Bài giảng thủy năng và thủy điện chương 8 PGS nguyễn thống

Hiện tượng nước va trong đường ống áp lực.. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 4 TỔNG QUÁT Đường ống áp lực là công trình nối giữa cuối

Trang 1

PGS TS Nguyễn Thống 1

BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC

Giảng viên: PGS TS NGUYỄN THỐNG

Email: nthong56@yahoo.fr or nguyenthong@hcmut.edu

Web: http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/

Tél (08) 38 640 979 - 098 99 66 719 PGS TS Nguyễn Thống 2

Chương 1 : Tổng quan

Chương 2 : Tài nguyên nước và quy hoạch

khai thác Chương 3 : Các phương pháp khai thác năng

lượng nước

Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện

Chương 5 : Đập dâng & công trình tháo lũ

Chương 6 : Công trình lấy nước và dẫn nước

Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp

Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng

nước va

Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện

PGS TS Nguyễn Thống

THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN

Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va

3

ĐƯỜNG ÁP LỰC &

HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA

1 Tổng quát

2 Hiện tượng nước va trong

đường ống áp lực

3 Biện pháp giảm áp lực nước va

4

TỔNG QUÁT

Đường ống áp lực là công trình nối giữa cuối đường dẫn nước đến nhà máy

Đường ống chịu áp lực nước bên trong đường ống

- CTLN  Kênh dẫn  Bể áp lực 

- CTLN  Đường hầm có áp  Giếng điều

áp (tháp điều áp)  Đường ống  Nhà máy.

5

PHÂN LOẠI Theo vị trí xây dựng:

 Đường ống áp lực kiểu hở

ngầm

 Đường ống áp lực kiểu hổn

hợp (hở +ngầm)

6

D=3,5m, L=9065m i=0,0061

Đường ống áp lực

Trang 2

L OAL = 1866m

D ống chính = 2,6m

D ống nhánh = 1,6m

NHÀ VAN

NHÀ MTĐ

GIẾNG

ĐIỀU ÁP

KÊNH XẢ

32

ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM

Đường ống áp lực

Đập tràn

9

ĐƯỜNG

ỐNG

ÁP LỰC

HỞ

10

THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG

ÁP LỰC

11

THI CÔNG

ĐƯỜNG ỐNG

ÁP LỰC

12

THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG

35mm

Trang 3

ĐƯỜNG

ỐNG BÊ

TÔNG NGẦM

BỌC

THÉP

Đường ống

15

CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC

Khi NM vận hành bình thường 

dòng chảy trong ĐÔAL là có áp

và ổn định

Khi NM thay đổi trạng thái đột ngột

(tăng tải, cắt tải)  dòng chảy

quá độ (transient)

16

CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC KHÔNG ỔN ĐỊNH  DÒNG CHẢY

QUÁ ĐỘ

Xảy ra khi  Đóng (mở) van trên đường ống với tốc độ nhanh  thay đổi nhanh chóng vận tốc (lưu lượng) trong ống

17

GiẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG

Trong trường hợp đó  mỗi đoạn

dòng chảy (vi phân) trong ống chịu

sự thay đổi áp suất và vận tốc khác

nhau theo từng thời điểm  hiện

tượng truyền sóng áp lực  được

gọi là « NƯỚC VA »

 Xem đồ thị minh hoạ ở sau:

18

SỰ TRUYỀN SÓNG ÁP LỰC

Đóng van Van mở t=0

Trang 4

H A

ΔH A

Mặt chuẩn

A

B

BỂ CHỨA

Kênh sau NM

H A : cột áp tỉnh (mH 2 O)

ΔH A : gia số áp suất tại A sinh ra do nước va dương

Đường ống

G

X

THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH

NƯỚC VA

(Ống tuyệt đối cứng, NƯỚC

không NÉN được)

21

Phương trình chuyển động theo phương X (lưu ý

chiều dương chọn), Newton 2:

: khối lượng nước trong đoạn AB

F: tiết diện ống

: tổng ngoại lực theo phương X (trục ống)



x x

d(mV )

F

dt 

m   FL

x

F



dV

dt

(1)

22

: hình chiếu của trọng lượng nước trong đường ống lên phương X

Giả thiết không có ma sát giữa chất lỏng và thành ống (xem là áp suất thủy tỉnh)

Thay vào p/t trên và thu gọn:

 Với V=Q/F và dQ biến đổi lưu lượng trong thời đoạn dt

gLFsin

A B

H  H  Lsin

A dV

dt

   A L dV L dQ

H

g dt gF dt

    

Thay đổi áp suất tại A

do nước va gây ra

23

CHÚ Ý:

- Nếu dQ/dt < 0  đóng van

 ΔH A > 0  nước va dương

- Nếu dQ/dt > 0  mở van

 ΔH A < 0  nước va âm

 Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến

tính với chiều dài L từ B đến A

 L=0  ΔH=0 (tại B)

H

g dt gF dt

    

24

tính với (dQ/dt)

Trong trường hợp 

dQ const

dt 

s

c d A

T

Q Q gF

L





Q d : lưu lượng trước khi đóng van;

Q c : l/l sau khi đóng van

T s : thời gian đóng van từ Q d  Q c

Trang 5

Trường hợp kể đến sự đóng không «

tuyến tính »:

Với k = 1,25 1,5 xem như hệ an toàn

 Nếu đóng (mở) van tức thì (dQ/dt

>>> 1) 

 Kết quả không hợp lý này do từ các

“giả thiết” ban đầu của bài toán !

s

c d A

T

Q Q gF

L k





!



NƯỚC VA ĐƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ĐỐI

D THAY ĐỔI

H A

ΔH A

Mặt chuẩn

A

B

Réservoir

Kênh sau NM

H A : cột nước tỉnh

ΔH A : gia số áp lực nước va tại A

L 1 ,F 1

L 2 ,F 2

L 3 ,F 3

ΔH (1) ΔH (2)

27

Giả thiết D mỗi đoạn không đổi:

Gia số áp lực cho đoạn 1:

























2 2 1 1 s

c d s

c d 2 2 ) 1 ( )

2

(

F

L F

L gT

Q Q T

Q Q gF

L H H





















3 3

2 2

1 1

s

c d ) 3

(

F

L F

L gT

Q Q H















1 1 s c d ) 1 (

F

L gT Q Q H

28

chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng Q=30m3/s Thời gian đóng van là 10s (tuyến tính k=1)

1 Tính gia số áp lực lớn nhất do nước va

2 Tương tự nếu D=2.5m So sánh với kết quả câu 1, nhận xét

29

Bài giải:

1 D=2.25m

2 D=2.5m

Nhận xét: V  giảm  Giá trị nước va giảm

s

Q Q

gF T 9.81*3.14159* 2.25 10

s

Q Q

gF T 9.81*3.14159* 2.5 10

30

Bài tập: Lấy số liệu bài trước Đường ống bây giờ gồm 2 đoạn : L1=400m, D1=2.25m;

L2=600m, D2=2.0m

Tính gia số áp lực do nước va trong 2 đoạn ống

Trang 6

Bài giải: Đoạn 1:

Đoạn 2:

Bài tập: Lấy số liệu bài trước, đường ống

gồm 2 đoạn : L1=500m, D1=3.5m; L2=250m,

D2=3.0m Lưu lượng 40m3/s Tính gia số

áp lực do nước va trong mỗi đoạn

m 76 30 10 0 30 25 2

* 81 9 400

* T

Q Q

gF

L

s c d

1

)

1











m 16 89 10 0 30 2

* 81 9 600

* 76 30 T Q Q

gF

L

H

s c d

2

)

1

(

)

2













NƯỚC VA TRONG ĐƯỜNG ỐNG ĐÀN HỒI &

NƯỚC NÉN ĐƯỢC - ĐÓNG (MỞ) VAN

TỨC THÌ

theo áp suất bên trong

33

Trong thực tế  đường ống

bằng thép hoặc bê tông cốt

thép  biến dạng khi áp

suất thay đổi (mặc dù rất

bé)

34

Khảo sát đoạn ống cuối đường ống dài Δl (bé):

- Có 1 van ở A (chọn làm gốc toạ độ)

- Đầu vào đường ống giả thiết là hồ chứa

- V 0 vận tốc trung bình trong ống

- Thực hiện đóng van tức thì (T=0).

