Bài giảng thủy lực trong xây dựng

bai giảng Thủy lực môi trường do TS. Huỳnh Phú biên soạn có kết cấu nội dung gồm 7 chương, nhằm cung cấp cho người học những kiến thức về cơ học lưu chất ứng dụng trong ngành cấp thoát nước và môi trường như: Tĩnh học của chất lỏng, cơ sở động lực học chất lỏng, tổn thức thủy lực, dòng chảy qua lỗ và vòi dòng tia, dòng chảy ổn định trong ống có áp, dòng chảy đều trong kênh hở.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THỒNG VẬN TẢI KHOA CƠNG TRÌNH BÀI GIẢNG THỦY LỰC CHƯƠNG I MỞ ĐẦU PowerPoint Template Giảng viên: Đặng Thu Thủy Bộ môn Thủy lực- Thủy văn NỘI DUNG CHƯƠNG I 22 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƠN HỌC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHẤT LỎNG PHÂN LOẠI CHẤT LỎNG VÀ CÁC LOẠI LỰC TÁC DỤNG Bài giảng Thủy lực I.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MƠN HỌC Thủy lực mơn khoa học nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng, chất khí -Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp chặt chẽ phương pháp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm thực đo - Ứng dụng: + Tính tốn thiết kế hệ thống nước mặt nước ngầm + Tính tốn thủy lực đường ống + Định quy mơ kích thước cơng trình + Định đặc trưng thiết kế: Lưu lượng thiết kế QTK, mực nước thiết kế dọc tuyến HTK, mực nước thiết kế cầu (lớn, trung, nhỏ), tốc độ dòng chảy Bài giảng Thủy lực I.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHẤT LỎNG 1.2.1 Tính chảy Chất lỏng khơng có hình dạng ban đầu mà hình dạng phụ thuộc vào bình chứa vật chứa 1.2.2 Tính liên tục Chất lỏng coi mơi trường liên tục đặc trưng nó: vận tốc (v), áp suất (p), hàm liên tục khả vi 1.2.3 Tính có khối lượng Đặc trưng khối lượng riêng là:  ( kg/m3) Với chất lỏng đồng chất:  tb  M V Với chất lỏng không đồng chất: M V   V   lim Ví dụ: nước = 1000 kg/m3 nước biển = 10201030 kg/m3 Bài giảng Thủy lực I.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHẤT LỎNG 1.2.4 Tính có trọng lượng Đặc trưng trọng lượng riêng  (N/m3, T/m3):  =.g 1.2.5 Tính chịu nén chất lỏng Thường coi chất lỏng có tính khơng chịu nén ( = const), chất khí chất lỏng chịu nén ( ≠ const) Tuy nhiên điều kiện áp suất, nhiệt độ bình thường khơng thay đổi với chuyển động có vận tốc bé so với vận tốc truyền âm xem chất khí chất lỏng khơng chịu nén 1.2.6 Tính nhớt chất lỏng Sự làm nảy sinh ứng suất tiếp, lớp chất lỏng chuyển động với gọi tính nhớt Theo Niutơn ứng suất tiếp sinh có chuyển động tương đối lớp chất lỏng chuyển động với nhau, lớp chất lỏng với bề mặt vật rắn tỉ lệ với đạo hàm vận tốc theo phương vng góc với hướng dòng chảy phụ thuộc vào loại chất lỏng Bài giảng Thủy lực I.3 CÁC LOẠI LỰC- PHÂN LOẠI CHẤT LỎNG 1.3.1 Lực khối: Là lọai lực thể tích tác động lên tất phần tử chất lỏng nằm khối chất lỏng mà ta xét Ví dụ: trọng lực, lực quán tính, lực điện 1.3.2 Lực mặt: Là ngoại lực tác dụng lên bề mặt thể tích chất lỏng ta xét tác dụng lên bề mặt nằm khối chất lỏng ta xét Ví dụ: Áp lực nước, lực ma sát, 1.3.3 Phân loại chất lỏng: -Chất lỏng lý tưởng chất lỏng không nhớt, có hệ số nhớt động lực  = - Chất lỏng thực chất lỏng nhớt, có hệ số nhớt động lực   Bài giảng Thủy lực TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THỒNG VẬN TẢI KHOA CƠNG TRÌNH BÀI GIẢNG