BÀI TẬP THỰC NGHIỆM THỦY LỰC ĐỀ H7

Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Bài tập thực nghiệm mô hình thuỷ lực Đề (Đề: H7) Cống lấy nớc có cửa, cửa b = 10m dùng van cung bán kính R, mố trụ dày d, dài L, đầu trụ có bán kính r Sau ngỡng tràn có bể tiêu (chiều sâu bể d, chiều dài L b), tiếp đến sân sau thứ hai có chiều dài L2 Kênh hạ lu có mái m = 2, bề rộng đáy b = 60m Mực nớc thợng lu max +12,0 Sơ đồ cống trình nh hình vẽ: YÊu cầu: I Thiết lập phơng trình chung nhất, có sử dụng phơng pháp Buckingham để xác định sêri thí nghiệm với mục đích: Nghiên cứu ảnh hởng bán kính r đầu mố trụ tới hệ số lu lợng Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý II Chọn tỷ lệ mô hình đặt phòng thí nghiệm rộng bxl = 25x35m Lu lợng lớn trạm bơm cấp nớc 100 l/s Bài làm I Nghiên cứu ảnh hởng bán kính r đầu mố trụ tới hệ số lu lợng phơng pháp BucKingham Cơ sở lý thuyết BucKingham (định lý ) Phân tích thứ nguyên phơng pháp mà nhờ nắm đợc kiến thức tợng thuỷ lực cần nghiên cứu Cơ sơ lý luận phơng pháp là: Một phơng trình vật lý phải phơng trình đồng thứ nguyên Phân tích thứ nguyên co hai phơng pháp, tập ta sử dụng phơng pháp Buckingham Theo lý thuyết phân tích thứ nguyên, chất phơng trình Buckingham chỗ biểu diễn đại lợng biến đổi: a1,a2, a3 an, miêu tả tợng thuỷ động lực học cần nghiên cứu phơng trình: f(a1, a2, a3 an) = [1.1] Quan hệ [1.1] biểu diễn dới dạng khác biến không thứ nguyên 1, 2, 3, , i với 1, 2, 3, , i đợc thiết lập từ đại luợng a1, a2, a3, an Tổng số biến không thứ nguyên đại lợng vật lý biến đổi, ta có: f( 1, 2, , , i ) = Hc viên : - CH19C-CS2 [1.2] Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Nếu quan hệ miêu tả tợng thuỷ lực cần nghiên cứu có n đại lợng biến đổi độc lập a1, a2, , an mà thứ nguyên tơng ứng A1, A2, An với việc chọn r thứ nguyên có (n-r) biến không thứ nguyên 1, 2, , n-r.thông thờng số thứ nguyên r = Đó chiều dài có thứ nguyên L, khối lợng có thứ nguyên M, Thời gian có thứ nguyên T Việc xác định hệ số không thứ nguyên nói đợc tiến hành theo phơng trình sau: = a1x1 a 2y1 a3z1 a = a1x2 a 2y2 a3z a5 = a1x3 a 2y3 a3z3 a [1.3] i = a1xi a 2yi a3zi Tiến hành làm phép tính cân thứ nguyên ta tìm đợc đại lợng i để tìm Sêri thí nghiệm nhằm giải yêu cầu toán Nghiên cứu ảnh hởng bán kính cong r mố trụ đến hệ số lu lợng m Hệ số lu lợng m chịu ảnh hởng nhiều yếu tố hình học, thuỷ động lực học dòng chảy nh: Các yếu tố Công trình: - Độ mở cống - Chiều cao ngỡng tràn - Hình dạng kích thớc vị trí cửa van Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý - Số cửa mở lấy nớc vị trí cửa mở lấy nớc - Hình dạng kích thớc mố trụ - Hình dạng kích thớc thiết bị tiêu - Chiều rộng tràn nớc chiều rộng lòng dẫn hạ lu - Hình dạng mặt tràn - Độ dốc lòng dẫn Các yếu tố thủy lực, thủy văn: - Khối lợng riêng nớc, hệ số nhớt động lực học - Lu tốc trung bình mặt cắt - Cột nớc tháo qua cống - Mức độ chảy rối dòng chảy - Mức nớc hạ lu - Lu lợng đơn vị Trong phạm vi tập này, với điều kiện đề cho, xét yếu