Giáo trình thuỷ lực môi trường

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP NAM ĐỊNH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: THỦY LỰC MƠI TRƢỜNG NGÀNH/NGHỀ: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MƠI TRƢỜNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành theo Quyết định số 481/QĐ-CĐCNNĐ-ĐT ngày 27 tháng năm 2017 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp Nam Định) Nam Định, tháng 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trái Đất nhà chung ngƣời tất sinh vật hành tinh nhổ bé bị suy thoái trầm trọng, tài nguyên thiên nhiên bị khai thác cạn kiệt, hệ sinh thái bị cân bằng, dân số tăng nhanh, chất lƣợng sống bị suy giảm Hậu ghê gớm hạn hán, lủ lụt, băng tan, đói nghèo gia tăng, mtía axit, dịch bệnh lan tràn, tầng ozon bị suy giảm Cả nhân loại tỉnh ngộ lên tiếng "Hãy cứu lấy Trái Đất", "Hãy xây dựng công nghệ sạch", "Hãy phát triển bền vững" Bảo vệ môi trƣờng, giữ lấy Trái Đát nhiệm vụ tất quôc gia giới, trách nhiệm tô chức xã hội nghĩa vụ thành viên cộng đồng Giáo dục môi trƣờng cho ngƣời, hệ trẻ trƣờng học có ý nghĩa vơ quan trọng Hóa học mơi trƣờng mơn khoa học đa ngành bao gồm hóa học, vật lí học, khoa học sông, nông học, y học, sức khồe cộng đong ngành công nghệ Vì việc xây dựng chƣơng trình giáo trinh giáo dục môỉ trƣờng cấp học, bậc học đƣợc Nhà nƣớc ta, bộ, ngành có liên quan nhà trƣờng quan tâm Trong ngành Cơng Nghệ Mơi Trƣờng, Hồng Thị Tƣơi dành nhiều công sức nghiên cứu, giảng dạy, biên soạn giáo trình "Thủy lực mơi trƣờng" Trong q trình biên soạn Bài giảng này, cố nhiều cố gắng nhƣng khơng tránh khỏi thiếu sót Nhóm tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn học sinh, sinh viên đông đảo bạn đọc để Bài giảng ngày hoàn thiện Xin chân thành cám ơn … , ngày… tháng… năm 2017 Chủ biên soạn : Hoàng Thị Tƣơi Mục lục Chương CÁC KHÁI NIỆM 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG 1.2 KHÁI NIỆM VỀ CHẤT LỎNG TRONG THỦY LỰC 1.3 NHỮNG ĐẶC TÍNH VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.3.1 Chất lỏng nhƣ vật thể có khối lƣợng 1.3.2 Hệ đặc tính thứ đặc tính thứ hai 1.3.3 Tính thay đổi thể tích thay đổi áp suất nhiệt độ 1.3.4 Chất lỏng có sức căng mặt ngồi 1.3.5 Chất lỏng có tính nhớt 1.3.6 Chất lỏng lý tƣởng (còn gọi chất lỏng không nhớt) 10 Chương ÁP LỰC CHẤT LỎNG 11 2.1 ÁP SUẤT THỦY TĨNH 11 2.2 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ÁP SUẤT THỦY TĨNH 11 2.3 PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG CÂN BẰNG 13 2.4 TÍCH PHÂN PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG CÂN BẰNG 14 2.5 MẶT ĐẲNG ÁP 15 2.6 SỰ CÂN BẰNG CỦA CHẤT LỎNG TRỌNG LỰC 15 2.6.1 Phƣơng trình chất lỏng trạng thái cân 16 2.6.2 Mặt đẳng áp chất lỏng trọng lực 16 2.6.3 Định luật bình thơng 17 2.6.4 Định luật Pascal 17 2.6.5 Áp suất tuyệt đối, áp suất dƣ, áp suất chân không 19 2.6.6 Ý nghĩa hình học lƣợng phƣơng trình thuỷ tĩnh học 21 2.6.7 Áp kế 22 2.6.8 Đồ phân bố áp suất thủy tĩnh – Đồ áp lực 24 Chương PHƢƠNG TRÌNH BECNULY 27 3.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG 27 3.2 PHƢƠNG TRÌNH BECNULY CỦA DÒNG NGUYÊN TỐ CHẤT LỎNG LÝ TƢỞNG CHẢY ỔN ĐỊNH 27 3.3 PHƢƠNG TRÌNH BECNULY CỦA DỊNG NGUYÊN TỐ CHẤT LỎNG THỰC CHẢY ỔN ĐỊNH 29 3.4 Ý NGHĨA CỦA PHƢƠNG TRÌNH BECNULY 30 3.4.1 Ý nghĩa lƣợng ba số hạng phƣơng trình Becnuly 30 3.4.2 Ý nghĩa thủy lực ba số hạng phƣơng trình Becnuly 30 3.5 ĐỘ DỐC THỦY LỰC VÀ ĐỘ DỐC ĐO ÁP 32 3.5.1 Độ dốc thủy lực 32 3.5.2 Độ dốc đo áp 33 3.6 PHƢƠNG TRÌNH BECNULY CHO TỒN DỊNG CHẤT LỎNG THỰC CHẢY ỔN ĐỊNH 33 Chương CHUYỂN ĐỘNG CHẤT LỎNG 39 4.1 CÁC DẠNG TỔN THẤT CỘT NƢỚC 39 4.2 PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA DỊNG CHẤT LỎNG CHẢY ĐỀU 39 4.2.1 Lực khối lƣợng 40 4.2.2 Lực mặt 40 4.3 HAI TRẠNG THÁI CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG 41 4.3.1 Thí nghiệm Reynold 41 4.3.2 Tiêu chuẩn phân biệt hai trạng thái chảy 43 4.3.3 Ảnh hƣởng trạng thái chảy quy luật tổn thất cột nƣớc 43 4.4 TỔN THẤT DỌC ĐƢỜNG CỦA DÒNG CHẢY ĐỀU 45 4.4.1 Chỉ dẫn chung 45 4.4.2 Những công thức xác định hệ số Đácxi λ 46 4.4.3 Những công thức xác định hệ số Sêdi (C) 48 4.5 TỔN THẤT CỤC BỘ 49 4.5.1 Những đặc điểm chung 49 4.5.2 Tổn thất cục lịng dẫn đột ngột mở rộng Cơng thức Boocđa 52 4.5.3 Một số dạng tổn thất cục ống 53 Chƣơng DÒNG CHẢY 57 5.1 KHÁI NIỆM CHUNG 57 5.2 DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH QUA LỖ NHỎ THÀNH MỎNG 58 5.2.1 Dòng chảy tự ổn định qua lỗ nhỏ thành mỏng 58 5.2.2 Dòng chảy ngập, ổn định, qua lỗ thành mỏng 61 5.3 DÒNG CHẢY QUA LỖ TO THÀNH MỎNG 63 5.3.1 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ to thành mỏng 63 5.3.2 Dòng chảy nửa ngập, ổn định, qua lỗ to thành mỏng 65 5.4 DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH QUA VÒI 66 Chương THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG 71 6.1 KHÁI NIỆM VÀ CÁC CÔNG THỨC CƠ BẢN VỀ ĐƢỜNG ỐNG 71 6.1.1 Cơng thức tính tốn ống dài 72 6.1.2 Cơng thức tính tốn ống ngắn 73 6.2 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG DÀI 73 6.2.1 Đƣờng ống đơn giản 73 6.2.2 Đƣờng ống nối tiếp 76 6.2.3 Đƣờng ống nối song song 76 6.2.4 Đƣờng ống tháo nƣớc liên tục 77 6.2.5 Đƣờng ống phức tạp 79 6.3 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG NGẮN 82 6.3.1 Tính tốn thủy lực “đƣờng hút” 83 6.3.2 Tính tốn thủy lực “đƣờng đẩy” (có thể đƣợc coi ống dài ống ngắn)84 Chương MẶT CẮT 90 7.