Chương 7 tính toán thủy lực đường ống có áp

Microsoft Word CO LUU CHAT doc TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH Giáo trình môn Cơ Lưu Chất GVC MSc Đặng Quý CHƯƠNG VII TÍNH TOÁN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CÓ ÁP 7 1 Khái quát chung Đường ống[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH CHƯƠNG VII TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG CĨ ÁP 7.1 Khái quát chung Đường ống dùng dẫn lưu chất vá chất “ giả lỏng ” (hỗn hợp khí - hạt rắn nước - hạt rắn) từ nơi đến nơi khác phương tiện truyền lưu chất Về mặt thuỷ lực, hệ thống đường ống tốt hệ thống dẫn lưu chất đến nơi tiêu thụ yêu cầu cột áp lưu chất đồng thời gây tổn thất lượng điều kiện có lợi mặt kĩ thuật kinh tế Mục đích nghiên cứu: thiết kế hệ thống kiểm tra để sửa chữa, điều chỉnh hệ thống có sẵn cho phù hợp với yêu cầu Phân loại đường ống: + Đường ống dài, đường ống ngắn: Đường ống dài đường ống dịng chảy có tổn thất lượng dọc đường chiếm chủ yếu tổn thất lượng cụt cột áp vận tốc nhỏ bỏ qua Đường ống ngắn đường dịng chảy có tổn thất lượng cục cột áp vận tốc đáng kể bỏ qua so với tổn thất dọc đường Thường hc 10% hd : đường ống ngắn + Đường ống đơn giản, đường ống phức tạp: Đường ống đơn giản đường ống có d Q không đổi dọc theo chiều dài Nếu hai hai điều kiện thay đổi gọi đường ống phức tạp Phương pháp nghiên cứu: + Tính tốn đường ống đơn giản sở để tính tốn đường ống phức tạp + Vận dụng linh hoạt phương trính Bernoulli, phương trình liên tục cách tính loại tổn thất lượng dòng chảy Ta giả thiết dòng chảy đướng ống dịng chảy đều, có áp 7.2 Tính tốn thuỷ lực đường ống đơn giản 7.2.1 Các thông số tốn Hình 7-1 + Các thơng số đường ống: 1, d n ( ∆ ) Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG n: hệ số nhám; ∆: độ nhám tuyệt đói Mối quan hệ n ∆ tính theo biểu thức: ∆0,2 n= 19,6 +Các thông số lưu chất: μ, ρ +Các thông số đặc trưng cho thuỷ lực dòng chảy ống: Q, H H: dộ chênh cột áp tĩnh đầu nguồn cuối nguồn H = H – H2 H1 = z1 + p1/γ : cột áp tĩnh đầu nguồn H2 = z2 + p2/γ : cột áp tĩnh cuối nguồn + Thiềt lập quan hệ thơng số: Viết phương trính Bernoulli cho hai mặt cắt 1-1 2-2: z1 + p1 α1v12 p αv2 + = z2 + + 2 + hw1-2 γ 2g γ 2g Thay: v1 = v2 S2 S1 ; 1 v  hw = Σξc+λd   2g ; v2 = 4Q πd2 Ta có:   p1  p2 S2  8Q2 H = z1+ γ  – z2+ γ  = ΣξC+λ α2–α1S       d  1  gπ d  (7-1) 7.2.2 Bốn tốn a Bài tồn 1: cho l, d, n(∆), Q, ltính H Đây tốn thiết kế nguồn, ví dụ thiết kế tháp nước chọn bơm Thay vào biểu thức (7-1) để tính H Chú ý: Nếu đường ống dài bỏ qua tổn thất lượng cục cột áp vận tốc; bể lớn S1 >> S2 cong thức (7-1) còn: 8Q2 H = hd = λ d gπ2d4 + Trường hợp chảy tầng thay λ = H= Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất (7-2) 