Bài Tập Lớn Thủy Lực Cơ Sở.pdf

Trang 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong khi nghiên cứu các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau người ta thường gặp những vấn đề chuyển động của chất lỏng Sự cân bằng và chuyển động của chất lỏng, sự tương tác lực của chất l[.]

Trang

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong khi nghiên cứu các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau người ta thường gặp những vấn đề chuyển động của chất lỏng Sự cân bằng và chuyển động của chất lỏng, sự tương tác lực của chất lỏng lên các vật rắn Quá trình nghiên cứu vấn đề này ngày càng phong phú và đạt được những thành tựu đáng kể Dần dần hình thành một môn khoa học chung đó là : “Cơ học chất lỏng” và khoa học thủy lực cũng năm trong đó

Cùng với sự phát triển chung của các nghành khoa học trên thế giới, thuỷ lực

là môn khoa học chuyên nghiên cứu các quy luật cân bằng và chuyển động cơ học

vĩ mô của chất lỏng Đồng thời tìm ra các biện pháp áp dụng các quy luật đó vào sản xuất mà cơ sở lý luận của nó là Toán học, Vật lý học và Cơ học chất lỏng lý thuyết Bản thân Thuỷ lực học là cơ sở để nghiên cứu nhiều lĩnh vực kỹ thuật chuyên môn như: Cấp thoát nước và khí, xây dựng công trình thuỷ lợi, thuỷ năng, thuỷ điện, cảng và đường thuỷ Chế tạo máy nói chung, chế tạo máy thuỷ lực nói riêng, điều khiển bằng cơ cấu thuỷ lực, truyền động thuỷ lực, tự động hoá thuỷ lực

Trong quá trình thực hiện được sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của Thầy Phạm

Quang Thiền và sự góp ý của các bạn trong lớp mà em đã hoàn thiện bài tập

này.Tuy nhiên sụ tiếp thu còn có hạn, bài tập lớn của môn học có liên quan nhiều đến kiến thức thực tế nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự quan tâm chỉ dẫn của thầy giáo để giúp em hoàn thiện được những kiến thức của mình về môn học và những bài tâp khác sắp tới, phục vụ tốt công việc của em sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

BÀI TẬP LỚN THỦY LỰC CƠ SỞ

Trang

2

Bài 1 ( đề số 146)

Cho sơ đồ phân phối nước như hình vẽ:

N q=0.5l/s

L9 L6 H

B L10

Cột nước tự do ở cuối mỗi đường ống là 15m Cao trình điểm cuối của các ống nhánh cho theo bảng 1.1 Các số liệu khác theo bảng 1.2

Yêu cầu :

1 Tính đường kính cho tất cả các ống nhánh trên sơ đồ

2 Xác định chiều cao của các ống tháp nước

3 Vẽ đường đo áp cho nhánh chính

Bảng 1.2 :

Bảng 1.2: Số liệu bài 1

Trang

3

Đề L 1

(m)

L 2

(m)

L 3

(m)

L 4

(m)

L 5

(m)

L 6

(m)

L 7

(m)

L 8

(m)

L 9

(m)

L 10

(m)

L 11

(m)

L 12 (m)

L 13 (m)

146 240 220 610 450 150 360 200 320 360 150 410 440 350

Bài làm

1.Tính đường kính ống trục chính và các nhánh trong hệ thống

Ngoài ra trong điều kiện tương tự còn phải xét đến cao trình điểm nút của nhánh

để quy định đâu là trục chính

Theo đề bài ta thấy cao trình của điểm T cao nhất như vậy trục chính là:

A – B – C – D – E – T

-Xác định lưu lượng cho các đoạn ống :

Đoạn ET : QET = QT = 10 (l/s)

Đoạn DE : QDE = QT + QK = 10+9 = 19 (l/s)

Đoạn CD : QCD = QDE + QM= 19 + 8 = 27 (l/s)

Đoạn BC : QBC = QCD + QL + QX = 27 + 8+ 9 = 44 (l/s)

Đoạn AB : QAB = QBC + QY + q x L7 = 44 + 12 + 0,5 .200 = 156 (l/s)

-Xác định đường kính ống dẫn mỗi đoạn :

