Giáo trình thủy lực công trình - Chương 5 pot

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tiaH: cột nước tính từ trọng tâm của lỗ e: độ cao của lỗ Chảy ngập: dòng chảy ra khỏi lỗ ngập dưới mặt chất lỏng Chảy nửa ngập: mặt chất lỏng

Trang 1

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia

5.1 Khái niệm chung

Trên thành bình chứa chất lỏng có khoét một lỗ, dòng chất lỏng chảy qua lỗ gọi là dòng chảy ra khỏi lỗ

Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi

Vòi là một ống ngắn dính liền với thành bình chứa, dòng chất lỏng chảy qua vòi gọi là dòng chảy ra khỏi vòi

Trang 2

H: cột nước tính từ trọng tâm của lỗ e: độ cao của lỗ

Chảy ngập: dòng chảy ra khỏi lỗ ngập dưới mặt chất lỏng

Chảy nửa ngập: mặt chất lỏng ngoài lỗ nằm trongphạm vi độ cao lỗ

Trang 3

5.2 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ nhỏ thành mỏng

Vị trí của nó phụ thuộc hình dạng lỗ VD: với lỗ tròn → cách lỗ nửa đường kính lỗ

Tại mặt cắt co hẹp dòng chảy là đổi dần, sau đó dòng chảy hơi mở rộng và rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực

Áp dụng định luật Béc-nui-y:

1 1

2

w c

c h g

v g

v

H    

2

0 2

2 2

Trang 4

5.2 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ nhỏ thành mỏng

0

2gH v

Q  c c  c c: diện tích của mặt cắt co hẹp



  c Q   2 gH0   2 gH0

: hệ số lưu lượng của lỗ

Với lỗ nhỏ thì  phụ thuộc hình dạng lỗ, ít có quan hệ với cột nước H

Lỗ co hẹp toàn bộ: khi trên chu vi lỗ đều có co hẹp

Lỗ co hẹp không toàn bộ: khi có một phần nào đó trên chu vi

Lỗ co hẹp hoàn thiện: khi lỗ ở xa thành bình, xa m/c tự do →

dòng chảy co hẹp về mọi hướng

(Đọc SGK tr 199-201 về điều kiện co hẹp hoàn thiện

và hình dạng d/c tự do)

(5.3)

Trang 5

5.3 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ to thành mỏng

Trang 6



2

h

Cột nước tác dụng bằng độ chênh mực nước ở thượng và hạ lưu → không phân biệt lỗ to và lỗ nhỏ

Công thức lưu lượng khi dòng chảy tự do và chảy ngập là giống nhau → khác nhau

chủ yếu là giá trị H

Trang 7

5.5 Dòng chảy nửa ngập, ổn định qua lỗ to thành mỏng

Trang 8

5.7 Dòng chảy qua vòi

Vòi là đoạn ống ngắn, gắn vào lỗ thành mỏng, có độ dài khoảng vài lần đường kính lỗ

→ chất lỏng chảy qua vòi thường sinh ra co hẹp ở chỗ vào vòi, sau đó mở rộng ra và chảy đầy vòi.

Khoảng không gian giữa mặt ngoài dòng chảy tại chỗ co hẹp và thành vòi là khu nước xoáy, áp lực nhỏ hơn áp lực không khí nên ở đó hình thành áp suất chân không Trị số chân không phụ thuộc vào cột nước tác dụng vào vòi, và do có chân không nên lưu lượng vòi thường lớn hơn lưu lượng của lỗ (khi c/lỏng chảy đầy vòi)

H

pa

Trang 9

Phân loại vòi: Vòi hình trụ tròn

Vòi hình nón

Vòi hình đường dòng

Trang 10

Vòi hình trụ tròn gắn ngoài (vòi Ven-tu-ri)

H

pa

2 2

c c

pa

w a

g

v

p g

v p

H     

2 2

h g

v

H  

2

2 2 0



Tổn thất năng lượng: m/c co hẹp đột ngột + mở rộng đột ngột + tổn thất dọc đường

g

v d

l g

v g

v

h c w

2 2

2

2 2

v

vc c   c 

g

v d

l H

2

1 2

Trang 11

1

2

1 2

2 2

1

gH gH

d l

Ở đây do khi chảy ra khỏi vòi thì không còn hiện tượng co hẹp, vì thế hệ số lưu tốc 

và hệ số lưu lượng  của vòi là bằng nhau

(5.8)

