Bài giảng Cơ học chất lỏng ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY LỰC BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG ỨNG DỤNG Bộ môn Thủy Lực Phần I: Cơ học chất lỏng CHƯƠNG I MỞ ĐẦU Mở đầu NỘI DUNG MÔN HỌC Phần I: Cơ học chất lỏng Chương 1: Mở đầu Chương 3: Thuỷ tĩnh Chương 4: Cơ sở thuỷ động học Chương 5: Năng lượng dòng chảy ổn định Chương 6: Động lượng lực tác dụng Chương 8: Dòng chảy ổn định có áp đường ống Chương 12: Dòng chảy ổn định qua lỗ, vòi Phần II: Thuỷ lực cơng trình Chương 1: Dịng chảy ổn định kênh Chương 2: Đập tràn Chương 3: Nối tiếp tiêu * Các thí nghiệm Phịng thí nghiệm thủy lực Mở đầu GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO Finnemore E.J & Franzini J B Cơ học chất lỏng dùng cho ngành kỹ thuật, dịch tiếng Việt, Hà Nội 2009 Robert J Houghtalen, A Osman Akan & Ned H C Hwang, Cơ sở hệ thống thuỷ lực cơng trình, dịch tiếng Việt, Hà Nội 2009 Bài giảng Cơ học chất lỏng, Bộ môn Thủy lực Bài giảng Thuỷ lực cơng trình, Bộ mơn Thủy lực TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN THỦY LỰC BÀI GIẢNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG HÀ NỘI Mở đầu Nguyễn Cảnh Cầm, Vũ Văn Tảo, Thuỷ lực tập I, Nhà xuất Nơng nghiệp, Hà Nội 2006 Hồng Văn Q, Nguyễn Cảnh Cầm, Bài tập Thuỷ lực tập 1, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội 2005 Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Văn Cung, Lưu Công Đào, Nguyễn Như Khuê, Vũ Xuân Minh, Hoàng Văn Quý, Vũ Văn Tảo, Thuỷ lực tập II, Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội 2006 Nguyễn Cảnh Cầm, Lưu Công Đào, Nguyễn Như Khuê, Hoàng Văn Quý, Bài tập Thuỷ lực tập II, Nhà xuất Xây dựng, 2005 Báo cáo thí nghiệm Thuỷ lực cơng trình, Bộ mơn Thủy lực Mở đầu ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC Đánh giá điểm q trình (30%) Gồm có: - Học tập lớp: 30% - Thí nghiệm: 20% - Các kiểm tra: 50% • Thi cuối kỳ: 70% Điều kiện dự thi hết môn: - SV phải học đủ 80% số tiết; - 2/3 kiểm tra đạt yêu cầu Mở đầu §1.1 Đối tượng vị trí mơn học 1.1.1 Định nghĩa môn học Cơ học chất lỏng ứng dụng môn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng, đồng thời đề biện pháp ứng dụng quy luật vào thực tiễn phục vụ đời sống người Đối tượng nghiên cứu môn Cơ học chất lỏng ứng dụng chất lỏng thường gặp thực tế 1.1.2 Phạm vi ứng dụng môn học Kiến thức môn học chất lỏng ứng dụng dùng nhiều ngành khác như: Thuỷ lợi, giao thông, xây dựng, máy thiết bị máy, cấp thoát nước v.v Mở đầu 1.1.3 Nội dung nghiên cứu a Thuỷ tĩnh nghiên cứu chất lỏng trạng thái đứng yên cân (hay trạng thái tĩnh); b Động học nghiên cứu quy luật chuyển động chất lỏng, thể vận tốc, gia tốc, đường dòng… mà không xét đến lực tác dụng lượng; c Thuỷ động lực học nghiên cứu chuyển động chất lỏng có xét đến lực tác dụng, lượng, động lượng d Ứng dụng phương trình vào dòng chảy kênh, qua đập tràn cơng trình tiêu 1.1.4 Phương pháp, mục đích nghiên cứu Kết hợp chặt chẽ nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm thực hành kỹ năng, giúp người học giải vấn đề thực tế Mở đầu §1.2 Sơ lược lịch sử phát triển môn học 1.2.1 Thời kỳ cổ đại Người La