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 90 7.2 CÁC YẾU TỐ THỦY LỰC MẶT CẮT KÊNH 91 7.2.1 Các mặt cắt thƣờng dùng 91 7.2.2 Công thức tính yếu tố thủy lực mặt cắt ƣớt kênh thƣờng dùng 92 7.3 MẶT CẮT CÓ LỢI NHẤT VỀ THỦY LỰC 93 7.4 TÍNH KÊNH THEO PHƢƠNG PHÁP ĐỐI CHIẾU VỚI MẶT CẮT CÓ LỢI NHẤT VỀ THỦY LỰC 94 7.4.1 Đặc trƣng mặt cắt – Quan hệ hình dạng mặt cắt 94 7.4.2 Đặc trƣng ζ mặt cắt có lợi thủy lực 95 7.4.3 Quan hệ mặt cắt có lợi thủy lực mặt cắt 96 7.4.4 Cách xác định bán kình thủy lực lợi (Rln) 96 7.4.5 Cách vận dụng cụ thể 97 Chương PHÂN GIỚI 100 8.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 100 8.2 NĂNG LƢỢNG ĐƠN VỊ CỦA MẶT CẮT 102 8.3 ĐỘ SÂU PHÂN GIỚI 103 8.3.1 Định ngĩa độ sâu phân giới 103 8.3.2 Cách xác định độ sâu phân giới 105 8.4 ĐỘ DỐC PHÂN GIỚI 110 Phụ Lục 112 Chương CÁC KHÁI NIỆM Mục tiêu: Sinh viên trình bày đƣợc khái niệm thủy lực, khái niệm chất lỏng thủy lực đặc tính vật lý chất lỏng 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Thủy lực môn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng đặc biệt nƣớc phƣơng pháp ứng dụng quy luật vào thực tiễn Mơn Thủy lực cịn đƣợc gọi Cơ học chất lỏng ứng dụng, môn khoa học ứng dụng Kiến thức thủy lực cần cho cán làm công tác khoa học kĩ thuật ngành có liên quan đến chất lỏng Nội dung mơn học có hai phần chính: thủy tĩnh thủy động Phần thủy tĩnh nghiên cứu quy luật chất lỏng trạng thái tĩnh (trạng thái cân bằng) nhƣ áp suất áp lực chất lỏng tác dụng vào mặt tiếp xúc, ổn định vật rắn chất lỏng… Phần thủy động nghiên cứu quy luật chất lỏng trạng thái chuyển động vận dụng quy luật để nghiên cứu dòng chất lỏng chảy ống, kênh, sơng, dịng chảy qua cơng trình, dịng thấm… Vì vậy, thủy lực cịn mơn học sở cho môn kỹ thuật chuyên ngành nhƣ cấp nƣớc, giao thơng, thủy lợi cầu cảng, xây dựng, môi trƣờng… Hệ đo lƣờng dùng thủy lực là: hệ kĩ thuật MGS (m, kG, s) hệ đo lƣờng quốc tế SI (m, kg, s) Quan hệ đơn vị: + Lực: đo Niutơn (đƣợc kí hiệu N) đƣợc đo kilôgam lực (kí hiệu kG) 1N = 1kg m/s2 = 1mkgs-2; 1kG = 9,81N; 1N = 0,102kG + Áp suất: đo Pascan (Pa): kG/cm2; N/m2; atmotphe (atm); chiều cao cột chất lỏng chẳng hạn: mmHg; m cột nƣớc… 1Pa = 1N/m2; 1atm = kG/cm2 = 98.100 N/m2 1.2 KHÁI NIỆM VỀ CHẤT LỎNG TRONG THỦY LỰC Chất lỏng chất khí