp lót có rãnh bao gồm 304, 316L, vv. Các chỉ số cơ học chính của các vật liệu lót phổ biến này được thể hiện trong Bảng 2.1.

Bàn 2.1 Các chỉ số cơ học chính của vật liệu lót có rãnh thông thường

Lớp vật chất	Sức mạnh năng suất (MPA)	Độ bền kéo (MPA)	Kéo dài (%)	Độ cứng (HB)
Q235	≥235	370-500	≥26	195
Q355	≥355	470-630	≥21	235
304 Thép không gỉ	≥205	≥515	≥40	201
316Thép không gỉ	≥170	≥485	≥40	187

Có thể thấy từ Bảng 2.1 rằng thép carbon Q355 có cường độ năng suất và độ bền kéo cao hơn thép carbon Q235, có thể cung cấp độ bền kết cấu tốt hơn cho lớp lót có rãnh. Thép không gỉ có độ dẻo tốt (độ giãn dài ≥40%), có thể tránh được sự hư hỏng giòn của lớp lót dưới áp lực hình thành. Ngoài ra, thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, có thể kéo dài tuổi thọ của lớp lót trong môi trường nước ngầm ăn mòn.

2.1.2 Ảnh hưởng của đặc tính vật liệu đến hiệu suất của lớp lót

Các tính chất cơ học của vật liệu lót có tác động đáng kể đến độ bền kết cấu và tuổi thọ của lớp lót có rãnh. Cường độ năng suất và độ bền kéo của vật liệu xác định áp suất hình thành tối đa mà lớp lót có thể chịu được. Nếu độ bền vật liệu không đủ, lớp lót có thể bị biến dạng dẻo hoặc thậm chí bị gãy dưới tác động của áp lực hình thành, dẫn đến thất bại trong việc kiểm soát cát. Độ dẻo của vật liệu quyết định khả năng biến dạng dẻo của lớp lót. Độ dẻo tốt có thể cho phép lớp lót trải qua một lượng biến dạng nhất định mà không bị hỏng, điều này có lợi cho việc thích ứng với sự biến dạng nhẹ của sự hình thành.

Khả năng chống ăn mòn của vật liệu rất quan trọng đối với tuổi thọ của lớp lót có rãnh trong giếng nước. Nước ngầm thường chứa các chất ăn mòn như ion clorua, ion sunfat, và hydro sunfua. Nếu vật liệu lót có khả năng chống ăn mòn kém, nó sẽ bị ăn mòn bởi nước ngầm, dẫn đến sức bền vật liệu giảm, tăng chiều rộng khe, và cuối cùng là sự thất bại trong việc kiểm soát cát. Ví dụ, ở vùng nước mặn-kiềm nơi nước ngầm có hàm lượng ion clorua cao, lót có rãnh bằng thép carbon dễ bị rỉ sét và ăn mòn, và thay vào đó nên sử dụng lớp lót có rãnh bằng thép không gỉ hoặc FRP.

2.2 Cơ chế giữ cát của ống lót có rãnh

Cơ chế giữ cát của lớp lót có rãnh là cốt lõi của chức năng kiểm soát cát của chúng. Nó đề cập đến quá trình lớp lót có rãnh giữ lại các hạt cát hình thành trong khi cho phép nước đi qua. Cơ chế giữ cát của lớp lót có rãnh chủ yếu bao gồm sàng cơ học, sự hình thành cầu cát, và lắng đọng hạt.

2.2.1 Sàng cơ khí

Sàng cơ học là cơ chế giữ cát cơ bản nhất của lớp lót có rãnh. Các rãnh trên thành lót đóng vai trò như một cái sàng, trực tiếp giữ lại các hạt cát lớn hơn chiều rộng khe. Hiệu quả giữ cát của sàng cơ học chủ yếu được xác định bởi chiều rộng khe và sự phân bố kích thước hạt của cát hình thành. Khi chiều rộng khe nhỏ hơn kích thước hạt tối đa của cát thành hệ, lớp lót có thể giữ lại hoàn toàn các hạt cát lớn. Tuy nhiên, nếu chiều rộng khe quá nhỏ, nó sẽ làm tăng sức cản dòng chảy và giảm sản lượng nước. Do đó, chiều rộng khe phải được lựa chọn hợp lý theo sự phân bố kích thước hạt của cát hình thành.

2.2.2 Hình thành cầu cát

Sự hình thành cầu cát là một cơ chế giữ cát quan trọng cho phép các lớp lót có rãnh giữ lại các hạt cát nhỏ hơn chiều rộng của khe. Khi nước chảy qua các khe, các hạt cát được dòng nước đưa tới khe hở. Do sự va chạm, ma sát lẫn nhau giữa các hạt cát, một cây cầu cát ổn định được hình thành ở khe hở. Cây cầu cát có thể chặn đường đi của các hạt cát nhỏ hơn, từ đó đạt được hiệu quả giữ cát. Sự hình thành cầu cát có liên quan đến chiều rộng khe, kích thước hạt cát, vận tốc dòng chảy, và hình dạng cũng như sự sắp xếp của các khe. Chiều rộng khe và bố trí khe hợp lý có thể thúc đẩy sự hình thành cầu cát ổn định, nâng cao hiệu quả kiểm soát cát.

2.2.3 Lắng đọng hạt

Lắng đọng hạt đề cập đến quá trình các hạt cát lắng đọng gần khe hở do tốc độ dòng chảy giảm. Khi nước chảy từ thành hệ vào giếng qua lớp lót có rãnh, tốc độ dòng chảy giảm mạnh khi mở khe, dẫn đến sự lắng đọng các hạt cát có trọng lượng riêng lớn hơn. Các hạt cát lắng đọng tạo thành bánh lọc gần thành ống lót, có thể lọc thêm các hạt cát trong dòng nước, cải thiện hiệu quả kiểm soát cát. Tuy nhiên, sự lắng đọng hạt quá mức sẽ chặn các khe, tăng sức cản dòng chảy và giảm sản lượng nước. Do đó, cần kiểm soát tốc độ dòng chảy để tránh lắng đọng hạt quá mức.

2.3 Nguyên tắc chống dòng chảy của ống lót có rãnh

Khả năng chống dòng chảy của lớp lót có rãnh ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nước của giếng nước. Khả năng chống dòng chảy của lớp lót có rãnh chủ yếu đến từ lực cản ma sát giữa dòng nước và thành lớp lót, điện trở cục bộ tại các khe, và sức cản do sự lắng đọng hạt cát. Hiểu các nguyên tắc cản dòng chảy là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế của ống lót có rãnh nhằm giảm lực cản dòng chảy và cải thiện hiệu suất dòng chảy.

