Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nông nghiệp chính xác yêu cầu rải phân bón đúng số lượng, vị trí và thời điểm để nâng cao hiệu quả canh tác, tiết kiệm tài nguyên và giảm tác động môi trường. Nghiên cứu này xây dựng mô hình lý thuyết mô phỏng quỹ đạo hạt phân bón sau khi rời khỏi đĩa quay

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm

Vietnam J. Agri. Sci. 2025, Vol. 23, No. 3: 306-316 Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 2025, 23(3): 306-316 www.vnua.edu.vn PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HẠT PHÂN BÓN VÔ CƠ SỬ DỤNG ĐĨA QUAY LY TÂM Nguyễn Thị Hạnh Nguyên1*, Nguyễn Chung Thông1, Emmanuel Piron2, Denis Miclet2, Lê Tiến Thịnh3 1 Học viện Nông nghiệp Việt Nam 2 Viện Nghiên cứu Nông nghiệp quốc gia, Cộng hòa Pháp 3 Trường Đại học Phenikaa * Tác giả liên hệ: hanhnguyen@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 04.04.2024 Ngày chấp nhận đăng: 19.03.2025 TÓM TẮT Nông nghiệp chính xác yêu cầu rải phân bón đúng số lượng, vị trí và thời điểm để nâng cao hiệu quả canh tác, tiết kiệm tài nguyên và giảm tác động môi trường. Nghiên cứu này xây dựng mô hình lý thuyết mô phỏng quỹ đạo hạt phân bón sau khi rời khỏi đĩa quay. Phương pháp động lực học và số Runge-Kutta được áp dụng để phân tích ảnh hưởng của hệ số cản không khí, kích thước hạt và khối lượng riêng đến quãng đường di chuyển. Kết quả cho thấy, hệ số cản không khí và quãng đường di chuyển có quan hệ tỉ lệ nghịch. Khi hệ số cản tăng từ 0,4 lên 0,6, quãng đường giảm từ 17,79m xuống 15,59m. Ngược lại, đường kính và khối lượng riêng của hạt có quan hệ tỉ lệ thuận với vị trí tiếp đất. Khi đường kính tăng từ 2mm lên 4mm, quãng đường tăng từ 13,98m lên 20,79m. Khi khối lượng riêng tăng từ 1.200 kg/m³ lên 1.800 kg/m³, quãng đường tăng từ 15,59m lên 19,64m. Nghiên cứu khẳng định rằng thiết kế hệ thống rải phân cần tính đến sự tương tác giữa các thông số cơ lý tính của hạt để tối ưu hóa hiệu quả phân phối trên đồng ruộng. Từ khóa: Đĩa quay ly tâm, hạt phân bón vô cơ, động lực học, thông số cơ lý tính của hạt. Dynamic Analysis of Inorganic Fertilizer Particles using Centrifugal Rotating Disc ABSTRACT Precision agriculture requires accurate fertilizer application in terms of quantity, location, and timing to enhance cultivation efficiency, conserve resources, and reduce environmental impact. This study develops a theoretical model to simulate the trajectory of fertilizer granules after leaving the spinning disc. The dynamics and numerical Runge-Kutta methods are applied to analyze the effects of air drag coefficient, granule size, and density on travel distance. The results show an inverse relationship between the air drag coefficient and travel distance. As the air drag coefficient increases from 0.4 to 0.6, the travel distance decreases from 17.79m to 15.59m. Conversely, granule diameter and density exhibit a direct proportionality with landing position. When the diameter increases from 2mm to 4mm, the travel distance rises from 13.98m to 20.79m. Similarly, when the density increases from 1,200 kg/m³ to 1,800 kg/m³, the travel distance extends from 15.59m to 19.64m. This study confirms that designing an optimal fertilizer spreading system requires considering the interaction between the physical and mechanical properties of the granules to maximize distribution efficiency in the field. Keywords: Centrifugal rotating disc, inorganicl fertilizer particle, dynamics, particle physical parameters. chuyển và sā dýng (Nieuwenhuizen & cs., 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 2003). Tuy nhiên, để bón phân däng hät làm Bón phân là việc làm vô cùng cæn thiết để sao cho đúng và hiệu quâ thì cæn cò phþĄng nång cao nëng suçt cây trồng và câi täo đþĉc pháp bón hĉp lý (Zinkevièienë & cs., 2021). chçt lþĉng đçt (Stewart & cs., 2005). Hiện nay, Cæn chú ý rìng có rçt nhiều tiêu chí khi thăc các loäi phån vô cĄ däng hät ngày càng đþĉc sā hiện bón phân, tiêu biểu trong đò là hai tiêu dýng nhiều vì chúng dễ dàng sân xuçt, vên chí sau đåy: Đæu tiên là cæn bòn đúng loäi 306
