bài giảng nghiên cứu thực nghiệm thủy lực

Mục tiêu và yêu cầu của môn học: * Những kiến thức cần đạt được khi học xong môn học: - Những khái niệm cơ bản về nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực - Lý thuyết tương tự các hiện tư

BÀI GIẢNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

THỦY LỰC

BỘ MÔN THỦY CÔNG

học:

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC

* Chuyên ngành đào tạo: Xây dựng công trình thủy

* Mã số: 60-58-40

* Khối lượng: 2 tín chỉ (30 tiết)

* Bộ môn phụ trách: Thủy công- Khoa công trình

* Cán bộ giảng dạy PGS.TS Lê Xuân Khâm - BM Thủy công

TS Phạm Thị Hương - BM Thủy lực

BỘ MÔN THỦY CÔNG

2 Mục tiêu và yêu cầu của môn học:

* Những kiến thức cần đạt được khi học xong môn học:

- Những khái niệm cơ bản về nghiên cứu thực nghiệm mô hình thủy lực

- Lý thuyết tương tự các hiện tượng thủy động lực học

- Mô hình hóa một số hiện tượng thủy lực cơ bản

- Nắm được một số thiết bị đo chủ yếu và cách đo

* Mối quan hệ với các môn học khác:

Cần có kiến thức của các môn: Toán ứng dụng, tin học, thủy lực, thủy công, công trình tháo

- Có một bài tập nộp

- Có tìm hiểu thực tế ở phòng thí nghiệm thủy lực và thực hành

đo một vài đại lượng cơ bản

- Thi viết hoặc viết chuyên đề (học online)

4 Tài liệu giảng dạy chính thức:

Bài giảng môn Nghiên cứu thực nghiệm thủy lực

5 Nội dung bài giảng:

Chương 4: Mô hình hóa các hiện tượng thủy lực

Chương 5: Thực nghiệm mô hình tương tự

Chương 6: Nghiên cứu trong thực tế

BỘ MÔN THỦY CÔNG

- Thủy động lực học là một trong những vấn đề cơ bản của thủy lực công trình

- Thủy lực động học là khoa học về những quy luật chuyển động của chất lỏng thực cũng như tác động tương hỗ giữa nó với môi trường xung quanh

- Những định luật cơ bản do D.Bernoulli; L.Euler đưa ra giữa thể kỷ 18

- Đến thế kỷ 19 nhiều nhà khoa học đã có thành công: Saintvenant, Giukovsky, Boussines

- Thế kỷ 20 phát triển rầm rộ

- Thực tế đã chỉ ra rằng: Thực nghiệm mô hình thủy lực ngày càng phát triển và không thể thiếu trong nghiên

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU

- Thủy động lực học là một trong những vấn đề cơ bản của thủy lực công trình

- Thủy lực động học là khoa học về những quy luật chuyển động của chất lỏng thực cũng như tác động tương hỗ giữa nó với môi trường xung quanh

- Những định luật cơ bản do D.Bernoulli; L.Euler đưa ra giữa thể kỷ 18

- Đến thế kỷ 19 nhiều nhà khoa học đã có thành công: Saintvenant, Giukovsky, Boussines

- Thế kỷ 20 phát triển rầm rộ

- Thực tế đã chỉ ra rằng: Thực nghiệm mô hình thủy lực ngày càng phát triển và không thể thiếu trong nghiên cứu thủy động lực học

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU

BỘ MÔN THỦY CÔNG

2 Phát triển theo hai hướng:

- Các phương pháp cổ điển có sự hỗ trợ của tin học

- Tìm kiếm phương pháp mới (phải nhanh, chính xác hơn đáp ứng được yêu cầu)

Có ý kiến cho rằng: Trong nghiên cứu thủy lực, mô hình

toán cho kết quả chính xác hơn, tiện hơn Song nghiên cứu

mô hình vẫn phát triển bởi nó có thế mạnh riêng

1 Các loại nghiên cứu thực nghiệm:

a) Nghiên cứu cơ bản: Giải quyết vấn đề chung, phạm vi

rộng , ví dụ: nghiên cứu dạng đường mặt nước của dòng chảy không ổn định ba chiều, nghiên cứu quy luật chuyển động của bùn cát…

b) Nghiên cứu ứng dụng: Giải quyết những vấn đề cụ thể

(công trình cụ thể)

Không có ranh giới giữa hai loại (nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng)

