Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió" trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió nhằm nâng cao lưu lượng và áp lực của dòng không khí phun vào đám cháy, từ đó nâng cao hiệu quả dập lửa chữa cháy rừng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió

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 THÔNG SỐ CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG SỨC GIÓ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật cơ 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 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Văn Tỉnh và TS. Trần Văn Tưởng. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố ở bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày …… tháng 5 năm 2023 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án TS. Phạm Văn Tỉnh TS. Trần Văn Tưởng Giang Quốc Nam
LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận án khoa học này. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Tỉnh và TS. Trần Văn Tưởng với những ý kiến đóng góp quan trọng và chỉ dẫn khoa học quý giá trong quá trình thực hiện công trình nghiên cứu. Trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp, Phòng Đào tạo sau đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Hòa Bình, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này. Trân trọng cảm ơn tập thể, lãnh đạo Khoa Cơ điện và Công trình, Bộ môn Công nghệ và máy chuyên dùng Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học của 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 bộ Cơ khí động lực… đã đóng góp ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận án này. 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 các ký hiệu và viết tắt …………………………………………. xii Mở đầu …………………………………………………………………… 1 1. Đặt vấn đề ……………………………………………………………..... 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án ……………………………………… 4 3. Những đóng góp mới của luận án ……………………………………… 4 4. Ý nghĩa khoa học của luận án ……………………………………………. 4 5. Ý nghĩa thực tiễn của luận án …………………………………………… 5 Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu …………………………… 6 1.1. Đặc điểm và nguyên lý của quá trình cháy rừng ……………………… 6 1.1.1. Tình hình cháy rừng trên thế giới và ở Việt Nam …………………… 6 1.1.2. Đặc điểm và điều kiện hoạt động của các thiết bị chữa cháy rừng … 9 1.1.3. Đặc điểm của quá trình cháy rừng .…………………………………. 10 1.1.4. Nguyên lý của quá trình chữa cháy ………………………………… 14 1.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị chữa cháy rừng ………… 20 1.2.1. Khái quát về công nghệ chữa cháy rừng ........................................................ 20 1.2.2. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng và quạt gió ly tâm cao áp trên thế giới ................................................................................. 22 1.2.3. Các công trình nghiên cứu về thiết bị chữa cháy rừng ở Việt Nam … 28 1.3. Mục tiêu, nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu .................. 33 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án …………………………………… 33 1.3.2. Nội dung nghiên cứu của luận án …………………………………… 33 1.3.3. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 34 1.3.4. Phương pháp nghiên cứu …………………………………………… 38
Chương 2. Cơ sở khoa học xác định các thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng sức gió ………………………………………………….. 40 2.1. Đặc điểm và yêu cầu của quạt gió cao áp lắp trên máy chữa cháy bằng sức gió ……………………………………………………………………… 40 2.1.1. Đặc điểm của quá trình hoạt động của quạt gió cao áp lắp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió ……………………………………………… 40 2.1.2. Yêu cần kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng sức gió ……………. 41 2.2. Cấu tạo và các thông số của quạt gió cao áp ....................................... 41 2.2.1. Cấu tạo của quạt gió cao áp sử dụng để lắp máy chữa cháy rừng bằng sức gió ........................................................................................... 41 2.2.2. Các thông số kết cấu cơ bản của quạt gió …………………………… 42 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán quạt gió cao áp ............................................... 