BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP GIANG QUỐC NAM NGHIÊN CỨU TỐI ƯU MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 B[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP GIANG QUỐC NAM NGHIÊN CỨU TỐI ƯU MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP GIANG QUỐC NAM NGHIÊN CỨU TỐI ƯU MỘT SỐ THƠNG SỐ CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIĨ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9.52.01.03 Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: TS Phạm Văn Tỉn Hướng dẫn 2: TS Trần Văn Tưởng HÀ NỘI, NĂM 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn khoa học TS Phạm Văn Tỉnh TS Trần Văn Tưởng Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày …… tháng năm 2023 Người hướng dẫn khoa học TS Phạm Văn Tỉnh TS Trần Văn Tưởng Tác giả luận án Giang Quốc Nam LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, quan nhiệt tình giúp đỡ tơi hồn thành luận án khoa học Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Tỉnh TS Trần Văn Tưởng với ý kiến đóng góp quan trọng dẫn khoa học quý giá trình thực cơng trình nghiên cứu Trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp, Phòng Đào tạo sau đại học giúp đỡ tạo điều kiện để tơi hồn thành luận án Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Hịa Bình, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Trân trọng cảm ơn tập thể, lãnh đạo Khoa Cơ điện Cơng trình, Bộ môn Công nghệ máy chuyên dùng Trường Đại học Lâm nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Trân trọng cảm ơn nhà khoa học Trường Đại học Lâm nghiệp, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Đại học công nghiệp Hà Nội, Đại học Phòng cháy chữa cháy, Học viện Kỹ thuật quân sự, Câu lạc Cơ khí động lực… đóng góp ý kiến q báu để tơi hồn thành luận án Tác giả luận án Giang Quốc Nam MỤC LỤC Lời cam đoan …………………………………………………………… i Lời cảm ơn ……………………………………………………………… ii Mục lục …………………………………………………………………… iii Danh mục hình ….………………………………………………………… vii Danh mục bảng …………………………………………………………… x Danh mục ký hiệu viết tắt ………………………………………… xii Mở đầu …………………………………………………………………… 1 Đặt vấn đề …………………………………………………………… Mục đích nghiên cứu luận án ……………………………………… Những đóng góp luận án ……………………………………… 4 Ý nghĩa khoa học luận án …………………………………………… Ý nghĩa thực tiễn luận án …………………………………………… Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu …………………………… 1.1 Đặc điểm nguyên lý trình cháy rừng ……………………… 1.1.1 Tình hình cháy rừng giới Việt Nam …………………… 1.1.2 Đặc điểm điều kiện hoạt động thiết bị chữa cháy rừng … 1.1.3 Đặc điểm trình cháy rừng ………………………………… 10 1.1.4 Nguyên lý trình chữa cháy ………………………………… 14 1.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ thiết bị chữa cháy rừng ………… 20 1.2.1 Khái quát công nghệ chữa cháy rừng 20 1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu thiết bị chữa cháy rừng quạt gió ly tâm cao áp giới 22 1.2.3 Các công trình nghiên cứu thiết bị chữa cháy rừng Việt Nam … 28 1.3 Mục tiêu, nội dung, đối tượng phương pháp nghiên cứu 33 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu luận án …………………………………… 33 1.3.2 Nội dung nghiên cứu luận án …………………………………… 33 1.3.3 Đối tượng nghiên cứu 34 1.3.4 Phương pháp nghiên cứu …………………………………………… 38 Chương Cơ sở khoa học xác định thông số tối ưu máy chữa cháy rừng sức gió ………………………………………………… 40 2.1 Đặc điểm yêu cầu quạt gió cao áp lắp máy chữa cháy sức gió ……………………………………………………………………… 40 2.1.1 Đặc điểm q trình hoạt động quạt gió cao áp lắp máy chữa cháy rừng sức gió ……………………………………………… 40 2.1.2 Yêu cần kỹ thuật máy chữa cháy rừng sức gió …………… 41 2.2 Cấu tạo thơng số quạt gió cao áp 41 2.2.1 Cấu tạo quạt gió cao áp sử dụng để lắp máy chữa cháy rừng sức gió 41 2.2.2 Các thông số kết cấu quạt gió …………………………… 42 2.3 Cơ sở lý thuyết tính tốn quạt gió cao áp 43 2.3.1 Phương trình liên tục dịng khí ………………………………… 43 2.3.2 Phương trình lượng …………………………………………… 45 2.3.3 Chuyển động phần tử chất khí máy chữa cháy rừng sức gió …………………………………………………………………… 47 2.4 Xây dựng mơ hình tính tốn động lực học bánh guồng quạt gió cao áp để lắp máy chữa cháy rừng sức gió …………………….…… 54 2.4.1 Xây dựng mơ hình tính tốn áp lực quạt gió cao áp …………… 54 2.4.2 Thiết lập phương trình tính tốn áp lực quạt gió cao áp ……… 56 2.5 Thiết lập phương trình mặt cong cánh quạt vỏ quạt ……………… 60 2.5.1 Xây dựng mô hình thiết lập phương trình mặt cong cánh quạt …… 60 2.5.2 Xây dựng phương trình mặt cánh quạt R3 …………………… 63 2.5.3 Xây dựng phương trình đường cong quanh vỏ quạt ……………… 67 2.6 Tính tốn số lượng cánh quạt quạt gió cao áp …………………… 68 2.7 Tính tốn cơng suất động máy chữa cháy rừng sức gió …… 69 Chương Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến động lực học quạt gió cao áp máy chữa cháy rừng sức gió ………………………… 71 3.1 Khảo sát đơn yếu tố số thông số cánh quạt ảnh hưởng đến vận tốc áp lực dịng khí …………………………………………………… 71 3.1.1 Phần mềm khảo sát ………………………………………………… 71 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng góc lắp ráp đầu đến vận tốc áp lực dịng khí đầu quạt gió ……………………………………………… 72 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng góc lắp ráp đầu vào đến vận tốc áp lực dịng khơng khí đầu quạt gió ……………………………………… 73 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng bán kính cong cánh quạt đến vận tốc áp lực khơng khí đầu quạt gió ……………………………………… 3.2 Khảo sát đa yếu tố ảnh hưởng thông số cánh quạt đến vận tốc áp lực khơng khí đầu quạt gió …………………………………… 75 76 3.2.1 Thơng số đầu vào để khảo sát ……………………………………… 76 3.2.2 Lựa chọn phần mềm để khảo sát …………………………………… 77 3.2.3 Kết khảo sát ảnh hưởng bán kính cong cánh quạt đến vận tốc, lưu lượng áp lực quạt gió ………………………………………… 78 3.3 Xây dựng đường đặc tính quạt gió cao áp để lắp vào máy chữa cháy rừng sức gió …………………………………………………… 80 3.4 Xác định số thơng số hợp lý máy chữa cháy rừng sức gió 81 Chương Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mô hình tính tốn lý thuyết xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng sức gió ……………………………………………………………… 83 4.1 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu thực nghiệm ………………………… 83 4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ………………………………… 83 4.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu ……………………………………………… 84 4.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ………………………………… 84 4.3 Phương pháp xác định đại lượng nghiên cứu …………………… 85 4.3.1 Phương pháp xác định vận tốc dịng khơng khí phun miệng ống thổi ………………………………………………………………… 85 4.3.2 Phương pháp xác định áp lực quạt gió ……………………………… 86 4.3.3 Thiết bị, dụng cụ đo áp lực vận tốc khơng khí phun vào đám cháy 87 4.3.4 Thiết bị khuếch đại 89 4.4 Kết nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mơ hình tính tốn lý thuyết 90 4.