Bài giảng Công trình thủy nâng cao - Chương 7: Đường ống áp lực và hiện tượng nước va trong đường ống cung cấp cho người học các kiến thức tổng quát, hiện tượng nước va trong đường ống áp lực, công trình giảm áp lực nước va. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
10/25/2010 TRƯỜNGCƠNG ðẠI HỌC BÁCH HCM TRÌNH THỦYKHOA NÂNGTP CAO TRƯỜNGCƠNG ðẠI HỌC BÁCH HCM TRÌNH THỦYKHOA NÂNGTP CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – BM KTTNN PGS TS NGUYỄN THỐNG Email: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr Web: http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong 10/25/2010 Tél (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – BM KTTNN NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1: Thấm qua cơng trình Chương 2: Áp lực khe rỗng Chương 3: ðập vật liệu ñịa phương Chương 3a: Mô Monte Carlo áp dụng ñánh giá ổn ñịnh mái dốc Chương 4: ðập bê tơng trọng lực Chương 4a: ðập bê tơng đầm lăng (RCC) 10/25/2010 PGS Dr Nguy?n Th?ng TRƯỜNGCÔNG ðẠI HỌC BÁCH HCM TRÌNH THỦYKHOA NÂNGTP CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – BM KTTNN NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 4b: Bài tốn toả nhiệt 3D Chương 5: Phân tích ứng suất đập bê tơng xảy động ñất Chương 6: ðường hầm thủy công Giếng ñiều áp Chương 7: ðường ống áp lực – Nước va ñường ống 10/25/2010 Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va PGS Dr Nguy?n Th?ng CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ðƯỜNG ÁP LỰC & HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA Tổng quát Hiện tượng nước va đường ống áp lực Cơng trình giảm áp lực nước va 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va TỔNG QUÁT ðường ống áp lực công trình nối cuối đường dẫn nước đến nhà máy ðường ống chịu áp lực nước bên ñường ống - CTLN Kênh dẫn Bể áp lực ðường ống Nha máy - CTLN ðường hầm có áp Giếng điều áp (tháp ñiều áp) ðường ống Nha máy 10/25/2010 PHÂN LOẠI Theo vị trí xây dựng: ðường ống áp lực kiểu hở ðường ống áp lực kiểu ngầm ðường ống áp lực kiểu hổn hợp (hở +ngầm) PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va GIẾNG ðIỀU ÁP i=0,0061 D=3,5m, L=9065m NHÀ VAN NHÀ MTð ðường ống áp lực NM LOAL = 1866m Dống = 2,6m Dống nhánh = 1,6m KÊNH XẢ 32 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC HỞ ðập tràn ðường ống áp lực 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va THI CÔNG ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 10 PGS TS Nguyễn Thống THUỶ NĂNG & THUỶ ðIỆN CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 8: ðường ống áp lực & tượng nước va Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va THI CÔNG ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 11 10/25/2010 12 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va THI CÔNG ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 10/25/2010 e=12mm 35mm 13 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ðƯỜNG ỐNG BÊ TÔNG NGẦM BỌC THÉP 10/25/2010 14 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CHẾ ðỘ THUỶ LỰC KHƠNG ỔN ðỊNH DỊNG CHẢY Q ðỘ Xảy ðóng (mở) van đường ống vơi tơc ñộ nhanh thay ñổi nhanh chóng vận tốc (lưu lượng) ống ðường ống 10/25/2010 15 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va GiẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG Trong trường hợp đoạn dòng chảy (vi phân) ống chịu thay ñổi áp suất vận tốc khác theo thời điểm tượng truyền sóng áp lực ñược gọi « NƯƠC VA » Xem ñồ thị minh hoạ sau: 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 16 PGS TS Nguyễn Thống 17 Mở van ðóng van 10/25/2010 SỰ TRUYỀN SÓNG ÁP LỰC 18 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG TUYỆT ðỐI CỨNG ∆HA BỂ CHỨA B ðường ống HA o Mặt chuẩn G α A THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA (Ống tuyệt đối cứng, NƯỚC khơng NÉN được) o Kênh sau NM HA: cột áp tỉnh (mH2O) ∆HA: gia số áp suất A sinh nước va dương 10/25/2010 19 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Phương trình chuyển động theo phương X (lưu ý chiều dương chọn): d(mVx ) = ∑ Fx dt m = ρ FL (1) − ρ LF dV = ρ gF ( H A + ∆H A − H B − L sin α ) dt 10/25/2010 21 PGS TS Nguyễn Thống ∆H A = − L dV L dQ =− g dt gF dt CHÚ Ý: - Nếu dQ/dt < đóng van nước va dương ∆HA > - Nếu dQ/dt > mở van ∆HA < nước va âm Gia số áp lực nước va A tỷ lệ tuyến tính với chiều dài L từ B ñến A L=0 ∆H=0 (tại B) 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ρ gLF sin α : hình chiếu lên phương X Giả thiết khơng có ma sát chất lỏng thành ống A B Thay vào p/t thu gọn: − ρ LF dV = ρ gF∆H A dt 23 ∆H A = − L dV L dQ =− g dt gF dt Với V=Q/F dQ biến ñổi lưu lượng thời ñoạn dt Thay ñổi áp suất A 10/25/2010 22 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va PGS TS Nguyễn Thống 20 H = H + L sin α : khối lượng nước ñoạn AB F: tiết diện ống ∑ Fx : tổng ngoại lực theo phương X (trục ống) (1) 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống nước va gây CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va - Gia số áp lực nước va A tỷ lệ tuyến tính với (dQ/dt) dQ = const Trong trường hợp dt L Q d − Qc ∆H A = gF Ts Qd: lưu lượng trước ñóng van; Qc: l/l sau ñóng van Ts: thời gian đóng van từ Qd Qc 10/25/2010 24 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Nếu đóng (mở) van tức (dQ/dt >>> 1) A ∆H → ∞ !!! CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va NƯỚC VA ðƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ðỐI D THAY ðỔI ∆HA Réservoir Trường hợp kể đến đóng khơng « tuyến tính »: L Qd − Qc A ∆H = k V i k = 1,25 gF ∆H(1) L2,F2 o Mặt chuẩn 1,5 xem hệ an toàn 10/25/2010 25 HA: cột nước tỉnh ∆HA: gia số áp lực nước va A 10/25/2010 ∆H(2) α L3,F3 A HA o Kênh sau NM 26 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Giả thiết D đoạn khơng ñổi: Q − Q c L1 Gia số áp lực cho ñoạn 1: ∆H (1) = d gTs F1 Gia số áp lực cho ñoạn 2: ∆H(2) = ∆H(1) + L2 Qd − Qc Qd − Qc L1 L2 = ( + ) gF2 Ts gTs F1 F2 Gia số áp lực cho ñoạn 3: ∆H ( 3) = CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Bài tập: Một ñường ống áp lực có D=2,25m, chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng Q=30m3/s Thời gian đóng van 10s (tuyến tính k=1) Tính gia số áp lực lớn nước va Tương tự D=2.5m So sánh với kết câu 1, nhận xét Q d − Q c L1 L L ( + + ) gTs F1 F2 F3 10/25/2010 27 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 28 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Bài giải: D=2.25m L Qd − Qc 1000 * 30 − =1 = 76.91m gF Ts 9.81*3.14159 * 2.252 10 D=2.5m ∆H Amzx = k L1,F1 Ts PGS TS Nguyễn Thống ∆H Amzx = k B CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Bài