Nguyễn Thị Hạnh Nguyên, Nguyễn Chung Thông, Emmanuel Piron, Denis Miclet, Lê Tiến Thịnh phân, mỗi loäi cây trồng có nhu cæu dinh dþĈng ban đæu, máy chî có một đïa quay. Tuy nhiên, khác nhau, vì vêy cæn chọn loäi phån vô cĄ phù sau đò các thiết kế đã đþĉc mć rộng ra cò hai đïa hĉp (nhþ đäm, lån, kali…) theo giai đoän phát quay đối xĀng, giúp tëng bề rộng làm việc cûa triển cûa cây; thĀ hai là cæn bòn đúng lþĉng máy (Przywara & cs., 2020). Bộ phên quan phân, tuân thû liều lþĉng khuyến cáo để tránh trọng nhçt cûa máy râi đïa quay ly tåm chính là bón quá nhiều, gåy độc cho cây và lãng phí đïa quay vĆi các cánh gät đþĉc gín lên bề mặt phân bón (Stewart & cs., 2005; Nieuwenhuizen đïa (Villette & cs., 2012). Các cánh gät sẽ đòng & cs., 2003). Việc nghiên cĀu chế täo đþĉc vai trò là bộ phên täo gia tốc cho các hät phân máy/thiết bð bòn phån đâm bâo đþĉc câ hai yếu vô cĄ trên đïa quay khi di chuyển dọc theo các tố này là không đĄn giân. Máy, thiết bð cæn làm cánh gät. Sau khi đi ra khói điểm cuối cûa cánh việc vĆi nhiều loäi hät phån vô cĄ cò hình däng, gät, vĆi các gia tốc ban đæu đò, các hät đþĉc kích thþĆc, khối lþĉng khác nhau, để đâm bâo phóng ra xa và có quỹ đäo chuyển động nhþ là tiêu chí số một. Tiếp đò, để đâm bâo tiêu chí số vêt ném xiên. Cuối cùng, các hät phân bón tiếp hai, máy, thiết bð cæn các thông tin cĄ lý tính đçt và kết thúc quỹ đäo. PhþĄng pháp này đþĉc cûa hät phån cüng nhþ liều lþĉng bòn để làm sā dýng rộng rãi vì có nhĂng þu điểm vþĉt trội cĄ sć tính toán. Có thể nói rìng, đåy là một bài nhþ bề rộng làm việc lĆn (tÿ 18-40m), kích toán phĀc täp do cæn tính toán thiết kế thiết bð thþĆc nhó, cçu täo đĄn giân, chíc chín và sân xuçt dây chuyền dễ dàng (Aphale & cs., 2003; có thể làm việc phù hĉp vĆi nhiều đối tþĉng Cool & cs., 2017). nghiên cĀu khác nhau. Tuy nhiên, do chuyển động trong không khí Hiện nay, có một vài nghiên cĀu phát triển theo quỹ đäo vêt ném xiên, vĆi vên tốc ban đæu máy bòn phån vô cĄ däng hät đã đþĉc đề xuçt. Ở khu văc chåu Á, cĄ giĆi hóa trong khâu bón nhçt đðnh, các hät phån vô cĄ chðu lăc cân cûa phån cñn đĄn giân, chi phí thçp. Park & cs. không khí. Lăc cân này có ânh hþćng rçt lĆn tĆi (2018) cho biết ć Nepal hiện sā dýng các máy khâ nëng bay xa cûa các hät. HĄn thế nĂa, lăc râi hät phân bón gín trên lồng ngăc cûa ngþąi cân không khí phý thuộc rçt nhiều và kích nông dån, phþĄng pháp này cüng đã đem läi să thþĆc và hình däng cûa hät phån vô cĄ (Tran- thay đổi nëng suçt và hiệu quâ hĄn so vĆi Cong & cs., 2004; Villette & cs., 2010). VĆi các phþĄng pháp áp dýng bìng tay truyền thống. hät phån vô cĄ cò hình thù gòc cänh, nhþ phån Tuy nhiên, rõ ràng còn rçt nhiều điểm hän chế bòn KCl (do phþĄng pháp chế täo nghiền nhó tÿ nhþ sĀc ngþąi chî có thể mang đþĉc khối lþĉng các khối lĆn), lăc cân không khí đòng vai trñ rçt không lĆn, bề rộng làm việc nhó do tốc độ quay quan trọng và cæn đþĉc nghiên cĀu chi tiết nhó. Täi Việt Nam, một máy gieo kết hĉp bón (Mando & cs., 2010; Ding & cs., 2018). Do đò, phån cüng đã đþĉc tác giâ Nguyễn Chung trong nghiên cĀu này, nhóm tác giâ đề xuçt xây Thông & cs. (2021) đþa vào nghiên cĀu và sân dăng mô hình nghiên cĀu lý thuyết và mô xuçt thā nghiệm đã cho kết quâ vĆi nëng suçt phóng động lăc học cûa hät phån bòn vô cĄ sā tốt hĄn. Tuy nhiên, các phþĄng pháp này vén dýng nguyên lý đïa quay ly tåm, đặc biệt cho cñn đĄn giân, có nhiều hän chế về thąi gian, giai đoän quỹ đäo ngoài không khí. Các thông số công sĀc lao động và hiệu suçt công việc. Do đò, cĄ lý tính cûa hät sẽ đþĉc xem xét nhþ khối việc áp dýng một phþĄng pháp mĆi tiết kiệm lþĉng riêng, kích thþĆc, hình däng, hệ số cân thąi gian, sĀc lao động, chi phí hĉp lý mà vén không