Ngày càng đan xen vào nhau

1.2 NỘI DUNG CỦA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

BỘ MÔN THỦY CÔNG

2 Nội dung thực hiện mô hình thuỷ lực

1.2 NỘI DUNG CỦA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

Hiện tượngTĐLH

Phân tích toán học Phân tích thứ nguyên

Mô hình toán học Mô hình vật lý

Tính toán

bằng số

Tính toán tương tự Tính toán hợp phối MH thủy lực MH khí MHt ương tự tự

Nghiên cứu trong thực

tế

BỘ MÔN THỦY CÔNG

3 Các bước tiến hành nghiên cứu thực nghiệm một

vấn đề thủy đông lực học

- Xác định mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Xác định các đại lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu, lập phương trình chung nhất thể hiện sự liên hệ giữa các đại lượng (có sử dụng PP Buckingham-PP Phân tích thứ nguyên)

- Xác định loại mô hình, vị trí đạt mô hình, tỷ lệ mô hình, sêry thí nghiệm, thiết bị và phương pháp đo, phương pháp đánh giá kết quả

- Thiết kế, chế tạo, lắp đặt mô hình

- Tiến hành thực nghiệm

- Đánh giá kết quả thí nghiệm

Kết luận, viết báo cáo và kết thúc công việc

§ 1.2 NỘI DUNG CỦA THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

1 Mô hình là gì ?

* Là hình ảnh của tư duy hoặc là sản phẩm vật chất được tạo ra bằng các vật liệu khác nhau; nhằm phản ảnh hoặc đồng dạng với đối tượng nghiên cứu ; những kết quả nghiên cứu trên đó đem đến những thông tin chính xác về đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế

* Mô hình chia ra: - Cụ thể và trìu tượng

- Mô hình toán và mô hình lý

- Mô hình giải tích và mô hình số

- Mô hình động và mô hình tĩnh

- Mô hình tất định và mô hình bất định

§ 1.3 MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TOÁN

BỘ MÔN THỦY CÔNG

2 Mô hình hoá

Là sự biểu thị bằng hình ảnh các công trình hoặc hiện tượng bằng công cụ vật lý và toán học hợp lý để nghiên cứu nó hiệu quả

3 Mô hình vật lý

- Là sự tương tự giữa hai thực thể

- Mô hình thủy lực là một loại của mô hình vật lý

- Vật liệu giống trong thực tế

- Mô hình hóa hiện tượng thủy lực dựa trên lý thuyết tương tự

- Tiêu chuẩn tương tự, giúp thiết kế mô hình và chuyển đổi kết quả từ mô hình ra thực tiễn

§ 1.3 MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TOÁN

4 Mô hình toán

- Dựa trên sự tương tự giữa thực thể và tư duy

- Tiện cho nghiên cứu hiện tượng vật lý phức tạp có thể toán học hoá được

- Mô hình toán một hiện tượng vật lý được tạo thành:

+ Từ một mô hình thực

+ Từ sự biểu thị bằng toán học các mối quan hệ vật lý + Từ các phương pháp giải được bằng toán học

§ 1.3 MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TOÁN

BỘ MÔN THỦY CÔNG

- Phát hiện ra quy luật của các hiện tượng và định nghĩa

- Kiểm tra, bổ sung, chính xác hóa các công thức lý thuyết

- Thiết lập quan hệ thực nghiệm

- Kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết

§1.4 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ VÀ TIỆN ÍCH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC

3 Tiện ích:

- Kích thước bé hơn so với thực tế

- Đo các đại lượng chính xác, nhanh và tiện lợi

- Đo đạc mang tính hệ thống cao

- Có thể đến được bất kỳ vị trí nào để đo đạc

- Có thể quan sát và nghiên cứu lâu một hiện tượng hoặc đồng thời các yếu tố

§ 1.4 MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ VÀ TIỆN ÍCH NGHIÊN CỨU

BỘ MÔN THỦY CÔNG

BÀI GIẢNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC

BỘ MÔN THỦY CÔNG

NỘI DUNG CHÍNH

- Khái niệm chung

- Phân tích thứ nguyên và ứng dụng

- Những khái niệm cơ bản về lý thuyết tương tự

- Những quy luật chung của tương tự cơ học

- Tương tự theo tiêu chuẩn Froud

- Tương tự theo tiêu chuẩn Raynold

- Tương tự theo tiêu chuẩn Weber

- Tương tự theo tiêu chuẩn Caushyh

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ CÁC HIỆN TƯỢNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC

BỘ MÔN THỦY CÔNG

- Nghiên cứu các hiện tượng trên mô hình dựa trên lý thuyết tương tự

- Lý thuyết tương tự phát triển theo hai hướng: Từ phương trình vi phân cơ bản cơ bản và từ phương pháp phân tích thứ nguyên

- Cơ sở là các định luật tương tự (tiêu chuẩn tương tự) phản ánh quan hệ giữa thực tế (nguyên hình) và mô hình

- Biểu diễn các đặc trưng của hiện tượng bằng ba đại lượng

cơ bản (ba thứ nguyên cơ bản): Độ dài (L); Khối lượng (M) ; Thời gian (T)

- Các đại lượng vật lý khác đều có thể biểu diễn qua ba thứ nguyên cơ bản này

- Tương tự cơ học được đảm bảo khi: Tỉ lệ kích thước là như nhau, chuyển động tương tự, nguyên nhân chuyển động tương tự

+ Cụ thể mỗi j là tích của (r + 1) các ai với mỗi ai có một số mũ

* r các ai trùng lặp ở mọi j với số mũ khác nhau chưa b i ế t

* Đạ i l ượ n g t ứ ( r + 1 ) ầ n ư ợ t à c á c a i còn lại với số mũ p = ± 1

BỘ MÔN THỦY CÔNG

§ 2.2 PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN VÀ ỨNG DỤNG

V ới:

D

V D

V D

V D

V

V D

z y x

z y x

o o

z y x

3 3

2

2 2

2 2

2 1

1 1

1 1

Re

1

2





NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ

BỘ MÔN THỦY CÔNG

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ

lx   

    ;

u uz

§2.3 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT TƯƠNG TỰ

.

.

.

.

t lx m t

mx m

m tx t mx

m

tx t mx

tx px

t m

t m

a m

a m p

2

1

.

.

.

t ly m t

my m

m ty t my

m

ty t my

ty py

t m

t m

a m

a m p

.

.

.

t lz m t

mz m

m tz t mz

m

tz t mz

tz pz

t m

t m a

m

a m p

ex  

   ) h ì :

2

1

t l m

NHỮNG QUY LUẬT CHUNG CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

I Những quy luật dẫn ra từ phương pháp phân tích thứ nguyên

Các đại lượn vật lý ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu:

- Đối với chất rắn:

+ Độ dài: d + Khối lượng riêng: c

- Đối với chất lỏng:

+ Khối lượng riêng của nước:  + Hệ số nhớt động lực học: µ + Hệ số sức căng mặt ngoài:  + Moduyn đàn hồi thể tích: K + Lưu tốc trung bình mặt cắt: V

- Ngoài ra còn tính đến gia tốc trọng trường g; kích thước của môi trường mà hiện tượng thủy lực diễn ra: chiều dài l, chiều rộng b và

NHỮNG QUY LUẬT CHUNG CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

I Những quy luật dẫn ra từ phương pháp phân tích thứ nguyên

Lực tác dụng lên vật thể trong chất lỏng được biểu thị bởi quan hệ: 𝑃 = 𝑐′ 𝜇𝑎 𝜌𝑐.𝐾𝑒 𝜎𝑓 𝑉𝑖 𝑏𝑘.𝑙𝑛.ℎ𝑝.𝑑𝑥 𝜌𝑐𝑦 𝑔𝑧

Với c’là một hằng số; a,c,e,f,I,k,n,p,x,y,z là số mũ chưa biết

Thứ nguyên các đại lượng vật lý (3 thứ nguyên cơ bản: M,T,L)

𝜌) (2-18) Phương trình (2-18) là phương trình chung nhất cho lực tác dụng lên vật thể trong chất lỏng

BỘ MÔN THỦY CÔNG

NHỮNG QUY LUẬT CHUNG CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

I Những quy luật dẫn ra từ phương pháp phân tích thứ nguyên

Các số không thứ nguyên trong phương trình 2-18

a) 𝑃

𝜌𝑙2𝑉2 = 𝑁𝑒 là số Newton;

Vì 𝑝 = 𝑙𝑃2 nên còn dùng 𝑝

𝜌𝑉2 = 𝐸𝑢 là số Euler b) 𝑉2

§2.4 NHỮNG QUY LUẬT CHUNG CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

Tiêu chuẩn Weber: We  1

Tiêu chuẩn Caushyl: ca  1

BỘ MÔN THỦY CÔNG

NHỮNG QUY LUẬT CHUNG CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

- Muốn có tương tự cơ học thì phải thỏa mãn mọi tiêu chuẩn

- Muốn chính xác thì

+ Phải sử dụng chất lỏng không phải là nước + Dùng mô hình với l = 1 (nguyên hình)