tập: Lấy số liệu trước ðường ống gồm đoạn: L1=400m, D1=2.25m; L2=600m, D2=2.0m Tính gia số áp lực nước va ñoạn ống L Qd − Qc 1000* 30 − =1 = 62.3m gF Ts 9.81*3.14159* 2.52 10 Nhận xét: V 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống giảm Giá trị nước va giảm 29 10/25/2010 30 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Bài giải: ðoạn 1: ∆H (1) NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG ðÀN HỒI & NƯỚC NÉN ðƯỢC - ðĨNG (MỞ) VAN TỨC THÌ L Q − Qc * 400 30 − = d = = 30.76m gF1 Ts 9.81* π * 2.252 10 ðoạn 2: ∆H(2) = ∆H(1) + L2 Qd − Qc 4*600 30− = 30.76+ = 89.16m gF2 Ts 9.81*π*22 10 Bài tập: Lấy số liệu trước, ñường ống gồm ñoạn: L1=500m, D1=3.5m; L2=250m, D2=3.0m Lưu lượng 40m3/s Tính gia số áp lực nước va đoạn 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va 31 PGS TS Nguyễn Thống Xét trương hợp nươc NÉN ñược (ρ ρ thay ñổi theo áp suất) Tiêt diện ω ñường ống thay ñổi theo áp suất bên 10/25/2010 32 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Trong thực tế ñường ống thép bê tơng cốt thép biến dạng áp suất thay đổi (mặc dù bé) ðường ống đàn hồi CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Khảo sát ñoạn cuối ñường ống: - Có van A (chọn làm gốc toạ ñộ) - ðầu vào ñường ống giả thiết hồ chứa - V0 vận tốc trung bình ống - Thực đóng van tức (T=0) n V0 m p0 n 10/25/2010 33 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Giải thích tượng: Sau ∆t (s), có đoạn chất lỏng giới hạn (a-a);(m-m) dừng Gia tăng áp suất ∆p Trong nước bên trái (m-m) chảy “bình thường” Phương trình chuyển ñộng khối chất lỏng giới hạn (a-a) (m-m) theo trục ống: ( ρω∆l )( − V0 ) p0ω − ( p0 + ∆p)ω = 10/25/2010 ∆t 350 PGS TS Nguyễn Thống m 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống t=dt ∆l a t=0 V0=0 a A p0+∆p 34 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ∆l ∆p = ρ V0 Từ đó: (1) ∆t Bước thời gian kế, đoạn chất lỏng giới hạn (m-m) (n-n) dừng tượng tiếp diễn truyền sóng áp lực với tốc độ a: a = lim Do (1) 10/25/2010 ∆l ∆t → ∆p = ρ aV0 (2) 36 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Trong trường hợp van đóng phần: ñó a ∆p = ρ a (V0 − Vc ) ∆H = Note: ∆p=ρ ρg ∆H (N/m2) Tính a: Khi nước bị nén: g Khối lượng nước ñoạn a-a;m-m gia tăng: ∆m = (ρ + ∆ρ )(ω + ∆ω )∆l − ρω∆l (V0 − Vc ) ∆m = (ρ∆ω + ω∆ρ )∆l = (ρ∆ω + ω∆ρ )a∆t Trong thời gian đó, khối lượng nước qua tiết diện m-m: ρ → ρ + ∆ρ ∆m0 = ρωV0 ∆t ω → ω + ∆ω Tiết diện ống gia tăng: 10/25/2010 Luật bảo toàn khối lượng: 37 PGS TS Nguyễn Thống a= ρV0 (ρ∆ω + ω∆ρ )a∆t = ρωV0 ∆t ∆ρ + ρ ∆ω ω = ∆p a ∆ρ + ρ ∆ω a= ω Note: ðã sử dụng kết trước: 10/25/2010 38 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ρW = c te ∆p ∆ρ ρ ∆ω 1+ ∆ρ ω Vi phân toan phân: ρ dW + Wd ρ = ∆p = ρ aV0 39 ⇒ dW dρ =− ρ W 10/25/2010 40 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Quy luật thể tích chât lỏng thay ñổi theo áp suất: dp dW dp dW = − W ⇒ =− K W K : hệ số ñàn hồi nước K= β ⇒ 10/25/2010 10/25/2010 Chú ý khối lượng nước khơng đổi (dù có bị nén) : PGS TS Nguyễn Thống PGS TS Nguyễn Thống ∆m0 = ∆m PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Ta có: Từ đó: CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ∆p K = ∆ρ ρ 41 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Dùng ñịnh luật Hooke: dl = Tính: ∆ω 10/25/2010 