Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi - DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG ỐNG CÓ ÁP ppsx

Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi CHƯƠNG VII DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG ỐNG CÓ ÁP Flow in conduits *** ⇓7-1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐƯỜNG ỐNG & NHỮNG CƠNG THỨC TÍNH TỐN CƠ BẢN I Khái niệm II Cơ sở để tính tốn thủy lực đường ống Cơng thức tính tốn ống dài Cơng thức tính tốn ống ngắn ßð7.2 TÍNH TỐN THUỶ LỰC VỀ ỐNG DÀI I Tính tốn thủy lực ống dài đơn giản ßð7.3 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG NGẮN I Tính tốn thủy lực đường ống hút II.Tính tốn thủy lực đường ống đẩy Bài giảng thủy lực Trang 121 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi CHƯƠNG VII DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG ỐNG CÓ ÁP Flow in conduits 7-1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐƯỜNG ỐNG & NHỮNG CƠNG THỨC TÍNH TỐN CƠ BẢN I Khái niệm - Ông dài đường ống tổn thất cột nước cột nước dọc đường chủ yếu, tổn thất cục nhỏ, nhỏ 5% tổn thất dọc đường, tính tốn bỏ qua tổn thất cục - Ông ngắn đường ống tổn thất cục có tác dụng quan trọng tổn thất dọc đường, lớn 5% tổn thất dọc đường II Cơ sở để tính tốn thủy lực đường ống - Phương trình liên tục, - Phương trình Becnoulli, - Phương trình động lượng, - Các cơng thức tính tổn thất cột nước Cơng thức tính tốn ống dài Đối với ống dài, tổn thất cột nước coi toàn tổn thất dọc đường: hW = hd = J L (7-1) Trong đó: J độ dốc thủy lực L chiều dài đoạn dịng chảy Theo cơng thức Chezy: Do lưu lượng dịng chảy ống có áp tính: (7-2) Nếu đặt: Cơng thức (7-2) viết lại: (7-3) (7-4) Đại lượng K gọi đặc tính lưu lượng modun lưu lượng, biểu thị lưu lượng ống cho trước độ dốc thủy lực đơn vị Người ta lập sẵn bảng tính K biết d n, xem phụ lục sách thuỷ lực Từ cơng thức (7-4), ta viết: Thay trị số vào cơng thức (7-1), ta có: Bài giảng thủy lực Trang 122 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi (7-5) Công thức (7-5) công thức dùng tính tổn thất cột nước ống dài Những bảng cho sẵn trị số K thường tính qua trị số C ứng với khu sức cản bình phương Với khu trước sức cản bình phương, modun lưu lượng K nhỏ nên người ta đưa vào hệ số điều chỉnh θ1 (θ1 K) để đảm bảo khả cấp nước - Tính lại lưu lượng nước chảy qua ống: H Q = K J với J = l Ví dụ: Xác định đường kính d ống dẫn lưu lượng Q =200l/s cột nước tác dụng H=10 m Chiều dài ống l=500m Biết dịng chảy khu vực sức cản bình phương Giải: H 10 - Độ dốc thủy lực: J= = = 0,02 l 500 Q 200 = = 1428 (l s ) - Mô đun lưu lượng: K = J 0,02 - Tra bảng K = f (d , n ) ta có: + Với d=300mm K=1144,10 (l/s) + Với d=350mm K=1726,10 (l/s) - Để đảm bảo dẫn lưu lượng nước ta