การออกแบบอุปกรณ์สร้างกระแสน้ำความเร็วสม่ำเสมอในบริเวณเปิด

บทคัดย่อ

การไหลของน้าที่มีความสม่าเสมอเป็นสิ่งสาคัญอย่างยิ่งต่อการทดสอบในด้านวิศวกรรมและ ด้านชีววิทยา เช่น การศึกษา Hydrofoils และการศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของสัตว์น้า โปรเจคนี้ จึงมุ่งออกแบบอุปกรณ์สร้างการไหลสม่าเสมอของน้าในพื้นที่เปิด และสามารถต่อแบบโมดูลาร์ได้ เพื่อ ตอบโจทย์ความต้องการดังกล่าว และชดเชยข้อจากัดของอุโมงค์น้าที่เป็นพื้นที่ปิดและจากัด อีกทั้งยัง ต้นทุนสูง ซึ่งมีความจาเป็นต่อการพัฒนาความรู้พื้นฐานและการประยุกต์ใช้ในงานด้านวิศวกรรม การศึ ก ษาครั้ ง นี้ ใ ช้ วิ ธี การจาลองสถานการณ์ (simulation) ด้ ว ยโปรแกรม ANSYS เพื่ อ วิเคราะห์การจาลองการไหลให้ได้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงจริง โดยเน้นการคานวณการกาหนดความเร็วรอบ ของใบพัด และระยะการใช้งาน เพื่อให้ได้การไหลที่สม่าเสมอสูงสุดในความเร็วที่ไม่ต่ากว่า 3 เมตรต่อ วิ นาที อี ก ทั้ ง ยั ง สามารถขยายพื้ น ที่ การใช้ งานโดยการต่ อ แบบโมดู ลาร์ ไ ด้ และใช้ โ ปรแกรม SolidWorks ในการออกแบบโครงสร้างของอุปกรณ์ให้สามารถบรรลุข้อจากัดทั้งในด้านพื้นที่ ความ แข็งแรง และต้นทุน ผลลัพธ์จากการจาลองสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ที่กาหนด โดยได้การไหลสม่าเสมอใน พื้ น ที่ ห น้า ตั ด การทดลองขนาด 0.2 x 0.2 เมตร ด้ ว ยความเร็ ว มากกว่า 3 เมตรต่ อ วิ นาที และ ความคลาดเคลื่อนของความสม่าเสมอของความเร็วต่ากว่า 5% เมื่อใช้งานโมดูลแบบจัตุรัส ซึ่งแสดงให้ เห็นถึงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นในการสร้างการไหลสม่าเสมอสาหรับการใช้งานจริง คาสาคัญ: การไหลสม่าเสมอ, อุโมงค์น้า, การจาลองการไหล, พื้นที่เปิด, ต่อแบบโมดูลาร์ Name Porasok Chidsanupong Chitsanupong Wachirawit Thesis Title Design of Device for Creating Uniform Water Flow in Open Areas Mechanical and Aerospace Engineering Asst.Prof. Tonkid Chantrasmi, Ph.D. 2024 Department Advisor Academic year Khanasiriwong Makkaew Sophapang Kruawan Abstract Uniform water flow is essential for experiments in engineering and biology such as testing hydrofoils and the movement patterns of aquatic animals. This project aims to develop a device that produces uniform water flow in open environments and supports modular assembly to meet these needs while compensating the limitations of water tunnels which are costly enclosed and restricted in space. This project uses ANSYS software to study 3D flow simulation and seeks accurate results by calculating the propeller’s rotational speed and testing range to maintain uniform flow at a minimum of 3 meters per second. The device is designed to expand its working area with modular additions. SOLIDWORKS is used to design the device’s structure and ensure it meets constraints in the working area, durability and cost. The simulation achieved its goals with a test section of 0.2 x 0.2 m and uniform flow above 3 meters per second with a deviation rate below 5% when using the number of symmetric modules. This demonstrates the device’s ability to provide uniform flow for practical use. Keywords: Uniform flow, Water tunnel, 3D flow Simulation, Open areas, Modular assembly กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้สาเร็จลุล่วงไปได้ด้วยความช่วยเหลืออย่างดียิ่งของ ผศ.ดร.ต้นคิด จันท รัศมี อาจารย์ที่ปรึกษาปริญญานิพนธ์ที่ได้ให้คาแนะนา ข้อคิดเห็น และความรู้ต่อการดาเนินโครงงาน มาโดยตลอด ขอขอบพระคุณคณะกรรมการสอบปริญญานิพนธ์ทุกท่านและคณาจารย์ทุกท่านที่ให้ คาแนะนา ความอนุเคราะห์และติชม จนปริญญานิพนธ์เสร็จสมบูรณ์ สุดท้ายนี้ผู้จัดทาขอขอบคุณทุกท่านที่มีส่วนสนับสนุนทั้งทางตรงและทางอ้อม ซึ่งหากขาดการ สนับสนุนส่วนใดส่วนหนึ่งไปปริญญานิพนธ์ฉบับนี้ไม่อาจสาเร็จลุล่วงได้ ขอบพระคุณอย่างยิ่ง นายปรศก คณะศิริวงค์ นายชิษณุพงศ์ มากแก้ว นายชิษณุพงศ์ โสภาแปง นายวชิรวิชญ์ เครือวัลย์ สารบัญ บทที่ 1 บทนา ....................................................................................................................................1 1.1 ที่มาและความสาคัญ ............................................................................................................. 1 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน ..................................................................................................... 1 1.3 ขอบเขตของโครงงาน ............................................................................................................ 1 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ ......................................................................................... 1 1.5 แผนการดาเนินงาน ............................................................................................................... 2 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ...................................................................................................................3 2.1 ทฤษฎีที่เกี่ยวของกับการไหล ................................................................................................. 3 2.1.1 การไหลแบบสม่าเสมอและไม่สม่าเสมอ ........................................................................ 3 2.1.2 Entrance Region ....................................................................................................... 4 2.1.3 Entrance Length....................................................................................................... 5 2.1.4 Water Tunnel ............................................................................................................ 6 2.2 อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ................................................................................................................ 7 2.2.1 ปั๊ม (Pump) ................................................................................................................. 7 2.2.1.1 ปั๊มเซนติฟูกอล (Centrifugal pump) ................................................................. 8 2.2.1.2 ปั๊มโรตารี่ (Rotary pump)................................................................................ 11 2.2.1.3 ปั๊มแบบลูกสูบชัก (Reciprocating pump) ....................................................... 12 2.2.1.4 กราฟความสัมพันธ์อัตราสูบกับเฮดของปั๊ม ........................................................ 14 2.2.2 ใบพัดสาหรับใช้งานในน้า............................................................................................ 16 2.2.2.1 หลักการทางานของใบพัด .................................................................................. 16 2.2.2.2 ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของใบพัด ...................................................... 17 2.2.3 ท่อกระจาย................................................................................................................. 19 2.2.4 อุปกรณ์ปรับปรุงการไหล ............................................................................................ 21 2.2.4.1) ชนิดของอุปกรณ์ปรับปรุงการไหลตามมาตรฐาน ISO 5167-1 ......................... 22 2.2.4.2) ชนิดของอุปกรณ์ปรับปรุงการไหลชนิดอื่นๆ ...................................................... 25 2.3 ทบทวนวรรณกรรม (LITERATURE REVIEW) ............................................................................ 25 2.3.1 Design of a recirculating water tunnel for the study of high-Reynolds number turbulent boundary layers [3] ....................................................................... 26 2.3.2 A review of fish swimming mechanics and behavior in altered flows [4] . 27 2.3.3 Flow conditioners efficiency a comparison based on numerical approach [7]........................................................................................................................................ 27 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ .......................................................................................................... 29 3.1 ข้อจากัด, มาตรฐาน, ข้อกาหนด .......................................................................................... 29 3.1.1 ข้อจากัด (Constraint) ............................................................................................... 29 3.1.2 มาตรฐาน (Standard) ........................................................................................ 29 3.1.3 ข้อกาหนด (Requirements) ..................................................................................... 30 3.2 การสร้างและประเมินแนวคิดขั้นแรก ................................................................................... 30 3.2.1 การสร้างแนวคิดขั้นแรก ............................................................................................. 30 3.2.2 การประเมินแนวคิด .................................................................................................... 31 3.2.3 สรุปการออกแบบขั้นแรก............................................................................................ 33 3.3 การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณ (CFD) .................................................................. 34 3.3.1 การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติ .................................................... 34 3.3.1.1 การตรวจสอบความถูกต้องของการจาลอง ........................................................ 35 3.3.1.2 การทดลองสองมิติที่ 1 การจาลองการไหลของปั๊มในท่อแบบอุปกรณ์เดียว........ 36 3.3.1.3 การทดลองสองมิติที่ 2 การจาลองการไหลของปั๊มในสระน้าแบบโมดูลาร์ .......... 37 3.3.1.4 การทดลองสองมิติที่ 3 การจาลองการไหลของใบพัดในสระน้าแบบโมดูลาร์...... 38 3.3.2 การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสามมิติ .................................................... 39 3.3.2.1 การทดลองสามมิติที่ 1 ความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ ....................................................................................................................................... 39 3.3.2.2 การทดลองสามมิติที่ 2 การจาลองค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระยะของสระว่าย น้า .................................................................................................................................. 40 3.3.2.4 การหาสมการในการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอของเร็วโดยปรับความเร็วการหมุน ของตัวขับดัน .................................................................................................................. 40 3.3.2.5 การทดลองสามมิติที่ 3 การทดลองปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากันเมื่อ จัดวางอุปกรณ์แบบผืนผ้า ............................................................................................... 41 3.3.2.6 การทดลองสามมิติที่ 4 การปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากันเมื่อจัดวาง อุปกรณ์แบบจัตุรัส .......................................................................................................... 41 3.4 การออกแบบโครงสร้าง ....................................................................................................... 41 3.4.1 เป้าหมายและข้อจากัด ............................................................................................... 41 3.4.2 การคิดและออกแบบโครงสร้างขั้นสุดท้าย .................................................................. 42 3.4.2.1 โครงสร้างแบบที่ 1 ............................................................................................ 42 3.4.2.2 โครงสร้างแบบที่ 2 ............................................................................................ 45 3.4.2.3 สรุปการออกแบบโครงสร้าง .............................................................................. 46 3.4.3 การออกแบบโครงสร้างในโปรแกรม SolidWorks ...................................................... 47 3.4. การออกแบบจานวนขาปรับระดับที่เหมาะสมกับจานวนโมดูลที่ติดตั้ง ................................ 51 3.4.4 วิธีการทดสอบความแข็งแรง ....................................................................................... 52 3.5 การควบคุมความเร็วตัวขับดัน ............................................................................................. 54 บทที่ 4 ผลลัพธ์การทดลอง .............................................................................................................. 56 4.1 ผลลัพธ์การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติ .................................................. 56 4.1.1 ผลลัพธ์การทดลองที่ 1 การจาลองการไหลของปั๊มในท่อแบบอุปกรณ์เดียว ................ 56 4.1.2 ผลลัพธ์การทดลองที่ 2 การจาลองการไหลของปั๊มในสระน้าแบบโมดูลาร์ .................. 57 4.1.3 ผลลัพธ์การทดลองที่ 3 การจาลองการไหลของใบพัดในสระน้าแบบโมดูลาร์ .............. 58 4.1.4 สรุปการจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติ ............................................. 62 4.2 ผลลัพธ์การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณสามมิติ...................................................... 62 4.2.1 ผลลัพธ์การทดลองสามมิติที่ 1 ความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสอง มิติ ....................................................................................................................................... 62 4.2.2 ผลลัพธ์การทดลองสามมิติที่ 2 การจาลองค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระยะของสระ ว่ายน้า.................................................................................................................................. 64 4.2.3 การหาสมการในการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอของเร็วโดยปรับความเร็วของตัวขับดัน ............................................................................................................................................ 66 4.2.4. การทดลองสามมิติที่ 3 การทดลองปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากันเมื่อจัด วางอุปกรณ์แบบผืนผ้า ......................................................................................................... 67 4.2.5. การทดลองสามมิติที่ 4 การทดลองปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากันเมื่อจัด วางอุปกรณ์แบบจัตุรัส .......................................................................................................... 68 4.2.3 สรุปการจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสามมิติ ............................................. 69 4.3 ผลลัพธ์การทดสอบความแข็งแรง......................................................................................... 69 บทที่ 5 สรุป .................................................................................................................................... 73 5.1 ผลสรุปด้านประสิทธิภาพ .................................................................................................... 73 5.2 ผลสรุปด้านโครงสร้าง .......................................................................................................... 