Bài Tập Lớn Thủy Lực Cơ Sở.docx

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[.]

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

Bài 1 ( đề số 146)

Cho sơ đồ phân phối nước như hình vẽ:

N q=0.5l/s

L9

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.

(m)

L2

(m)

L3

(m)

L4

(m)

L5

(m)

L6

(m)

L7

(m)

L8

(m)

L9

(m)

L10

(m)

L11

(m)

L12

(m)

L13

(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)

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:

Ống trục chính Ống nhánh phụ

M

IL IX CI H

Y

H N

BH

Q(l/s) 15

6

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 níc lµ:

hdi=

Qi 2 K

i2

×l i

Với Ki = ω. c √R =

3,14 d8/3 4.n 42/3

Tra bảng 3.3 giáo trình thuỷ lực và máy thuỷ lực, và chọn với đờng ống bỡnh thường với C0 =

1

n = 80 → n=0,0125 Q: lưu lượng nước trờn cỏc đoạn

l : chiều dài của từng đoạn

→ K= 24,92 (d)8/3

- Tổn thất cột ỏp trờn đoạn E - T:

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

h E−T=Q2ET

K2ET l9 =>

2 2

(0,01)

.360 3,826 (0,097)

ET

(mH2O)

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

-Tổn thất cột áp trên đoạn D - E:

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

h DE=Q2DE

K DE2 .l4=

(0 , 019)2 (0 , 158)2 450=6 ,507 (mH

2O)

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

- Tổn thất cột áp trên đoạn C - D:

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

3

(0,027)

(0,341)

CD CD

CD

Q

K

(mH2O)

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

- Tổn thất cột áp trên đoạn B - C:

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

2

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

BC BC

BC

Q

K

(mH2O)

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

- Tổn thất cột áp trên đoạn A - B:

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

2 2 1

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

BA BA

BA

Q

K

(mH2O)

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

h E−K=Q2E−K

K E− K2 l5 =>

2 2

(0,009)

.150 1, 291 (0,097)

E K

(mH2O)

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

- Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n D - M:

K12=24 ,92 dD−M8/3 =24 , 92.(0 , 125)8 /3=0,097

h D−M=Q2D−M

K D− M2 .l12 =>

2 2

(0,008)

.440 2,992 (0,097)

D M

(mH2O)

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

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n I - X:

K11=24 , 92 d8 /3I −X=24 , 92 (0 , 125)8/3=0 , 097

h I− X=Q2I− X

K I −X2 l11 =>

2 2

(0,009)

.410 3,529 (0,097)

I X

(mH2O)

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

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n I - L:

K13=24,92 dI −L8/3=24 , 92.(0 ,125 )8/3=0, 097

h I− L=Q2I −L

K I − L2 .l13 =>

2 2

(0,008)

.350 2,380 (0,097)

I L

(mH2O)

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

-Tæn thÊt cét ¸p trªn ®o¹n C - I:

K10=24 ,92 dC−I8/3 =24,92.(0,150)8/3=0,158

h C−I=Q C− I2

K C−I2 l10 =>

2 2

(0,017)

.150 1,736 (0,158)

C I

(mH2O)

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

-Tổn thất cột áp trên đoạn H - N:

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

h H −N=Q H− N2

K2H −N l7 =>

2 2

(0,100)

.200 1,980 (1, 005)

H N

(mH2O)

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

-Tổn thất cột áp trên đoạn H - Y:

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

h H −Y=Q H −Y2

K2H −Y .l8 =>

2 2

(0,012)

.320 4,897 (0,097)

H Y

(mH2O)

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

-Tổn thất cột áp trên đoạn B - H:

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

h B−H=Q2B−H

K B− H2 .l6 =>

2 2

(0,112)

.360 1,965 (1,516)

B H

(mH2O)

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

*) Xỏc định chiều cao đo ỏp tại cỏc điểm của nhỏnh:

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 ỏp của thỏp:

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)

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

Bảng đánh giá:

Điểm Đoạn L(m) Q(l/s) d(mm) hTổn thất Chiềucao

d ∑h W

E ET 360 10 125 3,826 4,209 31,209

3 Vẽ đường đo áp cho nhánh chính

45,091 43,799

42,573

38,367

31,209

27

HT

Đường đo áp dọc theo đường trục.

