Giáo trình thủy lực máy thủy khí phần 1 trường đh công nghiệp quảng ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH THỦY LỰC - MÁY THỦY KHÍ DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2017 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Thuỷ lực - Máy thuỷ khí ThS Lê Quý Chiến (chủ biên) ThS Giang Quốc Khánh biên soạn, dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên Đại học hệ quy, ngành Kỹ thuật mỏ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành khác Giáo trình gồm chương, trình bày lý thuyết thuỷ lực học, máy thuỷ lực truyền động thuỷ lực - khí nén Để củng cố kiến thức cho sinh viên, sau chương có số tập tiêu biểu giải mẫu số tập cho sinh viên tự giải để nâng cao kĩ tính tốn thuỷ lực, máy thuỷ lực truyền động thuỷ lực - khí nén Ở cuối giáo trình có đưa bảng đơn vị thường dùng thuỷ lực, máy thuỷ lực truyền động thuỷ lực - khí nén, bảng tra cứu, đồ thị thuỷ lực để sinh viên tham khảo học tập, đồng thời sử dụng tính tốn thiết kế lắp đặt Các tác giả vui mừng chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, lãnh đạo khoa Điện, phòng khoa nghiệp vụ bạn đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ động viên để hồn thành tốt giáo trình Trong trình biên soạn, tác giả cố gắng bám sát đề cương chương trình mơn học phê duyệt Bộ giáo dục Đào tạo, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy môn học nhiều năm, đồng thời có ý đến đặc thù đào tạo ngành Kỹ thuật mỏ khoa nhà trường Do trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắn sách không tránh khỏi thiếu sót Rất mong bạn đọc góp ý xây dựng để nâng cao chất lượng giáo trình Quảng Ninh, tháng năm 2014 Các tác giả Chương KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THUỶ LỰC 1.1 Khái niệm chung môn học 1.1.1 Định nghĩa khoa học “Thuỷ lực”- Phạm vi ứng dụng lĩnh vực nghiên cứu khoa học thuỷ lực Thủy lực môn khoa học ứng dụng nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng biện pháp áp dụng qui luật Phương pháp nghiên cứu môn thủy lực đại kết hợp chặt chẽ phân tích lý luận với phân tích tài liệu thí nghiệm, thực đo, nhằm đạt tới kết cụ thể để giải vấn đề thực tế kỹ thuật Những kết nghiên cứu mơn thủy lực có tính chất lý luận nửa lý luận nửa thực nghiệm, hồn tồn thực nghiệm Cơ sở mơn thủy lực học chất lỏng lý thuyết, môn nghiên cứu qui luật cân chuyển động chất lỏng, phương pháp chủ yếu việc nghiên cứu sử dụng cơng cụ tốn học phức tạp Vì vậy, mơn thủy lực cịn gọi mơn học chất lỏng ứng dụng học chất lỏng kỹ thuật Kiến thức khoa học thủy lực cần cho người cán kỹ thuật nhiều ngành sản xuất thường phải giải nhiều vấn đề kỹ thuật có liên quan đến cân chuyển động chất lỏng, đặc biệt cần thiết nước Những ngành thủy lợi, giao thông đường thủy, cầu đường, cấp nước, dầu khí, khai thác mỏ, hàng hải, hàng không, chế tạo máy đến ngành khoa học vũ trụ… cần nhiều áp dụng khoa học thủy lực, thí dụ để giải cơng trình đập, đê, kênh, cống, nhà máy thủy điện, tuốc bin, cơng trình đường thủy, nắn dịng sơng, hệ thống dẫn tháo nước, cấp nước khai thác tuyển khoáng… Trong khoa học thủy lực đại hình thành nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên môn thủy lực đường ống, thủy lực kênh hở, thủy lực cơng trình, thuỷ lực - máy thuỷ lực, thủy lực sơng ngịi, thủy lực dịng thấm… Tuy nhiên, tất lĩnh vực nghiên cứu phát triển sở qui luật thủy lực chung mà người ta thường trình bày phần gọi phần thủy lực đại cương Vì thế, người kỹ thuật viên, kỹ sư, người làm công tác nghiên cứu, trước hết cần nắm vững thủy lực đại cương làm sở trước sâu vào phần thủy lực chun mơn Giáo trình bao gồm hai phần: Phần đầu chủ yếu nói thủy lực đại cương dùng cho học sinh, sinh viên ngành khác nhau; Phần hai nói thủy lực chuyên môn (máy thuỷ lực, truyền động thuỷ lực - khí nén) chủ yếu phục vụ cho học sinh sinh viên ngành kỹ thuật nói chung ngành kỹ thuật mỏ nói riêng Trước nghiên cứu qui luật chung cân chuyển động chất lỏng, cần nắm vững đặc tính học chủ yếu chất lỏng Khi nghiên cứu đặc tính qui luật chuyển động cân bằng, cần phải dùng hệ đo lường định Cho đến thường dùng hệ đo lường vật lý (CGS) hệ đo lường kỹ thuật (MkGS) Theo nghị định hội đồng phủ ngày 26/12/1964 từ ngày 1/1/1967 bắt đầu có hiệu lực “Bảng đơn vị đo lường hợp pháp nước Việt Nam dân chủ cộng hịa” Trong hệ đo lường hợp pháp đó, đơn vị đơn vị xác định sau: đơn vị độ dài mét (m), đơn vị khối lượng ki-lô-gam (kg), đơn vị thời gian giây (s) Trong giáo trình dùng đơn vị mới; để thuận tiện cho việc chuyển dần đơn vị cũ sang đơn vị mới, nêu đơn vị cũ Sau vài hệ thức đơn vị thường gặp giáo trình Đơn vị lực Niu-tơn (N); 1N = 1kg x 1m/s2 = 1mkg s- Trong hệ thống đơn vị cũ, đơn vị lực ki-lô-gam -lực, dùng kí hiệu kG để biểu thị đơn vị 1kG = 9,807N 1N = 0,102kG Đơn vị công Jun (J): 1J = 1N x 1m = 1m2kg s - Đơn vị công suất Oát (W): 1W = 1J/s = 1m2kg s - 1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển khoa học thủy lực 1.1.2.1 Thời kỳ cổ đại Loài người sống sản xuất có liên hệ mật thiết với