LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG DÒNG PHUN RỐI XOÁY TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ TƯỚI PHUN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TUYỂN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG DÒNG PHUN RỐI XOÁY TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ TƯỚI PHUN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TUYỂN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG DÒNG PHUN RỐI XOÁY TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ TƯỚI PHUN Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số Chuyên ngành: 62 52 04 01 Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Nguyễn Việt Hùng Phản biện độc lập 2: TS. Nguyễn Anh Thi 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 i 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 ii 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 thuậ t 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 tr ồng 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 ph ỏng 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 c ủa 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 tướ i phun tại ba đơn vị khác nhau khi sử dụng đầu phun tạo xoáy. iii 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. iv 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 Đạ i 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 ki ện, 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 điề u 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. v MỤC LỤC Lời cam đoan i Tóm tắt luận án ii Lời cảm ơn iv Mục lục v Danh mục các hình ảnh ix 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 Ph ương pháp nghiên cứu lý thuyết 18 1.4.1.1 Phương pháp diễn dịch 18 1.4.1.2 Phương pháp kế thừa 18 1.4.1.3 Phương pháp tiếp cận hệ thống 18 1.4.2 Phương pháp mô phỏng số 19 1.4.3 Phương pháp chế tạo 19 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 vi 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 c ủa 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 2.2.5 Trình tự lập trình tính toán 41 2.2.5.1 Giải tìm biến  41 2.2.5.2 Giải tìm biến u 42 2.2.5.3 Giải tìm biến v 44 2.2.5.4 Giải tìm biến p 44 2.3 Mô phỏng số 44 2.3.1 Mô phỏng hàm dòng 45 2.3.2 Phân bố vận tốc 45 2.3.2.1 Vận tốc dọc trục 45 2.3.2.2 Vận tốc hướng kính 46 2.3.2.3 Vận tốc tiếp tuyến 47 2.3.3 Phân bố áp suất 48 2.3.4 Phân bố động năng rối 49 2.3.4 Phân b ố 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 vii 2.4.1.2 Vận tốc tiếp tuyến 52 2.4.2 Phân bố áp suất 53 2.4.3 Phân bố động năng rối 54 2.4.5 Phân bố nồng độ 55 2.5 Nhận xét 55 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DÒNG PHUN RỐI XOÁY TRONG KỸ THUẬT TƯỚI PHUN 56 3.1 Mô hình thực nghiệm 56 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 tướ i 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 Y 1 72 3.4.2.2 Độ đồng đều tưới phun Y 2 74 3.4.2.3 Chi phí điện năng Y 3 76 3.4.3 Xác định các thông số và chỉ tiêu tối ưu 76 viii 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 lượ ng 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 4.3.1 Kết quả ứng dụng 1 90 4.3.2 Kết quả ứng dụng 2 92 4.3.3 Kết quả ứng dụng 3 95 4.4 Nhận xét 98 5 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99 5.1 Kết luận 99 5.1.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết 99 5.1.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệ m 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 [...]... 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  Phạm vi nghiên cứu  Dòng phun rối xoáy chuyển động dừng, được phun ra từ đầu phun tạo xoáy vào môi trường không khí  Nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết, mô hình thực nghiệm và ứng dụng  So sánh, đánh giá kết quả nghiên cứu. .. 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... 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... 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... 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... 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 2  Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, ứng dụng dòng. .. 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... nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm của các tác giả khác và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của bản thân  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... 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... 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