1 TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
1.1 Kỹ thuật tưới phun và dịng phun rối xốy
1.1.1 Kỹ thuật tưới phun
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 cĩ nền nơng nghiệp tiên tiến. Nguyên tắc chính của phương pháp này là thơng 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 cĩ thể áp dụng hiệu quả tại [1], [2], [3]: Những vùng cĩ 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 sơng làm kênh và mương tưới khĩ khăn do mực nước lên xuống thất thường.
Những vùng canh tác dốc, địa hình phức tạp.
Dựa vào tính năng hoạt động cĩ thể chia các hệ thống tưới phun làm ba loại cơ bản [2]:
Hệ thống phun mưa cố định, trong đĩ mọi thành phần của hệ thống từ trạm bơm, đường ống các loại và vịi phun mưa đều được lắp cố định. Các đường ống thường được đặt ngầm dưới đất để khơng 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, cĩ 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 cĩ trình độ.
Hệ thống phun mưa di động, tất cả các thành phần của hệ thống từ máy bơm, đường ống các loại và vịi phun đều cĩ thể tháo lắp, vận chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Các hệ thống phun mưa di động cĩ ưu điểm là gọn nhẹ, cơđộng, khơng yêu cầu khu tưới lớn, vốn đầu tư nhỏ; vì vậy, hệ thống này được áp dụng tương đối phổ biến. Tuy nhiên, cĩ nhược điểm là năng suất tưới khơng cao, đơi 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 vịi 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, khơng cần kênh, mương dẫn nước.
kiểu búa đập và đầu phun cố định tỏa trịn, trong đĩ dịng phun khi ra khỏi miệng vịi phun là dịng phun rối (hình 1.1). Loại đầu phun tự xoay cĩ dịng nước chính phun ra để tưới, cịn một phần nước được đưa qua cơ cấu địn gánh làm quay thân vịi quanh trục của nĩ. Loại này cĩ bán kính dịng phun lớn (6 20m), áp lực làm việc địi hỏi cao (trên 2,5bar), cĩ độđồng đều tưới phun khơng cao, thích hợp với các loại cây cơng nghiệp, sân gold… Loại đầu phun tỏa trịn cĩ các chi tiết được gắn cố định, phía trên miệng ra cĩ lắp núm chặn hình nĩn làm cho nước xịe ra xung quanh, vặn núm chặn cĩ thể điều chỉnh cỡ hạt mưa. Loại này cĩ 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.
Đầu phun xoay Đầu phun tỏa trịn
Hình 1.1 Hai loại đầu phun phổ biến [4]
Nhìn chung, phương pháp tưới phun mưa cĩ những ưu điểm nổi bật sau [1], [2], [3]: Năng suất cao do được cơ giới hĩa, tự động hĩa và cĩ thể điều chỉnh trong phạm vi lớn (30 900m3/ha).
Cĩ thể sử dụng các nguồn nước khác nhau, đồng thời cĩ thể hịa tan với phân hĩa học, chất khử trùng để tưới.
Cĩ thể tưới trên các địa hình phức tạp: dốc, khơng bằng phẳng và các loại đất khác nhau: đất thịt, xốp như cát, cát pha cĩ 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 cĩ hiệu quảở những vùng khan hiếm nước.
Tiết kiệm năng lượng do thiết bịđơn 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.
Ở nước ta, gần đây Viện khoa học Thủy lợi và một số cơ quan khác đã và đang nghiên cứu đưa cơng nghệ tưới phun vào trong nước dưới dạng các mơ hình thí điểm, trình diễn ở diện nhỏ. Một trong những nguyên nhân dẫn đến việc cơng 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 luơn tồn tại một trong hai trạng thái là chuyển động tầng và chuyển động rối. Ở trạng thái chuyển động tầng, dịng chảy được hình thành bởi các lớp lưu chất song song với nhau, trượt trên nhau theo một quy luật nhất định. Cịn ở trạng thái chuyển động rối, các phần tử lưu chất chuyển động hỗn loạn và khơng thể đốn trước được đường đi của chúng. Đồng thời với chuyển động chính dọc theo phương của dịng chảy, các phần tử lưu chất cịn thực hiện những dao động theo phương ngang.