tố thủy lực có quan hệ với công thức tính toán thủy lực, nghiên cứu nhân tố có ảnh hởng đến hệ số lu lợng m bao gồm: Vận tốc dòng chảy v [L/T] Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy [L2] Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Độ nhớt động lực [M/LT] Chiều cao cột nớc thợng lu ht [L] Chiều cao cột nớc hạ lu hh [L] Độ mở cửa van a [L], Cao trình ngỡng tràn Zn [L], Lu lợng dòng chảy qua cống Q [L3/T] Gia tốc trọng trờng g [L/T2] 10 Hình dạng mặt cắt tràn rc [L], giả thiết đập tràn có biên cong, với đặc trng bán kính cong rc 11 Chiều cao cột nớc mặt cắt co hẹp sau cống hc [L] 12 Hình thức cửa vào bt [L], phận cửa vào có số dạng khác nh tờng biên thẳng với góc thu hẹp , tờng cánh dạng elíp, tròn hay dạng đờng dòng v.v Để đơn giản ta chọn thông số đại diện chiều rộng thợng lu bt có thứ nguyên [L] 13 Chiều rộng hạ lu bh [L], cho phép đánh giá đợc mặt dòng chảy sau cống, dòng chảy xem phẳng hay mở rộng không gian, dòng xoáy hạ lu, xem xét lu lợng sau cống, 14 Hình dáng kích thớc cửa van đặc trng cho cửa van bán kính cong R [L] Những yếu tố ảnh hởng viết dới dạng quan hệ hàm số sau đây: Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý r = f (v, , à, a, ht, hh, zn, g, rc, Q, bt, bh, hc, R); Hoặc F (r, v, , à, a, ht, hh, zn, g, rc, Q, bt, bh, hc, R) = 0; [1.4] Để xác định i tơng ứng ta chọn thông số là: v, à, ; thứ nguyên là: L, M, T Bài toán có số ẩn n = 15, r= 3, số hàm j = 15-3 = 12 Lập hàm: F (1, 2, 12) = Vx1 y1 = Vx2 y2 = Vx3 z1.ht z2.hh y3 z3.a = Vx4 y4 = Vx5 y5 z5.R = Vx6 y6 z6.g = Vx7 y7 z7.rc = Vx8 y8 = Vx9 y9 z4.Zn z8.bt z9.bh 10 = Vx10 y10 z10.Q 11 = Vx11 y11 z11.hc Hc viên : - CH19C-CS2 [1.5] Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý 12 = Vx12 y12 z12.r Khi xét đến thứ nguyên đại lợng xuất xứ, ta có: = [L/T]x1.[M/LT]y1 [L2]z1 [L] = [L/T]x2.[M/LT]y2 [L2]z2 [L] = [L/T]x3.[M/LT]y3 [L2]z3 [L] = [L/T]x4.[M/LT]y4 [L2]z4 [L] = [L/T]x5.[M/LT]y5 [L2]z5 [L] = [L/T]x6.[M/LT]y6 [L2]z6 [L/T2] = [L/T]x7.[M/LT]y7 [L2]z7 [L] = [L/T]x8.[M/LT]y8 [L2]z8 [L] = [L/T]x9.[M/LT]y9 [L2]z9.[L] 10 = [L/T]x10.[M/LT]y10 [L2]z10 [L3/T] 11 = [L/T]x11.[M/LT]y11 [L2]z11 [L] 12 = [L/T]x12.[M/LT]y12 [L2]z12 [L] Phơng trình [1.6] biến đổi thành: = Lx1-y1+2z1+1 My1.T-x1-y1 = Lx2-y2+2z2+1 My2.T -x2-y2 Hc viên : - CH19C-CS2 [1.6] Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý = Lx3-y3+2z3+1 My3.T-x3-y3 = Lx4-y4+2z4+1 My4.T-x4-y4 = L x5- y5+2z5+1 = L x6- y6+2z6+1 My5.T-x5-y5 My6.T-x6-y6-2 [1.7] = Lx7-y7+2z7+1 My7.T-x7-y7 = Lx8-y8+2z8+1 My8.T-x8-y8 = Lx9-y9+2z9+1 My9.T-x9-y9 10 = Lx10-y10+2z10+3 My10.T-x10-y10-1 11 = Lx11-y11+2z11+1 My11.T-x11-y11 12 = Lx12-y12+2z12+1 My12.T-x12-y12 Cân số mũ biểu thức tính i ta có hệ phy1 + 2z1 +sau: 1= ơng x1 -trình y1 = - x1 - y1 = (1) x3 - y3 + 2z3 + = (3) y3 = - x3 - y3 = x5 - y5 + 2z5 + = (5) y5 = Hc viên - x5 - y5:=- 0CH19C-CS2 x2 - y2 + 2z2 + = y2 = - x2 - y2 = (2) x4 - y4 + 2z4 + = y4 = - x4 - y4 = (4) x6 - y6 + 2z6 + = y6 = - x6 - y6 - = (6) Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý x7 - y7 + 2z7 + = y7 = - x7 - y7 = x9 - y9 + 2z9 + = y9 = - x9 - y9 = - y8 + 2z8 + = y8 = - x8 - y8 = (7) (8) x10 - y10 + 2z10 + = (10) y10 = - x10 - y10 - = (9) x11 - y11 + 2z11 + = (11) y11 = - x11 - y11 = x12 - y12 + 2z12 + = (12) y12 = - x12 - y12 = Giải 12 hệ phơng trình ta đợc kết sau: (1) x1 = 0, y1 = 0, z1 = -1/2; (2) x2 = 0, y2 = 0, z2 = -1/2; (3) x3 =0, y3 = 0, z3 = -1/2; (4) x4 = 0, y4 = 0, z4 = -1/2; (5) x5 = 0, y5 = 0, z5 = -1/2; (6) x6 = -2, y6 = 0, z6 = 1/2; (7) x7 = 0, y7 = 0, z7 = -1/2; (8) x8 =0, y8 = 0, z8 =-1/2; (9) x9 = 0, y9 = 0, z9 =-1/2; (10) x10 = -1, y10 = 0, z10 = -1; (11)x11 = 0, y11 = 0, z11 = -1/2; (12) x12 = 0, y12 = 0, -1/2; Thay số mũ tìm đợc vào công thức tính i ta có: = ht hh = Hc viên : - CH19C-CS2 = = R g v2 = 10 = bh Q v z12 = Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý = = a Zn = = rc bt 11 = hc 12 = r Đặt biểu thức tính i vào công thức [1.4] ta đợc: f(ht/ ,hh/ ,a/ ,Zn/ ,R/ ,g /v2,rc/ ,bt/ ,bh/ ,Q/v,hc/ ,r/ )=0 Hay: r= f(ht/ ,hh/ ,a/ ,Zn/ ,g /v2,rc/ ,bt/ ,bh/ ,Q/v,hc/ ,r/ ) [1.9] Nh vậy, nghiên cứu ảnh hởng ban kính r mố trụ đến hệ số lu lợng m thiết phải xem xét quan hệ [1.9] Tuỳ thuộc yêu cầu cụ thể hạn chế bớt đại lợng phơng trình nhằm giảm bớt khối lợng thí nghiệm II Chn t l mô hình thí nghim Tiêu chun tng t Dòng chảy qua cống dòng chảy hở chịu tác dụng lực trọng trờng chính, tiêu chuẩn tơng tự chọn tiêu chuẩn Froud cần đảm bảo mức độ rối nh nhau, hệ số lực cản Xêdi phải đồng Tiêu chuẩn biểu thị quan hệ dới : Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Fr = Idem (2.1) Re.m Regh C = Idem (2.2) (2.3) Theo tiêu chuẩn Froud tỷ lệ đợc tính theo công thức sau : Tỉ lệ độ dài hình học : L Tỉ lệ lu lợng : q = L5/2 Tỉ lệ vận tốc dòng chảy : v = L1/2 Tỉ lệ áp suất : p = L Tỉ lệ thời gian : t = L1/2 Tỉ lệ độ nhám : n = Ly Xác định phạm vi cần thiết phải nghiên cứu mô hình : a.Chiều cao cần thiết nghiên cứu Đợc xác định sở cao trình mực nớc lớn thợng lu, cao trình thấp hạ lu, khoảng an toàn lu không thợng hạ lu H = max - + h Hc viên : - CH19C-CS2 (2.4) Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Trong : max : cao trình mực nớc lớn thợng lu cần nghiên cứu : cao trình thấp hạ lu h : khoảng chiều cao an toàn để bố trí thoát nớc tự sau hạ lu, nớc không dềnh lên bờ thợng lu mô hình b Chiều dài cần nghiên cứu L Bằng tổng chiều dài phận công trình cần nghiên cứu, chiều dài thợng lu để bố trí thiết bị giảm sóng, tạo dòng chảy lặng vào cửa công trình, nghiên cứu ảnh hởng thợng lu; cần thiết phải lấy thêm khoảng gia tăng hạ lu để bố trí thiết bị điều chỉnh mực nớc thoát nớc hạ lu : L = Li + Lthợng lu + Lhạ lu (2.5) c Chiều rộng cần nghiên cứu B Là chiều rộng lớn công trình, tơng ứng với cao trình mực nớc lớn thợng lu (theo mặt cắt ớt), tăng thêm khoảng an toàndùng để bố trí lối lại phục vụ cho đo đạc B = Bmax + B (2.6) d Các yêu cầu chọn tỷ lệ mô hình : Khi chọn tỷ lệ mô hình cần phải thoả mãn yêu cầu sau : - Đảm