khí, cùng các ânh hþćng cûa chúng tĆi đem läi nëng suçt cao, là điều vô cùng cæn thiết quãng đþąng di chuyển cûa hät. (Yinyan & cs., 2018). Mýc tiêu nghiên cĀu là xây dăng mô hình lý Một trong nhĂng phþĄng pháp đang đþĉc thuyết mô phóng quỹ đäo chuyển động cûa hät sā dýng phổ biến chính là râi hät phån vô cĄ phân bón vô cĄ sau khi rąi khói đïa quay, nhìm bìng máy râi đïa quay ly tåm (Van Liedekerke phân tích ânh hþćng cûa các yếu tố nhþ hệ số & cs., 2006). Máy râi đïa quay ly tåm đþĉc sā cân không khí, kích thþĆc hät và khối lþĉng dýng rộng rãi ć hæu hết các nþĆc châu Âu và riêng đến quãng đþąng di chuyển cûa hät. Qua châu Mỹ (Villette & cs., 2005). VĆi các thiết kế đò, nghiên cĀu hþĆng đến việc tối þu hóa hiệu 307
Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm quâ râi phân, giúp nâng cao hiệu suçt canh tác, hät, chêm tan để bòn cho đêu tþĄng. Để đâm tiết kiệm tài nguyên và giâm thiểu tác động đến bâo cho việc bón phân bìng máy đät hiệu quâ môi trþąng. thì một số đặc điểm cûa phån vô cĄ däng hät nhþ: các thông số về hình däng và số đo kích thþĆc là nhĂng thông tin cæn thiết. Chúng 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU cüng đþĉc nêu ra trong nghiên cĀu cûa Le & 2.1. Đối tượng nghiên cứu cs. (2018) khi tìm hiểu trên 45 loäi phån vô cĄ khác nhau và chî ra rìng các hät phân bón vô 2.1.1. Máy rải đĩa quay ly tâm cĄ cò hình däng hät khác nhau tÿ rçt góc cänh Đối tþĉng nghiên cĀu đæu tiên là máy râi đïa đến gæn nhþ hình cæu. Đối vĆi các loäi ure thì quay ly tâm. Máy có gín hai hoặc nhiều cánh gät có hình cæu, trong khi kali läi có hình däng góc quay trên bề mặt đïa theo các hþĆng ngþĉc nhau cänh bçt thþąng. Kích thþĆc các hät phân bón để tëng tốc và đèy các hät ra ngoài theo một vòng vô cĄ cò ý nghïa về mặt nông hóa ânh hþćng cung (Hình 1 cho sĄ đồ đïa quay ly tåm, cánh gät trăc tiếp tĆi tốc độ hòa tan cûa phån trong nþĆc và dòng cçp liệu) (Villette & cs., 2005). Hät phân ngêm trong đçt, cò ý nghïa trong việc bâo vô cĄ đþĉc đþa tÿ bình chĀa xuống đïa thông qua quân, vên chuyển chúng. Kích thþĆc các hät máng dén nhą trọng lăc, sau đò cánh gät đang phån bòn vô cĄ đþĉc nhíc tĆi trong nghiên cĀu chuyển động quay tiếp xúc, gom các hät, tëng tốc cûa Nguyễn Hoà Toàn & cs. (2019) là khoâng dọc theo cánh gät và ném hät ra ngoài täi vð trí 1-3,35mm theo quy đðnh täi Mỹ ć một số nþĆc đæu müi cánh gät. Các hät đþĉc ném ra ngoài châu Âu và Nhêt Bân là khoâng tÿ 2 đến 4mm. vĆi các vên tốc thông thþąng trong khoâng Kích thþĆc các hät phån vô cĄ đþĉc xác đðnh 15-50 m/s, tùy theo vên tốc vòng quay cûa đïa chû yếu dăa trên thí nghiệm sàng tiêu chuèn quay (trong khoâng tÿ 600 tĆi 1.100 vòng/phút) trong TCVN 2230:2007. Tÿ nhĂng cĄ sć tài liệu (Przywara & cs., 2020). Nếu vên tốc khi ném xiên tham khâo trên, nhóm tác giâ lăa chọn têp cûa hät lĆn, hät sẽ đi đþĉc quãng đþąng xa hĄn. trung vào phån bòn vô cĄ däng hät để sā dýng Tuy nhiên, nhþ đã đề cêp, lăc cân không khí sẽ trên máy râi đïa quay ly tåm để làm rõ các tính phĀc täp hĄn do thąi gian di chuyển nhiều hĄn. chçt động lăc học cûa chúng (Bâng 1). Do đò, các yếu tố bçt đðnh sẽ xuçt hiện vĆi tæn suçt cao hĄn và khiến cho việc þĆc tính chính xác 2.2. Phương pháp nghiên cứu quãng đþąng di chuyển trć nên khò khën hĄn, chþa tính đến các yếu tố môi trþąng bên VĆi các miêu tâ về quá trình hoät động cûa ngoài nhþ giò, độ dốc cûa cánh đồng, thąi tiết… máy râi đïa quay ly tåm ć mýc 2.1.1 cho thçy (Cool & cs., 2016; Abbou-Ou-Cherif & cs., 2017; quỹ đäo chuyển động cûa hät ngoài không khí Abbou-Ou-Cherif & cs., 2019). tuån theo mô hình ném xiên, đþĉc trình bày sĄ đồ hòa nhþ Hình 2 (Aphale & cs., 2003). Đåy là 2.1.2. Phân vô cơ dạng hạt mô hình nghiên cĀu đþĉc Āng dýng trong vü khí Đối tþĉng nghiên cĀu tiếp theo là phân bón quân să (Xian & cs., 2023), đçt đá bay trong quá vô cĄ däng hät. Phån vô cĄ däng hät đþĉc sā trình phun trào núi lāa (Stojadinović., 2011), va dýng rộng rãi trong nông nghiệp và làm vþąn. chäm (Xie & cs., 2024), nghiên cĀu phá hûy vêt Să tiện lĉi, dễ sā dýng và khâ nëng cung cçp liệu (Zhang & cs., 2023). chçt dinh dþĈng giâi phóng chêm khiến nó trć Tiếp sau đåy, bài báo sẽ chî ra mô hình xây nên phổ biến. Nông dån thþąng sā dýng phân dăng, bao gồm phþĄng trình chû đäo, điều kiện bón däng hät để bón trên diện rộng, đâm bâo biên, điều kiện ban đæu, cách giâi số, hội tý giâi phân phối đồng đều các yếu tố thiết yếu nhìm số và kiểm chĀng so sánh kết quâ. Chuyển động thúc đèy cây trồng phát triển khóe mänh và tối cûa hät trong không khí theo mô hình ném xiên đa hòa nëng suçt cây trồng. Trong nghiên cĀu đþĉc biểu diễn theo đðnh luêt 2 cûa Newton nhþ sā dýng phân bón cho máy gieo kết hĉp vĆi bón sau (Cool & cs., 2016) (trong nghiên cĀu này, phân cûa tác giâ Nguyen & cs. (2021) đã đề cêp các ânh hþćng cûa gió, thąi tiết, độ dốc cûa cánh đến sā dýng loäi phân bón tổng hĉp NPK däng đồng không đþĉc xét tĆi): 308
Nguyễn Thị Hạnh Nguyên, Nguyễn Chung Thông, Emmanuel Piron, Denis Miclet, Lê Tiến Thịnh Hình 1. Sơ đồ đĩa quay ly tâm, cánh gạt và dòng cấp liệu, cùng các quỹ đạo của hạt sau khi ra khỏi đĩa quay Bảng 1. Tổng hợp thông tin hình dạng kích thước của phân bón vô cơ tiêu biểu (Nguyễn Hoà Toàn & cs., 2019) Loại phân Khối lượng riêng (kg/m3) Hình ảnh minh họa Kích thước (mm) Phân urê hạt đục 1.000-2.000 2-4,5 U rê hạt trong 1.000-2.000 1-2,5 Phân lân 1.000-2.000 2-4 Kali 1.000-2.000 2-5 309
Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm Hình 2. Mô hình ném xiên của hạt với quỹ đạo chuyển động trong không khí dv Đề các Oxyz, ta rút ra hệ phþĄng trình rút gọn m  Fd  Fg (1) dt chuyển động cûa hät theo tÿng phþĄng nhþ sau: Trong đò m (kg) và v (m/s) læn lþĉt là khối  dv 1 m  x   Cd  A p  0  v  v x lþĉng và vên tốc cûa hät, t là biến thąi gian, Fg  dt 2   dv y 1 là trọng lăc và Fd là lăc cân không khí. Trọng m    Cd  A p  0  v  v y  dt 2 lăc đþĉc tính nhþ sau:  dvz 1 m    Cd  A p  0  v  vz  m  g Fg  m  g  dt 2 (2)  (5) Lăc cân cûa không khí đþĉc tính nhþ sau (Olieslagers & cs., 1996; Grift & cs., 1997; Trong đò: vx, vy, vz læn lþĉt là vên tốc tþĄng Dintwa & cs., 2004; Villette & cs., 2005): Āng theo 3 phþĄng x, y, z cûa hät. 1 Điều kiện ban đæu để giâi hệ phþĄng trình Fd   Cd  A p  0  v  v (3) (5) nhþ sau: 2 Trong đò Cd là hệ số cân cûa không khí  x0  v x0      (không thĀ nguyên), Ap (m2) là diện tích mặt cít t  0; x0  y0  ; v 0  v y0  (6) ngang cûa hät vuông góc vĆi chiều chuyển động     z0    vz0    cûa vecto vên tốc v ,0 là khối lþĉng riêng cûa không khí (täi nhiệt độ khoâng 20C), và v là Trong đò, x0, y0, z0 và vx0, vy0, vz0 læn lþĉt là vð trí ban đæu và vên tốc ban đæu cûa hät, täi thąi độ lĆn vecto vên tốc v . điểm t = 0. Cæn chú ý rìng các thông số ban đæu Thay công thĀc (2) và (3) vào công thĀc (1), này hoàn toàn có thể xác đðnh, vì thąi điểm t = 0 ta cò phþĄng trình chû đäo cûa quỹ đäo ném trùng vĆi thąi điểm hät bít đæu ra khói đæu müi xiên hät: cûa cánh gät. Dăa vào thông số hình cûa cûa dv 1 máy, có thể xác đðnh đþĉc các vð trí ban đæu. m   Cd  A p  0  v  v  m  g (4) dt 2 Có thể nhên thçy rìng thông qua hệ PhþĄng trình (4) là phþĄng trình vi phån phþĄng trình vi phån (5), quỹ đäo chuyển động động lăc học cûa hät trong không khí. Bìng cách cûa hät trong không khí phý thuộc vào 3 nhóm chiếu phþĄng trình (4) lên 3 trýc cûa hệ tọa độ thông số chính sau đåy: 310