*) Xác định chiều cao cột đo áp của tháp tại điểm A.

Chiều cao thuỷ lực của tháp A là chiều cao tính từ mặt đất đến mặt nước trên tháp, được xác định như sau:

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

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

*)Tính toán cho các ống nhánh khác.

Chiều cao cột áp 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 lợng 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 đờng ống kim loại có khoá (k = 4,0), ba đoạn uốn cong (u = 0,2), và miệng ra  của ống

Ngời ta dùng một nút nối với hệ thống đóng mở tự động miệng ra  bằng phao Nút đợc 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, đờng kính ống d

đợc 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 đờng đo áp cho hệ thống

4 Thử kiểm tra với trị số bán kính R đã tính đợc nhng khi chốt khoá mở thì phao chìm hai phần ba thể tích.Trong trờng hợp đó áp suất của bơm bằng bao nhiêu

Bảng số liệu bài 2.

d

ξkk

ξku

a b

Z ξku

ξku

V→

Bài làm

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

áp suất của bơm ở đầu ra đạt đợc phải khắc phục đợc áp suất d tại đầu ra của vòi, tạo dòng chảy trong ống và khắc phục đợc các tổn thất tại các điểm cong

và khóa

Phơng trình Bécnuli viết cho mặt 1-1và 2-2 là:

1 2

w

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

Phơng trình (1) trở thành :

pb

γx= Z+

pd

γx +

v2

2 g ( 3 ξku+ ξkk+ λìl

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

V d

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

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

γx= Z+

pd

γx +

v2

2 g ( 3 ξku+ ξkk+ λìl

d )

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 lợng của phao

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

Phơng trình mô men cân bằng tại điểm O là:

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 =

3

2

3  x R a

 R =

3 2

P b G a

a

 

  

 

Tính các đại lợng của phơng trình (5), ta có:

 32

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 đờng do áp cho hệ thống.

Để vẽ đờng 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 lợt là:

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

Chiều dài của các đoạn ống nằm ngang lần lợt là:

l1 =

6, 0 0.4

2,8 ( )

l z

m

l3 = l4=

1 2,8

1, 4 ( )

l

m

a/Tính tổn thất dọc đờng trên các đoạn :

*Đoạn nằm ngang l1:

1

1

3

2,8 (0,9)

d

Trên đoạn nằm ngang trớc và sau khoá K:

Trên 2 đoạn thẳng đứng:

3

0, 4 0,9

b/ Tính tổn thất cục bộ trên các đoạn:

hc4

hd3 hCK

hd2 hc1

Các đoạn cong:

   

cong

v

g





Tại khoá K :

khoa

v

g





Đờng đo áp của hệ thống nh hình vẽ:

4 Kiểm tra với trị số bán kính R đã tính đợc nhng khi chốt khoá

mở thì phao chìm hai phần ba thể tích Trong trờng hợp đó áp suất của bơm bằng bao nhiêu.

Phao chìm hai phần ba tức là :

p' as= 2

Từ phơng trình(5) ta có:

⇒ pdì πdd2

(6) Trong đó:

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

Gp=26ì10−3ì9,81=0,255 ( 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 đợc ta thay vào pt (2) để tính áp suất của bơm khi phao chìm một phần ba:

pb

γx= z+

pd

γx +

v2

2 g ( 3 ξku+ ξkk+ λìl

d ) 2

3

b

x

p

áp suất của bơm lúc này là:

 2

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

⇒ p’b= 0,64815 (at)