73 เอกสารอ้างอิง ................................................................................................................................. 75 ภาคผนวก........................................................................................................................................ 77 1. ที่มาของสมการสมการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอ ................................................................. 77 สารบัญตาราง ตารางที่ 1.1 แผนการดาเนินงาน ....................................................................................................... 2 ตารางที่ 1.2 รายการของอุโมงค์น้า 15 แห่งในโลก ............................................................................ 7 ตารางที่ 3.1 เกณฑ์การให้คะแนนคัดเลือกแนวคิด ........................................................................... 32 ตารางที่ 3.2 ตัวอย่างแบบฟอร์มการให้คะแนนของรายบุคคล……………………………………………………32 ตารางที่ 4.1 แนวโน้มการเพิ่มขึ้นของค่าความสม่าเสมอของความเร็ว…………………………………………60 ตารางที่ 4.2 แนวโน้มค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่ลดลง .......................................................... 61 ตารางที่ 4.3 ตารางผลลัพธ์การหาความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ (สองมิติ) ........................................................................................................................................................ 63 ตารางที่ 4.4 ตารางผลลัพธ์การหาความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ (สามมิติ) ........................................................................................................................................................ 63 ตารางที่ 4.5 ทดลองระยะใช้งานจากหน้าใบพัดน้อยกว่า 5d ........................................................... 66 ตารางที่ 4.6 ผลลัพธ์การทดลองของหัวข้อ 4.2.4 ............................................................................ 67 ตารางที่ 4.7 ผลลัพธ์การทดลองที่ 4.2.5 ที่ความเร็วการหมุน 2900 RPM....................................... 68 ตารางที่ 4.8 ผลลัพธ์การทดลองที่ 4.2.5 ความเร็วการหมุน 2000 RPM ......................................... 68 ตารางที่ 4.9 ผลลัพธ์การทดลองที่ 4.2.5 ความเร็วการหมุน 1200 RPM ......................................... 69 ตารางที่ 4.10 Proof Load for Bolts (ISO 898) ........................................................................... 70 สารบัญรูปภาพ รูปที่ 2.1 velocity profile of Uniform Flow and Non-uniform Flow (แกน Y คือ Distance แกน X คือ Velocity) ........................................................................................................................ 3 รูปที่ 2.2 The development of velocity boundary layer in pipe .......................................... 4 รูปที่ 2.3 โปรไฟล์ความเร็ว fully laminar และ fully turbulent .................................................... 5 รูปที่ 2.4 Water Tunnel .................................................................................................................. 6 รูปที่ 2.5 ปั๊มเซนติฟูลกอล ................................................................................................................. 8 รูปที่ 2.6 Cutwater .......................................................................................................................... 8 รูปที่ 2.7 Single Volute และDouble Volute จากซ้ายไปขวาตามลาดับ ....................................... 9 รูปที่ 2.8 แบบมีครีบผันน้า .............................................................................................................. 10 รูปที่ 2.9 ใบพัดแบบเปิด.................................................................................................................. 10 รูปที่ 2.10 ใบพัดแบบกึ่งเปิด ........................................................................................................... 10 รูปที่ 2.11 ใบพัดแบบปิด ................................................................................................................. 11 รูปที่ 2.12 Mixed Flow ................................................................................................................. 11 รูปที่ 2.13 Gear Pump .................................................................................................................. 12 รูปที่ 2.14 Lobe Pump ................................................................................................................. 12 รูปที่ 2.15 ปั๊มแบบลูกสูบชัก............................................................................................................ 13 รูปที่ 2.16 Double-acting reciprocating pump ........................................................................ 13 รูปที่ 2.17 Diaphragm pump ....................................................................................................... 14 รูปที่ 2.18 ความสัมพันธ์ของลักษณะใบพัดกับลักษณะของกราฟ (1.1) ........................................... 14 รูปที่ 2.19 ความสัมพันธ์ของลักษณะใบพัดกับลักษณะของกราฟ (1.2) ........................................... 15 รูปที่ 2.20 ความสัมพันธ์ของลักษณะใบพัดกับลักษณะของกราฟ (1.3) ........................................... 15 รูปที่ 2.21 กราฟ H-Q ของ Reciprocating pump ........................................................................ 16 รูปที่ 2.22 ตัวอย่างการทางานของใบพัด ......................................................................................... 16 รูปที่ 2.23 Propeller Pitch ........................................................................................................... 17 รูปที่ 2.24 Diameter of Propeller ............................................................................................... 17 รูปที่ 2.25 3-Blade Propeller ...................................................................................................... 18 รูปที่ 2.26 ใบพัดสองใบ ................................................................................................................... 18 รูปที่ 2.27 ใบพัดสามใบขึ้นไป.......................................................................................................... 19 รูปที่ 2.28 (a) geometry of a flat-walled diffuser (b) geometry of a conical diffuser ..... 19 รูปที่ 2.29 Typical performance maps for flat-wall and conical diffusers ........................ 21 รูปที่ 2.30 The tube bundle flow straightener ....................................................................... 22 รูปที่ 2.31 The AMCA straightener ............................................................................................. 22 รูปที่ 2.32 The Étoile straightener ............................................................................................. 23 รูปที่ 2.33 Gallagher flow conditioner ...................................................................................... 23 รูปที่ 2.34 The K-Lab NOVA flow conditioner ......................................................................... 24 รูปที่ 2. 35 NEL (Spearman) flow conditioner ......................................................................... 24 รูปที่ 2.36 Zanker flow conditioner .......................................................................................... 25 รูปที่ 2.37 แผนผังการออกแบบอุโมงค์น้า........................................................................................ 27 รูปที่ 3.1 ตัวอย่างแนวคิดในช่วงเริ่มต้น……………………………………………………………………………………31 รูปที่ 3.2 แนวคิดอุปกรณ์โดยใช้ปั๊มต่อขนานกัน ............................................................................... 33 รูปที่ 3.3 แนวคิดอุปกรณ์โดยใช้ใบพัดและการบังคับการไหล........................................................... 33 รูปที่ 3.4 แสดงตัวอย่างการเปรียบเทียบระหว่างเมช หยาบกับละเอียด ........................................... 35 รูปที่ 3.5 Performance Curve ของปั๊มหอยโข่งรุ่น HS 350-300-508C ....................................... 36 รูปที่ 3.6 Boundary condition ของหัวข้อ 1 ................................................................................ 36 รูปที่ 3.7 Meshing Design ของหัวข้อ 1 ........................................................................................ 37 รูปที่ 3.8 Boundary Condition ของหัวข้อ 2 ................................................................................ 38 รูปที่ 3.9 Meshing Design ของหัวข้อ 2 ........................................................................................ 38 รูปที่ 3.10 กราฟแสดงประสิทธิภาพ ของ Thruster APISQUEEN AQ1020 .................................. 39 รูปที่ 3.11 ระยะ a , b , c............................................................................................................... 40 รูปที่ 3.12 ตัวโครงสร้างหลัก ........................................................................................................... 43 รูปที่ 3.13 เหล็กรองรับรูปตัว L ....................................................................................................... 43 รูปที่ 3.14 สลักเกลียวยึดฐาน .......................................................................................................... 44 รูปที่ 3.15 การติดตั้งโครงสร้างในสระน้า ......................................................................................... 44 รูปที่ 3.16 โครงสร้างแบบที่ 2 ......................................................................................................... 45 รูปที่ 3.17 แผ่นน้าหนัก ................................................................................................................... 45 รูปที่ 3.18 ขารับน้าหนักปรับระดับ ................................................................................................. 46 รูปที่ 3.19 แผ่นยาง ......................................................................................................................... 46 รูปที่ 3.20 โครงสร้างตัวขับดัน......................................................................................................... 47 รูปที่ 3.21 โครงสร้างตัวขับดันเมื่อติดตั้งตัวขับดัน ........................................................................... 48 รูปที่ 3.22 ขารับน้าหนักปรับระดับ ................................................................................................. 48 รูปที่ 3.23 ท่อยาวเสริมเจาะช่อง ..................................................................................................... 49 รูปที่ 3.24 โครงสร้างรองรับบนสระน้า ............................................................................................ 49 รูปที่ 3.25 มุมเจาะรูสาหรับเคลื่อนย้าย ........................................................................................... 50 รูปที่ 3.26 ตะขอมินิเครน ................................................................................................................ 50 รูปที่ 3.27 อุปกรณ์ทั้งหมดประกอบรวมกัน 2 โมดูล ....................................................................... 51 รูปที่ 3.28 แรงที่ใช้ในการจาลอง ..................................................................................................... 52 รูปที่ 3.29 สกรูที่ยึดตัวขับดันกับโครงสร้าง ...................................................................................... 52 รูปที่ 3.30 แรงที่จาลองขณะใบพัดทางาน........................................................................................ 53 รูปที่ 3.31 แรงที่ใช้ในการจาลอง ..................................................................................................... 53 รูปที่ 3.32 สัญญาณ PWM .............................................................................................................. 54 รูปที่ 3.33 Flow Diagram การควบคุมความเร็ว ตัวขับดัน ............................................................. 55 รูปที่ 4.1 กราฟแสดงโปรไฟล์ความเร็วของผลลัพธ์การทดลองที่ 1……………………………………………..56 รูปที่ 4.2 แผนที่เส้นชั้นความเร็ว ...................................................................................................... 57 รูปที่ 4.3 กราฟแสดงโปรไฟล์ความเร็วของผลลัพธ์การทดลองที่ 2................................................... 57 รูปที่ 4.4 แผนที่เส้นชั้นความเร็ว Symmetry View ........................................................................ 58 รูปที่ 4.5 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างใบพัดที่ระยะวัด 10D ............ 58 รูปที่ 4.6 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างใบพัดที่ระยะวัด 20D ............ 59 รูปที่ 4.7 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างใบพัดที่ระยะวัด 30D ............ 59 รูปที่ 4.8 กราฟเปรียบเทียบค่าความสม่าเสมอของความเร็ว (%) ระหว่างการจาลองในสามมิติ(3D) และสองมิติ (2D) ............................................................................................................................. 63 รูปที่ 4.9 กราฟผลลัพธ์การจาลองระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง (a).................. 64 รูปที่ 4.10 กราฟผลลัพธ์การจาลองระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ (b) .......................................... 65 รูปที่ 4.11 กราฟผลลัพธ์จากการจาลองระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัด (c)................................ 65 รูปที่ 4.12 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 4 x 2 โมดูล .................................................. 67 รูปที่ 4.13 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 2 x 2 โมดูล ที่ความเร็วการหมุน 2900 RPM 68 รูปที่ 4.14 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 2 x 2 โมดูล ที่ความเร็วการหมุน 2000 RPM 68 รูปที่ 4.15 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 2 x 2 โมดูล ที่ความเร็วการหมุน 1200 RPM 68 รูปที่ 4.16 ผลลัพธ์การทดสอบ ........................................................................................................ 70 รูปที่ 4.17 ผลลัพธ์ความเค้นจากการทดสอบ ................................................................................... 71 รูปที่ 4.18 ผลลัพธ์ความเค้นจากการทดสอบ ................................................................................... 71 รูปที่ 4.19 ผลลัพธ์ระยะโก่งตัวจากการทดสอบ ............................................................................... 