Luận án tiến sĩ Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu, ứng dụng dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun

Như vậy, việc “Nghiên cứu, ứng dụng dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun” bước đầu cho thấy đã mang lại những hiệu quả thiết thực, phù hợp với những loại cây trồng mềm

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Phản biện 1: PGS TS Mai Đức Thành Phản biện 2: PGS TS Trần Thiên Phúc Phản biện 3: TS Dương Thái Công NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 PGS TS Nguyễn Thanh Nam 2 PGS TS Trần Thị Hồng

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất cứ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

Tác giả luận án

Võ Tuyển

Trang 4

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Một trong những tiêu chí cơ bản của kỹ thuật tưới phun là phải thỏa mãn tốt nhất nhu cầu sinh lý của cây trồng từ bề mặt lá đến thân, rễ và đặc biệt là tăng năng suất, chất lượng của các loại cây trồng; đồng thời phải đảm bảo tiết kiệm nước và tiết kiệm năng lượng Việc ứng dụng hiệu ứng xoáy trong kỹ thuật tưới phun cho thấy những ưu điểm là cho tầm phun mưa rộng khi hệ số xoáy cao, làm tăng hiệu quả sử dụng nước; lượng mưa phân đồng đều trên diện tích tưới, giúp duy trì độ ẩm tối ưu; cỡ hạt mưa nhỏ, giúp cây trồng và đất đai có thể hấp thụ một cách triệt để, hạn chế được tổn thất nước; đồng thời, sử dụng áp lực làm việc không lớn, lưu lượng đòi hỏi không cao nên tiết kiệm nước, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm công sức của người lao động Như

vậy, việc “Nghiên cứu, ứng dụng dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới

phun” bước đầu cho thấy đã mang lại những hiệu quả thiết thực, phù hợp với những

loại cây trồng mềm yếu như hoa, vườn ươm, cây trồng cao cấp trong nhà kính; ngoài khả năng tưới còn làm mát cho cây trồng và cải tạo vi khí hậu

Sau một thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài, luận án đã đạt được một số kết quả như sau:

1) Xây dựng mô hình toán cho dòng phun rối xoáy ứng dụng trong kỹ thuật tưới phun và xây dựng thuật toán giải hệ phương trình toán bằng phương pháp khối hữu hạn

2) Mô phỏng số các thông số vật lý của dòng phun rối xoáy và xác định mối quan hệ giữa các thông số vật lý, thông số hình học của dòng phun với hệ số cường độ xoáy 3) Thiết kế, chế tạo đầu phun tạo xoáy và xây dựng mô hình thực nghiệm đo đạc các thông số kích thước hình học và thông số vật lý của dòng phun

4) Nghiên cứu, phân tích tác động của hiệu ứng xoáy tới các thông số kỹ thuật của dòng phun và bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, đã xác định được các thông số tối ưu của quá trình tưới phun gồm đường kính vòi phun, hệ số xoáy và lưu lượng tưới

5) Ứng dụng tính toán, thiết kế và lắp đặt hệ thống tưới phun mưa sử dụng đầu phun tạo xoáy cho một mô hình cụ thể và tiến hành so sánh kết quả ứng dụng thực nghiệm hệ thống tưới phun tại ba đơn vị khác nhau khi sử dụng đầu phun tạo xoáy

Trang 5

ABSTRACT

One of the basic criteria of the spray irrigation technology is to best satisfy the physiological needs of plants from the surface of leaves to stems, roots, and especially to increase productivity and quality of crops; at the same in spray irrigation technology shows some advantages such as the wide range of spray in high swirl coefficient, increasing the efficient use of water; uneven rainfall distribution over the irrigated areas that helps maintain the optimum moisture; small-sized raindrops which helps plants and soil be able to absorb radically and limit the water loss; at the same time, using the working pressure and flow is not high, so we can save water, energy and

labor Thus, the “Research and application of swirling turbulent jets in spray

irrigation system” shows some practical effects, appropriates with the types of weak

plants like flowers, nurseries, advanced plants in the greenhouse; besides watering ability, it is able to cool the plants and improve microclimate

After a time to finish researching the topic, the thesis has achieved some results as follows:

1) Building mathematical model for the swirling turbulent jets swirling turbulent jets applied in spray irrigation technology and building the algorithm solving equations by using finite volume method

2) Simulating the physical parameters of the swirling turbulent jets and determining the relationship between physical parameters, geometric parameters of the flow with the swirling intensity coefficient

3) Designing, manufacturing the swirling spray nozzles and building empirical model measuring the parameters of the geometric dimensions and physical parameters of the flow

4) Studying and analyzing the impact of the swirling effect to the technical parameters of the spray and determining the optimal parameters of the process includes the spraying nozzle diameter, swirling coefficient and the flow of irrigation thanks to the design of experiment

5) Applying calculations, designing and installing the spray irrigation system using the swirling spray nozzles to a specific model and performing a comparison of experimental results of applying the injection system in three different units using the swirling spray nozzles

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô hướng dẫn, các Thầy Cô giảng viên Khoa Cơ khí, khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, cơ quan công tác, bạn bè đồng nghiệp và gia đình Xin chân thành cảm ơn đến tất cả những tập thể và cá nhân đã giúp tôi trong thời gian vừa qua:

 Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh  Khoa Cơ khí và Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa

Tp Hồ Chí Minh  Phòng Quản lý Khoa học Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí

Minh  PGS TS Nguyễn Thanh Nam và PGS TS Trần Thị Hồng đã tận tình hướng

dẫn, bổ sung cập nhật những kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện Luận án

 Ban Giám hiệu và Khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài

 Các Anh, Chị đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án này

 Gia đình và những người thân đã giúp đỡ, động viên, hỗ trợ và khích lệ tinh thần trong suốt thời gian thực hiện Luận án

Trong quá trình thực hiện Luận án, mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn khó tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quí Thầy Cô, bạn bè và đồng nghiệp chỉ bảo, đóng góp ý kiến để tôi nhận thức được những thiếu sót và cố gắng sửa chữa, bổ sung để hoàn thiện hơn

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả những tập thể và cá nhân đã hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành Luận án này Xin kính chúc quí Thầy Cô, bạn bè và đồng nghiệp sức khỏe và thành đạt

Trang 7

Danh mục các bảng biểu xiii

Danh mục các ký hiệu xvi

MỞ ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Kỹ thuật tưới phun và dòng phun rối xoáy 3