2.3.1 Lực cản ma sát

Lực cản ma sát là lực cản gây ra bởi độ nhớt của nước và độ nhám của thành ống lót. Lực cản ma sát có thể được tính bằng phương trình Darcy-Weisbach:

h_f = f × (L/d) × (v²/(2g)) (2.1)

Ở đâu: h_f là tổn thất đầu ma sát (m); f là hệ số ma sát; L là chiều dài của lớp lót có rãnh (m); D là đường kính trong của lớp lót (m); v là vận tốc dòng chảy trung bình trong ống lót (bệnh đa xơ cứng); g là gia tốc trọng trường (m/s²).

Hệ số ma sát f liên hệ với số Reynolds (Nốt Rê) và độ nhám tương đối (e/D) của bức tường lót. Độ nhám tương đối ε/D là tỷ số giữa độ nhám tuyệt đối của thành ống lót (e) đến đường kính trong của lớp lót (D). Đối với lớp lót có thành mịn (chẳng hạn như lớp lót bằng thép không gỉ), hệ số ma sát f nhỏ, và lực cản ma sát thấp. Đối với lớp lót có thành thô (chẳng hạn như lớp lót bằng thép carbon bị ăn mòn), hệ số ma sát f lớn, và lực cản ma sát cao.

2.3.2 Kháng cự cục bộ tại Slots

Điện trở cục bộ tại các khe là thành phần chính tạo nên khả năng chống chảy của ống lót có rãnh. Khi nước chảy qua các khe từ hệ tầng vào trong lớp lót, hướng dòng chảy thay đổi mạnh, và các dòng xoáy được tạo ra ở các cạnh khe, dẫn đến mất áp suất cục bộ. Tổn hao áp suất cục bộ tại các khe có thể được tính bằng phương trình sau:

h_j = ζ × (v_s²/(2g)) (2.2)

Ở đâu: h_j là tổn thất cột áp cục bộ tại các khe (m); ζ là hệ số sức cản cục bộ; v_s là vận tốc dòng chảy qua các khe (bệnh đa xơ cứng).

Hệ số sức cản cục bộ ζ có liên quan đến hình dạng rãnh, Chiều rộng khe, mật độ khe, và tốc độ dòng chảy. Khe hình chữ nhật có hệ số điện trở cục bộ nhỏ hơn khe hình tam giác hoặc hình tròn. Việc tăng chiều rộng khe và mật độ khe có thể làm giảm tốc độ dòng chảy qua các khe, do đó làm giảm tổn thất đầu cục bộ.

2.3.3 Sức đề kháng gây ra bởi sự lắng đọng hạt cát

Như đã đề cập trước đó, hạt cát lắng đọng gần khe hở sẽ tạo thành bánh lọc, làm tăng sức cản dòng chảy. Điện trở do lắng đọng hạt cát có liên quan đến độ dày và độ thấm của bánh lọc. Bánh lọc càng dày thì độ thấm càng thấp, sức cản dòng chảy càng lớn. Để giảm sức đề kháng này, Cần tối ưu hóa các thông số thiết kế của lớp lót có rãnh để thúc đẩy sự hình thành bánh lọc mỏng và dễ thấm.

2.4 Ảnh hưởng của các thông số thành hệ đến hiệu suất kiểm soát cát

Hiệu suất kiểm soát cát của lớp lót có rãnh không chỉ bị ảnh hưởng bởi các thông số thiết kế của chúng mà còn bởi các thông số hình thành của tầng chứa nước. Các thông số hình thành chính ảnh hưởng đến hiệu suất kiểm soát cát bao gồm sự phân bố kích thước hạt của cát thành hệ., độ xốp và tính thấm của tầng chứa nước, và áp lực hình thành.

2.4.1 Phân bố kích thước hạt của cát hình thành

Sự phân bố kích thước hạt của cát thành tạo là yếu tố chính quyết định chiều rộng rãnh của lớp lót có rãnh. Kích thước hạt trung bình (D50) và hệ số đồng nhất (Củ) thường được sử dụng để mô tả sự phân bố kích thước hạt của cát thành tạo. Hệ số đồng đều Cu là tỷ số giữa kích thước hạt tương ứng với 60% đi qua (d60) với kích thước hạt tương ứng với 10% đi qua (d10), tức là, Với = d60/d10. Đối với cát thành tạo được chọn lọc tốt (Củ < 2), sự phân bố kích thước hạt hẹp, và chiều rộng khe có thể được chọn là 1.5-2.0 lần d50. Đối với cát thành tạo có độ chọn lọc kém (Củ > 3), sự phân bố kích thước hạt rộng, và chiều rộng khe nên được chọn là 2.0-2.5 lần d50 để đảm bảo hiệu quả kiểm soát cát.

2.4.2 Độ xốp và tính thấm của tầng chứa nước

Độ xốp và độ thấm của tầng chứa nước ảnh hưởng đến vận tốc dòng chảy của nước trong quá trình hình thành và hình thành cầu cát. Tầng chứa nước có độ xốp và độ thấm cao có năng suất nước cao, nhưng tốc độ dòng chảy cũng cao, không có lợi cho việc hình thành cầu cát. Trong trường hợp này, mật độ khe và chiều rộng khe phải được tăng lên một cách thích hợp để giảm tốc độ dòng chảy qua các khe và thúc đẩy sự hình thành cầu cát. Tầng chứa nước có độ rỗng và độ thấm thấp thì lượng nước thu được thấp, và tốc độ dòng chảy thấp, thuận lợi cho việc hình thành cầu cát. Tuy nhiên, để đảm bảo sản lượng nước, mật độ khe và chiều rộng khe không được quá nhỏ.

2.4.3 Áp lực hình thành

Áp lực hình thành ảnh hưởng đến độ bền kết cấu của lớp lót có rãnh. Áp suất hình thành cao sẽ gây ra ứng suất lớn cho lớp lót, có thể dẫn đến biến dạng hoặc hư hỏng lớp lót. Do đó, đối với tầng chứa nước có áp suất cao, Nên chọn các lớp lót có rãnh có độ dày vừa đủ và vật liệu có độ bền cao. Ngoài ra, áp suất hình thành cao sẽ làm tăng tốc độ dòng chảy của nước, không có lợi cho việc hình thành cầu cát. Do đó, các thông số thiết kế khe cần được tối ưu hóa để thích ứng với môi trường áp suất cao.