71 บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญ การทดลองใต้น้ามีความสาคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์พฤติกรรมสัตว์น้าหรือพัฒนาและ ปรับปรุงอุปกรณ์ใต้น้า เช่น Hydrofoils เนื่องจากการทาความเข้าใจพฤติกรรมของอุปกรณ์ในสภาวะ แวดล้อมที่แท้จริงเป็นปัจจัยสาคัญที่ช่วยให้สามารถออกแบบอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพและความ น่าเชื่อถือสูง การทดลองใต้น้าช่วยให้เราสามารถศึกษาและวิเคราะห์ผลกระทบจากการไหลของน้า ความดัน และสภาวะต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้นจริงใต้น้าได้อย่างละเอียด โดยหนึ่งในเครื่องมือการทดลองที่สาคัญคือ อุโมงค์น้า (Water tunnel) การทดลองในอุโมงค์ น้าเป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายสาหรับการทดสอบอุปกรณ์ เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ ประการแรก อุโมงค์น้าช่วยให้สามารถควบคุมและวัดกระแสน้าที่ไหลผ่านอุปกรณ์ได้อย่างแม่นยา ซึ่งช่วยให้เรา สามารถประเมินประสิทธิภาพและพฤติกรรมของอุปกรณ์หรือสัตว์น้าในสภาวะต่างๆ ได้อย่างละเอียด นอกจากนี้อุโมงค์น้ายังสามารถจาลองสภาพแวดล้อมที่ใกล้เคียงกับสภาพจริงใต้น้าได้ดี ทาให้ง่ายต่อ การศึกษาและทดสอบการไหลของน้าและการสร้างกระแสน้าที่สม่าเสมอ อย่างไรก็ตามการทดลองในอุโมงค์น้าก็มีข้อจากัดอยู่คือ อุโมงค์น้าที่ใช้สาหรับการทดลองนั้นหา ได้ยาก เนื่องจากมีต้นทุนสูงในการก่อสร้างและการบารุงรักษา อีกทั้งยังมีขนาดใหญ่ ทาให้การขนย้าย และติดตั้งมีความยุ่งยาก ซึ่งในประเทศไทย อุโมงค์น้ามีจานวนน้อยมาก ส่งผลให้การเข้าถึงอุโมงค์น้า เพื่อการทดลองนั้นเป็นไปได้ยาก ซึ่งโครงงานนี้จะสามารถชดเชยข้อจากัดดัง กล่าวข้างต้น โดยโครงงานนี้จะสร้างการไหลที่ สม่าเสมอใต้น้าในพื้นที่เปิด เช่น ในสระว่ายน้า แต่เป็นอุปกรณ์ที่ไม่ยึดติดกับโครงสร้างของสระว่ายน้า อย่างถาวร ซึ่งจะสามารถถอดประกอบหรือเคลื่อนย้ายเข้าออกจากสระว่ายน้าได้ ทาให้สามารถลด ค่าใช้จ่ายและเพิ่มความสะดวกในการดาเนินการทดลองมากยิ่งขึ้น 1 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1) ออกแบบอุปกรณ์สร้างการไหลของน้าแบบสม่าเสมอ (Uniform flow) ในพื้นที่หน้าตัด สาหรั บ การทดลองที่ กาหนด โดยอุ ป กรณ์ นี้ จะต้ อ งสามารถติ ด ตั้ ง และปรั บ ขนาด พื้นที่หน้าตัดการทดลองได้สะดวกรวดเร็ว และสามารถปรับความเร็วของกระแสน้าได้ ในช่วงที่กาหนด 2) ทาการสอบทวน (Verify) เพื่อวิเคราะห์ว่าอุปกรณ์ตามที่ออกแบบข้างต้นสามารถทาการ สร้างกระแสน้าที่มีความสม่าเสมอได้จริงโดยไม่มีการสร้างต้นแบบจาลอง (Prototype) เช่น ใช้การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณ (CFD) ในการวิเคราะห์สนามการไหลของ น้า 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1) อุปกรณ์ที่ออกแบบสามารถสร้างการไหลแบบสม่าเสมอผ่านพื้นที่หน้าตัด สาหรับ การ ทดลองที่มีมิติอย่างน้อย 0.2 x 0.2 เมตร 2) สามารถสร้างความเร็วการไหลได้อย่างน้อย 3 เมตรต่อวินาที ผ่านพื้นที่หน้าตัดทดลองที่ ใหญ่กว่าหรือเท่ากับพื้นที่หน้าตัดทดลองข้างต้น 3) สามารถติดตั้งในสระว่ายน้าตามมาตรฐาน FINA ขนาด 12.5 x 25 x 2 เมตร หรือในสระ ว่ายน้าที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดที่ระบุข้างต้น 4) ไม่มีการสร้างต้นแบบจาลอง (Prototype) จริง 5) ทาการระบุรุ่นและข้อมูลจาเพาะของอุปกรณ์ส่วนประกอบ (Component) เช่น อุปกรณ์ ขับดันการไหล และอุปกรณ์ปรับปรุงการไหล ที่ต้องสามารถหาซื้อได้ตามท้องตลาด 1.4 ประโยชน์และผลที่คาดว่าจะได้รับ โครงการนี้สามารถสร้างการไหลแบบสม่าเสมอแบบที่ไม่เป็นช่องทางและสามารถปรับความเร็ว การไหลของน้าได้ จึงสามารถนามาใช้ทดเเทนอุโมงค์น้า เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายการสร้างและบารุงรักษา ที่น้อยกว่าอุโมงค์น้า รวมถึงสามารถเคลื่อยย้ายอุปกรณ์ไปติดตั้งในสระว่ายน้าได้ ซึ่งเอื้อประโยชน์ต่อผู้ ทดลองที่ต้องการทดสอบอุปกรณ์ใต้น้าหรือการทดลองสัตว์น้า 1 1.5 แผนการดาเนินงาน ตารางที่ 1.1 แผนการดาเนินงาน Item Task Description Responsible Phase 1 (proposal): Define Problem & Reseacrh 1.1 Problem statement Customer segment Identify customer needs 1.2 Literature review : Book/Paper/Patents/Internets Study&Find research about Centrifugal Pump Study&Find research about Diffuser , Flow Conditioners Study&Find research about Propeller Study&Find research about Boundary layer , Flow seperation 1.3 Product design specification Requirement Constraints Standard Phase 2 (Progress 1): Conceptual design & CFD (2D) 2.1 Concept generation Generate multiple solutions 2.2 Evaluation of concepts Evaluate concepts against requirements to keep 2 design 2.3 Mesh independence study Find Mesh parameter for use in 3D 2.4 (CFD 2D) Single pump in pipe Observe the flow behavior of water generated by the pump in pipe 2.5 (CFD 2D) Modular pump flow in pool Observe the flow behavior of water generated by modular pumps 2.6 Analyze uniformity of modular pump flow Find appropriate uniformity for next step Phase 3 (Progress 2): CFD (3D) & Choose Final Design 3.1 (CFD 3D) Find parameters related to the dimension of swimming pool Analyze the parameters and uniformity of water flow 3.2 Final design concept Sketch the final design and choose the best design 3.3 Draw the final design in SolidWorks Give dimension and Simulate weakness parts Phase 4 (Defense): Developing 4.1 Develop Final design Resolve and correct errors 4.2 Improve uniformity to meet requirements. Find ways to improve uniformity. 4.3 Recheck all errors and mistakes Recheck all errors and mistakes CS : ชิษณุพงศ์ โสภาแปง , CM : ชิษณุพงศ์ มากแก้ว WK : วชิรวิชญ์ เครือวัลย์ , PK : ปรศก คณะศิริวงค์ 2 CS CM WK PK CM / WK CS CM / WK WK CM PK PK CM PK CS WK WK CS CM WK PK/CS CM WK CM PK WK/CS July August September October November December January February 7 8 9 10 11 12 1 2 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ในบทนี้จะกล่าวถึงข้อมูลและทฤษฎีที่มีความเกี่ยวข้องกับโครงงานนี้ทั้งทางตรงและทางอ้อม เพื่อจะนาองค์ความรู้ทั้งหมดมาต่อยอดสาหรับการสร้างการไหลที่สม่าเสมอของน้า 2.1 ทฤษฎีที่เกี่ยวของกับการไหล เนื้อหาส่วนนี้จะเป็นการสืบค้นข้อมูลทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการไหลที่สาคัญต่อโครงงานนี้ ซึ่ง อาจจะนาไปใช้ในการสร้างแนวคิดการออกแบบในขั้นตอนการออกแบบตัวอุปกรณ์ 2.1.1 การไหลแบบสม่าเสมอและไม่สม่าเสมอ การไหลแบบสม่าเสมอ (Uniform Flow) หมายถึงการไหลของของไหลที่มีลักษณะความเร็ว คงที่ ไม่เปลี่ยนแปลงตามตาแหน่งตลอดแนวการไหลในแต่ละหน้าตัดที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหล กล่าวคือ ความเร็วของของไหลจะเท่ากันทุกตาแหน่งของหน้าตัด การไหลแบบไม่สม่าเสมอ (Nonuniform Flow) หมายถึงการไหลของของไหลที่มีลักษณะความเร็วไม่คงที่และเปลี่ยนแปลงตาม ตาแหน่งของหน้าตัดที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหล รูปที่ 2.1 velocity profile of Uniform Flow and Non-uniform Flow (แกน Y คือ Distance แกน X คือ Velocity) (ที่มา: https://www.slideshare.net/slideshow/ppt-unit-2-76820680/76820680#6) 3 2.1.2 Entrance Region เมื่อของไหลเคลื่อนที่เข้าสู่ท่อจะเกิด ปรากฏการณ์ของไหลที่สัมผัสกับผนังท่อจะหยุดนิ่ง ทาให้ เกิดชั้นของของไหลที่มีความเร็วลดลงเรื่อยๆ เมื่อเข้าใกล้ผนังซึ่งชั้นนี้เรียกว่า ชั้นขอบเขต (Boundary Layer) เพื่อชดเชยความเร็วที่ลดลง ความเร็วของของไหลบริเวณกลางท่อจึงต้องเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิด การเปลี่ยนแปลงของความเร็วตามแนวรัศมีของท่อ ชั้นขอบเขตจะค่อยๆ หนาขึ้นตามแนวการไหล จนกระทั่งครอบคลุมทั้งท่อและความเร็วของของไหลจะกระจายตัวเป็นรูปแบบคงที่ บริเวณตั้งแต่ปาก ทางเข้าของท่อจนถึงจุดที่ความเร็วของของไหลมีลักษณะคงที่เรียกว่า บริ เวณทางเข้า (Entrance Region) และความยาวของบริเวณนี้เรียกว่า ความยาวของบริเวณทางเข้า (Entrance Length) และ เมื่อของไหลไหลผ่านบริเวณทางเข้าไปแล้ว ลักษณะการไหลจะคงที่และไม่เปลี่ยนแปลงตามระยะทาง เรียกว่า การไหลที่พัฒนาเต็มที่ (Fully Developed Flow) รูปที่ 2.2 The development of velocity boundary layer in pipe (ที่มา: Fluid Mechanics Fundamentals and Applications Third Edition) โปรไฟล์ความเร็วในบริเวณที่การไหลพัฒนาเต็มที่นั้นมีลักษณะต่างกันขึ้นอยู่กับประเภทของ การไหล การไหลแบบลามินาร์ (Laminar Flow) ในกรณีนี้โ ปรไฟล์ความเร็ว จะมีลัก ษณะเป็ น พาราโบลาซึ่งหมายความว่าความเร็วของของไหลจะสูงสุดที่บริเวณกลางท่อและลดลงเรื่อยๆ จนถึง ศูนย์ที่ผนังท่อ การไหลแบบเทอร์บิวเลนซ์ (Turbulent Flow) โปรไฟล์ความเร็วในกรณีนี้จะมีลักษณะ แบนราบกว่า (หรือเต็มกว่า) เนื่องจากการเคลื่อนที่ของกระแสวนและการผสมที่รุนแรงในแนวรัศมีซึ่ง ทาให้ความเร็วของของไหลใกล้เคียงกันมากขึ้นในทุกส่วนของท่อ การไหลแบบเทอร์บิวเลนซ์มีลักษณะ การเคลื่อนที่ที่ไม่เรียบและมีการผสมที่เข้มข้นมากขึ้นทาให้ความเร็วของของไหลใกล้ผนังท่อไม่ลดลง เท่ากับในกรณีการไหลแบบลามินาร์ 4 รูปที่ 2.3 โปรไฟล์ความเร็ว fully laminar และ fully turbulent (ที่มา : https://eaglepubs.erau.edu/introductiontoaerospaceflightvehicles/internalflows) 2.1.3 Entrance Length Entrance length หรือ ความยาวของบริเวณทางเข้าคือระยะทางที่ของไหลต้องไหลผ่านท่อ หรือช่องทางเพื่อให้กระแสของไหลพัฒนาเต็มที่และมีลักษณะการไหลที่เสถียรการไหลในระยะนี้จะยัง ไม่เป็นการไหลที่พัฒนาเต็มที่ (Fully developed flow) และอาจมีการเปลี่ยนแปลงของโปรไฟล์ ความเร็วอยู่การไหลแบบลามินาร์จะมีความยาวบริเวณทางเข้าสูงสุดที่ Red,crit = 2300 ทาให้ได้ระยะ สูงสุดที่เป็นไปได้คือ Le = 138d ในการไหลแบบเทอร์บิวเลนซ์ชั้นขอบเขตจะโตเร็วกว่าทาให้ความยาว ของบริเวณทางเข้า หรือ Le สั้นกว่า โดยจะได้สมการที่เป็นฟังก์ชั่นของ ตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) ดังนี้ 𝐿ℎ, laminar 𝐷 ≅ 0.05𝑅𝑒 (2.1) = 1.359𝑅𝑒 1/4 (2.2) 𝐿ℎ, turbulent 𝐷 คือ ระยะความยาวของบริเวณทางเข้าของการไหลแบบลามินาร์ 𝐿ℎ, turbulent คือ ระยะความยาวของบริเวณทางเข้าของการไหลแบบเทอร์บิวเลนซ์ 𝑅𝑒 คือ ตัวเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) 𝐿ℎ, laminar 5 2.1.4 Water Tunnel รูปที่ 2.4 Water Tunnel (ที่มา: Modelling the Lift Crisis of a Cambered Plate at 0◦ Angle of Attack [11] ) อุโมงค์น้าเป็นอุปกรณ์สาคัญที่ใช้สาหรับศึกษาพฤติกรรมไฮโดรไดนามิกของวัตถุที่อยู่ใต้น้าใน กระแสน้า เนื่องจากในส่วนทดสอบของอุโมงค์น้ามีความเร็วการไหลที่คงที่และสม่าเสมอ การใช้งานใน การตรวจสอบพฤติกรรมของสัตวน์น้าและโครงสร้างต่างๆ และการวิเคราะห์กระบวนการของชั้น ขอบเขต เช่น การแยกของกระแส การเกิดการหมุนวน เป็นต้น หลักการทางานของอุโมงค์น้าคล้ายกับ อุโมงค์ลม แต่ในอุโมงค์ลมจะใช้อากาศเป็นของไหลทางานแทน ในการพิจารณาคุณสมบัติพื้นฐานของ อุโมงค์น้าจะพิจารณาดังนี้ 1) พื้นที่หน้าตัดสาหรับการทดลอง h (m) x w (m) 2) ระยะความยาวของส่วนทดลอง (Lt) 3) ความเร็วการไหลของช่วงทดลอง (เมตรต่อวินาที) 4) หมายเลขเรย์โนลด์ที่คานวณจากระยะความยาวของส่วนทดลอง (ReLt) ซึ่งตัวอย่างรายการของอุโมงค์น้า ในโลกบางส่วนที่มีหมายเลขเรย์โนลด์สูง โดยเรียงตามลาดับ หมายเลขเรย์โนลด์จากมากไปน้อย และอิงจากความยาวของส่วนทดลอง มีดังนี้ 6 ตารางที่ 1.2 รายการของอุโมงค์น้า 15 แห่งในโลก 2.2 อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง เนื้อหาในส่วนนี้เกี่ยวกับอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องและมีประโยชน์ต่อโครงงานนี้ ซึ่งอาจจะนาไปใช้ใน การคิดและสร้างแนวคิดสาหรับการออกแบบอุปกรณ์จริง 2.2.1 ปั๊ม (Pump) ปั๊ม หรือ เครื่องสูบ คือ เครื่องมือกลที่ทาหน้าที่เพิ่มพลังงานให้แก่ของเหลว เพื่อให้ของเหลวนั้น ไหลผ่านระบบท่อปิดจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่ง ซึ่งพลังงานที่นามาเพิ่มให้ของเหลวนั้นได้มาจาก มอเตอร์ เครื่องยนต์ ลม แรงคน หรือพลังงานอื่น ๆ ก็ได้ โดยปั๊มสามารถจาแนกได้หลายประเภทและ สามารถใช้เกณฑ์ในการจาแนกได้หลายวิธีซึ่งในที่นี้จาแนกโดยลักษณะการเพิ่มพลังงานให้แก่ของเหลว หรือการไหลของของเหลวในปั๊ม ได้แก่ ปั๊มเซนติฟูกอล (Centrifugal pump) ปั๊มโรตารี่ (Rotary pump) และปั๊มแบบลูกสูบชัก (Reciprocating pump) 7 2.2.1.1 ปั๊มเซนติฟูกอล (Centrifugal pump) ปั๊มเซนติฟูลกอล เพิ่มพลังงานให้ของเหลวโดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีจุดศูนย์กลาง ทางานโดยการ หมุนของใบพัด (Impeller) เมื่อใบพัดหมุนพลังงานจะถูกถ่ายเทโดยการผลักดันของครีบ ใบพัด (Vane) ต่อของเหลวที่อยู่รอบๆ ทาให้เกิดการไหลในแนวสัมผัสเส้นรอบวง เมื่อเกิดการไหลใน ลักษณะดังกล่าวจะเกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (Centrifugal force) ทาให้เกิดการไหลแนวรัศมี (Radial flow) โดยหลักชลศาสตร์ เมื่อของเหลวถูกหมุนให้เกิดแรงหนีศูนย์กลาง ความดันของของเหลวจะมีค่า มากขึ้นเมื่ออยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางใบพัดมากขึ้น เมื่อความเร็วของใบพัดในภาชนะปิดนั้นมากพอ ความดันที่จุดศูนย์กลางจะต่ากว่าความดันบรรยากาศ ดังนั้นปั๊ม เซนติฟูกอล จึงมีทางให้ของไหลไหล เข้า (Suction opening) ที่ศูนย์กลางใบพัด และไหลออกตามแนวเส้นรอบวง ดังนั้นใบพัดจึงต้องอยู่ ในเรือนปั๊ม (Casing) เพื่อรวมของเหลวและนาไปสู่ทางจ่าย (Discharge opening) รูปที่ 2.5 ปั๊มเซนติฟูลกอล (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) การรวมของเหลวที่ออกมาจากใบพัดนั้นจะเริ่มจากจุดใดจุดหนึ่งบนเส้นรอบวงใบพัดและผนังของเรือน ปั๊มจะเข้ามาชิดกับขอบใบพัดมาก จุดนั้นเรียกว่า ลิ้นของเรือนปั๊ม หรือ Cutwater ซึ่งมีไว้เพื่อบังคับทิศ ทางการไหลให้ไหลเข้าสู่ Volute และลดการเกิดการไหลหมุนวน (Recirculation) ซึ่งจะช่วยลดการ สูญเสียพลังงาน รูปที่ 2.6 Cutwater (ที่มา: https://drillingfluid.org/centrifugal-pumps/turbulent-flow-centrifugal-pump.html) 8 จากลิ้นของเรือนปั๊มไปตามทิศทางการหมุนของใบพัดจะมีของเหลวไหลออกมามากขึ้นตามความยาว เส้นรอบวง ดังนั้นขนาดของช่องทางการไหลของเรื่อนปั๊มก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้นตามไปด้วย โดยอัตรา การเพิ่มขนาดจะคงที่เพื่อให้ความเร็วการไหลสม่าเสมออย่างไรก็ตามความเร็วของการไหลจะลดลง เนื่องจากพลังงานบางส่วนถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ (Potential Energy) ในรูปของความดัน (Pressure Head) แทน ปั๊มเซนติฟูกอล นั้นสามารถแบ่งออกได้อีกหลายแบบ ได้แก่ 1) แบบหอยโข่ง (Volute Type) เป็นแบบที่ของเหลวไหลเข้ามาสู่ศูนย์กลางของใบพัดแล้วไหลออกทามุม 90 องศา กับทิศที่ไหลเข้า บางแบบมีการเพิ่มช่องทางไหลของของเหลวให้มากขึ้นเรียกว่า Double Volute เพื่อ ช่วยให้แรงกดบนเพลาของปั๊มมีความสมดุลมากขึ้น รูปที่ 2.7 Single Volute และDouble Volute จากซ้ายไปขวาตามลาดับ (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2) แบบมีครีบผันน้า (Diffuser Type) มีลักษณะเหมือนกับแบบแรกทุกประการ แต่ภายในช่องทางไหลของเหลวของเรือนปั๊มจะมีครีบ ผันน้า (Guide Vane) เพื่อช่วยให้ของเหลวที่ถูกดันออกมาค่อยๆ เบนทิศทางไปสู่ทางไหลได้ดีขึ้น ทาให้ สูญเสียพลังงานน้อยลง และทาให้การเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นพลังงานศักย์ในรูปแบบของความดัน (Pressure Head) มีประสิทธิภาพดีขึ้น 9 รูปที่ 2.8 แบบมีครีบผันน้า (ที่มา: https://www.engineersedge.com/pumps/diffuser.htm) ประเภทใบพัดของปั๊มเซนติฟูกอลสามารถแยกประเภทจากลักษณะของใบพัด จานประกบ (Shroud) ลักษณะการไหลของของไหลเข้าและออกจากใบพัด หรือวัตถุประสงค์ในการใช้งาน ได้แก่ 1) ใบพัดแบบเปิด (Open Impeller) มีแผ่นครีบบางส่วนยื่นออกมาจากจานประกบ คือรัศมี ของจานประกบจะเล็กกว่ารัศมีของครีบ รูปที่ 2.9 ใบพัดแบบเปิด (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2) ใบพัดแบบกึ่งเปิด (Semi-Open Impeller) เป็นแบบที่รัศมีของครีบและจานประกบ เท่ากัน แต่จะมีจานประกบเพียงด้านเดียว รูปที่ 2.10 ใบพัดแบบกึ่งเปิด (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 10 3) ใบพัดแบบปิด (Closed Impeller) มีลักษณะคล้ายกับแบบกึ่งเปิด แต่จะมีจานประกบปิด ทั้งสองด้าน และมีทั้งแบบทางดูดเพียงด้านเดียว (Single Suction) และแบบทางดูดสองด้าน (Double Suction) รูปที่ 2.11 ใบพัดแบบปิด (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 4) Mixed Flow เป็นแบบที่ของเหลวไหลเข้าสู่ใบพัดตามแนวขนานกับแกนใบพัดแล้วไหล ออกทามุม 45 ถึง 80 องศากับแนวการไหลเข้า รูปที่ 2.12 Mixed Flow (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2.2.1.2 ปั๊มโรตารี่ (Rotary pump) ปั๊มโรตารี่ เพิ่มพลังงานให้ของเหลวโดยการหมุนของฟันเฟืองรอบแกนกลางและทางานโดย ของเหลวถูกดูดเข้าและอัดปล่อยออกโดยการหมุนรอบจุดศูนย์กลางของโรเตอร์ (Rotor) โดยมีช่องว่าง ให้ของเหลวไหลเข้าและเก็บระหว่างผนังห้องสูบและโรเตอร์จนกว่าจะถึงด้านจ่าย