Dựa theo bảng đường kính ống dẫn D chọn theo lưu tốc kinh tế và lưu

lượng kinh tế sau :

Bảng 4 – 5 :(Giáo trình kỹ thuật thủy khí – tr.132)

D1(mm) 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 V1(m/s) 0.75 0.75 0.76 0.82 0.85 0.95 1.02 1.05 1.10 1.15 1.20 Q1(l/s) 1.5 3.3 6 10 15 30 50 102 106 145 190

Từ bảng trên ta lấy đường kính cho mỗi đoạn là :

QET = 10(l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn ET : dET = 125(mm)

QDE = 19 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn DE : dDE =150 (mm)

QCD = 27 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn CD : dCD = 200 (mm)

QBC = 44 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn BC : dBC = 250 (mm)

QAB = 156 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn AB : dAB = 400 (mm)

Ta có :

QE – K= QK= 9 (l/s)

Trang

4

QD – M = QM =8 (l/s)

QI – L = QL =8 (l/s)

QI – X = QX = 9 (l/s)

QC – I = QI = QL + QX = 8 + 9 = 17 (l/s)

QH – Y = QY = 12 (l/s)

QH –N = QN = q x L7 = 0.5 x 200 = 100 (l/s)

QB – H = QH = QY + QN = 12 + 100 = 112 (l/s)

*Tra bảng 4 – 5 ta lấy được đường kính của các đoạn như sau :

QE – K = 9 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn EK : dEK = 125 (mm)

QD – M =8 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn DM : dDM = 125 (mm)

QI – L = 8 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn IL : dIL = 125 (mm)

QI – X = 9 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn IX : dIX = 125 (mm)

QC – I = 17 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn CI : dCI = 150 (mm)

QH – Y = 12 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn HY : dHY = 125 (mm)

QH –N= 100 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn HN : dHN = 300 (mm)

QB – H = 112 (l/s) => Đường kính ống dẫn cho đoạn HN : dBH =350 (mm)

*Bảng đường kính ống dẫn cho tất cả các ống chính và ống nhánh có trong sơ đồ:

Đoạn AB BC CD DE ET EK D

M

IL IX CI HY HN BH

Q(l/s) 15

6

44 27 19 10 9 8 8 9 17 12 10

0

11

2 D(mm

)

40

0

25

0

20

0

15

0

12

5

12

5

125 12

5

12

5

15

0

15

0

30

0

35

0

2 Tính chiều cao các ống tháp nước

-Tính tổn thất cột áp trên từng đoạn :

Ta cã c«ng thøc chung tÝnh tæn thÊt cét n-íc lµ:

hdi= i

i

l K

Qi 22

Trang

5

Víi Ki = .c R = 2/3

4 4

14 , 3

n

d

Tra b¶ng 3.3 gi¸o tr×nh thuû lùc vµ m¸y thuû lùc,

vµ chän víi ®-êng èng bình thường với C0 =

n

1 = 80 → n=0,0125 Q: lưu lượng nước trên các đoạn

l : chiều dài của từng đoạn

→ K= 24,92 (d)8/3

- Tổn thất cột áp trên đoạn E - T:

K9 = 24,92 (0,125)8/3 = 0,097

9 2

2

.l

K

Q h

ET

ET T

E− = =>

2

2

(0, 01)

.360 3,826 (0, 097)

ET

h = = (mH2O)

hwE - T = 1,1 .hE - T= 1,1 3,826 = 4,209 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n D - E:

K4 = 24,92.(0,15)8/3 = 0,158

507 , 6 450 ) 158 , 0 (

) 019 , 0 (

2

2

4 2

2

=

=

K

Q h

DE

DE

hwDE = 1,1 x hD-E = 1,1 6,507= 7,158 (mH2O)

- Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n C - D:

K3 = 24,92.(0,200)8/3 = 0,341

3

(0, 027) 610 3,824 (0,341)

CD CD

CD

Q

K

hwC - D = 1,1 hC - D = 1,1.3,824 = 4,206 (mH2O)

- Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n B - C:

K2 = 24,92.(0,250)8/3 = 0,618

2

(0, 044) 220 1,115 (0, 618)