Nguyễn Thị Hạnh Nguyên, Nguyễn Chung Thông, Emmanuel Piron, Denis Miclet, Lê Tiến Thịnh - Thông số cĄ lý tính cûa hät: bao gồm khối này sẽ đþĉc sā dýng cho các khâo sát số trong lþĉng, kích thþĆc, diện tích mặt cít ngang, hình các mýc tiếp theo. däng cûa hät (hệ số cân không khí); - Vên tốc cûa hät täo bći cánh gät: vên tốc 3.2. Kiểm chứng và so sánh ban đæu ngay täi thąi điểm ra khói các đæu mút Để kiểm chĀng, ląi giâi cûa nghiên cĀu này cánh gät; đã đþĉc so sánh vĆi Cool & cs. (2016). Các kết - Thông số môi trþąng: gia tốc trọng trþąng quâ so sánh đþĉc thể hiện trong Bâng 2. Sáu và khối lþĉng riêng cûa không khí, đþĉc coi là loäi hät phån bòn đã đþĉc khâo sát, bao gồm hìng số. Trop, NPK18, ENTEC, PK, CAN và NPK15. Các hät phån này đþĉc sân xuçt bći nhiều nhà Cæn chú ý rìng vĆi mỗi loäi phån vô cĄ, các máy khác nhau và có các thành phæn khác thông số cĄ lý tính thay đổi, dén tĆi quỹ đäo nhau, cùng vĆi đò là các hình däng, kích thþĆc chuyển động thay đổi, mặc dù cò cùng điều kiện và khối lþĉng riêng cüng khác nhau. Quãng biên và điều kiện ban đæu. Ląi giâi số và hội tý đþąng di chuyển cûa các hät trong nghiên cĀu cho hệ phþĄng trình (5) đþĉc trình bày ć các này và Cool & cs. (2016) đþĉc thể hiện trong mýc tiếp theo, cùng vĆi các kết quâ khâo sát Bâng 2, cùng vĆi să so sánh sai số theo phæn tham số. trëm. Cò thể nhên thçy rìng đối vĆi hät phân Trop, NPK18, ENTEC, PK, CAN và NPK15, kết 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN quâ cûa nghiên cĀu này tþĄng đồng vĆi Cool & 3.1. Lời giải số và hội tụ cs. (2016), vĆi các sai số nhó hĄn 5%. Să sai khác xây ra là do trong thăc tế các hät có hình däng Hệ phþĄng trình (5) cùng các điều kiện ban khác nhau, nên hệ số cân không khí khác nhau. đæu (6) là phi tuyến bêc hai và do đò không cò Thêm chí cùng một loäi phån bòn, cüng cò các ląi giâi giâi tích thuæn túy. PhþĄng pháp số dâi hệ số cân không khí khác nhau. Runge-Kutta (Dormand & cs., 1980; Shampine & cs., 1997) do đò đã đþĉc đề xuçt để giâi hệ 3.3. Khảo sát tham số phþĄng trình này. Đåy là một phþĄng pháp số Để khâo sát tham số, nhóm tác giâ thăc đþĉc sā dýng để giâi các phþĄng trình vi phån hiện mô phóng quãng đþąng di chuyển cûa hät thþąng bìng cách xçp xî nghiệm täi các điểm rąi phân vĆi đïa quay ly tåm nìm ngang và cánh räc. Nhóm nghiên cĀu đã sā dýng phæn mềm gät cò phþĄng đi qua tåm cûa đïa quay. Khoâng Matlab, hàm ode45, để giâi hệ phþĄng trình vi cách tÿ tåm đïa quay tĆi đæu müi cûa cánh gät phân trên (The MathWorks Inc, 2018). Các bþĆc là 0,4m. Đæu müi cûa cánh gät ć độ cao 1m so thąi gian t đþĉc chia khâo sát trong khoâng tÿ vĆi mặt đçt (Hình 2). Nhìm mýc đích khâo sát 1e-6 tĆi 1 (s), vĆi bþĆc là 5e-5 (s). Hình 3 thể ânh hþćng cûa các tham số, giâ sā rìng vên tốc hiện biểu đồ hội tý tính toán cho bþĆc thąi gian và vð trí ban đæu cûa các loäi hät là giống nhau t và cho thąi gian tính toán trên máy tính CPU (đïa quay 800 vñng/phút). Intel(R) Core(TM) i5-9400 CPU @ 2,90GHz, 16Gb RAM. Có thể nhên thçy rìng, bþĆc thąi 3.3.1. Ảnh hưởng của hệ số cản không khí gian càng nhó thì quãng đþąng di chuyển sẽ Đæu tiên, ânh hþćng cûa hệ số cân không đþĉc tính càng chính xác, tuy nhiên thąi gian khí đþĉc thể hiện thông qua Hình 4 và Bâng 3, tính toán sẽ nhiều. Khi bþĆc thąi gian lĆn hĄn vĆi các hệ số cân không khí thay đổi tÿ 0,4; 0,48 một giá trð xác đðnh, các ląi giâi sẽ trć nên bçt tĆi 0,6. Các hät cò cùng đþąng kính 3mm và đðnh vĆi các yếu tố ngéu nhiên. Do đò, đâm bâo cùng khối lþĉng riêng 1.500 kg/m3. Quãng đþĉc hai tiêu chí là tính toán hội tý và thąi gian đþąng di chuyển cûa các hät læn lþĉt là 17,79m; tính toán ngín, bþĆc thąi gian t = 0,005(s) đã 17,75m và 15,59m. Các hät có cùng vên tốc ban đþĉc lăa chọn làm giá trð tối þu. BþĆc thąi gian đæu 44,12 m/s. Vên tốc täi vð trí tiếp đçt cûa các 311
Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm hät læn lþĉt là 10,55 m/s; 9,41 m/s và 8,26 m/s. nhĂng hät có hình däng tròn có khoâng cách Quan sát các kết quâ này, có thể thçy rõ ràng bay xa nhçt. Să chênh lệch này nhçn mänh mối quãng đþąng di chuyển thay đổi đối vĆi các hät tþĄng quan quan trọng giĂa hình däng hät và phân bón có hình däng khác nhau. Đáng chú ý, hệ số cân không khí. Hình 3. Khảo sát hội tụ tính toán cho bước thời gian và thời gian tính toán sử dụng CPU Intel(R) Core(TM) i5-9400 CPU @ 2.90GHz, 16 Gb RAM (trục hoành biễu diễn thang log) Bảng 2. Bảng kết quả so sánh kiểm chứng với Cool & cs. (2016) Thông số / Hạt phân bón Trop NPK18 ENTEC PK CAN NPK15 Đường kính tương đương (mm) 2,425 3,53 3,005 2,305 3,455 3,565 Độ tròn trịa 0,8865 0,8895 0,909 0,9135 0,9655 0,9645 Hệ số cản không khí Cd 0,7840 0,7707 0,6997 0,6854 0,5271 0,5296 3 Khối lượng riêng (kg/m ) 2.020 1.840 1.690 2.220 1.790 1.910 Vận tốc ban đầu (m/s) 35 35 35 35 35 35 Cao độ ban đầu (m) 1 1 1 1 1 1 Góc ném xiên ban đầu (°) 10 10 10 10 10 10 Quãng đường di chuyển (m): kết quả trong (Cool & cs., 2016) 12,9 14,73 13,56 14,41 18,09 18,68 Quãng đường di chuyển (m): kết quả của nghiên cứu này 12,36 14,76 13,53 13,76 17,73 18,60 Sai số (%) 4,2 -0,2 0,2 4,5 2,0 0,4 312
Nguyễn Thị Hạnh Nguyên, Nguyễn Chung Thông, Emmanuel Piron, Denis Miclet, Lê Tiến Thịnh Bảng 3. Các thông số đầu vào cho khảo sát ảnh hưởng của hệ số cản không khí Trường Đường kính Khối lượng riêng Hệ số cản Quãng đường Vận tốc Vận tốc tại vị trí Loại hạt hợp hạt (mm) hạt (kg/m3) không khí (-) di chuyển (m) ban đầu (m/s) tiếp đất (m/s) 1 Có hình dạng tương đối 3 1.500 0,4 19,79 44,12 10,55 tròn trịa 2 Có hình dạng trung gian 3 1.500 0,48 17,75 44,12 9,41 3 Có hình dạng góc cạnh 3 1.500 0,6 15,59 44,12 8,26 Hình 4. Ảnh hưởng của hệ số cản không khí: quỹ đạo bay trong không gian của 3 loại hạt với hình dạng khác nhau: từ góc cạnh tới tròn trịa Bảng 4. Các thông số đầu vào cho khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt Trường Đường kính Khối lượng riêng hạt Hệ số cản Quãng đường Vận tốc Vận tốc tại vị trí Loại hạt hợp hạt (mm) (kg/m3) không khí (-) di chuyển (m) ban đầu (m/s) tiếp đất (m/s) 1 Có hình dạng 2 1.500 0,48 13,98 44,12 7,44 trung gian 2 3 1.500 0,48 17,75 44,12 9,41 3 4 1.500 0,48 20,79 44,12 11,13 Hình 5. Ảnh hưởng của đường kính của hạt: quỹ đạo bay trong không gian của 3 loại hạt có các đường kính khác nhau 313
Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm Bảng 5. Các thông số đầu vào cho khảo sát ảnh hưởng của khối lượng riêng Đường kính Khối lượng riêng Hệ số cản Quãng đường Vận tốc Vận tốc tại vị trí Trường hợp Loại hạt hạt (mm) hạt (kg/m3) không khí (-) di chuyển (m) ban đầu (m/s) tiếp đất (m/s) 1 Có hình 3 1200 0.48 15.59 44.12 8.26 dạng 2 trung gian 3 1500 0.48 17.75 44.12 9.41 3 3 1800 0.48 19.64 44.12 10.47 Hình 6. Ảnh hưởng của khối lượng riêng của hạt: quỹ đạo bay trong không gian của 3 loại hạt có các khối lượng riêng khác nhau kính 3mm. Quãng đþąng di chuyển cûa các hät 3.3.2. Ảnh hưởng của kích thước hạt læn lþĉt là 15,59m; 17,75m và 19,64m. Các hät Tiếp theo, ânh hþćng cûa kích thþĆc hät có cùng vên tốc ban đæu 44,12 m/s. Vên tốc täi đþĉc thể hiện thông qua Hình 5 và Bâng 4, vĆi vð trí tiếp đçt cûa các hät læn lþĉt là 8,26 m/s; các kích thþĆc đþąng kính thay đổi tÿ 2, 3 tĆi 9,41 m/s và 10,47 m/s. Dễ thçy rìng các hät 4mm. Các hät có cùng hệ số cân không khí 0,48 phân có khối lþĉng riêng lĆn hĄn thể hiện khâ và cùng khối lþĉng riêng 1.500 kg/m3. Quãng nëng di chuyển lĆn hĄn, tþĄng tă nhþ ânh đþąng di chuyển cûa các hät læn lþĉt là 13,98m; hþćng cûa kích thþĆc hät. 17,75m và 20,79m. Các hät có cùng vên tốc ban đæu 44,12 m/s. Vên tốc täi vð trí tiếp đçt cûa các hät læn lþĉt là 7,44 m/s; 9,41 m/s và 11,13 m/s. 4. KẾT LUẬN Các hät cò đþąng kính lĆn hĄn cò xu hþĆng di Trong nghiên cĀu này, nhóm tác giâ đã xåy chuyển xa hĄn. Điều này cò ý nghïa trong nông dăng mô hình nghiên cĀu lý thuyết và mô phóng nghiệp, đặc biệt trong việc bón phân sā dýng động lăc học hät phån bòn vô cĄ sā dýng nguyên nguyên lý đïa quay ly tåm. Khi xem xét các hät lý đïa quay ly tåm, đặc biệt cho giai đoän quỹ đäo phân có hình däng đồng nhçt, đþąng kính càng ngoài không khí. PhþĄng pháp số Runge-Kutta lĆn thì phäm vi phân tán càng rộng. đã đþĉc sā dýng để giâi hệ phþĄng trình động lăc học cûa hät cùng vĆi các điều kiện ban đæu về vð 3.3.3. Ảnh