การหมุนของโรเตอร์ ทาให้เกิดการแทนที่ที่เป็นการเพิ่มปริมาณของของเหลว (Positive Displacement) ให้ทางด้านจ่าย อัตราการสูบของปั๊มแบบนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการแทนที่ของเหลวของโรเตอร์ซึ่งต่ากว่าแบบอื่น แต่ จะมีประสิทธิภาพสูงเมื่อใช้กับของเหลวที่มีความหนืด (Viscosity) มาก ในช่วงที่ของเหลวที่เก็บ ระหว่างผนังห้องสูบและโรเตอร์ด้านหนึ่งถูกจ่ายสู่งทางจ่ายแล้วของเหลวจะขาดตอนไปจนกว่าจะถึง จังหวะที่ของเหลวที่เก็บระหว่างผนังห้องสูบและโรเตอร์อีกด้านมาถึงทางจ่าย ทาให้ปั๊มโรตารี่มีความ ต่อเนื่องของการไหลที่ไม่สม่าเสมอ 11 ปั๊มโรตารี่นั้นสามารถแบ่งออกได้อีกหลายแบบ ได้แก่ 1) แบบเฟือง (Gear Pump) ประกอบด้วยฟันเฟืองสองตัวหมุนขบกันในห้องสูบโดยซี่ ฟันเฟืองจะชิดกับผนังห้องสูบป้องกันของเหลวไหลย้อนกลับทางดูด รูปที่ 2.13 ปั๊มโรตารี่แบบเฟือง (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2) แบบลอน (Lobe Pump) มีลักษณะคล้ายกับแบบเฟือง แต่โรเตอร์มีลักษณะเป็นลอน มี อัตราสูบสูงกว่าแบบแรก รูปที่ 2.14 ปั๊มโรตารี่แบบลอน (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2.2.1.3 ปั๊มแบบลูกสูบชัก (Reciprocating pump) ปั๊มแบบลูกสูบชัก เพิ่มพลังงานให้แก่ของเหลวโดยการเคลื่อนที่ของลูกสูบเข้าไปอัด ของเหลวให้ไหลไปสู่ทางจ่าย เมื่อมีการอัดของเหลวไปสู่ทางจ่ายแล้วก็ต้องมีการดูดของเหลว เข้ามา ในช่วงนี้ของเหลวจะขาดตอนไปจนกว่าจะถึงจังหวะอัดในรอบต่อไปทาให้มีการไหลที่ไม่ สม่าเสมอ 12 รูปที่ 2.15 ปั๊มแบบลูกสูบชัก (ที่มา: https://blog.chesterton.com/sealing/reciprocating-pump-applications-andbenefits/) ปั๊มแบบลูกสูบชักนั้นสามารถแบ่งออกได้อีกหลายแบบ ได้แก่ 1) แบบขับดันโดยตรง (Direct-acting) เป็นแบบที่การทางานคล้ายกระบอกสูบเครื่องยนต์ คือเมื่อมีการอัดของเหลวไปสู่ทางจ่ายแล้วก็จะต้องมีการดูดของเหลวที่ต้องการสูบเข้ามาแทนที่ เนื่องจากปั๊มแบบลูกสูบชักมีอัตราการไหลไม่สม่าเสมอ จึงได้มีการดัดแปลงให้มีอัตราการไหลที่ส่า เสมอขึ้นโดยเพิ่มความยาวของกระบอกสูบ จังหวะอัดของปลายกระบอกสูบด้านหนึ่งก็จะเป็น จังหวะ อัดของปลายอีกด้านหนึ่ง ปั๊มลักษณะนี้เรียกว่าแบบอัดสองจังหวะ (Double-acting) รูปที่ 2.16 ปั๊มลูกสูบชักแบบขับดันโดยตรง (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2) แบบไดอาเฟรม (Diaphragm pump) เป็นแบบที่กระบอกสูบได้ดัดแปลงไปเป็นอโลหะที่มี ความยืดหยุ่น โดยมีชิ้นส่วนมาดันและดึงทาให้เกิดจังหวะอัดและดูดสั้น ๆ ปั๊มแบบนี้เหมาะสาหรับใช้ งานที่อัตราสูบน้อยเท่านั้น 13 รูปที่ 2.17 ปั๊มลูกสูบชักแบบไดอาเฟรม (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2.2.1.4 กราฟความสัมพันธ์อัตราสูบกับเฮดของปั๊ม กราฟ H-Q หรือ H-Q Curve (Head Capacity Curve) คือ กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง อัตราสูบ (Q) กับเฮด หรือระยะทางทีปั๊มสามารถส่งของเหลวไปได้ (H) ที่ปั๊มทาได้ ตั้งแต่อัตราสูบเป็น ศูนย์ถึงอัตราสูบสูงสุด มีไว้เพื่อให้ทราบถึงความสามรถของปั๊มในด้านต่างๆ ว่าปั๊มนั้นๆ มีจุดเด่นใน ด้านไหนหรือจุดด้อยในด้านไหน ซึ่งทาให้ผู้ใช้งานเลือกประเภทปั๊มให้เหมาะกับความต้องการและใช้ ช่วยในการวิเคราะห์ปัญหาของปั๊มเมื่อปั๊มมีความเสียหาย โดยกราฟ H-Q ของปั๊มแต่ละประเภท มี ดังนี้ 1) กราฟ H-Q ของปั๊มเซนติฟูกอล ลักษณะของกราฟ H-Q ของปั๊มเซนติฟูกอลขึ้นอยู่ กับรูปร่างของใบพัด เช่น ความกว้างระหว่างจานประกบ ความโค้งและจานวนครีบใบพัด ดังนี้ 1.1) เมื่อความกว้างระหว่างจานประกบมากกราฟจะแบนราบและอัตราสูบสูงกว่า รูปที่ 2.18 ความสัมพันธ์ของลักษณะใบพัดกับลักษณะของกราฟ (1.1) (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 14 1.2) ครีบใบพัดที่วางในแนววิ่งออกจากศูนย์กลางนั้นกราฟจะมีลักษณะแบนราบมากกว่า ครีบใบพัดแบบวางในแนวสัมผัสกับช่องเปิดที่ศูนย์กลาง รูปที่ 2.19 ความสัมพันธ์ของลักษณะใบพัดกับลักษณะของกราฟ (1.2) (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 1.3) ใบพัดที่มีจานวนครีบมากจะทาให้กราฟแบนราบกว่าแบบที่ใบพัดมีจานวนครีบน้อย รูปที่ 2.20 ความสัมพันธ์ของลักษณะใบพัดกับลักษณะของกราฟ (1.3) (ที่มา: รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ [Online] [5]) 2) กราฟ H-Q ของปั๊มลูกสูบชัก คือ กราฟแสดง H-Q ของปั๊มลูกสูบชักโดยแกน นอน คือ อัตราสูบ (Q) และแกนตั้ง คือ เฮด (H) 15 รูปที่ 2.21 กราฟ H-Q ของปั๊มแบบลูกสูบชัก (ที่มา: https://www.pumpsandsystems.com/reciprocating-pumps-vs-multi-stagecentrifugal-pumps) 2.2.2 ใบพัดสาหรับใช้งานในน้า ใบพัดสาหรับใช้งานในน้า (Water Propeller) เป็นอุปกรณ์สาคัญอย่างมากในการขับเคลื่อน เรือให้สามารถเคลื่อนที่ได้ โดยการเปลี่ยนแรงบิดจากเครื่องยนต์ไปเป็นแรงผลักดันผ่านการหมุนของ ใบพัด ซึ่งผลักน้าออกไปด้านหลังและทาให้เรือเคลื่อนที่ไปทิศทางตรงกันข้าม 2.2.2.1 หลักการทางานของใบพัด แรงบิดจากเครื่องยนต์จะขับเคลื่อนเพลาใบพัดให้หมุน ส่งผลให้ใบพัดตัดผ่านน้า เมื่อใบพัดหมุน ผลักน้าไปด้านหลัง เรือจะได้รับแรงปฏิกิริยาผลักดันในทิศทางตรงกันข้ามให้เรือเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ด้วยแรงที่เท่ากัน ตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อที่ 3 z รูปที่ 2.22 ตัวอย่างการทางานของใบพัด (ที่มา: https://www.powerboating.com/propellers/) 16 2.2.2.2 ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของใบพัด 1) ระยะพิชต์ (Pitch) ของใบพัด (Water Propeller Pitch) หมายถึง ระยะทางที่ใบพัดจะ เคลื่อนที่ไปข้างหน้าในหนึ่งรอบการหมุน ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ในหน่วยนิ้ว หากระยะพิชต์มาก ใบพัดจะ สามารถผลักน้าได้ปริมาณมาก ทาให้เรือมีความเร็วสูง แต่ก็อาจทาให้เกิดการสั่นสะเทือนได้มากขึ้น ในทางกลับกัน หากระยะพิชต์น้อย แรงขับก็จะน้อยลงตาม แต่เรือจะมีความเสถียรมากขึ้น รูปที่ 2.23 ระยะพิชต์ของใบพัด (ที่มา: https://uk.boats.com/how-to/propeller-pitch-need-know/) 2) เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด (Diameter) หมายถึง เส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมที่สมมติ ขึ้นมาของใบพัดในขณะหมุน โดยสามารถนับรัศมีของปลายใบพัดส่วนที่สูงที่สุดเข้าสู่จุดศูนย์กลางแล้ว คิดเป็น 2 เท่าเพื่อคานวณ ยิ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางมาก น้าจะยิ่งเคลื่อนที่ได้มากตาม แต่จะต้องใช้ แรงบิดที่มากขึ้นตามไปด้วย รูปที่ 2.24 เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด (ที่มา: https://www.safe-skipper.com/how-a-propeller-works/) 17 3) จานวนใบพัด (Number of Blades) ใบพัดแบบใบเดี่ยวเป็นชนิดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด แต่มีข้อเสียอย่างมากคือการหมุนที่ไม่สมดุลทาให้เกิดการสั่นสะเทือนและมีเสียงรบกวนอย่างมาก จึง จาเป็นต้องเพิ่มจานวนใบพัดเพื่อเพิ่มความสมดุลด้านการหมุนและลดเสียงที่เกิดขึ้น ซึ่งนิยมใช้ที่ 3 ใบพัดเพื่อความสมดุลด้านประสิทธิภาพและการสั่นสะเทือน และหากมีจานวนใบพัดมากขึ้น จะส่งผล ให้เสียงเบาลง แต่ประสิทธิภาพลดลงตามไปด้วย รูปที่ 2.25 ใบพัดสามใบ (ที่มา: https://budgetmarine.com/catalog/engines-outboards/running-gear/shaftspropellers/propeller-3bld-o16-p-9-rh-brz-f-shaft30mm/) จานวนของใบพัดนั้นมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการขับเคลื่อน การสั่นสะเทือน และเสียง รบกวนที่เกิ ด ขึ้น จากการใช้ งาน ดังนั้นการเลื อ กใช้ จานวนใบพั ด รวมถึงขนาดที่เ หมาะสมจึ ง มี ความสาคัญอย่างยิ่งเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพตรงตามกับการใช้งาน โดยสามารถจาแนกได้ดังนี้ 3.1) ใบพัดสองใบ (2-Blade Propeller) เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในเรือทั่วไป แต่ให้ประสิทธิภาพที่ต่ากว่าใบพัด 3 ใบขึ้นไป เนื่องจากจานวนใบพัดที่น้อยจะทาให้เกิดแรงดันน้า ที่ มาก ส่งผลให้ต้องใช้กาลังเครื่องยนต์มากกว่าในการขับเคลื่อน รูปที่ 2.26 ใบพัดสองใบ (ที่มา : https://www.atmbmarine.com/en/) 18 3.2) ใบพัดสามใบขึ้นไป (3-Blade Propeller or more) มักใช้กับเรือขนาดใหญ่และเรือ ความเร็วสูง ช่วยลดการสั่นสะเทือนของใบพัดและมีแรงขับเคลื่อนที่สม่าเสมอมากกว่าแบบ 2 ใบ ซึง่ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการขับเคลื่อนของเรือมากยิ่งขึ้น แต่ค่าบารุงรักษาก็จะสูงขึ้นตาม รูปที่ 2.27 ใบพัดสามใบขึ้นไป (ที่มา : https://cuttingedgepropellers.com/ ) 2.2.3 ท่อกระจาย รูปที่ 2.28 (a) geometry of a flat-walled diffuser (b) geometry of a conical diffuser (ที่มา: Frank M. White, Fluid Mechanics [2]) ท่อกระจาย (Diffuser) เป็นอุปกรณ์ที่ขยายพื้นที่จากท่อเล็กไปท่อใหญ่ ทาให้ของไหลมี ความเร็วลดลงและความดันเพิ่มขึ้น อุปกรณ์นี้มีประโยชน์ในการลดความดันสูญเสีย (Pressure drop) ของของไหลเนื่องจากลักษณะของท่อหรือระยะของท่อ โดยที่การออกแบบนั้นจะมีหลายปัจจัยที่ส่งผล ต่อการไหล เช่น มุม ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง จากสมการเบอร์นูลลี โดยที่ให้ การสูญเสียพลังงาน (Losses) และ ผลกระทบจากแรงโน้มท่วง (Gravity effect) ไม่มีนัยสาคัญ และสมมติให้ของไหลหยุดนิ่ง (V=0) 1 𝑝 + 𝜌𝑉 2 = 𝑝0 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 2 𝑝0 หมายถึง ความดันสถิต (Stagnation pressure) Pa 19 (2.3) 𝑉 หมายถึง ความเร็ว (Velocity) เมตรต่อวินาที 𝐶𝑝 = 𝑝𝑒 −𝑝𝑡 (2.4) 𝑃0𝑡−𝑃𝑡 𝐶𝑝 หมายถึง สัมประสิทธิ์การรักษาความดัน (Pressure-recovery coefficient) 𝑒 หมายถึง ทางออก (Exit) 𝑡 หมายถึง ทางเข้า (Inlet) ประยุกต์จาก สมการ (2.3) โดยที่ ส่วนที่ 1 คือทางเข้าและส่วนที่ 2 คือ ทางออก 1 1 2 2 𝑝01 = 𝑝1 + 𝜌𝑉12 = 𝑝2 + 𝜌𝑉22 = 𝑝02 𝑉 หรือ 𝐶𝑝, frictionless = 1 − ( 2) 2 𝑉1 (2.5) (2.6) จากสมการอัตราการไหลจะได้ 𝑄 = 𝑉1 𝐴1 = 𝑉2 𝐴2 𝑄 (2.7) คือ อัตราการไหล (Flow rate) m3/s 𝐴 คือ พื้นที่ (Area) m2 ดังนั้นสามารถเขียน สมการประสิทธิภาพในเทอมของ อัตราส่วนพื้นที่ (Area ratio) ได้ดังนี้ 𝐶𝑝, frictionless = 1 − (𝐴𝑅)−2 (2.8) AR หมายถึง อัตราส่วนของพื้นที่ (Area ratio) โดย AR = A2/A1 หรือ (De/D)2 จากสมการที่กล่าวมาข้างต้น สามารถนามาประยุกต์และสร้างเป็นชาร์ทเชื่อมโยงกันได้ดังตัวอย่างนี้ 20 รูปที่ 2.29 Typical performance maps for flat-wall and conical diffusers (ที่มา: Frank M. White, Fluid Mechanics [2]) 2.2.4 อุปกรณ์ปรับปรุงการไหล อุปกรณ์ปรับปรุงการไหล (Flow conditioner) มีความสามารถในการช่วยทาให้ระยะพัฒนา โปรไฟล์ความเร็วที่สมบูรณ์ สั้นลง ซึ่งช่วยให้การไหลเข้าสู่สถานะที่สม่าเสมอและเป็นระเบียบได้เร็วขึ้น อีกทั้งยังช่วยลดการหมุนวน (Swirl) โดยการเลือกชนิดอุปกรณ์ปรับปรุงการไหลขึ้นอยู่กับพฤติกรรม ของการไหลที่ไม่สม่าเสมอ การหมุนวนที่ต้องปรับปรุง อุปกรณ์ปรุงการไหลมีหลายลักษณะ เช่น แผ่นบางที่มีรู ท่อที่วางในแนวเดียวกับการไหล รู ลักษณะรูปสี่เหลี่ยม วงกลม หรือหกเหลี่ยม โดยจุดประสงค์ของรูที่มีรูปร่างต่างกัน คือ เพื่อลดการ หมุนวนและทาให้ความเร็วของการไหลเป็นระเบียบมากที่สุด การลดการหมุนวนและสร้างการไหลที่ สม่าเสมอเป็นปัจจัยหลักในการใช้เครื่องปรับปรุงการไหล โดยมีข้อกาหนดสาหรับสภาวะการไหลของ มาตราฐาน ISO 5167-1 1) การไหลปราศจากการหมุนวน เมื่อมุมการหมุนวนที่ทุกจุดบนหน้าตัดท่อมีค่าน้อยกว่า 2 องศา 2) โปรไฟล์ความเร็ว อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ จากอัตราส่วนระหว่างความเร็ว ตามแกนที่ ตาแหน่งใดๆกับความเร็วตามแกนสูงสุดบนหน้าตัด โดยมีค่าแตกต่างกันไม่เกิน 5% 21 2.2.4.1) ชนิดของอุปกรณ์ปรับปรุงการไหลตามมาตรฐาน ISO 5167-1 สามารถแบ่ง ได้เป็น 1) The tube bundle flow straightener อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยชุดท่อ ประกอบกันและยึดติดกันอย่างแน่นหนาในท่อ โดยควรมีท่อไม่น้อยกว่า 19 ท่อ และความหนาของท่อ ควรมากกว่าหรือเท่ากับ 10 เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ รูปที่ 2.30 The tube bundle flow straightener (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 2) The AMCA straightener อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยรังผึ้งที่มีลักษณะตา ข่ายสี่เหลี่ยม โดยมีความยาวในแต่ละด้านของแต่ละช่องเท่ากับ 0.075 เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อและ มีความหนา 0.45 เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ รูปที่ 2.31 The AMCA straightener (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 22 3) The Étoile straightener อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยแผ่นสี่แผ่นเว้นระยะ กั้นแบ่งเป็น แปดส่ว น โดยมีระยะห่างเชิงมุมเท่ากัน และมี ความหนาเท่ากับสองเท่าของเส้นผ่าน ศูนย์กลางท่อ รูปที่ 2.32 The Étoile straightener (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 4) The Gallagher flow conditioner อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยตัวต่อต้าน การหมุนวนและตัวปรับโปรไฟล์การไหล รูปที่ 2.33 Gallagher flow conditioner (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 23 5) NOVA's design of K-Lab perforated plate flow conditioner อุปกรณ์ปรับปรุงการ ไหลนี้ประกอบด้วยแผ่นที่มีรูเจาะ 25 รู โดยแบ่งเป็น 1 รูตรงกลางรอบล้อมด้วย 8 รูชั้นกลางและ 16 รูชั้นนอก รูปที่ 2.34 The K-Lab NOVA flow conditioner (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 6) The NEL (Spearman) flow conditioner อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้เป็นลักษณะ วงกลมซ้อมกัน 3 วงในแต่ละวงจะมีระยะห่างเท่ากัน โดยขนาดของรูเจาะจะใหญ่ขึ้นเมื่อใกล้ขอบและ จะมีความหนาเท่ากับ 0.12 ของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ รูปที่ 2. 35 NEL (Spearman) flow conditioner (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 24 7) Zanker flow conditioner อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยแผ่นเจาะรูที่มีรูขนาด เฉพาะตามโดยด้วยช่องจะมีหนึ่งรู แต่ละช่องที่เกิดจากจุดตัดของแผ่น รูปที่ 2.36 Zanker flow conditioner (ที่มา: ISO 5167-1 [6]) 2.2.4.2) ชนิดของอุปกรณ์ปรับปรุงการไหลชนิดอื่นๆ สามารถแบ่ง ได้เป็น 1) Mitsubishi flow conditioner อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยแผ่นที่มีรูเจาะ 35 รู โดยจัดเรียงเป็นลักษณะรังผึ้งและมีความหนา 0.13 ของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 2) Laws flow conditioner อุปกรณ์ปรับปรุงการไหลนี้ประกอบด้วยแผ่นที่มีรูเจาะ 19:31 รู โดยแบ่งเป็น 1 รูตรงกลางล้อมรอบด้วย 6:9 รูชั้นกลางและ 12:21 รูชั้นนอก และมีความหนา 0.123 ของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 2.3 ทบทวนวรรณกรรม (Literature review) หัวข้อนี้จะกล่าวถึงงานวิทยานิพนธ์หรือ วิจัยที่เ ป็นประโยชน์ต่อการศึกษาอุปกรณ์ต่างๆใน โครงงานนี้ 25 2.3.1 Design of a recirculating water tunnel for the study of high-Reynolds number turbulent boundary layers [3] งานวิจัย นี้ เกี่ย วกับ การออกแบบและผลิตอุ โ มงค์น้าหมุนเวียนที่มี จานวนเรย์โ นลด์สูง ซึ่ง ข้อกาหนดของงานวิจัยมีดังนี้ 1) บรรลุค่าจานวนเรย์โนลด์ที่อิงจากความหนาของโมเมนตัมให้สูงกว่า 10,000 2) ทาให้อุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจวัดหรือสังเกตการไหลของน้าภายในอุโมงค์ สามารถมองเห็นหรือบันทึกภาพการไหลของน้าได้ชัดเจนและครอบคลุมที่สุด 3) ลดความไม่สม่าเสมอ ของการไหล โดยเนื้อหาที่ผู้ออกแบบสนใจนั้นคือ ท่อกระจาย โดยจุดประสงค์ของการติดตั้งในรายงาน นี้คือ ต้องการลดการสูญเสียความดันในระบบ ซึง่ ในรายงานนี้ผู้วิจัยได้ทาการติดตั้งใน 3 จุดของอุโมงค์ น้า จุดแรกคือหลังจากพื้นที่ทดสอง จุดที่สองคือก่อนเข้าปั๊ม จุดที่สามคือทางออกของปั๊ม และผู้วิจัยได้ กล่าวว่า หากมุมแบ่งครึ่งของท่อกระจายมีค่ามากเกินไปจะทาให้มีความเสี่ยงที่จะเกิดการแยกชั้นของ การไหล ดังนั้นจึงต้องมีการคานวณเพื่อหามุมที่เหมาะสม โดยสมการการคานวณมุมของ ท่อกระจาย มีดังนี้ 𝐷 −2𝑟eq 𝜙 = 𝑡𝑎𝑛−1 ⁡ ( out 𝑟𝑒𝑞 = 2𝐿𝐷 𝑎 √𝜋 ) (2.9) (2.10) คือ มุมแบ่งครึ่ง (Half angle) องศา 𝐷out คือ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ทางออกของท่อกระจาย (Pipe diameter at the diffuser outlet) เมตร 𝑟𝑒𝑞 คือ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพที่ช่องเข้าสี่เหลี่ยม (Effective diameter at the square diffuser inlet) เมตร 𝐿𝐷 คือ ความยาวของท่อกระจาย (Diffuser length) เมตร 𝑎 คือ ความยาวของด้านหนึ่งของหน้าตัดสี่เหลี่ยมจัตุรัส (Length of one side of square cross section) เมตร 𝜙 26 รูปที่ 2.37 แผนผังการออกแบบอุโมงค์น้า (ที่มา: Design of a recirculating water tunnel for the study of high-Reynolds number turbulent boundary layers) 2.3.2 A review of fish swimming mechanics and behavior in altered flows [4] งานวิจัยเกี่ยวกับผลกระทบของกระแสน้าที่มีต่อพฤติกรรมของปลา โดยเฉพาะกระแสน้าที่ ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งมักเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ การศึกษาพบว่า กระแสน้าประเภทนี้มีผลต่อการว่ายน้าของปลาอย่างมาก โดยอาจส่งผลทั้งในแง่บวกและแง่ลบ ขึ้นอยู่ กับลักษณะของกระแสน้า โดยจุดสาคัญของงานวิจัยนี้ที่ผู้ออกแบบสนใจคือ พฤติกรรมของปลาเมื่อ เจอกับการไหลที่สม่าเสมอและไม่สม่าเสมอ โดยส่วนหนึ่งของงานวิจัยนี้กล่าวว่า เมื่อปลาเทราท์ที่เจอ กระแสน้าวน ปลาจะไม่ได้ใช้คลื่น การทางานของกล้ามเนื้อที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าเพื่อสร้างการ เคลื่อนไหวที่เหมือนในการว่ายน้าในกระแสน้าที่สม่าเสมอ แต่ใช้พลังงานจากกระแสน้าวนที่เกิดจาก เพื่อสร้างแรงผลัก อีกทั้งความไม่สม่าเสมอของการไหลทาให้เป็นข้อจากัดการศึกษาในบางอย่างอีก ด้ว ย อาทิเช่น ความถี่ในการเคลื่อนไหวหาง (Tail-beat frequency), การลื่นไถล (Slip) และ หมายเลขสตรูฮาล (Strouhal number) ใช้เพื่อประเมินประสิทธิภาพการว่ายน้าโดยใช้แรงผลัก มาตร วัดเหล่านี้อาจไม่เหมาะสาหรับกระแสน้าที่ไม่สม่าเสมอ เพราะในสถานการณ์เหล่านี้ การเคลื่อนไหว ของปลาอาจไม่เป็นไปตามรูปแบบที่สม่าเสมอ. 