nước Đến cịn nhiều di tích cơng trình thủy lợi mương, đập, đê, giếng … từ ba, bốn nghìn năm trước cơng ngun Ai cập, Mê - đô- pô- ta - mi, Ấn - Độ, Trung Quốc nhiều nơi khác Những kinh nghiệm, giải nhu cầu người nước chống thuỷ tai, làm thủy lợi truyền miệng từ đời sang đời khác, thủy lực thời cổ đại chưa có sở khoa học nào, người thực công trình thủy lực cách mị mẫm, tiếp cận đến mục đích 1.1.2.2 Thời kỳ cổ Hy Lạp Ở Hy Lạp năm trước công nguyên xuất số luận văn có ý định tổng kết phát triển vài vấn đề thủy lực Nhà tốn học Ácsimét (287-212 trước cơng ngun) để lại luận văn thủy tĩnh học vật nổi, có lý luận ổn định vật mà 20 kỷ sau người ta khơng có bổ sung đáng kể Cùng trường phái A-léc-dăng-đờ-ri Ác-si-mét, có Stê-di-bi-ốt phát minh máy bơm chữa cháy, đồng hồ nước, đàn nước… Phi-len-đờ-Bi-dan-xơ phát triển lý thuyết si-phôn, Hê-ron A-léc-dăng-đơ-ri miêu tả nhiều cấu thủy lực… 1.1.2.3 Thời kỳ cổ La mã Những người La mã mượn nhiều văn minh Hy lạp, tập trung sức vào chiến chinh cai trị Họ xây dựng nhiều cầu dẫn nước, phần lớn có mặt cắt chữ nhật rộng từ 0,60 đến 0,80m, cao từ 1,5 đến 2,4m, đặt nhiều hệ thống cống cấp nước chì đất nung, có đồng đá Ở đầu nguồn, đập dâng nước Họ đào nhiều giếng, biết dùng bể lắng v.v… Kỹ sư xây dựng người La mã Phờ -rôntin, cuối kỷ thứ sau công nguyên, miêu tả phương pháp đo lưu lượng vòi 1.1.2.4 Thời kỳ Trung cổ Sau sụp đổ đế chế La mã, thời kỳ dài khoảng nghìn năm, sản xuất, văn hóa, khoa học ngừng trệ, môn thủy lực không phát triển 1.1.2.5 Thời kỳ Phục hưng (Sự xuất phương pháp thực nghiệm) Trong nửa sau kỷ thứ XV kỷ thứ XVI, bắt đầu phát triển nghiên cứu thực nghiệm Thời kỳ xuất nhà bác học lỗi lạc Ý Lê-ô-na -đơ- vanhxi (1452-1529), xuất sắc lãnh vực hội họa điêu khác, âm nhạc, vật lý, giải phẫu, thực vật, địa chất, học, xây dựng, kiến trúc Về mặt thủy lực học, mặt ông thiết kế điều khiển xây dựng cơng trình nước cơng trình cảng miền Trung nước ý, mặt khác ông nghiên cứu nguyên tắc làm việc máy nén thủy lực, khí động học vật bay, phân bố vận tốc xoáy nước, phản xạ giao thoa sóng, dịng chảy qua lỗ đập…; ống phát minh máy bơm ly tâm, dù, đo gió Những cơng trình ơng viết nghìn trang thảo lưu lại nhiều thư viện Ln đơn, Pa-ri, Mi-lan, Tua-rin…Do đó, coi Lê-ơ-na-đơ-vanh-xi người sáng lập khoa học thủy lực Trong thời kỳ Phục hưng, cần kể đến công trình nhà tốn học - kỹ sư Hà lan Si-môn- Stê -vin (1548 - 1620) phát triển thủy tĩnh học, đặc biệt phân tích đắn lực tác dụng chất lỏng lên diện tích phẳng giải thích “nghịch lý thủy tĩnh học” Nhà vật lý, học thiên văn học Ý Ga-li-lê (1564-1642) sức cản thủy lực tăng theo gia tăng vận tốc gia tăng mật độ mơi trường lỏng; Ơng cịn phân tích vấn đề chân không 1.1.2.6 Thủy lực học sau thời kỳ Phục hưng, kỷ XVII đầu kỷ XVIII Tiếp theo Lê-ô-na-đơ-Vanh-xi, trường phái thủy lực Ý bật kỷ XVI XVII Cas-te-li (1517 - 1644) trình bày dạng sáng sủa ngun tắc tính liên tục Tơ-ri-xe-li (1608-1647) làm sáng tỏ nguyên tắc dòng chảy qua lỗ sáng chế áp kế thủy ngân Trường phái thủy lực Pháp bắt đầu xuất từ kỷ XVII với Ma-ri-ốt (1620-1684) tác giả sách “luận chuyển động nước chất lỏng khác”, Pa-scan (1613-1662) xác lập tính chất không phụ thuộc vào trị số áp lực thủy tĩnh hướng đặt diện tích chịu lực, giải thích triệt để vấn đề chân khơng, nguyên tắc máy nén thủy lực, nêu lên nguyên tắc Pa-scan truyền áp suất thủy tĩnh Các vấn đề thủy lực lúc nghiên cứu cách riêng rẽ, chưa liên hệ với thành hệ thóng có đầy đủ tính khoa học; phải đợi phát triển toán học học, có sở để đưa thủy lực học thực trở thành khoa học đại Chính thời kỳ tốn học học có tiến lớn, góp phần chuẩn bị cho phát triển thủy lực học Cần kể đến nhà toán học Pháp Đê-các-tơ (1598-1650), Pa-scan (1623-1662), nhà toán học, vật lý, thiên văn học Hà lan Huy-ghen (1629-1695), nhà toán học, học Anh Húc-cơ (1635-1703), Niu-tơn (1643-1727) nhà toán học Đức Lép-nít-dơ (1646-1716) 1.1.2.7 Thời kỳ cuối kỷ XVIII a Sự hình thành sở lý thuyết học chất lỏng đại Nhờ phát triển toán học học, sở học chất lỏng đại hình thành nhanh chóng; cơng lao trước hết ba nhà bác học, kỷ XVIII là: Đa-ni-en-Béc-nui-y, Lê-ô-na-Ơ-le Đa-lăm-be Đa-ni-en-Béc-nui-y (1700-1782) - nhà vật lý tốn học xuất sắc -sinh Gơ-rơninh-ghe (Hà lan); từ 1725 đến 1733 sống Pê-téc-bua (Nga) giáo sư viện sĩ viện Hàn lâm Pê-téc-bua; ông viết cơng trình tiếng “Thủy động lực học” (năm 1738), ơng đưa sở lý luận phương trình chuyển động ổn định chất lỏng lý tưởng, mang tên ông, mà ông lập luận cho dòng nguyên tố, theo nguyên tắc bảo tồn động Lê-ơ-na-Ơ-le (1707 -1783)-nhà tốn học, học vật lý vĩ đại - sinh Ba-lơ (Thụy sĩ), sống Pê-téc-bua từ 1727 đến 1741, từ 1766 đến hết đời, ông viện sĩ viện Hàn lâm khoa học Pê-téc-bua Ông tiếng với phương pháp nghiên cứu yếu tố thủy lực điểm cố định, gọi phương pháp Ơ-le, với phương pháp trình vi phân chuyển động chất lỏng lý tưởng mang tên ông, làm sở cho thủy động lực học, ơng khái qt phương trình vi phân liên tục Đa-lăm-be thành dạng chung dùng cho chất