THỦY LỰC CHƯƠNG II THỦY TĨNH HỌC PowerPoint Template Giảng viên: Đặng Thu Thủy Bộ môn Thủy lực- Thủy văn NỘI DUNG CHƯƠNG II 22 ÁP LỰC – ÁP SUẤT THỦY TĨNH PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÂN BẰNG CỦA CHẤT LỎNG Ở TRẠNG THÁI TĨNH- ĐK CÂN BẰNG PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN THỦY TĨNH TÍNH ÁP LỰC TÁC DỤNG LÊN THÀNH PHẲNGTHÀNH CONG CHẤT LỎNG Ở TRẠNG THÁI TĨNH TƯƠNG ĐỐI Bài giảng Thủy lực II.1 ÁP LỰC – ÁP SUẤT THỦY TĨNH * ÁP SUẤT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH   P p  lim  0  Vậy áp suất thủy tĩnh điểm ứng suất lực mặt * TÍNH CHẤT CỦA ÁP SUẤT THỦY TĨNH - Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực hướng vào diện tích - Áp suất thủy tĩnh điểm chất lỏng theo phương Bài giảng Thủy lực II.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÂN BẰNG ƠLE Xét phân tố chất lỏng hình hộp chữ nhật có cạnh x,y,z M trọng tâm hình hộp, áp suất M p p p  x x p Bài giảng Thủy lực p  x x IV.4.4 TỔN THẤT CỤC BỘ TỔN THẤT CỤC BỘ MỞ RỘNG ĐỘT NGỘT hdm THU HẸP ĐỘT NGỘT  (v1  v2 ) v22 v12  2  1 2g 2g 2g   0 (   1)     (1  v22 hc   c 2g  d2  c  0,5(1  )  0,5(1  )  D  )  Bài giảng Thủy lực 19 IV.4.4 TỔN THẤT CỤC BỘ ( mở rộng đột ngột) Áp dụng phương trình biến thiên động lượng( hình chiếu): F s   Q ( 02 v   01 v ) J Fs  P1  P2  G sin  A B 1v1 2g hw p1  P1  2v2 2g p2   G z1 l P2 P1  p1  ; P2  p  ; z1  z G   .l ; sin   l z2  Thay vào phương trình ta có, lấy 01=02=0=1  z1  z   p1  p     l .   v .(v  v1 )  l  g Bài giảng Thủy lực 20 IV.4.4 TỔN THẤT CỤC BỘ ( mở rộng đột ngột)  z  z2   p1  p    .l.   v .(v  v1 )  l  g Chia vế  p1 p v 22 v1 v   z1  z     g g p1 p v 22 v1 v z1   z2      g g p1 v12 p v 22 v1 v v12 z1    z2      2g  g g 2g p1 v12 p v 22 v 22 v1 v v12 z1    z2       2g  2g 2g g 2g  p1 v12 p v 22 v  v1 z1    z2     2g  2g 2g Bài giảng Thủy lực  21 IV.4.4 TỔN THẤT CỤC BỘ ( mở rộng đột ngột) Viết PT Bernoully cho 2m/c(1-1) (2-2), lấy 1=2==1 MSS(0-0) p1  v12 p  v 22 z1    z2    hcdm  2g  2g  p1 J v12 p v 22 v  v1 z1    z2     B 2g  2g 2g A 1v1 2g 2g  Q  2   2  v2  v1     v  v12 1     1  1    1  2 g Q P1 v  g  2g        1  hw  1  v12 1  2v22   22g g p2   hcdm  v2  v1 2 2g    v1  v 22   1    1  v g     z1 TH đặc biệt (đường ống vào Bể chứa ) 2 p v  v1  hcdm   Q 1l Q 2 G    v  1    g  1   1    hcdm  vP222   2g    1   2 Bài giảng Thủy lực z2 H   v12 v12    2g 2g hcdm 22 IV.4.4 TỔN THẤT CỤC BỘ ( thu hẹp đột ngột) Sơ đồ dòng chảy thu hẹp đột ngột: C ro D H v1 vc v2 r d Chcdt hcdt TH thu hẹp đặc biệt, (bể chứa vào đường ống)    0,5 1         hcdt  v2   2g     0,5 1     Bài giảng Thủy lực  v2 v2   0,5  2g 2g  23 IV.5 DÒNG CHẢY QUA LỖ, VỊI Sơ đồ dòng chảy qua lỗ, vòi: H H e d l  Phân loại lỗ: + Lỗ lớn + Lỗ nhỏ + Lỗ thành dày + Lỗ thành mỏng… Phân loại vòi: + Vòi hình trụ + Vòi hình + Vòi hình đường dòng + Vòi gắn trong, gắn ngồi… Bài giảng Thủy lực 24 IV.5 DỊNG CHẢY QUA LỖ, VỊI Dòng chảy tự qua lỗ nhỏ thành mỏng, cột áp không đổi Viết phương trình Bécnuli cho mặt cắt 1-1 c-c lấy mặt cắt qua tâm mặt cắt c-c làm mặt chuẩn: H C c p a  1v12 p a  c vc2 H   zc    hc  2g  2g C H Suy vc  c   c  c vc2 vc2 vc2  c   c    c  2g 2g 2g gH   gH Với:  c  c Áp dụng PTLT: Q  vc c  vc    gH Vậy ta có: Bài giảng Thủy lực Q   gH 25 IV.5 DÒNG CHẢY QUA LỖ, VỊI Dòng