2.3.3 Flow conditioners efficiency a comparison based on numerical approach [7] งานวิจัยเกี่ยวกับ การทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ปรับปรุงการไหล 3 ชนิดได้แก่ The tube bundle, The Étoile และ Laws ได้กาหนดเป็นน้าในสภาวะมาตรฐาน มีความหนาแน่นเท่ากับ 27 1000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ความหนืดเท่ากับ 1×10-3 ปาสคัล·วินาที และเลขเรย์โนลด์เท่ากับ 1×105 โดยการทดลองสนใจในด้านต่างๆ ดังนี้ 1) ความเรียบของโปรไฟล์ความเร็วที่เกิดจากระหว่างฟลักซ์โมเมนตัมที่ไม่มีหน่วยกับฟลักซ์ โมเมนตัมที่พัฒนาเต็ม ในแกนโมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุมเปรียบเทียบกับระยะทางต่อเส้นผ่าน ศูนย์กลางท่อ คือ ในแกนโมเมนตัม The Étoile จะมีประสิทธิภาพมากที่สุด และในแกนโมเมนตัม เชิงมุม Laws จะมีประสิทธิภาพมากที่สุด ส่วนประสิทธิภาพของอุปกรณ์ปรับปรุงสภาพการไหลจะมี ระยะความยาวของบริเวณทางเข้าประมาณ 10-20 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง 2) มุมการหมุนวนเฉลี่ยกับระยะทางต่อเส้นผ่านศูนย์กลางท่อและจานวนการหมุนวนกับ ระยะทางต่อเส้นผ่านศูนย์กลางท่อลดลงอย่างรวดเร็วในทั้ง 3 ชนิด มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันอยู่ที่ใน 4 เท่าของการไม่ใช้อุปกรณ์ปรับปรุงสภาพการไหล 3) ความไม่สมมาตรของโปรไฟล์ความเร็วเปรียบเทียบกับระยะทางต่อเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ ของทั้ง 3 ชนิดจะมากกว่า 25 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง โดย The tube bundle ประสิทธิภาพมาก ที่สุด และ Laws ประสิทธิภาพน้อยที่สุด การทดลองนี้สรุปได้ว่า The Étoile มีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์ปรับปรุงสภาพการไหล อื่นๆ เนื่องจากมีลักษณะการหมุนวนที่น้อย แต่ความเรียบของโปรไฟล์ความเร็วและความไม่สมมาตร ของโปรไฟล์ความเร็วไม่สูงมาก ส่วนของ The tube bundle มีความไม่สมมาตรของโปรไฟล์ความเร็ว ที่น้อย แต่มีการรบกวนโปรไฟล์ความเร็วตามแกนที่มีขนาดใหญ่ และ Laws มีประสิทธิภาพความไม่ สมมาตรของโปรไฟล์ความเร็วที่น้อยที่สุด 28 บทที่ 3 ขั้นตอนการออกแบบ อุปกรณ์สร้างการไหลแบบสม่าเสมอถูกออกแบบให้ใช้งานได้ภายในขอบเขตที่กาหนดเพื่ อ ตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ งาน โดยสามารถชดเชยข้อจากัดของอุโมงค์น้าได้ทั้งในด้านต้นทุน ขนาด และความสะดวกในการใช้งาน ขั้นตอนการออกแบบอุปกรณ์เริ่มจากการพิจารณาวิธีการและรูปแบบที่เป็นไปได้ และสร้าง แนวคิดให้มีความหลากหลายภายใต้ข้อกาหนดของโครงงาน จากนั้นคัดเลือกแนวคิดที่เหมาะสมเพื่อ นาไปคานวณในขั้นตอนถัดไป ในการคานวณ ใช้โปรแกรม ANSYS จาลองการไหล โดยกาหนดและควบคุมตัวแปรต่างๆ เพื่อ วิเคราะห์ว่าผลลัพธ์จากการทดลองแต่ละครั้งส่งผลต่อการสร้างการไหลแบบสม่าเสมออย่างไร ผลลัพธ์ จะถูกวิเคราะห์ในรูปแบบต่างๆ เช่น แผนที่เส้นชั้นความเร็ว (Velocity Contour) และ โปรไฟล์ ความเร็ว (Velocity Profile) เป็นต้น 3.1 ข้อจากัด, มาตรฐาน, ข้อกาหนด ในหัวข้อนี้กล่าวถึงข้อจากัด มาตรฐาน และข้อกาหนดสาหรับโครงงานนี้ ซึง่ ข้อจากัดจะเป็นการ ระบุเงื่อนไขหรือข้อจากัดที่อาจส่งผลต่อการดาเนินงานของโครงการ มาตรฐานจะเป็นแนวทางที่ กาหนดคุณภาพและคุณสมบัติ ของโครงงาน และข้อกาหนดจะเป็นการกาหนดเงื่อนไขที่ต้องปฏิบัติ ตามในด้านต่างๆ 3.1.1 ข้อจากัด (Constraint) 1) ข้อจากัดด้านงบประมาณ: ราคาประเมินของอุปกรณ์ต้นแบบไม่เกิน 600,000 บาท 2) ข้อจากัดด้านโปรแกรมที่ใช้ในการจาลอง : การจาลองด้วย ANSYS Student License มี ข้อจากัดในจานวนเซลล์ที่สามารถใช้ได้สูงสุดประมาณ 512,000 เซลล์ ซึ่งอาจทาให้การ จาลองที่ต้องการความละเอียดสูงนั้นไม่สามารถทาได้ 3.1.2 มาตรฐาน (Standard) 1) อุปกรณ์จะต้องสร้างจากวัสดุที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อนและสามารถรองรับแรงดันน้า ได้ เช่น Stainless 304 Stainless 316 29 2) อุป กรณ์สามารถติดตั้งกับ อุปกรณ์สาหรับการวัดและวิเคราะห์การไหลได้ เช่น Laser Doppler Velocimetry (LDV), Particle Image Velocimetry (PIV) 3.1.3 ข้อกาหนด (Requirements) 1) ข้อกาหนดด้านประสิทธิภาพและคุณสมบัติการติดตั้ง 1.1) สามารถสร้างการไหลแบบสม่าเสมอผ่านพื้นที่หน้าตัดได้อย่างน้อย 0.2 x 0.2 เมตร 1.2) สามารถสร้างความเร็วการไหลได้อย่างน้อย 3 เมตรต่อวินาที ผ่านพื้นที่หน้าตัด ทดลองทีใ่ หญ่กว่าหรือเท่ากับพื้นที่หน้าตัดทดลองข้างต้น 1.3) สามารถติดตั้งในสระว่ายน้าตามมาตรฐาน FINA ขนาด 12.5 x 25 x 2 เมตร หรือในสระว่ายน้าที่มีขนาดใหญ่กว่าขนาดที่ระบุข้างต้น 2) ข้อกาหนดด้านการออกแบบโมดูลาร์ 2.1) สามารถเพิ่มหรือขยายพื้นที่หน้าตัดทดลองได้โดยการเพิ่มโมดูลเพิ่มเติม 2.2) สามารถรักษาความสม่าเสมอของการไหลหลังขยายพื้นที่หน้าตัดทดลองได้ 2.3) ความเร็วการไหลหลังขยายพื้นที่หน้าตัดทดลองยังคงอยู่ในระดับขั้นต่าที่กาหนด 3) ข้อกาหนดด้านความแม่นยา 3.1) ความสม่าเสมอของการไหลในพื้นที่หน้าตัดทดลองจะต้องมีค่าคลาดเคลื่อนไม่ เกิน 5% โดยการคานวณจะใช้ความเร็วการไหลที่วัดได้จากหลายจุดในหน้าตัด และนาค่าที่ได้มาเฉลี่ยเพื่อตรวจสอบค่าคลาดเคลื่อน 3.2 การสร้างและประเมินแนวคิดขั้นแรก หัวข้อนี้กล่าวถึงการสร้างและพัฒนาแนวคิดสาหรับอุปกรณ์ในโครงงาน โดยเนื้อหาหลัก จะเน้น ทีว่ิธีการและแนวทางในการสร้างแนวคิด จากนั้นนาแนวคิดเหล่านั้นมาประเมิน โดยระบุถึงวิธีการหรือ หลักการที่ใช้ในการประเมิน จุดประสงค์ของหัวข้อนี้คือการคัดเลือกแนวคิด 2 แนวคิดที่เหมาะสมที่สุด หลังการประเมิน เพื่อนาไปพัฒนาและต่อยอดในขั้นตอนถัดไป ทั้งนี้แนวคิดการออกแบบอาจมีการ เปลี่ยนแปลงหลังจากการจาลองการไหลของของไหลในรูปแบบสองมิติหรือสามมิติ 3.2.1 การสร้างแนวคิดขั้นแรก ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการสร้างแนวคิดการออกแบบ โดยมีเป้าหมายเพื่อพัฒนาแนวคิดที่ เป็นไปได้ให้มีความสร้างสรรค์และหลากหลายสูงสุด เพื่อนาไปคัดเลือกและพัฒนาต่อยอดในอนาคต 30 แนวทางการสร้างแนวคิดจะไม่จากัดกรอบในด้านอุปกรณ์ที่ใช้หรือวิธีการปรับปรุงการไหล แต่จะ อ้างอิงจากการศึกษาลักษณะการไหลของอุปกรณ์ต่างๆ จากนั้นประเมินและวิเคราะห์ความเป็นไปได้ ในการสร้างการไหลที่ส ม่าเสมอ โดยแต่ละแนวคิดสามารถผสานอุปกรณ์ต่างๆ เข้าด้วยกัน หรือ ปรับปรุงการไหลด้วยแนวคิดอื่นๆ ได้ รูปที่ 3.1 ตัวอย่างแนวคิดในช่วงเริ่มต้น 3.2.2 การประเมินแนวคิด การปรับปรุงแนวคิดจะใช้วิธีการลงคะแนนจากความคิดเห็นของแต่ละบุคคล เพื่อคัดเลือก แนวคิดที่มีการเห็นพ้องต้องกันสาหรับการพัฒนาและปรับปรุงต่อไป โดยการคัดเลือกจะยึดเกณฑ์ที่ กาหนดจากข้อกาหนดและข้อจากัดของโครงงานนี้ โดยให้ความสาคัญสูงสุดกับโอกาสในการสร้างการ ไหลแบบสม่าเสมอ เนื่องจากความคลาดเคลื่อนจากการทดสอบเมื่อเทียบกับอุโมงค์น้าต้องไม่เกิน 5% รองลงมาเป็นราคาของอุปกรณ์และความสามารถในการต่อแบบโมดูลาร์ เนื่องจากอุปกรณ์ต้องชดเชย ข้อจากัดของอุโมงค์น้าตามขอบเขตที่กาหนดไว้ ตามด้วยเกณฑ์ย่อยอื่นๆ ตามลาดับความสาคัญ จากนั้นจะนาจุ ดเด่นของแต่ละแนวคิดมารวบรวม เพื่อประเมินความเป็นไปได้ในการสร้างการไหล แบบสม่าเสมออย่างเหมาะสมที่สุดผ่านอุปกรณ์ที่คัดเลือก 31 ตารางที่ 3.1 เกณฑ์การให้คะแนนคัดเลือกแนวคิด โอกาสเกิด uniform flow 25 สร้างพื้ น ที่ หน้าตั ด ได้ ตามที่ กาหนด 15 ราคาก่อ สร้างจริ ง 20 สามารนาไปต่ อ แบบ modular ได้ 20 ขนาดตั วเครื่ อ งที่ ล งไปในสระ 5 ความยาก-ง่ายในการติ ด ตั้ ง 10 ความยากในการเอามา simulation 5 รวม 100 ตารางที่ 3.2 ตัวอย่างแบบฟอร์มการให้คะแนนของรายบุคคล idea uniform area price modular size p1 5 6 7 5 4 6 p2 6 5 6 6 4 p3 7 6 5 5 p4 6 7 5 p5 7 8 t1 5 t2 installation simulation sum Rank 7 570 14 6 8 585 10 5 5 7 575 13 8 7 7 6 650 3 4 3 6 4 3 520 16 6 6 6 5 7 7 585 10 6 7 5 7 5 5 6 600 7 t3 7 7 5 5 5 6 6 595 8 t4 5 6 6 5 6 7 7 570 14 t5 6 7 7 5 6 8 5 630 4 n1 6 7 6 6 7 6 6 620 6 n2 6 8 6 6 6 6 6 630 4 n3 7 7 7 8 8 6 7 715 1 pt1 7 7 6 7 4 7 6 660 2 pt2 6 5 6 6 6 7 6 595 8 pt3 6 5 6 6 6 6 6 585 10 จากการคัดเลือกแนวคิดด้วยวิธีให้คะแนน จะเหลือแนวคิดที่มีคะแนนสูงที่สุด 2 ลาดับแรก โดย จะเลือกวิเคราะห์จากความแตกต่างกันทางด้านอุปกรณ์ แนวคิดแรกจะใช้ในส่วนของปั๊มหอยโข่งเพื่อ เป็นตัวขับดันการไหลของน้า และอีกแนวคิดจะใช้เป็นใบพัดเพื่อให้สามารถนามาเปรียบเทียบโปรไฟล์ การไหลที่เกิดขึ้นว่าอุปกรณ์ชนิดใดสามารถสร้างการไหลได้สม่าเสมอมากกว่า 32 3.2.3 สรุปการออกแบบขั้นแรก โดยขั้นตอนนี้จะเป็นการสรุปการออกแบบที่ได้จากการประเมินในขั้นตอนก่อนหน้านี้ ซึ่งทาง ผู้จัดทาจะคัดเลือกเพียง 2 แนวคิดมาเป็นแนวคิดการออกแบบที่จะนาไปทาการจาลองและพัฒนาการ ออกแบบในอนาคต โดยแนวคิดที่ได้จะมีดังนี้ รูปที่ 3.2 แนวคิดอุปกรณ์โดยใช้ปั๊มต่อขนานกัน จากรูปที่ 3.2 จะเป็นแนวคิดการออกแบบโดยใช้ ปั๊มนามาต่อขนานกันจากนั้นนาทาการใส่ท่อ แล้วจึงแยกออกมาเป็น 2 ทางบนและล่างจากนั้นทาการเปลี่ยนแปลงหน้าตัดจากวงกลมเป็นสี่เหลี่ยม แล้วเพิ่มระยะโดยการต่อท่อออกมาอีกเพื่อให้ของไหลพัฒนาเพิ่มขึ้น รูปที่ 3.3 แนวคิดอุปกรณ์โดยใช้ใบพัดและการบังคับการไหล 33 จากรูปที่ 3.3 จะเป็นแนวคิดการออกแบบโดยใช้ใบพัดในการขับดันการไหลและใช้วิธีการบังคับ การไหลโดยที่จะบีบให้พื้นที่หน้าตัดเล็กลงในช่วงแรกลักษณะคล้ายการทางานของ Nozzle ซึ่งจะทา ให้ความเร็วที่บริเวณขอบนั้นมีความเร็วสูงขึ้นจากเดิมที่บริเวณขอบจะมีความเร็วต่ากว่าบริเวณตรง กลาง จากนั้น ทาการบังคับ การไหลตรงกลางให้กระจายออกลักษณะคล้ายการทางานของ ท่อ กระจาย ซึ่งจะทาให้ความเร็วบริเวณตรงกลางนั้นช้าลง จากนั้นจึงใส่ท่อเพื่อให้การไหลได้พัฒนาและ มีความสม่าเสมอ 3.3 การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณ (CFD) การจาลองพฤติกรรมการไหลของของไหลด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณ (CFD) ช่วยให้ สามารถคาดการณ์ผลลัพธ์ของการไหลได้อย่างแม่นยาและแสดงภาพการไหลที่สมจริง ทาให้มองเห็น ผลกระทบของปัจจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการไหลได้ชัดเจน เหมาะสาหรับการจาลองการออกแบบใน รูปแบบต่างๆ โดยในโครงงานนี้ การจาลองจะแบ่งออกเป็นสองมิติ (2D) และสามมิติ (3D) โดยใช้ โปรแกรม ANSYS เป็นเครื่องมือหลัก ขั้นตอนแรกจะเริ่มจากการจาลองในรูปแบบสองมิติ เนื่องจากการจาลองในสามมิติใช้เวลา คานวณนานและมีข้อจากัดด้านประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ ซึ่งไม่สามารถรองรับการคานวณที่ ความละเอีย ดสูงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยาที่สุด ดังนั้น การจาลองสองมิติจึงถูกใช้เพื่อกาหนด พารามิเตอร์ของเมช (Mesh) ให้เหมาะสมและถูกต้องก่อน จากนั้นนาค่าที่ได้ไปประยุกต์ใช้ในการ จาลองสามมิติ เพื่อให้การคานวณมีความแม่นยาและสอดคล้องกับข้อจากัดของคอมพิวเตอร์ 3.3.1 การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติ การจาลองพลศาสตร์ ข องไหลเชิ ง คานวณในสองมิ ติ จะดาเนิ น การโดยนา กราฟแสดง ประสิทธิภาพ (Performance Curve) ของใบพัดหรือปั๊มมาแปลงเป็นข้อมูลป้อนเข้าในโปรแกรม จาลอง เพื่อศึกษาลักษณะการไหลที่เกิดจากอุปกรณ์ และเปรียบเทียบผลลัพธ์จากการเปลี่ยนแปลง พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ขนาดของใบพัด และระยะห่างระหว่างใบพัด รวมถึงการปรับปรุงอุปกรณ์ที่ ส่งผลต่อการไหลเพื่อวิเคราะห์ว่าปัจจัยเหล่านี้มีอิทธิพลต่อการไหลอย่างไร 34 3.3.1.1 การตรวจสอบความถูกต้องของการจาลอง การตรวจสอบความถูกต้องของการจาลองนั้นจะใช้วิธีการ Mesh Independence Study คือ จาลองโดยเริ่มจากการใช้เมช ที่หยาบจากนั้นเพิ่มความละเอียดไปเรื่อยๆ แล้วนามาเปรียบเทียบกัน จนกระทั่งขนาดของเมช นั้นไม่ส่งผลทาให้คาตอบนั้นคลาดเคลื่อน โดยการใช้วิธีนี้จะช่วยลดเวลาและ ทรัพยากรที่ใช้ในการประมวลผล เพราะไม่จาเป็นต้องใช้เมช ที่มีความละเอียดสูงมากเกินความจาเป็น รูปที่ 3.4 แสดงตัวอย่างการเปรียบเทียบระหว่างเมช หยาบกับละเอียด ในการจาลอง ผู้จัดทากาหนดค่าเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อน (% Error) ไว้ไม่เกิน 3% โดย คานวณจากความเร็วในทิศทางแกน X ณ ตาแหน่งเดียวกันในแต่ละจุดที่วัด เปรียบเทียบผลลัพธ์จาก ขนาดเมช 2 ขนาด ดังแสดงในรูปที่ 3.4 ซึ่งเปรียบเทียบผลลัพธ์ระหว่างจานวนเซลล์ 41,000 เซลล์ (Element size 0.025 m) และ 163,000 เซลล์ (Element size 0.0125 m) โดยใช้โปรไฟล์ความเร็ว ในทิศทางแกน x เป็นเกณฑ์ จากการคานวณพบว่า ค่าเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อนเท่ากับ 2.8% ซึ่ง จากตัวอย่างนี้ สามารถสรุปได้ว่าจานวนเซลล์ 41,000 เซลล์เพียงพอสาหรับการคานวณ การใช้ Mesh Independence Study เพื่อหาค่าพารามิเตอร์ของเมชที่เหมาะสมที่สุดสาหรับ การจาลองสามมิติต่อไป พบว่า Element size 0.025 m ให้ผลลัพธ์ที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 3% ซึ่งอยู่ในระดับที่ยอมรับได้และไม่ทาให้ผลลัพธ์คลาดเคลื่อนอย่างมีนัยสาคัญ 35 3.3.1.2 การทดลองสองมิติที่ 1 การจาลองการไหลของปั๊มในท่อแบบอุปกรณ์เดียว การทดลองนี้เป็นการจาลองการสร้างการไหลในสระน้า โดยนา กราฟแสดงประสิทธิภาพ ของ ปั๊มหอยโข่งรุ่น HS 350-300-508C ซึ่งมีระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม เท่ากับ 300 mm ซึ่งเป้าหมาย การทดลองนี้คือเพื่อหาว่าหากทดลองนาปั๊มขับของไหลในท่อโปรไฟล์ความเร็วจะเป็นอย่างไรและ ความเร็วแต่ละช่วงจะอยู่ที่ประมาณเท่าใด โดยใช้ปั๊มหอยโข่งเป็นข้อมูลป้อนเข้าใน Fan Condition (B) ของโปรแกรม ANSYS เพื่อจาลอง การสร้างการไหลของปั๊ม สาหรับการกาหนด Boundary Condition ของสระน้านั้นกาหนดให้ ด้านบน (A) และด้านล่าง (D) กาหนดเป็น Wall ซึ่งมีความยาว 30 เท่าของ ระยะหน้าตัดทางออกของ ปั๊ม ขณะที่ด้านซ้าย (E) และขวา (F) ตั้งค่าเป็น Pressure Inlet และ Pressure Outlet ตามลาดับ ซึ่งมีขนาด 2 เท่าของระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม และกาหนดให้ Fluid (C) เป็นน้า รูปที่ 3.5 Performance Curve ของปั๊มหอยโข่งรุ่น HS 350-300-508C รูปที่ 3.6 Boundary condition ของหัวข้อ 1 36 รูปที่ 3.7 Meshing Design ของหัวข้อ 1 สาหรับการตั้งค่าความละเอียดของเมช ของการจาลองนี้ต้องการให้ขอบสระมีความความ ละเอียดมากเป็นพิเศษเพื่อให้การจาลองมีความถูกต้องมากยิ่งขึ้น แต่ไม่ต้องการให้บริเวณอื่นมีความ ละเอียดมากจนเกินไปเพื่อลดการใช้เวลาและทรัพยากร จึงทาการใช้ Inflation Layer ในการจาลอง เพื่อเพิ่มความแม่นยาในการคานวณบริเวณขอบของสระน้า โดยการใช้ Inflation Layer นั้นช่วยเพิ่ม จานวนเซลล์และโหนดบริเวณขอบทาให้สามารถจับข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของความเร็วและความดัน ได้ละเอียดยิ่งขึ้น 3.3.1.3 การทดลองสองมิติที่ 2 การจาลองการไหลของปั๊มในสระน้าแบบโมดูลาร์ การทดลองนี้จาลองการสร้างการไหลในสระน้าและการไหลเมื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ในรูปแบบโมดู ลาร์ โดยใช้ กราฟแสดงประสิทธิภาพ เดียวกับการทดลองที่ 1 เป็นข้อมูลป้อนเข้าสู่ Fan Condition (B) ในโปรแกรม ANSYS เพื่อจาลองการไหลจากปั๊ม เป้าหมายคือการศึกษาว่าการเปลี่ยนขอบเขต ด้านบนและล่างเป็นการวางปั๊มติดกันแบบอนันต์จะส่งผลให้โปรไฟล์ความเร็วและความเร็ว ที่ ได้ แตกต่างจากการทดลองที่ 1 อย่างไร โดยตั้งค่า Boundary Condition ของสระน้าด้านซ้ายและด้านขวาเช่นเดียวกับการตั้งค่าเดิม พร้อมทั้งกาหนดให้ Fluid (C) เป็นน้า ขณะที่ด้านบน (A) และด้านล่าง (D) กาหนดเป็น Symmetry และกาหนดระยะ Center to Center ของปั๊ม เท่ากับ 2 เท่าของระยะหน้าตัดทางออก 37 รูปที่ 3.8 Boundary Condition ของหัวข้อ 2 รูปที่ 3.9 Meshing Design ของหัวข้อ 2 สาหรับการตั้งค่าเมช ของการทดลองนี้จะไม่มีการทา Inflation Layer เหมือนการทดลองที่ 1 เนื่องจากการทดลองนี้ตั้งค่า Boundary Condition ของขอบบนและล่างเป็น Symmetry ซึ่งเป็น การจาลองเสมือนมีปั๊มจานวนอนันต์วางต่อกันแบบโมดูลาร์ จึงทาให้ไม่จาเป็นต้องทาให้ขอบมีจานวน เซลล์และโหนดมีความละเอียดมากกว่าบริเวณอื่น 3.3.1.4 การทดลองสองมิติที่ 3 การจาลองการไหลของใบพัดในสระน้าแบบโมดูลาร์ การทดลองนี้เป็นการจาลองการสร้างการไหลในสระน้า โดยนา กราฟแสดงประสิทธิภาพ ของ Underwater Thruster รุ่น APISQUEEN AQ1020 ซึ่งมีระยะหน้าตัดของใบพั ดเท่า กับ 112 มิลลิเมตร เป็นข้อมูลป้อนเข้าใน Fan Condition (B) ของโปรแกรม Ansys เพื่อจาลองการสร้างการ ไหลของใบพัด เนื่องจากลักษณะตัว Underwater Thruster คล้ายกับใบพัดที่ใช้ใต้น้า สาหรับการ กาหนด Boundary Condition และการตั้งค่าเมชจะกาหนดให้เหมือนกับการทดลองที่ 2 38 รูปที่ 3.10 กราฟแสดงประสิทธิภาพ ของ Thruster APISQUEEN AQ1020 โดยการทดลองนี้จะเป็น การทดลองเพื่อเปรียบเทียบค่าความสม่าเสมอ (Uniformity) ที่ ระยะห่างระหว่างใบพัด ต่างกัน 4 ระยะ คือ 1.25D, 1.5D, 1.75D , 2D (D = ระยะเส้นผ่าน ศูนย์กลางของใบพัด) โดยระยะที่วัดจะเป็นระยะที่เริ่มจากวัดจากหน้าใบพัด และค่าจะเพิ่มขึ้นทุก 2 เท่า คือ 2D 4D จนถึง 30D โดยจะนาค่าที่ได้มาหาระยะห่างระหว่างใบพัด ที่ดีที่สุดสาหรับการนาไป พัฒนาหรือปรับปรุงการไหลต่อไป 3.3.2 การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสามมิติ ในการจาลองสามมิ ติ จะเป็ น การจาลองเพื่ อ ให้ ผ ลลั พ ธ์ ที่ ไ ด้ มี ค วามแม่ น ยาและตรงกั บ สถานการณ์ใช้งานจริงมากที่สุด โดยการทดลองจะใช้ค่าที่ได้จากการจาลองและสรุปได้ในสองมิติ เช่น ระยะห่างระหว่างใบพัด และการตั้งค่าเมชของการทดลอง ซึ่งในหัวข้อนี้จะกล่าววิธีการทดลองในแต่ละการทดลอง โดยในที่ นี้จะมี 3 การทดลองคือ ทดลองการหาความคลาดเคลื่ อ นระหว่า งการจาลองสองมิ ติ แ ละสา มมิ ติ การทดลองที่ หา ค่าพารามิเตอร์เกี่ยวกับสระว่ายน้า และการทดลองโดยการปรับความเร็วใบพัดของแต่ละตัวต่างกัน 3.3.2.1 การทดลองสามมิติที่ 1 ความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ ในขั้นตอนนี้จะเป็นการทดลองเปรียบเทียบระหว่างการจาลองในสามมิติกับสองมิติที่ระยะห่าง ระหว่างใบพัดเดียวกัน เท่ากับ 1.75D เพื่อวิเคราะห์หาความคลาดเคลื่อนจากการทดลองทั้งสอง เพื่อที่จะสามารถประมาณความเร็วการไหลในสามมิติได้ โดยจะเปรียบเทียบจากความเร็วการไหลและ ค่าความสม่าเสมอของความเร็ว 39 3.3.2.2 การทดลองสามมิติที่ 2 การจาลองค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระยะของสระว่ายน้า ในขั้นตอนนี้จะใช้การจาลองสามมิติกาหนดขนาดและระยะของโครงสร้างในขั้นตอนการ ออกแบบและเพื่อให้ได้ระยะใช้งาน (จากหน้าใบพัด) ที่เหมาะสมที่สุด และระยะที่เหมาะสมสาหรับ การใช้งานในสระว่ายน้า โดยค่าพารามิเตอร์ที่ต้องการจาลองขึ้นคือ 1) ระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง (a) 2) ระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ (b) 3) ระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัด (c) รูปที่ 3.11 ระยะ a , b , c 3.3.2.4 การหาสมการในการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอของเร็วโดยปรับความเร็วการหมุนของตัว ขับดัน เนื่องจากการใช้งานที่จานวนมากกว่า 1 โมดูลขึ้นไปสามารถปรับความเร็วการหมุนของแต่ละ ตัวขับดันให้แตกต่างกันได้เพื่อเพิ่มค่าความสม่าเสมอของความเร็วให้มากกว่าหรือตรงกับข้อกาหนด ที่ตั้งไว้ 95% ได้ โดยทาการปรับความเร็วการหมุนของตัวขับดันตามความสัมพันธ์ดังสมการ 4.2 ที่ได้ จากการวิเคราะห์ผลการทดลองที่ได้ทามา 40 3.3.2.5 การทดลองสามมิติที่ 3 การทดลองปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากันเมื่อ จัดวาง อุปกรณ์แบบผืนผ้า การทดลองนี้ปรับความเร็วของตัวขับดันแต่ละตัวให้แตกต่างกัน โดยคานวณค่าความเร็ว การ หมุนของตัวขับดันด้วยสมการที่ 4.2 และจัดวางอุปกรณ์ในรูปแบบผืนผ้า ผลลัพธ์ที่คาดหวังคือ ความ สม่าเสมอของความเร็วจะใกล้เคียงกับข้อกาหนดมากขึ้นและมีค่าสูงกว่าการทดลองที่ไม่ปรับความเร็ว 3.3.2.6 การทดลองสามมิติที่ 4 การปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากันเมื่อ จัด วาง อุปกรณ์แบบจัตุรัส โดยการทดลองนี้จะทาการปรับความเร็วของตัวขับดันแต่ละตัวให้มีค่าที่แตกต่างกัน ซึ่งจะทา การปรับโดยใช้สมการที่ 4.2 เช่นเดียวกับการทดลองในหัวข้อ 3.3.2.5 แต่การทดลองนี้จะวางอุปกรณ์ แบบจัตุรัส สาหรับผลลัพธ์ที่คาดหวังในการทดลองนี้คือ ค่า ความสม่าเสมอของความเร็วจะใกล้เคียง กับข้อกาหนดและค่าที่ได้มากขึ้นกว่าการทดลองแบบที่ไม่ได้ปรับความเร็ว 3.4 การออกแบบโครงสร้าง หัว ข้อนี้จะนาเสนอการออกแบบโครงสร้างทั้งหมดของอุป กรณ์ โดยเริ่มจากการกาหนด ข้อจากัดในการออกแบบ จากนั้นดาเนินการออกแบบเบื้องต้นด้วยการร่างแบบ แล้วคัดเลือกแบบที่ เหมาะสมที่สุดเพื่อวาดในโปรแกรม SolidWorks โดยระยะห่างระหว่างใบพัดของอุปกรณ์จะอ้างอิง จากผลการจาลองที่ได้จากขั้นตอนก่อนหน้า 3.4.1 เป้าหมายและข้อจากัด เนื่องจากอุปกรณ์การสร้างการไหลที่ต้องการใช้งานนั้น จะต้องสามารถสร้างการไหลด้ว ย ความเร็วที่กาหนดไว้ได้ในบริเวณพื้นที่เปิด โดยจะต้องสามารถต่อกันแบบโมดูลาร์และถอดประกอบได้ แต่หลังจากที่ได้ออกแบบโครงสร้างของตัวอุปกรณ์แล้ว มีข้อจากัดของการออกแบบโครงสร้าง ดังนี้ 1) อุปกรณ์สามารถต่อกันแบบโมดูลาร์ได้อย่างสะดวก 2) โครงสร้างต้องมีความแข็งแรงและรับน้าหนักได้ดี 3) สามารถปรับความสูงของโครงสร้าง 4) สะดวกในการถอดและติดตัง้ 41 3.4.2 การคิดและออกแบบโครงสร้างขั้นสุดท้าย จากผลการจาลองพลศาสตร์ของไหลในหัวข้อที่ 3.2 พบว่า การติดตั้งอุปกรณ์ปรับปรุงการไหล ไม่จาเป็น เนื่องจากอุปกรณ์สามารถพัฒนาได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์เสริม หัวข้อนี้จะกล่าวถึงการออกแบบโครงสร้างโดยคานึงถึงปัจจัยหลายประการ ได้แก่ ความ แข็ ง แรง ความปลอดภั ย การติ ด ตั้ ง และปั จ จั ย ที่ทาให้ไ ด้ ประสิ ท ธิ ภาพสู ง ที่ สุ ด โครงสร้างนี้มี ความสาคัญในการรองรับและติดตั้งตัวขับดัน 4 ตัวต่อหนึ่งโมดูล เพื่อสร้างกระแสน้าที่จาลองการไหล แบบสม่าเสมอในสระว่ายน้า โครงสร้างต้องสามารถรองรับแรงจากการทางานและน้าหนักของตัวขับดันเมื่อประกอบ กัน หลายโมดูล เข้าด้วยกัน ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งทนทานต่อสภาพแวดล้อมใต้น้า โดยจะ ออกแบบโครงสร้างต้นแบบ 2 รูปแบบ เพื่อวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อดีและข้อเสีย ก่อนคัดเลือกแบบที่ เหมาะสมที่สุดสาหรับการใช้งาน 3.4.2.1 โครงสร้างแบบที่ 1 โครงสร้างแบบที่ 1 มีรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ออกแบบมาให้สามารถต่อเป็นโมดูลาร์ได้อย่าง สะดวกและสมมาตร วัสดุเป็นเหล็กกล่องขนาด 19x19 มิลลิเมตร เชื่อมต่อกัน โดยตัวขับดันถูกจัดวาง ตาแหน่งติดตั้งแบบสมมาตร พร้อมทั้งคานวณระยะห่างที่เหมาะสมเพื่อให้กระแสน้าที่สร้างขึ้นมีความ สมดุลในทุกมิติ โครงสร้างนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์ 3 ส่วนหลัก ดังนี้ 1) ตัวโครงสร้างหลัก ตัวโครงสร้างทาหน้าที่รองรับน้าหนักและการติดตั้งตัวขับดัน โดยมีแผ่นเหล็กแบนสาหรับติดตั้ง ตัวขับดัน จะอยู่ที่ครึ่งหน้าของโครงสร้าง แบ่งออกเป็นสองชั้น พร้อมทั้งมี มุมยึด (Corner Bracket) ที่มุมของโครงสร้างเพื่อใส่สกรู (Bolt) สาหรับยึดโมดูลอื่นเมื่อต้องการทาให้เป็นโมดูลาร์และเพิ่มความ แข็งแรง ลดการบิดตัว และป้องกันการเสียรูป อีกทั้งมี แผ่นยึดฐานที่ด้านหลังของโครงสร้างสาหรับยึด สลักเกลียวยึดฐาน (Anchor Bolt) ซึ่งจะยึดโครงสร้างกับเหล็กรองรับ และรูที่เจาะไว้ที่ขอบสระน้า เพื่อป้องกันการเคลื่อนที่อันเนื่องมาจากแรงผลักของตัวขับดัน 42 รูปที่ 3.12 ตัวโครงสร้างหลัก 2) เหล็กรองรับรูปตัว L ทาหน้าที่ป้องกันการเคลื่อนที่ของโครงสร้างหลักจากแรงผลักที่เกิดจากตัวขับดัน โดยมีรูสาหรับ ใส่ สลักเกลียวยึดฐานเพื่อยึดกับขอบสระด้านบนและมีรูหลายระดับในแนวตั้งที่ด้านหน้าเพื่อปรับ ระยะความสูงของโครงสร้างหลักจากก้นสระ โดยสามารถเลือกใช้รูที่เหมาะสมกับระดับความสูงที่ ต้องการ รูปที่ 3.13 เหล็กรองรับรูปตัว L 3) สลักเกลียวยึดฐาน ขนาด M10 ใช้สาหรับยึดโครงสร้างหลักกับเหล็กรองรับรูปตัว L และขอบสระเข้าด้วยกัน โดยร้อยผ่านแผ่น ยึดฐานและรูที่เจาะไว้ในขอบสระ 43 รูปที่ 3.14 สลักเกลียวยึดฐาน (ที่มา : https://www.gsproducts.co.uk/10mm-stainless-steel-through-bolts/) การติดตั้งโครงสร้างนั้น โครงสร้างจะถูกนาไปวางในสระน้า โดยด้านหลังของโครงสร้างหลักจะ ยึดติดกับเหล็ก รองรับ รูปตัว L ซึ่งเหล็ก รองรับ จะถูกยึดกับขอบสระด้านข้างและด้านบนด้วยสลัก เกลียวยึดฐาน ทีย่ึดผ่านแผ่นยึดฐานและรูที่เจาะไว้บริเวณขอบสระดังภาพที่แสดง รูปที่ 3.15 การติดตั้งโครงสร้างในสระน้า 44 3.4.2.2 โครงสร้างแบบที่ 2 จากภาพโครงสร้างแบบที่ 2 จะทาการออกแบบโครงสร้างให้แตกต่างจากเดิม โดยโครงสร้างนี้ จะสามารถปรับความสูงของโครงสร้างตัวขับดัน (Thruster Frame) เพื่อให้สามารถเลือกระยะที่ ต้องการทดลองได้ตามต้องการ โดยใช้ สลักเกลียวยึดฐาน และเปลี่ยนตาแหน่งการติดตั้งใบพัดให้อยู่ ด้านบนและด้านล่างของโครงสร้างตัวขับดัน เพื่อไม่ให้บดบังการไหลของน้าเข้าสู่ใบพัด รูปที่ 3.16 โครงสร้างแบบที่ 2 1) แผ่นน้าหนัก (Solid Steel Plate) ใช้สาหรับถ่วงน้าหนักบนฐานที่อยู่บนขอบสระเพื่อป้องกันการเลื่อนหรือขยับของโครงสร้าง รูปที่ 3.17 แผ่นน้าหนัก (ที่มา : https://engyprint.com/product/pad-printing-cliche-plates-thick-steel-plate/) 2) ขารับน้าหนักปรับระดับ (Adjustable Support Leg) ใช้สาหรับรับน้าหนักของโครงสร้างตัวขับดัน และยังสามารถปรับความสูงให้พอดีกับ สลัก เกลียวยึดฐาน ที่ยึดกับโครงสร้างได้ 45 รูปที่ 3.18 ขารับน้าหนักปรับระดับ (ที่มา : https://www.desertcart.ae/products/48623311-multi-ware-table-leg-adjustableheight-710-mm-1100-mm-breakfast-bar-worktop-support-table-leg-60-mm-black) 3) แผ่นยาง (Rubber plate) ใช้สาหรับปรับละเอียดและเพิ่มแรงเสียดทานของโครงสร้าง โดยติดตั้งที่ขารับน้าหนักปรับ ระดับ และฐานด้านบนของโครงสร้างที่ติดกับตัวสระ รูปที่ 3.19 แผ่นยาง (ที่มา : https://www.polytechindustry.co.th/แผ่นยางกันกระแทก) 3.4.2.3 สรุปการออกแบบโครงสร้าง จากข้อมูลโครงสร้างแบบที่ 1 นั้น มีการวางแผ่นเพลทเพื่อเป็นโครงจับยึดของตัวใบพัดทาให้บด บังการไหลของน้าที่จะเข้าสู่ใบพัด ส่งผลให้การสร้างการไหลที่ออกจากใบพัดนั้นมีความไม่สม่าเสมอ 46 กัน และโครงสร้างที่ต้องเจาะรูน็อตเพื่อยึดติดสระนั้นทาให้สระเกิดความเสียหายกับตัวสระ อีกทั้งตัว โครงสร้างของทั้งโมดูลนั้นไม่สามารถปรับความสูงและยากต่อการติดตั้ง จากข้อเสียดังกล่าวในโครงสร้างแบบที่ 1 จึงได้ทาการออกแบบโครงสร้างในแต่ละจุด เพื่อสร้าง แบบที่ 2 โดยเริ่มจากการติดตั้งใบพัดทั้ง 4 ตัวให้ตัวฐานของใบพัดไม่บดบังการไหล และทาการติดตั้ง ด้านล่างและด้านบนในกรอบโครงสร้าง จากนั้นเปลี่ยนจากการยึดน็อตกับตัวสระเป็นการวางตัว โครงสร้างกับพื้นและขอบสระให้ช่วยประคองตัวโครงสร้างให้สมดุลโดยไม่ทาให้สระเสียหาย และยัง สามารถปรับความสูงของตัวโครงสร้างโดยเปลี่ยนตาแหน่งรูที่ใช้ร้อยน็อตให้สูงขึ้นหรือต่าลง จากข้อมูลของโครงสร้างทั้ง 2 แบบ จึงได้ตัดสินใจเลือกโครงสร้างแบบที่ 2 เนื่องจากสามารถ แก้ไขข้อจากัดที่มีในโครงสร้างแบบที่ 1 ได้ 3.4.3 การออกแบบโครงสร้างในโปรแกรม SolidWorks เนื้อหาในส่วนนี้จะเป็นการนาแนวคิดซึ่งเป็นการวาดอย่างคร่าวที่ได้ออกแบบในหัวข้อ 3.4.2.2 มาวาดเป็นมุมมองสามมิติในโปรแกรม SolidWorks เพื่อที่จะได้ผลลัพธ์การออกแบบในรูปแบบสาม มิติเมื่อประกอบทุกอุปกรณ์เข้าด้วยกัน โดยอุปกรณ์ทั้งหมดมีดังนี้ 1) โครงสร้างตัวขับดัน (Thruster Frame) อุปกรณ์นี้จะเป็นโครงสร้างหลักสาหรับยึดกับตัวขับดัน โดยวัสดุที่ใช้จะเป็นเหล็กกล่องขนาด 19x19 มิลลิเมตร หนา 2 มิลลิเมตร เชื่อมกันและจะมีรูเพื่อใช้ในการยึดกับอุปกรณ์อื่นและยึดกับ โครงสร้างขับดันเพื่อต่อกันแบบโมดูลาร์ซี่งจะสามารถต่อกันทั้ง 4 ทิศทางคือ ด้านบน-ล่าง ด้านซ้ายขวา ซึ่งจะยึดตัวขับดันโดยให้ฐานยึดอยู่ด้านบนและด้านล่างเพื่อให้ทางที่น้าเข้ามีความสมมาตร รูปที่ 3.20 โครงสร้างตัวขับดัน 47 รูปที่ 3.21 โครงสร้างตัวขับดันเมื่อติดตั้งตัวขับดัน 2) ขารับน้าหนักปรับระดับ (Adjustable Support Leg) อุปกรณ์นี้ทาหน้าที่รับน้าหนักของโครงสร้างตัวขับดัน ซึ่งอุปกรณ์นี้จะสามารถปรับระดับความ สูงได้โดยการใช้สกรูและน็อตล็อคตามรูของขาปรับระดับซึ่งตรงปลายของขาที่ติดกับก้นสระจะมีแผ่น ยางติดอยู่เพื่อเพิ่มการยึดเกาะกับสระ โดยวัสดุที่ใช้จะเป็นเหล็กกล่อง 4 ขนาดเจาะรูตามความยาว และนามาซ้อนกัน ซึ่งที่บริเวณปลายจะมีเกลียวเพื่อปรับละเอียดซึ่งมีลักษณะเหมือนอุปกรณ์ที่ใช้ ยกระดับพื้น (Raised Floor Pedestals) รูปที่ 3.22 ขารับน้าหนักปรับระดับ 48 3) ท่อยาวเสริมเจาะช่อง (Long Support Slot Tube) อุปกรณ์นี้ทาหน้าที่ช่วยเสริมการรับน้าหนักของโครงสร้างตัวขับดัน ซึ่งวัสดุที่ใช้จะเป็นเหล็ก กล่องเชื่อมกันให้มีลักษณะคล้ายกับโครงถัก (Truss) และจะมีรูเพื่อรองรับสกรูที่ใช้ล็อคระหว่าง อุปกรณ์นี้กับโครงสร้างขับดันซึ่งจะทาให้สามารถปรับระดับได้และล็อคกับโครงสร้างขับดันได้ โดยที่ ปลายที่สัมผัสกับก้นสระจะมีแผ่นยางติดและจะอยู่มีขาต่อที่สามารถปรับละเอียดได้เพื่อให้ขานี้ไม่ลอย จากก้นสระ รูปที่ 3.23 ท่อยาวเสริมเจาะช่อง 4) โครงสร้างรองรับบนสระน้า (Ground Support Frame) อุปกรณ์นี้จะเป็นอุปกรณ์ที่อยู่บนขอบของสระน้าโดยหน้าที่คือจะช่วยไม่ให้โครงสร้างขับดันนั้น ล้มลง ซึ่งโครงสร้างนี้จะใช้เหล็กกล่องเชื่อมกันเหมือนกับโครงสร้างขับดันแต่จะมีการเจาะรูบริเวณ ด้านหน้าเพื่อให้สามารถล็อคกับ ท่อยาวเสริมได้เพื่อที่จะทาให้สามารถปรับระดับของท่อยาวเสริมได้ ตามความลึกของสระน้า ซึ่งโครงสร้างนี้จะมีแผ่นยางอยู่ใต้ขอบโครงสร้างเพื่อยึดเกาะพื้นผิวและมีการ ใช้แผ่นน้าหนัก (Solid Steel Plate) เพื่อต้านโมเมนต์การหมุนและเพิ่มการยึดเกาะ รูปที่ 3.24 โครงสร้างรองรับบนสระน้า 49 5) มุมเจาะรูสาหรับเคลื่อนย้าย อุปกรณ์นี้ทาหน้าที่รับน้าหนักจากการเคลื่อนย้ายโครงสร้างตัวขับดัน วัสดุที่ใช้จะเป็นเหล็ ก กล่องตัดเป็นรูป 3 เหลี่ยมมุมฉากแล้วทาการเชื่อมติดกับมุมของโครงสร้างตัวขับดัน จากนั้นเจาะรู M6 สาหรับการคล้องกับตะขอมินิเครน ซึ่งสามารถเลือกใช้ ขนาดตะขอมินิเครนที่ M4 – M5 ดังตารางที่ 3.5 รูปที่ 3.25 มุมเจาะรูสาหรับเคลื่อนย้าย รูปที่ 3.26 ตะขอมินิเครน (ที่มา : https://es.aliexpress.com/item/1005004056662676.html) ตารางที่ 3.5 ตารางรับโหลดของตะขอมินิเครน Size M4*40 M5*50 M6*60 M7*70 M8*80 M9*90 M10*100 M11*120 M12*140 M13*160 M14*180 A (mm) 3.93 4.9 5.8 6.84 7.82 8.84 9.74 10.81 11.73 12.79 13.5 B (mm) C (mm) 19.7 25.18 28.9 34.7 40.3 44.5 49.5 58 68.5 80.49 88.24 40.7 50.2 60.5 70 80.3 89.45 100.8 120.8 140.5 160.3 180 50 D (mm) 6.1 8.1 9.4 11.2 12 13 16 18 20.3 22.7 25.7 F (mm) 5 7 7.8 8 11 12 12 14 23 33.4 30 Loadbearing 54 KG 90 KG 135 KG 150 KG 181 KG 230 KG 295 KG 350 KG 431 KG 450 KG 490 KG 6) ประกอบรวมอุปกรณ์ทั้งหมด รูปที่ 3.32 อุปกรณ์ทั้งหมดประกอบรวมกัน 1 โมดูล รูปที่ 3.27 อุปกรณ์ทั้งหมดประกอบรวมกัน 2 โมดูล 3.4. การออกแบบจานวนขาปรับระดับที่เหมาะสมกับจานวนโมดูลที่ติดตั้ง โดยการจาลองนี้จุดมุ่งหมายคือเพื่อทดสอบว่าหากต่อกันหลายโมดูลโดยใช้ขาปรับระดับรับ น้าหนักเพียง 2 ขาจะสามารถรับแรงที่เกิดขึ้นจากน้าหนักได้หรือไม่ โดยแรงที่ใช้จาลองจะมีแรงที่เกิดจากน้าหนักของตัวขับดัน 300 นิวตัน และแรงที่เกิดจากการ ทางานเมื่อใบพัดหมุน 500 นิวตัน และจานวนโมดูลที่ใช้คือ 4 โมดูล เนื่องจากหากต่อเกินกว่า 4 โมดูล จะไม่สามารถใช้เครนยกลงมาได้ในครั้งเดียว 51 รูปที่ 3.28 แรงที่ใช้ในการจาลอง 3.4.4 วิธีการทดสอบความแข็งแรง เนื่องจากโครงสร้างนั้นต้องรองรับน้าหนัก ตัวขับดัน ถึง 4 ตัวต่อหนึ่งโมดูลและต้องรองรับแรง ที่ เกิดจากการทางานของ ตัวขับดัน ดังนั้นความแข็งแรงของโครงสร้างจึงมีความสาคัญอย่างมาก เพื่อ ป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนนั้นเกิดการเสียหายขณะใช้งาน โดยการทดสอบจะใช้โปรแกรม SolidWorks ใน การทดสอบความแข็งแรง ซึ่งจะทดสอบ 2 ส่วน คือ 1) สกรูที่ใช้ยึดระหว่างโครงสร้างกับตัวขับดัน 2) ขารับน้าหนักปรับระดับ 1) สกรูที่ใช้ยึดระหว่างโครงสร้างกับตัวขับดัน โดยชิ้นส่วนนี้เป็นชิ้นส่วนที่จะรับแรงดึงและแรงเฉือนมากที่สุดจากการที่ตัวขับดันทางาน และ เนื่องด้วยสกรูที่ใช้เป็นขนาด M4 ซึ่งเป็นขนาดที่เล็กที่สุดในอุปกรณ์ทั้งหมดจึงอาจมีความเสี่ยงที่ทาให้ เกิดความเสียหายมากที่สุด รูปที่ 3.29 