chọn đường kính ống lớn dchọn=350mm - Khi lưu lượng qua ống là: Q = K J = 1726,1 0,02 = 241(l s ) > 200(l s ) - Nếu muốn giữ nguyên lưu lượng Q =200l/s, giảm cột nước H xuống còn: Bài giảng thủy lực Trang 125 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi 200 Q2 H= 2l= 500 = 6,9m 1726,12 K Chú ý: - Chênh lệch cột nước H hai bể tổn thất cột nước đường ống Trường hợp đường ống mắc nối tiếp với đường kính khác Q: khơng đổi với ống d1 ≠ d2 ≠ dn H hd1 ≠ hd2 ≠ hdn A l1, d1, n1 l3, d3, n3 n1 ≠ n2 ≠ nn B Ta có: hw = hd = H = ∑ hdi l2, d2, n2 h di = Q li K2 i n H ≈ h d = Q ∑ i =1 li K2 i Ví dụ: Bài toán ống dài H Ống l (m) d (m) n 1200 0,5 0,013 l2 , d , n l1 , d , n 800 0,4 0,012 H=16 m; Hỏi Q? Giải: - Môđun lưu lượng K đoạn ống: K = ω.C R = ω.R n 23 ⎛ π.0,5 ⎞ ⎛ 0,5 ⎞ ×⎜ K1 = ⎜ ⎟ × ⎜ ⎟ = 3,776 (m s ) ⎟ 0,013 ⎝ ⎠ ⎠ ⎝ ⎛ π.0,4 ×⎜ K2 = 0,012 ⎜ ⎝ Tổng tổn thất cột nước: hd = H = ∑ hi ⎞ ⎛ 0,4 ⎞ ⎟×⎜ ⎟ ⎟ ⎠ ⎝ ⎠ 23 = 2,255 (m s ) ⎛ l l ⎞ H = h d = Q ⎜ 12 + 22 ⎟ ⎜K ⎟ ⎝ K2 ⎠ H 16 →Q= = = 0,257 m s l1 l2 1200 800 + + 3,776 2,255 K1 K 2 Trường hợp đường ống mắc song song H = H1 = H2 = Hn Q1 ≠ Q2 ≠ Qn l1 ≠ l2 ≠ ln Bài giảng thủy lực Trang 126 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Ta có: Bộ mơn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi d1 ≠ d2 ≠ dn n1 ≠ n2 ≠ nn ⎧ l1 ⎪H = Q K ⎪ ⎪ l2 ⎪H = Q 2 K2 ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ln ⎪H = Q n K ⎩ n Q1 Q A Q3 d , l1 , n Q2 d , l , n B d , l3 , n Q1 + Q2 + +Qn = Q Trường hợp ống tháo nước liên tục (ứng dụng đường ống nhà vệ sinh công cộng) Trường hợp lưu lượng theo đường ống tháo dần cách liên tục Loại đường ống gọi đường ống tháo nước liên tục Giả thiết có ống dài AB có khoét nhiều lỗ nhỏ, ống gắn vào bể chứa nước, ta gọi: Qv : Lưu lượng điểm A điểm vào ống, Qth : Tổng số lưu lượng tháo dọc đường AB, gọi “Lưu lượng tháo ra”, Qm : Lưu lượng điểm B điểm cuối đường AB, gọi “Lưu lượng mang đi”, L : Là độ dài ống AB, Cần tìm mối quan hệ Qth, Qm, với H, K, L ? Lưu lượng QM điểm M cách A đoạn x, lưu lượng điểm A trừ lưu lượng tháo đoạn x: Q Q M = Q V − th x L Vì: QV = Qth + Qm Q Nên: Q M = Q th + Q m − th x L Tại mặt cắt ống, độ dốc thủy lực bằng: Bài giảng thủy lực Trang 127 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi Vậy mặt cắt M, đoạn dx: Vậy tổn thất dọc đường đoạn ống AB là: Q ⎛ ⎞ Q th + Q m − th x ⎟ l ⎜ L ⎠ hd = H = ∫ ⎝ dx KM Vì trị số K phụ thuộc đường kính vật liệu làm ống nên KM số đoạn AB Ta thay KM chữ K H= ⎤ Q2 (Q + Q ).Q l⎡ (Q th + Q m )2 − th m th x + 2th x ⎥ dx ∫⎢ K 0⎣ L L ⎦ (Q + Q m ).Q th Q ⎤ ⎡ th H = ⎢(Q th + Q m ) x − th x + x ⎥ K ⎣ L L2 ⎦0 ⎛ ⎞ H = ⎜ Q + Q th Q m + Q ⎟.L m th K ⎝ ⎠ l Trong đó: Do đo Nếu gọi: Qtính = Qm + 0.55 Qth thì: H= Q2 L K2 Nhận xét: - Nếu