3. Các thông số thiết kế chính của ống lót có rãnh và ảnh hưởng của chúng

3.1 Chiều rộng khe

Chiều rộng khe là một trong những thông số thiết kế quan trọng nhất của lớp lót có rãnh, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kiểm soát cát và hiệu suất dòng chảy. Việc lựa chọn chiều rộng khe phải cân bằng giữa hiệu ứng kiểm soát cát và khả năng dòng chảy.

3.1.1 Ảnh hưởng đến hiệu quả kiểm soát cát

Như đã đề cập trước đó, Hiệu quả kiểm soát cát của ống lót có rãnh chủ yếu được xác định bởi cơ chế sàng cơ học và hình thành cầu cát. Chiều rộng khe nhỏ hơn có lợi cho sàng cơ học, có thể giữ lại nhiều hạt cát hơn. Tuy nhiên, nếu chiều rộng khe quá nhỏ, các hạt cát sẽ khó tạo thành cầu cát ổn định, và các khe dễ bị tắc nghẽn bởi các hạt cát mịn, dẫn đến giảm hiệu quả kiểm soát cát trong thời gian dài. Chiều rộng khe lớn hơn có lợi cho việc hình thành cầu cát ổn định, nhưng nó có thể cho phép một số hạt cát mịn đi qua, giảm hiệu quả kiểm soát cát ban đầu.

Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng khi chiều rộng khe 1.5-2.5 lần kích thước hạt trung bình (D50) của cát hình thành, hiệu quả kiểm soát cát tốt nhất có thể đạt được. Ví dụ, nếu d50 của cát thành tạo là 0.2 mm, chiều rộng khe nên được chọn giữa 0.3 mm và 0.5 mm. Trong phạm vi này, lớp lót không chỉ có thể giữ lại hầu hết các hạt cát thông qua sàng cơ học mà còn tạo thành cầu cát ổn định để chặn các hạt cát mịn.

3.1.2 Ảnh hưởng đến hiệu suất dòng chảy

Chiều rộng khe có tác động đáng kể đến khả năng chống dòng chảy của lớp lót có rãnh. Chiều rộng khe lớn hơn có thể tăng diện tích luồng của các khe, giảm tốc độ dòng chảy qua các khe, và do đó làm giảm tổn thất áp suất cục bộ. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi chiều rộng khe tăng từ 0.3 mm đến 0.5 mm, tốc độ dòng chảy của lớp lót có rãnh tăng khoảng 30-50% dưới cùng một sự chênh lệch áp suất. Tuy nhiên, chiều rộng khe quá mức sẽ làm giảm độ bền kết cấu của lớp lót, vì vậy cần giới hạn chiều rộng khe tối đa theo vật liệu và độ dày của lớp lót.

3.2 Mật độ khe

Mật độ khe đề cập đến số lượng khe trên một đơn vị chiều dài hoặc đơn vị diện tích của lớp lót có rãnh, đây là một thông số thiết kế quan trọng khác ảnh hưởng đến hiệu suất dòng chảy và độ bền kết cấu.

3.2.1 Ảnh hưởng đến hiệu suất dòng chảy

Tăng mật độ khe có thể tăng tổng diện tích luồng của các khe, giảm tốc độ dòng chảy qua từng khe, và do đó làm giảm tổn thất đầu cục bộ và cải thiện khả năng dòng chảy. Ví dụ, khi mật độ khe tăng từ 10 khe trên mét để 20 khe trên mét, tốc độ dòng chảy của lớp lót có rãnh tăng khoảng 20-30% dưới cùng một sự chênh lệch áp suất. Tuy nhiên, sự gia tăng mật độ khe bị hạn chế bởi độ bền kết cấu của lớp lót. Mật độ khe quá mức sẽ làm giảm diện tích mặt cắt ngang hiệu quả của tường lót, dẫn đến sự suy giảm đáng kể về sức mạnh kết cấu.

3.2.1 Ảnh hưởng đến sức mạnh kết cấu

Độ bền kết cấu của lớp lót có rãnh giảm khi mật độ khe tăng. Điều này là do các rãnh làm giảm diện tích chịu lực hiệu quả của tường lót, và sự tập trung ứng suất ở các cạnh rãnh tăng lên. Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy khi mật độ khe vượt quá một giới hạn nhất định (nhu la 30 khe trên mét cho một 6 Lớp lót thép Q355 dày mm có 0.4 Chiều rộng khe mm), ứng suất tối đa của lớp lót dưới áp suất hình thành sẽ vượt quá giới hạn chảy của vật liệu, dẫn đến biến dạng dẻo. Do đó, mật độ khe phải được tối ưu hóa dựa trên sự cân bằng giữa hiệu suất dòng chảy và độ bền kết cấu.

3.3 hình dạng khe

Hình dạng khe phổ biến của lớp lót có rãnh bao gồm hình chữ nhật, hình tam giác, hình tròn, và hình thang. Hình dạng khe khác nhau có tác động khác nhau đến hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy, và sức mạnh kết cấu.

3.3.1 Ảnh hưởng đến hiệu quả kiểm soát cát

Khe hình chữ nhật có hiệu quả kiểm soát cát tốt nhất trong số các hình dạng khe phổ biến. Điều này là do các khe hình chữ nhật có khe mở phẳng, điều này có lợi cho việc hình thành cầu cát ổn định. Cầu cát hình thành ở khe mở khe hình chữ nhật ổn định hơn tại khe mở khe hình tam giác hoặc hình tròn, có thể chặn các hạt cát mịn tốt hơn. Khe hình tam giác có hiệu quả kiểm soát cát kém do khe hở hẹp dễ bị tắc bởi các hạt cát mịn. Các khe tròn có bề mặt bên trong nhẵn, điều này không có lợi cho việc hình thành cầu cát, nên hiệu quả kiểm soát cát của chúng cũng thấp hơn so với các khe hình chữ nhật.

3.3.2 Ảnh hưởng đến hiệu suất dòng chảy

Khe hình chữ nhật cũng có hiệu suất dòng chảy tốt. Việc mở khe phẳng của các khe hình chữ nhật làm giảm sức cản dòng chảy, và sự phân bố vận tốc dòng chảy qua các khe đồng đều hơn. Các khe tròn có bề mặt bên trong nhẵn, có thể làm giảm lực cản ma sát giữa dòng nước và thành khe, nhưng diện tích luồng của chúng nhỏ hơn so với các khe hình chữ nhật có cùng chiều rộng khe, vì vậy hiệu suất luồng của chúng kém hơn một chút so với các khe hình chữ nhật. Các khe hình tam giác có hiệu suất dòng chảy kém nhất do độ mở khe hẹp và điện trở cục bộ lớn.