khác chất rắn chỗ mối liên hệ học phân tử chất lỏng chất khí yếu, nên chất lỏng chất khí có tính di động dễ chảy nói cách khác có tính chảy Tính chảy thể chỗ phân tử chất lỏng chất khí có chuyển động tƣơng đối chất lỏng chất khí chuyển động; tính chảy cịn thể chỗ chúng khơng có hình dạng riêng, mà lấy hình dạng bình chứa chất lỏng, chất khí đứng tĩnh; chất lỏng chất khí cịn gọi chất chảy Chất lỏng khác chất khí chỗ khoảng cách phân tử chất lỏng so với chất khí nhỏ nên sinh sức dính phân tử lớn; tác dụng sức dính phân tử làm cho chất lỏng giữ đƣợc thể tích hầu nhƣ khơng thay đổi dù có bị thay đổi áp lực, nhiệt độ Nói cách khác chất lỏng chống lại đƣợc sức nén, không co lại chất khí dễ dàng co lại bị nén Vì thế, ngƣời ta thƣờng gọi chất lỏng chất chảy không nén đƣợc chất khí chất chảy nén đƣợc Tính chất khơng nén đƣợc chất lỏng đồng thời tính khơng dãn nó; chất lỏng bị kéo khối liên tục chất lỏng bị phá hoại, trái lại chất khí dãn chiếm hết đƣợc thể tích bình chứa Tại mặt tiếp xúc chất lỏng chất khí, với chất rắn, hay chất lỏng khác lực hút, đẩy phân tử sinh sức căng mặt ngoài; nhờ có sức căng mặt ngồi nên thể tích nhỏ chất lỏng đặt môi trƣờng trọng lực có dạng từ hạt Vì vậy, chất lỏng cịn đƣợc gọi chất chảy dạng hạt; tính chất khơng có chất khí Trong thủy lực, chất lỏng đƣợc coi nhƣ môi trƣờng liên tục Với giả thiết môn thủy lực không nghiên cứu vận động phân tử nội chất lỏng mà nghiên cứu vận động học chất lỏng dƣới tác dụng ngoại lực Ngoài ra, nhờ giả thiết này, coi phân bố vật chất đặc trƣng vật lý chất lỏng liên tục, dùng đƣợc hàm số liên tục tốn học để nghiên cứu Vì mơn thủy lực nghiên cứu tính tốn đƣợc dựa giả thiết có tính liên tục, tính chảy, tính khơng nén đƣợc 1.3 NHỮNG ĐẶC TÍNH VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 1.3.1 Chất lỏng nhƣ vật thể có khối lƣợng Đặc tính đƣợc biểu thị khối lƣợng đơn vị ρ (còn gọi khối lƣợng riêng, “mật độ”) Đối với chất lỏng đồng nhất, khối lƣợng đơn vị ρ tỉ số khối lƣợng M thể tích W ρ = M/W (kg/m3) (1-1) Đối với nƣớc, khối lƣợng riêng lấy khối lƣợng đơn vị thể tích nƣớc cất nhiệt độ +4oC, ρ = 1000 kg/m3 1.3.2 Hệ đặc tính thứ đặc tính thứ hai Đặc tính thứ hai - chất lỏng có trọng lƣợng - đƣợc biểu thị trọng lƣợng đơn vị (còn gọi trọng lƣợng riêng trọng lƣợng thể tích) Đối với chất lỏng đồng chất trọng lƣợng đơn vị tích số khối lƣợng đơn vị với gia tốc rơi tự g (g = 9,81m/m2) γ = ρ.g = M.g/W = G/W (N/m3) (1-2) đó: G - trọng lƣợng Đối với nƣớc nhiệt độ +4oC γ = 9.810N/m3 Đối với thủy ngân: γ = 134.000N/m3 1.3.3 Tính thay đổi thể