64 16vdπ = vào (7-2) ta được: Re Q 128vlQ gπd4 (7-3) GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG + Trường hợp chảy gối phải xác định λ trước b Bài toán 2: cho l, d, n (∆), H ; tính Q Đây tốn kiểm tra hệ thống có sẵn Vì λ phụ thuộc vào Q nên ta phải áp dụng phương pháp dần đồ giải 4Q vd + Chọn Q1 → v1 = → Re1 = → λ1 → thay vào biểu thức (7-1) tính H1 πd v Nếu H1 = H → Q = Q1 ; H1 ≠ H chọn lại Qi Hi = H + Phương pháp đồ giải ( hình 7-2 ) Hình 7-2 c Bài tốn 3: cho l, n ( ∆ ), H, Q tính d Đây tốn thiết kế ống Vì λ phụ thuộc vào d ta phải áp dụng phương pháp dần đồ giải Hình 7-3 + Chọn d → v1 = 4Q vd → Re1 = 1 → λ → thay vào biểu thức (7-1) tính H1 πd12 v Nếu H1 = H → d = d1 ; H1 ≠ H chọn lại di Hi = H d Bài toán 4:cho l, n ( ∆ ), Q tính H, d Đây tốn thiết kế tồn hệ thống Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Bài tốn có hai ẩn số d H thường người ta xác định đường kính d trước theo vận tốc hạn chế hay vận tốc kinh tế Sau xác định H tốn Vận tốc kinh tế ( vkt ) vận tốc ứng với dịng chảy bị tổn thất lượng nhất, với vốn đầu vào xây dựng đường ống ( thường dùng tính tốn đường ống dài hệ thống ống dẫn nước thành phố, dẫn dầu từ mỏ ) Trong ngành chế tạo máy, thường dùng vận tốc hạn chế Để tránh cho dầu bị nóng ( tổn thất lượng nhiều ) vận tốc ống dẫn dầu máy thường hạn chế ÷ 15m/s Tuy nhiên máy làm việc với áp suất cao có dùng tới vận tốc 30m/s Một số trường hợp cụ thể tra tài liệu tham khảo Nói chung, chọn vận tốc để tổn thất lượng không vượt q ÷ 6% cột áp làm việc Tính đường kính ống kinh tế: dkt = 4Q πvkt 7.2.3 Phương pháp dùng hệ số đặc trưng lưu lượng K Trong thống cấp nước dân dụng, hệ thống bơi trơn làm mát phức tạp, việc tính tốn thiết kế kiểm tra theo phương pháp lâu Trong kỹ thuật hay sử dụng phương pháp hệ số đặc trưng lưu lượng K a Điều kiện sử dụng phương pháp: + Ống dài + Dịng chảy có áp + Chảy rối khu vực bình phương sức cản ( khu vực chảy rối thành nhám thủy lực ), nước v > 1,2m/s Đối với khu vực khác phải có hệ số hiệu chỉnh kết Mặc dầu có điều kiện hạn chế, phương pháp sử dụng rộng rãi thực tế trạng thái chảy rối phổ biến, tính tốn đơn giản, tiện lợi, kết đáng tinh cậy b Các giả thiết công thức bản: H = hw = hd = Jl (7-4) Theo Sedi ( Chezy ): v = C RhJ C: hệ số Chezy, C = ( Rh )y , ống tròn y = 1/6 n Đặt: K = SC Rh (7-5) Ta có: Q=K J (7-6) Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Trong K : hệ số đặc trưng lưu chất, có thứ nguyên lưu chất ( m3/s ) K phụ thuộc vào hai đặc trưng đường ống d n Các trị số K K tính sẵn lập thành bảng cho tiện tính tốn Đối với ống tròn: 1/6 πd2 1d   K= n4 d Từ ta có: Q2 H = 2l K (7-7) c Ứng dụng phương pháp hệ số K để giải tồn bản: + Bài tốn 1: Từ d, n tra K.Thay vào ( 7-7 )để tính