Hình 1.2 Các dao động rối trong dịng chảy dừng (a) và khơng 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 đĩ v, L và là những thành phần vận tốc, độ dài đặc trưng của dịng 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 đĩ là chếđộ chảy tầng. Tại giá trị giới hạn Regh, trong dịng lưu chất bắt đầu xuất hiện các chuyển động hỗn loạn, dịng chảy trở nên khơng ổn định, vận tốc và các đặc tính khác của dịng chảy thay đổi liên tục theo thời gian, ta nĩi dịng chảy bắt đầu rối. Khi số Re tăng lớn, dịng chảy trở nên hỗn loạn, đĩ là chuyển động rối hồn tồn (hình 1.2). Giá trị Re giới hạn chuyển đổi trạng thái phụ thuộc vào loại dịng chảy, chẳng hạn đối với dịng tia giá trị Regh 104, tại các lớp biên cĩ Regh = 91000 và đối với dịng chảy trong ống Regh = 2320 [5].
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]: ' (1.1)
với là trung bình thời gian, ’ là thành phần dao động ngẫu nhiên và cĩ thể là một tensor, vector hay một giá trị vơ hướng. tại một thời điểm được xác định [6]:
2 1 t t dt t 1 (1.2) 1.1.3 Dịng phun rối xốy
Dịng phun rối xốy được tạo ra do ứng dụng chuyển động xoắn, ngồi các hiện tượng phức tạp xuất hiện trong dịng rối, cịn thêm vào quá trình xốy làm phân tán, lắng đọng và cuốn theo của các hạt (giọt lỏng, bọt khí). Chuyển động của các hạt này cĩ ảnh hưởng tới cấu trúc rối và tác động tới sự cân bằng lực của dịng chảy. Cấu trúc rối trong dịng rối xốy là một hiện tượng đáng chú ý và cĩ 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 hĩa chất, thiết bị vận chuyển khí và hạt, thiết bị tưới phun trong nơng nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.
Dịng phun rối xốy được hình thành bằng ba phương pháp cơ bản:
Nhờ rãnh dẫn hướng (rãnh tạo xốy hay cánh tạo xốy) 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 xốy.
Dịng phun rối xốy trong hệ thống thiết bị tưới phun được hình thành bằng cách sử dụng các rãnh tạo xốy. Vì vậy, dịng lưu chất được tạo xốy khi ra khỏi miệng phun sẽ cĩ các thành phần vận tốc theo phương dọc trục, ngang và tiếp tuyến.
Để biểu diễn mức độ xốy và ảnh hưởng của sự xốy, trong kỹ thuật thường sử dụng đại lượng hệ số cường độ xốy S, được xác định bằng cơng thức [7], [8]:
0
x.r
G G
S (1.3)
trong đĩ: G – động lượng xốy,
0 2dr r ' w ' u uw G Gx – động lượng dọc trục, 0 x 2 2 x u u' p p rdr G
r0 – bán kính vịi 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 dịng phun rối xốy trong hệ thống thiết bị tưới phun, hệ số xốy được xác định bằng cơng thức gần đúng của A. K. Gupta et al [8]: u w 3 2 S (1.4) hay: tg 3 2 S (1.5)
trong đĩ: u, w – các thành phần vận tốc dọc trục và tiếp tuyến tại miệng phun [m/s] – gĩc nghiêng của rãnh tạo xốy (xem mục 3.1.2)
Hình 1.3 Dịng phun đặc trưng ở mức độ xốy yếu (a) và ở mức độ xốy mạnh (b) [8]
Thơng thường S > 0,6 thì dịng được coi là xốy mạnh và khi S < 0,6 thì dịng được coi là xốy yếu. Stới hạn = 0,6 được gọi là hệ số xốy tới hạn. Hình 1.3a biểu diễn dịng phun ở mức độ xốy yếu (S < 0,6), gradient áp suất ngược khơng đủ để gây ra tuần hồn dọc trục, dịng phun được mở rộng cũng như di chuyển một cách từ từ. Cịn hình 1.3b mơ tả dịng phun ở mức độ xốy cao (S > 0,6) tạo ra vùng tuần hồn, gradient áp suất hướng kính và dọc trục mạnh được thiết lập gần miệng phun tạo ra dịng hồi lưu “hút ngược” dịng chảy quay lại miệng phun, dịng phun được mở rộng nhanh hơn so với trường hợp xốy yếu, biên dạng của nĩ phụ thuộc vào hệ số xốy cũng như hình dạng vịi phun, kích thước bao, đặc biệt là biên dạng vận tốc thốt ra.
