III. Đo lu tốc:
3)Đo bằng phơng pháp chụp ảnh, quay video.
Đ4-1. NGHIấN CỨU GIẢI PHÁP BỐ TRÍ TỔNG THỂ ĐẦU MỐI CễNG TRốNH THỦY LỢI
Đầu mối cụng trỡnh thủy lợi thường cỳ đập chắn, đập tràn, nhà mỏy thủy điện, ừu thuyền, cụng trỡnh lấy nước. Cỳ thể tỡm ra giải phỏp tối ưu cho cụng trỡnh nếu như nỳ làm việc độc lập. Nhưng chỳng được bố trớ tập chung ở một khu vực tạo nờn một đầu mối và tối ưu cho cụng trỡnh này lại cỳ thể bất lợi cho cụng trỡnh khỏc. Vỡ vậy cần phải cỳ giải phỏp tổng thể cho cả đầu mối được hợp lý. Với những cụm cụng trỡnh đầu mối lớn, quan trọng thường cỳ thớ nghiệm mụ hỡnh để đạt được mục đớch trờn.
Với mụ hỡnh những cụng trỡnh thủy lợi này, chiều dài quỏ ưu thế so với chiều rộng và chiều cao như ở cỏc cụng trỡnh lũng dẫn. Do vậy, đa số mụ hỡnh cỏc cụng trỡnh đầu mối đảm bảo tương tự hỡnh học. Thường dựng mụ hỡnh khụng gian để nghiờn cứu chọn giải phỏp bố trớ tổng thể tối ưu.
Khi nghiờn cứu cần chỳ ý tới:
- Cửa vào cụng trỡnh lấy nước được thuận lợi và phự hợp với an toàn của đập chắn, khụng gừy khỳ khăn cho thuyền vào ừu.
- Cụng trỡnh thỏo lũ nờn đặt ở đừu với hỡnh thức ra sao để khi nỳ hoạt động khụng tạo nờn bất lợi cho sự làm việc an toàn của đập, cửa ra của nhà mỏy thủy điện, đảm bảo cho thuyền bố ra khỏi ừu an toàn.
- Hệ thống đường hầm, cống ngầm (nếu cỳ) nờn đặt ở đừu để giữ an toàn cho đập chắn, trỏnh xa tỏc hại của làn nước tràn.
Mụ hỡnh hỳa này thường là mụ hỡnh ba chiều hoặc mụ hỡnh ba chiều kết hợp với mụ hỡnh mặt cắt.
- Nhiều cụm đầu mối cần phải nghiờn cứu thực nghiệm để bố trớ. - Chỳ ý:
+ Cửa vào: An toàn, và khụng gừy khỳ khăn cho thuyền vào ừu. + Cụng trỡnh thỏo lũ làm việc khụng tạo bất lợi cho cụng trỡnh khỏc. + Hệ thống đường ngầm, cống ngầm.
- Mụ hỡnh thường dựng loại 3 hướng, mụ hỡnh kết hợp.
Đ4-2. Mễ HốNH HểA TRÀN VÀ TIấU NĂNG
Mụ hỡnh tràn thuộc vào loại sử dụng nhiều nhất trong nghiờn cứu thực nghiệm. Vỡ thực tế dựng nhiều, mafl ại cỳ quỏ nhiều vấn đề cần quan từm giải quyết bằng thực nghiệm. Đập tràn được hiểu cả cỏc cống lộ thiờn, cụng trỡnh thỏo….
Dũng chảy qua đập tràn thường cỳ mặt thoỏn và lực tỏc dụng chủ yếu là trọng lực vỡ vậy mụ hỡnh theo tiờu chuẩn Froud để sai số ớt, kớch thước mụ hỡnh đủ lớn
nhằm loại trừ ảh hưởng của sức căng mặt ngoài. Để bảo toàn dũng rối phỏt triển hoàn toàn thỡ Re>Repg. Tỉ lệ hỡnh học thường chọn là đến . Nhằm đạt được tương tự hỡnh học hoàn toàn, cần đảm bảo điều kiện tương tự về độ nhỏm. Việc lựa chọn tỷ lệ mụ hỡnh cũn phụ thuộc vào thiết bị đo cỳ trong phũng thớ nghiệm.
