Xác định vận tốc bằng xác định lực tác động của dòng chảy lên

4. Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu

2.4.4. Xác định vận tốc bằng xác định lực tác động của dòng chảy lên

Từ đó, nhận được công thức tính vận tốc: v  u1 2gh (2.5)

Công thức (2.5) dùng được trong trường hợp chất lỏng lý tưởng còn trong trường hợp dòng chảy rối thì (h) bé hơn. Để áp dụng người ta đưa vào một hệ số điều chỉnh () được xác định bằng cách kiểm định. Khí đó (2.5) có dạng:

u  2gh (2.6) Trong thực tế hiện nay đã chế tạo được các ống đo có hệ số  =1.

2.4.4. Xác định vận tốc bằng xác định lực tác động của dòng chảy lên vật trôi

Nguyên tắc dựa trên mối quan hệ giữa vận tốc dòng chảy và áp suất của dòng

lên vật thể nằm trong đó. Nó được biểu diễn qua mối liên hệ:  2 2 1 u C R x (2.7)

R- Lực áp suất của dòng chảy lên vật. Cx - hệ số cản, phụ thuộc vào hình dạng của vật và hệ số Reinolds (Re).  - mật độ nước; u - vận tốc dòng chảy.  - diện tích

hình chiếu vật lên bề mặt vuông góc với vận tốc dòng chảy gọi là Midel. Từ (2.7) vận tốc sẽ có là:  x C R u v  2 (2.8) Vậy khi đo được áp suất dòng chảy lên vật trôi có thể đo được vận tốc dòng chảy. Trong công thức trên  - đã biết. Hệ số Cx phụ thuộc vào hình dạng của vật và hệ số Reinolds (Re).

v ud

Re  (2.9)

u- vận tốc dòng, d- kích thước vật cản;  - hệ số nhiệt động nớt của nước, phụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hàm Cx= f(Re) đã có trình bày trong các tài liệu tra cứu. Về lý thuyết, đo vận tốc còn

có thể dựa trên phương pháp thể tích, phương pháp trao đổi nhiệt và phương pháp hồi âm.

2.5. Lƣu lƣợng dòng chảy và phƣơng pháp đo

Lưu lượng nước là một thể tích nước chảy qua một thiết diện ngang của dòng chảy trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo là m3/s hoặc l/s; ký hiệu Q.

Lưu lượng nước là một đặc trưng rất quan trọng; là một trong những thành phần chủ yếu nhất của dòng chảy. Trên cơ sở xác định lưu lượng, người ta tính lưu lượng nước trung bình ngày, lưu lượng nước cực đại, cực tiểu cũng như là thể tích dòng chảy qua khoảng thời gian này hoặc kia.

Các phương pháp xác định lưu lượng nước đang tồn tại có thể chia ra hai nhóm: đo trực tiếp và đo gián tiếp.

Nhóm thứ nhất gồm phương pháp thể tích dựa trên việc đo thể tích bằng các dụng cụ đo đặt dưới dòng nước, đồng thời đo cả thời gian lúc đầy dụng cụ chứa. Lưu lượng là tỷ số giữa thể tích và thời gian đo. Phương pháp này thường được áp dụng trên các dòng chảy bé như suối, kênh, rạch... và có độ chính xác cao.

Phương pháp đo gián tiếp gồm nhiều phương pháp mà đặc trưng chung của nó là không đo trực tiếp lưu lượng mà đo một số yếu tố của dòng chảy và lưu lượng thu được thông qua tính toán. Nhóm phương pháp này bao gồm:

a) Phương pháp xác định lưu lượng theo vận tốc dòng chảy và diện tích mặt cắt ngang của dòng gọi là phương pháp “lưu tốc- diện tích”

b) Xác định lưu lượng nhờ các công trình đo cố định như kênh đào, đập chắn - lưu lượng xác định theo yếu tố thủy lực.

c) Phương pháp hỗn hợp (điện, nhiệt...)

d) Phương pháp phổ biến là phương pháp “lưu tốc- diện tích” .