tích thay đổi áp suất nhiệt độ Bằng thực nghiệm ta thấy chất lỏng hầu nhƣ không thay đổi thể tích có thay đổi áp suất nhiệt độ - Trong trƣờng hợp thay đổi áp suất, ta dùng hệ số co thể tích βw để biểu thị độ giảm tƣơng đối thể tích chất lỏng dW ứng với độ tăng áp suất dp lên đơn vị áp suất; hệ số βw biểu thị cơng thức βw= - (m2/N) (1-3) Thí nghiệm cho thấy phạm vi áp suất từ đến 500 atm nhiệt độ đến 20 C hệ số co thể tích nƣớc βw = 0,00005 cm2/kG ≈ Nhƣ thủy lực, o chất lỏng thƣờng coi nhƣ khơng nén đƣợc Số đảo hệ số co thể tích gọi môđun đàn hồi K: K= =-W (N/m2) (1-4) - Trong trƣờng hợp thay đổi nhiệt độ, ta dùng hệ số dãn nở nhiệt độ βt để biểu thị biến đổi tƣơng đối thể tích chất lỏng W ứng với tăng nhiệt độ lên 1oC, hệ số βt biểu thị công thức: βt = (1-5) Thí nghiệm chứng tỏ điều kiện áp suất khơng khí ứng với t = - 10oC ta có βt = 0,000015 Nhƣ chất lỏng coi nhƣ khơng co dãn thể tích dƣới tác dụng nhiệt độ Tóm lại, thủy lực, chất lỏng thƣờng đƣợc coi có tính chất khơng thay đổi thể tích có thay đổi áp lực nhiệt độ Tính chất cịn thƣờng đƣợc thể đặc tính là: mật độ giữ khơng đổi, tức ρ = const 1.3.4 Chất lỏng có sức căng mặt ngồi Chất lỏng có khả chịu đựơc ứng suất kéo không lớn tác dụng lên mặt tự do, phân chia chất lỏng với chất khí mặt tiếp xúc chất lỏng với chất rắn Sự xuất sức căng mặt ngồi đƣợc giải thích để cân với sức hút phân tử chất lỏng vùng lân cận mặt tự do, vùng sức hút phân tử chất lỏng không cân nhƣ vùng xa mặt tự Do có khuynh hƣớng giảm nhỏ diện tích mặt tự làm cho mặt tự có độ cong định Do sức căng mặt mà giọt nƣớc có dạng hình cầu Chúng ta dùng ống có đƣờng kính nhỏ cắm vào chậu nƣớc, có tƣợng mực nƣớc ống dâng cao mặt nƣớc tự chậu nƣớc; chất lỏng thủy ngân lại có tƣợng mặt tự ống hạ thấp mặt thủy ngân ngồi chậu Đó tƣợng mao dẫn, tác dụng sức căng mặt gây nên; mặt tự chất lỏng trƣờng hợp đầu mặt lõm, trƣờng hợp sau mặt lồi Sức căng mặt đặc trƣng hệ số ζ, biểu thị sức kéo dính đơn vị dài “đƣờng tiếp xúc” Hệ số ζ phụ thuộc loại chất lỏng nhiệt độ Trong trƣờng hợp nƣớc tiếp xúc với khơng khí 20oC ta thấy ζ = 0,0726N/m, nhiệt độ tăng lên, ζ giảm Đối với thủy ngân điều kiện trên, ζ = 0,540N/m, tức lớn gần 7,5 lần so với nƣớc Trong đa số tƣợng thủy lực ta không cần xét đến ảnh hƣởng sức căng mặt ngồi, trị số nhỏ so với lực khác Thƣờng phải tính sức căng mặt ngồi trƣờng hợp có tƣợng mao dẫn, ví dụ trƣờng hợp dịng thấm dƣới đất 1.3.5 Chất lỏng có tính nhớt Tính nhớt thủy lực quan trọng, nguyên nhân sinh tổn thất lƣợng chất lỏng chuyển động Khi lớp chất lỏng chuyển