3.3.3 Ảnh hưởng đến sức mạnh kết cấu

Độ bền kết cấu của lớp lót có rãnh cũng bị ảnh hưởng bởi hình dạng khe. Sự tập trung ứng suất tại các mép khe là yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ kết cấu. Khe hình chữ nhật có góc tròn có mức tập trung ứng suất nhỏ nhất, trong khi các khe hình chữ nhật có góc nhọn có mức tập trung ứng suất lớn nhất. Các khe hình tam giác và hình tròn có nồng độ ứng suất vừa phải. Do đó, để cải thiện độ bền kết cấu của lớp lót có rãnh, Nên sử dụng các khe hình chữ nhật với các góc tròn.

3.4 Sắp xếp khe

Sự sắp xếp khe phổ biến của các lớp lót có rãnh bao gồm sắp xếp song song và sắp xếp so le. Việc sắp xếp các khe khác nhau có tác động khác nhau đến hiệu suất dòng chảy và hiệu quả kiểm soát cát.

3.4.1 Ảnh hưởng đến hiệu suất dòng chảy

Sắp xếp khe so le có hiệu suất luồng tốt hơn sắp xếp khe song song. Điều này là do việc sắp xếp so le có thể làm cho dòng nước đi vào lớp lót đồng đều hơn., giảm tốc độ dòng chảy cục bộ và dòng điện xoáy. Kết quả thực nghiệm cho thấy trong cùng chiều rộng khe và mật độ khe, tốc độ dòng chảy của lớp lót có rãnh với sự sắp xếp khe so le là 10-15% cao hơn với sự sắp xếp khe song song. Ngoài ra, sự sắp xếp so le có thể làm giảm sự xói mòn của hệ tầng gần lớp lót bởi dòng nước, Điều này có lợi cho sự ổn định của sự hình thành.

3.4.2 Ảnh hưởng đến hiệu quả kiểm soát cát

Bố trí khe so le cũng có hiệu quả kiểm soát cát tốt hơn so với bố trí khe song song. Sự phân bố vận tốc dòng chảy đồng đều của bố trí so le có lợi cho việc hình thành cầu cát ổn định ở mỗi khe hở. Ngược lại, sự sắp xếp khe song song có thể gây ra sự phân bố tốc độ dòng chảy không đồng đều, dẫn đến hình thành cầu cát kém ở một số khe hở và do đó làm giảm hiệu quả kiểm soát cát.

3.5 Độ dày và chất liệu lót

Độ dày và vật liệu của lớp lót là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền kết cấu và tuổi thọ của lớp lót có rãnh.

3.5.1 Ảnh hưởng đến sức mạnh kết cấu

Việc tăng độ dày lớp lót có thể cải thiện đáng kể độ bền kết cấu của lớp lót có rãnh. Điều này là do lớp lót dày hơn có diện tích chịu lực hiệu quả lớn hơn, có thể làm giảm sự tập trung ứng suất ở các cạnh khe và cải thiện khả năng chống chịu áp lực hình thành. Kết quả phân tích phần tử hữu hạn cho thấy khi chiều dày lớp lót tăng từ 4 mm đến 8 mm, ứng suất tối đa của lớp lót có rãnh dưới cùng một áp suất hình thành giảm khoảng 40-50%. Tuy nhiên, độ dày lớp lót quá mức sẽ làm tăng chi phí và giảm đường kính trong của lớp lót, ảnh hưởng đến khả năng dòng chảy. Do đó, độ dày lớp lót phải được lựa chọn hợp lý theo áp suất hình thành và vật liệu lớp lót.

3.5.2 Ảnh hưởng đến tuổi thọ dịch vụ

Chất liệu lớp lót ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của lớp lót có rãnh. Như đã đề cập trước đó, thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép cacbon, vì vậy nó có tuổi thọ dài hơn trong môi trường nước ngầm bị ăn mòn. Vật liệu FRP có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và trọng lượng nhẹ, nhưng độ bền cơ học của chúng thấp hơn thép, nên chúng chỉ thích hợp với các tầng ngậm nước có áp suất thấp. Do đó, vật liệu lót phải được lựa chọn theo chất lượng nước ngầm và áp lực hình thành.

4. Phương pháp tối ưu hóa thiết kế tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước

4.1 Mục tiêu và ràng buộc tối ưu hóa

Tối ưu hóa thiết kế tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước là bài toán tối ưu đa mục tiêu, nhằm mục đích cân bằng hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy, và sức mạnh kết cấu. Các mục tiêu và ràng buộc tối ưu hóa cụ thể như sau:

4.1.1 Mục tiêu tối ưu hóa

(1) Tối đa hóa hiệu quả kiểm soát cát: Đảm bảo rằng lớp lót có rãnh có thể giữ lại các hạt cát hình thành một cách hiệu quả, hàm lượng cát trong nước sản xuất nhỏ hơn giới hạn cho phép (thường xuyên 0.01-0.05%). (2) Tối đa hóa công suất dòng chảy: Giảm thiểu lực cản dòng chảy của lớp lót có rãnh, và tối đa hóa sản lượng nước dưới cùng một chênh lệch áp suất. (3) Tối đa hóa sức mạnh kết cấu: Đảm bảo rằng lớp lót có rãnh có thể chịu được áp lực hình thành và tránh biến dạng dẻo hoặc gãy trong quá trình sử dụng.

4.1.2 Ràng buộc tối ưu hóa

(1) Hạn chế về chiều rộng khe: Chiều rộng khe phải nằm trong khoảng 1.5-2.5 lần kích thước hạt trung bình của cát hình thành để đảm bảo hiệu quả kiểm soát cát. (2) Hạn chế về mật độ khe: Mật độ khe không được vượt quá giá trị tối đa cho phép được xác định bởi cường độ kết cấu của lớp lót. (3) Hạn chế độ dày lớp lót: Độ dày lớp lót phải đủ để chịu được áp lực hình thành, và ứng suất tối đa của lớp lót không được vượt quá cường độ năng suất của vật liệu. (4) Hạn chế về chi phí: Tổng chi phí của lớp lót có rãnh (bao gồm chi phí vật chất, chi phí sản xuất, và chi phí lắp đặt) phải nằm trong ngân sách.