bảo tiêu chuẩn tơng tự (2.1) - (2.2) - (2.3) Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý - Mô hình đủ diện tích để bố trí đầy đủ phận công trình nh mục 2.2 tính toán theo tỷ lệ chọn - Cần phải thoả mãn điều kiện giới hạn : Cột nớc tràn đỉnh ngỡng H 50mm, lu tốc dòng chảy v 0,23m/s; chiều cao dòng chảy mô hình h 15mm Khi dòng chảy dới van độ mở nhỏ cửa van a 60mm, cột nớc áp lực h 3,3a - Các thiết bị đo đạc có đủ khả đo đạc đợc thông số (nh Vmax, Vmin v.v ), khả phòng thí nghiệm đáp ứng đợc mặt cấp nớc, trang thiết bị, có đủ khả cung cấp vật liệu cho mô hình v.v - Chọn tỷ lệ nhỏ Ap dụng với đầu cho : a Tính toán thông số thủy lực khác - Để tính toán tỷ lệ mô hình nghiên cứu ảnh hởng kích thớc bể tiêu (f, d, L b) đến kích thớc hố xói hạ lu, thông số cho cần phải xác định kích thớc khác: Chiều sâu, chiều dài bể tiêu , chiều dài sân sau thứ hai, lu lợng lớn nhất, mực nớc hạ lu - Giả sử cống tháo lu lợng lớn theo yêu cầu Qmax, mực nớc hạ lu cao trình +2.5 tơng ứng độ sâu dòng chảy kênh hh = 2,5 - (- 0,5) = 3.0m - Bề rộng đáy kênh bk = 60m; mái m = 2; Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý - Độ dốc i = 0,0004; kênh đất có độ nhám n = 0,025 - Ngỡng tràn bê tông cốt thép có độ nhám nt = 0,014 Theo công thức tính dòng chảy kênh : Q = c Ri Thay số với số liệu nh tính đợc Q = 326 m3/s - Tính chiều sâu bể: Theo phơng pháp Smetana Theo quan điểm an toàn, ta bỏ qua chênh lệch cột nớc cửa bể, ta có: h1 = Với Z0 Ztl-Zhl = 12 - 2,5 = 9,5 m, 0,95 Thay số tính đợc h1 0,41m Tính độ sâu h2 theo công thức độ sâu liên hợp nớc nhảy, ta có: h2 = = 3,63m Theo Smetana chiều sâu bể tính theo công thức: db = h2 - hh , hệ số =1,2 Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý db = 1,2 ì 3,63 - 3,0 =1,36 m 1,4m Chiều dài bể Lb =ln+l1= 0,8ì 4,5ì 3,63 + = 13,07m, lấy Lb = 13m Chiều dài sân sâu thứ hai: L = (10-12) q h , tính đợc L2 = 48m b Tính kích thớc khống chế phạm vi nghiên cứu - Chiều cao : Theo (2.4) H = max - + h = 14,3 - (-2,5) + = 20m - Chiều dài : Theo (2.5) L = Li + Lthợng lu + Lhạ lu Lấy Lthợng lu = (3-5)htl; Ltl = (3ữ 5) 12 = 36 ữ 60m, chọn Ltl = 50m Tơng tự Lhạ = (3-5)hhl; Lhạ = (3ữ 5) = ữ 15m; chọn Lhl = 15m Chiều dài cống tạm lấy Lc = 10m L = 10 + 13 + 48 + 25 + 50 + 15 = 161m - Chiều rộng để bố trí đợc kênh hạ lu, phần cửa vào cống, giả sử tờng cánh cống có chiều rộng bên bt = 10m, trụ pin dày d =1,5m Chiều rộng phần kênh hạ lu : Bk = b + 2mh = 60 + x x = 126m Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Chiều rộng phần cửa cống: B l = 5.bc + btrụ + 2.bt = x 10 + 2.1,5 + 2.10 = 73 m Chọn B = Bmax + B = 75m; c Chọn tỷ lệ mô hình Chọn tỷ lệ theo khả tối đa máy bơm cấp nớc Sử dụng công thức : q = L5/2 Hay Qt/Qm = L5/2 ta có L = (Qt/Qm)2/5 Thay số L = (326/0,1)2/5 = 25,4 Chọn L = 25 d Kiểm tra kích thớc mô hình điều kiện giới hạn - Chiều cao mô hình : Hm = 20/25 = 0,8m - Chiều dài mô hình : Lm = 161/25 = 6,44m - Chiều rộng mô hình : Bm = 75/25 = 3m Nh với sân mô hình có kích thớc