khí, ơng suy từ phương trình vi phân nói phương trình Béc-nui-y Ơng nghiên cứu máy thủy lực người nêu lên công thức máy tuốc-bin Đa-lăm-be (1717-1783)- nhà toán học triết học, viện sĩ viện Hàn lâm khoa học Pháp nhiều nước khác, kể viện Hàn lâm Pê-téc-bua (từ năm 1764) Ông có luận văn cân chuyển động chất lỏng Trong thời gian này, hai nhà tốn học Pháp có nhiều cống hiến cho học chất lỏng là: La-gơ-răng-giơ (1736-1813), phát triển cơng trình Ơ-le, đưa vào phương pháp nghiên cứu phần tử định chất lỏng chuyển động gọi phương pháp La-gơ-răng-giơ; ông đề khái niệm lực tốc hàm số dòng làm sở cho việc nghiên cứu chuyển động thế, viết cơng trình nghiên cứu sóng di động có độ cao vơ nhỏ kênh có độ sâu hữu hạn; La-pla-xơ (1749-1824) sáng tạo lý thuyết độc đáo sóng mặt chất lỏng lý thuyết tính mao dẫn; ơng sáng tạo tốn tử La-pla-xơ dùng thủy động lực học Những kết nghiên cứu nhà tốn học nói tạo nên sở lý thuyết cho học chất lỏng đại, kết chưa phải sử dụng trực tiếp vào thủy lực, nên có thời kỳ học chất lỏng phát triển ngành toán học với lời giải đẹp thủy lực phát triển ngành kỹ thuật với ứng dụng phong phú b Sự xuất phương hướng ứng dụng học chất lỏng (phương hướng thủy lực) Bên cạnh phương hướng lý thuyết nói học chất lỏng, xuất phương hướng ứng dụng kỹ thuật tức phương hướng thủy lực, chủ yếu trường phái thủy lực Pháp xây dựng lên Những đại diện xuất sắc trường phái là: Pi-tô (1695-1771) - kỹ sư thủy công viện sĩ viện Hàn lâm khoa học Pa-ri, sáng chế “ống Pi-tơ” để đo vận tốc dịng chảy; Se-di (1718-1798)- giám đốc trường Cầu đường, lập công thức mang tên ơng, nghiên cứu dịng chảy kênh với mục đích tìm sức cản thành rắn đáy kênh gây ra, Boóc -đa (1733-1794) - kỹ sư, nghiên cứu dịng chảy khỏi lỗ tìm “ tổn thất Bc -đa” lịng dẫn mở rộng đột ngột; Bốt -suy (1730-1814) làm nhiều thí nghiệm mơ hình để xác định sức cản dịng chảy vật ngập có hình dạng khác nhau; Đuy -boa (1734-1809) tiếng với cơng trình “ ngun lý thủy lực học” coi người sáng lập kỹ thuật thực nghiệm trưởng phái thủy lực Pháp, ơng tiến hành nhiều thí nghiệm nhằm tìm giải pháp thực tế, Ơng phân tích nhiều dòng chảy, dựa cân gia tốc trọng lực gây sức cản thành rắn; Ơng đến cơng thức tương tự Se-di ơng đưa khái niệm bán kính thủy lực, cơng trình nghiên cứu Đuy-boa có nhiều ảnh hưởng Âu- châu vào cuối kỷ XVIII đầu kỷ XIX Hai nhà thủy lực thực nghiệm thường kể đến là: giáo sư người Ý Ven-tu-ri (1746-1822) làm nhiều thí nghiệm dịng nước chảy qua vịi thiết bị dạng hội tụ khuếch tán mang tên Ông, kỹ sư người Đức Vôn-man (1757-1837) nghiên cứu lưu tốc để đo lưu lượng sông Nhờ hoạt động nghiên cứu nhà bác học, kỹ sư theo hướng thực nghiệm kỹ thuật nói trên, môn thủy lực đạt nhiều tiến số mặt chủ yếu là: - Có nhiều sáng chế dụng cụ đo lường ống đo áp, ống Pi-tô, lưu tốc kế Vônman, lưu lượng kế Ven-tu-ri… - Sử dụng mơ hình để nghiên cứu tượng thủy lực để thiết kế cơng trình; - Xây dựng cơng thức tính tốn lý thuyết kết hợp với hệ số điều chỉnh, xác định kết thí nghiệm 1.1.2.8 Sự phát triển thủy lực học kỷ 19 a Cơ học chất lỏng ứng dụng tiếp tục phát triển nhanh chóng Pháp nhiều nước khác Hai nhà bác học Ha-ghen (Đức) Rây-nơn (Anh) có cơng lao phân biệt hai trạng thái chảy: chảy tầng chảy rối, với quy luật khác sức cản Nhiều nhà khoa học nghiên cứu sức cản thủy lực, Cu-lông, Poa - dơi, Haghen, Đác -xy, Vét- sbát, Sanh -vơ - năng… Dòng chảy kênh hở trọng nghiên cứu Về dịng đều, nhiều thí nghiệm tiến hành nhằm xác định thông số cơng thức Se-di cơng trình thí nghiệm Ba-danh, Găng-ghi-lê, Cút-ta, Ma-ninh Về dịng ổn định khơng đều, đổi dần có nghiên cứu đường mặt nước, độ sâu phân giới, nước chảy, hệ số sửa chữa động năng, hệ số sửa chữa động lượng… nhà khoa học Bê-lăng-giê, Bre-xơ, Bi- đơn Cơ-ri-ơ-lít, Vơ-chi-ê, Bu-xi-nét- xcơ, Đuy-puy, Bu-đanh, Sanh-vơnăng… Về dịng khơng ổn định, sóng có Rút sen, Ba-đanh, Sanh -vơ-năng, Bu-xi-nétscơ, Đuy-puy Bê-lăng-giê, Ba-danh, Boóc-đa, Bu-xi-nét- scơ, Vét-sbát nghiên cứu dòng chảy qua lỗ đập tràn Bắt đầu có cơng trình nghiên cứu dịng có hạt lơ lửng tải vật rắn Đuy-puy, Đác-xy, Fác-gơ, Đuy-boa Dòng thấm nghiên cứu Đác-xy, Đuy-puy, Bu-xi-nét-scơ Cuối kỷ 19 lĩnh vực nghiên cứu thí nghiệm mơ hình phát triển thêm ba hướng mới: nghiên cứu mơ hình ống khí động học, bể thử dầu, mơ hình sơng có đáy di động Những nguyên tắc tương tự thủy động lực học tiêu chuẩn tương tự đề Cô-si, Rích, Fơ-rút, Hem -hơn, Rây-nơn Về máy thủy lực, có Buốc-đin, Fuốc-nây-rôn, Pel-tôn nghiên cứu tuốc bin thủy lực, Stê-ven, Smít, Erich-sơn nghiên cứu máy đẩy cánh quạt dùng cho tầu thủy Riêng nước Nga, hướng ứng dụng học chất lỏng, nẩy sinh từ cơng trình Lơ-mơ-nơ-xốp, bắt đầu phát triển từ kỷ XIX với cơng trình bác học, giáo sư trường kỹ sư giao thông Pê-téc-bua Mel-ni-cốp, Clu-khốp Xôcô-lốp, Cốt-lia-xép-xki, Mắc-xi-men-cô, Méc-sinh-gơ b Cơ học chất lỏng cổ điển kỷ 19 Tiếp tục phát triển theo hướng tốn học góp phần vào tiến thủy lực Na-viê Stốc hồn thành hệ thống phương trình vi phân chuyển động chất lỏng