4.2 Phương pháp tối ưu hóa ghép nối đa yếu tố

Để đạt được sự tối ưu hóa đa mục tiêu của lớp lót có rãnh, một phương pháp tối ưu hóa khớp nối đa yếu tố dựa trên phân tích lý thuyết, mô phỏng số, và thử nghiệm thực nghiệm được đề xuất. Các bước cụ thể như sau:

4.2.1 Phân tích lý thuyết và khởi tạo tham số

Đầu tiên, dựa trên sự phân bố kích thước hạt của cát hình thành, giá trị ban đầu của chiều rộng khe được xác định (1.5-2.5 lần d50). Theo áp suất hình thành và vật liệu lót, giá trị ban đầu của độ dày lớp lót được xác định. Dựa trên sự cân bằng giữa hiệu suất dòng chảy và sức mạnh kết cấu, giá trị ban đầu của mật độ khe được xác định. Hình dạng khe ban đầu được chọn là khe hình chữ nhật với các góc được bo tròn, và cách sắp xếp vị trí ban đầu được chọn là cách sắp xếp so le.

4.2.2 Mô phỏng số và đánh giá hiệu suất

Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn và mô hình CFD của lớp lót có rãnh để mô phỏng và đánh giá cường độ kết cấu và đặc tính dòng chảy. (1) Mô phỏng cường độ kết cấu: Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (chẳng hạn như ANSYS) để mô phỏng sự phân bố ứng suất của lớp lót có rãnh dưới áp lực hình thành, và kiểm tra xem ứng suất tối đa có vượt quá giới hạn chảy của vật liệu hay không. (2) Mô phỏng hiệu suất dòng chảy: Sử dụng phần mềm CFD (chẳng hạn như thông thạo) để mô phỏng trường dòng chảy xung quanh lớp lót có rãnh, tính toán tốc độ dòng chảy và giảm áp suất trong các điều kiện dòng chảy khác nhau, và đánh giá sức cản dòng chảy. (3) Mô phỏng hiệu quả kiểm soát cát: Sử dụng phương pháp phần tử rời rạc (DEM) để mô phỏng chuyển động của các hạt cát gần lớp lót có rãnh, và đánh giá hiệu quả kiểm soát cát.

4.2.3 Thử nghiệm thực nghiệm và xác nhận mô hình

Chế tạo mẫu lót có rãnh theo thông số thiết kế ban đầu, và thực hiện các thử nghiệm thực nghiệm để xác minh kết quả mô phỏng số. (1) Kiểm tra hiệu quả kiểm soát cát: Sử dụng thiết bị kiểm tra cát để kiểm tra hàm lượng cát trong nước sản xuất ở các điều kiện dòng chảy khác nhau, và xác minh hiệu quả kiểm soát cát. (2) Kiểm tra hiệu suất dòng chảy: Sử dụng thiết bị kiểm tra dòng chảy để kiểm tra tốc độ dòng chảy và độ giảm áp suất của các mẫu ống lót có rãnh dưới các chênh lệch áp suất khác nhau, và xác minh hiệu suất luồng. (3) Kiểm tra sức mạnh kết cấu: Sử dụng thiết bị kiểm tra áp suất để kiểm tra áp suất tối đa mà các mẫu ống lót có rãnh có thể chịu được, và kiểm tra độ bền kết cấu.

4.2.4 Tối ưu hóa và lặp lại tham số

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với mục tiêu tối ưu hóa. Nếu không đạt được mục tiêu, điều chỉnh các thông số thiết kế (chẳng hạn như chiều rộng khe, mật độ khe, độ dày lớp lót) và lặp lại các bước mô phỏng số và thử nghiệm cho đến khi đạt được mục tiêu tối ưu hóa. Quá trình tối ưu hóa có thể được hỗ trợ bởi các thuật toán tối ưu hóa (chẳng hạn như thuật toán di truyền, thuật toán tối ưu hóa bầy hạt) nhằm nâng cao hiệu quả tối ưu hóa.

4.3 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho các ống lót có rãnh

Lấy lớp lót có rãnh bằng thép Q355 được sử dụng trong tầng chứa nước cát rời làm ví dụ, giới thiệu việc thiết lập mô hình phần tử hữu hạn. Các thông số chính của lớp lót có rãnh như sau: đường kính trong 200 mm, đường kính ngoài 212 mm (độ dày lớp lót 6 mm), Chiều rộng khe 0.4 mm, chiều dài khe 50 mm, mật độ khe 20 khe trên mét, khe hình chữ nhật với các góc tròn (bán kính góc 0.1 mm), sắp xếp khe cắm so le.

4.3.1 Mô hình hình học

Sử dụng phần mềm ANSYS DesignModeler để thiết lập mô hình hình học 3D của lớp lót có rãnh. Mô hình bao gồm thân lót và các khe. Để đơn giản hóa mô hình, các khe được phân bố đều trên tường lót theo sự sắp xếp so le. Các tính năng nhỏ ít ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất (chẳng hạn như gờ ở các cạnh khe) bị bỏ qua.

4.3.2 Tạo lưới

Sử dụng phần mềm ANSYS Meshing để tạo lưới của mô hình phần tử hữu hạn. Xét sự tập trung ứng suất tại các cạnh khe, lưới gần các khe được tinh chỉnh. Loại lưới là phần tử tứ diện, và kích thước mắt lưới gần các khe là 0.5 mm, trong khi kích thước mắt lưới của thân lót là 2 mm. Sau khi tạo lưới, chất lượng lưới được kiểm tra. Tỷ lệ khung hình trung bình của lưới là 1.6, độ lệch trung bình là 0.25, và độ trực giao trung bình là 0.75, đều đáp ứng yêu cầu tính toán phần tử hữu hạn. Tổng số phần tử lưới là 1,250,000, và tổng số nút là 2,180,000.

4.3.3 Cài đặt thông số vật liệu

Vật liệu của lớp lót có rãnh là thép Q355, với mật độ 7850 kg/m³, mô đun đàn hồi của 206 GPa, Tỷ số Poisson của 0.3, sức mạnh năng suất của 355 MPA, và độ bền kéo của 470-630 MPA.

4.3.4 Cài đặt điều kiện biên

Lớp lót có rãnh chịu áp lực hình thành đồng đều từ bên ngoài. Áp lực hình thành được đặt thành 5 MPA. Hai đầu của lớp lót được cố định để mô phỏng điều kiện lắp đặt thực tế. Sự dịch chuyển của các nút cuối trong x, y, và hướng z bị ràng buộc bằng 0.

4.4 Phân tích mô phỏng của ống lót có rãnh

Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn đã thiết lập, cường độ kết cấu và hiệu suất dòng chảy của lớp lót có rãnh được mô phỏng và phân tích.