ω σ L E 42 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Lực kéo T sinh áp suất p chu vi hình tròn b/kính r: dF (dF vi phân lực tác dụng lên T vi phân chu vi dl) α dFx = pdl cos α p = pr cos α.dα 2T = ∫ dFx = pr 10/25/2010 PGS Dr Nguyễn Thống π /2 − /2 43 K d ñường kính e chiều dày thành ống thép Note: ống KHƠNG đàn hồi ( E = ∞ ) Ta có: K K module đàn hồi nước a0 = ∆r r biến dạng tương đối bán kính r tác dụng gia áp suất ∆ p Luật Hooke: ∆r r ∆p d ∆p ∆ω d ∆p = eE = 2eE 10/25/2010 44 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Thay vào ta co: a0 = a a (m/s) Tơc độ K d 1+ truyền song áp lực E e Chú ý: Tính gia trị nươc va ñường ống ñàn hồi: ∆H = ρ ðây vận tốc truyền sóng âm nước 10/25/2010 ω ∆r Với r =2 PGS TS Nguyễn Thống Thay kết vào phương trình xác định a: ρ ∆ω = ω eE Với e chiều dày thành, E hệ số đàn hồi ống d đường kính ống T ∫π cosα dα = 2pr K d 1+ * E e Xét ống tròn: ω = π r Ta có: ∆ω = 2π r ∆r r CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va a = CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va 45 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 a (V0 − Vc ) g 46 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Với K nước nhiệt độ bình thường: Với đường ống bê tông cốt thép: K = 2.03*10 N / m Ta có: a0 =1425 m/s Một số vật liệu ống phổ biến: Vật liệu Sắt Gang E/K 100 37 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống Gang ñúc li tâm 41 a= Chì α= K ρ 1+ K d E e(1 + 9.5α) f ⇒ hệ số cốt thép vòng f diện tích cốt e thép 1m chu vi ống Thông thường α =0.015 0.05 47 10/25/2010 48 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va HỆ SỐ ðÀN HỒI Bài tập: Lưu lượng 25m3/s chảy đường ống có đường kính 2,5m, dài 1km Giả thiết ống tuyệt đối cứng, tính giá trị nước va max cuối ống đóng van 10’’ (nươc khơng nén được) Giả thiết ống đàn hồi thép dày 32mm Nươc nén ñược Hệ số ñàn hồi nước K=2.109 N/m2 Tính nước va cuối ống đóng van tức thời Vật liệu Thép Gang Bêtơng Gỗ E(kG/cm2) 2.1E+06 1.0E+06 2.1E+05 1.0E+05 Vật liệu Cao su Nước Dầu E(kG/cm2) 20-60 2.1E+04 1.35E+04 10/25/2010 49 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Lây gia trị nươc va câu Khả chịu lực thép σ=75kN/cm2 Lấy hệ số an toàn Lấy chiều dày dự phòng 2mm Tính lực dọc chu vi ống sinh gia sô áp lực nước va khả chịu lực ống? 10/25/2010 51 PGS TS Nguyễn Thống SƠ ðỒ TÍNH X B H1 dx ∆HA HA A α o Mặt chuẩn HA: cột áp tỉnh ∆HA: gia số áp lực A nước va 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 50 CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA TỔNG QUÁT ðường ống ñàn hồi Nươc nén ñược Van ñong dân dân Mất đường dài (ma sát giưa dòng chảy ñường dẫn) Mất cục 10/25/2010 52 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Hồ 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống o Kênh sau NM 53 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Áp dụng phương trình lực khối nước (1-1) (2-2) theo phương X: d(mV) x = ∑ Fx (1) dt m=ρ ρFdx, Fx: ngoại lực ∂V dV = dt ∂t Lực tác dụng lên khối nước: ∂h − ρ gF dx ∂x Lực thân phương X: 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống − ρ gFdx sin α 54 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va − ρFdx ∂V ∂H =g ∂t ∂x Từ đó: Thay vào p/trình (1): − ρFdx CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ∂V ∂h