43 2.3.1. Phương trình liên tục của dòng khí …………………………………. 43 2.3.2. Phương trình năng lượng …………………………………………… 45 2.3.3. Chuyển động của phần tử chất khí trong máy chữa cháy rừng bằng sức gió …………………………………………………………………….. 47 2.4. Xây dựng mô hình tính toán động lực học bánh guồng của quạt gió cao áp để lắp máy chữa cháy rừng bằng sức gió …………………….……. 54 2.4.1. Xây dựng mô hình tính toán áp lực của quạt gió cao áp …………… 54 2.4.2. Thiết lập phương trình tính toán áp lực của quạt gió cao áp ……….. 56 2.5. Thiết lập phương trình mặt cong cánh quạt và 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 trong R3 ……………………. 63 2.5.3. Xây dựng phương trình đường cong quanh vỏ quạt ……………….. 67 2.6. Tính toán số lượng cánh quạt của quạt gió cao áp …………………… 68 2.7. Tính toán công suất động cơ của máy chữa cháy rừng bằng sức gió …… 69 Chương 3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học quạt gió cao áp của máy chữa cháy rừng bằng sức gió ………………………….. 71
3.1. Khảo sát đơn yếu tố một số thông số của cánh quạt ảnh hưởng đến vận tốc và áp lực dòng khí ……………………………………………………... 71 3.1.1. Phần mềm khảo sát …………………………………………………. 71 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc và áp lực dòng khí đầu ra của quạt gió ………………………………………………. 72 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào đến vận tốc và áp lực của dòng không khí đầu ra quạt gió ……………………………………….. 73 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của bán kính cong của cánh quạt đến vận tốc và áp lực không khí đầu ra của quạt gió ……………………………………… 75 3.2. Khảo sát đa yếu tố ảnh hưởng của các thông số cánh quạt đến vận tốc 76 và áp lực không khí đầu ra của quạt gió …………………………………… 3.2.1. Thông số đầu vào để khảo sát ………………………………………. 76 3.2.2. Lựa chọn phần mềm để khảo sát …………………………………… 77 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến vận tốc, lưu lượng và áp lực quạt gió ………………………………………….. 78 3.3. Xây dựng đường đặc tính của quạt gió cao áp để lắp vào máy chữa cháy rừng bằng sức gió ……………………………………………………. 80 3.4. Xác định một số thông số hợp lý của máy chữa cháy rừng bằng sức gió.. 81 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết và xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng 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 các đại lượng nghiên cứu …………………….. 85 4.3.1. Phương pháp xác định vận tốc dòng không khí phun ra ở 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 và vận tốc không khí phun vào đám cháy.. 87 4.3.4. Thiết bị khuếch đại ............................................................................. 89 4.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết.. 90 4.4.1. Chuẩn bị thí nghiệm ........................................................................... 90 4.4.2. Tổ chức và tiến hành thí nghiệm ........................................................ 91 4.4.3. Kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết …………………………… 94 4.5. Xác định một số thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng bằng sức gió.. 97 4.5.1. Chọn phương pháp nghiên cứu ……………………………………... 97 4.5.2. Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm ……………………………… 99 4.5.3. Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố ……………………………………… 104 4.5.4. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố ……………………………………… 114 4.6. Xác định giá trị tối ưu của thông số ảnh hưởng ……………………… 122 4.6.1. Phương pháp tìm giá trị tối ưu của thông số đầu vào ……………… 122 4.6.2. Kết quả giải bài toán tối ưu theo phương pháp hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát ................................................................................................ 123 4.7. Xác định công suất động cơ .................................................................. 124 4.8. Thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng sức gió đã được tính toán tối ưu và hoàn thiện ………………………………………………….. 125 Kết luận và kiến nghị ……………………………………………………. 128 Tài liệu tham khảo ………………………………………………………. 130 Các bài báo đã công bố về kết quả của luận án ………………………… 138 Phụ lục …………………………………………………………………… 139