4.4.1 Phân tích sức mạnh kết cấu

Kết quả phân tích cường độ kết cấu cho thấy ứng suất cực đại của lớp lót có rãnh dưới áp lực hình thành của 5 MPa là 286 MPA, nằm ở các góc tròn của các khe. Ứng suất tối đa nhỏ hơn cường độ chảy của thép Q355 (355 MPA), chỉ ra rằng lớp lót có rãnh có đủ độ bền kết cấu. Sự phân bố ứng suất của thân ống lót đồng đều, và ứng suất ở thân lót là khoảng 120-150 MPA, nhỏ hơn nhiều so với cường độ năng suất của vật liệu.

Để xác minh thêm độ ổn định cấu trúc của lớp lót có rãnh, một phân tích oằn được thực hiện. Kết quả phân tích độ uốn giá trị riêng cho thấy áp suất uốn tới hạn thứ nhất của lớp lót có rãnh là 18 MPA, đó là 3.6 lần áp lực hình thành (5 MPA), chỉ ra rằng lớp lót có rãnh có đủ độ ổn định về cấu trúc.

4.4.2 Phân tích hiệu suất dòng chảy

Sử dụng phần mềm Fluent để thiết lập mô hình CFD của lớp lót có rãnh. Mô hình bao gồm lớp lót có rãnh và chất lỏng xung quanh (nước). Các điều kiện biên được đặt như sau: ranh giới đầu vào là bề mặt bên ngoài của lớp lót có rãnh, và áp suất đầu vào là 5 MPA; ranh giới đầu ra là bề mặt bên trong của lớp lót có rãnh, và áp suất đầu ra là 0 MPA; bề mặt tường của lớp lót có rãnh được đặt làm ranh giới chống trượt.

Kết quả phân tích hiệu suất dòng chảy cho thấy tốc độ dòng chảy trung bình qua các khe là 1.2 bệnh đa xơ cứng, và tổng tốc độ dòng chảy của lớp lót có rãnh là 120 m³/h. Độ giảm áp của lớp lót có rãnh là 0.8 MPA, nằm trong phạm vi cho phép. Sự phân bố tốc độ dòng chảy qua các khe là đồng đều, và không có dòng điện xoáy rõ ràng, chỉ ra rằng lớp lót có rãnh có hiệu suất dòng chảy tốt.

4.4.3 Phân tích hiệu quả kiểm soát cát

Sử dụng phương pháp ghép DEM-FLUENT để mô phỏng hiệu quả kiểm soát cát của lớp lót có rãnh. Các hạt cát có dạng hạt hình cầu với mật độ 2650 kg/m³, và phân bố kích thước hạt là d10=0,1 mm, d50=0,2mm, d60=0,3mm (Cu=3). Kết quả mô phỏng cho thấy hàm lượng cát trong nước sản xuất là 0.02%, nhỏ hơn giới hạn cho phép của 0.05%, chỉ ra rằng lớp lót có rãnh có hiệu quả kiểm soát cát tốt.

5. Nghiên cứu trường hợp kỹ thuật về tấm lót có rãnh được tối ưu hóa để kiểm soát cát trong giếng nước

5.1 Tổng quan dự án

Để xác minh hiệu quả ứng dụng thực tế của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa, một dự án kiểm soát cát giếng nước trong tầng chứa nước cát lỏng lẻo ở miền bắc Trung Quốc được chọn làm ví dụ. Khu vực dự án nằm ở vùng đồng bằng có nguồn nước ngầm dồi dào. Tầng chứa nước là tầng chứa nước cát rời có chiều dày khoảng 30-50 m. Phân bố kích thước hạt của cát thành hệ là d10=0,15 mm, d50=0,25 mm, d60=0,45 mm (Cu=3). Áp lực hình thành là 4 MPA, và nước ngầm là nước ngọt không có sự ăn mòn rõ ràng.

Giếng nước tại dự án có độ sâu 80 m và đường kính trong của 250 mm. Giếng đã được đưa vào sử dụng 5 năm, và sản xuất cát nghiêm trọng đã xảy ra trong những năm gần đây, dẫn đến sự mài mòn của máy bơm chìm và làm giảm đáng kể lượng nước (từ 150 m³/h đến 80 m³/h). Để giải quyết vấn đề sản xuất cát, người ta quyết định áp dụng lớp lót có rãnh được tối ưu hóa để chuyển đổi kiểm soát cát.

5.2 Thiết kế và tối ưu hóa các ống lót có rãnh cho dự án

5.2.1 Thông số thiết kế ban đầu

Dựa trên phân tích lý thuyết, các thông số thiết kế ban đầu của lớp lót có rãnh được xác định như sau: vật liệu lót thép Q355, độ dày lớp lót 6 mm, đường kính trong 200 mm, đường kính ngoài 212 mm, Chiều rộng khe 0.4 mm (1.6 lần d50), chiều dài khe 50 mm, mật độ khe 20 khe trên mét, khe hình chữ nhật với các góc tròn (bán kính góc 0.1 mm), sắp xếp khe cắm so le.

5.2.2 Quá trình tối ưu hóa

Sử dụng phương pháp tối ưu hóa ghép đa yếu tố được đề xuất ở Chương 4, các thông số thiết kế ban đầu được tối ưu hóa. Đầu tiên, mô hình phần tử hữu hạn và mô hình CFD của lớp lót có rãnh được thiết lập để mô phỏng cường độ kết cấu, hiệu suất dòng chảy, và hiệu quả kiểm soát cát. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất lớn nhất của lớp lót có rãnh dưới áp lực thành hệ là 265 MPA (ít hơn 355 MPA), tốc độ dòng chảy là 130 m³/h, và hàm lượng cát trong nước sản xuất là 0.03% (ít hơn 0.05%). Kết quả mô phỏng đáp ứng được mục tiêu tối ưu, nhưng tốc độ dòng chảy có thể được cải thiện hơn nữa.

Để cải thiện tốc độ dòng chảy, mật độ khe được tăng lên 25 khe trên mét, và chiều rộng khe được tăng lên 0.45 mm. Kết quả mô phỏng sau khi tối ưu hóa cho thấy ứng suất lớn nhất của lớp lót có rãnh là 312 MPA (vẫn ít hơn 355 MPA), tốc độ dòng chảy là 155 m³/h, và hàm lượng cát trong nước sản xuất là 0.04% (vẫn ít hơn 0.05%). Các mục tiêu tối ưu hóa được đáp ứng đầy đủ, nên các thông số thiết kế cuối cùng được xác định như sau: vật liệu lót thép Q355, độ dày lớp lót 6 mm, đường kính trong 200 mm, đường kính ngoài 212 mm, Chiều rộng khe 0.45 mm, chiều dài khe 50 mm, mật độ khe 25 khe trên mét, khe hình chữ nhật với các góc tròn (bán kính góc 0.1 mm), sắp xếp khe cắm so le.