Mã; Người Hy Lạp (Archimedes) … 1.2.2 Thời kỳ cận đại Nghiên cứu Leonardo da Vinci (1452 - 1519), … Isaac Newton (1642 - 1727), … 1.2.3 Thời kỳ đại: Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng quy luật có để giải vấn đề thực tế (sẽ trình bày kỹ phần sau) Mở đầu §1.3 Phương pháp học mơn Cơ học chất lỏng ứng dụng Những việc cần làm để học tốt môn Cơ học chất lỏng ứng dụng: - Học kiến thức qua giảng giáo trình; sinh viên ngồi việc học lớp cịn phải tự đọc sách để nắm vững kiến thức giảng, giáo trình - Thực hành để phát triển kỹ cách giải tập, làm thí nghiệm viết báo cáo, ý đến đơn vị đo đại lượng Việc thực hành, viết báo cáo thí nghiệm phương pháp tốt giúp sinh viên hiểu rõ chất tượng thuỷ lực củng cố kiến thức, đồng thời rèn luyện kỹ giải vấn đề Mở đầu + Tính hb : h b = h '' c (Với σ =1,05 – 1,10) (2) + Tính Δz theo phương trình (3): + Tính độ sâu bể : q2 q2 z = − 2 2g.b h h 2g.h 2b (3) d2 = hb - ∆z - hh (4) Có d2, tính lại theo (1), (2), (3), (4) d, dtính lại ≈ dtính lần trước ta d cần tính - Tính vận tốc Vc−c q = hc - Tính chiều dài bể tiêu , 5h h c '''' ) LLb b==  (4, c Nối tiếp tiêu 35 Ví dụ tính bể tiêu Cho: Tính: E (m) V0 (m/s) Q (m3/s) b (m) hh (m) φb 9.4 d 1.4 Lb 120 Nối tiếp tiêu 12 φ 0.9 0.96 36 - Chọn sơ chiều sâu bể d1 =1,68m - Lưu lượng đơn vị : q = Q = 120 = 10m / s b 12 - Năng lượng mặt cắt trước đập: V02 1,42 Eo = E + = 9,4 + = 9,5m 2.g 2.9,81 q =  hc g ( E0 + d1 − hc ) - Độ sâu co hẹp hc : giải phương trình có hc = 0,73m 1 2   q 10 - Độ sâu phân giới hk : hk = ( ) =   = 2,17m g 9,81   - Độ sâu liên hiệp với hc 3    h h 0,73 2,17    −1 + +  hc" = c  + 8( k )3 − 1 = = 4,94m    2 hc  0,73     - Hệ số an toàn ngập σ = 1,05 - Độ sâu bể: hb= σ hc” = 1,05.4,94 = 5,19m Nối tiếp tiêu 37 - Tính độ chênh mực nước : q2 q2 102 102 z = − = − = 0,51m 2 2 2 gb hh ghb 2.9,81.0,9 2.9,81.5,19 - Tính lại độ sâu bể: d = h b − z − h h = 5,19 − 0,51 − = 1,68m - Kết luận: d2 = d1 nên độ sâu bể tiêu 1,68m - Vận tốc mặt cắt C-C: Vc −c = Q 120 = = 13, 7m / s A c−c 0, 73.12 - Chiều dài bể: Lb = β.4,5.hc” = 0,8.4,5.4,94= 17,78m Nối tiếp tiêu 38 Kết tính tốn Tính nối tiếp (hh=3m): hc‘’ 4,94 m Sơ chọn chiều sâu bể: d1 1,68 m Lưu lượng đơn vị : q 10,00 m2/s Năng lượng mc trước đập E0 9,50 m Độ sâu co hẹp hc 0,73 m Độ sâu phân giới hk 2.17 m Hệ số an toàn ngập σ 1,05 - Độ sâu liên hiệp với hc hc'' 4,94 m Độ sâu bể hb 5,19 m Tính độ chênh mực nước Δz 0,51 m Tính lại độ sâu bể Kết luận d2 1,68 Đạt m Vận tốc mặt cắt c-c Vc-c 13,7 m/s Chiều dài bể Lb 17,78 m Nối tiếp tiêu hc'‘>hh, nước nhảy phóng xa hc" = hc   hk + ( ) −   hc   hb = Ϭhc'' 39 V Tính kích thước bể tiêu theo phương pháp xây tường ht Lb Cho: E, V0, Q, b, hh Tính: c, Lb Nối tiếp tiêu 40 Các phương trình sử dụng cho tính tốn ht 2 Lb • PT lượng cho (1-1) (2-2) • PT nước nhảy cho (2-2) - (3-3) • Tính Q qua đập tràn thực dụng Nối tiếp tiêu 41 Các bước tính tốn • Tính nối tiếp: Khi sau cơng trình có nối tiếp chảy đáy nước nhảy phóng xa cần tính tường tiêu • Tính chiều cao tường tiêu c - Chọn σ = 1,05 ÷ 1,1, tính hb = σhc” (5) - Coi tường tiêu làm việc đập tràn thực dụng chảy ngập, hệ số lưu lượng