1.1.1 Kỹ thuật tưới phun 3

1.1.2 Chuyển động rối 6

1.1.3 Dòng phun rối xoáy 7

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 8

1.2.1 Kỹ thuật tưới phun 8

1.2.2 Mô hình rối 10

1.2.3 Dòng phun xoáy 14

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 17

1.3.1 Những vấn đề cần giải quyết 17

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 18

1.4 Phương pháp nghiên cứu 18

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 18

1.4.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 19

1.4.4.1 Thiết bị và dụng cụ sử dụng trong thực nghiệm 19

1.4.4.2 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 19

Trang 8

1.4.4.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 20

1.4.4.4 Phương pháp tính toán thiết kế mô hình thực nghiệm 20

2 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ DÒNG PHUN RỐI XOÁY 20

2.1 Hệ phương trình biểu diễn dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun 20

2.1.1 Đặt vấn đề 20

2.1.2 Khai triển các phương trình của mô hình toán 22

2.1.2.1 Phương trình liên tục 22

2.1.2.2 Phương trình cân bằng động lượng 23

2.1.2.3 Phương trình trao đổi chất 24

2.1.2.4 Phương trình của mô hình rối 26

2.2 Phương pháp giải hệ phương trình dòng phun rối xoáy 29

2.2.1 Lựa chọn phương pháp giải 29

2.2.2 Biến đổi hệ phương trình toán về dạng tổng quát 29

2.2.3 Phương pháp khối hữu hạn giải hệ phương trình toán 32

2.2.4 Thuật toán giải hệ phương trình dòng phun rối xoáy 39

2.3.4 Phân bố động năng rối 49

2.3.4 Phân bố tiêu tán động năng rối 50

2.3.5 Phân bố nồng độ hỗn hợp dòng phun 51

2.4 So sánh kết quả mô phỏng số với các kết quả nghiên cứu thực nghiệm khác 51

2.4.1 Phân bố vận tốc 51

2.4.1.1 Vận tốc dọc trục 51

Trang 9

3.1.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 56

3.1.2 Thiết kế, chế tạo đầu phun tạo xoáy 57

3.1.3 Các chỉ tiêu cơ bản của kỹ thuật tưới phun mưa 58

3.1.4 Bố trí thực nghiệm và đo đạc các thông số của dòng phun 58

3.1.4.1 Sơ đồ bố trí thực nghiệm 58

3.1.4.2 Kết quả thực nghiệm đo đạc các thông số kỹ thuật của dòng phun 59

3.1.4.3 Phân bố cường độ mưa 59

3.2 Kiểm chứng mô hình số 60

3.2.1 So sánh các thông số hình học của dòng phun 60

3.2.1.1 So sánh góc phun 60

3.2.1.2 So sánh bán kính dòng phun 62

3.2.1.3 So sánh lưu lượng dòng phun 62

3.3 Xác định hệ số xoáy có hiệu quả trong mô hình thực nghiệm 63

3.3.1 Quan hệ giữa chiều rộng dòng phun và hệ số xoáy 64

3.3.2 Quan hệ giữa lưu lượng dòng phun và hệ số xoáy 65

3.3.3 Quan hệ giữa độ thô hạt mưa và hệ số xoáy 66

3.3.4 Quan hệ giữa phân bố cường độ mưa và hệ số xoáy 67

3.3.5 Quan hệ giữa độ đồng đều tưới phun và hệ số xoáy 69

3.4 Quy hoạch thực nghiệm 71

3.4.1 Lựa chọn các thông số thực nghiệm 71

3.4.2 Kết quả thực nghiệm 72

3.4.2.1 Bán kính tưới phun Y1 72

3.4.2.2 Độ đồng đều tưới phun Y2 74

3.4.2.3 Chi phí điện năng Y3 76

3.4.3 Xác định các thông số và chỉ tiêu tối ưu 76

Trang 10

3.4.3.1 Bài toán tối ưu 78

3.4.3.2 Kết quả giải bài toán tối ưu 78

3.5 Nhận xét 79

4 ỨNG DỤNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI PHUN 80

4.1 Cơ sở tính toán thiết kế 80

4.1.1 Mô hình thiết kế 80

4.1.2 Xác định lượng nước tưới 81

4.2 Tính toán thiết kế mô hình 83

4.2.1 Lựa chọn và bố trí đầu phun 83

4.2.2 Tính lưu lượng tại các đầu phun và lưu lượng trong các đoạn ống 85

4.2.3 Xác định đường kính các đoạn ống 86

4.2.4 Xác định vận tốc dòng chảy trong các đoạn ống 87

4.2.5 Xác định tổn thất trên đường ống cơ bản 87

4.2.6 Xác định chiều cao đặt bơm và chọn bơm 88

4.2.7 Thống kê khối lượng vật tư, thiết bị của hệ thống tưới 89

4.3 Đánh giá hiệu quả của các mô hình thiết kế 90

5.1.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết 99

5.1.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 100

5.1.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu 100

5.2 Hướng phát triển của đề tài 101

6 CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 102

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hai loại đầu phun phổ biến 5

Hình 1.2 Các dao động rối trong dòng chảy dừng và không dừng 6

Hình 1.3 Dòng phun đặc trưng ở mức độ xoáy yếu và ở mức độ xoáy mạnh 8

Hình 2.1 Phân bố vận tốc trong dòng phun rối xoáy 21

Hình 2.2 Mối liên hệ giữa hệ tọa độ trụ và hệ tọa độ Descartes 21

Hình 2.3 Điều kiện biên dòng phun rối xoáy trong thiết bị tưới phun 28

Hình 2.4 Định nghĩa một thể tích kiểm tra 32

Hình 2.5 Miền tính toán 37

Hình 2.6 Sơ đồ lưới bài toán trong không gian 2D 40

Hình 2.7 Sơ đồ phủ lưới miền khảo sát 42

Hình 2.8 Lưu đồ thuật toán giải tìm biến  43

Hình 2.9 Họ đường dòng khi S = 0 và S = 0,7 45

Hình 2.10 Trường phân bố vận tốc dọc trục u/u0 khi S = 0 và S = 0,7 46

Hình 2.11 Phân bố vận tốc u/u0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0 và S = 0,7 46

Hình 2.12 Trường phân bố vận tốc hướng kính v/v0 khi S = 0 47

Hình 2.13 Phân bố vận tốc v/v0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0 47

Hình 2.14 Trường phân bố vận tốc tiếp tuyến w/w0 khi S = 0,4 và S = 0,7 47

Hình 2.15 Phân bố vận tốc w/w0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0,4 và S = 0,7 48

Hình 2.16 Trường phân bố áp suất p/p0 khi S = 0 và S = 0,7 49

Hình 2.17 Phân bố áp suất p/p0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0 và S = 0,7 49

Hình 2.18 Trường phân bố động năng rối k/k0 khi S = 0 50

Hình 2.19 Phân bố động năng rối k/k0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0 50

Hình 2.20 Trường phân bố tiêu tán động năng rối /0 khi S = 0 50

Hình 2.21 Phân bố tiêu tán động năng rối /0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0 50

Hình 2.22 Trường phân bố nồng độ C/C0 khi S = 0 51

Trang 12

Hình 2.23 Phân bố nồng độ C/C0 trong mặt cắt chứa đường tâm đối xứng khi S = 0 51

Hình 2.24 So sánh phân bố vận tốc um giữa mô phỏng số và thực nghiệm khi S = 0 52

Hình 2.25 So sánh phân bố vận tốc um giữa mô phỏng số và thực nghiệm (S = 0,7) 52

Hình 2.26 So sánh phân bố vận tốc wm theo phương dọc trục giữa mô phỏng số và thực nghiệm khi S = 0,7 53

Hình 2.27 Phân bố áp suất trên tiết diện ngang tại x/d = 4 giữa mô phỏng số và thực nghiệm khi S = 0 54

Hình 2.28 So sánh phân bố áp suất pm trên trục dòng phun giữa mô phỏng số và thực nghiệm khi S = 0,7 54

Hình 2.29 So sánh phân bố động năng rối k/k0 theo phương dọc trục giữa mô phỏng số và thực nghiệm khi S = 0 55

Hình 2.30 So sánh phân bố nồng độ trên tiết diện ngang tại x/d = 4 giữa mô phỏng số và thực nghiệm khi S = 0 55

Hình 3.1 Mô hình thực nghiệm 57

Hình 3.2 Cấu tạo của đầu phun tạo xoáy 58

Hình 3.3 Bộ phận tạo xoáy với các góc nghiêng  khác nhau 58

Hình 3.4 Mặt bằng sơ đồ bố trí thực nghiệm 59

Hình 3.5 Góc phun ứng với các hệ số xoáy khác nhau 61

Hình 3.6 Đồ thị so sánh góc phun  giữa lý thuyết và thực nghiệm 61

Hình 3.7 Đồ thị so sánh bán kính dòng phun R giữa lý thuyết và thực nghiệm 62

Hình 3.8 Đồ thị so sánh lưu lượng dòng phun Q giữa lý thuyết và thực nghiệm 63

Hình 3.9 Đồ thị quan hệ giữa hệ số xoáy và chiều rộng dòng phun 64

Hình 3.10 Đồ thị quan hệ giữa hệ số xoáy và lưu lượng dòng phun 65

Hình 3.11 Đồ thị quan hệ giữa hệ số xoáy và độ thô hạt mưa 67

Hình 3.12 Đồ thị phân bố cường độ mưa (d = 3,5mm và p = 1,2bar) 67

Hình 3.15 Đồ thị phân bố cường độ mưa (d = 4mm và p = 1,2bar) 68

Hình 3.18 Đồ thị quan hệ giữa hệ số xoáy và độ đồng đều tưới phun 70

Hình 3.19 Hộp đen mô tả quá trình nghiên cứu 72

Hình 3.20 Quan hệ giữa mặt đáp hàm Y1 và cặp thông số ảnh hưởng X1-X2 73

Trang 13

Hình 4.1 Mô hình ứng dụng thiết kế hệ thống tưới phun mưa 81

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí đầu phun và đường ống 85

Hình 4.3 Sơ đồ xác định chiều cao đặt bơm 88

Hình 4.4 Hình dạng đầu phun mưa 098 91

Hình 4.5 Đồ thị so sánh phân bố cường độ mưa của đầu phun tạo xoáy và đầu phun 098 91

Hình 4.6 Hình dạng đầu phun mưa T92 93

Hình 4.8 Đồ thị so sánh phân bố cường độ mưa của đầu phun tạo xoáy và đầu phun T92 94

Hình 4.9 Hình dạng đầu phun mưa 096 96

Hình 4.11 Đồ thị so sánh phân bố cường độ mưa của đầu phun tạo xoáy và đầu phun 096 97