động, chúng có chuyển động tƣơng đối nảy sinh tác dụng lơi đi, kéo lại, nói cách khác, chúng nảy sinh chất ma sát tạo nên chuyển biến phận chất lỏng thành nhiệt Sức ma sát gọi ma sát (nội ma sát) Tính nảy sinh ma sát nói cách khác tính chất nảy sinh ứng suất tiếp lớp chất lỏng chuyển động gọi tính nhớt chất lỏng Tính nhớt biểu thị sức dính phân tử chất lỏng; nhiệt độ tăng cao, phân tử dao động mạnh xung quanh vị trí trung bình phân tử; sức dính phân tử kéo độ nhớt chất lỏng giảm xuống Mỗi chất lỏng có tính nhớt Tính nhớt chất lỏng đƣợc đặt trƣng hệ số ν ν= (1-6) Trong đó: μ: số tỉ lệ phụ thuộc loại chất lỏng gọi hệ số nhớt động lực ρ: khối lƣợng đơn vị ν : hệ số nhớt động Đơn vị đo hệ số nhớt động ν hệ số đo lƣờng hợp pháp m2/s; đơn vị cm2/s đƣợc gọi Stốc Năm 1886, I Niutơn nêu giả thiết quy luật ma sát chất lỏng sau đƣợc nhiều thí nghiệm xác nhận Sức ma sát lớp chất lỏng chuyển động tỉ lệ với diện tích tiếp xúc lớp ấy, không phụ thuộc áp lực mà phụ thuộc vào vận tốc loại chất lỏng Những chất lỏng tuân theo định luật ma sát Niutơn gọi chất lỏng thực chất lỏng Niutơn Môn thủy lực nghiên cứu chất lỏng Niutơn Những chất lỏng nhƣ bêtông chảy, vữa xây dựng, vữa sét đƣợc sử dụng khoan giếng, vữa koloit v.v… chảy nhƣng không tuân theo định luật Niutơn gọi chất lỏng không Niutơn (phi Niutơn) 1.3.6 Chất lỏng lý tƣởng (còn gọi chất lỏng không nhớt) Trong nghiên cứu số vấn đề dùng khái niệm chất lỏng lý tƣởng thay khái niệm chất lỏng thực Chất lỏng lý tƣởng chất lỏng tƣởng tƣợng, khơng có tính nhớt, tức hồn tồn khơng có ma sát chuyển động Khi nghiên cứu chất lỏng trạng thái tĩnh khơng cần phải phân biệt chất lỏng thực với chất lỏng lí tƣởng Trái lại, nghiên cứu chất lỏng chuyển động từ chất lỏng lí tƣởng sang chất lỏng thực phải tính thêm vào ảnh hƣởng sức ma sát trong, tức ảnh hƣởng tính nhớt 10 121 122 Phụ lục 7.2 123 124 125 126 127 Phụ lục 7.3 128 129 130 Phụ lục 8.1 131 132 133 134 Phụ lục 8.2 135 ... ý trọng lực, lực quán tính lực thể tích Vậy ta kết luận chất lỏng trạng thái cân lực khối lƣợng tác dụng lực Phƣơng trình (2-8) viết lại bằng: dp = ρdU = -ρdπ (2-11) Tích phân phƣơng trình (2-11),... (2-18) Phƣơng trình (2-18) phương trình thuỷ tĩnh học Trong thực tiễn cơng trình thuỷ lợi, áp suất mặt thống p0 thƣờng áp suất khí pa Cơng thức (2-18) thƣờng đƣợc dùng để tính áp suất thuỷ tĩnh điểm... điểm Với phƣơng trình thuỷ tĩnh (2-18), ta nói: áp suất điểm độ sâu môi trƣờng loại chất lỏng trọng lực đứng cân Phƣơng trình (2-17) viết lại thành: z + = z0 + = const (2-19) Phƣơng trình viết dƣới