5.3 Lắp đặt và thi công các ống lót có rãnh tối ưu

Việc lắp đặt và thi công lớp lót có rãnh tối ưu được thực hiện theo các bước sau:

(1) Làm sạch giếng: Sử dụng dụng cụ làm sạch giếng để loại bỏ cát và cặn trong giếng nhằm đảm bảo lớp lót có rãnh được lắp đặt trơn tru.

(2) Chế tạo sẵn lớp lót: Tấm lót có rãnh được chế tạo sẵn tại nhà máy theo thông số thiết kế cuối cùng. Quá trình xử lý khe áp dụng công nghệ cắt laser để đảm bảo độ chính xác của chiều rộng khe (sai số ±0,02 mm) và độ mịn của các cạnh khe.

(3) Vận chuyển và hạ thấp lớp lót: Tấm lót rãnh đúc sẵn được vận chuyển đến công trường và hạ xuống giếng bằng cần trục. Trong quá trình hạ, các biện pháp bảo vệ được thực hiện để tránh va chạm và làm hỏng lớp lót.

(4) Sửa chữa và niêm phong: Lớp lót có rãnh được cố định tại vị trí được chỉ định trong giếng bằng bộ tập trung, và khe hở giữa lớp lót và giếng khoan được bịt kín bằng xi măng để ngăn cát lọt vào giếng từ khe hở..

(5) Kiểm tra hoàn thiện giếng: Sau khi cài đặt hoàn tất, một cuộc kiểm tra hoàn thiện giếng được thực hiện, bao gồm cả việc kiểm tra năng suất nước, kiểm tra hàm lượng cát, và kiểm tra áp suất, để xác minh hiệu quả kiểm soát cát và hiệu suất dòng chảy của lớp lót có rãnh.

5.4 Đánh giá hiệu quả ứng dụng

Sau khi hoàn thành việc chuyển đổi kiểm soát cát, giếng nước đã được sử dụng 1 năm, và hiệu quả ứng dụng được đánh giá thông qua giám sát và thử nghiệm tại chỗ.

5.4.1 Đánh giá hiệu quả kiểm soát cát

Hàm lượng cát trong nước sản xuất được kiểm tra hàng tháng. Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng cát trung bình 0.03%, nhỏ hơn giới hạn cho phép của 0.05%. Trong thời gian phục vụ 1 năm, không có sự tích tụ cát rõ ràng trong giếng, và máy bơm chìm hoạt động bình thường không bị mài mòn. Điều này cho thấy lớp lót có rãnh được tối ưu hóa có tác dụng kiểm soát cát tốt.

5.4.2 Đánh giá hiệu suất dòng chảy

Sản lượng nước của giếng được kiểm tra hàng quý. Kết quả thử nghiệm cho thấy sản lượng nước trung bình là 152 m³/h, cao hơn đáng kể so với sản lượng nước trước khi chuyển đổi (80 m³/h) và đáp ứng yêu cầu thiết kế của 150 m³/h. Độ giảm áp của lớp lót có rãnh được kiểm tra là 0.7 MPA, nằm trong phạm vi cho phép. Điều này cho thấy lớp lót có rãnh được tối ưu hóa có hiệu suất dòng chảy tốt.

5.4.3 Đánh giá lợi ích kinh tế

Lợi ích kinh tế của dự án được đánh giá từ khía cạnh chi phí chuyển đổi, chi phí bảo trì, và tăng sản lượng nước. Kết quả cho thấy rằng: (1) Tổng chi phí chuyển đổi của giếng là 80,000 nhân dân tệ, bao gồm cả chi phí của lớp lót có rãnh được tối ưu hóa (50,000 nhân dân tệ) và chi phí lắp đặt (30,000 nhân dân tệ); (2) Trước sự biến đổi, chi phí bảo trì hàng năm của giếng (bao gồm cả việc thay thế máy bơm chìm và làm sạch giếng) đã về 40,000 nhân dân tệ. Sau khi chuyển đổi, chi phí bảo trì hàng năm giảm xuống còn 5,000 nhân dân tệ, tiết kiệm 35,000 nhân dân tệ chi phí bảo trì mỗi năm; (3) Sản lượng nước tăng thêm 72 m³/h sau khi biến đổi. Căn cứ vào giá nước 2 nhân dân tệ/m³ và thời gian hoạt động hàng năm của 300 ngày (7200 giờ), doanh thu nước bổ sung hàng năm là 72 × 7200 × 2 = 1,036,800 nhân dân tệ. Tính toán tổng hợp cho thấy thời gian thu hồi vốn đầu tư của dự án chuyển đổi kiểm soát cát là khoảng 0.08 năm (ít hơn 1 tháng), mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.

Ngoài ra, lớp lót có rãnh được tối ưu hóa có độ bền tốt. Trong thời gian phục vụ 1 năm, không ăn mòn, sự biến dạng, hoặc hư hỏng của lớp lót đã được tìm thấy, giúp giảm tần suất bảo trì giếng và cải thiện hơn nữa lợi ích kinh tế của dự án. Việc áp dụng thành công lớp lót có rãnh được tối ưu hóa trong dự án này cũng cung cấp một tài liệu tham khảo cho việc chuyển đổi kiểm soát cát của các giếng nước tương tự trong khu vực., có giá trị khuyến mại nhất định.

6. Kết luận và triển vọng

6.1 Kết luận chính

Bài báo tập trung nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế tấm lót có rãnh để kiểm soát cát trong giếng nước, và tiến hành nghiên cứu chuyên sâu trên cơ sở lý thuyết, thông số thiết kế chính, phương pháp tối ưu hóa, mô phỏng số, và ứng dụng kỹ thuật. Các kết luận chính được tóm tắt như sau:

(1) Hiệu suất kiểm soát cát của lớp lót có rãnh bị ảnh hưởng toàn diện bởi đặc tính vật liệu lớp lót, cơ chế giữ cát (sàng cơ khí, sự hình thành cầu cát, lắng đọng hạt), nguyên tắc cản dòng chảy (lực cản ma sát, điện trở cục bộ tại các khe, khả năng chống lắng đọng cát), và các thông số hình thành (phân bố kích thước hạt cát, độ xốp và tính thấm của tầng chứa nước, áp lực hình thành). Trong số đó, kích thước hạt trung bình của cát thành tạo xác định phạm vi chiều rộng khe hợp lý, và áp suất hình thành là yếu tố cốt lõi ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu và độ dày lớp lót.