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 1.2.1 Kỹ thuật tưới phun 1.2.1 Kỹ thuật tưới phun
Ở Mỹ cĩ 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 cơng nghệ tưới tiết kiệm nước. Vào những năm 1960, Sterling David là một kỹ sư người Mỹđã 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 cĩ một ý nghĩa rất lớn đĩng gĩp vào việc phổ biến áp dụng kỹ thuật tưới phun trên thế giới.
Trong vài chục năm qua các kỹ thuật cơng nghệ tưới tiết kiệm nước, trong đĩ cĩ cơng nghệ tưới phun đã khơng ngừng được phát triển, hồn 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 cơng nghệ tưới tiết kiệm nước, đặc biệt là kỹ thuật tưới phun. Theo số liệu gần đây của Tổ chức Lương thực và Nơng nghiệp Liên hiệp quốc (FAO), đã cĩ hơn 1.000.000ha cây trồng được tưới bằng các cơng nghệ này [2].
Đối với Việt Nam, cơng nghệ tưới phun cịn rất mới mẻ. Từ năm 1993, cơng 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 cơng hệ thống tưới phun mưa nhỏ vào năm 1994 tại khu dự án khoa học cơng nghệ cấp Nhà nước tại Phủ Quỳ, Nghệ An. Tiếp theo, bước cải tiến hồn 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 cơng nghệ tưới trên quy mơ tương đối lớn với thiết bị chủ yếu là nhập ngoại. Ở các tỉnh miền Đơng 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 cơng 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 “Vịi phun và cơng nghệ tưới phun mưa” đã xây dựng được mơ hình tổng quát của hệ thống tưới phun với những kết quả thực nghiệm về các gĩc độ của vịi phun. Tuy nhiên, kết quả mới chỉ dừng lại với dịng phun khơng xốy [9].
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 cĩ nhiều ưu điểm nổi bật, đầy triển vọng áp dụng cho các vùng cây trồng cạn, cĩ thể thay thế cho các hệ thống tưới thơng thường trước đây và đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều. Như vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng dịng phun rối xốy trong hệ thống thiết bị tưới phun là một đề tài mang tính thời sự và cĩ ý nghĩa thực tiễn, trong đĩ dao động rối thuộc về bản chất tự nhiên của dịng chảy; cịn chuyển động xốy chủ yếu là do tác động bên ngồi, do đĩ chúng ta cĩ thể tác động và điều khiển được. Vì vậy, luận án sẽ tập trung vào việc ứng dụng hiệu ứng xốy trong hệ thống thiết bị tưới phun bằng cách sử dụng đầu phun tạo xốy mà trước đây chỉ sử dụng trong các hệ thống thiết bị đốt cơng nghiệp. Đây là một trong những lựa chọn hướng đi mới cho đề tài.
Việc ứng dụng hiệu ứng xốy 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 cĩ 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 Mơ hình rối
Từđầu thế kỷ 16, các nghiên cứu trên thế giới về hiện tượng rối đã bắt đầu được thực hiện, nhưng hầu như khơng cĩ 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 khơng nén được và được thể hiện qua mơ hình tốn sau [10]:
i j j i t ' j ' i ij x u x u u u (1.6)
Giả thiết này của Boussinesq vẫn cịn là cơ sở cho phần lớn các mơ hình rối sau này. Mặc dù ở thời điểm đĩ Boussinesq cho rằng việc xác định mối quan hệ giữa ứng suất rối và tensor tốc độ biến hình là rất khĩ khăn. Trong mơ hình tốn của Boussinesq, độ nhớt rối động lực t được xem là đẳng hướng, điều này khơng hồn tồn đúng trong nhiều loại dịng chảy và làm giảm độ chính xác khi tính tốn.
Năm 1894, Reynolds dùng thuyết ngẫu nhiên và phương pháp thống kê để mơ tả dịng rối, vì cho rằng sự rối là một hiện tượng ngẫu nhiên nên sẽ khĩ đạt được các kết quả chính xác bằng phương pháp phân tích kỹ thuật. Ơng chia vận tốc dịng chảy rối