nhớt, làm sở cho thủy động lực học chất lỏng nhớt Hai nhà vật lý Đức Hem-hôn Kiếc-sốp vận dụng phép biến đổi bảo giác (do La-gơ-răng-giơ Cô-sy sáng tạo Riê-man, Crit-stô-fen Svác -xơ phát triển) để nghiên cứu chuyển động phẳng Buxi-net-scơ với cơng trình lớn “Về lý thuyết dịng sơng” (1872) coi đóng vai trị quan trọng phát triển thủy động lực học thủy lực Rây-nơn để lại cơng trình lớn cho thủy động lực học cho thủy lực Những nghiên cứu Kel-vin (dịng khơng xốy, chuyển động xốy, triều, sóng), mà Rây-lai (xâm thực, tương tự động lực học) góp phần thúc đẩy thủy động lực học Ở Nga nhà bác học Pê-tơ-rốp nghiên cứu quy luật nội ma sát bôi trơn, Giu-cốp-xki -sáng tạo lý thuyết sức nâng thủy động lực, nước va; Gơ-rơ-mê-cơ đặt sở cho lý thuyết dịng xoắn, nghiên cứu lý thuyết tượng mao dẫn 1.1.2.9 Những khuynh hướng phát triển thủy lực học lĩnh vực xây dựng cơng trình kỷ 20 đến Sang đầu kỷ 20, phải giải nhiều vấn đề thực tiễn sản xuất, khoa học thủy lực chia thành nhiều ngành chuyên sâu, ứng với kỹ thuật khác nhau; thí dụ: thủy lực cơng trình xây dựng, thủy lực công nghệ chế tạo máy, thủy lực công nghiệp đóng tầu, thủy lực cơng nghệ hóa học… Nói riêng lĩnh vực xây dựng bản, khoa học thủy lực lại phân thành phận riêng nghiên cứu sâu, như: thủy lực kênh hở; thủy lực hạ lưu cơng trình dâng nước, thủy lực dịng có cột nước cao; thủy lực hạ lưu nhà máy thủy điện, thủy lực đường ống, thủy lực dịng thấm, nước ngầm, dịng khơng ổn định, lý thuyết sóng, dịng thứ cấp, dịng mang bùn cát… Ngồi đặc điểm phân ngành sâu vừa nói trên, khoa học thủy lực sang kỷ 20 ngày gắn bó với học chất lỏng, phương pháp nghiên cứu thí nghiệm phương pháp nghiên cứu lý luận ngày kết hợp chặt chẽ với Đồng thời hình thành hệ thống phương pháp nghiên cứu vấn đề thủy lực như: phương pháp nghiên cứu phần tử chất lỏng, phương pháp nghiên cứu trị số trung bình; phương pháp tương tự; phương pháp phân tích thứ nguyên, phương pháp thực nghiệm… Trước hết cần nêu thành tựu học chất lỏng có tác dụng thúc đẩy việc nghiên cứu phương pháp thủy lực Đó là: lý thuyết nửa thực nghiệm rối với Pơ-ran-tơ , Tay-lo, Các-man… lý thuyết lớp biên Pơ-ran-tơ (1875-1953), công trình Bla-di-út (sinh 1837) lần nêu “ống trơn”, hệ số cản phụ thuộc số Rây-nôn; phân bố vận tốc sức cản dịng rối ống Các -man (1881-1963), ngồi nhà nghiên cứu thuộc trường phái Pơ-ran-tơ, cịn có nhà nghiên cứu khác trường phái, với đóng góp tiếng, như: Tơlmiên, Si-le (sức cản ống), Slíc-tinh (lớp biên), Ni-cu-rát-sơ (tổn thất cột nước ống)… hướng nghiên cứu phân tích thứ nguyên đề Búc-kinh-gam (1887-1940), Bơ-rít-man (1882)…, Ve-be (1871-1951) đưa hình thức đại nguyên tắc tương tự thủy động lực Về mặt thủy lực, thời gian đầu kỷ 20 xuất nhiều cơng trình nghiên cứu lớn Fc-cơ-rây-me (1852-1933), nghiên cứu sức cản thủy lực, sóng di động, thấm…; Ba-khơ-mê-chiép (1880-1951) với phương pháp tích phân phương trình vi phân chuyển động khơng kênh lăng trụ: Ăng-ghen (1854-1945), Rê-bốc (1864-1950) chủ trì phịng thí nghiệm lớn Đơ-rét- sđơ, Các-lơ-ru-he (Đức); Timô-nốp (1862-1936) Pê-tơ-rô-grát, Sáp - fer-nác (1839-1951) Viên, Mai-yer-Pê-ter (1883) Duy-rích, Gib-son (1878) Man -se-ster… Ở Pháp nhà thủy lực tiếng Ca-Mi-Sen (1871-1966), Ét-scan-đơ chủ trì phịng thí nghiệm thủy lực Tu-lu-dơ lớn… Mỹ tiến hành nhiều thí nghiệm sân mơ hình ngồi thực địa, thủy nông, Scô-bây nghiên cứu sức cản kênh tưới, Yác-nen nghiên cứu dòng chảy ống tưới, Pác-san (1881-1951) ống Ven-tu-ri… Sự thắng lợi cách mạng xã hội chủ nghĩa tháng 10 Nga vĩ đại giải phóng sức sản xuất đẩy mạnh cơng xây dựng kinh tế Liên Xô, làm cho khoa học kỹ thuật Liên Xô tiến vượt bậc Khoa học thủy lực Liên Xô phát triển nhanh nhiều mặt đứng hàng đầu giới Viện sĩ Pa-vơ-lốp-ski (1884-1937) có cống hiến lớn để xây dựng phát triển khoa học thủy lực xô viết, với cơng trình nghiên cứu nhiều lĩnh vực thuỷ lực khác nhau, sáng tạo lý luận chuyển động không môi trường thấm, phương pháp “tương tự” “điện thủy”, sức cản thủy lực… Viện sĩ Vê-li-ca-nôp (1879-1964) xây dựng lý thuyết rối, nghiên cứu chuyển động bùn cát biến dạng lịng sơng, đề xuất lý thuyết trọng lực chuyển động bùn cát lơ lửng N.M Béc-lát-ski (1817-1935) đề nghị mơ hình “chuyển động bình diện” Nhiều ngành thủy lực chun mơn phát triển mạnh Liên Xô thủy lực ống có áp (như A.D Ansun, N Z Fơ-ren-ken, F.A Sê-vê-lép…), thủy lực kênh hở (như I.I.A-gơ-rốt-ski, M.