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cháy rừng ở Hà Tĩnh …………………………………………….. 9 Hình 1.2: Sử dụng máy chữa cháy rừng bằng không khí để dập lửa ………. 10 Hình 1.3. Cấu trúc ngọn lửa khuyếch tán khi cháy rừng …………………… 11 Hình 1.4: Sự phụ thuộc của vận tốc lan truyền ngọn lửa trên bề mặt chất rắn bởi nhiệt độ ban đầu của nó ………………………………………………… 12 Hình 1.5: Sự phụ thuộc của vận tốc lan truyền ngọn lửa bởi góc nghiêng … 13 Hình 1.6: Sơ đồ tam giác cháy …………………………………………….. 17 Hình 1.7: Máy chữa cháy rừng bằng sức gió MBH - 29 của Trung Quốc …. 24 Hình 1.8: Máy chữa cháy rừng bằng sức gió do đề tài cấp bộ thiết kế chế tạo… 31 Hình 1.9: Các thiết bị chữa cháy rừng do 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 bằng sức gió do 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 bằng sức gió chữa cháy rừng ngoài thực tế... 35 Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo thiết bị chữa cháy rừng bằng sức gió …………… 35 Hình 2.1: Cấu tạo của quạt gió cao áp ……………………………………… 42 Hình 2.2: Kết cấu cơ bản của quạt gió cao áp ................................................ 42 Hình 2.3: Mô hình tính toán dòng khí liên tục ……………………………… 44 Hình 2.4: Mô hình đường dòng của chất lưu ………………………………. 48 Hình 2.5: Mô hình phần tử hữu hạn để tính toán phần tử chất khí trong quạt gió …………………………………………………………………… 51 Hình 2.6: Sơ đồ sai phân tính toán phần tử khí ……………………………. 53 Hình 2.7: Mô hình tính toán động lực học bánh guồng quạt gió cao áp …… 55 Hình 2.8: Sơ đồ tính toán áp lực dòng khí của bánh guồng quạt gió cao áp… 56 Hình 2.9: Cấu tạo vỏ quạt gió cao áp ………………………………………. 61
Hình 2.10: Cấu tạo của bánh guồng ………………………………………… 61 Hình 2.11: Mô hình xây dựng mặt cong cánh quạt ………………………… 62 Hình 2.12: Sơ đồ tính toán thông 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 của tham số kết cấu đến tham số động lực học của cánh quạt gió cao áp ........................................................... 71 Hình 3.2: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến vận tốc dòng khí ………… 72 Hình 3.3: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra đến áp lực dòng khí …………. 73 Hình 3.4: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào đến vận tốc dòng không khí đầu ra quạt gió ……………………………………………………………… 74 Hình 3.5: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào đến áp lực dòng không khí đầu ra quạt gió ……………………………………………………………… 74 Hình 3.6: Ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến vận tốc dòng không khí …………………………………………………………………. 75 Hình 3.7: Ảnh hưởng của bán kính cong cánh quạt đến áp lực dòng không khí ………………………………………………………………… 76 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng vận tốc dòng khí …………………………….. 78 Hình 3.9: Kết quả mô phỏng áp suất dòng khí ……………………………… 79 Hình 3.10: Đồ thị đường đặc tính của quạt gió cao áp để lắp vào máy chữa cháy rừng bằng 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 dòng không khí .............................. 85 Hình 4.3: Sơ đồ tổng quát đo các đại lượng không điện bằng điện .................. 86 Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc dạng khối của thiết bị thí nghiệm đo áp lực dòng không khí phun ở miệng ống thổi …………………………………………... 86 Hình 4.5: Sơ đồ đo áp lực của không khí phun vào đám cháy ....................... 87 Hình 4.6: Encoder đếm số vòng quay của cánh quạt gió ............................... 88
Hình 4.7: Hiệu chỉnh thiết bị đo vận tốc gió ................................................... 88 Hình 4.8: Đầu đo lực nén HBM …………………………………………….. 89 Hình 4.9: Thiết bị DMC Plus ……………………………………………….. 90 Hình 4.10: Thực nghiệm vận tốc dòng không khí phun ra ở miệng quạt gió... 91 Hình 4.11: Mối quan hệ thực nghiệm giữa tốc độ bánh công tác (n), tốc độ gió (V) và áp suất tại cửa ra (p) của máy chữa cháy rừng bằng sức gió ........ 92 Hình 4.12: Biểu đồ đo vận tốc quạt gió theo thời gian ................................... 92 Hình 4.13: Biểu đồ đo áp lực của dòng không khí phun ra của quạt gió ........ 93 Hình 4.14: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào β1 đến áp lực gió phun …….. 105 Hình 4.15: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào β1 đến vận tốc phun ………… 106 Hình 4.16: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến áp lực phun …………… 107 Hình 4.17: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến vận tốc phun ………….. 109 Hình 4.18. Ảnh hưởng của bán kính cong của cánh quạt đến áp lực phun … 110 Hình 4.19. Ảnh hưởng của bán kính cong của cánh quạt đến vận tốc phun… 111 Hình 4.20: Ảnh hưởng số lượng cánh Z đến áp lực phun …………………… 112 Hình 4.21. Ảnh hưởng của số lượng cánh quạt đến vận tốc phun ………….. 113