Qm = : H = Q2 Q2 th L → 3.H = th L (Thường hợp vừa tháo vừa chảy) K2 K2 - Trường hợp tháo cuối đường ống là: H = Q2 K2 l - Vậy muốn có lưu lượng mang đi, ống tháo nước liên tục cần đòi hỏi cột nước gấp ba lần ống đơn giản 4.Tính tốn thủy lực mạng ống Khi nhu cầu dùng nước có nhiều vị trí, phải đặt đường ống thành mạng ống phức tạp Có hai loại mạng thường dùng: Mạng đường ống hở mạng đường ống đóng kín α ) Mạng đường ống hở (Mạng đường ống chia nhánh) Bài giảng thủy lực Trang 128 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi Mạng đường ống chia nhánh gồm đường ống đường ống nhánh, thí dụ ta có đường ABCD ống chính, đường BE, CF ống nhánh Ta có hai toán thường gặp ống nhánh BÀI TỐN1: Bài tốn thiết kế Ta có sơ đồ mặt mạng lưới đường ống, biết độ dài đoạn ống Li, lưu lượng cần thiết điểm tiêu thụ nước qi (điểm D, E, F), cao trình cột nước đo áp điểm ∇ I Ta phải tìm đường kính ống, cao trình mực nước tháp nước Đó tốn hay gặp thiết kế cơng trình cấp nước Trình tự giải tốn sau: - Ta xác định lưu lượng đoạn đường ống chính, xuất phát từ lưu lượng qi: QCD = qD ; QBC = qF + QCD= qF + qD ; QAB = qE + QBC = qE + qF + qD Việc xác định đường kính ống thường xuất phát từ lưu tốc kinh tế vc, tức lưu tốc chọn cho việc xây dựng cơng trình nhỏ Ta tham khảo số liệu lưu tốc kinh tế lưu lượng kinh tế tương ứng với đường kính ống cho trước D(mm) V(m/s) Q(l/s) 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 700 0.75 0.75 0.76 0.82 0.85 0.95 1.02 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.30 1.25 1.5 3.3 10 15 30 50 106 145 190 245 365 520 705 Việc chọn đường kính ống trở nên đơn giản định lưu tốc kinh tế Ta trực tiếp chọn đường kính kinh tế theo cơng thức V G Lơbasep nói - Biết Qi, di, Li ta tính tổn thất cột nước hdi đoạn ống chính: - Cao trình mực nước tháp nước tính theo cơng thức: ∇’A = ∇’D + Σhdi Bài giảng thủy lực Trang 129 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi Trong đó: ∇ ’D cao trình cột nước đo áp đầu mút D đường ống Σ hdi tổng số tổn thất cột nước dọc đường đường ống Ta xác định chiều cao tháp nước: HA = ∇’A - ∇A Trong đó: ∇ A cao trình địa hình điểm A - Khi biết trị số hdi ta vẽ đường đo áp ống xuất phát từ cao trình ∇ ’D cột nước đo áp điểm cuối đường ống - Sau tính xong đường ống chính, ta tính đường ống phụ + Dựa vào đường cột nước đo áp, ta biết cột nước điểm nút phân nhánh Như điểm B có ống nhánh BE C có ống nhánh CF, nên: hBE = ∇’B - ∇’E hCF = ∇’C - ∇’F +Xác định đường kính ống nhánh: Khi có h, L, q ta tính J tính K tra bảng tìm d BÀI TỐN 2: Đã biết cao trình mực nước tháp nước, thường ta biết sơ đồ mặt mạng lưới, ta biết độ dài Li đoạn ống, lưu lượng Qi đoạn ống, cao trình mực nước tháp nước cao trình cột nước đo áp điểm tiêu