Hình PL2.1 Hình dạng chung của đầu phun xoáy 37

Hình PL2.2 Đầu phun có các rãnh nghiêng và đường kính lỗ vòi phun khác nhau 38

Hình PL2.3 Sơ đồ bố trí đầu phun trong hệ thống 38

Hình PL2.4 Đo cường độ mưa 38

Hình PL4.1 Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp Hồ Chí Minh 45

Hình PL4.2 Mô hình ứng dụng thiết kế hệ thống tưới phun mưa 46

Hình PL4.3 Sơ đồ bố trí đầu phun và đường ống 47

Hình PL4.4 Toàn cảnh mô hình ứng dụng 1 49

Hình PL4.5 Các đầu phun ở lô 1 đang làm việc 50

Hình PL4.6 Hình cận cảnh một đầu phun đang làm việc 50

Hình PL4.7 Công ty Cổ phần Mía Đường La Ngà 53

Trang 14

Hình PL4.9 Toàn cảnh mô hình thực nghiệm ứng dụng 2 58

Hình PL4.10 Các đầu phun ở khu nhân giống đang làm việc 59

Hình PL4.11 Hình chụp cận cảnh một đầu phun xoay ngẫu lực 59

Hình PL4.12 Trường Cao đẳng nghề Công nghệ và Nông Lâm Nam bộ 63

Hình PL4.14 Toàn cảnh mô hình thực nghiệm ứng dụng 3 67

Hình PL4.15 Bồn chứa nước 5000 lít 68

Hình PL4.16 Các đầu phun xoáy của một lô đang làm việc 68

Trang 15

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Biến đặc tính  và các hệ số a, b, c, d của các phương trình toán 32

Bảng 3.1 Giá trị của góc phun từ kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng số 61

Bảng 3.2 Bán kính dòng phun từ kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng số 62

Bảng 3.3 Lưu lượng dòng phun từ kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng số 63

Bảng 3.4 Quan hệ giữa hệ số xoáy và độ thô của hạt mưa 66

Bảng 3.5 Độ đồng đều tưới phun đối với vòi phun có d = 3,5mm và d = 4mm 70

Bảng 4.1 Nhu cầu nước tối đa đối với từng loại cây trồng 82

Bảng 4.2 Cường độ phun mưa đối với từng loại đất 82

Bảng 4.3 Tốc độ thấm trung bình của từng loại đất 82

Bảng 4.4 Bán kính dòng phun khi hệ số xoáy S = 0,7; S = 0,8 và S = 1,2 ứng với các đường kính lỗ vòi khác nhau 84

Bảng 4.5 Tổng tổn thất cột áp trên đường ống cơ bản 87

Bảng 4.6 Thống kê số lượng các loại đường ống và thiết bị đi kèm 90

Bảng 4.7 Các thông số kỹ thuật của đầu phun tạo xoáy và đầu phun 098 92

Bảng 4.8 Các thông số kỹ thuật của đầu phun tạo xoáy và đầu phun T92 95

Bảng 4.9 Các thông số kỹ thuật của đầu phun tạo xoáy và đầu phun 096 98

Bảng PL2.1 Các thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 3mm (S = 0) 25

Bảng PL2.2 Các thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 3,5mm (S = 0) 25

Bảng PL2.3 Các thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 4mm (S = 0) 25

Bảng PL2.4 Các thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 4,5mm (S = 0) 26

Bảng PL2.5 Các thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 3mm (S = 0,2) 26

Bảng PL2.6 Các thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 3,5mm (S = 0,2) 26

Bảng PL2.14 Thông số kỹ thuật của dòng phun khi d = 3,5mm (S = 0,7) 29

Trang 16

Bảng PL2.21 Phân bố cường độ mưa và độ đồng đều khi tưới (p = 1,2bar; S = 0,4) 31

Bảng PL3.1 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm bậc nhất 39

Bảng PL3.2 Kết quả phân tích phương sai hàm Y1 39

Bảng PL3.5 Ma trận thực nghiệm và kết quả thực nghiệm bậc hai 40

Bảng PL3.7 Kết quả phân tích phương sai hàm Y1 sau khi loại bỏ hệ số hồi quy không phù hợp 41

Bảng PL3.8 Ước lượng tương tác của các hệ số hồi quy hàm mục tiêu Y1 41

Trang 17

Bảng PL3.9 Hệ số hồi quy hàm Y1 42

Bảng PL3.11 Kết quả phân tích phương sai hàm Y2 sau khi loại bỏ hệ số hồi quy không phù hợp 42

Bảng PL4.1 Các thông số kỹ thuật của đầu phun xoáy (d = 3mm; S = 1,2) 47

Bảng PL4.3 Các thông số kỹ thuật của đầu phun 098 48

Bảng PL4.4 Phân bố cường độ mưa và độ đồng đều khi tưới của đầu phun xoáy (d = 3mm; p = 2,0bar; S = 1,2) 48

Bảng PL4.6 Phân bố cường độ mưa và độ đồng đều khi tưới của đầu phun 098 (d = 4mm; p = 2,0bar) 49

Bảng PL4.8 Các thông số kỹ thuật của đầu phun T92 (d = 4mm) 57

Bảng PL4.10 Phân bố cường độ mưa và độ đồng đều khi tưới của đầu phun T92 (d = 4mm; p = 2,0bar) 58

Bảng PL4.12 Các thông số kỹ thuật của đầu phun 096 (d = 2mm) 66

Bảng PL4.14 Phân bố cường độ mưa và độ đồng đều khi tưới của đầu phun 096 (d = 2mm; p = 2,0bar) 67

 Ghi chú: Trong phần “Danh mục các hình ảnh” và “Danh mục các bảng biểu” có số thứ tự

trang được in nghiêng nằm ở cuốn “Phụ lục”

Trang 18

C1, C2, C hệ số mô hình k, C1 = 1,44; C2 = 1,92; C = 0,09 Chỉ số  biến đặc tính

d đường kính vòi phun, m

đường kính dòng phun tại vị trí tức thời, m dh đường kính moayơ rãnh tạo xoáy, m d hệ số tính toán bằng phương pháp khối hữu hạn D đường kính ống dẫn, m

Dk tốc độ tiêu tán rối của k, Dk =  Dj hệ số tính toán bằng phương pháp khối hữu hạn

D tốc độ tiêu tán rối của ,

kCD  22E năng lượng, kJ/mol

hệ số, E = 0,22 f đại lượng bất kỳ

tần số, Hz

Fi lực tương tác, N g đại lượng bất kỳ gia tốc trọng trường, m/s2G động lượng xoáy

Gx động lượng dòng dọc trục

Trang 19

h lớp nước phun trong một đơn vị thời gian, mm/h hwd tổn thất cột áp trên đường ống cơ bản, mH2O H chiều cao dòng phun, m

Hb chiều cao làm việc của bơm, mH2O Hđ cột áp đẩy của bơm, mH2O

Hh cột áp hút của bơm, mH2O i cường độ phun mưa, mm/h chỉ số, i = 1, 2, 3  tương ứng phương các trục x, y, z trong hệ tọa độ

Descartes k động năng rối, m2/s2

động năng rối tức thời tại điểm đang xét, m2/s2km động năng rối lớn nhất tại điểm đang xét, m2/s2k0 động năng rối tại tiết diện ban đầu, m2/s2k3 hệ số, k3 = 1,42

k4 hệ số, k4 = 1,2 k5 hệ số, k5 = 1

hệ số đặc trưng lưu lượng, m3/s l chiều dài xáo trộn đơn vị, m lm chiều dài đường xáo trộn, m L chiều dài đặc trưng của dòng chảy, m chiều dài ống dẫn, m

m khối lượng, kg giá trị trung bình của lớp nước tưới phun, mm M nhu cầu tưới nước, m3

Mt lượng nước tưới trong một tuần, m3Mng lượng nước tưới mỗi ngày, m3n tần số vòng quay, vg/ph

Q lưu lượng, l/ph Qb lưu lượng của bơm, l/ph p áp suất, bar

Trang 20

Pk thành phần nguồn tạo rối,















22

tk

xvrur

vr

vx

u2P

Pr số Prandtl, đối với dòng phun rối xoáy được phun ra từ miệng phun

tròn thì Pr = 0,5 P thành phần nguồn tiêu tán rối, 1 tPk

kC

r bán kính dòng phun tại vị trí tức thời, m phương hướng kính trong hệ tọa độ trụ (x, r, ) r0 bán kính vòi phun, m

bán kính tại tiết diện ban đầu của dòng phun, m R bán kính dòng phun, m

Re số Reynolds,



Re

s tỷ trọng S hệ số cường độ xoáy,  tg

32

uw32

Sc số Smidth, đối với dòng phun rối xoáy được phun ra từ miệng phun

tròn thì Sc = 0,5 t thời gian, s u vận tốc dọc trục, m/s

vận tốc dọc trục tức thời tại điểm đang xét, m/s um vận tốc dọc trục lớn nhất tại điểm đang xét, m/s us vận tốc rơi tự do của hạt nước, 