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tổng hợp tình hình cháy rừng ở Việt Nam từ năm 2012 - 2022… 8 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của máy chữa cháy rừng bằng sức gió ............ 36 Bảng 3.1: Một số thông số đầu vào cố định để khảo sát vận tốc và áp lực của dòng không khí quạt gió cao áp ……………………………………….......... 77 Bảng 3.2: Các thông số đầu vào thay đổi để khảo sát vận tốc và áp lực của dòng không khí quạt gió cao áp …………………………………………….. 77 Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả khảo sát đối với một số dạng mặt cánh quạt….. 79 Bảng 4.1: So sánh vận tốc gió tính toán theo lý thuyết với kết quả thực nghiệm… 95 Bảng 4.2a: Bảng quy đổi áp lực gió giữa mô hình tính toán lý thuyết và thực nghiệm ………………………………………………………………. 96 Bảng 4.2b: Bảng so sánh áp suất của quạt gió giữa mô hình tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm ……………………………………………… 96 Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào β1 đến áp lực gió phun (quy đổi từ áp suất dư sang áp lực) …………………………… 104 Bảng 4.4: Ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu vào β1 đến vận tốc gió phun ……… 105 Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến áp lực gió phun ………………………………………………………………… 107 Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của góc lắp ráp đầu ra β2 đến vận tốc gió phun ………………………………………………………………… 108 Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của bán kính cong của cánh quạt đến áp lực gió phun ………………………………………………………… 109 Bảng 4.8: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của bán kính cong của cánh quạt đến vận tốc gió phun ……………………………………………………… 110 Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của số lượng cánh Z của quạt gió đến áp lực gió phun ………………………………………………………… 112
Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của số lượng cánh Z của quạt gió đến vận tốc gió phun ………………………………………………………... 113 Bảng 4.11: Mức thí nghiệm của các thông số đầu vào ……………………… 115 Bảng 4.12: Ma trận thí nghiệm theo kế hoạch Box - Behnken ……………… 116 Bảng 4.13: Kết quả ảnh hưởng của các thông số đến hàm vận tốc gió phun… 117 Bảng 4.14: Kết quả ảnh hưởng của các thông số đến hàm áp lực phun …….. 118 Bảng 4.15: Thông số kỹ thuật của máy phun sức gió chữa cháy rừng đã được chế tạo theo kết quả tính toán thông số tối ưu .................................................. 125
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A cm Độ mở rộng của quạt gió a Hệ số nhiễu loạn a0 Mật độ cánh quạt B cm Độ rộng xoắn ốc b1, b2 cm Độ rộng cánh quạt C m/s Tốc độ tuyệt đối của dòng không khí tại đầu ra Cv m/s Tốc độ tuyệt đối của dòng không khí tại đầu vào C2u m/s Tốc độ dài đầu ra của không khí d cm Đường kính ống thổi D1 cm Đường kính trong cánh quạt D2 cm Đường kính ngoài cánh quạt β1 độ Góc lắp ráp đầu vào cánh quạt β2 độ Góc lắp ráp đầu ra của cánh quạt r mm Bán kính cong của cánh quạt gió Z chiếc Số cánh quạt Tlt giây Thời gian lan truyền ngọn lửa Tch giây Thời gian cháy hết hoàn toàn chất cháy U1 m/s Tốc độ dài của dòng khí ở đường kính trong cánh quạt U2 m/s Tốc độ dài của dòng khí ở đường kính ngoài cánh quạt W1 m/s Tốc độ tương đối của dòng khí tại đầu vào của cánh quạt W2 m/s Tốc độ tương đối của dòng khí tại đầu ra của cánh quạt  Khối lượng riêng  Nội năng của một đơn vị khối lượng chất khí n Vòng/phút Số vòng quay