bxl = 25 x 35m đủ để bố trí mô hình theo tỉ lệ - Kiểm tra Re = vh/, = 0,01 cm2/s; tiến hành thí nghiệm theo điều kiện giới hạn để bỏ qua sức căng mặt ngoài, cột nớc đỉnh tràn h 5cm, tơng ứng thực tế cột nớc h = 1,25 theo công thức tính lu lợng qua đập tràn thực dụng tính đợc lu lợng Qt = 58m3/s, vận tốc đỉnh đập tràn V t = 2,2m; tơng ứng mô hình Qm = 18,56 l/s, Vm = 44cm/s Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Tính Rem = 44 x 5/0,01 = 22.000 > R gh với cấp lu lợng lớn mô hình có Re lớn hơn, điều kiện giới hạn R e đợc đảm bảo; - Kiểm tra điều kiện độ nhám, chọn vật liệu làm mô hình : Theo công thức : n = L y hay nt/nm = L y - Với phận cống, bể tiêu bê tông có n =0,014 theo công thức tính đợc độ nhám mô hình : nm = nt/ L = y 0,014/251/6 = 0,008 chọn vật liệu chất dẻo (ví dụ kính hữu cơ); - Với kênh dẫn, phận đất có n = 0,025 theo cách tính nh trên, tính đợc nm = 0,014, vật liệu mô hình chọn làm vữa xi măng cát vàng; Nh với tỷ lệ mô hình L = 25 thoả mãn điều kiện tơng tự, nh việc bố trí sân mô hình cung cấp nớc cho thí nghiệm III Kết luận: Theo kết tính toán kiểm tra điều kiện tơng tự, chọn tỷ lệ mô hình là: l = 25 Các thông số mô hình nh sau: Lu lợng max (l/s) Chiều Chiều cao mô dài mô hình (m) hình (m) Hc viên : - CH19C-CS2 Chiều rộng mô hình (m) Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý 18,56 0,8 6,44 Trên nội dung nghiên cứu ảnh hởng bán kính cong cửa van đến hệ số lu lợng m tính toán thiết lập mô hình thí nghiệm Kết công việc bớc nghiên cứu lý thuyết tính toán Do điều kiện thời gian, trình độ hạn chế, phạm vi tập môn học điều kiện thể hết ý đồ thiết kế nh điều kiện làm việc cụ thể cống lấy nớc Trong tập này, giả định trờng hợp làm ví dụ để tính toán lựa chọn mô hình Với phạm vi tập môn học cha có điều kiện đề cập đến vấn đề đòi hỏi công tác thí nghiệm ứng dụng cho thực tiễn sản xuất nh cho nghiên cứu khoa học nh: chế tạo công trình đầu mối, lên mặt cắt địa hình chế tạo mô hình tơng tự nh thực tế, bố trí mặt cắt đo đạc, vị trí đo đạc, lựa chọn lắp đặt thiết bị đo, chuẩn bị nội dung phơng án thí nghiệm v.v Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Tài liệu tham khảo Phạm Ngọc Quý Mô hình toán mô hình vật lý công trình thủy lợi (Bài giảng cao học) Hà Nội - 08/1998 Giáo trình thuỷ lực tập 1,2 (Nhiều tác giả - Nhà xuất Đại học trung học chuyên nghiệp, Hà nội 1978) Hc viên : - CH19C-CS2 ... chảy - Mức nớc hạ lu - Lu lợng đơn vị Trong phạm vi tập này, với điều kiện đề cho, xét yếu tố thủy lực có quan hệ với công thức tính toán thủy lực, nghiên cứu nhân tố có ảnh hởng đến hệ số lu lợng... kiện đề cập đến vấn đề đòi hỏi công tác thí nghiệm ứng dụng cho thực tiễn sản xuất nh cho nghiên cứu khoa học nh: chế tạo công trình đầu mối, lên mặt cắt địa hình chế tạo mô hình tơng tự nh thực. .. dung phơng án thí nghiệm v.v Hc viên : - CH19C-CS2 Bài tập lớn : NCTNCT GVHD: GS.TS Phm Ngc Quý Tài liệu tham khảo Phạm Ngọc Quý Mô hình toán mô hình vật lý công trình thủy lợi (Bài giảng cao học)