Đ Séc-tô-u-xốp, S.A Cơ-rít-schi-anơ-vích…), thủy lực cơng trình (A.N.A-khu-chin, E.A Da-ma-rin, I.I Lê-vi, S.N Nu-mê-rôp, R.R Su-ga-ép…) nước xã hội chủ nghĩa khác, khoa học thủy lực phát triển nhanh 1.1.2.10 Thủy lợi khoa học thủy lực Việt Nam Ở Việt Nam ông cha biết lợi dụng nước để phục vụ nông nghiệp kể từ thời đại đồ đá cũ (30 vạn năm trước), đồ đá (1 vạn năm), đồ đá (5000 năm), đến thời đại đồ đồng (4000 năm - Hùng Vương dựng nước) Từ đầu công nguyên trở (thời kỳ đồ sắt phát đạt) cơng trình thủy lợi tiếp tục phát triển, hệ thống đê điều hình thành dọc sơng lớn đồng Bắc bộ, nhiều kênh ngòi đào thêm nạo vét lại Theo “Cương mục biên” năm 983 thời Lê Hồn, đào sơng từ núi Đồng Cổ (n Định - Thanh Hóa) đến sơng Bà Hịa (Tĩnh Gia- Thanh Hóa), thuyền bè lại tiện lợi Vào đời Lý (thế kỷ XI), nhiều đoạn đê quan trọng dọc theo sơng ngịi lớn vùng đồng đắp, quan trọng đê Cơ xá (đê Sông Hồng, vùng Thăng Long) đắp vào mùa xuân 1168 Một số kênh ngịi, vùng Thanh Hóa, tiếp tục đào khơi sâu thêm Nền nông nghiệp nước ta vùng đồng thường bị ngập lụt hạn hán đe dọa, cơng trình thủy lợi tạo điều kiện quan trọng để phát triển nông nghiệp Sang đời Trần (thế kỷ XIII) công việc đắp đê phòng lụt tiến hành hàng năm với quy mô lớn Năm 1248, thời Trần thái Tôn, đắp đê từ đầu nguồn đến bờ biển 10 gọi đê Quai Vạc Hệ thống đê điều dọc sông lớn đồng Bắc Bộ đến thời Trần xây dựng hàng năm tu bổ, vấn đề xây dựng bảo vệ đê điều trở thành chức quan trọng quyền nhiệm vụ tồn dân Đến đời Lê (thế kỷ XV), coi trọng việc tu bổ, kiểm tra đê điều Thời Lê Sơ, khôi phục nhiều cơng trình, năm 1438 khơi lại kênh Trường An, Thanh Hóa, Nghệ An năm 1445, Nhân Tơng khơi Bình Lỗ (huyện Kim Anh- Vĩnh Phúc) thơng suốt đến Bình Than Năm 1467 đê ngăn nước mặn vùng Nam Sách, Giáp Sơn, Thái Bình bồi đắp lại, đào nhiều kênh mương để phục vụ nông nghiệp để vận tải tiện lợi Di tích đoạn đê nước mặn cịn đến nay, nhân dân thường gọi “đê Hồng Đức” (niên hiệu Lê Thánh Tơng) Ở Thanh Hóa nhiều sơng đào khai thác từ kỷ XV, đến cịn mang tên “sơng nhà Lê” Từ kỷ XVI, chế độ quân chủ chuyên chế hậu gây - cát nội chiến - cản trở phát triển sức sản xuất Tuy nhiên nhân dân không ngừng đấu tranh để bảo vệ làng xóm quê hương, bảo vệ sống Sang kỷ XVIII giai cấp phong kiến bước vào giai đoạn khủng hoảng sâu sắc tồn diện, nơng nghiệp đình đốn Đàng ngồi Đàng Dưới triều Nguyễn (thế kỷ XIX) kinh tế nông nghiệp ngày sa sút, triều Nguyễn bất lực việc chăm lo, bảo vệ đê điều cơng trình thủy lợi, nên nạn đê vỡ, lụt lội xảy liên tiếp Riêng đê Sơng Hồng Khối Châu (Hưng n) đời Tự Đức bị vỡ “10 năm liền” dân nghèo phải bỏ làng, phiêu bạt xứ sở Tình hình nơng nghiệp buộc nhà Nguyễn phải đề sách khẩn hoang, đầu đời Nguyễn đẩy mạnh triều Minh Mệnh Trong khoảng 18281829, với cương vị danh điền sứ, Nguyễn Cơng Trứ đề sách doanh điền, thực khẩn hoang, theo lối di dân, lập ấp, tạo thành huyện Kim Sơn (Ninh Bình) Tiền Hải (Thái Bình); Ơng lợi dụng địa hình để đắp đê mở mang hệ thống thủy nông cách hợp lý, khoa học Do kết đó, sách doanh điền áp dụng nhiều nơi Nam Kỳ Sang thời kỳ Pháp thuộc, năm đô hộ, thực dân Pháp làm số cơng trình thủy lợi để phục vụ sách bóc lột thuộc địa chúng, khơng có biện pháp hiệu để chống hạn, úng, lụt, xói mịn để đảm bảo sản lượng ruộng đất ổn định đời sống nhân dân an toàn Sau cách mạng tháng năm 1945 thành công, sau kháng chiến chống thực dân Pháp thắng lợi, miền Bắc giải phóng hồn tồn, nghiệp thủy lợi phát triển mạnh mẽ Công tác thủy lợi biện pháp hàng đầu đảm bảo cho việc phát triển nhanh vững nông nghiệp Trong 20 năm qua (1954-1975) xây dựng miền Bắc mạng lưới cơng trình thủy nơng, gồm 60 hệ thống thủy nơng loại lớn loại vừa có khả tưới nước cho triệu tiêu cho 1,1 triệu ruộng đất canh tác Công tác củng cố bảo vệ đê, phân lũ, làm chậm lũ…đã bảo vệ sản xuất an toàn cho nhân dân; nhờ đê Sông Hồng chống lũ lớn năm 1969 vượt mức lũ năm 1945 Nhân dân chiến đấu dũng cảm bảo vệ đê chống lại trận đánh phá đê điều không quân Mỹ năm chiến tranh chống Mỹ cứu nước Cơng trình thủy điện Thác Bà với công suất 108.000 kW loạt cơng trình đầu mối lớn sơng Đà chuẩn bị xây dựng Đã xây dựng đội ngũ cán khoa học kỹ thuật thủy lợi có khả thiết kế, thi công quản lý cơng trình tương đối lớn 11 4.1 Xác định trạng thái chuyển động nước đường ống có đường kính d = 200 mm; lưu lượng Q = 30 l/s; nước nhiệt độ 200C Giải : - Xác định vận tốc trung bình dịng chảy đường ống: Từ Công thức: Q = .v  v = Q = 4.Q ;  d  Với Q = 30 l/s = 0,03 m3/s ; d = 200 mm = 0,2m  v= 4.0,03 = 0,96(m / s ) 3,14.0,22 - Hệ số nhớt động học nước nhiệt độ 200C tra bảng:  = 0,0101 em2/s - Số Râynơn dịng chảy: Re = v.d = 96em / s.20em = 190099 0,0101em2 / s  Vậy: chuyển động nước ống chuyển động rối, Re = 190099 > Rek = 2330 Ta thấy vận tốc khơng lớn, dịng chảy trạng thái chảy rối 4.2 Xác định trạng thái chuyển động dịng chảy kênh hình chữ nhật có chiều rộng b = 2,0m; chiều sâu nước kênh h = 1,2m; lưu lượng Q = 1,8m3/s, nước nhiệt độ 200C Đs: Chuyển động dòng chảy kênh trạng thái rối : ReR = 408.416 > ReRk = 580 Bảng 4-1 Hệ số nhớt số chất lỏng (ở nhiệt độ 200C) Tên chất lỏng Hệ số nhớt ( ), P( Poadơ ) 0,0065 0,0101 0,0250 0,25 0,4 1,72 8,703 Xăng Nước Dầu hoả Dầu mỏ nhẹ Dầu mỏ nặng Dầu nhờn Glixerin Bảng 4-2 Hệ số nhớt động học nước phụ thuộc vào nhiệt độ t,0C 10 12 15  , em2/s 0,0178 0,0152 0,0131 0,0124 0.0114 t0, C 20 30 40 50 60 60  , em2/s 0,0101 0,0081 0,0066 0,0055 0,0043 Chương TÍNH TỐN THUỶ LỰC CHO ĐƯỜNG ỐNG 5.1 Khái niệm chung phân loại Khi cần vận chuyển chất lỏng, chất khí với lưu lượng lớn đường ống phương tiện rẻ Trong ngành cơng nghiệp, quốc