 Rad/s Vận tốc góc của bánh guồng X Số trung bình mẫu S Tiêu chuẩn mẫu αt Mức ý nghĩa Nm Dung lượng mẫu ∆ Sai số tuyệt đối 1 Chỉ tiêu Student Sp Phương sai của thí nghiệm K Hệ số dự trữ b0, bi, bij, bii Hệ số hồi qui Ntn Số thí nghiệm S2m Phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm S2u Phương sai thực nghiệm thứ n với số lần lặp lại mu m Hệ số liên tục Yui Giá trị của thông số ra ở điểm u Giá trị trung bình thông số ra tại điểm u Yui Xi Giá trị thực của tham số đầu vào Td Động năng của hệ F m2 Tiết diện, diện tích Fqt N Lực quán tính G kG Trọng lượng thiết bị Nđc KW Công suất động cơ Nct KW Công suất cần thiết Ntt KW Công suất tính toán L m3/s Lưu lượng không khí
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Rừng là lá phổi xanh của toàn nhân loại, là nguồn tài nguyên quý giá có khả năng tái tạo. Hệ sinh thái rừng đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại những hiện tượng thiên tai cực đoan do biến đổi khí hậu gây ra như: Lũ lụt, sạt lở, hiệu ứng khí nhà kính…; đồng thời là nơi cư trú của các hệ động thực vật và tàng trữ các nguồn gen quý hiếm. Bên cạnh đó, rừng còn là một trong những nguồn tài nguyên có thể tái tạo, đóng góp giá trị to lớn vào nền kinh tế của mỗi quốc gia, có giá trị to lớn đối với nền kinh tế quốc dân, văn hoá cộng đồng, du lịch sinh thái, nghiên cứu khoa học, an ninh quốc gia và chất lượng cuộc sống của con người. Tuy nhiên, hiện nay tài nguyên rừng đang bị suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng. Một trong những nguyên nhân làm mất rừng đó là do cháy rừng. Riêng đối với Việt Nam, thời gian qua, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu dẫn đến diễn biến thời tiết thất thường khiến nhiều diện tích rừng bị thiêu rụi và đe dọa nghiêm trọng đến thảm thực vật rừng, cũng như ảnh hưởng tới phát triển kinh tế - xã hội, môi trường, khí hậu… Do đó, cháy rừng đang trở thành vấn đề nghiêm trọng của quốc gia. Các số liệu Thống kê của Cục Kiểm lâm (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) [1] và Niên giám thống kê (Tổng cục Thống kê) [3] cho thấy, trong khoảng hơn 11 năm của giai đoạn 2012 - 2022, nạn cháy rừng đã thiêu hủy hơn 21 nghìn ha rừng của Việt Nam, gây thiệt hại lớn về kinh tế cho đất nước. Đặc biệt, vào những tháng cao điểm của mùa khô hạn, nắng nóng, nhiều khu rừng của Việt Nam nằm trong tình trạng cảnh báo có nguy cơ cháy rừng cấp V (cấp cực kỳ nguy hiểm), nguy cơ xảy ra cháy rừng rất cao. Cháy rừng không những bị tổn thất về mặt tài nguyên mà còn ảnh hưởng đến tính mạng con người, của
2 cải và môi trường sinh thái. Kể cả năm 2017, mặc dù lượng mưa tăng mạnh làm thời tiết bớt khô hạn và bớt hanh nóng góp phần giảm diện tích rừng bị cháy đến mức thấp nhất trong vòng 1 thập kỷ qua, nhưng mức độ thiệt hại vẫn còn khoảng 471,7 ha, giảm khoảng trên 80% so với năm 2016 (3.320 ha). Đứng trước những hiểm hoạ do cháy rừng gây ra, các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu, cải tiến các phương pháp phòng và chữa cháy rừng, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra. Mỗi loại thiết bị chỉ phù hợp với điều kiện nhất định, nên khi áp dụng các thiết bị chữa cháy rừng của nước ngoài vào điều kiện rừng của Việt Nam chưa phù hợp, do địa hình rừng của Việt Nam có độ dốc lớn, không có nguồn nước, thực bì phức tạp, đường giao thông không thuận lợi. Hiện nay việc chữa cháy rừng ở Việt Nam chủ yếu chữa cháy bằng thủ công (dùng cành cây, cào, cuốc… đập trực tiếp vào đám cháy), nên hiệu quả thấp, nguy hiểm đối với người tham gia chữa cháy, từ đó mà diện tích cháy rừng ngày càng tăng. Một số vườn quốc gia và cơ sở chữa cháy đã trang bị một số thiết bị để chữa cháy rừng, nhưng các thiết bị này không phù hợp với địa hình, điều kiện rừng, điều kiện tác nhân chữa cháy nên hiệu quả chữa cháy rừng không cao. Do đặc điểm của cháy rừng thường là nơi xa nguồn nước, điều kiện vận chuyển nước không thuận lợi, độ dốc lớn, địa hình phức tạp nên các thiết bị chữa cháy lớn như xe ôtô chữa cháy khó có thể áp dụng được. Để tăng hiệu quả cho việc chữa cháy rừng thì cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra các thiết bị chữa cháy rừng sử dụng tác nhân chữa cháy tại chỗ, thiết bị gọn nhẹ dễ mang vác di dộng trên địa hình dốc, hiệu quả dập lửa lớn, dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện địa hình và điều kiện kinh tế ở Việt Nam, để trang bị rộng rãi cho các cơ sở sản xuất lâm nghiệp, từ đó toàn dân có thể tham gia vào công tác chữa cháy rừng, góp phần hạn chế diện tích rừng bị cháy.