(5.9)

Khi l tăng thì  giảm, nhưng nếu l giảm quá nhỏ thì vòi trở thành lỗ  cũng giảm

 lớn nhất khi l   3  4  d

Trang 12

Tính trị số áp suất chân không:

H

pa

2 2

c c

pa

v

v c l

w c

c c

g

v

p g

v p

H      

2 2

2

2 1

H

2

2 0 0

1

H g

v p

64 0

06 0

Trang 13

Hai điều kiện đầy đủ để cho vòi hình trụ tròn gắn ngoài có thể làm việc được ổn định

Bài tập 30: Để thoát nước qua một cái đập, người ta đặt một ống ngắn hình trụ tròn

có đường kính d=1m, dài l=4m, tâm ống cách mặt nước thượng lưu 3m, tính lưu lượng qua ống

Vì l=4d nên có thể coi ống là vòi hình trụ gắn ngoài, hệ số lưu lượng của vòi là 0.82.

 m s 

gH

Q 0 12 2 9 8 3 4 35 3

4 82 0

2       



Bài tập 31: Đọc SGK Tập I, tr 216-217 về các loại vòi khác

Bài tập 32: Đọc SGK Tập I, tr 217-224 về Dòng tia và trình bày lại trên giấy.

Trang 14

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp

Ống dài là ống trong đó tổn thất cột nước dọc đường là chủ yếu, tổn thất cục bộ

và cột nước lưu tốc so với tổn thất dọc đường có thể bỏ qua Ống ngắn là ống trong đó các loại tổn thất có tầm quan trọng như nhau Thông thường khi tổn thất cục bộ nhỏ hơn 5% tổn thất dọc đường → ống dài

và ngược lại >5% → ống ngắn

Trang 15

6.1 Dòng chảy ổn định trong ống có áp

Công thức tính toán đối với ống dài: hw  hd  Jl

J K RJ

C Q RJ

C

v      (6.1) K: đặc tính lưu lượng hoặc môđun lưu lượng

K phụ thuộc đường kính d và hệ số nhám của ống: K  C  R  f  d , n 

 (6.2) K tra theo bảng tra có sẵn

Đây là công thức tính cho khu sức cản bình phương, còn với khu trước sức cản bình phương thường sử dụng hệ số hiệu chỉnh: K  1Kscbp

J K

K

Q l

K

Q l

K

Q h

scbp scbp

2 2 2

2 2 1 2

Trang 16

Công thức tính toán đối với ống dài:

Bài tập 33: Xác định lưu lượng qua ống dài 1000m, đường kính 0,2m biết độ chênh cột nước ở 2 đầu ống là H=5m.

005

0 1000

Tra bảng để có giá trị mô đun lưu lượng cho khu sức cản bình phương (phụ lục 6.1 trang 372) với d=200mm và loại ống thường:

  s

K  241 , 1 l Qscbp  Kscbp J  341 , 1 0 , 005  24 , 12   l s

 m s 

77 ,

0 1

, 0 14 , 3

10 12 ,

Tra bảng 6-1, hệ số hiệu chỉnh 1  0 , 96 Q  1Qscbp  0 , 96  24 , 12  23 , 16   l s

Trang 17

Công thức tính toán đối với ống dài:

Bài tập 34: Cho lưu lượng qua ống dài 1000m, đường kính 0,2m là 70l/s, hãy tính độ chênh cột nước H ở 2 đầu ống.

Công thức tính toán đối với ống ngắn:

Khi tính cho ống ngắn, tổn thất cột nước bao gồm cả tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ

Tổn thất dọc đường tính bằng công thức Đác-xy:

g

v d

Trang 18

6.2 Dòng không ổn định trong ống có áp

Đặc điểm của dòng không ổn định là các yếu tố thủy lực tại một điểm hoặc là các yếu

tố trung bình mặt cắt tại một vị trí luôn thay đổi theo thời gian.