hưởng của khối lượng riêng trí và vên tốc. Ląi giâi thông qua phþĄng pháp của hạt Runge-Kutta đã đþĉc khâo sát tính hội tý, vĆi Tiếp theo, ânh hþćng cûa khối lþĉng riêng bþĆc thąi gian tối þu t = 0,005 (s). Ląi giâi đã cûa hät đþĉc thể hiện thông qua Hình 6 và đþĉc kiểm chĀng so sánh vĆi nghiên cĀu đã công Bâng 5, vĆi các khối lþĉng riêng thay đổi tÿ bố, cho thçy sai số nhó hĄn 5%, vĆi sáu loäi phân 1.200, 1.500 tĆi 1.800 kg/m3. Các hät có cùng hệ bòn vô cĄ khác nhau. Tiếp đò, các thông số cĄ lý số cân không khí 0,48 và cùng kích thþĆc đþąng tính cûa hät đã đþĉc khâo sát ânh hþćng tĆi 314
Nguyễn Thị Hạnh Nguyên, Nguyễn Chung Thông, Emmanuel Piron, Denis Miclet, Lê Tiến Thịnh quãng đþąng di chuyển nhþ hệ số cân không khí Dual-Banding with Adjustable Rates. Computers (hiệu Āng nghðch), kích thþĆc (hiệu Āng thuên), and Electronics in Agriculture. 152: 32-39. khối lþĉng riêng (hiệu Āng thuên), cùng các ânh Dintwa Edward, Paul Van Liedekerke, Robert Olieslagers, Engelbert Tijskens & Herman Ramon hþćng cûa chúng tĆi quãng đþąng di chuyển cûa (2004). Model for Simulation of Particle Flow on a hät. Cý thể là, khi hệ số cân không khí thay đổi Centrifugal Fertiliser Spreader. Biosystems tÿ 0.4, 0.48 tĆi 0.6, quãng đþąng di chuyển cûa Engineering. 87(4): 407-15. các hät læn lþĉt là 17,79m; 17,75m và 15,59m. Dormand J.R. & Prince P.J. (1980). A Family Bên cänh đò, khi các kích thþĆc đþąng kính thay of Embedded Runge-Kutta Formulae. Journal đổi tÿ 2, 3 tĆi 4mm, quãng đþąng di chuyển cûa of Computational and Applied Mathematics. các hät læn lþĉt là 13,98m; 17,75m và 20,79m. 6(1): 19-26. Cuối cùng, khi các hät có khối lþĉng riêng thay Grift T.E., Walker J.T. & Hofstee J.W. (1997). Aerodynamic Properties of Individual Fertilizer đổi tÿ 1.200, 1.500 tĆi 1.800 kg/m3, quãng đþąng Particles. Transactions of the Asae. 40(1): 13-20. di chuyển cûa các hät læn lþĉt là 15;59m; 17;75m Le Tien-Thinh, Denis Miclet, Philippe Heritier, và 19;64m. Emmanuel Piron, Alaa Chateauneuf & Michel Berducat (2018). Morphology Characterization of Irregular Particles Using Image Analysis. LỜI CẢM ƠN Application to Solid Inorganic Fertilizers. Nghiên cĀu này đþĉc tài trĉ bći Học viện Computers and Electronics in Agriculture. 147: 46-57. Nông nghiệp Việt Nam thông qua đề tài mã số Mando M. & Rosendahl L. (2010). On the Motion of T2003-04-16. Non-Spherical Particles at High Reynolds Number. Powder Technology. 202(1-3): 1-13. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết & Nguyễn Thị Hạnh Nguyên (2021). Xây dựng mô Abbou-ou-cherif E.-M., Piron E., Chateauneuf A., hình dao động thẳng đứng của liên hợp máy gieo kết Miclet D., Lenain R. & Koko J. (2017). On-the- hợp với bón phân cho đậu tương. Tạp chí Khoa học field simulation of fertilizer spreading: Part 1 - Nông nghiệp Việt Nam. 19(5): 652-661. Modeling. Computers and Electronics in Agriculture. 142: 235-247. Nguyễn Hoa Toàn (2019). Phân bón hoá học. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Abbou-Ou-Cherif E-M., Piron E., Chateauneuf A., Miclet D. & Villette S. (2019). On-the-Field Nieuwenhuizen A.T., Hofstee J.W., Lokhorst C. & Simulation of Fertilizer Spreading: Part 3 - Control Muller J.. (2003). Evaluation of Fertiliser of Disk Inclination for Uniform Application on Spreading Strategies. Precision Agriculture. Undulating Fields. Computers and Electronics in pp. 439-44. Agriculture. 158: 150-158. Olieslagers R., Ramon H. &De Baerdemaeker J. Aphale A., Bolander N., Park J., Shaw L., Svec J. & (1996). Calculation of Fertilizer Distribution Wassgren C. (2003). Granular Fertiliser Particle Patterns from a Spinning Disc Spreader by Means Dynamics on and off a Spinner Spreader. of a Simulation Model. Journal of Agricultural Biosystems Engineering. 85(3): 319-329. Engineering Research. 