phịng dân dụng thường gặp hệ thống đường ống dẫn nước, dẫn dầu, hơi, khí nén… Dịng chảy đường ống thường dịng chảy ổn định, có áp, Vì vậy, việc tính tốn đường ống sử dụng phương trình chủ yếu sau: - Phương trình Becnuli dịng chảy chất lỏng thực - Phương trình liên tục dịng chảy - Các phương trình - cơng thức tính tốn tổn thất lượng + Dựa vào tổn thất lượng ta chia đường ống làm loại: - Đường ống dài - Đường ống ngắn Đường ống dài là đường ống có tổn thất dọc đường, là chủ yếu Đường ống ngắn tổn thất cục chiếm tỷ lệ đáng kể Thông thường, tổn thất cục chiếm tỷ lệ bé 5% đường ống đường ống dài Nếu tổn thất cục chiếm tỷ lệ 5% đường ống đường ống ngắn Tính tốn với đường ống dài, người ta thường tính tổn thất cục 5% tổn thất dọc đường, cộng vào tổn thất dọc đường thành tổn thất lượng đường ống dài + Dựa vào kết cấu hệ thống đường ống người ta chia đường ống đơn giản đường ống phức tạp - Đường ống đơn giản đường ống có đường kính lưu lượng dọc theo đường ống không thay đổi - Đường ống phức tạp đường ống mà đường kính lưu lượng dọc theo đường ống thay đổi 5.2 Tính toán thủy lực cho đường ống đơn giản phức tạp 5.2.1 Tính tốn đường ống đơn giản (bằng phương pháp hệ số đặc trưng lưu lượng) Tất loại đường ống sản xuất theo tiêu chuẩn Vì vậy, việc tính tốn thuỷ lực đường ống dùng phương pháp hệ số đặc trưng lưu lượng Đối với đường ống dài, tổn thất lượng chủ yếu tổn thất dọc đường (Hình 5-1); hw  hd (5-1) Ta biết, dịng chảy đường ống tính tốn cơng thức Sêdi Vận tốc trung bình dòng chảy: v = C R.J ; Lưu lượng dòng chảy : Q = .C R.J (5-2) Nếu ta đặt K = .C R Đại lượng K - hệ số đặc trưng lưu lượng, biểu thị lưu lượng đường ống - phụ thuộc vào đường kính hệ số nhám n đường ống 61 E hd  hw H P  v 2g Hình 5-1 Giới hạn đường ống đơn giản Ta tính hệ số K đường ống bất kỳ: 0,5  d  d   d  K = .C R =     n 4 4 (5-3) Do với loại đường ống sản xuất theo tiêu chuẩn, người ta lập sẵn bảng tính hệ số đặc trưng lưu lượng theo bảng (4 5) phụ lục Từ đó, lưu lượng dịng chảy đường ống tính: Q = K J  J = Q2 K2 (5-4) Tổn thất dọc đường tính : hd = Q2 l K2 (5-5) (5-4) (5-5) hai cơng thức để tính tốn thuỷ lực đường ống dài Cần lưu ý rằng, hệ số K tính theo bảng tính theo hệ số C ứng với khu vực sức cản bình phương, nên trường hợp sử dụng cho khu vực trước khu vực sức cản bình phương cần phải điều chỉnh, cách đưa hệ số  < vào hệ số đặc trưng lưu lượng Hệ số điều chỉnh  xác định theo công thức gần Phơ Ren -Ken:  M  = 1 +  ; = M   1+ (5-6)  Trong : M - số phụ thuộc vào loại ống phụ thuộc vào hệ số nhớt  Theo thí nghiệm Sê-vê-lép, trị số M xác định gần sau (v, mm2/sec) M = 40 ống thép M = 95 ống gang M = 30 ống thường Trong thực tế, vận tốc trung bình dịng chảy ống đạt trị số 1,5m/s dịng chảy khu vực sức cản bình phương 62  M Vơí =  2; ;  =   = 1 +  M  1  1+ (5-6)  5.2.2 Tính tốn thuỷ lực đường ống phức tạp 5.2.2.1 Tính tốn thuỷ lực cho đường ống nối tiếp Khái niệm: Nhiều đường ống đơn giản có đường kính khác nhau, nối tiếp với gọi đường ống nối tiếp Giả thiết đường ống có đường kính, chiều dài hệ số nhám khác nhau, hệ số đặc trưng lưu lượng khác Nhưng nối tiếp, nên lưu lượng dòng chảy ống (Hình 5-2) hd1 hd2 Hình 5-2 Đường ống nối tiếp Ở đường ống, ta có dịng chảy ống đơn giản tổn thất dọc đường ống tính theo cơng thức: hdi = Q li K i2 Và toàn tổn thất dọc đường đường ống nối tiếp n n i =1 i =1 h =  hd i = Q  li Ki (5-7) 5.2.2.2 Tính tốn thuỷ lực cho đường ống nối song song (Hình 5-3) hd Q1 Q A Q2 B Q Hình 5-3 Đường ống song song Khái niệm: Nhiều đường ống đơn giản có đường kính và chiều dài khác nối với có chung nút vào và nút gọi là đường ống nối song song 63 Ta biết rằng, đường ống nối song song lưu lượng ống nối đơn giản khác Tổn thất lượng đường ống đơn giản là: l1 K12 l hd = Q22 22 K2 hd = Qi2 (5-8) ………… hdn = Qn2 ln K n2 Ta có: lưu lượng dịng chảy đường ống chính: Q = Q1 + Q2 + + Qn (5-9) Như vậy: ta có tất (n+1) phương trình, tìm (n+1) ẩn số, lưu lượng đường ống tổn thất lượng hệ thống 5.2.2.3 Tính tốn thuỷ lực cho đường ống phân phối liên tục Khái niệm : Trong trường hợp lưu lượng dòng chảy phân phối liên tục dọc theo chiều dài đường ống, gọi là đường ống phân phối liên tục (hình 5-4) Giả thiết: Trên đoạn đường ống AB, dọc theo chiều dài đường ống có nhiều lỗ nhỏ Ta gọi: Qv - lưu lượng điểm A, lưu lượng chảy vào đường ống Qp - lưu lượng phân phối dọc đường Qm - lưu lượng điểm B lưu lượng mang l - chiều dài ống l Ta có: Lưu lượng QM điểm M, cách điểm A đoạn x, tính: QM = Qv − Qp l x x A M B Vì: Qv = Qp + Qm Nên: Qv QM = (Q p + Qm ) − Qp l Qm x Tổn thất dọc đường đoạn đường ống dx là: Q dhd = M dx KM Qp Hình 5-4 Đường ống phân phối liên tục Trong đó: dhd - Tổn thất dọc đường đoạn đường ống dx dx - Vi phân đoạn đường ống x 64 KM - Hệ số đặc trưng lưu lượng đường ống điểm M Do hệ số đặc trưng lưu lượng đường ống không thay đổi, nên KM = K Từ ta có: Qp   x  (Q p + Qm ) − l   dx dhd = K2 Vậy tổn thất lượng dọc đường ống phân phối liên tục AB là: l Q   hd =  (Qp + Qm ) − p x