Bản chất phương pháp “ lưu tốc- diện tích” là xác định thể tích mô hình lưu lượng – là đo thể tích vật thể nước có số đo bằng lưu lượng nước đi qua mặt cắt ngang dòng chảy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ta xét mặt cắt ngang dòng chảy với vận tốc dòng khác nhau ở các điểm khác nhau. Vận tốc lớn nhất tại bề mặt giữa các dòng càng gần bờ và đáy chúng càng bé dần. Tương ứng với nó là thành phần lưu lượng đơn vị trong từng phần của mặt cắt ngang. Để xác định lưu lượng qua một diện tích thành phần cần nhân diện tích của nó với vận tốc dòng.

Hình 2.4. Mặt cắt ngang của dòng chảy

dQvcosd (2.10) Trong đó: v- Vận tốc trong giới hạn của diện tích thành phần; α- góc lệch của

hướng vận tốc và đường vuông góc; dx- diện tích các thiết dện thành phần. Lưu lượng nước qua toàn bộ diện mặt cắt ngang sẽ là:

            x B x h y y dxdy v d v Q 0 0 cos cos (2.11)

Nếu α giữ nguyên giá trị của nó cho mọi diện tích thành phần thì (2.11) có thể viết như sau:

Q vdxdy B h   0 0 cos (2.12)

Nếu véc tơ vận tốc có hướng trùng với đường vuông góc có nghĩa là α = 0 thì khi đó cosα =1 Q  B hvdxdy vd 0 0 cos    (2.13) dx y B

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Công thức thu được trên đây là thể tích lưu lượng nước hay là vật thể nước được giới hạn mặt sau là mặt cắt ngang của dòng, phía trên là mặt nước tự do thể hiện phân bố vận tốc dòng và phía dưới là một mặt cong được xác định bởi quan hệ

v = f(x, y). Từ đó suy ra rằng xác định lưu lượng là xác định tích phân đã nêu trên.

Song trên thực tế khó áp dụng do không rõ cách lấy v = f(x, y) nên thực tế ta

tính toán theo cách đơn giản hơn: lưu lượng tính theo công thức xấp xỉ bằng cách thay tích phân bằng tổng theo phương pháp phân tích.

Có thể xác định lưu lượng theo phương pháp sau:

Đầu tiên nếu biết lưu lượng nước trên các thủy trực (lưu lượng đơn vị) thì lưu lượng được xác định theo công thức:

Q  Bqdx

0

(2.14) Trong đó q- lưu lượng thành phần bằng tích của vận tốc trung bình trên thủy trực với độ sâu chính thủy trực đó, tức là q = vBh với B - độ rộng của sông (suối). Thứ hai, nếu trong mặt cắt dòng chảy có các đẳng lưu và có thể xác định được diện tích nằm giữa các đường đẳng lưu và đường mực nước thì thể tích mô hình lưu lượng nước sẽ là:  max 0 V vdv Q  (2.15)

ωv - Diện tích bị hạn chế bởi đường đẳng lưu v và đường mực nước.

Đo lưu lượng bằng lưu tốc kế

Chọn đoạn suối. Yêu cầu tối thiểu như chọn đoạn sông, suối có tuyến đo mực nước, ngoài ra còn yêu cầu bổ xung như sau:

- Có dòng nước chuyển động ổn định; - Có chung hướng dòng chảy;

- Về mùa lũ có vận tốc không quá 3-4 m/s;

- Vận tốc về mùa kiệt 0,15 - 0,25m/s để có thể đo bằng lưu tốc kế có độ chính xác cao;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Không có nước tù và dòng chảy ngược.

2.6. Trang thiết bị đo khảo sát dòng chảy và thí nghiệm bơm

Để thực hiện nhiệm vụ khảo sát dòng chảy và thực hiện các nội dung thí nghiệm bơm xoắn ốc, đề tài đã sử dụng các trang thiết bị sau:

- Máy đo lưu tốc

- Thước đo sâu chuyên dụng – vật liệu bằng gỗ đầu bịt sắt

Thước đo là cây sào hình trụ đường kính 6 - 8 cm làm bằng gỗ độ dài 3- 4 m. Trên sào có khắc chia mực khoảng cách nhau 5cm.

- Đồng hồ đo thời gian.