3 Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì thực hiện đề tài trọng điểm cấp nhà nước [23]: “Nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng”, mã số KC07.13/06-10. Một trong những kết quả của đề tài đã thiết kế chế tạo và khảo nghiệm máy chữa cháy rừng bằng sức gió, bước đầu cho hiệu quả dập lửa cao, phù hợp với điều kiện địa hình ở Việt Nam, hiện nay máy đã được áp dụng ở một số địa phương. Tuy nhiên thiết bị này vẫn còn một số hạn chế cần phải nghiên cứu giải quyết đó là: Áp lực và lưu lượng không khí phun vào đám cháy còn hạn chế, khoảng cách phun xa của dòng không khí còn ngắn, độ rung của máy lớn, từ đó ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng. Máy chữa cháy rừng bằng sức gió là thiết bị mới, máy được thiết kế chế tạo trên nền máy cơ sở là cưa xăng, hệ thống quạt gió là dạng quạt gió li tâm cao áp, máy làm việc trong điều kiện địa hình phức tạp, từ đó ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của máy. Trong khi đó đề tài cấp nhà nước mã số KC07.13/06-10 chỉ tập trung vào thiết kế chế tạo và khảo nghiệm các tính năng kỹ thuật của máy, chưa đi sâu nghiên cứu cơ sở khoa học tính toán thiết kế máy, cũng như chưa có điều kiện nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của máy. Mặt khác các công trình nghiên cứu về cơ cở khoa học tính toán thiết kế máy cũng như các nghiên cứu về tối ưu hóa các thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió còn rất hạn chế. Để có cở sở khoa học phục vụ việc tính toán thiết kế và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió cần thiết phải tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán máy chữa cháy rừng bằng sức gió, trên cơ sở đó xác định một số thông số tối ưu của máy nhằm nâng cao hiệu quả dập lửa của máy. Như vậy, việc nghiên cứu tối ưu hóa các thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió là rất cần thiết nhằm nâng cao tính năng kỹ thuật của máy và hiệu quả chữa cháy rừng, góp phần hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức
4 gió hiện đang sử dụng ở Việt Nam. Với lý do đã trình bày ở trên, luận án chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió”. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Xây dựng cơ sở khoa học để phục vụ cho việc tính toán xác định giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió nhằm nâng cao lưu lượng và áp lực của dòng không khí phun vào đám cháy, từ đó nâng cao hiệu quả dập lửa chữa cháy rừng. 3. Những đóng góp mới của luận án 1. Luận án đã xây dựng mô hình, thiết lập được phương trình tính toán vận tốc, áp lực phun, phương trình mặt cong cánh quạt và vỏ của quạt gió cao áp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió, đã khảo sát ảnh hưởng một số thông số kết cấu của quạt gió cao áp đến vận tốc và áp lực của quạt gió, từ kết quả khảo sát đã xác định được một số tham số kết cấu hợp lý của quạt gió. Phương trình mặt cong cánh quạt tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo cánh quạt bằng công nghệ CNC. 2. Đã xây dựng được đồ thị đường đặc tính của quạt gió cao áp để lắp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió, đường đặc tính của quạt gió cao áp làm cơ sở khoa học cho tính toán thiết kế và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió và quạt gió cao áp khác. 3. Bằng nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng và phương pháp quy hoạch thực nghiệm, luận án đã xác định được giá trị tối ưu một số thông số của máy chữa cháy rừng bằng sức gió đó là: Góc lắp ráp đầu vào của quạt gió β1 = 68,90; Góc lắp ráp đầu ra của quạt gió β2 = 1100; Bán kính cong của cánh quạt gió r = 24,2 mm; Số cánh của quạt gió cao áp Z = 22 cánh, các thông số trên là căn cứ khoa học để hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió.
5 4. Ý nghĩa khoa học của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án đã xây dựng được cơ sở khoa học để tính toán các thông số động lực học của máy chữa cháy rừng bằng sức gió, đồng thời luận án đã xây dựng được phương pháp thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu về kết cấu của quạt gió cao áp lắp trên máy chữa cháy rừng bằng sức gió. Từ kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm có thể làm tài liệu khoa học cho tính toán thiết kế, hoàn thiện các thiết bị chuyên dụng chữa cháy rừng. 5. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án được sử dụng cho việc thiết kế chế tạo và hoàn thiện máy chữa cháy rừng bằng sức gió do đề tài trọng điểm cấp nhà nước thiết kế chế tạo, ngoài ra còn sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo quạt gió cao áp sử dụng trong nông lâm nghiệp và công nghiệp.