A

a

m

n

Δl

p 0 +Δp

p 0

t=0 t=dt

V 0

V 0 =0

X

O

35

Giải thích hiện tượng:

Sau Δt (s), chỉ có đoạn chất lỏng giới hạn

bởi (a-a);(m-m)  là dừng  Gia tăng áp

suất Δp

Trong khi đó nước bên trái (m-m) vẫn chảy

“bình thường”

Phương trình chuyển động khối chất lỏng

giới hạn bởi (a-a) và (m-m) theo trục ống:

0 0

0

t



       

  0 PGS TS Nguyễn Thống

36

Bước thời gian kế, đoạn chất lỏng giới hạn bởi (m-m) và (n-n) sẽ dừng  hiện tượng tiếp diễn  sự truyền sóng áp lực với tốc

độ a:

Do đó (1)  (2)

0

l

t

 

 



lim

0

l a

t





 

0

 

Trang 7

Trong trường hợp van đóng 1 phần:

Note: Δp=g ΔH (N/m 2 )

Tính a (tốc độ truyền sóng áp lực) :

Xét khi áp suất nước gia tăng một giá trị Δp:

 Khi nước bị nén:

 Tiết diện ống gia tăng:

0

( c)

p  a V V

0 c

a

H (V V ) g

     

     

Khối lượng nước trong đoạn a-a;m-m gia tăng:

Trong thời gian đó, khối lượng nước đi qua tiết diện m-m để đi vào [a-a;m-m] là:

Luật bảo toàn khối lượng:

   l l

        

t V

 0  0

m

m  

 0

39

Ta có:

Từ đó:

Note: Đã sử dụng kết quả trước:

         a  t   V0 t

0

p



p

 







0

p  aV

 

40

Chú ý là khối lượng nước không đổi (dù có bị nén) :

Vi phân toàn phần:

c

0



d W



41

Quy luật thể tích chất lỏng thay đổi

theo áp suất (GT.Cơ học chất lỏng):



:Module đàn hồi nước,  hệ

suất



K

p 





K

dp W

dW K

dp W



1

K 

42

Dùng định luật Hooke:

Tính:





E

L dl

L AE

F









Module đàn hồi vật liệu Lực tác dụng

Tiết diện

Trang 8

Lực kéo T sinh ra do áp suất p trên chu vi hình

tròn b/kính r:

(dF vi phân lực tác dụng lên

vi phân chu vi dl) T

T

p

dF



pr 2 d cos pr dF

T

2

2 /

  













d cos pr

cos

pdl

Bài tập : Xét ống trịn, sử dụng định luật Hooke (1D), chứng minh quan hệ:

r: bán kính ống trịn, p áp suất bên trong ống, e chiều dày thành ống, E module đàn hồi ống

eE

p r r

r 





45

Xét ống trịn:

Ta cĩ: 

Với biến dạng tương đối của bán kính r

dưới tác dụng của gia áp suất

Luật Hooke: 

Với e chiều dày thành, E hệ số đàn hồi ống

d đường kính ống

2

r

  

2 r r

 

r



  

r



p

 2

r r p d p

r eE eE

eE



  

46

Thay kết quả này vào phương trình xác định a:

Note: nếu ống KHƠNG đàn hồi ( )

Ta cĩ:

Đây là vận tốc truyền của sĩng âm trong nước

K a







E  0

K a



 K module đàn hồi nước

d  đường kính trong e chiều dày thành ống thép

47

Thay vào trên ta cĩ:

a (m/s)  Tốc độ

truyền sĩng áp lực

Chú ý: Tính giá trị

nước va trong đường ống đàn hồi:

e

d E

K 1

a





) V V ( g

a

H  0  c



48

Với K của nước ở nhiệt độ bình thường:

Ta cĩ: a 0 =1425 m/s

Một số vật liệu ống phổ biến :

9 2

2.03*10 /

Vật liệu Sắt Gang Gang đúc li

tâm

Chì

E/K 100 37 41 9

Trang 9

Với đường ống bê tông cốt thép:

hệ số cốt thép vòng f diện tích cốt

thép trên 1m chu vi ống

Thông thường  =0.015  0.05

) 5 9 1 ( e

d E

K 1

K a















e

f

HỆ SỐ ĐÀN HỒI Vật liệu E(kG/cm 2 ) Vật liệu E(kG/cm 2 ) Thép

Gang Bêtông

Gỗ

2.1E+06 1.0E+06 2.1E+05 1.0E+05

Cao su Nước Dầu

20-60 2.1E+04 1.35E+04

51

Bài tập: Lưu lượng 25m3/s chảy trong đường

ống có đường kính 2,5m, dài 1km

1 Giả thiết ống tuyệt đối cứng, tính giá trị

nước va max tại cuối ống khi đóng van

trong 10’’ (nước không nén được)

2 Giả thiết ống đàn hồi bằng thép dày 32mm

Nước là nén được Hệ số đàn hồi nước

K=2.109 N/m2 Tính nước va cuối ống khi

đóng van tức thời.

52

3 Lấy giá trị nước va câu 2 Khả năng chịu lực thép là [σ]=75kN/cm2 Lấy hệ số an toàn 2

Lấy chiều dày dự phòng 2mm

Tính lực dọc chu vi ống sinh ra do gia số áp lực nước va  kiểm tra khả năng chịu lực ống ?

53

PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA

TỔNG QUÁT

 Đường ống đàn hồi

 Nước nén được

 Van đóng dần dần

 Mất năng đường dài (ma sát

giữa dòng chảy và đường dẫn)

 Mất năng cục bộ

54

SƠ ĐỒ TÍNH

H A

ΔH A

Mặt chuẩn

A

B

Hồ

Kênh sau NM

H A : cột áp tỉnh

ΔH A : gia số áp lực tại A do nước va

1

2

X

H 1

dx

Trang 10

Áp dụng phương trình lực khối nước trong

(1-1) và (2-2) theo phương X :

m=  Fdx, Fx: ngoại lực

Lực tác dụng lên khối nước:

Lực bản thân phương X:

x x d(mV)

F

dt 

h

gF dx x

 



 gFdx sin



V

t







Thay vào p/trình (1):

z0 : cao độ van so mặt chuẩn

z : cao độ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn

h+z0+xsin  =H

) sin



x

h gF dt t

V











dx x

x z h gF dt t

V Fdx













57

Từ đó: (2)

Kết quả trước:

Xét sự thay đổi áp suất trong dt:

Sự thay đổi vận tốc:

g

  

a

H (V V ) g

   a dx

dt



H

t



 

 V

x



  



58

Thay tất cả vào:

(3)

Hệ phương trình (2) và (3) biểu diễn hiện tượng truyền sóng nước va trong ống đàn hồi với 2 ẩn

số là H và V

H a V dx

.

t g x dt

  

2

.

  

2

V g H

.

x a t



59

1 PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG:

Với V=V(x,t) và H=H(x,t) ta có:

Hệ p/t (2) và (3) trở thành:

dt x dt t

 

 

  dH dt   H dx x dt   H t

dV V dx H

g

dt x dt t

60

Hệ (4) & (5) cho:

Phương pháp đường đặc trưng biến (6) thành p/t bậc 1 bằng cách xem t/hợp:

(7)

2

     

2

    

             

2

 

      

 

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	1,77 MB