Một số loại máy đo khảo sát dòng chảy

1). Máy đo lưu tốc dòng chảy MODEL OSS-B1 Gồm: - Sensor làm bằng thép không gỉ (CMB18) - Bảng kiểm định - 4 mét cáp nối. - Các ổ trục dự phòng - Bộ công tắc lưỡi gà dự phòng

- Thanh lội nước đường kính 20mm x dài 3m có 3 đoạn, chia độ 2cm và được đánh số dm.

- Bộ cánh đuôi CMB09, - Bộ nắn dòng

Hình 2.5. Máy đo lưu tốc dòng chảy MODEL OSS-B1

2). Máy đo dòng chảy AEM1-D

Cấu hình gồm:

- Bộ hiển thị - Đầu Sensor

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Cáp dẫn

Đặc điểm

- Đo vận tốc từ hơn 3cm độ sâu.

- Bổ sung chức năng bộ nhớ vào bộ hiển thị. - Hoạt động đơn giản và hiệu chỉnh Zero tự động. - Màn LCD rộng hơn cho hình ảnh rõ nét hơn.

Hình 2.6. Máy đo lưu tốc dòng chảy AEM1-D

Thông số kỹ thuật chuẩn:

- Sensor: Điện từ

- Hướng: Trục đơn, ổ trục đơn. - Dải đo vận tốc: 0 - 5 m/s. - Độ phân giải: 0,002m/s - Độ sâu cực tiểu: 3 cm

- Khoảng cách thời gian: 1, 5, 10, 30, 60 giây. - Hiển thị: Màn LCD 20 ký tự.

- Dung lượng bộ nhớ: 2 MB, có thể ghi lên tới 99 block. - Chi tiết bộ nhớ: Block #, thời gian, vận tốc.

- Lịch: Năm, tháng, ngày, giờ, phút.

- Đầu ra: Truyền số liệu ghi được vào bộ nhớ theo đồng hồ thời gian thực. - Pin: UM2 4 ea. ( 20 giờ liên tục)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Trọng lượng: Sensor 200 g. Bộ hiển thị 1 kg.

Hình 2.7. Khảo sát dòng chảy

Dòng chảy sông suối mạnh hay yếu được đánh giá đánh giá qua công suất

của dòng chảy theo công thức sau: 2 2 u G Q DC DC  ; (w) (2.16) Trong đó: GDC- Lưu lượng dòng chảy, kg/s

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chƣơng III

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH

CỦA BƠM XOẮN ỐC 3.1. Cơ sở nguyên lý hoạt động của bơm xoắn ốc

Bơm xoắn ốc là loại bơm có kết cấu và nguyên lý hoạt động rất đơn giản. Nó bao gồm một ống mềm dẻo dài quấn thành cuộn hình tròn hoặc hình xoắn ốc, đặt ngập một phần trong nước, với đường tâm trục cuộn ống song song với bề mặt nước. Một đầu của đường ống được để mở và là đầu múc của cuộn ống (đầu vào của bơm). Một đầu kia của ống được dẫn kết nối thông qua một khớp nối quay kín để ra ống xả nước được thể hiện trong hình 3.1.

Hình 3.1. Sơ đồ một cuộn ống bơm xoắn ốc

Dưới tác động của sức nước dòng suối chảy lên cánh nhận nước làm bơm Dòng chảy suối

Chiều quay bơm

Cánh nhận nước

Ống dẫn nước lên cao

Cuộn ống bơm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

quay, cứ mỗi vòng quay đầu cuộn ống múc nạp một lượng nước và một lượng không khí vào trong vòng ống. Như vậy trong mỗi vòng ống có một phân đoạn ống chứa nước và một phân đoạn chứa không khí. Tỷ lệ chiều dài của phân đoạn chứa nước và phân đoạn chứa không khí phụ thuộc vào mức ngập sâu của cuộn ống trong nước. Quá trình quay tiếp tục tuần tự với các phân đoạn nước và không khí mới được nạp vào di chuyển trong đường ống, dồn ép các phân đoạn nước và khí trước đó tạo áp lực cao nâng đẩy nước thoát ra theo đường ống trục đẩy nước lên cao. Quá trình dồn ép của các phân đoạn nước và khí được gia tăng bởi mỗi phân đoạn nước và khí được múc vào ứng với mỗi vòng quay của cuộn ống đóng vai trò như một áp kế và duy trì một áp suất riêng. Tổng của tất cả những áp suất riêng bằng áp suất đầu ra của bơm (áp suất đầu ống xả).

