Bài giảng tính toán thủy lực điều khiển dòng xiết

Dạng chảy bao của dòng xiết-Khi tường ngoặt vào dòng chảy: hình thành tuyến sóng xiên nơi có các thông số thuỷ lực thay đổi đột ngột - Khi tường ngoặt ra khỏi dòng chảy:... Phân loại th

1 Các khái niệm

2 Tính toán ĐKDX bằng tường bên

3 Cơ sở tính toán kết cấu có đáy cong hai hướng

Người trình bày : GS TS Nguyễn Chiến Khoa Công Trình - Đại học Thuỷ Lợi

1.1 Đặc điểm của dòng xiết

* Phân biệt dòng êm và dòng xiết

Thông số dòng chảy Dòng êm Dòng xiết

Dạng chảy bao của dòng xiết

-Khi tường ngoặt vào dòng chảy: hình thành tuyến sóng xiên (nơi

có các thông số thuỷ lực thay đổi đột ngột)

- Khi tường ngoặt ra khỏi dòng chảy:

1.1 Đặc điểm của dòng xiết

H×nh 5-11: Sù lan truyÒn sãng nhiÔu bÒ mÆt trong kªnh th¸o

1.2 Nhiệm vụ của ĐKDX

•Các loại bài toán:

- BT thuận: Xác định các thông số chảy trong giới hạn của

lòng dẫn đã cho

(Bài toán kiểm tra)

-BT nghịch: Xác định hình dạng của lòng dẫn để thoả mãn các

điều kiện thuỷ lực khống chế

(Bài toán thiết kế)

a) Phân loại chung

* Kết cấu đáy phẳng: (ĐK bằng tường bên)

- Tường bên gãy khúc

- Tường bên cong

* Kết cấu đáy cong (tường bên không tham gia điều khiển):

- đáy hình trụ

- đáy cong 2 hướng

1.3 Các loại kết cấu ĐKDX

b) Phân loại theo kết cấu cụ thể:

* đường xoắn : đổi hướng chảy

* Mũi phun phát tán: mở rộng + phóng xa

* Mũi phun xoắn: mở rộng + đổi hướng + phóng xa

* Các đoạn chuyển tiếp:

mở rộng, thu hẹp, đổi dạng mặt cắt

Mũi phun phát tán

ChiÒu cao ®Ëp 196m Trªn s«ng Parana N¨m x©y dùng 1991 H×nh thøc TN Mòi phun

ChiÒu cao ®Ëp 221.3m Trªn s«ng Colorado N¨m hoµn thµnh 1936 H×nh thøc TN Mòi phun

L u l îng x¶ lò 11.327m3/s

C«ng suÊt P§ 2 074 MW

§Ëp trµn Hoover (Bang Arizona & Nevada, Mü)

ChiÒu cao ®Ëp 76,2m Trªn s«ng Oldman N¨m hoµn thµnh 1938 H×nh thøc TN Mòi phun

Oldman Dam (Canada)

ChiÒu cao ®Ëp 105m Trªn s«ng Yellow N¨m hoµn thµnh 1998 H×nh thøc TN Mòi phun

C«ng suÊt P§ 1080MW

Mòi phun ®Ëp Wanjiazhai (Trung Quèc)

ChiÒu cao ®Ëp 225m Trªn s«ng Chagres N¨m hoµn thµnh 1913 H×nh thøc TN Mòi phun

L u l îng x¶ lò 4100 m3/s

§Ëp trµn Gatun trªn kªnh Panama (1912)

ChiÒu cao ®Ëp 87m Trªn s«ng Douro N¨m hoµn thµnh 1964 H×nh thøc TN:

ChiÒu cao ®Ëp 162m Trªn s«ng Wujiang

L u l îng x¶ lò 3453 m3/s N¨m hoµn thµnh 1989 H×nh thøc TN Mòi Phun xo¾n C«ng suÊt P§ 3x170MW

ChiÒu cao ®Ëp 167,6m Trªn s«ng Santa Ana

N¨m hoµn thµnh 1999 H×nh thøc TN Mòi Phun

L u l îng x¶ lò 2407m3/s

Dèc n íc ®Ëp Santiago (Mü)