dx K 0 l  Thực tích phân ta có: hd =   Q + Q p Qm + Q p2 .l  m K   (5-10) Trong trường hợp, tất lưu lượng phân phối hết dọc đường, tức Qm= ta có: Q hd = p2 l K Lưu lượng ống phân phối liên tục tính gần theo biểu thức: (5-11) 2 (Qm + Q p Qm + Q p )  (Qm+ 0,55.Qp) Như vậy: Trong thực tế công thức tính tốn tổn thất lượng đường ống phân phối liên tục là: ( Qm + 0,55.Qm ) l hd = K (5-12) 5.2.2.4 Tính tốn thuỷ lực hệ thống đường ống Hệ thống đường ống phân hệ thống đường ống phân nhánh hở hệ thống đường ống khép kín Hệ thống đường ống phân nhánh hở Hệ thống gồm có đường ống đường ống nhánh Đường ống chọn làm đường ống đường ống dẫn từ bể chứa có chiều dài lưu lượng lớn Trên hình (H.5-5), (ABCD) đường ống chính; (BE, CF) đường ống nhánh Tính tốn hệ thống đường ống phân nhánh gặp hai trường hợp Trường hợp 1: Xác định đường kính di đoạn ống chiều cao tháp chứa Ht Cho biết chiều dài đoạn ống li lưu lại điểm tiêu thụ qi (D,E,F) Cao trình mặt đất i (A,B,E,F) cột nước đo áp (cột nước tiêu thụ) điểm tiêu thụ Hi (D,E,F) Trước hết ta tính cho đường ống ABCD - Xác định lưu lượng đoạn ống chính: QCD = qD; QBC = qD + qF; QAB = qE + qF + qD - Trên sở lưu lượng có, ta chọn đường kính di đoạn ống theo vận tốc cho trước, gọi vận tốc kinh tế vc (đó vận tốc ứng với cho tổn thất lượng chi phí đầu tư nhất) 65 Hình 5-5 Sơ đồ hệ thống đường ống Từ đó: 4.Q Q = 1,13 3,14.vc vc d= Ta chọn d sơ theo vc sau: dmm 50 75 100 125 Vc m/s 0,75 0,75 0,76 0,82 150 0,85 200 0,95 250 1,02 - Biết Qi, di, li ta xác định tổn thất hdi đoạn ống - Cuối ta xác định chiều cao tháp chứa: Ht = D + HD + hdi - A Có tổn thất hdi ta vẽ đường đo áp cho đoạn ống - Tính di ống nhánh Thí dụ tính cho đoạn BE Khi vẽ đường đo áp ta biết cao trình cột nước B ’B cao trình cột nước đầu ống E ’E (’E = B+’E) Vậy tổn thất cột nước đoạn BE hd BE = ’B - ’E - Trên đoạn ống nhánh BE biết hd BE , lBE, qBE; ta tìm đường kính dBE Trường hợp 2: Biết cao trình cột nước tháp ’A, chiều dài đoạn ống li, lưu lượng điểm tiêu thụ qi (D,E,F), cao trình mặt đất i (A,B,C,D,E,F), cột nước tiêu thụ Hi (D,E,F) điểm tiêu thụ Xác định đường kính di đoạn ống Nguyên tắc: Tính cho đường ống ABCD trước - Tổng tổn thất từ tháp chứa đến cuối ống hdi = ’A - ’D - Tổng chiều dài L đoạn ống L = n l i - Độ dốc thuỷ lực trung bình đoạn ống chính: jtb = 66 h di L - Tính Ki đoạn ống chính: Ki = Qi jtb Biết Ki tra bảng phụ lục tìm di đoạn ống Việc tính di ống nhánh tiến hành Hệ thống đường ống khép kín Hệ thống khép kín thường gồm nhiều vịng kín Ta nghiên cứu trường hợp đơn giản vịng kín (H.5-6) E F QE Thơng thường để tính tốn ta biết lưu lượng điểm A tiêu thụ, chiều dài đường kính B đoạn đường ống ta xác định lưu lượng đoạn đường ống D QD C Hình 5-6 Hệ thống đường ống khép kín Dịng chảy vịng kín phải thoả mãn hai điều kiện sau đây: Ở điểm vịng, tổng số lưu lượng tới điểm phải tổng số lưu lượng khỏi điểm Tổng số tổn thất lượng vịng kín phải khơng Có thể giải tốn hai phương pháp sau: Phương pháp thứ nhất: Ta tự ý phân phối lưu lượng vịng kín, cho điều kiện thứ thoả mãn; điều kiện thứ hai thoả mãn Để đạt điều kiện thứ hai, ta phân phối lại lưu lượng -2 lần phương pháp gọi phương pháp cân tổn thất lượng vịng kín Phương pháp thứ hai: Ta tự ý phân phối lưu lượng cho điều kiện thứ hai thoả mãn; đó, điều kiện thứ khơng thể thoả mãn, để đạt đượcc điều kiện thứ nhất, ta phân phối lại lưu lượng - lần Phương pháp gọi phương pháp cân lưu lượng Câu hỏi chương Khái niệm đường ống dài, ống ngắn? cho ví dụ minh hoạ? Trình bày cách tính tốn thủy lực (xác định Q, hwd )đối với ống dài? Trình bày cách tính tốn thủy lực cho đường ống dài đơn giản có dịng chảy ngồi trời? Trình bày cách tính tốn thủy lực cho đường ống dài đơn giản có dịng chảy từ ống vào bể chứa khác? Trình bày cách tính tốn thủy lực cho đường ống phức tạp? cho ví dụ? Trình bày cách tính tốn thủy lực cho hệ thống đường ống? cho ví dụ? BÀI TẬP 67 5.1 Đường ống AB có chiều dài l = 50m, đường kính d = 150mm, cao trình A 12m, cao trình điểm B 11m, lưu lượng Q = 42l/s (Hình 5-7) Xác định cột nước B, cột nước A 10m Nếu điểm C, đường ống, người ta lấy lưu lượng 10l/s cột nước B thay đổi nào? Hình 5-7 Giải Ta ký hiệu  A  B ' C - cao trình địa hình điểm tiêu thụ  'A 'B 'C' - cao trình mực nước điểm tiêu thụ Từ đó: Cột nước  'A điểm A: H A =  'A −  A ; Cột nước điểm B: H B =  'B −  B ; Giả thiết, đường ống bình thường, theo bảng phụ lục với d = 150mm, ta có: K = 158.4l/s Như tổn thất dọc đường đường ống AB là: Q2 422 hd = l = 50 = 3,5m K 158,42 Cao trừng mực nước điểm B 'B = ( A + H A ) − hd = 12 + 10 − 3,5 = 18,5m Cột nước điểm B là: H B =  'B −  B = 18,5 − 11 = 7,5m Nếu điểm C lấy lưu lượng 10l/s lưu lượng đoạn ống CB là: 42 -10 = 32 l/s Tổn thất chiều dài đoạn CB là: hd = 322 25 = 1,02m 158,42 Như vậy, cột nước điểm B tăng lên là: 68 3,5 − 1,02 = 0,73m Lúc đó, cột nước B là: HB = 7,5 + 0,73 = 8,23m 5.2 Một đường ống gang đặt nằm ngang dài 30m Cột nước đầu ống 9m Hỏi phải chọn đường kính ống để cột nước cuối