Đặc biệt hơn trong ống có áp thì diện tích mặt cắt không biến đổi theo thời gian, nếu

là ống hình trụ thì diện tích mặt cắt cũng không biến đổi dọc theo dòng chảy.

Phương trình liên tục của dòng không ổn định chất lỏng không nén được

v p

z g

v p

z       

2 2

2 2 2

2

2 1 1

t

v g

(6.4)

Bài tập 36: Trình bày cách thành lập phương trình (6.4) và các chú ý khi áp dụng nó.

Trang 19

6.3 Hiện tượng nước va

Khi một đường ống đang làm việc bình thường với một lưu lượng chảy qua ống, nếu đầu cuối của đường ống bị đóng đột ngột (lưu lượng và lưu tốc trong ống giảm đột ngột, có thể về không), do quán tính mà nước vẫn tiếp tục bị dồn về điểm bị đóng làm

áp suất trong ống tăng cao.

Sự thay đổi lưu lượng càng nhanh thì áp suất tăng cao càng lớn, cá biệt có thể đến hàng trăm mét cột nước Hiện tượng đó gọi là hiện tượng nước va Phần áp suất tăng thêm gọi là áp suất nước va

Ngược lại, nếu lưu lượng đột ngột tăng lên thì áp suất trong ống lại giảm đột ngột, phần áp suất bị giảm đó cũng được gọi là áp suất nước va

Trang 20

6.4 Tháp điều áp và nguyên lý làm việc

Tháp điều áp

Trang 21

Trang 22

Đường tổng cột nước (to

tal head line) Head lost by flowing liquid

Friction gradient S f

1 Đường tổng cột nước luôn đi xuống theo chiều dòng chảy (trừ TH có bơm trong ống) Đường càng dốc thì tổn thất càng lớn.

2 Đường cột nước đo áp thường đi xuống theo chiều dòng chảy nhưng cũng có thể đi lên như trong TH mặt cắt mở rộng.

Loại tổn thất Công thức tính Ví dụ

F

h l

hc

2

2 2



Trang 23

Bài tập 37: Nước được chuyển qua giữa hai hồ chứa rất lớn thông qua một đường ống dẫn nước Cửa vào của ống từ hồ chứa trên và cửa ống đổ vào hồ chứa bên dưới là thay đổi đột ngột Từ đoạn giữa của đường ống, ống đột ngột phình to với đường kính gấp đôi Hãy vẽ đường tổng cột nước và đường cột nước đo áp

- Hồ chứa được giả thiết là RẤT LỚN  mực nước hồ có thể xem là không thay

đổi và vận tốc tại mặt có thể giả thiết là xấp xỉ bằng không

- Các thay đổi là ĐỘT NGỘT  không thể bỏ qua các tổn thất cục bộ

Trang 24

Trang 25

Bài tập 38: Giả sử độ chênh mực nước giữa hai hồ chứa là 53m, cả hai đoạn ống đều

có chiều dài 1km, ống 1 có đ/kính là 0.3m, ống 2 là 0.6m, các hệ số ma sát  1 = 2 =0.04 Tính các tổn thất và lưu lượng qua ống.

v d

l g

v

v g

v d

l g

v z

2 2

2

5 0

2 2

2 2 2

2 2

2 2 1

2 1 1

1 1

s m v

2

1  4  2 74 ;  0 194

Trang 26

Bài tập 39: Một hồ chứa xả nước ra ngoài không khí qua một đoạn ống dài tổng cộng

850m , trong đó 300m đoạn đầu nối với hồ chứa có đường kính 0.9m , đoạn còn lại có đường kính 0.6m Đoạn cuối của ống cách mặt nước hồ chứa 27m Các thay đổi trên ống là đột ngột, hệ số ma sát của đoạn ống đầu là 0.04 , của đoạn sau là 0.05 Tính toàn

bộ các tổn thất và lưu lượng chảy qua ống.

v

z   2

2 2

1 1

2 2

s m v

2

1  0 444  1 444 ;  0 920

Trang 27

Sự cố vỡ ống dẫn nước do hiện tượng nước va Ảnh chụp ở Osaka, JP.