ChiÒu cao ®Ëp 49,4 m Trªn s«ng Carson

N¨m hoµn thµnh 1915 H×nh thøc TN Mòi Phun xo¾n

L u l îng x¶ lò 56,6 m3/s

Dèc n íc ®Ëp Lahontan (Mü)

Trªn s«ng Sª San N¨m hoµn thµnh 2002 H×nh thøc TN Mòi phun

L u l îng x¶ lò 17570m3/s

C«ng suÊt P§ 720MW

§Ëp trµn thuû ®iÖn Yaly (Gia Lai – ViÖt Nam)

a ) Sự hình thành sóng xiên

•Xét dòng xiết dọc theo một tường có đổi hướng ( góc ngoặt)

Khi góc ngoặt  nhỏ  hình thành một đường nhiễu lập với tường một góc 

- Tường rẽ ngoặt vào : nước dâng

- Tường rẽ ngoặt ra : nước hạ

- Trị số góc :

)

1 sin(

Fr

arct





2.1 Tớnh toỏn súng xiờn

a) Sự hỡnh thành súng xiờn



a a A

a - a





a - a A



a a

rộng đột ngột.

* Phân biệt các dạng sóng xiên

- Sóng xiên thoải:

+ Khi tường rẽ ngoặt ra ngoài

+ Khi tường rẽ vào trong nhưng đổi hướng từ từ

Sóng xiên dốc: khi tường rẽ ngoặt gấp vào phía trong dòng chảy

 dòng chảy sau tuyến sóng có chiều sâu tăng nhanh

Nếu chiều sâu sau sóng h2 > hk  nước nhảy xiên

V h

H   



2

2 0



2

5 0 1

1 2 2

1 2

0

0 0

Fr h

Fr H

h Fr

H h

Fr h

H

b) Biểu thức tính toán

* Sóng xiên dốc:có thể phản xạ liên tiếp nhiều lần với thành lòng dẫn , do đó chiều sâu dòng chảy tăng dần

8 1

( 2

2 1

2 h  Fr  

h

) 1 8

1

( 2

1

  

h h

b) Biểu thức tính toán

Xác định góc sóng 

) 1 sin

8 1

( 2

1 )

tg

- Lưu tốc dòng chảy sau tuyến sóng

) cos(

cos

1 2

2.2 Tính toán đoạn thu hẹp đáy phẳng và tường bên gãy khúc

a) Các dạng thu hẹp đáy phẳng

-Tường bên gãy khúc (đơn giản nhất)

-Tường bên dạng cong liên hợp (với các bán kính R1, R2)

-Tường bên dạng đường cong không nhiễu

-Dạng thu hẹp hướng tâm (khi đập tràn tuyến cong)

a) Các dạng thu hẹp đáy phẳng + tường bên gãy khúc

• Các dạng nối tiếp dòng chảy trong đoạn thu hẹp

Nối tiếp chảy xiết: dòng chảy xiết được duy trì trên toàn đoạn thu hẹp (chế độ làm việc ổn định)

-Nối tiếp có chuyển đổi trạng thái chảy từ xiết đến êm ( thông qua nước nhảy)

Đặc điểm: chế độ làm việc không ổn định, vị trí nước nhaỷ di chuyển , do đó rối loạn đường mặt nước phía sau

+ Bài toán : có B1, B2, h1, Q, i(độ dốc đoạn chuyển tiếp)

Yêu cầu: xác định chiều dài ĐCT (Lct) để đảm bảo chế độ chảy ổn định (nối tiếp chảy xiết)

+ Giải

-Giả thiết Lct

-Vẽ đường mặt nước trong ĐCT, xuất phát từ h1

+ Nếu tại các mặt cắt đều có h<hk Xác định được độ sâu h2 cuối ĐCT Nếu h2 ~ hk : hợp lý

Nếu h2 nhỏ hơn nhiều hk : chọn lại Lct (theo hướng giảm)

+ Tại một mặt cắt trung gian có h > hk : chọn lại Lct theo

-Khi độ dốc đoạn thu hẹp i=0

Theo đồ thị của Satalốp

: góc ngoặt vào của tường

•Chiều sâu nước tại vị trí dâng cao nhất sát tường:

) ,

sin (

25 , 2

hS

a) Nguyên tắc chung

* Các giả thiết cơ bản

-Dòng chảy có đáy thoải (ít sai lệch với mặt phẳng chuẩn)

-Dòng chảy có chiều rộng lớn hơn nhiều lần chiều sâu : bỏ

qua hình chiếu của lưu tốc V và gia tốc a trên phương pháp

tuyến với mặt phẳng chuẩn

-Dòng chảy có thế :

u

2.3.Tính dòng xiết 2 hướng bằng phương pháp đường đặc trưng

a) Nguyên tắc chung

* Đường đặc trưng

- Là đường cong trong mặt phẳng chảy có

tiếp tuyến trùng với hướng truyền sóng

a) Nguyên tắc chung

* Nội dung tính toán

V V

T x

h x

Z g

y

x x

x

V V

T y

h y

2 2

2 2

2

C V

C V

V C V

V dx

dy

x

y x

y x

2 Đ ĐT đi qua 1 điểm

* Hệ thức vi phân trên ĐĐT :

(xem tài liệu)

Ý nghĩa: dùng để tính các thông số chảy (Vx, Vy, h) khi đã có ĐĐT

•Phương trình Becnuli cho đường dòng:

dl Fr

H - cột nước toàn phần;

- hệ số sức cản thuỷ lựcL- chiều dài của đường dòng

Tìm lưu tốc và độ sâu nước tại C (xC,

yC) là giao điểm của các ĐĐT khác họ



2) Tìm ZC và C : giải hệ 2 Pt sai phân:

; Fr

) 5 , 0 cos

( ) (

1 Fr

) 5 , 0 cos

( ) (

1 Fr

2

B

B A

A

h

gn h

);

(x xDtg

y

y C  D  C C 

y

y 

5) Các thông số dòng chảy tại C:

C C

C

C C

C C

C

dc C

C

Fr h

g V

h Z

x t

H Fr

Z Z

(2

;

D D

D D

Việc tính toán được chính xác hoá theo phương pháp lặp

* Bài toán 2

Tại điểm A(xA, yA) đã biết các thông số chảy Tìm các thông

số chảy tại điểm C là giao điểm của 1 ĐĐT qua A và 1 đường cong L cho trước; góc C đã biết

(L thường là đường biên của lòng dẫn)

Giải

1) Tìm toạ độ của C:

2) Tìm ZC: từ phương trình đường đặc trưng:

; Fr

) 5 , 0 cos

( ) (

1 Fr

S C

A

x

L( )  (  A ) (   ) 

cong L (khi L là tường cứng)  xác định B, HB, FrB.

4) Xác định các thông số chảy tại C

C C

C

C C

C C

C

dc C

C

BC B

B B

C

Fr h

g V

h Z

x t

H Fr

Z Z

h

L Fr

H H

(2

;

5,0



* Phối hợp 2 bài toán

Tìm các thông số chảy trên miền ABCD, với:

- AB: Biên đầu (đã biết dòng chảy ở kênh TL)

-CD: biên cuối (đã biết dòng chảy ở kênh HL)

-BC: biên của đoạn chuyển tiếp (đường cong

•Đảm bảo độ biến dạng lớn và có định hướng của dòng xiết (thu hep, mở rộng, đổi hướng)  rút ngắn chiều dài các đoạn chuyển tiếp so với đáy phẳng

•Tạo sự chảy bao không tách dòng, đường mặt nước

không có đột biến

•Các thông số dòng chảy (V, h, p) biến đổi theo cả 3

hướng của không gian (x, y, z)

•Sử dụng hợp lý khi lòng dẫn có độ dốc lớn, dòng chảy

3.2 Một số loại kết cấu đáy cong 2 hướng

*Mũi phun phát tán

*Mũi phun xoắn

*Đường xoắn (đoạn dốc nước uốn cong)

*Các đoạn chuyển tiếp (thu hẹp, mở rộng)

3.3 Cơ sở tính toán

Đọc tài liệu

các đường dòng

• Hàm mô tả phải liên tục

• Hàm phải chứa đủ số tham số cho

phép thoả mãn các ĐK nối tiếp và

các y/c khác đối với hình dáng mặt

tự do;

• Tuân thủ các ĐK nối tiếp các đoạn

khác nhau của mặt tự do.