ống 7,0m Lưu lượng Q = 30l/s Giải Với điều kiện trên, tổn thất dọc đường đường ống không vượt quá: hd ≤ -7 = 2m từ công thức hd = Q2 l K2 Ta xác định K: K= Q l l 30 = Q = 30 = 116,2l / s hd hd Theo điều kiện cho; ống gang bảng phụ lục với K = 116,2l/s ta chọn đường kính d = 125mm, tương ứng K = 113,511l/s đường kính d = 150mm, tương ứng K = 183,9l/s Ta tính lại: - Với đường kính d = 125mm hd = Q2 302 l = 30 = 2,1m K2 113,52 cột nước cuối ống đạt 9m - 2,1m = 6,9m Cột nước cuối ống thấp (0,1m) so với yêu cầu - Với đường kính d = 150mm hd = Q2 302 l = 30 = 0,8m K2 183,92 cột nước cuối ống đạt 9m - 0,8m = 8,2m Cột nước cuối ống cao (1,2m) so với yêu cầu Người sử dụng chọn đường kính 125mm hay 150mm 5.3 Cũng toán 5.2, người ta sử dụng u cầu tính tốn đường ống nối tiếp (d= 125mm d = 150mm) để đạt cột nước cuối đường ống 7m (H5-8) Xác định chiều dài loại đường ống Giải Sơ đồ đường ống nối tiếp: Giả sử: x - chiều dài ống với d = 125mm (30-x) chiều dài ống với d = 150mm Ta có: Q2 Q2 302 302 hd = x + (30 − x ) = x+ (30 − x ) = 2m K K 113,52 183,92 69 Hình 5-8 Như vậy, để đạt yêu cầu người sử dụng, chiều dài đoạn ống d = 125mm 27,9m chiều dài đoạn ống d = 150mm 2,1m 5.4 Hai đường ống thép có đường kính d = 100mm nối song song, chiều dài ống I 30m, chiều dài ống II 15m Lưu lượng đường ống Q = 40l/s Xác định lưu lượng ống Đường nối song song theo sơ đồ đây,  A = 10m;  B = 9m;  C = 9m  D = 8m cột nước điểm bao nhiêu? Cho biết cột nước D 6m; AB = CD = BC AD = ( H − 9) 2 Giải Sơ đồ đường ống song song Hình 5-9 Ta viết phương trình để tính tốn Q = Q1 + Q ; (1) Hd1= 2 Q l1; K (2) Hd2= Q22 l2 ; K 22 (3) Tổn thất lượng đường ống song song nhau, nên: Q12 Q22 l ; l2 ; K12 K 22 (4) Từ (1) ta có: Q2 = 40 l/s - Q1 (5) Thay (5) vào (4) Q12 (40 − Q1 ) l = l2 K1 K 22 70 Hai đường ống thép, có d = 100mm, theo bảng phụ lục, ta có: K = 63,73l/s Do đó: Q12 l1 = (40 − Q1 ) l2 (40 − Q1 ) l1 30 = = =2 Q12 l2 15 Hay là: Q12 + 80Q1 − 1600 = 0' Giải phương trình (6) ta xác định: Q1 = 16,6l/s Q2= 23,4l/s Tổn thất lượng đoạn ống AD: hd = Q22 23,42 l = = 15 = 2,02m K2 63,732 Cột nước A: HA= (  D + H D + hd ) −  A = (8 + + 2,02) − 10 = 6,02m Tổn thất lượng đoạn AB: Q12 16,62 hd = l AB = 7,5 = 0,51m K 63,732 Cột nước B: H B = ( A + H A − hd ) −  B = (10 + 6,02 − 0.51) − = 6,51m Tổn thất lượng đoạn ống BC tổn thất lượng đoạn B: HdBC=1,02m Cột nước điểm C: H C = ( B + H B − hd ) −  C = (9 + 6,51 − 1,02) − = 5,49 5.5 Tính tổn thất lượng đường ống ABCD ống thép đường kính d= 100m; đoạn AB dài 10m; BC dài 8m; đoạn CD dài 15m Lưu lượng đoạn AB ;là 30l/s; đoạn BC lưu lượng phân phối 10l/s Giải Tổn thất lượng đoạn AB: hdAB = Q22 30 l = AB K2 63,732.10 = 2,2m Trong đó, K 63,73 l/s Tổn thất lượng đoạn BC (lưu lượng phân phối đều): hdBC = (Qm + 0,55Q p ) K2 Trong đó, Qm=20l/s; Qp=10l/s;K=63,73l/s Tổn thất lượng đoạn CD: 71 l = (20 + 0,55.102 ) = 1,28m 63,732 hdCD = Q2 202 l = 15 = 1,48m CD K2 63,732 Như vậy, tổn thất lượng đường ống ABCD; Hd = 2,20 + 1,28+1,48=4,96m ĐS: hd ABCD = 4,96 m 5.6 Xác định chiều cao tháp Ht theo sơ đồ (H.5-10) Hình 5-10  1=  A=15m  = 14 m  3=12m  4= 13m H2=6m H3= 8m H4 =10m n=0,012 Chọn (0-1-2-3) làm đường ống (đoạn ống dài có lưu lượng lớn) H t = 3 + H + hdi −  Ht=12+8+ hdi -15 - Tính hdi - Đoạn 3-2 Giả thiết v = 1m/s;Q2-3=0,006m3/s d = 1,13 0,006 = 0,087 m 140 Chọn d = 100m với n = 0,012 có K = 0,053m3/s hd 3−2 = 0,0062 200 = 2,5m 0,0532 - Đoạn 2-1: Giả thiết v = 1m/s; Q1-2 = 0,006 + 0,004 = 0,01m3/s hd 2−1 = 1,13 0,01 = 0,013m Chọn d = 125mm ứng với n = 0,012, tra K = 0,097 m3/s 72 hd 2−1 = 0,012 300 = 3,15m 0,097 - Đoạn 1-A: Giả thiết: v = 1m/s; Q1-A = 0,006 + 0,004 + 0,006 = 0,016 m3/s d = 1,13 0,016 = 0,147 m Chọn d = 150mm, với n = 0,012, tra K = 0,158m3/s 0,016 hd1− A = 1000 = 10,24m 0,1582 - Tính ống nhánh: so sánh 1'  '4 1' =  + H + hd 3−2 + hd 2−1 1' = 12 + + 2,5 + 3,15 = 25,65m  '4 =  + H  '4 = 13 + 10 = 23m hd 4−1 = 1' −  '4 = 2,65m Cột nước điểm lớn điểm 4, việc chọn đường ống đúng; Tính hd : 4−1 K −1 = Q = 0,064 m3/s 2,65 300 Chọn d = 300mm ta có K = 1,00m3/s (lưu lượng thừa, dùng khóa để điều chỉnh) Ht = 12+8+2,5+,3,15+10,24-15 Ht = 20,89m 5.7 Từ tháp chứa A đến trạm B người ta đặt hai đường ống song song (H5-11) Một hai đường ống có lưu lượng phân phối Qp = 23l/s Tại điểm B ta phải đảm bảo lưu lượng mang Qm với cao trình  'B = 14,5m Cao trình cột nước A  'A = 21,12m , ống bình thường Xác định: Lưu lượng mang Qm B: Đáp số: QB = 37,5l/s 5.8 Hai bể nước thông với đường ống ACB (H 5-12) điểm C có lắp khóa tháo nước Xác định lưu lượng QA QB tháo nước khỏi hai bể chứa, lưu lượng nước điểm C thay đổi từ QC = (khóa đóng hồn tồn) đến điểm C thay đổi từ QCmax (khóa mở hồn tồn) Vẽ đường đo áp, ống bình thường Cho nước chảy khu vực thành nhám ĐS: 1) QC = QA = QB = 9,21l/s 2) QCmax QC = QA + QB QC = 54,71l/s 5.9 Xác định cột nước H cần thiết tháp chứa (H5-13) coi dòng chảy ống khu vực thành nhám, ống Các số liệu cho hình vẽ 73 Hình 5-12 Hình 5-11 Hình 5-13 74