18gd1su

Trang 21

w vận tốc tiếp tuyến, m/s

vận tốc tiếp tuyến tức thời tại điểm đang xét, m/s wm vận tốc tiếp tuyến lớn nhất tại điểm đang xét, m/s w0 vận tốc tiếp tuyến tại tiết diện ban đầu, m/s x phương trong hệ tọa độ Descartes (x, y, z) phương dọc trục trong hệ tọa độ trụ (x, r, ) xH chiều dài đoạn đầu của dòng phun, m xB chiều dài đoạn cơ bản của dòng phun, m y phương trong hệ tọa độ Descartes (x, y, z) z phương trong hệ tọa độ Descartes (x, y, z) phương hướng kính trong hệ tọa độ trụ (x, r, ) chiều cao đầu phun so với mặt đất, m

tiêu tán động năng rối, m2/s2 tiêu tán động năng rối tức thời tại điểm đang xét, m2/s2m tiêu tán động năng rối lớn nhất tại điểm đang xét, m2/s20 tiêu tán động năng rối tại tiết diện ban đầu, m2/s2 biến phụ thuộc

góc nghiêng của rãnh tạo xoáy, độ (0)  hiệu suất toàn phần của bơm,  = 0,85  đại lượng bất kỳ

biến đặc tính  trọng lượng riêng, kg/m3tC hệ số khuếch tán rối của nồng độ,

Sc

ttC



 khoảng biến thiên vận tốc, m  độ nhớt động lực, kg/m.s t độ nhớt rối động lực, kg/m.s  độ nhớt động học, m2/s t độ nhớt rối động học, m2/s  góc xoay quanh trục x trong hệ tọa độ trụ (x, r, )

Trang 22

 khối lượng riêng lưu chất, kg/m3g khối lượng riêng không khí, g = 1,290kg/m3w khối lượng riêng nước, w = 1000kg/m3k,  hệ số mô hình k, k = 1,00;  = 1,30  ứng suất Reynolds

(‘) chỉ thành phần mạch động (rối) () chỉ thành phần trung bình thời gian

Trang 23

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật tưới phun là một trong những phương pháp tưới sử dụng nước hợp lý, tiết kiệm nước và năng lượng, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng năng suất lao động và cây trồng Nghiên cứu ứng dụng dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun là vấn đề mang tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn Tuy nhiên, dòng phun rối xoáy, ngoài các hiện tượng phức tạp xuất hiện trong chuyển động rối, còn thêm vào các quá trình xoáy làm phân tán, lắng đọng và cuốn theo của các giọt lỏng, bọt khí Vì vậy, nó không những phức tạp về bản chất vật lý mà còn rất khó định lượng khi mô tả bằng các phương trình toán học

Thực tế cho thấy, nhiều dòng chảy trong kỹ thuật là dòng rối xoáy, do đó dòng rối xoáy không chỉ có vai trò trong lý thuyết mà trong thực tế kỹ thuật rất cần các công cụ có khả năng diễn tả tác động của quá trình rối xoáy lên các đặc tính trung bình thời gian của dòng chảy như vận tốc, áp suất, nồng độ Dòng rối xoáy có những tác động lớn đến trường dòng chảy như gia tăng kích thước tia phun, sự phân hủy, kích thước, hình dạng, tính ổn định của giọt nước; giúp tăng hiệu quả sử dụng nước trong quá trình tưới, tiết kiệm nước và năng lượng… Việc nghiên cứu một cách có hệ thống dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun là một vấn đề còn đang bỏ ngỏ Do đó, mô hình hóa dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun và đánh giá ảnh hưởng của các dao động rối xoáy tới các đặc trưng chính của dòng chảy là một nhu cầu thực tế và cần thiết, đặc biệt trong điều kiện hiện nay khi mà vấn đề tiết kiệm nước và năng lượng đang là vấn đề thời sự

Luận án hướng tới việc hoàn chỉnh mô hình toán cho dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun cho phép xác định các thông số vật lý của dòng phun, đánh giá tác động của hiệu ứng xoáy đến trường dòng Đối với hệ thống thiết bị tưới phun thì pha lỏng là chủ yếu Ở giai đoạn đầu, dòng phun sẽ lôi cuốn không khí vào trong tia phun, sự hòa trộn giữa nước và không khí tạo nên dòng hai pha Thực tế cho thấy, bọt khí hòa trộn tốt với chất lỏng nên không có sự khác biệt lớn về vận tốc giữa các pha Vì vậy, đối với dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun có thể coi là dòng hai pha đồng nhất, ảnh hưởng qua lại giữa các pha được xét tới thông qua thông số nồng độ Trong luận án, tác giả lựa chọn việc giải hệ phương trình của mô hình toán

Trang 24

bằng phương pháp khối hữu hạn Đồng thời, tiến hành thực nghiệm một số thông số vật lý, thông số kỹ thuật của dòng phun để đánh giá các kết quả mô phỏng lý thuyết của dòng phun Từ đó, ứng dụng các kết quả số và thực nghiệm vào tính toán, thiết kế hệ thống tưới phun mưa cho một mô hình cụ thể nhằm kiểm chứng tính đúng đắn và phạm vi ứng dụng của đề tài

Đó chính là nội dung của đề tài luận án “Nghiên cứu, ứng dụng dòng phun rối

xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun” do Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Trường

Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh phân công, được PGS TS Nguyễn Thanh Nam

và PGS TS Trần Thị Hồng trực tiếp hướng dẫn Luận án được hoàn thành trên cơ sở phát triển kết quả của ba chuyên đề nghiên cứu:

 Chuyên đề 1: Nghiên cứu lý thuyết dòng rối xoáy hai pha và kỹ thuật tưới phun  Chuyên đề 2: Nghiên cứu mô phỏng số dòng rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun

và ứng dụng

 Chuyên đề 3: Nghiên cứu thực nghiệm dòng rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun

Bản thuyết minh luận án được cấu trúc thành các phần cơ bản sau:

 Mở đầu  1 Tổng quan, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu  2 Nghiên cứu mô phỏng số dòng phun rối xoáy  3 Nghiên cứu thực nghiệm dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun  4 Ứng dụng thiết kế hệ thống tưới phun

 5 Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài trình bày việc đánh giá kết

quả nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun, đồng thời đề xuất hướng phát triển của đề tài trong thời gian tới

Bản phụ lục gồm các nội dung cơ bản sau:

 Phụ lục 1: Chương trình tính toán và số liệu mô phỏng dòng phun rối xoáy trong

kỹ thuật tưới phun

 Phụ lục 2: Số liệu đo đạc thực nghiệm mô hình dòng phun rối xoáy trong hệ

thống tưới phun

 Phụ lục 3: Kết quả quy hoạch thực nghiệm  Phụ lục 4: Kết quả ứng dụng thiết kế hệ thống tưới phun

Trang 25

 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, ứng dụng dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun

 Đối tượng nghiên cứu

 Dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun  Tác động của hiệu ứng xoáy tới dòng phun

 Ứng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vào tính toán, thiết kế hệ thống tưới phun cho một mô hình cụ thể và đánh giá hiệu quả của mô hình

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Dòng phun rối xoáy là bài toán đặc biệt của dòng chảy rối, dòng phun có các đặc trưng thủy lực khá đặc biệt và có ý nghĩa khoa học Về mặt lý thuyết, nghiên cứu giúp phát triển mô hình dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun về phương diện trao đổi chất thông qua phương trình nồng độ, qua đó khép kín mô hình toán của dòng phun

 Việc xác định hiệu ứng xoáy phù hợp trong hệ thống tưới phun sẽ giúp làm tăng bán kính phun và độ đồng đều khi tưới phun, đồng thời đảm bảo tối ưu về chi phí năng lượng; tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo các đầu phun ứng dụng trong các hệ thống tưới phun Qua đó cho thấy, dòng phun rối xoáy có khả năng ứng dụng thực tiễn để nâng cao hiệu quả của các hệ thống tưới phun

 Việc ứng dụng dòng phun rối xoáy trong hệ thống tưới phun sẽ giúp nâng cao hiệu quả tiết kiệm nước và năng lượng, duy trì độ ẩm cho cây trồng…

1 TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CÚU

1.1 Kỹ thuật tưới phun và dòng phun rối xoáy

1.1.1 Kỹ thuật tưới phun

Tưới phun là phương pháp tưới cung cấp nước cho cây trồng dưới dạng các hạt

Trang 26

mưa hoặc hạt sương rơi trên một diện tích nhỏ xung quanh gốc cây trồng bằng thiết bị gọi là máy phun mưa Phương pháp tưới phun mới được phát triển rộng rãi trong vài thập kỷ qua ở các nước có nền nông nghiệp tiên tiến Nguyên tắc chính của phương pháp này là thông qua hệ thống máy bơm, ống dẫn nước và đầu phun để tạo thành mưa cục bộ tưới cho các loại cây trồng [1]

Kỹ thuật tưới phun có thể áp dụng hiệu quả tại [1], [2], [3]:

 Những vùng có điều kiện thuận lợi về cung cấp năng lượng  Những nơi nguồn nước khan hiếm, đất thấm nhiều, tổn thất nước do thấm và

bốc hơi tương đối lớn Các vùng đất bãi sông làm kênh và mương tưới khó khăn do mực nước lên xuống thất thường