(2) Các thông số thiết kế chính của lớp lót có rãnh (Chiều rộng khe, mật độ khe, hình dạng khe, sắp xếp khe cắm, độ dày và vật liệu lót) có tác động kết hợp đáng kể đến hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy và sức mạnh kết cấu. Các khe hình chữ nhật với các góc được bo tròn và sắp xếp so le là lựa chọn tối ưu để cân bằng hiệu quả kiểm soát cát và hiệu suất dòng chảy; chiều rộng khe phải được kiểm soát trong 1.5-2.5 lần kích thước hạt trung bình (D50) cát hình thành, và mật độ khe cần được tối ưu hóa dựa trên giới hạn cường độ kết cấu của vật liệu lót.

(3) Phương pháp tối ưu hóa khớp nối đa yếu tố tích hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng số và thử nghiệm thử nghiệm được đề xuất. Phương pháp này có thể cân bằng hiệu quả ba mục tiêu cốt lõi về hiệu quả kiểm soát cát, hiệu suất dòng chảy và sức mạnh kết cấu. Mô hình phần tử hữu hạn do ANSYS thiết lập và mô hình CFD do Fluent thiết lập có thể mô phỏng chính xác sự phân bố ứng suất kết cấu và đặc điểm trường dòng chảy của các ống lót có rãnh, cung cấp cơ sở kỹ thuật đáng tin cậy để tối ưu hóa tham số.

(4) Việc xác minh trường hợp kỹ thuật cho thấy lớp lót có rãnh được tối ưu hóa được thiết kế theo phương pháp đề xuất có hiệu quả ứng dụng thực tế tuyệt vời. Sau khi chuyển đổi giếng nước vào tầng chứa nước cát rời, Hàm lượng cát trung bình trong nước sản xuất là 0.03% (thấp hơn giới hạn cho phép của 0.05%), sản lượng nước tăng lên từ 80 m³/h đến 152 m³/h, và thời gian thu hồi vốn đầu tư ngắn hơn 1 tháng. Nó có lợi ích kinh tế đáng kể và giá trị khuyến mãi cho các dự án tương tự.

6.2 Hạn chế nghiên cứu

Mặc dù bài viết này đã đạt được những kết quả nghiên cứu nhất định, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục trong nghiên cứu tiếp theo:

(1) Phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tầng chứa nước cát rời và tầng chứa nước sỏi, và nghiên cứu khả năng thích ứng của lớp lót có rãnh trong các tầng chứa nước đặc biệt (chẳng hạn như tầng chứa nước bị nứt, tầng chứa nước đá vôi) không đủ. Cơ chế kiểm soát cát và các yêu cầu về thông số thiết kế của lớp lót có rãnh trong các tầng chứa nước đặc biệt khá khác biệt so với các tầng chứa nước cát rời, điều cần được tìm hiểu thêm.

(2) Việc mô phỏng số và thử nghiệm thực nghiệm trong bài báo này được thực hiện trong điều kiện hình thành tĩnh. Trong kỹ thuật thực tế, sự hình thành có thể có những thay đổi năng động (chẳng hạn như sự giải quyết hình thành, dao động mực nước), điều này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng lâu dài và độ ổn định cấu trúc của ống lót có rãnh. Thiếu nghiên cứu liên quan về khả năng thích ứng của ống lót có rãnh được tối ưu hóa với các điều kiện hình thành động.

(3) Phương pháp tối ưu hóa ghép nối đa yếu tố được đề xuất trong bài viết này dựa vào việc lặp lại và xác minh thủ công ở một mức độ nhất định. Việc tích hợp các thuật toán tối ưu hóa thông minh (chẳng hạn như thuật toán di truyền, tối ưu hóa bầy hạt) và các mô hình mô phỏng số chưa được thực hiện đầy đủ, dẫn đến hiệu quả tối ưu hóa hạn chế.

6.3 Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Trước những hạn chế về nghiên cứu và nhu cầu phát triển của công nghệ kiểm soát cát giếng nước, hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất như sau:

(1) Mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các tầng chứa nước đặc biệt. Nghiên cứu chuyên sâu cơ chế khống chế cát của các lớp lót có rãnh ở các tầng chứa nước bị nứt nẻ và các tầng chứa nước karst, thiết lập các mô hình tối ưu hóa thiết kế có mục tiêu, và cải thiện khả năng thích ứng của công nghệ kiểm soát cát lót có rãnh với các loại tầng chứa nước khác nhau.

(2) Tăng cường nghiên cứu điều kiện hình thành động. Thông qua mô phỏng vật lý trong nhà và mô phỏng số, mô phỏng những thay đổi năng động của sự hình thành (chẳng hạn như sự giải quyết hình thành, dao động mực nước), nghiên cứu hiệu suất sử dụng lâu dài và độ ổn định cấu trúc của ống lót có rãnh trong điều kiện động, và đề xuất các chiến lược củng cố, duy trì tương ứng.

(3) Phát triển hệ thống thiết kế thông minh cho ống lót có rãnh. Tích hợp các thuật toán tối ưu thông minh, phần mềm mô phỏng số và cơ sở dữ liệu kỹ thuật để xây dựng nền tảng thiết kế thông minh. Thực hiện việc tự động khớp và tối ưu hóa các thông số thiết kế theo điều kiện hình thành và yêu cầu kỹ thuật, và nâng cao hiệu quả thiết kế và độ tin cậy.

(4) Khám phá vật liệu mới và cấu trúc mới của lớp lót có rãnh. Nghiên cứu và phát triển vật liệu composite hiệu suất cao (chẳng hạn như vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi carbon) với khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học tốt hơn; khám phá cấu trúc khe mới (chẳng hạn như các khe có chiều rộng thay đổi, khe cong) để cải thiện hơn nữa hiệu quả kiểm soát cát và hiệu suất dòng chảy.

(5) Tăng cường giám sát tại chỗ và tích lũy dữ liệu lâu dài. Thực hiện theo dõi và giám sát lâu dài các giếng nước bằng cách sử dụng các tấm lót có rãnh được tối ưu hóa, thu thập dữ liệu về hàm lượng cát, sản lượng nước, trạng thái lót và các chỉ số khác, thiết lập cơ sở dữ liệu hiệu suất dài hạn, và cung cấp hỗ trợ dữ liệu để tối ưu hóa và cải tiến liên tục công nghệ thiết kế lớp lót có rãnh.