dt = − ρgF ( dx + dx sin α ) ∂t ∂x ∂(h + z + x sin α ) ∂V dx dt = − ρgF ∂t ∂x z0 : cao ñộ van so mặt chuẩn z : cao ñộ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn h+z α =H 0+xsinα 10/25/2010 55 PGS TS Nguyễn Thống ∂H a ∂V dx = ∂t g ∂x dt ∂V g ∂H = ∂x a ∂t ∂H a ∂V = ∂t g ∂x 10/25/2010 57 PGS TS Nguyễn Thống ∂x 10/25/2010 56 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va LỜI GiẢI (2) VÀ (3) PHƯƠNG PHÁP ðƯỜNG ðẶC TRƯNG: Với V=V(x,t) H=H(x,t) ta có: dH ∂H dx ∂H = + dt ∂x dt ∂t Hệ p/t (2) (3) trở thành: dV ∂V dx ∂H − =g dt ∂x dt ∂t (2) 10/25/2010 (4) 58 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ∂V g dH ∂H dx = − ∂x a dt ∂x dt Hệ (4) & (5) cho: Từ (3) dV dx = g 1 − dt a dt CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va (7) Cho phép xác ñịnh ñường ñặc trưng (5) T ∂H g dx dH + ∂x a dt dt (6) X=at+k1 t+θ θ t dx dx 1− = ⇒ = ±a a dt dt X=-at+k2 t+2θ θ Phương pháp ñường ñặc trưng biến (6) thành p/t bậc cách xem t/hợp: 10/25/2010 dx dt Sự thay ñổi vận tốc: ∆V = − ∂V dx dV ∂V dx ∂V = + dt ∂x dt ∂t (3) Hệ phương trình (2) (3) biểu diễn tượng truyền sóng nước va ống đàn hồi với ẩn số H V PGS TS Nguyễn Thống a= Xét thay ñổi áp suất dt: ∆H = ∂H dt ∂t Thay tất vào: (7) a (V0 − Vc ) g PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va ∂H a ∂V dt = dx ∂t g ∂x ∆H = Kết trước: (2) 59 10/25/2010 A X B L HỆ ðƯỜNG ðẶC TRƯNG 60 PGS TS Nguyễn Thống 10 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Trên ñường ñặc trưng, p/trình (6) trở thành: (7) dH = a a dV = dQ g gF Tích phân p/t theo đường x =at+k1 với θ B: giới hạn t A t+θ (8) a H At − H Bt +θ = 10/25/2010 gF (Q A t − Q Bt +θ ) 61 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Tích phân p/t (7) dọc theo đường x =-at+k1 g/hạn t B t+θ θ A: a (9) B A B A H t − H t +θ = − 63 − Q t +θ ) t+2θ θ; CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va H (m) Ví dụ: Dạng tổng quát giá trị nước va A 900 800 700 600 500 400 300 200 Coät nước cuối ống áp lực có kể nước va Hmax (m) Tf 10/25/2010 t a A B A B H nθ − H (n +1)θ = gF ( Q nθ − Q (n +1)θ ) a H B − H A ( QnBθ − Q(nA +621)θ ) nθ (n +1)θ = − gF 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống (Q Tương tự cho tất thời ñoạn kháct+θ θ t+2θ θ t+3θ θ; …ta có: CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Dùng ñ/kiện biên ban đầu, ta giải hệ p/trình để xác định giá trị nước va A Exemple: Giả thiết hồ chứa lớn (mực nước khơng đổi có nước va) HtB=H0= số B Giả thiết lưu lượng qua A biết theo thời gian Giá trị nước va A thường có dạng tổng quát sau: gF 10 12 14 16 18 20 T (s) 64 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦ THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðườ ðường ống áp lực & hiệ tượ tượng nướ nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA TỔNG QUÁT 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 65 10/25/2010 66 PGS TS Nguyễn Thống 11 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va PHƯƠNG PHÁP SỐ (TỔNG QUÁT): Ta sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình đạo hàm riêng bậc cao phi tuyến biểu thị tượng bước va: Phương trình chuyển động: fV V ∂V ∂p + + g sin α + =0 ∂t ρ ∂x 2D (10) 10/25/2010 67 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va t, x biến ñộc lập V vận tốc trung bình p áp suất