Để minh họa cho quá trình tích nước và không khí của bơm cuộn xoắn ốc khi làm việc, ta xem cuộn ống bơm là sự kết nối của các vòng ống nối tiếp nhau tạo thành. Tương tự như ta mắc nối tiếp các áp kế chữ U (Mỗi vòng ống của cuộn bơm tương tự như một áp kế chữ U). Sau đây ta xem xét việc sử dụng ống áp kế hình chữ U và kết nối các áp kế chữ U nối tiếp với nhau.

Như ta đã biết áp kế chữ U là một công cụ cơ bản để đo áp lực. Hình thức phổ biến nhất của nó có kết cấu là một ống trong suốt uốn hình chữ U và có chứa một phần chất lỏng được niêm phong dùng nước hoặc thủy ngân (hình 3.2)

Hình 3.2. Áp kế chữ U

h

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Có hai loại áp kế thường sử dụng là áp kế kiểu mở và áp kế kiểu đóng. Đối với áp kế có một đầu ống chữ U thông với khí quyển được gọi là là áp kế kiểu mở, còn nếu một đầu chữ U được đóng kín lại, áp kế đó được gọi là áp kế kiểu đóng. Chúng ta sẽ xem xét chi tiết việc sử dụng áp kế trong việc đo áp lực với các trường hợp sau:

- Trường hợp áp kế cuối khép kín (hình 3.3).

Hình 3.3. Áp kế cuối khép kín

Trên hình 3.3 ta có thể nhìn thấy một đầu của áp kế là mở cửa cho bình khí và đầu kia được đóng lại. Mức trong hình x và y là cùng ngang nhau, do đó áp lực diễn xuất trên những điểm này đều bằng nhau. Áp lực tại điểm x là áp suất khí và áp suất tại điểm y là áp lực của thủy ngân (hoặc nước) ở độ cao h.

Trong hệ thống áp suất khí bằng;

Pk h (3.1) Trong đó:  - Khối lượng riêng của chất lỏng trong áp kế

- Trường hợp áp kế cuối mở (hình 3.3).

Trên hình 3.3 ta nhìn thấy một đầu của áp kế chứa đầy khí còn một đầu kia của nó nối thông với khí quyển. Có ba trường hợp chúng ta nên tìm hiểu trong đo áp suất khí bởi sự trợ giúp của áp suất khí quyển.

Pk

Thuỷ ngân (hoặc nước) Khoảng không

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong trường hợp đầu tiên, áp lực tại các điểm x và y bằng nhau. Px = áp lực của khí và Py = h + P0 như vậy;

Pk = P0 + h (3.2)

Hình 3.4. Trường hợp áp kế cuối mở

Trong trường hợp thứ hai, áp lực tại điểm x và y cũng bình đẳng và Px= áp lực của khí và Py = P0 , do đó:

Pk = P0 (3.3) Trong trường hợp thứ ba, áp suất tại điểm x và y cũng bình đẳng và Px = áp lực của khí + h và Py = P0, do đó:

Pk+ h = P0

Pk = P0 – h (3.4)

Khi ta mắc nối các áp kế chữ U nối tiếp nhau như trên (hình 3.5), áp lực P sẽ có giá trị sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hoặc thay thế từ phương trình 3.1:

P = p1 + p2 + p3 + ... + pn (3.6)

Hình 3.5. Các áp kế mắc nối tiếp

3.2.Lý thuyết về quá trình hoạt động của bơm

3.2.1. Nguyên lý bơm - áp kếtầng

Để mô tả quá trình hoạt động của bơm, ta xem mỗi vòng ống của cuộn bơm tương tự như một áp kế chữ U. Khi kết nối các vòng ống áp kế nối tiếp với nhau tạo thành tầng áp kế. Như vậy cuộn ống bơm xoắn ốc được xem giống tương tự như một tầng áp kế. Quá trình làm việc tích nước và tích không khí sau mỗi vòng quay vào cuộn ống là sự kết hợp các nguyên tắc cơ bản của áp kế ống chữ U - nhiều ống nối tiếp nhau tương tự như một áp kế cân bằng nhiều vòng (hình 3.6).