 Những vùng canh tác dốc, địa hình phức tạp

Dựa vào tính năng hoạt động có thể chia các hệ thống tưới phun làm ba loại cơ bản [2]:

 Hệ thống phun mưa cố định, trong đó mọi thành phần của hệ thống từ trạm

bơm, đường ống các loại và vòi phun mưa đều được lắp cố định Các đường ống thường được đặt ngầm dưới đất để không gây cản trở đến việc canh tác Ưu điểm nổi bật của hệ thống cố định là năng suất cao, tiết kiệm đất đai và nước Tuy nhiên, có nhược điểm là kinh phí đầu tư xây dựng cao do sử dụng nhiều vật tư, việc xây dựng và quản lý vận hành yêu cầu phải có trình độ

 Hệ thống phun mưa di động, tất cả các thành phần của hệ thống từ máy bơm,

đường ống các loại và vòi phun đều có thể tháo lắp, vận chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Các hệ thống phun mưa di động có ưu điểm là gọn nhẹ, cơ động, không yêu cầu khu tưới lớn, vốn đầu tư nhỏ; vì vậy, hệ thống này được áp dụng tương đối phổ biến Tuy nhiên, có nhược điểm là năng suất tưới không cao, đôi khi phải làm kênh, mương dẫn nước cho máy bơm

 Hệ thống phun mưa bán di động, ở hệ thống này trạm bơm và đường ống

chính đặt cố định và thường được đặt ngầm dưới đất; đường ống nhánh, đường ống tưới và các vòi phun được tháo lắp và vận chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Hệ thống phun mưa bán di động khắc phục được một số nhược điểm của hai hệ thống trên Ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống di động là năng suất tưới cao hơn, khai thác, vận hành nhẹ nhàng hơn, không cần kênh, mương dẫn nước

Đầu phun được sử dụng phổ biến nhất hiện nay gồm hai loại là đầu phun tự xoay

Trang 27

kiểu búa đập và đầu phun cố định tỏa tròn, trong đó dòng phun khi ra khỏi miệng vòi phun là dòng phun rối (hình 1.1) Loại đầu phun tự xoay có dòng nước chính phun ra để tưới, còn một phần nước được đưa qua cơ cấu đòn gánh làm quay thân vòi quanh trục của nó Loại này có bán kính dòng phun lớn (6  20m), áp lực làm việc đòi hỏi cao (trên 2,5bar), có độ đồng đều tưới phun không cao, thích hợp với các loại cây công nghiệp, sân gold… Loại đầu phun tỏa tròn có các chi tiết được gắn cố định, phía trên miệng ra có lắp núm chặn hình nón làm cho nước xòe ra xung quanh, vặn núm chặn có thể điều chỉnh cỡ hạt mưa Loại này có cấu tạo đơn giản, hạt mưa phân bố khá đồng đều, tuy nhiên bán kính phun nhỏ (dưới 5m), áp lực làm việc thấp (1,2  2bar), thích hợp với các loại cây trồng như rau màu, cây ăn trái và hoa

Hình 1.1 Hai loại đầu phun phổ biến [4]

Nhìn chung, phương pháp tưới phun mưa có những ưu điểm nổi bật sau [1], [2], [3]:  Năng suất cao do được cơ giới hóa, tự động hóa và có thể điều chỉnh trong phạm vi lớn (30  900m3/ha)

 Có thể sử dụng các nguồn nước khác nhau, đồng thời có thể hòa tan với phân hóa học, chất khử trùng để tưới

 Có thể tưới trên các địa hình phức tạp: dốc, không bằng phẳng và các loại đất khác nhau: đất thịt, xốp như cát, cát pha có độ thấm nước lớn v.v…

 Tiết kiệm nước hơn so với các phương pháp như tưới ngập, tưới rãnh (hệ số sử dụng hữu ích đạt 90  95% so với 50  55% khi tưới rãnh) và đặc biệt có hiệu quả ở những vùng khan hiếm nước

 Tiết kiệm năng lượng do thiết bị đơn giản, sử dụng nguồn điện năng tối thiểu  Thỏa mãn tốt nhất nhu cầu sinh lý của cây trồng từ bề mặt lá đến thân, rễ và đặc biệt là tăng năng suất, chất lượng của các loại cây trồng

Trang 28

Ở nước ta, gần đây Viện khoa học Thủy lợi và một số cơ quan khác đã và đang nghiên cứu đưa công nghệ tưới phun vào trong nước dưới dạng các mô hình thí điểm, trình diễn ở diện nhỏ Một trong những nguyên nhân dẫn đến việc công nghệ này chưa được phổ biến là do đầu tư ban đầu khá lớn và hầu hết các thiết bị phải nhập ngoại

1.1.2 Chuyển động rối

Chuyển động của lưu chất luôn tồn tại một trong hai trạng thái là chuyển động tầng và chuyển động rối Ở trạng thái chuyển động tầng, dòng chảy được hình thành bởi các lớp lưu chất song song với nhau, trượt trên nhau theo một quy luật nhất định Còn ở trạng thái chuyển động rối, các phần tử lưu chất chuyển động hỗn loạn và không thể đoán trước được đường đi của chúng Đồng thời với chuyển động chính dọc theo phương của dòng chảy, các phần tử lưu chất còn thực hiện những dao động theo phương ngang

Hình 1.2 Các dao động rối trong dòng chảy dừng (a) và không dừng (b) [6]

Thực nghiệm đối với các hệ thống lưu chất cho thấy tồn tại một giá trị Reynolds giới hạn Regh (Re = vL/, trong đó v, L và  là những thành phần vận tốc, độ dài đặc trưng của dòng chảy và độ nhớt động học của lưu chất) Khi giá trị của số Re nhỏ hơn Regh, các lớp lưu chất trượt trên nhau theo trật tự nhất định đó là chế độ chảy tầng Tại giá trị giới hạn Regh, trong dòng lưu chất bắt đầu xuất hiện các chuyển động hỗn loạn, dòng chảy trở nên không ổn định, vận tốc và các đặc tính khác của dòng chảy thay đổi liên tục theo thời gian, ta nói dòng chảy bắt đầu rối Khi số Re tăng lớn, dòng chảy trở nên hỗn loạn, đó là chuyển động rối hoàn toàn (hình 1.2) Giá trị Re giới hạn chuyển đổi trạng thái phụ thuộc vào loại dòng chảy, chẳng hạn đối với dòng tia giá trị Regh  104, tại các lớp biên có Regh = 91000 và đối với dòng chảy trong ống Regh = 2320 [5]

Chảy rối cho thấy các dao động là ngẫu nhiên Tại một điểm bất kỳ trong dòng

Trang 29

chảy rối, vận tốc và áp suất tức thời dao động một cách ngẫu nhiên xung quanh một giá trị trung bình Vì vậy, chúng bao gồm các giá trị trung bình thời gian và các giá trị dao động tức thời (mạch động) [6]:

'

với  là trung bình thời gian, ’ là thành phần dao động ngẫu nhiên và  có thể là một tensor, vector hay một giá trị vô hướng  tại một thời điểm được xác định [6]:



1

t

tdtt1

(1.2)

1.1.3 Dòng phun rối xoáy

Dòng phun rối xoáy được tạo ra do ứng dụng chuyển động xoắn, ngoài các hiện tượng phức tạp xuất hiện trong dòng rối, còn thêm vào quá trình xoáy làm phân tán, lắng đọng và cuốn theo của các hạt (giọt lỏng, bọt khí) Chuyển động của các hạt này có ảnh hưởng tới cấu trúc rối và tác động tới sự cân bằng lực của dòng chảy Cấu trúc rối trong dòng rối xoáy là một hiện tượng đáng chú ý và có tầm quan trọng to lớn trong nhiều ứng dụng ở các thiết bị trao đổi nhiệt, trao đổi chất, động cơ đốt trong, thiết bị hóa chất, thiết bị vận chuyển khí và hạt, thiết bị tưới phun trong nông nghiệp và nhiều lĩnh vực khác

Dòng phun rối xoáy được hình thành bằng ba phương pháp cơ bản:

 Nhờ rãnh dẫn hướng (rãnh tạo xoáy hay cánh tạo xoáy) trong đầu phun  Tạo ống dẫn đi vào đầu phun theo phương chiều trục và phương tiếp tuyến  Đầu phun quay trực tiếp để tạo xoáy

Dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun được hình thành bằng cách sử dụng các rãnh tạo xoáy Vì vậy, dòng lưu chất được tạo xoáy khi ra khỏi miệng

phun sẽ có các thành phần vận tốc theo phương dọc trục, ngang và tiếp tuyến

Để biểu diễn mức độ xoáy và ảnh hưởng của sự xoáy, trong kỹ thuật thường sử dụng đại lượng hệ số cường độ xoáy S, được xác định bằng công thức [7], [8]:

0x.rG

Gx – động lượng dọc trục,   



0

x2

2

G

Trang 30

r0 – bán kính vòi phun [m] u, v, w – các thành phần vận tốc dọc trục, theo phương ngang và tiếp tuyến trong hệ tọa độ trụ (x, r, ) [m/s]

Đối với dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun, hệ số xoáy được xác định bằng công thức gần đúng của A K Gupta et al [8]:

uw32

32

trong đó: u, w – các thành phần vận tốc dọc trục và tiếp tuyến tại miệng phun [m/s]

 – góc nghiêng của rãnh tạo xoáy (xem mục 3.1.2)

Hình 1.3 Dòng phun đặc trưng ở mức độ xoáy yếu (a) và ở mức độ xoáy mạnh (b) [8]

Thông thường S > 0,6 thì dòng được coi là xoáy mạnh và khi S < 0,6 thì dòng được coi là xoáy yếu Stới hạn = 0,6 được gọi là hệ số xoáy tới hạn Hình 1.3a biểu diễn dòng phun ở mức độ xoáy yếu (S < 0,6), gradient áp suất ngược không đủ để gây ra tuần hoàn dọc trục, dòng phun được mở rộng cũng như di chuyển một cách từ từ Còn hình 1.3b mô tả dòng phun ở mức độ xoáy cao (S > 0,6) tạo ra vùng tuần hoàn, gradient áp suất hướng kính và dọc trục mạnh được thiết lập gần miệng phun tạo ra dòng hồi lưu “hút ngược” dòng chảy quay lại miệng phun, dòng phun được mở rộng nhanh hơn so với trường hợp xoáy yếu, biên dạng của nó phụ thuộc vào hệ số xoáy cũng như hình dạng vòi phun, kích thước bao, đặc biệt là biên dạng vận tốc thoát ra

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.2.1 Kỹ thuật tưới phun

Trang 31

Ở Mỹ có nhiều cơ quan, nhiều nhà khoa học, nhiều chủ trang trại đã đi đầu trong việc nghiên cứu áp dụng và phát triển các kỹ thuật công nghệ tưới tiết kiệm nước Vào những năm 1960, Sterling David là một kỹ sư người Mỹ đã cùng với các đồng nghiệp của mình nghiên cứu so sánh hiệu quả giữa kỹ thuật tưới phun với các kỹ thuật tưới tiết kiệm nước khác

Đến giữa các năm của thập kỷ 70, nhiều nhà nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng ở Israel, Australia bắt đầu cố gắng nghiên cứu chế tạo, áp dụng các loại đầu phun mưa lưu lượng nhỏ Đầu phun mưa lưu lượng nhỏ của Don Olson vào cuối những năm 70 có một ý nghĩa rất lớn đóng góp vào việc phổ biến áp dụng kỹ thuật tưới phun trên thế giới

Trong vài chục năm qua các kỹ thuật công nghệ tưới tiết kiệm nước, trong đó có công nghệ tưới phun đã không ngừng được phát triển, hoàn thiện và áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi, cho nhiều loại cây trồng, trong các điều kiện khác nhau Hiện nay, hầu như các quốc gia trên thế giới ít nhiều đều đã áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước, đặc biệt là kỹ thuật tưới phun Theo số liệu gần đây của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hiệp quốc (FAO), đã có hơn 1.000.000ha cây trồng được tưới bằng các công nghệ này [2]

Đối với Việt Nam, công nghệ tưới phun còn rất mới mẻ Từ năm 1993, công nghệ tưới phun mới được bắt đầu nghiên cứu và chủ yếu là thực nghiệm tại các cơ sở sản xuất Trường Đại học Thủy lợi đã thiết kế xây dựng thành công hệ thống tưới phun mưa nhỏ vào năm 1994 tại khu dự án khoa học công nghệ cấp Nhà nước tại Phủ Quỳ, Nghệ An Tiếp theo, bước cải tiến hoàn thiện hệ thống là việc đưa vào áp dụng, thử nghiệm các đầu phun cục bộ, phun sương bằng nhựa (Micro Sprinkle) được chế tạo tại Việt Nam theo các nguyên mẫu của Israel [1]

Ở phía Nam, gần đây một số nơi đã ứng dụng công nghệ tưới trên quy mô tương đối lớn với thiết bị chủ yếu là nhập ngoại Ở các tỉnh miền Đông Nam bộ và Tây Nguyên, một số nơi bà con đã bước đầu dùng một số kiểu đầu phun xoay ngẫu lực để tưới rau, cây công nghiệp và cây ăn trái Qua đánh giá bước đầu cho thấy, ưu điểm của kỹ thuật tưới phun là tiết kiệm nước, tăng năng suất lao động và dễ thích ứng với nhiều loại cây trồng [1], [2]

Bài báo “Vòi phun và công nghệ tưới phun mưa” đã xây dựng được mô hình tổng

quát của hệ thống tưới phun với những kết quả thực nghiệm về các góc độ của vòi phun Tuy nhiên, kết quả mới chỉ dừng lại với dòng phun không xoáy [9]

Trang 32

Qua tìm hiểu tổng quan, các nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật tưới phun trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy, kỹ thuật tưới phun có nhiều ưu điểm nổi bật, đầy triển vọng áp dụng cho các vùng cây trồng cạn, có thể thay thế cho các hệ thống tưới thông thường trước đây và đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều Như vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun là một đề tài mang tính thời sự và có ý nghĩa thực tiễn, trong đó dao động rối thuộc về bản chất tự nhiên của dòng chảy; còn chuyển động xoáy chủ yếu là do tác động bên ngoài, do đó chúng ta có thể tác động và điều khiển được Vì vậy, luận án sẽ tập trung vào việc ứng dụng hiệu ứng xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun bằng cách sử dụng đầu phun tạo xoáy mà trước đây chỉ sử dụng trong các hệ thống thiết bị đốt công nghiệp Đây là một trong những lựa chọn hướng đi mới cho đề tài

Việc ứng dụng hiệu ứng xoáy trong kỹ thuật tưới phun nhằm mục đích: cho tầm phun mưa rộng, phân bố lượng mưa đồng đều, giúp cây trồng và đất đai có thể hấp thụ một cách triệt để, đặc biệt đối với những cây trồng cao cấp trong nhà kính hay vườn ươm, tăng hiệu quả sử dụng nước, cải tạo vi khí hậu

1.2.2 Mô hình rối

Từ đầu thế kỷ 16, các nghiên cứu trên thế giới về hiện tượng rối đã bắt đầu được thực hiện, nhưng hầu như không có sự tiến triển nào cho tới cuối thế kỷ 19 Năm 1887, Boussinesq cho rằng tồn tại mối liên hệ giữa ứng suất rối với tensor tốc độ biến hình của lưu chất không nén được và được thể hiện qua mô hình toán sau [10]:







ijjit'j'iij

xuxuu

Giả thiết này của Boussinesq vẫn còn là cơ sở cho phần lớn các mô hình rối sau này Mặc dù ở thời điểm đó Boussinesq cho rằng việc xác định mối quan hệ giữa ứng suất rối và tensor tốc độ biến hình là rất khó khăn Trong mô hình toán của Boussinesq, độ nhớt rối động lực t được xem là đẳng hướng, điều này không hoàn toàn đúng trong nhiều loại dòng chảy và làm giảm độ chính xác khi tính toán

Năm 1894, Reynolds dùng thuyết ngẫu nhiên và phương pháp thống kê để mô tả dòng rối, vì cho rằng sự rối là một hiện tượng ngẫu nhiên nên sẽ khó đạt được các kết quả chính xác bằng phương pháp phân tích kỹ thuật Ông chia vận tốc dòng chảy rối thành hai thành phần: thành phần vận tốc trung bình không thay đổi theo thời gian và

Trang 33

thành phần vận tốc mạch động (thành phần vận tốc rối) [10]:

'ii



yul2

m

hay hệ số độ nhớt rối động học:



yul2

mt

trong đó: u  thành phần vận tốc dọc trục [m/s]

t – độ nhớt rối động học [m2/s] lm – chiều dài xáo trộn [m] y – phương ngang trong hệ tọa độ Descartes Mô hình này cho thấy, tác động của sự rối được thể hiện thông qua biến số chiều dài xáo trộn lm Chiều dài xáo trộn là tương đồng với đường đi tự do trung bình của chuyển động phân tử, vì thế nó tương đồng với một vài quy mô rối Tuy nhiên, nếu thành phần đối lưu và khuếch tán của các đặc tính rối không được bỏ qua thì tác động rối lên các giá trị trung bình của dòng chảy không thể diễn giải bằng mô hình chiều dài xáo trộn

Năm 1945, Prandtl đã đưa ra mô hình rối mới là mô hình một phương trình cho động năng rối, mô hình dựa trên giả thiết về ứng suất nhớt của Boussinesq và có dạng sau [5]:

Trang 34

i

xkx

xkut















Phương trình (1.10) của Prandtl đã mở ra một hướng nghiên cứu mới về mô hình rối, cho phép ứng dụng giải các bài toán về dòng chảy rối bất kỳ chứ không bị giới hạn về chiều dài dòng chảy như mô hình chiều dài xáo trộn Tuy nhiên, trong mô hình của Prandtl chưa xét tới đặc tính tiêu tán động năng rối

Năm 1972, W P Jones và B I Launder đã thiết lập mô hình k- chính tắc là mô hình hai phương trình, một phương trình cho động năng rối k và một phương trình cho thành phần tiêu tán động năng rối  Mô hình k- tập trung vào cơ cấu gây ảnh hưởng tới động năng rối u'2v'2w'2

21k Các phương trình vận tải của k và  của mô hình chính tắc có dạng sau [10]:

kkikti

i

xkx

xkut

































DPxx

xu

ti

i

Trong các phương trình (1.10)  (1.12) thì: k – động năng rối, u'2v'2w'2

21

 – tốc độ tiêu tán động năng rối [m2/s2] i = 1, 2, 3  tương ứng phương các trục x, y, z trong hệ tọa độ Descartes  – độ nhớt động học [m2/s]

t – độ nhớt rối động học,

t C k2 [m2/s] Pk – thành phần nguồn tạo rối,

jiijjitk

xuxuxuP







Dk – tốc độ tiêu tán rối của k, Dk =  [m2/s2] P – thành phần nguồn tiêu tán rối, 1 tPk

kC

D – tốc độ tiêu tán rối của ,

kCD

22



 [m2/s2] C, k, , C1 và C2 – các hằng số mô hình, C = 0,09; k = 1,00;  = 1,30; C1 = 1,44; C2 = 1,92

Trang 35

Do có nhiều ưu điểm, nên cho đến nay mô hình k- được sử dụng rất phổ biến trong việc tính toán và mô phỏng đối với nhiều loại dòng chảy rối một pha và hai pha đồng nhất, đẳng hướng trong cơ học lưu chất và truyền nhiệt

Ở nước ta cho đến thời điểm hiện tại, các công trình nghiên cứu hay các bài báo chủ yếu tập trung vào lĩnh vực ứng dụng các mô hình rối để khảo sát các bài toán cơ học lưu chất, nghiên cứu thực nghiệm hoặc mô phỏng số đối với dòng một pha hoặc hai pha được quy về dòng một pha Dưới đây là một số công trình tiêu biểu đã được công bố trên các tạp chí khoa học trong thời gian gần đây

Trong [11], các tác giả giới thiệu mô hình tính toán lan truyền chất ba chiều trên sông, sử dụng mô hình chiều dài xáo trộn Prandtl tìm trường vận tốc hai chiều của dòng một pha bằng phương pháp sai phân hữu hạn theo lược đồ ADI, trong đó thành phần pha rắn là các hạt bụi bẩn đã được bỏ qua

Bài báo “Tính toán bằng phương pháp số lan truyền khói bụi trên địa hình phức

tạp” giới thiệu mô hình toán số ba chiều, sử dụng mô hình độ nhớt rối tính toán sự lan

truyền của dòng khí một pha để tìm trường vận tốc và áp suất với giả thiết áp suất phân bố theo quy luật thủy tĩnh nhằm khảo sát sự lan truyền khói bụi gần bề mặt đất [12]

Nghiên cứu quá trình phát triển và lan tỏa của sóng tàu trong vùng ven bờ đã ứng dụng mô hình ứng suất rối Boussinesq để khảo sát một số hiện tượng lan truyền của sóng vào bờ trong ngành giao thông đường thủy với giả thiết nước biển là dòng lưu chất một pha [13]

Việc ứng dụng mô hình k- để khảo sát chuyển động, quá trình phát triển cũng như lan tỏa của các dòng hải lưu dưới đáy biển và sự ảnh hưởng của các hố đào cục bộ, các dòng hải lưu lên sự bồi lắng, bào mòn bãi biển trước và sau khi khai thác cát, đồng thời tìm ra biên dạng khai thác cát tối ưu được trình bày trong [14]

Ứng dụng mô hình k- để khảo sát dòng chảy rối một pha quanh vật thể và mô

phỏng bay được thực hiện trong đề tài “Nghiên cứu tính toán và mô phỏng tính năng

động lực học máy bay” [15]

Ứng dụng mô hình k- để xác định ứng suất Reynolds và vận tốc tia phun trong động cơ đốt trong là một mô hình tích phân một chiều, cho kết quả nhanh chóng với nhiều áp dụng thực tiễn đối với tia phun rối một pha được trình bày trong [16] Tuy nhiên, nghiên cứu này không phân tích cho trường hợp hai pha không đồng nhất

Ứng dụng mô hình k- để khảo sát trường áp suất, vận tốc đối với các mô hình

Trang 36

thủy khí động lực, các tác giả đã thực hiện mô phỏng và tính toán động lực học đối với dòng lưu chất một pha chuyển động trong ống và trên dàn phun mưa [17]

Ứng dụng mô hình k- để tính toán chuyển động của môi chất một pha trong điều kiện quá giãn nở bằng phương pháp khối hữu hạn trên hệ lưới cấu trúc, nhằm khảo sát hoạt động của ống phun hỏa tiễn trong điều kiện quá giãn nở [18]

Báo cáo [19] đề cập đến việc sử dụng mô hình k- làm công cụ tính toán và áp dụng phần mềm Fluent trong phân tích truyền nhiệt hầm đường bộ khi sự cố cháy phương tiện xe cộ lưu thông, nhằm dự đoán mức độ nguy hiểm và hạn chế những rủi ro khi xảy ra sự cố

Ngoài ra, nghiên cứu “Mô phỏng số dòng phun rối nhiều pha không đẳng nhiệt

bằng phương pháp khối hữu hạn” đã xây dựng mô hình số cho các giá trị trung bình

của các thông số bằng phương pháp khối hữu hạn Tuy nhiên, kết quả chưa thể hiện được tính “độc lập” của các thành phần động năng rối k và tiêu tán rối  [20]

Qua khảo sát các công trình nghiên cứu về mô hình rối trong và ngoài nước ta thấy, nhiều mô hình rối đã được xây dựng và ứng dụng trong các nghiên cứu Trong đó, phần lớn các nghiên cứu tập trung xây dựng và khảo sát các mô hình dòng một pha và hai pha đồng nhất bằng cách ứng dụng mô hình rối k trong tính toán mô phỏng số Nói cách khác, mô hình k- phù hợp với dòng phun hai pha đồng nhất do sự đơn giản, tính ổn định và chính xác khi giải bằng phương pháp số Vì vậy, một trong những nội dung nghiên cứu của đề tài sẽ là ứng dụng mô hình k- để xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán cho dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun

1.2.3 Dòng phun xoáy

Dòng xoáy có rất nhiều ứng dụng thực tế trong hai trường hợp có và không có phản ứng cháy Ở trường hợp không có phản ứng cháy, những ứng dụng bao gồm bộ khuếch đại xoáy, thiết bị tách xoáy, ống Ranque Hilsch, dòng nước xoáy, thiết bị trao đổi nhiệt, bơm phun tia… Trong các hệ thống cháy, dòng xoáy được ứng dụng rộng rãi nhằm tạo ra sự ổn định cho quá trình cháy cường độ cao và khả năng làm sạch buồng đốt trong động cơ xăng dầu, động cơ diesel, turbine khí, các lò nung công nghiệp và nhiều thiết bị nhiệt khác

Hiệu quả ấn tượng của dòng xoáy trong các thiết bị và hệ thống công nghiệp đã được biết và đánh giá cao trong những năm qua và vì vậy trên thế giới đã có rất nhiều

Trang 37

nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm về dòng phun xoáy được thực hiện từ cuối thế kỷ thứ 19

Năm 1957, Peckham và Atkinson đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm dòng lưu chất chuyển động xoáy hình thành ngay sau khi rời khỏi phần đuôi của cánh Đến năm 1962, Harvey tiến hành thực nghiệm tương tự và nhận thấy cường độ xoáy phụ thuộc vào tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến và vận tốc dọc trục

uwS [8] Nghiên cứu của Mc Manus, Legner và David (1994) nhằm xác định tính hiệu quả của vòi phun xoáy dao động để tạo ra dòng xoáy được điều khiển ngắt quãng Nghiên cứu cho thấy, dòng nhiên liệu được điều khiển ngắt quãng bởi vòi phun dao động làm tăng đáng kể quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu có vận tốc cao và không khí có vận tốc thấp so với vòi phun liên tục [21]