สกรูที่ยึดตัวขับดันกับโครงสร้าง 52 รูปที่ 3.30 แรงที่จาลองขณะใบพัดทางาน โดยการทดสอบในโปรแกรมจะใส่โหลดที่หน้าตัวขับดันเพื่อเปรียบเสมือนแรงขับดันขณะใบพัด ทางาน ซึ่งผู้ผลิตระบุไว้ว่าเมื่อใบพัดทางานเต็มประสิทธิภาพแรงขับดันจะอยู่ที่ 24 กิโลกรัม ในการ ทดลองนี้จึงใส่โหลดเท่ากับ 500 นิวตัน โดยเผื่อแรงไว้ให้มากกว่า 2 เท่า ของคุณสมบัติของอุปกรณ์ 2) ขารับน้าหนักปรับระดับ โดยการจาลองนี้จุดมุ่งหมายคือเพื่อทดสอบว่าหากต่อกันหลายโมดูลโดยใช้ขาปรับระดับรับ น้าหนักเพียง 2 ขาจะสามารถรับแรงที่เกิดขึ้นจากน้าหนักได้หรือไม่ โดยแรงที่ใช้จาลองจะมี แรงที่เกิดจากน้าหนักของตัวขับดัน 300 N และแรงที่เกิดจากการ ทางานเมื่อใบพัดหมุน 500 N และจานวนโมดูลที่ใช้คือ 4 โมดูล เนื่องจากหากต่อเกินกว่า 4 โมดูลจะ ไม่สามารถใช้เครนยกลงมาได้ในครั้งเดียว รูปที่ 3.31 แรงที่ใช้ในการจาลอง 53 3.5 การควบคุมความเร็วตัวขับดัน เนื่องจากการทดลองใต้น้าต่างๆ แต่ละการทดลองนั้นมีการใช้ความเร็วของกระแสน้าในการ ทดลองที่แตกต่างกัน ดังนั้นอุปกรณ์การสร้างการไหลของน้าที่ใช้ในการทดลองต้องสามารถปรับ ความเร็ว ของกระแสน้าได้ เพื่อให้การทดลองนั้น ๆ เป็นไปตามเงื่อนไขการทดลองที่กาหนด จึง จาเป็นต้องมีการควบคุมความเร็วรอบการหมุนของตัวขับดัน เพื่อปรับความเร็วของกระแสน้า และ ต้องสามารถควบคุม ตัวขับดัน ได้พร้อมกันหลายตัวโดยใช้อุปกรณ์ความคุมให้น้อยที่สุด เพื่อความ สะดวกในขนย้ายและการติดตั้ง โดยวิธีการที่ใช้ในการควบคุมความเร็ว ตัวขับดัน คือ ใช้การปรับความกว้างของสัญญาณ PWM (Pulse Width Modulation) ซึง่ PWM เป็นสัญญาณดิจิตอล โดยจะมีตัวสร้างสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม ซึ่งสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยมที่สร้างออกมาจะสลับกันระหว่าง เปิด (High) และ ปิด (Low) รูปแบบ สัญญาณนี้สามารถจาลองเป็นแรงดันไฟฟ้าระหว่าง เปิด (5 Volts) และ ปิด (0 Volts) ได้ ดังภาพ ด้านล่าง รูปที่ 3.32 สัญญาณ PWM (ที่มา : https://medium.com/icreativesystems/to-know-pwm-373efa1322ce) โดยอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุม มีดังนี้ 1) Power Supply ทาหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายไฟให้กับตัวขับดัน และวงจรในการควบคุมความเร็วของตัวขับดัน 2) ESC (Electronic Speed Controller) ทาหน้าที่ควบคุมความเร็วและทิศทางของมอเตอร์ในตัวขับดัน โดยรับสัญญาณ PWM จาก Arduino จากนั้นแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าและจ่ายไปยังขดลวดของมอเตอร์ 54 3) Arduino Board ทาหน้าที่สร้างและส่งสัญญาณ PWM ให้กับ ESC แต่ละตัว โดยที่บอร์ด Arduino 1 ตัว สามารถเชื่อมต่อกับ ESC ได้หลายตัว ทาให้สามารถรองรับการควบคุม ตัวขับดัน ได้หลายตัวด้วย บอร์ด Arduino หนึ่งตัว โดยการเชื่อมต่ออุปกรณ์ สาหรับควบคุมความเร็วของ ตัวขับดัน จะนาอุปกรณ์ต่อเข้าด้วยกัน ดังนี้ Power Supply Arduino Board Thruster (Build-In ESC) รูปที่ 3.33 Flow Diagram การควบคุมความเร็ว ตัวขับดัน จาก Flow Diagram ข้างตัน เป็นการเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้าด้วยกันโดย 1) เชื่อมต่อ Power Supply เข้ากับตัวขับดัน ซึ่งมี ESC ในตัว (Build-in ESC) 2) เชื่อมต่อ Arduino Board เข้ากับ ตัวขับดัน 3) หากต้องการควบคุมตัวขับดัน มากกว่า 1 ตัว ด้วย Arduino หนึ่งตัว สามารถทาได้ โดยเชื่อมต่อสายสัญญาณของ ตัวขับดัน กับพอร์ตสัญญาณ (PWM Pin) ที่แตกต่างกันบน Arduino Board ตัวเดียวกัน 55 บทที่ 4 ผลลัพธ์การทดลอง 4.1 ผลลัพธ์การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติ ในหัวข้อนี้จะเป็นผลลัพธ์การทดลองในสองมิติ โดยจะทาการจาลองในกรณีต่างๆ เพื่อเรียนรู้ พฤติกรรมของการไหลเมื่อใช้กับอุปกรณ์ขับดันในสถานการณ์หรือสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน 4.1.1 ผลลัพธ์การทดลองที่ 1 การจาลองการไหลของปั๊มในท่อแบบอุปกรณ์เดียว รูปที่ 4.1 กราฟแสดงโปรไฟล์ความเร็วของผลลัพธ์การทดลองที่ 1 จากรูปที่ 4.1 แสดงถึงผลลัพธ์ในรูปแบบกราฟระหว่างความเร็วการไหลในทิศทางแกน x และ ระยะจากขอบบนถึงขอบล่าง ซึ่งจะแสดงผลลัพธ์ตั้งแต่ ระยะ 2 เท่าของระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม (d-2) โดยเพิ่มขึ้นทีละ 2 เท่า จนถึง 26 เท่าของระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม (d-26) โดยสามารถวิเคราะห์ผลการทดลองได้ว่า จากลักษณะโปรไฟล์ความเร็วจะสังเกตได้ว่าค่า ความเร็วจะลดลงเมื่อออกห่างจากปั๊มมากยิ่งขึ้น ซึ่งเกิดจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นกับของไหล โดยที่ จะสังเกตได้ว่าความเร็วสูงสุดจะเกิดขึ้นบริเวณตรงกลางของช่องหรือช่วงบริเวณระยะหน้าตัดทางออก ของปั๊ม และโปรไฟล์มีลักษณะเริ่มนิ่งและใกล้เคียงกันที่ระยะห่างตั้งแต่ 18 เท่าของระยะหน้าตัด ทางออกของปั๊ม (d-18) เป็นต้นไป ทาให้เห็นว่าเมื่อระยะมากขึ้นความเร็วการไหลจะสม่าเสมอมากขึ้น 56 รูปที่ 4.2 แผนที่เส้นชั้นความเร็ว จากภาพแสดงการกระจายของความเร็วโดยใช้โทนสีเพื่อบ่งบอกระดับความเร็วในทิศทาง X ที่ เปลี่ยนแปลงไปตามระยะทางจากทางออกของปั๊ม โดยที่บริเวณใกล้ทางออกของปั๊มความเร็วจะสูง มาก ซึ่งจะแสดงเป็นสีแดงเข้มที่บริเวณตรงกลางของช่องโดยมีความเร็วสูงสุดที่ 14.6 เมตรต่อวินาที และเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นความเร็วบริเวณกลางช่องจะเริ่มลดลงและกระจายตัวไปยังขอบ ซึ่งสังเกตได้ จากการเปลี่ยนแปลงของโทนสีที่ลดลงจากสีแดงเป็นสีเขียว และเมื่อระยะทางมากขึ้นความเร็วจะ กระจายมากขึ้นซึ่งท้ายสุดจะแสดงเป็นสีเหลือง 4.1.2 ผลลัพธ์การทดลองที่ 2 การจาลองการไหลของปั๊มในสระน้าแบบโมดูลาร์ รูปที่ 4.3 กราฟแสดงโปรไฟล์ความเร็วของผลลัพธ์การทดลองที่ 2 จากรูปที่ 4.3 แสดงถึงผลลัพธ์ในรูปแบบกราฟเช่นเดียวกับกราฟแสดงผลลัพธ์ของการจาลอง แบบอุปกรณ์เดียวและแสดงผลลัพธ์ตั้งแต่ ระยะ 2 เท่าของระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม (d-2) โดย เพิ่มขึ้นทีละ 2 เท่า จนถึง 26 เท่าของระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม (d-26) 57 ซึ่งสามารถวิเคราะห์ผลการทดลองได้ว่าความเร็วสูงสุดของการทดลองนี้จะมากกว่าการทดลอง 1 ที่ระยะตั้งแต่ 14 เท่าของระยะหน้าตัดทางออกของปั๊ม (d-14) เป็นต้นไป และเนื่องจากบริเวณขอบ บนและขอบล่างของการทดลองนี้มีเงื่อนไขเป็น Symmetry ทาให้ความเร็วที่บริเวณขอบมากกว่าการ ทดลอง 1 ทุกระยะ รูปที่ 4.4 แผนที่เส้นชั้นความเร็ว Symmetry View จากรูปที่ 4.4 จะเป็นรูป X แผนที่เส้นชั้นความเร็ว ของการนาปั๊มมาวางต่อกัน โดยจากรูป นาเสนอตัวอย่างเพียง 4 ตัว ซึ่งจะแสดงการกระจายของความเร็วโดยใช้โทนสีเพื่อบ่งบอกระดับ ความเร็วในทิศทาง X ที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะทางจากทางออกของปั๊ม โดยที่บริเวณใกล้ทางออก ของปั๊ม จะแสดงเป็นสีแดงเข้มที่บริเวณตรงกลางของช่องโดยมีความเร็วสูงสุดที่ 14.5 เมตรต่อวินาที โดยลักษณะการกระจายตัวจะเหมือนกับการทดลอง 1 4.1.3 ผลลัพธ์การทดลองที่ 3 การจาลองการไหลของใบพัดในสระน้าแบบโมดูลาร์ กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างจากใบพัดที่ระยะวัด 10D Position Y (m) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Velocity X (m/s) 2D 1.75D 1.5D 1.25D รูปที่ 4.5 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างใบพัดที่ระยะวัด 10D 58 8 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างจากใบพัดที่ระยะวัด 20D Position Y (m) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Velocity X (m/s) 2D 1.75D 1.5D 1.25D รูปที่ 4.6 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างใบพัดที่ระยะวัด 20D กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างจากใบพัดที่ระยะวัด 30D Position Y (m) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Velocity X (m/s) 2D 1.75D 1.5D 1.25D รูปที่ 4.7 กราฟแสดงการเปรียบโปรไฟล์ความเร็วของแต่ละระยะห่างใบพัดที่ระยะวัด 30D จากรูปที่ 4.5 ถึง 4.7 แสดงถึงผลลัพธ์ในรูปแบบกราฟโดยที่แกน X คือ ความเร็วการไหล และ แกน Y คือ ระยะจากขอบบนถึงขอบล่าง และแสดงผลลัพธ์ที่ระยะห่างระหว่างใบพัด 1.25D, 1.5D, 1.75D, 2D จากกราฟสรุปได้ว่าระยะห่างระหว่างใบพัดน้อยความเร็วจะมากกว่า เมื่อโปรไฟล์ความเร็ว มีความสม่าเสมอจนถึงจุดสมดุล 59 ตารางที่ 4.1 แนวโน้มการเพิ่มขึ้นของค่าความสม่าเสมอของความเร็ว ระยะใช้งาน ( จากหน้าใบพัด ) ระยะห่างระหว่างใบพัด (Center-to-center) 2D 4D 6D 8D 10D 12D 14D 16D 18D 20D 22D 24D 26D 1.25D 36 52 65 71 75 78 80 81 84 87 89 91 92 1.50D 39 37 37 51 58 63 67 73 79 84 87 90 92 1.75D 39 38 36 33 44 51 57 65 72 78 84 88 91 2.00D 39 38 37 34 33 42 49 58 66 73 79 84 88 จากตารางที่ 4.1 เป็นการแสดงค่าความสม่าเสมอของความเร็ว (%Uniformity) ในแต่ละ ระยะห่างระหว่างใบพัด (Center-to-Center) ตั้งแต่ 1.25D จนถึง 2D และระยะใช้งาน (จากหน้า ใบพัด) ตั้งแต่ 2D จนถึง 30D โดยที่ค่าความสม่าเสมอของความเร็วคานวณจากสูตร ดังนี้ 𝑣 %𝑢𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝑖𝑡𝑦⁡ = (1 − 𝑚𝑎𝜘 −𝑣𝑚𝑖𝑛 𝑣𝑚𝑎𝑥 ) × 100 (4.1) 𝑣𝑚𝑎𝜘 คือ ความเร็วสูงสุดในแกน x 𝑣𝑚𝑖𝑛 คือ ความเร็วต่าสุดในแกน x ซึ่งในตารางจะมีการแสดงผลค่าความสม่าเสมอของความเร็วเป็นการไล่ระดับสีจากสีแดงไป จนถึงสีเขียว โดยสีโทนร้อนที่สุดก็คือสีแดงจะหมายถึงค่า ความสม่าเสมอของความเร็วที่ต่าและสีโทน เย็นที่สุดก็คือสีเขียวจะหมายถึงค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่สูง ซึ่งจากตารางที่ 4.1 จะสามารถวิเคราะห์ได้ว่าแนวโน้มการเพิ่มขึ้นของ ค่าความสม่าเสมอของ ความเร็ว (%Uniformity) เมื่อเกิน 50% แนวโน้มการเพิ่มขึ้นจะเริ่มช้าลงเมื่อเทียบกับแนวโน้มการ เพิ่มขึ้นของระยะการไหล จึงได้ข้อสรุปว่าความสม่าเสมอของความเร็วการไหลจะพัฒนาเพิ่มขึ้นได้เร็ว ในช่วงแรกและเมื่อผ่านไปความสม่าเสมอของความเร็วการไหลการไหลจะพัฒนาช้าลง 60 จากตารางผลลั พธ์จะสังเกตเห็นว่าเมื่อระยะห่างของใบพัดนั้นมากขึ้น ระยะใช้งานที่ค่าความ สม่าเสมอน้อย (โซนสีแดง) จะมีความยาวมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ที่ระยะห่างใบพัด 1.5D โซนสีแดงจะ อยู่ถึงแค่ระยะใช้งาน 6D แต่ที่ระยะห่างใบพัด 2D โซนสีแดงจะยังคงอยู่จนถึงระยะใช้งาน 10D อัน เนื่องจากความเร็วการไหลระหว่างใบพัดในช่วงแรกนั้นลดลง ขณะที่ความเร็วบริเวณหน้าทางออกของ ใบพัดมีค่าประมาณคงเดิม ส่งผลให้ค่าความสม่าเสมอของความเร็วในช่วงแรกลดลง และเมื่อความเร็ว การไหลระหว่างใบพัดนั้นเพิ่มขึ้นแล้วค่าความสม่าเสมอของความเร็ว จึงมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น หลังจากทาการทดลองในช่วง 1.25D จนถึง 2D ไปแล้ว เพื่อต้องการตรวจสอบว่าเมื่อระยะห่าง ระหว่างใบพัดมากขึ้นช่วงของแนวโน้มที่ลดลงในช่วงแรกจะมีระยะเพิ่มขึ้นหรือไม่ จึงทดสอบโดยการ เลือกระยะห่างพัดลมมาเพิ่มขึ้นอีก 3 ระยะ คือ 3D, 4D, 5D แล้วแสดงเป็นตารางเปรียบเทียบค่า ความสม่าเสมอของความเร็ว ดังตารางที่ 4.2 ระยะใช้งาน ( จากหน้าใบพัด) ตารางที่ 4.2 แนวโน้มค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่ลดลง ระยะห่างระหว่างใบพัด (Center-to-center) 2D 3D 4D 5D 2D 39 37 34 32 4D 38 36 34 30 6D 37 35 33 29 8D 34 35 32 29 10D 33 33 31 28 12D 42 32 34 27 14D 49 30 30 28 16D 58 30 31 29 18D 66 36 30 29 20D 73 45 30 29 22D 79 54 32 28 24D 84 60 39 27 26D 88 66 47 33 จากตารางที่ 4.2 เป็นการแสดงค่าความสม่าเสมอของความเร็ว (%Uniformity) ในแต่ละ ระยะห่างระหว่างใบพัด (Center-to-Center) ตั้งแต่ 2D จนถึง 5D และระยะใช้งาน (จากหน้าใบพัด) ตั้งแต่ 2D จนถึง 30D ซึ่งในตารางจะเป็นการไล่ระดับสีของข้อมูลเช่นเดียวกับตารางที่ 4.1 จากตารางที่ 4.2 จะสรุปได้ว่าแนวโน้มค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่ลดลงในช่วงแรกนั้นมี ระยะมากขึ้นขึ้นซึ่งสังเกตจาก ระยะห่างระหว่างใบพัด 2D ที่ค่าความสม่าเสมอลดลงจนถึงระยะ10D ระยะห่างระหว่างใบพัด 3D ทีค่่าความสม่าเสมอลดลงจนถึงระยะ 18D ระยะห่างระหว่างใบพัด 4D ที่ ค่าความสม่าเสมอลดลงจนถึงระยะ 24D 61 จากการทดลองนี้ทาให้ได้ข้อสรุปว่าระยะห่างระหว่างใบพัด เท่ากับ 1.75D หรือเท่ากับ 0.196 m ที่ระยะใช้งาน (จากหน้าใบพัด) 26D หรือเท่ากับ 2.912 m ซึ่งมีค่าความสม่าเสมอของความเร็ว เท่ากับ 91% เหมาะสมที่สุดสาหรับการนาไปพัฒนาการออกแบบอุปกรณ์แบบโมดูลาร์และปรับปรุง ความสม่าเสมอของการไหลให้ดียิ่งขึ้น เนื่องจากความเร็วเฉลี่ยมากกว่ากับ 3 เมตรต่อวินาที ตาม ข้อกาหนดเมื่อเทียบกับระยะอื่น และได้พื้นที่หน้าตัดทดลองที่เหมาะสมและคุ้มค่าเมื่อเทียบกับระยะ อื่น 4.1.4 สรุปการจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติ จากขั้นตอนการจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสองมิติสามารถสรุปได้ดังนี้ 1) ระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างใบพัด: ระยะจากระยะห่างระหว่างใบพัด ของใบพัด เท่ากับ 1.75D หรือเท่ากับ 0.196 m และระยะห่างจากหน้าใบพัดเท่ากับ 26D หรือเท่ากับ 2.912 m ซึ่งในการตั้งค่านี้สามารถรักษาความสม่าเสมอของความเร็วได้ที่ 91% ทั้งนี้ ในขั้นตอนถัดไปจะมีการ พัฒนาเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มค่าความสม่าเสมอของความเร็วให้สูงขึ้น 4.2 ผลลัพธ์การจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณสามมิติ ในหัวข้อนี้จะเกี่ยวกับผลลัพธ์ที่ได้จากการจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณสามมิติ โดยจะมี ทั้งหมด 5 หัวข้อย่อย ซึ่งจะมีทั้งการวิเคราะห์ผลลัพธ์และการคิดสมการเพื่อใช้ในการพัฒนาให้ผลลัพธ์ ที่ได้นั้นดียิ่งขึ้น 4.2.1 ผลลัพธ์การทดลองสามมิติที่ 1 ความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ ในขั้นตอนจะเป็นทดลองเปรียบเทียบระหว่างการจาลองในสามมิติกับสองมิติที่ระยะห่า ง ระหว่างใบพัด เดียวกัน เท่ากับ 1.75D เพื่อวิเคราะห์หาความคลาดเคลื่อนจากการทดลองทั้งสอง เพื่อที่จะสามารถประมาณความเร็วการไหลในการในสามมิติได้ โดยจะเปรียบเทียบจากความเร็วและ ค่าความสม่าเสมอของความเร็วซึ่งผลลัพธ์ที่ได้มีดังนี้ 62 ตารางที่ 4.3 ตารางผลลัพธ์การหาความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ (สองมิติ) ตารางที่ 4.4 ตารางผลลัพธ์การหาความคลาดเคลื่อนระหว่างการจาลองสามมิติและสองมิติ (สามมิต)ิ รูปที่ 4.8 กราฟเปรียบเทียบค่าความสม่าเสมอของความเร็ว (%) ระหว่างการจาลองในสามมิติ(3D) และสองมิติ (2D) จากกราฟเปรียบเทียบสามารถสรุปได้ว่าค่าความเร็วในการจาลองสามมิตินั้นจะน้อยลงเมื่อ เทียบกับการจาลองในสองมิติซึ่งในการทดลองนี้ค่าความเร็วลดลงประมาณ 40% โดยที่ความเร็วนั้น จะน้อยกว่าในทุกระยะใช้งาน แต่ค่า ความสม่าเสมอนั้นจะน้อยกว่าในช่วงแรกเท่านั้นเมื่อระยะใช้งาน เพิ่มขึ้นถึงจุดหนึ่งค่าความสม่าเสมอจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งมีค่ามากกว่าการจาลองในสองมิติ 63 4.2.2 ผลลัพธ์การทดลองสามมิติที่ 2 การจาลองค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับระยะของสระว่าย น้า จากการการทดลองเปลี่ยนระยะที่เกี่ยวข้องกับสระว่ายน้า ได้แก่ ระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง ระยะจากขอบสระถึงทางเข้าใบพัด ระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ โดยผลลัพธ์ ที่ได้มีดังนี้ 1) ผลลัพธ์ที่ได้จากการจาลองระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง (a) รูปที่ 4.9 กราฟผลลัพธ์การจาลองระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง (a) จากผลการจาลองสามารถวิเคราะห์ได้ว่าหากระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง (a) มากขึ้นจะทาให้ค่าความสม่าเสมอของความเร็วนั้นมีค่าเพิ่มขึ้นตามด้วย สาเหตุเพราะว่าเมื่อระยะ (a) มากขึ้นทาให้ระยะที่น้าจะถูกวนกลับนั้นไกลมากขึ้น สามารถสรุป ได้ว่าหากต้องการค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่มาก ระยะจากขอบสระ ด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง (a) ต้องมีค่ามากขึ้นตาม ซึ่งส่งผลทาให้จานวนโมดูลที่สามารถต่อกันใน แนวตั้งนั้นถูกจากัดให้น้อยลงและหากต้องการเพิ่มโมดูลของอุปกรณ์ในแนวตั้ง ค่าความสม่าเสมอที่ได้ จะมีค่าน้อยลง ดังนั้นสรุปได้ว่า ระยะห่างระหว่างขอบสระด้านข้าง ด้านบน และด้านล่าง ควรมีค่า มากกว่า 10d เพื่อให้ได้ค่าความสม่าเสมอของความเร็วทีด่ีที่สุด 64 2) ผลลัพธ์ที่ได้จากการจาลองระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ (b) รูปที่ 4.10 กราฟผลลัพธ์การจาลองระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ (b) จากผลลัพธ์ที่ได้สามารถสรุปได้ว่าเมื่อ ระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ (b) มากขึ้น ค่าความ สม่าเสมอที่ได้มีค่าไม่แตกต่างกันจนมีนัยยะสาคัญ สามารถสรุปได้ว่า ระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระ (b) มากขึ้นไม่มีผลกระทบกับ ค่า ความ สม่าเสมออย่างมีนัยยะสาคัญดังนั้นสระมาตรฐานที่มีความยาวมากกว่าระยะที่ทดลองนี้จะไม่ส่งผล กระทบต่อค่าค่าความสม่าเสมอ หรือหากใช้งานในสระอื่น สระควรมีความยาวมากกว่า 40d เพื่อให้ได้ ค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่มากที่สุด 3) ผลลัพธ์ที่ได้จากการจาลองระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัด (c) รูปที่ 4.11 กราฟผลลัพธ์จากการจาลองระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัด (c) 65 จากกราฟจะสามารถวิเคราะห์ได้ว่าเมื่อระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัด (c) มากขึ้น ค่าความ สม่าเสมอของความเร็วที่ได้นั้นมีความแตกต่างกัน เล็กน้อย เนื่องจากเมื่อระยะทางน้าเข้าใบพัดมาก พอจะทาให้น้าที่เข้าใบพัดนั้นสม่าเสมอกันทุกใบพัด จากการจาลองสามารถสรุปได้ว่า เมื่อ ระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัด (c) มากขึ้น ค่าความ สม่าเสมอของความเร็วที่ได้นั้นไม่แตกต่างกัน ดังนั้นระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัดควรมี ค่า มากกว่า 5d เพื่อให้ได้ค่าความสม่าเสมอของความเร็วมากที่สุด 4) ทดลองระยะใช้งานจากหน้าใบพัดน้อยกว่า 5d หลังจากทาการทดลอง 3 การทดลองก่อนหน้า พบว่าค่าความสม่าเสมอของความเร็วมีค่ามาก สุดเมื่ออยู่ที่ระยะใช้จากหน้าเท่ากับ 5d จึงได้ทดลองวัดที่ระยะใช้งาน (จากหน้าใบพัด) น้อยกว่า 5d โดยเพิ่มการทดลองที่ระยะใช้งาน (จากหน้าใบพัด) เท่ากับ 2.5d ตารางที่ 4.5 ทดลองระยะใช้งานจากหน้าใบพัดน้อยกว่า 5d จากผลการทดลองพบว่าเมื่อทดลองระยะใช้งานจากหน้าใบพัดน้อยกว่า 5d ค่าความสม่าเสมอ ของความเร็วนั้นมีค่าลดลง ดังนั้นระยะใช้งาน (จากหน้าใบพัด) น้อยกว่า 5d ไม่เหมาะต่อการนามาใช้ งาน 4.2.3 การหาสมการในการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอของเร็วโดยปรับความเร็วของตัวขับดัน สมการนี้จะช่วยในการเพิ่มค่าความสม่าเสมอของความเร็วให้ใกล้เคียงกับข้อกาหนดมากที่สุด โดยสมการนี้ได้มากจากการวิเคราะห์ผลการทดลองและพารามิเตอร์ที่ได้ทาการทดลองมาก่อนหน้านี้ ซึ่งสมการมีดังนี้ 𝜔(𝑖𝑦 , 𝑖𝑥 ) = 𝜔𝑚𝑎𝑥 (1 − 𝜔 𝜔𝑚𝑎𝑥 𝑖𝑦 𝑖𝑥 𝑚 0.21(𝑖𝑦 +𝑖𝑥 −2) 𝑚+𝑛−2 ) คือ ความเร็วรอบของตัวขับดัน ณ ตาแหน่งที่ต้องการ คือ ความเร็วรอบสูงสุดของตัวขับดัน คือ แถว ณ ตาแหน่งนั้นที่ต้องการ คือ หลัก ณ ตาแหน่งนั้นที่ต้องการ คือ จานวนแถวทั้งหมด 66 (4.2) 𝑛 คือ จานวนหลักทั้งหมด ที่มาของสมการนี้มาจากการทดลองจนพบว่า ความเร็ว รอบของตัวขับดัน ที่น้อยที่สุดควรมี ค่าประมาณ 79% ของความเร็วรอบที่มากที่สุด โดยค่าที่ได้นี้ เป็นค่าที่เหมาะสมสาหรับการใช้งานใน การทดลอง 4.2.4. การทดลองสามมิติที่ 3 การทดลองปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากัน เมื่อจัดวาง อุปกรณ์แบบผืนผ้า สาหรับวิธีการทดลองนี้คือจะปรับความเร็วของตัวขับดันโดยคานวณจากสมการที่ 4.2 ซึ่ง ความเร็วที่ใช้มากที่สุดในการคานวณคือ 2900 RPM โดยตัวอย่างจานวนโมดูลที่ใช้คือ 4 x 2 โมดูลซึ่ง เป็นจานวนแบบผืนผ้า โดยการตั้งค่าและผลลัพธ์ที่ได้มีดังนี้ สาหรับวิธีการทดลองนี้คือจะปรับความเร็วของตัวขับดันโดยคานวณจากสมการที่ 4.2 ซึ่ง ความเร็วที่ใช้มากที่สุดในการคานวณคือ 2900 RPM โดยตัวอย่างจานวนโมดูลที่ใช้คือ 4 x 2 โมดูลซึ่ง เป็นจานวนแบบผืนผ้า โดยการตั้งค่าและผลลัพธ์ที่ได้มีดังนี้ รูปที่ 4.12 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 4 x 2 โมดูล ตารางที่ 4.6 ผลลัพธ์การทดลองของหัวข้อ 4.2.4 ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นว่าค่าความสม่าเสมอของความเร็วมีค่าสูงสุดที่ 92.9% ที่ตาแหน่งระยะ ทดลอง 0.56 m โดยมีความเร็วเฉลี่ยอยู่ที่ 4 เมตรต่อวินาที สาเหตุที่ค่าความสม่าเสมอของความเร็ว เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่มีการปรับความเร็วนั้น เกิดจากการที่ความเร็วการไหลบริเวณขอบนอก ของหน้าตัดอุปกรณ์เดิมมีค่าต่ากว่าบริเวณข้างใน ทาให้ความเร็วบนหน้าตัดมีความแตกต่างกันมาก เมื่อทาการปรับความเร็วบริเวณขอบนอกให้เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความเร็วในหน้าตัดมีความสม่าเสมอมาก ขึ้น จึงทาให้ค่าความสม่าเสมอของความเร็วสูงขึ้นตามไปด้วย 67 4.2.5. การทดลองสามมิติที่ 4 การทดลองปรับความเร็วของแต่ละตัวขับดันไม่เท่ากัน เมื่อจัดวาง อุปกรณ์แบบจัตุรัส สาหรับวิธีการทดลองนี้คือจะปรับความเร็วของตัวขับดันโดยคานวณจากสมการที่ 4.2 ซึ่ง ความเร็วรอบสูงที่สุดในแต่ละการทดลองที่ใช้ในการคานวณคือ 2900, 2000, 1200 RPM โดยตัวอย่าง จานวนโมดูลที่ใช้คือ 2 x 2 โมดูลซึ่งเป็นจานวนแบบจัตุรัส โดยการตั้งค่าและผลลัพธ์ที่ได้มีดังนี้ รูปที่ 4.13 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 2 x 2 โมดูล ที่ความเร็วการหมุน 2900 RPM รูปที่ 4.14 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 2 x 2 โมดูล ที่ความเร็วการหมุน 2000 RPM รูปที่ 4.15 ความเร็วรอบแต่ละตัวขับดันที่การทดลอง 2 x 2 โมดูล ที่ความเร็วการหมุน 1200 RPM ตารางที่ 4.7 ผลลัพธ์การทดลองที่ 4.2.5 ที่ความเร็วการหมุน 2900 RPM ตารางที่ 4.8 ผลลัพธ์การทดลองที่ 4.2.5 ความเร็วการหมุน 2000 RPM ระยะทดลอง(จากหน้าใบพั ด) ระยะทดลอง(จากหน้าใบพั ด) (m) ค่าความสมา่ เสมอของความเร็ว (%) ความเร็วเฉลีย่ (m/s) 2 x 2 โมดูล ทีค่ วามเร็วการหมุน 2000 RPM 5D 6D 7D 8D 9D 10D 0.56 0.672 0.784 0.896 1.008 1.12 94.72 96.27 96.53 94.22 91.69 89.42 2.80 2.80 2.78 2.76 2.73 2.70 68 ตารางที่ 4.9 ผลลัพธ์การทดลองที่ 4.2.5 ความเร็วการหมุน 1200 RPM จากผลลัพธ์การทดลองทั้ง 3 การทดลองนั้นจะพบว่าที่ระยะทดลอง (จากหน้าใบพัด) 0.56 m ทุกการ ทดลองนั้นมีค่าความสม่าเสมอของความเร็วที่ประมาณ 95% ซึ่งตรงกับเกณฑ์ข้อกาหนด แต่จะมี ความแตกต่างกันที่ความเร็วเฉลี่ยซึ่งจะขึ้นอยู่กับความเร็วการหมุนที่ใช้ในการคานวณ 4.2.3 สรุปการจาลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคานวณในสามมิติ 1) เมื่อเปลี่ยนการจาลองจากสองมิติมาเป็นสามมิติความเร็วการไหลจะลดลงประมาณ 40% และค่าความสม่าเสมอของความเร็วมีค่ามากขึ้นเมื่อระยะไกลไหลถึงจุดหนึ่ง 2) ระยะจากขอบสระด้านข้าง ด้านบน - ด้านล่าง ควรมีค่ามากกว่า 10D เพื่อได้ค่าความ สม่าเสมอของความเร็วมากกว่า 80% 3) ระยะจากหน้าใบพัดถึงขอบสระควรมีค่ามากกว่า 40D เพื่อได้ค่าความสม่าเสมอของ ความเร็วมากกว่า 80% 4) ระยะทางขอบสระถึงทางเข้าใบพัดควรมีค่ามากกว่า 5D เพื่อได้ค่าความสม่าเสมอของ ความเร็วมากกว่า 80% 5) ระยะใช้งานจากหน้าใบพัดที่เหมาะสมคือ 5D เนื่องจากเป็นระยะทีค่่าค่าความสม่าเสมอ มากที่สุด 6) ค่าความสม่าเสมอของความเร็วจะมีค่าเท่ากับหรือเกิน 95% ก็ต่อเมื่อใช้งานที่จานวนโมดูล สมมาตรกันและคานวณความเร็วการหมุนของแต่ละตัวขับดันด้วยสมการ 4.2 4.3 ผลลัพธ์การทดสอบความแข็งแรง 1) ผลลัพธ์การทดสอบสกรูที่ใช้ยึดระหว่างโครงสร้างกับตัวขับดัน โดยการทดสอบในโปรแกรมจะใส่โหลดที่หน้าตัวขับดันเพื่อเปรียบเสมือนแรงขับดันขณะใบพัด ทางาน ซึ่งผู้ผลิตระบุไว้ว่าเมื่อใบพัดทางานเต็มประสิทธิภาพแรงขับดันจะอยู่ที่ 24 กิโลกรัม ในการ ทดลองนี้จึงใส่โหลดเท่ากับ 500 นิวตัน โดยเผื่อแรงไว้ให้มากกว่าที่ผู้ผลิตระบุ 2 เท่า 69 รูปที่ 4.16 ผลลัพธ์การทดสอบ จากผลลัพธ์ที่ได้แรงที่มีมากที่สุดในสกรูแต่ละตัวคือ Axial Force มีค่าอยู่ที่ประมาณ 4160 N ซึ่งเมื่อเทียบกับค่ามาตรฐาน ISO 898 ที่ระบุไว้ว่าสกรู M4 สามารถรับแรง 8520 N ตามตารางที่ 3.8 ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่า สกรูที่ยึดอุปกรณ์ขับดันกับโครงสร้างสามารถรับแรงที่เกิดขึ้นเมื่อ อุปกรณ์ขับดันทางานเต็มประสิทธิภาพได้ ตารางที่ 4.10 Proof Load for Bolts (ISO 898) NOM. PITCH NOM. Proof Load THREAD OF THE STRESS 5.6 (N) 5.8 (N) 6.8 (N) 8.8 (N) 9.8 (N) 10.9 (N) 12.9 (N) DIA. THREAD AREA 3 0.5 5.03 1410 1910 2210 2920 3270 4180 4880 3.5 0.6 6.78 1900 2580 2980 3940 4410 5630 6580 4 0.7 8.78 2460 3340 3860 5110 5710 7290 8520 5 0.8 14.2 3980 5400 6250 8230 9230 11800 13800 6 1 20.1 5630 7640 8840 11600 13100 16700 19500 7 1 28.9 8090 11000 12700 16800 18800 23900 28000 8 1.25 36.6 10200 13900 16100 21200 23800 30400 35500 10 1.5 58 16200 22000 25500 33700 37700 48000 56300 12 1.75 84.3 23600 32000 37100 48900 54800 70000 81800 2) ผลลัพธ์การออกแบบจานวนขาปรับระดับที่เหมาะสมกับจานวนโมดูลที่ติดตั้ง จากการจาลองการรับแรงที่เกิดขึ้นจากน้าหนักของตัวขับดัน 300 N และแรงที่เกิดจากการ ทางานเมื่อใบพัดหมุน 500 N โดยใช้ขาปรับระดับน้าหนัก 2 ขา ได้ผลลัพธ์ดังนี้ 70 รูปที่ 4.17 ผลลัพธ์ความเค้นจากการทดสอบ รูปที่ 4.18 ผลลัพธ์ความเค้นจากการทดสอบ รูปที่ 4.19 ผลลัพธ์ระยะโก่งตัวจากการทดสอบ 71 จากการจาลองพบว่าบริเวณที่เกิดการโก่งตัวและความเค้นมากที่สุดคือบริเวณช่วงตรงกลางของ โครงสร้างเนื่องจากไม่มีจุดรับน้าหนักบริเวณที่โก่ง ซึ่งความเค้นมากที่สุดมีค่า 18.86 MPa ซึ่งน้อยกว่า ค่า Yield Strength สรุปได้ว่าโครงสร้างไม่เกิดความเสียหาย ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่าจานวน 1 ถึง 4 โมดูลสามารถใช้ขาปรับระดับในการรับน้าหนักเพียง 2 ขาได้ โดยที่ไม่เกิดความเสียหายต่อโครงสร้าง 72 บทที่ 5 สรุป 5.1 ผลสรุปด้านประสิทธิภาพ การทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างการไหล สม่าเสมอตามข้อกาหนดที่ตั้งไว้ โดยเน้น ที่ความเร็วและความสม่าเสมอของการไหลในพื้นที่หน้าตัด ทดลองที่กาหนด รวมถึงการติดตั้งในสภาพแวดล้อมจริง เช่น สระว่ายน้ามาตรฐาน FINA ผลลัพธ์ที่ได้ จากการจาลองและทดสอบจริงบ่งชี้ว่าเครื่องนี้ตอบโจทย์การใช้งานตามข้อกาหนดของโครงงาน 1. การสร้างการไหลสม่าเสมอ: สามารถสร้างการไหลในพื้นทีห่ น้าตัดทดลอง 0.2 x 0.2 เมตร ที่ ระยะห่างจากหน้า ใบพัด ในช่ว ง 0.5 เมตร ถึง 0.7 เมตร ซึ่ง มีความเร็ว การไหลสู ง กว่า ข้อกาหนดขั้นต่า 3 เมตรต่อวินาที 2. ความสม่าเสมอของความเร็ว: ค่าความสม่าเสมอของความเร็วจะมีค่ามากกว่า 95% หรือค่า คลาดเคลื่อนต่ากว่า 5% ตามข้อกาหนดที่ตั้งไว้ เมื่อใช้งานในจานวนโมดูลที่สมมาตรกัน 3. การปรับแต่งโมดูล: อุปกรณ์สามารถใช้งานแบบโมดูลาร์ได้ โดยการนาอุปกรณ์มาต่อกัน มากกว่า 1 โมดูล อุปกรณ์จะสามารถปรับความเร็วรอบของตัวขับดันตามสมการที่ 4.2 ซึ่งจะ ได้ความเร็วตามข้อกาหนดและค่าความสม่าเสมอของความเร็วจะอยู่ ในช่วง 90% ถึง 95% ในบางกรณี (ตัวอย่างการทดลองในหัวข้อที่ 4.2.4) 4. การติดตั้งในสระ: เพื่อให้ได้ ค่าความสม่าเสมอของความเร็วตรงตามข้อกาหนดต้องติดตั้ง อุปกรณ์โดยเว้นระยะจากก้นสระ ผิวน้า และขอบสระแต่ละด้านตามการทดลอง (ตัวอย่าง การทดลองในหัวข้อที่ 4.2.2) 5.2 ผลสรุปด้านโครงสร้าง การออกแบบโครงสร้างของอุป กรณ์ ซึ่ง เน้นที่ความแข็งแรงและความยืดหยุ่นในการใช้งาน โดย คานึงถึงข้อกาหนดด้านการออกแบบโมดูลาร์และความทนทานต่อสภาวะการทางานจริง ผลจากการ วิเคราะห์ด้วย SolidWorks และการทดสอบเบื้องต้นยืนยันว่าโครงสร้างนี้สามารถตอบสนองความ ต้องการทั้งด้านการขยายขนาดและการประกอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ 1. การออกแบบโมดูลาร์: แต่ละโมดูลใช้ตัวขับดัน 4 ตัว และสามารถขยายหน้าตัดทดลองได้ตาม ความต้องการของการทดสอบ โดยการนาโมดูลมาต่อเพิ่มเติม 2. ความยืดหยุ่นของโครงสร้าง: อุปกรณ์สามารถปรับระดับความสูงของตัวขับดันและโครงสร้าง ส่วนรับน้าหนักได้ ทาให้รองรับสระที่มีความลึกแตกต่างกัน 73 3. การถอดประกอบ: ใช้น็อตและสกรูยึดโครงสร้าง ทาให้ถอดประกอบง่ายและรวดเร็ว ลดความ ซับซ้อนในการติดตั้ง 4. วัสดุและต้นทุน: ใช้วัสดุที่หาซื้อได้ตามท้องตลาดและราคาอยู่ในเกณฑ์ข้อจากัด 74 เอกสารอ้างอิง [1] Yunus A Cengel, John M. Cimbala, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications , 3rd edition, McGraw-Hill, New York, 2014, pp. 351-353. [2] Frank M. White, Fluid Mechanics, 7th edition, McGraw-Hill, New York, 2011, pp. 403408 [3] L. Daniel, S. Mohagheghian, D. Dunlap, E. Ruhlmann, and B. R. Elbing, “Design of a Recirculating Water Tunnel for the Study of High-Reynolds Number Turbulent Boundary Layers,”International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE2015), Houston, Texas, 2015, pp. 7 [4] James C. Liao, “A review of fish swimming mechanics and behaviour in altered flows,” Department of Neurobiology and Behaviour, Cornell University, Ithaca, NY 1480, USA, 2007,pp. 9, 13 [5] รศ.ดร.วิ บู ล ย์ บุ ญ ยธโรกุ ล , มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ [Online], Available: https://irre.ku.ac.th/books/pdf/64.pdf [4 สิงหาคม 2567]. [6] ISO 5167-1. Measurement of fluid flow by means of pressuredifferential devices, ISO Geneve, 2003 [7] Andrea Frattolillo, Nicola Massarotti, Flow conditioners efficiency a comparison based on numerical approach, Dipartimento di Meccanica, Strutture, Ambientee Territorio, Universita` degli Studi di Cassino, via G. Di Biasio 43, 03043 Cassino, Italy, 2002, pp. 3-10 [8] Seyyed Mostafa Seyyedi, Rouzbeh Shafaghat, “Design Algorithm of a Free Surface Water Tunnel to Test the Surface-Piercing Propellers (SPP); Case Study Water Tunnel of Babol Noshirvani University of Technology,” Babol Noshirvani University of Technology, 2016, pp. 10 [9] Anish, Types of Propellers and Construction of Propellers [Online], Available: https://www.marineinsight.com/naval-architecture/propeller-types-of-propellers-andconstruction-of-propellers/ [2 สิงหาคม 2567]. 75 [10] Roger Golden, The Effects of a Larger Diameter for a Boat Prop [Online], Available: https://goneoutdoors.com/effects-larger-diameter-boat-prop-6775152.html [6 สิงหาคม 2567]. [11] S. Nava, P. Bot, J. Cater and S. E. Norris, Modelling the Lift Crisis of a Cambered Plate at 0◦ Angle of Attack, Department of Mechanical Engineering University of Auckland, Auckland 1142, New Zealand, 2016, pp. 2 76 ภาคผนวก 1. ที่มาของสมการสมการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอ สมการปรับปรุงค่าความสม่าเสมอของเร็วโดยปรับความเร็วของตัวขับดัน (สมการที่ 4.2) 𝜔 𝜔𝑚𝑎𝑥 𝑟 𝑐 𝑚 𝑛 เพราะฉะนั้นจะได้ กาหนดให้ จะได้ กาหนดให้ คือ ความเร็วรอบของตัวขับดัน ณ ตาแหน่งที่ต้องการ คือ ความเร็วรอบสูงสุดของตัวขับดัน คือ แถว ณ ตาแหน่งนั้นที่ต้องการ คือ หลัก ณ ตาแหน่งนั้นที่ต้องการ คือ จานวนแถวทั้งหมด คือ จานวนหลักทั้งหมด 𝜔(𝑟) = 𝜔𝑚𝑎𝑥 − 𝑎(𝑟 − 1) 𝜔(𝑐) = 𝜔𝑚𝑎𝑥 − 𝑏(𝑐 − 1) 𝜔(𝑟, 𝑐) = 𝜔𝑚𝑎𝑥 − 𝑎(𝑟 − 1) − 𝑏(𝑐 − 1) 𝜔(𝑚, 𝑛) = 0.79𝜔𝑚𝑎𝑥 𝜔𝑚𝑎𝑥 − 𝑎(𝑚 − 1) − 𝑏(𝑛 − 1) = 0.79𝜔𝑚𝑎𝑥 𝑎=𝑏 𝜔𝑚𝑎𝑥 − 𝑎(𝑚 + 𝑛 − 2) = 0.79𝜔𝑚𝑎𝑥 𝑎(𝑚 + 𝑛 − 2) = 0.21𝜔𝑚𝑎𝑥 0.21𝜔𝑚𝑎𝑥 𝑎= =𝑏 (𝑚 + 𝑛 − 2) สุดท้ายจะได้ 𝜔(𝑟, 𝑐) = 𝜔𝑚𝑎𝑥 (1 − 77 0.21(𝑟 + 𝑐 − 2) ) 𝑚+𝑛−2

Abstract

Uniform water flow is essential for experiments in engineering and biology such as testing hydrofoils and the movement patterns of aquatic animals. This project aims to develop a device that produces uniform water flow in open environments and supports modular assembly to meet these needs while compensating the limitations of water tunnels which are costly enclosed and restricted in space. This project uses ANSYS software to study 3D flow simulation and seeks accurate results by calculating the propeller’s rotational speed and testing range to maintain uniform flow at a minimum of 3 meters per second. The device is designed to expand its working area with modular additions. SOLIDWORKS is used to design the device’s structure and ensure it meets constraints in the working area, durability and cost. The simulation achieved its goals with a test section of 0.2 x 0.2 m and uniform flow above 3 meters per second with a deviation rate below 5% when using the number of symmetric modules. This demonstrates the device’s ability to provide uniform flow for practical use.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

TF-2567-014

ชื่อเรื่อง

การออกแบบอุปกรณ์สร้างกระแสน้ำความเร็วสม่ำเสมอในบริเวณเปิด / Design of Device for Creating Uniform Water Flow in Open Areas

ผู้จัดทำ

ปรศก คณะศิริวงค์, ชิษณุพงศ์ มากแก้ว, ชิษณุพงศ์ โสภาแปง, วชิรวิชญ์ เครือวัลย์

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.ต้นคิด จันทรัศมี

ปีการศึกษา

2567 (C.E. 2024)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2o8qm008e0gyrkwq7n19d