m’ =0,4 ÷ 0,42 - Sơ chọn hệ số σn = tính H1 theo biểu thức: q q 2/3 H1 = ( ) − 2gh n m' 2g b - Tính C = hb - H1 Nối tiếp tiêu (6) (7) 42 * Kiểm tra chế độ chảy qua tường - Nếu dịng chảy qua tường khơng ngập kết tính c đúng, kiểm tra nước nhảy sau tường Nếu có nước nhảy phóng xa phải tính tiếp tường phía sau - Nếu dịng chảy qua tường chảy ngập tính hn = hh – c - Tra σn tính đập tràn thực dụng, tính lại H1 - Tính lai c, hn tra lại σn; σn tra lại ≈ σn tính lần trước, lấy kết tính tốn c; σn tra lại ≠ σn tính lần trước tính tiếp lại c, hn, σn σn tra lại ≈ σn tính lần trước Chiều cao tường tiêu năng: c = hb – H1 • Tính chiều dài bể tiêu năng: Lb = β 4,5 hc” (β- hệ số kinh nghiệm lấy khoảng 0,7-0,8) Nối tiếp tiêu 43 Ví dụ tính tường tiêu Cho: Tính E (m) V0 (m/s) Q (m3/s) b (m) hh (m) m’ 9.4 C 1.4 Lb 120 12 φ 0.42 0.96 hht t Lb Nối tiếp tiêu 44 - Lưu lượng đơn vị : q= Q 120 = = 10m / s b 12 - Năng lượng mặt cắt trước đập: V02 1,42 Eo = E + = 9,4 + = 9,5m 2.g 2.9,81 - Độ sâu co hẹp hc : giải phương trình q = hc g ( E0 − hc ) có hc = 0,8m 1 q  102  - Độ sâu phân giới hk : hk = ( ) =   = 2,17m g  9,81  - Độ sâu liên hiệp với hc     h h 0,8 2,17    −1 + +   = 4,67m hc" = c  + 8( k )3 − 1 =  2 hc  0,8     - Hệ số an toàn ngập σ = 1,05 - Độ sâu bể: hb= σ hc” = 1,05.4,67=4,9m - Chọn sơ σn = Nối tiếp tiêu 45 - Cột nước tràn đỉnh tường: 2 q q2 10 10 2/3 H1 = ( ) − =( )3 − = 2,86m 2 ghb 1.0, 42 2.9,81 2.9,81.4,9  nm ' 2g - Tính C: C= hb-H1 = 4,9- 2,86 = 2,04m - Kiểm tra chế độ chảy qua tường: dịng chảy khơng ngập Z tuong c = 2, 04 + 2,86 − = 0, 93 2, 04 - Tính hc” sau tường với φ=0,96: Tính tương tự dòng chảy trước tường thu E0st= 4,9m, hc st = 1,23m, hc”st = 3,51m Nối tiếp sau tường thơng qua nước nhảy phóng xa hc”st > hh cần phải tính tiếp tường phía sau (cách tính tương tự tường phía trước) sau tường cuối có nước nhảy ngập - Chiều dài bể tiêu thứ : Lb = β.4,5.hc” = 0,8.4,5.4,67= 16,81m Nối tiếp tiêu 46 Kết tính tốn Lưu lượng đơn vị : q 10.00 m2/s Năng lượng mc trước đập E0 9.50 m Độ sâu co hẹp hc 0.8 m Độ sâu phân giới hk 2.17 m Độ sâu liên hiệp với hc Hình thức nối tiếp (hh=3m) Hệ số an toàn ngập Độ sâu bể Chọn sơ σn hc'' hc'‘>hh σ hb σn 4,67 m q = hc g ( E0 − hc ) hc" = hc   hk + ( ) −   hc   Nước nhảy phóng xa 1.05 4,9 m hb = Ϭhc'' Tính cột nước tràn đỉnh tường H1 2.86 m q q2 2/3 H1 = ( ) − ghb2  n m' g Tính c c 2.04 m C= hb-H1 Kiểm tra chế độ chảy qua tường Z tuong 0,93 Tính hc’’ sau tường (φ=0,96) hc’’st 3,58 m Lb 16.81 m Chiều dài bể c Chảy khơng ngập Có nước nhảy phóng xa 47 Nội dung cần nắm được: 1/ Các dạng nối tiếp sau đập tràn, cống: a) Nối tiếp chảy mặt b/ Nối tiếp chảy đáy 2/ Nối tiếp chảy đáy có trường hợp a) Hạ lưu khơng có nước nhảy: trường hợp b) Hạ lưu có nước nhảy: trường hợp 3/ Tính tốn nối tiếp chảy đáy, xác định độ sâu co hẹp hc hình thức nối tiếp hạ lưu cơng trình 4/ Các biện pháp tiêu tính tốn kích thước cơng trình tiêu sau đập tràn Nối tiếp tiêu 48 Bài tập chương 1- Bài tập sách “Thủy lực Tập 2”: 15.7 - 15.9 - 15.12 - 15.14 - 15.24 2- Bài tập sách “Cơ sở Hệ thống Thủy lực cơng trình”: 5.10.2 – 5.10.3 (trang 188) Nối tiếp tiêu 49