Trang 28

Bài tập làm thêm: Ba hồ chứa lớn được nối với nhau bằng các đường ống như hình vẽ dưới đây, cao độ mặt nước của từng hồ chứa lần lượt là A=680m, B=640m và C=590m

so với mực nước biển Các ống có thông số cho trên hình vẽ Giả sử bỏ qua các tổn thất cục bộ, chỉ tính đến tổn thất do ma sát, hãy xác định các lưu lượng qua ống.

Trang 29

l g

v d

l

zAC

2 2

2 2 2

2 2

2 1 1

300 06

0 81 9 2 2 1

500 04 0 40

2 2

2 1

.

0 v  v



2 1

2 39 254 0 833 v

Áp dụng Bernoulli cho A và C:

2 1

3 52 972 0 500 v

Trang 30

1 Q Q

Q    v11  v22  v33

3 2

1 0 563 v 0 250 v

4 4

4

2 3 3

2 2 2

2 1 1

d v

2 1

1 0 563 39 254 0 833 v 0 250 59 927 0 500 v

0 833

0 254

Trang 31

2 1

1 0 563 39 254 0 833 v 0 250 59 927 0 500 v

) (

0 5

v  Vế phải  0 . 563 39 . 254  0 . 833  25  0 . 250 59 . 927  0 . 500  25

) (

007

4 m s

) (

5 4

v  Vế phải  0 563 39 254  0 833  4 52  0 250 59 927  0 500  4 52

) (

300

4 m s

) (

3 4

v  Vế phải  0 563 39 254  0 833  4 32  0 250 59 927  0 500  4 32

) (

402

4 m s

 lớn hơn vế trái v 1 4 368 ( m s )

Trang 32

833 4

v 

) (

590 6

3 2

1  Q  Q    m s 

Q

Trang 33

Bài tập về nhà: Hai hồ chứa lớn được nối với nhau bằng các đường ống như hình vẽ dưới đây Độ chênh cao độ mặt nước của chúng là 150m Các ống có thông số cho trên hình vẽ Giả sử bỏ qua các tổn thất cục bộ, chỉ tính đến tổn thất do ma sát, hãy xác định các lưu lượng qua ống.

Trang 34

Ottawa, Canada

Trang 35

Chươngư7:ưDòngưchảyưđềuưkhôngưápưtrongưkênh

Trang 36

Canal Saint Martin, Paris

Trang 37

Canals in Central Arizona project

Trang 38

7.1ưKháiưniệmưcơưbản

Giống nh dòng chảy đều có áp trong ống, dòng chảy đều không áp trong kênh là dòng chảy ổn định, có l u l ợng, diện tích mặt cắt ớt, đồ phân bố l u tốc trên mặt cắt ớt không đổi dọc theo dòng chảy.

Có áp suất trên mặt thoáng bằng nhau và th ờng bằng áp suất khí quyển

Vì có 1 mặt thoáng nên mặt cắt ớt của dòng chảy không áp thay đổi khi một trong các yếu tố thuỷ lực nào đó của mặt cắt biến đổi  tính toán phức tạp hơn so với dòng chảy

có áp

Muốn có dòng chảy đều không áp trong kênh cần có đồng thời các đkiện sau:

1- L u l ợng không đổi dọc theo dòng chảy và theo thời gian 2- Mặt cắt ớt không thay đổi cả về hình dạng và diện tích 3- Độ dốc dáy không đổi

4- Độ nhám không đổi

Dòng chảy đều không áp trong kênh tuyệt đại đa số là dòng chảy rối, đại đa số lại rơi vào khu sức cản bình ph ơng, vì thế dùng công thức cơ bản của Sedi:

RJ C

v  J  Jp  i

độ dốc đáy kênh Tổn thất cột nước cú thể

xỏc định qua độ dốc mặt nước hoặc độ dốc đỏy kờnh

Trang 39

7.1ưKháiưniệmưcơưbản

Công thức Sedi th ờng dùng cho dòng chảy đều kênh hở là:

Ri C

v 

R C

(l u tốc ứng với i =1 )

i W

i K Ri

C

R C

(l u l ợng ứng với i =1 )

