Bài giảng Mạng lưới cấp thoát nước - Chương 8: Thoát nước vùng triều cung cấp cho người học các kiến thức lý thuyết dòng chảy không ổn định trong tính toán thủy lực, phương trình dạng sóng khuếch tán, phương trình Saint Venant. Mời các bạn cùng tham khảo.
MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯƠÙC TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM NỘI DUNG MÔN HỌC Khoa KTXD - Bộ môn KTTNN PGS TS NGUYỄN THỐNG E-mail: nthong56@gmail.com or nthong56@yahoo.fr Chương Chất lượng, ht phân phối nước & thiết bị Chương Quản lý cung - cầu cấp nước Chương Mơ hình hố & thiết kế ht cấp nước Chương 4: Phân tích mạng lưới cấp nước Chương 5: Nước va đường ống chảy có áp Chương Quy hoạch hệ thống thóat nước Chương Mơ hình hố & thiết kế ht nước Chương Thoát nước vùng triều Chương Quản lý vận hành ht cấp thoát nước Phần mềm SWMM & EPANET Web: //www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong 10/14/2010 Tél (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 10/14/2010 MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương 1: Chất lượng, hệ thống phân phối & thiết bò NỘI DUNG Thực hành 1: Mơ hình dự báo nhu cầu nước dùng với p/p Hồi quy tuyến tính Thực hành 2: Mơ mạng lưới cấp nước với EPANET Thực hành 3: Mơ mạng lưới nước với SWMM Thực hành 4: Mô thủy lực với HECRAS 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống Chương : Dòng khơng ổn định 1D GIỚI THIỆU • Khi thiết kế hệ thống thoát nước vùng gần biển sông suối nhận nước thoát bò ảnh hưởng thủy triều Trong trường hợp này, vấn đề đánh giá khả tháo nước hệ thống cống thoát phụ thuộc vào mực nước thay đổi theo thời gian vò trí sông rạch tiếp nhận nước thoát 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D GIỚI THIỆU Lý thuyết dòng chảy không ổn đònh tính toán thủy lực Phương trình dạng sóng khuyếch tán Phương trình Saint Venant 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống PHƯƠNG TRÌNH ðỘNG LỰC 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D Phương trình dòng chảy hở 1D lòng dẫn thay đổi dần trình bày cách tổng quát phương trình sau: ∂Q ∂ Q ∂h + + gA + gA( S f − S0 ) = ∂t ∂x A ∂x Mô hình sóng động học Mô hình sóng khuyếch tán 10/14/2010 Mô hình dòng không ổn đònh PGS Dr Nguyễn Thống Phương trình viết dạng: ∂Q ∂ Q + ∂t ∂x A ∂Z + gA + Sf =0 ∂ x h: chiều sâu nước mặt cắt x Z=h+a: cao độ mực nước mặt cắt x a: cao độ đáy mặt cắt A : diện tích ứơt Q : lưu lượng qua diện tích A Sf: độ dốc thủy lực 10/14/2010 S0: độ dốc đáThống y (-dE/dl; E lượng, dl chiều dài) PGS Dr Nguyễn MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D Phương trình liên tục: ∂Q ∂A + =q ∂x ∂t PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC hay ∂Q ∂Z +b =q ∂x ∂t q : lưu lượng đơn vò bổ sung dọc tuyến b : chiều rộng mặt thoáng Z : cao trình mực nước 10/14/2010 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 10 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D • Trong trường hợp dòng chảy biến đổi chậm cho vùng chòu ảnh hưởng triều Tp Hồ Chí Minh vùng lân cận, mô hình toán dạng sóng khuyếch tán ứng dụng • Ngoài ra, với dạng mô hình này, phương trình toán phương pháp giải tương đối đơn giản Hệ phương trình động lực liên tục cho mô hình sau : MƠ HÌNH SĨNG KHUYẾCH TÁN 10/14/2010 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 11 12 PGS Dr Nguyễn Thống MAÏNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D ∂Z + Sf = ∂x PHƯƠNG TRÌNH STRICKLER ∂Q ∂Z +b =q ∂x ∂t Ngoài ra, để giải hệ phương trình phải bổ sung quy luật tổn thất lượng dòng chảy Một quy luật sử dụng phổ biến theo Strickler có dạng sau : 10/14/2010 13 PGS Dr Nguyễn Thống Sf = D = k str h / 3b k str = a1/ QQ D2 d kstr : hệ số Strickler d : đường kính hạt cát tạo lòng sông (m) a =(21-24), hệ số phụ thuộc vào d 10/14/2010 14 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D PHƯƠNG PHÁP GIAI (sơ ẩn) Sơ đồ mạng lưới sai phân • Mạng lưới sử dụng dạng so le Vò trí xác đònh cao trình mực nước (Z) tạo thành lưới, vò trí lưu lượng (Q), đặc trưng mặt cắt (b,ω ω) tính tạo thành mạng lưới