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm 90 4.4.2 Tổ chức tiến hành thí nghiệm 91 4.4.3 Kiểm chứng mơ hình tính toán lý thuyết …………………………… 94 4.5 Xác định số thông số tối ưu máy chữa cháy rừng sức gió 97 4.5.1 Chọn phương pháp nghiên cứu …………………………………… 97 4.5.2 Phương pháp xử lý kết thí nghiệm ……………………………… 99 4.5.3 Kết thí nghiệm đơn yếu tố ……………………………………… 104 4.5.4 Kết thực nghiệm đa yếu tố ……………………………………… 114 4.6 Xác định giá trị tối ưu thông số ảnh hưởng ……………………… 122 4.6.1 Phương pháp tìm giá trị tối ưu thơng số đầu vào ……………… 122 4.6.2 Kết giải toán tối ưu theo phương pháp hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát 123 4.7 Xác định công suất động 124 4.8 Thông số kỹ thuật máy chữa cháy rừng sức gió tính tốn tối ưu hồn thiện ………………………………………………… 125 Kết luận kiến nghị …………………………………………………… 128 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………… 130 Các báo công bố kết luận án ………………………… 138 Phụ lục …………………………………………………………………… 139 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cháy rừng Hà Tĩnh …………………………………………… Hình 1.2: Sử dụng máy chữa cháy rừng khơng khí để dập lửa ……… 10 Hình 1.3 Cấu trúc lửa khuyếch tán cháy rừng …………………… 11 Hình 1.4: Sự phụ thuộc vận tốc lan truyền lửa bề mặt chất rắn nhiệt độ ban đầu ………………………………………………… 12 Hình 1.5: Sự phụ thuộc vận tốc lan truyền lửa góc nghiêng … 13 Hình 1.6: Sơ đồ tam giác cháy …………………………………………… 17 Hình 1.7: Máy chữa cháy rừng sức gió MBH - 29 Trung Quốc … 24 Hình 1.8: Máy chữa cháy rừng sức gió đề tài cấp thiết kế chế tạo… 31 Hình 1.9: Các thiết bị chữa cháy rừng đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo ………………………………………… 31 Hình 1.10: Cấu tạo máy chữa cháy rừng sức gió đề tài trọng điểm cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 thiết kế chế tạo ……………………… 34 Hình 1.11: Máy chữa cháy rừng sức gió chữa cháy rừng ngồi thực tế 35 Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo thiết bị chữa cháy rừng sức gió …………… 35 Hình 2.1: Cấu tạo quạt gió cao áp ……………………………………… 42 Hình 2.2: Kết cấu quạt gió cao áp 42 Hình 2.3: Mơ hình tính tốn dịng khí liên tục ……………………………… 44 Hình 2.4: Mơ hình đường dịng chất lưu ……………………………… 48 Hình 2.5: Mơ hình phần tử hữu hạn để tính tốn phần tử chất khí quạt gió …………………………………………………………………… 51 Hình 2.6: Sơ đồ sai phân tính tốn phần tử khí …………………………… 53 Hình 2.7: Mơ hình tính tốn động lực học bánh guồng quạt gió cao áp …… 55 Hình 2.8: Sơ đồ tính tốn áp lực dịng khí bánh guồng quạt gió cao áp… 56 Hình 2.9: Cấu tạo vỏ quạt gió cao áp ……………………………………… 61 Hình 2.10: Cấu tạo bánh guồng ………………………………………… 61 Hình 2.11: Mơ hình xây dựng mặt cong cánh quạt ………………………… 62 Hình 2.12: Sơ đồ tính tốn thơng số cánh quạt gió cao áp ………………… 62 Hình 2.13: Hệ trục tọa độ để thiết lập phương trình ………………………… 64 Hình 3.1: Sơ đồ khối khảo sát ảnh hưởng tham số kết cấu đến tham số động lực học cánh quạt gió cao áp 71 Hình 3.2: Ảnh hưởng góc lắp ráp đầu đến vận tốc dịng khí ………… 72 Hình 3.3: Ảnh hưởng góc lắp ráp đầu đến áp lực dịng khí ………… 73 Hình 3.4: Ảnh hưởng góc lắp ráp đầu vào đến vận tốc dịng khơng khí đầu quạt gió ……………………………………………………………… 74 Hình 3.5: Ảnh hưởng góc lắp ráp đầu vào đến áp lực dịng khơng khí đầu quạt gió ……………………………………………………………… 74 Hình 3.6: Ảnh hưởng bán kính cong cánh quạt đến vận tốc dịng khơng khí ………………………………………………………………… 75 Hình 3.7: Ảnh hưởng bán kính cong cánh quạt đến áp lực dịng khơng khí ………………………………………………………………… 76 Hình 3.8: Kết mơ vận tốc dịng khí …………………………… 78 Hình 3.9: Kết mơ áp suất dịng khí ……………………………… 79 Hình 3.10: Đồ thị đường đặc tính quạt gió cao áp để lắp vào máy chữa cháy rừng sức gió …………………………………………………… 80 Hình 4.1: Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm ………………………………… 85 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí thiết bị đo vận tốc dịng khơng khí 85 Hình 4.3: Sơ đồ tổng quát đo đại lượng không điện điện 86 Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc dạng khối thiết bị thí nghiệm đo áp lực dịng khơng khí phun miệng ống thổi ………………………………………… 86 Hình 4.5: Sơ đồ đo áp lực khơng khí phun vào đám cháy 87 Hình 4.6: Encoder đếm số vịng quay cánh quạt gió 88 141 142 143 144 145 PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOẠ ĐỘ CÁC ĐIỂM TRÊN MẶT CÁNH QUẠT function Mat_cong_canh_quat clc; son=0 ; %+++++++++++++++++++++++++++++++++ Ten_ghi =['Toa_do_canh_quat_MO_PHONG.xlsx']; ghi=0; ghi_2=0; ve=1; D1 =14.9 ; D2 = 19.2; % Duong kinh va ngoai dia quat R1=D1/2 ; R2=D2/2; bay = R2-R1 a=5.2; b=5.6; % chieu cao canh quat (hai ben) num=xlsread(['Toa_do_canh_quat_MO_PHONG.xlsx'],'Sheet1'); Mang=zeros(); for i=1:27 for j=1:5 Mang(i,j)= num(i,j); end end %+++++++++++++++++++++++++++++++++ for Bay=1:25 son = Bay+1; sheet_ghi = 'sheet'; Dat= strcat(sheet_ghi,int2str(son)) sheet_ghi = Dat r0 = Mang(Bay,2); % r0 - bán kinh cong canh quat Gama00 = Mang(Bay,3) ;% Goc xoan vo canh quat tính theo (tai dinh canh b) Beta_do = Mang(Bay,4) % goc mo tai chan canh quat, Beta_rad = Beta_do*pi/180; canh=Mang(Bay,5) ; % so canh quat %+++++++++++++++++++++++ Gama0 = Gama00*pi/180; 146 Gama1 = Gama0*a/b % Goc xoan vo canh quat (tai dinh canh a - canh dau vao) L0 = R2*cos(Beta_rad) - sqrt(R1^2 -R2^2*(sin(Beta_rad))^2); anfa0 =2*asin(0.5*L0/r0); % goc cung canh quat voi ban kinh r0 goc_anfa = anfa0*180/pi ; % tinh xa=r0; ya =0 ; xb= r0*cos(anfa0) ; yb= r0*sin(anfa0); %++++++++++++++++++++++++++++++++ M = 20 ; % so diem chia theo chieu cao z canh a N = 7; % so diem chia theo goc anfa - cung ngang canh del_a = a/(M-1); Mg_x = zeros(); Mg_y = zeros(); Mg_z = zeros(); for k=1:M gama = Gama1* (k-1)*del_a/a; L = R2*cos(Beta_rad+gama) - sqrt(R1^2 R2^2*(sin(Beta_rad+gama))^2); anfa =2*asin(0.5*L/r0); del_phi = anfa/(N-1); for i=1:N phi=(i-1)*del_phi; TG1=zeros(); TG2=zeros() ; TG3=zeros(); TG1= [cos(gama) sin(gama) ; -sin(gama) cos(gama)]; TG2= [r0*cos(phi); r0*sin(phi)]; TG0= [r0*(1 - cos(gama)) ; r0*sin(gama)]; TG3 = TG1* TG2 + TG0; Mg_x(k,i) = TG3(1,1); Mg_y(k,i)= TG3(2,1); Mg_z(k,i) = (k-1)*del_a; end end %+++++++++++++++++++++++++++++ del_ab = (b-a)/(N-1); for k=1:N tgz = (k-1)*del_ab +a; 147 gama =(Gama0- Gama1)* (k-1)*del_ab/(b-a)+ Gama1; L = R2*cos(Beta_rad+gama) - sqrt(R1^2 R2^2*(sin(Beta_rad+gama))^2); anfa =2*asin(0.5*L/r0); del_phi = anfa/(N-1); for i=1:N phi=(i-1)*del_phi; TG1=zeros(); TG2=zeros() ; TG3=zeros(); TG1= [cos(gama) sin(gama) ; -sin(gama) cos(gama)]; TG2= [r0*cos(phi); r0*sin(phi)]; TG0= [r0*(1 - cos(gama)) ; r0*sin(gama)]; TG3 = TG1* TG2 + TG0; M_z(k,i)=tgz; M_x(k,i) = TG3(1,1); M_y(k,i)= TG3(2,1); end end M0=1 ; for j=1:N-1 for k=1:N if k >= M0+j M_z(k,j)=M_z(M0+j-1,j); M_x(k,j)=M_x(M0+j-1,j); M_y(k,j)=M_y(M0+j-1,j); end end end %++++++++++++++++++++++++++++++++++++ % Ghep hai ma tran Mang_x=[Mg_x; M_x] ; Mang_y=[Mg_y ; M_y]; Mang_z=[Mg_z ; M_z]; %+++++++++++++++++++++++++++++++++ x1 = 0; y1 =yb+R1; % Toa gan dung ban dau cua tam dia quat delx = 0; dely=0; i=0; dung = 0; eps = 10^(-10); % sai so tinh tam dia quat while dung == i = i+1; 148 x= x1 ; y=y1; f1= (x-xa)^2 +(y-ya)^2 - R2^2 ; f2=(x-xb)^2 +(y-yb)^2 - R1^2; DeL = (x-xa)*(y-yb)-(x-xb)*(y-ya); DeL1 = -0.5*f1*(y-yb)+0.5*f2*(y-ya); DeL2 = -0.5*f2*(x-xa)+0.5*f1*(x-xb); delx = DeL1/DeL ; x1 = x1+delx ; dely=DeL2/DeL; y1=y1+dely; SaiSo = sqrt(f1^2+f2^2); if (i>20)| (SaiSo < eps) dung =1; end end h1 = xb-xa ; p1 =yb*y1 + h1*x1; p2=yb*xa; del = -h1*h1 -yb^2; delx= -p1*h1-p2*yb; dely= h1*p2-yb*p1; xM= delx/del ; yM=dely/del; x2 = 2*xM -x1 ; y2= 2*yM-y1; if x1