H + Bài tốn 2: Từ d, n tra K H l Q=K (7-8) + Bài toán 3: K= Q H l (7-9) Từ n, K tra d + Bài tốn 4: tính d theo vận tốc kinh tế, sau tính H ( theo BT1 ) Đối với nước, v ≤ 1,2m/s phải dùng hệ số hiệu chỉnh tổn thất a để tính ( giá trị a cho tài lịêu thủy lực ) Q2 H=a 2l K (7-10) 7.3 Tính tốn thủy lực số đường ống phức tạp Đường ống phức tạp gồm nhiều đoạn đường ống đơn giản tạo thành Tuy nhiên loại đường ống phức tạp có đặc điểm thủy lực riêng biệt: biểu thị lưu chất, cột áp đoạn với 7.3.1 Hệ thống đường ống nối tiếp Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Gồm nhiều đoạn đường ống đơn giản đường kính khác nối tiếp ( hình 7-4 ) Hình 7-4 Đặc điểm thủy lực: Q = Q1 = Q2 = ··· Qi = ··· = Qn (7-11) hw = h w1 + hw2 + ··· + hwi + ··· + hwn (7-12) H = H1 = H2 = ··· = Hi = ··· = Hn = HA – HB = hwi (7-13) Nếu đường ống dài, chảy rối, áp dụng phương pháp hệ số K: H i = hdi Q2 = li Ki i=n H=Q  Klii2 (7-14) i=1 Do đó: Q= H (7-15) i=n li  i = 1Ki 7.3.2 Hệ thống đường ống song song Gồm nhiều đoạn đường ống đơn giản có chung nút vào nút ( hình 7-5 ) Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Hình 7-5 Nếu tốn cho Q chảy qua n nhánh song song, cần phải tính Qi chảy qua nhánh, ta có phương trình nhánh Vì hwi = Hi theo ( 7-1 ) Hi = hwi = Ci Qi2  S2     Với Ci = ΣξC+λ α2–α1 S  d  1  gπ d  Do đó: C1Q12 = C2Q22  Q2 = C1 Q C2 (1) C1Q12 = C3Q32  Q3 = C1 Q C3 (2) C1Q12 = Cn Qn2  Qn = C1 Q Cn (n-1) Q = Q1 + C1 Q + C2 C1 Q + + C3 C1 Q Cn (n) Trên hệ n phương trình n ẩn số, nên tốn giải Nếu đường ống dài, chảy rối, áp dụng phương pháp hệ số K: Qi = Ki Hi li i=n Q= H  Klii (7-19) i=1 Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Do đó: H= Q2 (7-20) i = n Ki 2 i= l  i  7.3.3 Hệ thống ống phân phối liên tục Trên đoạn đường ống dài l, chất lỏng xả liên tục với lưu chất Qff Hình 7- Ta gọi Qv lưu chất vào, Qr lưu chất đoạn chiều dài l Qv = Qr + Qff Lưu chất điểm M: QM = Qv – Qff x x = Qr + Qff – Qff l l Nếu coi đoạn dx vô nhỏ, lưu chất không thay đổi, ta có tổn thất dọc đường đoạn là: dx dx Q +Q –Q x dhd = λ 2Q M = λ 2 r ff ff l  d gπ d gπ   Nếu coi λ = const đoạn l, sau tích phân ta có: Q ff   hd =  dhd = λ 2Qr +QrQff+  d gπ    (7-21) Nếu đường ống dài, chảy rối, áp dụng phương pháp hệ số K: Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG H= KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH Q2ff l K2 (7-22) Trong lưu chất tính tốn: Qff = Qr + 0,55 Qff 7.3.4 Hệ thống đường ống phân nhánh hở Ta gặp Hệ thống ống nhánh hở hệ thống cấp dầu bôi trơn, hệ thống cấp lưu chất cho xi lanh lực, hệ thống dẫn nước ( hình 7-7 ) Đặc điểm thủy lực: Tổn thất cột áp nhánh cột áp yêu cầu nơi tiêu thụ khác Có nghĩa nhánh đòi hỏi cung cấp lượng khác Nếu nguồn cung lượng ( cột áp ) cho nhánh có yêu cầu cao lượng ( nhánh ) thỏa mãn yêu cầu nhánh khác ( nhánh phụ ) Như vây ta đưa hệ thống phân nhánh hở hệ thống bao gồm hệ thống nối tiếp ( nhánh ) đường ống đơn giản ( nhánh phụ ) để tính tốn + Bài toán thiết kế: từ điều kiện cho Qi , Hi yêu cầu nơi tiêu thụ, Zi hệ thống đường ống, li , ni Xác định H di Thường chọn vikt ( vận tốc kinh tế đoạn ống i ), tính di theo vikt sau tính Hi Dưới ví dụ tính tốn cho sơ đồ hình 7-7 a Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH Hình 7-7 + Bài tan thiết kế: cho l1, l2, n1, n2, Q1, Q2 Tính H, d1, d2 Coi đoạn l0 + l2 đoạn Tính ngược từ đoạn l2 , từ Q2, v2kt tính d2; từ tính H2 Sau tương tự đoạn l0 tính H0 H = H0 + H2 Sau tính xong đoạn ta kiểm tra lại đường ống phụ: đoạn l0 + l1 H1 = H2 – Z1 Từ H1 Q1 Tính d1 Chú ý: hw2 > Z1 giả thiết đoạn l0 + l2 đoạn đúng; đường ống dài áp dụng phương pháp hệ số K + Bài toán kiểm tra: cho H, d1, d2, l1, l2, n1, n2 Tính Q1, Q2 Từ hai phương ta tìm hai ẩn số: H = H0 + H2 = hw0 + hw2 H = H0 + H1 + Z1 = hw0 + hw1 + Z1 ( Q1, Q2 có hw , hw2 ) Ngồi cịn có hệ thống đường ống phân nhánh kín, khơng nghiên cứu Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH 7.4 Hiện tượng va đập thủy lực ống 7.4.1 Hiện tượng Va đập thủy lực tượng biến đổi áp suất đột ngột vận tốc dòng tăng hay giảm đột ngột Nguyên nhân tăng hay giảm áp suất va đập thủy lực lực quán tính xuất vận tốc thay đổi Ví dụ lưu chất chuyển động với vận tốc lớn ống, đóng khóa lại cách đột ngột áp suất dịng chảy ( trước tiên sát khóa ) tăng vọt lên; tượng va đập thủy lực dương Ngược lại, lưu chất ống trang thái tĩnh áp suất lớn ta mở khóa đột ngột làm lưu chất chuyển động với vận tốc lớn, áp suất dòng chảy ( trước tiên sát khóa ) sụt hẳn xuống ; tượng va đập thủy lực âm Nếu dòng chảy ống chịu tác dụng cột áp cao tượng va đập thủy lực xảy mạnh, làm hỏng khóa, vỡ ống làm hư hại thiết bị bố trí ống Trong hệ thống truyền động, truyền lực, tượng cịn gây mạch động áp suất làm cho chế độ làm việc ổ định Hiện tượng va dđập thủy lực phức tạp, đến năm 1898 nhà bác học Nga Jukơpxki phân tích có lý luận chặt chẽ Để giải thích tượng ta khơng thể bỏ qua tính nén lưu chất 7.4.2 Chống va đập thủy lực + Đóng, mở khóa, van từ từ + Dùng ống lớn để giảm vận tốc dòng chảy + Dùng vật liệu làm ống có modun đàn hồi bé + Dùng thiết bị tự động tháo chất lỏng đường ống áp suất vượt qui định, giếng tiết trạm thủy điện, tháp điều tiết đường ống ( hình 7-8a,b ) Hình 7-8 + Có thể lợi dụng tượng va đập thủy lực bơm nước va ( hình 7-9 ) Nguyên lý làm vịêc bơm nước va: van A đường ống điều chỉnh nước từ bể chứa chảy qua Khi vận tốc dòng nước đạt đến trị số cho trước dịng nước đóng van A đột ngột Áp suất ống dẫn nước tăng Giáo trình môn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH vọt làm mở van B bình C, làm cho nước chảy vào ống đẩy D Sau khơng khí dãn nở tiếp tục đẩy nước lên ống đẩy D Hình – Khi nước chảy vào bơm áp suất đường ống giảm, van B đóng lại, van A tự động mở lặp lại BÀI TẬP Ống xi phơng có d = 150mm ; H = 3,3m ; z = 6,8m Tổn thất cột nước từ bể vào ống hvo = 0,6m cột nước Bỏ qua tổn thất dọc đường chổ uốn, nước chảy rối Xác định: H2, áp suất chân không điểm cao ống xi phông lưu lượng nước chảy ống Biết H = 6m ; Q = 50l/s ; hck = 7m cột nước, h = 4m ; l1 = 100m ; l2 = 60m ; 0,02 ξ1 = ; ξu = ; α = ; λ = 1/3 Tính d ξk để thỏa mãn điều kiện < Cho d biết đường kính ống theo tiêu chẩn phạm vi từ 100 đến 250mm > Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH Xác định số áp kế M để nước chảy từ bình lên bình với lưu lượng Q = 1,5 l/s Cho biết d = 25mm, L = 3m; hệ số cản khóa ξk = 9.3 ; hệ số ma sát ống xác định khu vực ống nhám với độ nhám ∆ = 0,2mm Với λ tính theo cơng thức Nikurat: λ = r   2lg +1,74  ∆  Bơm B đẩy dầu lên bình chứa qua đường ống dài l = 4m với Q= 1,25dm3 /s Biết z = 1m ; ξ = Dầu có độ nhớt v = 1St ; khối lượng riêng ρ = 860kg/m3 Đường kính ống đẩy d = 2,5cm Dầu chảy tầng Xác định áp suất đẩy cần thiết bơm dầu Bơm B hút dầu từ bình chứa qua đường ống dài L = 4dm với Q = 1,25 l/s Biết z = 1m ; chổ vào ống ξvo = 0,5 ; khóa ξk = 4.Dầu có độ nhớt v = 1cm2 Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH /s ; khối lượng riêng ρ = 860kg/m3; áp suất chân không mặt cắt vào bơm pck = 0,55 at Dầu chảy tầng Xác định đường kính ống dẫn dầu Dầu bôi trơn đến ổ trục theo hệ thống đường ống gồm đoạn L = 400m, d = 4mm, D = 5mm Dầu chảy tầng áp suất ổ trục Bỏ qua tổn thất cục Tính lưu lượng nút A để ổ trục không nhận 7cm3/s Xác định áp suất máy bơm B1 cần phải đạt để đưa xăng từ bể chứa C theo hệ thống đường ống qua bơm B2 đến đường ống Biết lưu lượng cần đạt M = 20kg/ph, toàn đường ống dài L = 5m có đường kính d = 15m ; dọc ống có chổ uốn Σξu = ; van chiều có ξv = ; lọc dầu có ξ1 = ; khóa có ξk = 1,5 ; áp suất dư mặt cắt vào B2 1,9at ; xăng có v = 0,045St ρx = 820kg/m Đường ống dài 2L, đường kính d, nối hai bình có độ chênh H Nước chảy tầng, bỏ qua tổn thất cục Xác định độ tăng lưu lượng nước chảy ống nối từ ống song song dài L, đường kính d Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Quý TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH Trong nhà ba tầng ( hình 7-7b ) nước dẫn theo ống đến buồng theo đoạn ống thẳng đứng nằm ngang l = 4m ; d = 60mm ; λ = 0,33 ; hệ số tổn thất khóa mở hết cỡ ξk = ; chiều cao tầng h = 3,5m Tính áp suất ống lưu chất vào buồng nào, lúc mở hết cỡ, không l/s Giáo trình mơn: Cơ Lưu Chất GVC.MSc Đặng Q