Có nên lắp Thanh Xoắn Ốc cho Ống Khói? (Helical Strakes)

Chắc hẳn bạn đã từng thấy những chiếc ống khói cao, và đôi khi trên thân chúng có những thanh xoắn ốc trông rất lạ. Những thanh xoắn đó được gọi là “Helical Strakes”. Vậy chúng có tác dụng gì, và tại sao các kỹ sư lại cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi lắp đặt chúng? Bài viết này sẽ giải thích một cách dễ hiểu.

Helical Strakes là gì và dùng để làm gì?

Những ống khói cao khi gặp gió thổi ngang qua có thể tạo ra các rung động mạnh, gọi là rung động xoáy (Vortex Induced Vibration – VIV). Về lâu dài, những rung động này có thể làm hỏng kết cấu của ống khói.

Helical Strakes chính là những thanh kim loại được gắn theo dạng xoắn ốc lên thân ống khói. Mục đích chính của chúng là ngăn chặn các rung động xoáy (VIV) này, giúp ống khói đứng vững hơn.

Nhưng có một vấn đề lớn…

Mặc dù giúp giảm rung động hiệu quả, các thanh xoắn ốc này lại tạo ra một nhược điểm rất đáng kể: chúng làm tăng lực cản (drag) và lực đẩy ngang (side force) của gió lên ống khói một cách khổng lồ.

Điều này có nghĩa là toàn bộ kết cấu của ống khói (phần móng, thân, v.v.) phải được thiết kế để chịu được những lực lớn hơn rất nhiều, dẫn đến chi phí xây dựng sẽ tăng lên.

So sánh bằng mô phỏng trên máy tính

Để thấy rõ sự khác biệt, các kỹ sư đã sử dụng phần mềm mô phỏng dòng chảy (CFD) để so sánh hai trường hợp: Ống khói trơn (bề mặt nhẵn) và Ống khói có gắn Helical Strakes.

Các thông số mô phỏng:

• Đường kính ống khói: 2 m
• Chiều cao: 20 m
• Tốc độ gió: 22 m/s (khoảng 80 km/h – một cơn gió khá mạnh)

Kết quả so sánh

1. Lực Đẩy Ngang (Side Force)

• Ống khói có xoắn ốc: Lực đẩy ngang trung bình cao hơn gấp 3 lần (~300%) so với ống khói trơn.
• Tần số rung động (VIV) thấp hơn, nhưng biên độ lực lại lớn hơn rất nhiều.

2. Lực Cản (Drag Force)

• Ống khói có xoắn ốc: Lực cản (sức gió đẩy ngang thân ống) tăng gấp đôi (~200%) so với ống khói trơn.

Kết luận quan trọng

1. Đánh đổi: Việc lắp đặt thanh xoắn ốc là một sự “đánh đổi”. Bạn giảm được rung động xoáy (VIV) nhưng lại phải chấp nhận lực cản và lực đẩy ngang tăng lên rất cao.
2. Thiết kế kết cấu: Các kỹ sư thiết kế phải tính toán cực kỳ cẩn thận. Hệ thống móng và thân ống khói phải đủ chắc chắn để chịu được những lực lớn hơn này, nếu không sẽ rất nguy hiểm.

Lưu ý: Bài mô phỏng này chưa tính đến sự tương tác đầy đủ giữa gió và độ rung của công trình. Nếu tần số rung động trùng với tần số tự nhiên của ống khói, rung động có thể còn mạnh hơn nữa.

Tóm lại, Helical Strakes là một giải pháp hữu hiệu nhưng cũng đi kèm với cái giá không hề nhỏ. Việc quyết định có sử dụng chúng hay không cần dựa trên một sự cân nhắc kỹ lưỡng giữa rủi ro và chi phí.