Chỳng ta phừn tớch 1 vớ dụ sau đừy:
Cần xừy dựng mụ hỡnh tràn với lưu lượng qua tràn là Qt = 85m3/s; cao Pt =15m, bề rộng bt =50m. Mỏng trong phũng thớ nghiệm cỳ bề rộng 0,2m, chiều sừu 0,5m. Lưu lượng lớn nhất của may bơm Q=15m3/s. Tỷ lệ mụ hỡnh trong trường hợp này cần thỏa mỳn hai điều kiện: một là phự hợp với kớch thước mỏng, hai là phự hợp với khả năng của trạm bơm. Chỳng ta hỳy phừn tớch từng điều kiện. Chiều sừu cụng tỏc toàn bộ của cụng trỡnh được mụ hỡnh hỳa xuất phỏt từ chiều cao đập tràn và cột nước tràn. Đập cao ht = 15m và cột nước tràn là h = ( )
(4-1)
Với Q = 85m3/s; bt =50m; m=0,42
Với tỷ lệ λl=40, mỏng rộng 0,2m thỡ bề rộng tràn tương ứng là 0,2*40=8m, nghĩa là *8 =13,6 (m3/s). Ta dựng lưu lượng này để mụ hỡnh hỳa.
Vỡ mụ hỡnh tuừn theo tiờu chuẩn Froud nờn λQ = = λQ5/2nếu lấy lưu lượng qua mụ hỡnh theo khả năng mỏy bơm thỡ
λl = () = () =15 (4-4)
Theo (4-4) thỡ đũi hỏi mụ hỡnh phải lớn hơn, nhưng như thế thỡ khụng đặt mụ hỡnh vào mỏng được. Vỡ vậy, chọn tỉ lệ mụ hỡnh λl=40. Khi đỳ lưu lượng qua mụ hỡnh chỉ là
Qm = = =0,00134(m3/s)=1,34(l/s) (4-5)
Nghiờn cứu cỏc đặc trưng của đập tràn và bể tiờu năng là những vớ dụ điển hỡnh về việc sử dụng mụ hỡnh nghiờn cứu cỏc cụng trỡnh thủy lợi. Khả năng thỏo, quy trỡnh vận hành cửa van, trỳc rỗ bề mặt, xỳi hạ lưu… là những việc cần làm khi nghiờn cứu mụ hỡnh đập tràn: Đề phũng xỳi ở hạ lưu cụng trỡnh thủy lợi nhiều khi ta dựng bể tiờu năng. Bể cỳ tỏc dụng tiờu hao năng lương thừa, tạo ra sự phừn bố đều dũng chảy. Chuyển động xiết về dũng ờm, đưa mạch động về trạng thỏi bỡnh thường. Quan trọng nhất là tạo ra nước nhảy trong bể. Đỳ cỳ nhiều phương phỏp tớnh bể khỏc nhau, song khụng cỳ phương phỏp nào phản ỏnh đầy đủ cỏc yếu tố, bằng chứng là sau bể nhiều cụng trỡnh vẫn bị xỳi. Vỡ vậy nghiờn cứu về bể tiờu năng về mặt thủy lực vẫn là cần thiết.
Mụ hỡnh biể cần chọn tỷ lệ cho hợp lý. Nếu kớch thước mụ hỡnh bộ, thỡ ảnh hưởng của lực nhớt và sức căng mặt ngoài là đỏng kể, đặc biệt là khi chiều sừu dũng
chảy nhỏ. Để thu được tỷ lệ mụ hỡnh bộ nhất (λl lớn nhất) mà vẫn cỳ thể chấp nhận được, đụi khi phải thực hiện hàng loạt thớ nghiệm.
Để xỏc định ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài, Maxwell và Weggel đỳ tiến hành nhiều thớ nghiệm trờn tràn tam giỏc cỳ thu hẹp bờn và mặt tràn thực dụng để thay đổi hệ số sức căng mặt ngoài người ta sử dụng cỏc chất phụ gia (nỳ làm thay đổi ứng suất mặt ngoài tới 60% và độ nhớt động lực học chỉ giảm 4%). Người ta đỳ chỉ ra, sức căng mặt ngoài khụng thể là một giới hạn xỏc định tỷ lệ mụ hỡnh phự hợp với điều kiện tương tự theo tiờu chuẩn Froud. Giới hạn dưới của mụ hỡnh, trước tiờn là độ nhỏm, độ nhớt, độ chớnh xỏc của thiết bị đo, độ chớnh xỏc của xỏc định mặt tràn. Linford khẳng định ở tràn thành mỏng cột nước thấp (Htr ≤ 50,8mm) sức căng mặt ngoài là đỏng kể. Điều này giải thớch vỡ sao với cột nước tràn quỏ nhỏ trờn mụ hỡnh, làn nước tràn sẽ khụng cỳ.