riêng, bố trí so le với lưới tính Z Zi Zj Qi 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống SƠ ðỒ SAI PHÂN PREISSMANN ∂f f i t++11 − f i t+1 f i t +1 − f i t = + ∂t ∆t ∆t f t +1 − f i t +1 f t − f it ∂f = θ i +1 + (1 − θ ) i +1 ∂x ∆x ∆x f ( x, t ) = Zk Qj θ (f t +1 i +1 với Qk 15 ) + f i t +1 + 1−θ t f i +1 + f i t ( 0.5 ≤ θ ≤ 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống ) 16 MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D PHưƠNG TRÌNH SAI PHÂN SÓNG KHUYẾCH TÁN ĐIỀU KIỆN TI NÚT MNG LƯỚI, ðIỀU KIỆN BIÊN Điều kiện liên tục nút mạng lưới : Tại vò trí hội tụ nhánh (>2 nhánh), phương trình liên tục có dạng sau thay cho phương trình động lực : −∆t.θ αmt +1Zkt +1 + ∆xi σ i + ∆t.θ αnt +1 + ∆t.θ αmt +1 Zit +1 − ∆t.θ αnt +1Z tj+1 = ∆xi σ i Z it − ∆t * (1 − θ ) * α nt ( Z it − Z tj ) − α mt ( Z kt − Z it ) + qi ∆t.∆xi hay với t +1 k t +1 i N ∑Q t +1 j F (Z , Z , Z ) = αn = Dn ∆xn Z i − Z j 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 0.5 Dn = i =1 i =0 Nuùt hội tụ mạng lưới σ i = θ * bit +1 + (1 − θ ) * bit (21 ÷ 24) / hn bn d 1/ Toång nhánh hội tụ θ ∑ α ( p )t +1 ( Z kt +1 − Z it +1 ) = − (1 − θ ) ∑ α ( p )t ( Z kt − Z it ) 17 10/14/2010 18 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D ðIỀU KIỆN ðẶC BIỆT Trong trường hợp dòng chảy qua dạng công trình : cống làm việc theo chiều, đập tràn, đập ngăn … phương trình động lực Saint Venant thay phương trình biểu diễn quy luật thủy lực thích hợp tương ứng 10/14/2010 19 PGS Dr Nguyễn Thống ðIỀU KIỆN BIÊN Mô hình thiết lập cho phép mô tả điều kiện biên : Loại mực nước (Z) Loại lưu lượng (Q) dể dàng 10/14/2010 20 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D Phương trình liên tục : DỊNG KHƠNG ỔN ðỊNH VỚI PHƯƠNG TRÌNH ðẤY ðỦ SAINT VENANT Phương trình động lực: B ∂Z ∂Q + =q ∂t ∂x QQ ∂Q ∂ 2Q ∂Q Q ∂A ∂Z + − + gA +g =0 ∂t ∂x A ∂x A ∂x ∂x C AR C = R1/ / n 10/14/2010 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 21 22 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D MẠNG LƯỚI KHÔNG GIAN 1D (Qbien) Vò trí xác đònh ẩn số toán Phương trình liên tục dạng sai phân: (Hbien) (Qi,Zi) dxi ∆x t dBt dBt Bi +1 + Bit +ψ B ( i+1 ∆Z it +1 + i ∆Z it ) dZ dZ a = θ Q ∆t Chú ý có khác sơ đồ sai phân không gian so với t/h trước 10/14/2010 Với: a1 = (Hbien) PGS Dr Nguyễn Thống a1∆Z ti +1 − a2 ∆Q it +1 + a1∆Z it ++11 + a2 ∆Q it ++11 = a3 23 a3 = −∆t(Q it +1 − Q it ) + ∆x.∆t ψ q q t +1 + (1 −ψ q )q t 10/14/2010 24 PGS Dr Nguyễn Thống MAÏNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D Phương trình động lực dạng sai phân: b1∆Z Với: t +1 i + b ∆Q t +1 i + b ∆Z t +1 i +1 + b ∆Q t +1 i +1 = b5 b4 = b = −2∆t.U(Qit+1 − Qit ) + ∆t.U B( Zit+1 − Zit ) b1 = ∆t.U B.θ Z − gA.∆t.θ Z − g∆t.A ( Zit+1 − Zit ) − g∆t.∆xD (Q it+1 − Q it ) ∆x b2 = − 2∆t.U.θ Q + g.∆t.∆x.Dψ Q D= b3 = −∆t.U B.θ Z + gA.∆t.θ Z 10/14/2010 ∆x + ∆t.U.θ Q + g.∆t.∆x.Dψ Q 25 n 0.5( χ it+1 + χ it )4 / 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 0.5(A ti +1 + A ti )7 / Q ti +1 + Q ti 26 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D BÀI TẬP Thiết lập sơ đồ khối để giải toán 1D (sóng khuyếch tán & Saint Venant) Điều kiện nút hội tụ nhiều nhánh (N>2) mạng lưới Cao trình mực nước mặt cắt hội tụ nút t +1 t +1 ∆Z k = ∆Z p Tổng lưu lượng nước hội tụ nút : N ∑ ∆Q k =1 t +1 k =0 Chú ý: Tại nút hội tụ N nhánh thiết lập N 10/14/2010 27 phương trình 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 28 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D 10/14/2010 29 PGS Dr Nguyễn Thống ... 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 21 22 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D MẠNG LƯỚI KHÔNG GIAN 1D... KHUYẾCH TÁN 10/14/2010 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 11 12 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D ∂Z +... mực nước 10/14/2010 10/14/2010 PGS Dr Nguyễn Thống 10 PGS Dr Nguyễn Thống MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC MẠNG LƯỚI CẤP THOÁT NƯỚC Chương : Dòng khơng ổn định 1D Chương : Dòng khơng ổn định 1D • Trong