tâm mặt cắt D đường kính ống 10/25/2010 68 Hệ phương trình (10) (11) cho phép xác ñịnh ẩn số V p theo thời gian (11) a2 = CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va K/ρ K D 1+ E e 69 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 70 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Ví dụ: ðường ống dài 1850m, đường kính thay đổi từ 2,5m 3,0m Chiều dày 40mm 20mm Lưu lượng max 39m3/s, có tuabin Ma sat nước thành có f=0,025 Thời gian ñóng van 8’’ Lời giải phương pháp sai phân tham khảo sau: CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va 800 Cuối ống 700 T 600 p (mH2O) Phương trình liên tục: ∂p ∂V + ρa =0 ∂t ∂x 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống t 500 400 300 Giữa ống 200 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 71 10/25/2010 NƯỚC VA DƯƠNG 72 PGS TS Nguyễn Thống 12 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦ THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðườ ðường ống áp lực & hiệ tượ tượng nướ nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va 600 DỰ ÁN THƯỢNG KONTUM Cuối ống p (mH 2O) 500 400 Giữa ống 300 200 10 12 14 T (s) 16 18 20 22 24 NƯỚC VA ÂM 10/25/2010 10/25/2010 73 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va 1000 p(mH 2O) p(mH2 O) 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 74 PGS TS Nguyễn Thống 950 900 850 800 NƯỚC VA DƯƠNGT (s) NƯỚC VA ÂM 750 T (s) 700 10 10/25/2010 20 30 40 50 60 75 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 76 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦ THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðườ ðường ống áp lực & hiệ tượ tượng nướ nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va TÍNH TOÁN NƯỚC VA THEO QUY PHẠM VIỆT NAM 10/25/2010 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống PGS TS Nguyễn Thống 77 ðịnh nghĩa: • T tf : nước va gián tiếp T thời gian đóng (mở) van (4’’-12’’) tf=2L/a: thời gian truyền sóng nước va đoạn đường 2L L: chiều dài ống áp lực 10/25/2010 78 PGS TS Nguyễn Thống 13 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va a: vận tốc truyền sóng NƯỚC VA TRỰC TIẾP Giá trị nước va max: 1425 a= K d 1+ * E e ∆H = H v − H = a(V0 − Vc ) / g ðịnh nghĩa hệ số: ζ = ∆H = a(V0 − Vc ) H0 gH PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 79 NƯỚC VA DƯƠNG GIÁN TIẾP Gọi t thời ñiểm nước va dương max xảy ra: Nếu t tf: nước va pha cuối 81 PGS TS Nguyễn Thống Có trường hợp: - T/h 1: ρ < nước va gián tiếp pha ñầu ς= 2σ + σ (θ − 1) ∆H HV 10/25/2010 PGS TS Nguyễn Thống 10/25/2010 80 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Gọi hệ số Allievi: ρ= aV gH at Gọi hệ số liên quan đóng van: θ = L0 ðặt: ς= ∆H H0 σ= ρ θ 10/25/2010 82 PGS TS Nguyễn Thống CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va Theo Calame-Gaden: V0: vận tốc TB dòng chảy trước đóng van Vc: vận tốc TB dòng chảy sau đóng van HV: áp lực max (mH2O) nước va + cột áp tỉnh H0: cột áp tỉnh PGS TS Nguyễn Thống CÔNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va 10/25/2010 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch 7: ðường ống áp lực & tượng nước va - T/h 2: ρ > nước va gián tiếp pha cuối * Nếu ζ>=50% theo Allievi: ς= (σ + σ2 +4 ) * Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden: ς = 1.1σ * Nếu ζ