Russel đỳ giới thiệu việc lựa chọn tỷ lệ mụ hỡnh cho đập tràn trờn cơ sở những nghiờn cứ của mỡnh ở phũng thớ nghiệm Hydrauliss Research Sation (Walling ford). Trong đỳ cỳ giới thiệu tỷ lệ mụ hỡnh nhỏ nhất. Cơ sở phừn tớch lựa chọn là dựa trờn khỏi niệm cột nước hiệu quả He = H khi (4-1) với Kh tra bảng (4-1)
He = H-Kh (4-6)
Trong đỳ: He: Cột nước hiệu quả (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
H: Cột nước toàn phần thực tế
Kh: Cột nước giảm do kể tới ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài Lưu lượng đơn vị tỷ lệ thuận với cột nước theo số mũ nờn ta cỳ thể viết
q1= C H ; q2= C He (4-7)
Vậy sai số Δq = C(H -He) với C = const (4-8)
= 1- () (4-9)
Với Kh được Russel giới thiệu ở bảng (4-1)
Bảng 4-4: Giỏ trị Kh STT Loại tràn Kh(mm) 1 Tràn thành mỏng -0,091 2 Tràn ngưỡng tràn 0,457 3 Tràn tam giỏc 0,183 4 Tràn ngưỡng rộng 9,146.10-4L
(L chiều dài ngưỡng)
Vớ dụ: Cỳ một ngưỡng tràn trũn, cột nước trờn thực tế nhỏ nhất là Ht = 76mm. Sai số lưu lượng ảnh hưởng của lực ma sỏt và sức căng mặt ngoài là 10% = 0,1. Nghĩa là =0,1
Vỡ vậy theo (4-9) ta cỳ
Tra bảng (4-1) cỳ Hh=0,457 nờn
[ ] =0,9 → H = 6,72(mm)
Giỏ trị H vừa tỡm được chớnh là cột nước tràn nhỏ nhất cỳ thể dựng trờn mụ hỡnh. Vỡ vậy tỷ lệ độ dài là
= = ≈ 11
Cần nhấn mạnh rằng, ý nghĩa của giới hạn dưới của tỷ lệ mụ hỡnh tràn là quan trọng khi đũi hỏi tớnh chớnh xỏc cao của mụ hỡnh hỳa lưu lương và khi sử dụng mụ hỡnh cỳ kớch thước rất bộ. Theo Allen với tỷ lệ mụ hỡnh đỳ chọn và dựng để tớnh chuyển dổi từ mụ hỡnh sang thực tế với sai số mắc phải xấp xỉ 5% thỡ cột nước tràn trờn mụ hỡnh khụng được nhỏ hơn 65mm.
Bờn cạnh những sai số ảnh hưởng đến tỷ lệ của mụ hỡnh do lực nhớ và sức căng mặt ngoài, cũn nảy sinh những khỳ khăn liờn quan đến sự tương tỏc giữa nước và khụng khớ. Ảnh hưởng của khụng khớ đến dũng chảy chỉ cỳ thể bỏ qua khi trờn mụ hỡnh và cả trong thực tế sự trộng khụng khớ khụng lớn. Đụi khi sự khỏc biệt của hiện tượng trộn khớ trong thực tế và trờn mụ hỡnh khụng thể bỏ qua được. Vớ dụ như khối lượng khụng khớ trộn vào dũng chảy làm cho chiều sừu dũng chảy tăng lờn mà trờn mụ hỡnh cũng phải đảm bảo điều kiện này. Bởi vậy, dong cỳ trộn khớ phải được nghiờn cứu riờng.
Vớ dụ 1: Dũng chảy trong thực tế cỳ lưu tốc trung bỡnh là Vt = 0,5m/s cần xỏc định lưu tốc Vm với λl=25. Nước trờn mụ hỡnh và trong thực tế là như nhau cựng υ
a) Khi trọng lực chiếm ưu thế: Dựng tiờu chuẩn Froud vỡ gt=gm=g. Áp dụng trong bảng (2-1) ta cỳ λυ= nghĩa là = = 5 → Vm = = 0,12(m/s).
b) Khi lực ma sỏt chiếm ưu thế: Áp dụng tiờu chuẩn Raynolds λυ = nghĩa là Vm =Vt. λl= 0,6.25=15m/s
Rừ ràng yờu cầu của hai tiờu chuẩn là rất khỏc nhau (gấp nhau tới 125 lần). Nờn nếu thỏa mỳn cả hai tiờu chuẩn chỉ duy nhất và chỉ khi λl=1 (nghĩa là hàm mụ hỡnh đỳng như thực tế)
Vớ dụ 2: Một cụng trỡnh thỏo lũ từ hồ chứa cỳ Qt=120 m3/s a) Yờu cầu xỏc định Qm khi λl=100.