BC BC

BC

Q

K

hwB - C = 1,1 hB - C = 1,1 1,115= 1,226 (mH2O)

- Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n A - B:

K1 = 24,92.(0,400)8/3 = 2,164

Trang

6

1

(0, 206) 240 2,175 (2,164)

BA BA

BA

Q

K

hwB - A = 1,1.hB - A = 1,1 2,175 = 1,292 (mH2O)

- Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n E - K:

5 24,92 E K 24, 92 (0,125) 0, 097

5 2

2

.l

K

Q h

K E

K E K

E

−

−

2

(0, 009)

.150 1, 291 (0, 097)

E K

h − = = (mH2O)

hwE-K = 1,1 .hE-T = 1,1 1,291 = 1,420 (mH2O)

- Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n D - M:

097 , 0 ) 125 , 0 (

92 , 24

92 ,

4 8/3 8/3

K

12 2

2

.l

K

Q h

M D

M D M

D

−

−

− = => (0, 008)22.440 2,992

(0, 097)

D M

hwD-M = 1,1 hD-M = 1,1 2,992 = 3,291 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n I - X:

097 , 0 ) 125 , 0 (

92 , 24

92 ,

4 8/3 8/3

K

11 2

2

.l

K

Q h

X I

X I X

I

−

−

2

(0, 009)

.410 3,529 (0, 097)

I X

hwI-X = 1,1 hI-X = 1,1.3,529= 3,882 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n I - L:

097 , 0 ) 125 , 0 (

92 , 24 24,92. 8/3 8/3

K

13 2

2

.l

K

Q h

L I

L I L

I

−

−

− = =>

2

2

(0, 008)

.350 2,380 (0, 097)

I L

h− = = (mH2O)

hwI-L = 1,1 hI-L = 1,1 2,380= 2,619 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n C - I:

158 , 0 ) 150 , 0 (

92 , 24

92 ,

4 8/3 8/3

K

10 2

2

.l

K

Q h

I C

I C I

C

−

−

− = => (0, 017)22.150 1, 736

(0,158)

C I

h − = = (mH2O)

Trang

7

hwC-I = 1,1.hC-I = 1,1 1,736 = 1,910 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n H - N:

7 24, 92 H N 24, 92.(0, 300) 1, 005

7 2

2

.l

K

Q h

N H

N H N

H

−

−

− = =>

2

2

(0,100)

.200 1,980 (1, 005)

H N

hwH-N = 1,1 hH-N = 1,1 1,980=2,178 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n H - Y:

8 24, 92. H Y 24, 92.(0,125) 0, 097

8 2

2

.l

K

Q h

Y H

Y H Y

H

−

−

− = =>

2

2

(0, 012)

.320 4,897 (0, 097)

H Y

h − = = (mH2O)

hwH-Y = 1,1.hH-Y= 1,1 4,897 = 5,387 (mH2O)

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n B - H:

9 24, 92. B H 24, 92.(0, 350) 1, 516

6 2

2

.l

K

Q h

H B

H B H

B

−

−

− = => (0,112)22.360 1, 965

(1, 516)

B H

hwB-H = 1,1 hB-H = 1,1 1,965 = 2,161 (mH2O)

*) Xác định chiều cao đo áp tại các điểm của nhánh:

HT= T+ Ht d= 12 + 15 = 27 (mH2O)

HE = HT+ hwE – T = 27 + 4,209=31,209 (mH2O)

HD = HE + hwD – E = 31,209 + 7,158 = 38,367 (mH2O)

HC = HD + hwC – D = 38,367 +4,206 = 42,573 (mH2O)

HB = HC + hwB – C =42,573+ 1,226 = 43,799 (mH2O)

HA = HB + hwA – B = 43,799 + 1,292 = 45,091 (mH2O)

*) Chiều cao đo áp của tháp:

HKK = hwE – T + hwD – E + hw C – D + hwB – C + hwA – B + ht d +T

HKK = 4,209 +7,158 + 4,206 + 1,226 + 1,292 +15 + 12 = 45,091 (mH2O)

Trang

8

HT =HKK - A = 45,091- 10 = 35,091 (mH2O)