- Thực tế không thể tìm ra chất lỏng thỏa mãn điều kiện tương tự

về cơ học Vì thực nghiệm trên mô hình thủy lực thường là nước nên không tạo ra được tương tự cơ học chính xác (chỉ tạo ra tương tự cơ học gần đúng)

TƯƠNG TỰ THEO TIÊU CHUẨN FROUD

- Biểu thị các hiện tượng thủy lực mà tác dụng của trọng lực chiếm ưu thế

- Dùng để nghiên cứu dòng chảy có mặt thoáng

- Phương trình cơ bản 𝜆𝐹𝑟 = 𝜆𝑉2

𝜆𝑔 𝜆𝑙 = 1 Hay 𝑉𝑡2

TƯƠNG TỰ THEO TIÊU CHUẨN RAYNOLD

- Biểu thị giới hạn tương tự của hai chất lỏng nhớt không nén được, chịu lực ma sát là chủ yếu

Ví dụ mô hình hóa dòng chảy có áp trong ống (cống, ống, đường hầm…)

- Phương trình cơ bản 𝜆𝑅𝑒 = 𝜆𝜌𝜆𝑙 𝜆𝑉

𝜆𝜇 = 1 Hay 𝑉𝑡 𝑙𝑡

𝜐𝑡 = 𝑉𝑚 𝑙𝑚

𝜐𝑚 , 𝑅𝑒 = 𝑉𝑙𝜐 = idem Nếu trên mô hình và trong thực tế cùng một loại chất lỏng thì:

𝜆𝑅𝑒 = 𝜆𝑉.𝜆𝑙;

𝜆𝑉 = 𝜆𝑙-1;

𝜆𝑡 = 𝜆𝑙2

TƯƠNG TỰ THEO TIÊU CHUẨN WEBER

- Biểu thị các hiện tượng liên quan đến chuyển động của chất lỏng mà lực tác dụng chiếm ưu thế là lực mao dẫn (lực mao dẫn do sức căng mặt ngoài gây nên)

- Phương trình cơ bản λ𝑤𝑒 = λ𝜌 λ𝑙λ𝑉2

λ𝜎 = 1 Hay 𝜌𝑡 𝑙𝑡𝑉𝑡2

𝜎𝑡 = 𝜌𝑚 𝑙𝑚𝑉𝑚2

𝜎𝑚 ; 𝑊𝑒 = 𝜌𝑙𝑉𝜎 2= idem Nếu trong mô hình và trong thực tế cùng sử dụng một loại chất lỏng (𝜆𝜌 = 1; 𝜆𝜎 = 1) thì 𝜆𝑉 = 𝜆𝑙−0,5

BỘ MÔN THỦY CÔNG

TƯƠNG TỰ THEO TIÊU CHUẨN CAUSHY

- Biểu thị các hiện tượng thủy lực khi lực tác dụng chiếm ưu thế

là lực đàn hồi thể tích của nước

- Phương trình cơ bản λCa = 𝜆𝜌 𝜆𝑉2

𝜆𝐾 = 1 Hay 𝜌𝑡 𝑉𝑡2

𝐾𝑡 = 𝜌𝑚 𝑉𝑚2

𝐾𝑚 ; 𝐶𝑎 = 𝜌𝑉𝐾 2 = idem Nếu trong mô hình và trong thực tế cùng sử dụng một loại chất lỏng (𝜆𝜌 = 1; 𝜆𝐾 = 1) thì 𝜆𝑉 = 1, 𝜆𝑡 = 𝜆𝑙

ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

1) Điều kiện giới hạn là hạn chế phạm vi và tỉ lệ

trong nghiên cứu thực nghiệm

2) Các điều kiện giới hạn:

a Muốn đảm bảo tương tự cơ học thì đồng thời cần có tương tự hình học, tương tự động học, tương tự động lực học

b Trên mô hình cần đảm toàn chế độ dòng chảy như trong thực

tế

b Nếu theo tiêu chuẩn Fr:

- Có thể bỏ qua lực cản khi Re > Regh

- Tác dụng của lực mao dẫn bỏ qua khi lực cột nước tràn, lưu tốc, chiều sâu dòng chảy trên mô hình đủ lớn , cụ thể:

+ Cột nước H trên đỉnh ngưỡng tràn thành mỏng mô hình phải thỏa mãn H60mm; ở ngưỡng tràn tròn là H50mm…