Trong trường hợp này trọng lực chiếm ưu thế, vỡ vậy chỳng ta sử dụng tiờu chuẩn Froud:
λQ = λl5/2 → Qm =Qt.λl5/2 =1,2(l/s)
b) Cũng như trờn nhưng yờu cầu xỏc định quy luật thời gian theo tiờu chuẩn Froud:
Vớ dụ hiện tượng thủy lực diễn ra trong thực tế 10h thỡ trờn mụ hỡnh diễn ra trong khoảng thời gian tm = =1h
Vớ dụ 3: Xỏc định tỷ lệ mụ hỡnh cho phộp theo tiều chuẩn Froud để trờn mụ hỡnh khụng xuất hiện chảy tầng ứng với lưu lượng xỏc định trong sụng là Q nếu lưu tốc trong thực tế là Vt = 0,8m/s và bỏn kớnh thủy lực Rt= 1m
Giữa chảy tần và chảy rối cỳ trị số Raynolds phừn giới Rek với ống trũn Rek= =2320 với lũng dẫn hở Rek = =580. Trong những điều kiện thuận lợi chảy tầng vẫn cũn tồn tại với trị số Raynolds lớn hơn. Chỳng ta cần trờn mụ hỡnh cỳ dũng rối phỏt triển hoàn toàn, vỡ thế đối với mụ hỡnh Rek = 2000 ữ 5000, nghĩa là
Re= ≥ 2000 ữ 5000
Theo tiờu chuẩn Froud ta cỳ Vm = ; Rm = Nờn Re= ≥ 2000 ữ 5000
Nếu trờn mụ hỡnh dựng nước cỳ υm=1,2.10-6(m2/s) thỡ λl≤ [] = (30ữ 56) (vt.Rt) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
λl≤ (26ữ48)
Nếu như kớch thước phũng thớ nghiệm khụng cho phộp thỡ chỳng ta sử dụng mụ hỡnh biến dạng.
Để đảm bảo định lượng khi nghiờn cứu bể tiờu năng và xỳi ở hạ lưu cụng trỡnh thủy lợi cần:
1) Mụ hỡnh la mụ hỡnh mềm. Vật liệu đỏy phải được mụ hỡnh hỳa đảm bảo đường cong cấp phối hạt. Thể nằm và độ dốc đỏy trờn mụ hỡnh và thực tế giống nhau.
2) Dũng chảy trờn mụ hỡnh ở khu tự động mụ hỡnh
3) Với λl đỳ chọn, đường kớnh hạt d, dung trọng cỏt dưới nước γc’, thời gian t và lưu lượng bựn cỏt qc phải thỏa mỳn cỏc quan hệ
λd. λγc’ = λl (4-10)
λt = λl . λγc’ (4-11)
4) Đường kớnh hạt nhỏ nhất phải lớn hơn 0,5mm. Trờn thực tế γc = 2,65(T/m3), nếu chọn trờn mụ hỡnh cỏt cũng cỳ γc’= 2,65(T/m3) nghĩa là λ =1 thỡ khỳ đảm bảo điệu kiện trờn vỡ vậy đụi khi cọn vật liệu đỏy nhẹ
5) Điều kiện tương tự bắt đầu chuyển động của bựn cỏt: Red = ≥ 35 (4-13) Với = = v. là lưu tốc động lực
F: hệ số tổn thất ma sỏt
6) Để đảm bảo tương tự khối lượng bựn cỏt chuyển động thỡ độ thụ thủy lực của nhỳm hạt nhỏ nhất Wmin phải thỏa mỳn Wmin ≥ (4-14)
a) Lưu tốc trờn mụ hỡnh tạo ra những điều kiện tương tự theo tiờu chuẩn Froud là đủ bộ để vẫn tạo điều kiện nảy sinh cỏc xoỏy nước.
b) Để đảm bảo những điều kiện tương tự của quỏ trỡnh hỡnh thành và tan biến cỏc xoỏy trờn mụ hỡnh thỡ cần thiết để mụ hỡnh được nghiờn cứu với những lưu tốc thực.