Trang 40

C 

2

1 3

2

1

i

R n

v 

2

1 3

2

i

R n

Q  

các PT trên là các PT cơ bản của dòng chảy đều trong kênh hở

Trang 41

7.2ưCácưyếuưtốưthuỷưlựcưcủaưmặtưcắtưướtưdòngưchảyưtrongưkênh

7.2.1 Các mặt cắt th ờng thấy

Với vật liệu rắn chắc nh : gỗ, bê-tông, đá xây

thì m t cắt kênh th ờng là hình chữ nhật hoặc ặt cắt kênh thường là hình chữ nhật hoặc

hình thang có mái dốc đứng để tiết kiệm vật

liệu

Với kênh đào trong đất, để đảm bảo sự ổn

định của bờ kênh, mặt cắt th ờng là hình

thang mái dốc thoải hoặc parabol

Với kênh đi ngầm trong lòng đất thì mặt cắt phải là kiểu khép kín và tuỳ thuộc vào

điệu kiện thi công mà có thể có các dạng khác nhau

Trang 43

33 0 B

3

8 1



00 2 33 0 B 61

0 78



Trang 44

7.3ưMặtưcắtưcóưlợiưnhấtưvềưthuỷưlực

Trong các mặt cắt nói trên, đứng trên quan điểm thuỷ lực, mặt cắt nào dẫn đ ợc l u l ợng lớn nhất trong cùng 1 điều kiện (độ dốc đáy kênh, độ nhám lòng kênh và diện tích mặt cắt nh nhau) thì đ ợc gọi là mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực

Là mặt cắt có diện tích nhỏ nhất để cho chảy qua một l u l ợng định sẵn khi độ dốc đáy kênh, độ nhám lòng kênh cho tr ớc

Xác định các điều kiện của mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực, sử dụng công thức Sedi với

C tính bằng công thức Pa-vơ-lốp-xki:

Ri

R n

Q   1 y

Với cùng  thì R lớn nhất sẽ cho Q lớn nhất, nghĩa là khi  nhỏ nhất

Trong các hình có diện tích bằng nhau thì hình tròn là hình có chu vi bé nhất nh vậy về

lý thuyết thì mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực là mặt cắt có dạng bán nguyệt Tuy nhiên, việc xây dựng mặt cắt dạng này rất khó khăn và dễ bị sụt lở, chỉ trong tr ờng hợp đặc biệt mới dùng mặt cắt đó.

Với cùng Q thì R lớn nhất sẽ cho nh nhất ỏ nhất

Trang 45

7.3ưMặtưcắtưcóưlợiưnhấtưvềưthuỷưlực

Trong điều kiện là mặt cắt hình thang cân cần phải tìm điều kiện để mặt cắt có lợi nhất

về thuỷ lực, tức là tìm quan hệ của 3 yếu tố b, h và m

Coi m là hằng số, khi đó  và  phụ thuộc vào b và h

0 )

Trang 47

7.4ưNhữngưbàiưtoánưcơưbảnưvềưDCưđềuưtrongưkênhưhìnhưthang

Việc tính toán dòng chảy đều trong kênh hở hình thang chủ yếu dựa vào công thức:

Ri C

Th ờng có 2 loại bài toán

• Tính toán với kênh đ biếtã biết

• Thiết kế kênh mới

 b h m n i 

f

Trang 48

m Ri

C

Q    48 13 3

Ri C

Q  

Trang 49

 b  mh  h  ( 12  1 5  3 )  3  49 5 m2





m m

0

2 2

2



R C

Q i



T ¬ng tù nh bµi tËp 40

Trang 50

7.4ưNhữngưbàiưtoánưcơưbảnưvềưDCưđềuưtrongưkênhưhìnhưthang

c) Tìm h cho biết b, m, n,i, Q

Việc tìm h trực tiếp từ PT của Q là việc làm rất khó khăn nên th ờng sử dụng PP thử dần, nghĩa là thử giả thiết một số giá trị h, sau đó tính hệ số l u l ợng K t ơng ứng, và sau đó chọn h nào ứng với K=K 0 là giá trị tính với Q cho tr ớc.

d) Tìm b cho biết h, m, n,i, Q

Sử dụng ph ơng pháp thử dần nh tr ờng hợp tính h

Tiêu đề	Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Thủy lực công trình
Thể loại	Giáo trình
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	148
Dung lượng	6,35 MB