Cũng phải kể đến nghiên cứu về thiết bị phun xoáy của Chen và Driscoll năm 1998, sử dụng hệ số xoáy cao (S = 1,0) bảo đảm cho việc hình thành vùng hồi lưu tại miệng ra của vòi phun, làm tăng quá trình hòa trộn và làm cho ngọn lửa trong buồng đốt cháy ổn định hơn Các tác giả cho rằng khi hệ số xoáy tăng, chiều dài ngọn lửa cháy sẽ giảm theo hệ số 5 [22]

Năm 1998, Lin đã thực hiện nghiên cứu về mô hình tia đồng trục xoáy dựa trên cách tiếp cận phương trình trung bình Reynolds và các mô hình rối dạng nhớt – xoáy, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của mật độ lưới và mô hình rối trên những kết quả dự đoán trước đó [23]

Song song với những công trình nghiên cứu thực nghiệm là những công trình nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số quá trình cháy trong buồng đốt ứng dụng dòng phun rối xoáy Đến năm 1984 thì mô hình toán dòng phun xoáy gần như được xây dựng bởi nhóm tác giả A K Gupta, D G Lilley và N Syred và sau đó được hoàn thiện bởi Jiri Brada (2001), Vaidyanathan Sankaran và Suresh Menon (2002) Mô hình toán của dòng phun xoáy viết dưới dạng hàm dòng  trong hệ tọa độ trụ (x, r, ) như sau [8], [24], [25]:

0x

r1xrr1













x2

vurrr2

vuxrwxr

rrrrr

xrxx

rrrrxr

2222

22

t3t

32















































(1.19)

Trang 38

wxrxxrwrrrw

3t





























trong đó: u, v, w – các thành phần vận tốc dọc trục, hướng kính và tiếp tuyến [m/s]

  hàm xoáy Một nghiên cứu khác nhằm xác định phương pháp thích hợp trong việc mô phỏng số dòng xoáy có hệ số cường độ xoáy rất cao, S = 5,1 (gấp hai lần hệ số xoáy gặp trong công nghiệp) Đồng thời, các mô hình bậc một và bậc hai của ứng suất Reynolds (RST) cũng được sử dụng để mô phỏng 3D dòng rối xoáy đẳng hướng bằng phần mềm Fluent cho thấy các dạng lốc xoáy Rankine trên toàn bộ trường dòng Tuy nhiên, mô hình này không chính xác khi dự đoán các đặc tính của dòng xoáy [26]

Năm 2009, thông số nồng độ (ACM) của mô hình cháy rối được tác giả Jian Zhang và Chengkai Zhu đề xuất bằng việc kết hợp các biểu thức đại số đối với sự dao động của nồng độ, mật độ xác suất và được coi là hàm của nhiệt độ khí tức thời Mô hình này được ứng dụng để mô phỏng dòng phun rối và sự cháy trong buồng đốt xoáy [27]

Một số nghiên cứu trong nước cũng có đề cập tới dòng phun rối xoáy trên các tạp

chí chuyên ngành Trước tiên là nghiên cứu “Mô phỏng số dòng phun hai pha rối

xoáy, không đẳng nhiệt” đã xây dựng mô hình rối bốn thành phần, nhưng chưa xét đến

ảnh hưởng của khối lượng riêng lên các thành phần động năng rối k, tốc độ tiêu tán rối  và cũng chỉ dừng lại ở mô hình rối xoáy hai pha đồng nhất [28]

Dòng phun xoáy được tạo ra từ chuyển động theo đường xoắn ốc, độ xoáy của dòng phun được đánh giá bằng hệ số xoáy Bằng phương pháp mô phỏng số, các tác giả đã trình bày các ảnh hưởng của hiệu ứng xoáy đến quá trình cháy dòng phun rối xoáy hai pha không đẳng nhiệt trong buồng đốt công nghiệp [29]

Các tác giả cũng đã giới thiệu thiết bị đầu đốt tạo xoáy với các hệ số xoáy khác nhau dựa trên lý thuyết về quan hệ giữa hệ số xoáy và góc tạo xoáy, cùng với những ứng dụng của đầu đốt tạo xoáy để xác định hiệu quả của dòng xoáy lên ngọn lửa của dòng phun rối xoáy hai pha trong buồng đốt [30]

Sử dụng nguyên lý của máy lạnh dựa trên hiệu ứng xoáy Rank bằng cách cho một dòng khí qua vòi phun vào một ống theo phương tiếp tuyến với chu vi ống, từ đó nhận được hai dòng khí đi ra ở hai phía ống có nhiệt độ khác nhau [31]

Tóm lại, hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước về dòng phun xoáy tập trung vào những nghiên cứu lý thuyết hay ứng dụng của hiệu ứng xoáy trong các buồng đốt công nghiệp nhằm làm tăng quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí,

Trang 39

tạo ra sự ổn định cho quá trình cháy và làm sạch buồng đốt Chưa thấy các nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng xoáy trong các thiết bị tưới tiêu nông nghiệp hay nhằm mục đích cải tạo vi khí hậu Vì vậy, đề tài sẽ lựa chọn việc nghiên cứu, ứng dụng dòng phun xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun sử dụng đầu phun tạo xoáy Đây là hướng đi mới của đề tài

Phạm vi ứng dụng dòng phun xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun khi sử dụng đầu phun tạo xoáy nhằm mục đích tưới phun cho các loại cây trồng như rau màu, hoa, vườn ươm…, làm mát cho cây trồng và cải tạo vi khí hậu trong các nhà kính hay không gian tĩnh lặng Đây là cơ sở để thiết kế, chế tạo đầu phun tạo xoáy liên quan tới các kích thước hình học

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

1.3.1 Những vấn đề cần giải quyết

Phương trình của Reynolds cho thấy rõ hơn bản chất vật lý của các yếu tố liên quan đến hiện tượng rối và được các nhà khoa học sau này ứng dụng trong việc thiết lập các mô hình rối để giải bài toán dòng chảy rối Những mô hình rối này được xây dựng cho dòng chảy rối một hoặc hai pha với giả thiết hỗn hợp hai pha là đồng nhất và đẳng hướng Khi xây dựng mô hình toán cho dòng rối xoáy hai pha đồng nhất, ngoài việc triển khai ứng dụng các phương trình Reylolds và các phương trình của mô hình rối thì một vấn đề cần được giải quyết là quá trình trao đổi chất giữa dòng phun với môi trường hay ảnh hưởng của nồng độ phải được xét đến Nói cách khác, cần phải bổ sung phương trình nồng độ phù hợp với mô hình rối để khép kín hệ phương trình toán

Bên cạnh đó, để giải được hệ phương trình vi phân biểu diễn dòng phun rối xoáy cũng cần lựa chọn phương pháp mô phỏng số đơn giản, có độ chính xác thích hợp

Một trong những vấn đề nữa được quan tâm giải quyết trong luận án là ứng dụng các kết quả mô phỏng số và thực nghiệm để thiết kế hệ thống tưới phun mưa và chế tạo đầu phun tạo xoáy

Tóm lại, qua việc khảo sát, phân tích các nghiên cứu có liên quan đến đề tài luận

án cho thấy, mục tiêu “Nghiên cứu, ứng dụng dòng phun xoáy trong hệ thống thiết bị

tưới phun” là cần thiết, đặc biệt trong điều kiện hiện nay khi mà vấn đề tiết kiệm nước

và năng lượng đang là vấn đề thời sự Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu, giải quyết

những nội dung cơ bản sau

Trang 40

1.3.2 Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu hoàn thiện mô hình rối của quá trình trao đổi chất bao gồm việc

bổ sung phương trình nồng độ, xây dựng mô hình toán cho dòng phun rối xoáy trong kỹ thuật tưới phun

 Mô phỏng số một số thông số vật lý, thông số kích thước với các hệ số xoáy

khác nhau trong giai đoạn đầu của dòng phun, phục vụ cho việc tính toán thiết kế hệ thống tưới phun

 Nghiên cứu thực nghiệm dòng phun rối xoáy trong hệ thống thiết bị tưới phun;

kiểm chứng một số thông số vật lý, thông số kích thước hình học của mô hình số và xác định hệ số xoáy phù hợp nhất cho hệ thống thiết bị tưới phun

 Ứng dụng các kết quả mô phỏng số và thực nghiệm tính toán, thiết kế hệ thống

tưới phun mưa sử dụng đầu phun tạo xoáy, bao gồm cả việc chế tạo đầu phun có rãnh tạo xoáy và ứng dụng tại một số đơn vị nhằm đánh giá hiệu quả hệ thống tưới phun

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm:

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

1.4.1.3 Phương pháp tiếp cận hệ thống

Khảo sát các công nghệ và thiết bị đã được ứng dụng tại một số địa điểm có hệ thống tưới phun mưa tại Tp Hồ Chí Minh, Đồng Nai và Bình Dương Tìm hiểu một số đầu phun mưa do Việt Nam và Trung Quốc chế tạo để phân tích các thông số cơ bản và yêu cầu kỹ thuật làm cơ sở đánh giá đầu phun được chế tạo trong nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mặt hiệu quả sử dụng