Thực nghiệm trờn mụ hỡnh với lưu tốc tăng xuất hiện tiếng động cỳ thể theo dừi bằng mắt những sự thay đổi của cấu trỳc dũng chảy. Nội dung cụng việc này cỳ thể theo cỏc bước sau:
- Trước tiờn mụ hỡnh được nghiờn cứu với lưu tốc phự hợp với những điều kiện tương tự theo tiờu chuẩn Froud để xỏc định những đặc trưng cơ bản của dũng chảy. Nếu xuất hiện dấu hiệu nào đỳ của xoỏy, thỡ tiến hành thớ nghiệm lại với lưu tốc lớn hơn. Nếu trờn mụ hỡnh ứng với Vt đỳ cỳ xoỏy nước xuất hiện thỡ khụng thể khẳng định một cỏch chắc chắn rằng xoỏy nước cỳ cả tỏng cụng trỡnh thực tế. Nếu trờn mụ hỡnh khụng cỳ xoỏy nước cỳ cả tỏng cụng trỡnh thực tế. Nếu trờn mụ hỡnh khụng cỳ xoỏy nước, thỡ tỏng những điều kiện tương ứng ở ngoài thực tế sẽ chắc chắn khụng cỳ xoỏy nước.
- Khi trờn mụ hỡnh cỳ xoỏy thỡ chỳng ta cỳ thể kiềm chế nỳ bằng nhiều phương phỏp khỏc nhau. Vớ dụ bằng cỏch tạo ra vật chắn vuụng gỳc với hướng của dũng chảy. Cần tỡm ra vị trớ và kớch thước vật chắn cho hợp lý.
II. Mụ hỡnh dũng chảy hỗn hợp nước khớ:
Xiphong được dựng từ giữa thế kỷ 19 để điều tiết nước, sau đỳ dựng làm cụng trỡnh xả lũ ở hồ chứa và dựng để hạn chế sự dao động của lưu lượng trong kờnh và
buồng ừu. Cỳ nhiều loại xiphong khỏc nhau (Hỡnh 4-2), nhưng đều dựa trờn một nguyờn tắc.
Khi nước trong hồ vượt qua đỉnh tràn thỡ xiphong làm việc. Lỳc này Q tỷ lệ thuận với b và h (với h là cột nước tràn tớnh từ đỉnh tràn tới MNTL). Khi MNTL tiếp tục tăng tới mức làm ngập mặt cắt ở đỉnh xiphong, thỡ khụng khớ vào xiphong giảm dần va sau đỳ là khụng cũn. Khi xiphong làm việc đầy ống thỡ Q tỷ lệt thuận với (H là chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu). Xiphong cỳ sự chuyển đột ngột từ chế độ tràn hở sang tràn đầy ống. Chớnh điều này đỳ làm nảy sinh nhiều vấn đề như rung động, khớ thực… làm xiphong dễ bị hỏng đột ngột. Dần dần người ta bố trớ thiết bị điều chỉnh khụng khớ cho phộp trỏnh những vấn đề nờu trờn. Vớ dụ: sử dụng thết bị hỳt khụng khớ trong xiphong.
Thoạt đầu xiphng làm việc theo chế độ đạp tràn cỳ mặt thoỏng. Sau đỳ cửa vào bị ngạập, chế độ vẫn là tràn tự do nhưng trng dũn chảy cỳ bọt khớ. Khụng khớ dần hũa tan vào dũng chảy và bị cuốn đi (đừy là chế độ dũng hai pha). Sau đỳ xiphong làm việc theo chế độ cỳ chừn khụng
Với chế độ tràn cỳ mặt thoỏng và chế độ chừn khụng thỡ khụng cỳ vấn đề gỡ lớn, hoàn toàn cỳ thể mụ hỡnh hỳa theo tiờu chuẩn Froud, nhưng với chế dộ dựng hai pha khụng thể mụ hỡnh hỳa chớnh xỏc được. Bởi vỡ, sự cỳ mặt của khụng khớ trong dũng nước đỳ làm xuất hiện hàng loạt vấn đề. Sự tạo thành cỏc bọt khớ là phải nghĩ đến những hiện tượng liờn quan đến sức căng mặt ngoài. Nếu chất lỏng trờn mụ hỡnh và trong thực tế là như nhau thỡ kớch thước cỏc bọt khớ gần giống nhau. Dũng hỗn hợp với một khối lượng đỏng kể của khụng khớ là dũng nộn được, nghĩa là sự thay đổi ỏp lực trong xiphong sẽ dẫn đến sự thay đổi dung trọng. Điều đỳ sẽ khỳ mụ hỡnh hỳa mộ cỏch chớnh xỏc trong những điều kiện khớ quyển bỡnh thường. Những vấn đề này, về mặt lý thuyết cũng như thực tế đỳ dẫn tới mụ hỡnh phải cỳ kớch thướng đủ lớn để thỏa mỳn nhứng điều kiện tượng tự theo tiờu chuẩn Froud và đảm bảo sự tương tự gần đỳng cho phộp đối với dũng hai pha. Nếu mụ hỡnh đạp tràn nhỏ thỡ chờnh lệch cột