thụ lưu lượng Ta tìm đường kính ống Trình tự giải tốn sau: - Xác định đường kính ống chính: - Xác định độ dài L ống tổng độ dài đoạn ống: L = Σ LI Xác định độ chênh cột nước đường ống hiệu số cao trình mực nước tháp cuối đường ống chính: H = ∇’A - ∇’ Vậy độ dốc thủy lực trung bình đường ống bằng: Xem trị số Jtb đoạn ống, ta tìm mơđun lưu lượng đoạn ống: Biết K ta tra bảng tìm đường kính d đoạn ống Việc tính tốn đường ống nhánh làm tương tự β ) Nguyên tắc tính tốn hệ thống ống ghép nối theo mạng vịng kín tùy ý (nguyên tắc Hardy Cross) Bài giảng thủy lực Trang 130 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện A Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi 1B H C D E I F K G Khi có đồ dùng nước, người thiết kế phải định mạng ống; quy định số vòng kín mạng, đánh số điểm nút, quy định chiều chảy đoạn ống Vị trí cấp nước A đến điểm dùng BCEFG, ta nối lại thành mạng khép kín (các điểm sử dụng nước có liên hệ với nhau) Ưu điểm: Các điểm sử dụng nước không bị gián đoạn kinh phí xây dựng quản lý lớn Về mặt thủy lực tính tuân theo công thức chung: Q=K J Q2 H = hd = l K Vì số ẩn nhiều số phương trình nên tốn phải thử dần theo tiêu chuẩn sau: ∑ q ij − Q i = (Tổng lưu lượng vào nút khỏi nút 0) q ij : Lưu lượng đoạn ống chảy vào nút (qui ướt mang dấu +) Trong đó: Qi : Lưu lượng chảy khỏi nút (qui ướt mang dấu -) ∑ h i j = :Tổng tổn thất dọc đường đoạn ống vịng kín phải Phương pháp chung: Thỏa mãn điều kiện 1:Tự phân phối lưu lượng cho ∑ q ij − Q i = , sau tính kiểm tra ∑ h i j = (Tính lặp gần đúng) Đối với hệ thống đường ống phức tạp, phức tạp tính tốn gia tăng nhiều Do để tính tốn dễ dàng nhanh chóng, kỹ thuật tính lặp phát triển Hardy Cross, thuật tốn dễ dàng thực máy tính Thuật toán sau: Gọi q: Lưu lượng thực đoạn ống q’: Lưu lượng giả thiết phân phối lúc đầu q=q’+ ∆q ∆q : Lưu lượng điều chỉnh Q2 Cơng thức tính tổn thất: h d = l = k.q K l Trong đó: k = : Môđun cản đoạn ống K h d ' = k.(q '+ ∆q ) = k.(q ' +2.q '.∆q + ∆q ) h d ' = k.(q ' +2.q '.∆q ) (Vi phân bậc cao ∆q nhỏ nên bỏ qua) Σh d ' vịng kín tức Σk.q ' + Σ 2.q '.∆q.k = Bài giảng thủy lực Trang 131 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi Σkq ' ⇒ ∆q = − Tính lặp lại đến ∆q < [ε] Σ 2k.q ' Sau trình tự bước tính tốn kỹ thuật Hardy-Cross áp dụng cho mạng đường ống có nhiều vịng khép kín (1) Xác định mạng ống (2) Phân phối lưu lượng theo điều kiện Σq i = (3) Đối với ống tính tổn thất cột nước hd = k.q (4) Kiểm tra Σh d vịng kín (5) Đối với ống tính giá trị : 2.k.q (6) Tính tổng giá trị 2.k.q vịng kín cho tất dương : u ∑ (2.k q i i ) i (7)Đối với vịng kín, tính giá trị ∆q từ cơng thức sau: Σkq ∆q = − Σ 2k i q i (8)Đối với ống, tính giá trị q = q’ + ∆q (9)Lặp lại bước (2) đến (7) ∆q đủ be ∆q