63(2): 137-52. Cool S.R., Pieters J.G., Van Acker J., Van Den Bulcke Park Alex G., Andrew J. McDonald, Mina Devkota & J., Mertens K.C., Nuyttens D.R.E., Van De Gucht Adam S. Davis (2018). Increasing Yield Stability T.C. & Vangeyte J. (2016). Determining the Effect and Input Efficiencies with Cost-Effective of Wind on the Ballistic Flight of Fertiliser Mechanization in Nepal. Field Crops Research. Particles. Biosystems Engineering. 151: 425-34. 228: 93-101. Cool Simon R., Jan G. Pieters, Dejan Seatovic, Koen Przywara Artur, Francesco Santoro, Artur C. Mertens, David Nuyttens, Tim C. Van De Gucht Kraszkiewicz, Anna Pecyna & Simone Pascuzzi & Jürgen Vangeyte (2017). Development of a (2020). Experimental Study of Disc Fertilizer Stereovision-Based Technique to Measure the Spreader Performance. Agriculture. 10(10): 467. Spread Patterns of Granular Fertilizer Spreaders. Shampine Lawrence F. & Mark W. Reichelt (1997). Sensors. 17(6): 1396. The MATLAB ODE Suite. SIAM Journal on Ding Shangpeng, Lu Bai, Yuxiang Yao, Bin Yue, Zuoli Scientific Computing. 18(1): 1-22. Fu, Zhiqi Zheng & Yuxiang Huang (2018). Stewart W.M., Dibb D.W., Johnston A.E. & Smyth T.J. Discrete Element Modelling (DEM) of Fertilizer (2005). The Contribution of Commercial Fertilizer 315
Phân tích động lực học của hạt phân bón vô cơ sử dụng đĩa quay ly tâm Nutrients to Food Production. Agronomy Journal. Amount of Fertiliser per Vane. Biosystems 97(1): 1-6. Engineering. 111(1): 133-38. Stojadinović Saša, Radoje Pantović & Miodrag Žikić Xian Yong, Le-liang Ren, Ya-jie Xu, Shao-peng Li, (2011). Prediction of Flyrock Trajectories for Wei Wu & Da-qiao Zhang (2023). Impact Point Forensic Applications Using Ballistic Flight Prediction Guidance of Ballistic Missile in High Equations. International Journal of Rock Maneuver Penetration Condition. Defence Mechanics and Mining Sciences. 48(7): 1086-94. Technology. 26: 213-30. The MathWorks Inc (2018). MATLAB 2018. Natick, Xie Ya-chen, Shao-bo Qi, Jia-qi Bai, Meng-lu Li & Massachusetts: The MathWorks Inc. Guang-yan Huang (2024). Ballistic Performance of Tran-Cong S., Gay M. & Michaelides E.E. (2004). Flexible Structures Composed of UHMWPE Drag Coefficients of Irregularly Shaped Particles. Fibers and Airbag: Effects of the Stacking Order. Powder Technology. 139(1): 21-32. International Journal of Impact Engineering. Van Liedekerke P., Tijskens E., Dintwa E., Anthonis J. 191: 105008. & Ramon H. (2006). A Discrete Element Model Yinyan Shi, Chen Man, Wang Xiaochan, Morice for Simulation of a Spinning Disc Fertilizer Oluoch Odhiambo & Ding Weimin (2018). Spreader I. Single Particle Simulations. Powder Numerical Simulation of Spreading Performance Technology. 170(2): 71-85. and Distribution Pattern of Centrifugal Variable- Villette S., Cointault F., Piron E. & Chopinet B. (2005). Rate Fertilizer Applicator Based on DEM Centrifugal Spreading: An Analytical Model for Software. Computers and Electronics in the Motion of Fertiliser Particles on a Spinning Agriculture. 144: 249-59. Disc. Biosystems Engineering. 92(2): 157-64. Zhang Qinghui, Jianguo Li, Tengfei Ren, Bohan Ma & Villette S., Piron E., Martin R., Miclet D., Boilletot M. Tao Suo (2023). Ballistic Response and Failure & Gee C. (2010). Measurement of an Equivalent Mechanisms of Gradient Structured Mg Alloy. Friction Coefficient to Characterise the Behaviour Journal of Materials Research and Technology. of Fertilisers in the Context of Centrifugal 26: 5236-51. Spreading. Precision Agriculture. 11(6): 664-83. Zinkevièienë Raimonda, Eglë Jotautienë, Antanas Villette S., Piron E., Miclet D., Martin R., Jones G., Juostas, Antonio Comparetti & Edvardas Paoli J.N. & Gee C. (2012). How Mass Flow and Vaiciukevièius (2021). Simulation of Granular Rotational Speed Affect Fertiliser Centrifugal Organic Fertilizer Application by Centrifugal Spreading: Potential Interpretation in Terms of the Spreader. Agronomy. 11(2): 247. 316