BỘ MÔN THỦY CÔNG

ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN CỦA TƯƠNG TỰ CƠ HỌC

b Nếu theo tiêu chuẩn Fr (tiếp)

+ Lưu tốc dòng chảy trên mô hình V 0,23m/s

+ Chiều sâu dòng chảy trên mô hình h  15mm

- Dòng chảy dưới của van: thì độ mở van và chiều cao cột nước

đủ lớn, cụ thể: độ mở a  60mm, chiều rộng máng đặt trong mô hình b  60mm, cột nước áp lực nhỏ nhất h  3,3a

- Đảm bảo điều kiện khí thực khi Re = (1÷2).106

(tham khảo thêm tài liệu)

BÀI GIẢNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THỦY LỰC

BỘ MÔN THỦY CÔNG

NỘI DUNG CHÍNH

- Công tác chuẩn bị

- Các loại mô hình thiết bị

- Định vị và xây dựng mô hình

- Thiết bị của phòng thí nghiệm thủy lực

- Kỹ thuật và phương pháp đo

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC

1 Xác định nhiệm vụ, yêu cầu nghiên cứu

2 Đề xuất hướng giải quyết

3 Xác định phương pháp thực hiện nhiệm vụ (điều kiện tương tự, giới hạn; các đại lượng biến đổi)

4 Quyết định số lượng mô hình, loại mô hình, tỷ lệ mô hình (l), vật liệu, mức độ đơn giản hóa

5 Xác định nội dung nghiên cứu, các bước, dụng cụ kỹ thuật đo

6 Thời hạn bắt đầu và kết thúc công việc

7 Chọn vị trí đặt mô hình, đường cấp nước, đường thoát nước

BỘ MÔN THỦY CÔNG

II Thiết bị cố định

1 Máng thủy lực: gắn liền với vòng tuần hoàn của

nước

§3.2 CÁC LOẠI MÔ HÌNH & THIẾT BỊ

BỘ MÔN THỦY CÔNG

II Thiết bị cố định

2 Thiết bị cấp, thoát nước:

- Có 2 vòng tuần hoàn:

+ Cấp nước cho mô hình về bể hút

+ Thừa nước, qua tràn thành bên bể, về bể hút

§3.2 CÁC LOẠI MÔ HÌNH & THIẾT BỊ

10 Máng thủy lực và mô hình

11 Đường nước xả thừa từ mô hình

12 Máng hoàn nước về bể chứa

BỘ MÔN THỦY CÔNG

I Bố trí mô hình trong phòng thí nghiệm

- Liên quan đến loại mô hình, tỷ lệ mô hình (l)

- Diện tích và không gian dành cho mô hình

- Việc xây dựng mô hình, vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa…là kinh tế nhất

- Thuận tiện cho việc gắn với hệ thống cấp, thoát nước

- Gắn với vòng tuần hoàn bùn cát ở mô hình lòng dẫn mền

- Gắn với đại tu, nâng cấp, cung ứng vật liệu, quay phim chụp ảnh đo

II Định vị và xây dựng mô hình

2 Máng thay đổi độ dốc

- Có trục để điều chỉnh độ dốc i của máng (trục đặt ở đầu hoặc giữa)

- Đáy và thành bên như máng cố định

BỘ MÔN THỦY CÔNG

3 Hệ thống cấp nước: Là một vòng tuần hoàn khép kín

BỘ MÔN THỦY CÔNG

§3.4 THIẾT BỊ CỦA PHÒNG THÍ NGHIỆM THỦY LỰC

I Đo mực nước

1 Đo mực nước ổn định:

Dùng thước đo đầu nhọn thô sơ

hoặc hiện đại.:

- Thước đo đầu nhọn gắn vào

ống thuỷ tinh tạo nước tĩnh

- Thước đo đầu nhọn xách tay

có tín hiệu điện

- Thước đo đặt trực tiếp trên mô hình

- Thước đo tiếp xúc

- Thước đo gắn trên xe cầu chạy dọc

- Thước đo một hoặc nhiều đầu nhọn

BỘ MÔN THỦY CÔNG

§3.5 KỸ THUẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO

2 Đo mực nước không ổn định:

- Máy đo tự ghi dùng để đo mực nước dao động chậm

và từ từ

- Các thiết bị ghi kiểu điện cảm, điện trở, điện dung

- Ghi mực nước bằng quay phim

BỘ MÔN THỦY CÔNG