Bảng đánh giá:

Điểm Đoạn L(m) Q(l/s) d(mm) Tổn thất Chiều

cao

hd h W

3 Vẽ đường đo ỏp cho nhỏnh chớnh

45,091 43,799

42,573

38,367

31,209

27

HT

Đường đo ỏp dọc theo đường trục

*) Xỏc định chiều cao cột đo ỏp của thỏp tại điểm A

Chiều cao thuỷ lực của thỏp A là chiều cao tớnh từ mặt đất đến mặt nước trờn thỏp, được xỏc định như sau:

Hlt = hW + htd + T= hW + HT = 18,091+ 27 = 45,091(m)

HT =Hlt - T= 45,091 – 12 = 33,091(m)

Trang

9

*)Tớnh toỏn cho cỏc ống nhỏnh khỏc

Chiều cao cột ỏp cuối đoạn:

Đoạn EK: HK= HE –hwE-K = 31,209–1,402= 29,807 (mH2O)

Đoạn DM: HM = HD – hwD-M =38,367–3,291=35,076 (mH2O)

Đoạn CI: HI = HC – hwC-I=42,573–1,910=40,663 (mH2O)

Đoạn IX: HX = HI – hwI-X =40,663–3,882= 36,781(mH2O)

Đoạn IL: HL = HI – hwI-L = 40,663–2,619= 38,044 (mH2O)

Đoạn BH: HH = HB – hwB-H = 43,799–2,161=41,638 (mH2O)

Đoạn HY: HY = HH – hwH-Y =41,638–5,387= 36,251 (mH2O)

Đoạn HN: HN = HH – hwH-N= 41,638– 2,178= 39,460 (mH2O)

Bài 2 ( đề số 146)

Cho biết a=80mm, b=20mm, trọng l-ợng phao G1 = 26g, tỷ trọng của xăng x

= 0,75, độ nhớt của xăng ở nhiệt độ 300C là  = 0,006 cm2/s, áp suất trên mặt thoáng bằng áp suất khí trời Trên đ-ờng ống kim loại có khoá (k = 4,0), ba đoạn uốn cong (u = 0,2), và miệng ra  của ống

Ng-ời ta dùng một nút nối với hệ thống đóng mở tự động miệng ra  bằng phao Nút đ-ợc nâng lên khi áp suất d- tại  là Pd Chiều dài ống

L = 6,0m Các giá trị về độ cao Z, Pd, vận tốc xăng trong ống V, đ-ờng kính ống d

đ-ợc xác định bảng 2.1

1 Tính áp suất của bơm để bơm xăng vào bình.?

2 Xác định bán kính R của phao hình cầu xuất phát từ điều kiện sao cho mức xăng trong hộp luôn cố định và khi chốt khoá mở thì phao chỉ chìm một nửa

3 Vẽ đ-ờng đo áp cho hệ thống

4 Thử kiểm tra v-ới trị số bán kính R đã tính đ-ợc nh-ng khi chốt khoá mở thì phao chìm hai phần ba thể tích.Trong tr-ờng hợp đó áp suất của bơm bằng bao nhiêu

Trang

10

Bảng số liệu bài 2

d

k

u

Z u

u



V→

Bài làm

1 Tính áp suất của bơm để bơm xăng vào bình chứa

áp suất của bơm ở đầu ra đạt đ-ợc phải khắc phục đ-ợc áp suất d- tại đầu

ra của vòi, tạo dòng chảy trong ống và khắc phục đ-ợc các tổn thất tại các điểm cong và khóa

Ph-ơng trình Bécnuli viết cho mặt 1-1và 2-2 là:

1 2

w

a

b

Trang

11

Trong đó: 1= 2 =1, v 1 = v2 (vì cùng chảy trong một ống)

Ph-ơng trình (1) trở thành :











+ +

=

d

l g

v p Z

p

k u x

d x



2

(2) Xác định hệ số , muốn vậy ta phải xác định trạng thái chảy trong ống:

áp dụng công thức tính số Raymol:

3 4

0,9 10 10

15000

0, 006 10

e

R



−

−



Ta thấy 2320< Re= 15000< 105 , nên dòng chảy trong ống là dòng chảy rối

Để tính hệ số ma sát ta phải áp dụng công thức Bladiuyt:

4 4

0,3164 0,3164

0, 029 15000

e

R

Thay các giá trị vào công thức (2) ta có :











+ +

=

d

l g

v p Z

p

k u x

d x



2

3

0, 4 (3 0, 2 4, 0 0, 029 ) 6,152

0, 75 9810 2 9,81 10 10

b

x

p

Suy ra pb= 6,152 0,75 9810 = 45263,34( N/m2) = 0,461 (at)

Vậy để bơm xăng vào bình chứa cần phải có áp suất tại đầu ra của bơm là:

Pb= 0,461 (at)

2 Xác định bán kính của phao (R)

Xét cả hệ thống đóng mở có các lực tác dụng:

P: là lực do áp suất d- sinh ra

G: là trọng l-ợng của phao

Pas: là lực Acsimet do xăng tác dụng lên quả cầu

Ph-ơng trình mô men cân bằng tại điểm O là:

Trang

12

P  b + G  a - Pas  a = 0  P  b + G  a - 1

2   V c x a = 0 (5)

Với VC = 4

3R31

2VC = 2

3R3

 P  b + G  a = 2 3

3  x R a

 R = 3 2

3 x

P b G a

a

 

 + 

 

Tính các đại l-ợng của ph-ơng trình (5), ta có:

2

3

3

3,14 10 10

0, 4 9,81 10 20 10 0, 062( )

26 10 9,81 80 10 0, 02 ( )

3,14 0, 75 9810 80 10 1232,136

0, 062 0, 02

0, 04 ( ) 40 ( ) 1232,136

x

d

a





 

−

−

−



+

Từ kết quả trên ta thấy bán kính quả cầu R = 40 (mm) nhỏ hơn a = 80 (mm), điều này là hợp lý Vậy bán kính của phao là: R = 40 (mm)

3 Vẽ đ-ờng do áp cho hệ thống

Để vẽ đ-ờng đo áp cho hệ thống ta phải tính tổn thất trên các đoạn khác nhau của ống Ta chia ống làm 5 đoạn:

Ta gọi chiều dài của hai đoạn ống thẳng đứng lần l-ợt là:

z1 = z2 =Z/2 = 0,4/2 = 0.2 (m)

Chiều dài của các đoạn ống nằm ngang lần l-ợt là:

l1 = 6, 0 0.4 2,8 ( )

m

l3 = l4= 1 2,8 1, 4 ( )

l

m

a/Tính tổn thất dọc đ-ờng trên các đoạn :

Trang

13

*Đoạn nằm ngang l1:

1

1

3

2,8 (0, 9)

d

Trên đoạn nằm ngang tr-ớc và sau khoá K:

Trên 2 đoạn thẳng đứng:

2 5

3

d d

b/ Tính tổn thất cục bộ trên các đoạn:

0, 2 0, 00825 8, 25

2 2 9,81

cong

v

g





khoa

v

g





Đ-ờng đo áp của hệ thống nh- hình vẽ:

Trang

14

4 Kiểm tra với trị số bán kính R đã tính đ-ợc nh-ng khi chốt khoá

mở thì phao chìm hai phần ba thể tích Trong tr-ờng hợp đó áp suất của bơm bằng bao nhiêu

Phao chìm hai phần ba tức là :

x phao

3

2

'

Từ ph-ơng trình(5) ta có:

a G p

b

d

4

'

2

−

=





(6) Trong đó:

hd4

hc4

hd3

hCK

hd2

hc1

Trang

15

3,14 40 10 0,75 9810 1,314 /

p = V  =    R =   −  = N m

( ) N

Từ (6) suy ra :

2

80.10 1,314 0, 255

20.10 3,14 10 10

as p d

a

d

−

 

Từ kết quả tính đ-ợc ta thay vào pt (2) để tính áp suất của bơm khi phao chìm một phần ba:











+ +

=

d

l g

v p z

p

k u x

d x



2

2

3

b

x

p

áp suất của bơm lúc này là:

'b 8, 642 0, 75 9810 63583, 515 /

 p’b= 0,64815 (at)