chảy qua vòi hình trụ gắn ngồi cột áp không đổi Viết PT Bécnuly cho mặt cắt 1-1 2-2 lấy mặt chuẩn 0-0 qua tâm vòi p a  1v12 p a  v 22 H   z2   2hw   (    2g 1 2g ) H     2   pa  v2  1v1  H l  v22    vcd2  2g vc2 pa l v    H   z2        g2  2g  2g 2g d g  v hc 2 v222 c vc2 vc2 l v 22   H  Đặt: 2g   1  2g   g d2 g l  2  (  1)   c       d 2g Suy ra:    1   2    1    1  2   2   Q  v2   2gH   2gH vc2 v  hc    1    c 2g 2g Bài giảng Thủy lực C 2 C l v2   2gH Với  : Hệ số lưu lượng 26 d IV.5 DÒNG CHẢY QUA LỖ, VỊI Tính độ cao chân khơng vòi Viết tích phân Bécnuli cho mặt cắt (1-1),(c-c) vc2 pa pc vc2 H  c c   2g 2g H C C l pa  pc vc2  c   c  H   2g d  2H H  H ck   c   c   v22 H  H ck   c   c   2g Suy ra: v   gH   H ck    c   c   1H   Theo thực nghiệm ta có: = 0,82; =0.64; =0,06 Bài giảng Thủy lực H ck  0,75H 27 IV.5 DÒNG CHẢY QUA LỖ, VÒI Hiện tượng xâm thực Khi cột áp H tăng pc giảm, pc< pbh vùng co hẹp nước bốc Những bọt khí xuất bị dòng nước đến vùng có áp suất lớn áp suất bốc làm chúng bị ngưng tụ đột ngột thành hạt nước nhỏ so với bọt khí ban đầu Hiện tượng ngưng tụ đột ngột tạo khoảng trống làm cho nước xung quanh ập tới với vận tốc lớn gây áp suất xung kích cục bộ, có tới hàng nghìn atmơtphe Vì vòi bị ăn rỗ chân khơng vòi bị phá hoại Đó tượng xâm thực vòi Để tránh tượng xâm thực độ chân khơng vòi khơng lớn độ chân khơng cho phép : Bài giảng Thủy lực 1 H C C l hck   2 p a  p bh  28 d IV.5 DÒNG CHẢY QUA LỖ, VÒI HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC TRONG MÁY THỦY LỰC Bài giảng Thủy lực 29 IV.6 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG Khái niệm phân loại hW   hd DÀI Đường ống NGẮN hW   hd   hc Trong tính đường ống thường sử dụng phương trình sau: • Phương trình Bécnuli • Phương trình liên tục • Phương trình xác định tổn thất cột nước Bài giảng Thủy lực 30 IV.6 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG Cơng thức tính tốc độ trung bình mặt cắt (Chezy): v  C RJ Cơng thức tính lưu lượng: Q  v  C RJ Môđun lưu lượng K   C R  f ( D, n) Thay vào ta có: Q2 J K Nếu ống ống dài Q2 h f  hd  l K Bài giảng Thủy lực 31 IV.6 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG Tính đường ống dài a) Đường ống nối tiếp A Hd1 Hd Hd2 H1 H1 0 d ,l d 2, l Tổn thất dọc đường ống Tổn thất cột nước hệ thống Q2 h di  l i Ki H  Q2  Bài giảng Thủy lực li K i2 32 IV.6 TÍNH TỐN THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG b) Đường ống nối song song A1 B1 Hd d 1, l HA HB d 2, l A d (n-1), l(n-1) B d n, l n 0 Q12 Q 22 Q 2n h d  H A  H B  l1  l 2   l n K1 K2 Kn Q  Q1  Q   Q n   Q i Bài giảng Thủy lực 33 ... II.3.2.BIỂU ĐỒ ÁP SUẤT Bài giảng Thủy lực 12 II.3.2.BIỂU ĐỒ ÁP SUẤT Bài giảng Thủy lực 13 II.3.2.BIỂU ĐỒ ÁP SUẤT Bài giảng Thủy lực 14 II.3.2.BIỂU ĐỒ ÁP LỰC Bài giảng Thủy lực 15 II.4.1 ÁP LỰC CHẤT LỎNG... ÁP LỰC ÁP LỰC ĐỘ LỚN PHƯƠNG, GIÁ TRỊ LỰC CHIỀU CỦA LỰC Bài giảng Thủy lực ĐIỂM ĐẶT LỰC 16 II.4.1 ÁP LỰC CHẤT LỎNG LÊN THÀNH PHẲNG Bài giảng Thủy lực 17 II.4.1.1 ĐỘ LỚN ÁP LỰC (GIÁ TRỊ LỰC) Áp lực. .. áp lực hD: P = VABCA’B’C’ = SABC x b = bh2/2 hD = 2h/3 Bài giảng Thủy lực 21 II.4.2.TÍNH ÁP LỰC THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI Bài giảng Thủy lực 22 II.4.2.TÍNH ÁP LỰC THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI Bài giảng