Chuong 5 ton that nang luong

Nguyễn Thống THỦY LỰC ĐẠI CƯƠNG Chương 5: Tổn thất năng lượng dịng chảy 3 MỤC ĐÍCH • Nghiên cứu các dạng mất năng lượng của dòng chảy tầng và dòng chảy rối.. Nguyễn Thống Chương 5

Trang 1

PGS TS Nguyễn Thống

Chương 5: Tổn thất năng lượng dịng chảy

1

Khoa KTXD - Bộ mơn KTTNN

Giảng viên: PGS TS NGUYỄN THỐNG

E-mail: nguyenthong@hcmut.edu.vn or nthong56@yahoo.fr

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

Tél (08) 38 691 592 - 098 99 66 719 PGS TS Nguyễn Thống

2

NỘI DUNG MƠN HỌC

Chương 1 Đặc tính chất lỏng

Chương 2 Thủy tỉnh học

Chương 3 Cơ sở động lực học chất lỏng

Chương 4 Đo đạc dòng chảy

Chương 5 Tổn thất năng lượng

Chương 6 Dòng chảy có áp trong mạng lưới ống

Chương 7 Lực tác dụng lên vật cản

Chương 8 Dòng chảy ổn định đều trong kênh

THỦY LỰC ĐẠI CƯƠNG

3

MỤC ĐÍCH

• Nghiên cứu các dạng mất

năng lượng của dòng chảy

tầng và dòng chảy rối

THỦY LỰC ĐẠI CƯƠNG Chương 5: Tổn thất năng lượng dịng chảy

4

GIỚI THIỆU HIỆN TƯỢNG

MẤT NĂNG LƯỢNG

5

z1

z2

p1/  g

V1/2g

p2/  g

V2/2g

dhd

p1

p2

0

X

P



Động

năng

Áp

năng

Thế

năng

Mất năng

L

1

2

6

Thế

năng

Động năng Mất năng

V1 /2g

p1/  g

z1

dhd

V2/2g

p2/  g

z2

0

0 :ứng suất do ma sát giữa dịng chảy và lịng dẫn

Trang 2

7

THÍ NGHIỆM REYNOLDS

Chảy tầng

Chảy rối

Chảy quá độ

Van điều tiết l/lượng Nước màu

Đường ống trong suốt

Bổ sung

nguồn

nước

8

Chảy tầng

Chảy quá độ

Chảy rối

9

THÀNH LÒNG DẪN

10

THÀNH LÒNG DẪN

11

TỔNG HỢP CÁC TRẠNG THÁI CHẢY

12

PROFILE VẬN TỐC

Trang 3

13

Tiêu chuẩn xác định trạng thái chảy:

• Số Reynolds:

• V: vận tốc trung bình điển hình dòng chảy

• L: chiều dài đặc trưng (bán kính thủy lực, D ống)

•  hệ số nhớt động học của nước (0,0101 cm 2 /s)

• Chảy tầng:

• Chảy rối:

• Chảy quá độ:

e

VL R





R  R 

R  R 

gh 1 e gh 2

R   R  R 

gh 1

R   2000

gh 2

R   3000 100000 

The fundamentals of turbulence – Damien Violeau

14 / 130

Steady Jet in a permanent flow

In 1883, Osborne Reynolds does the following experiment:

O Reynolds

Coloured jet

The fundamentals of turbulence – Damien Violeau

15 / 130

In brief

shows a dramatically different behaviour

Laminar

Transition

Turbulent

U

D Re < Re c,1

Re > Re c,2

It seems rather logical: the more viscous, the more stable

16

h  dh  dh

L AB

Ứng suất tiếp tuyến do ma sát

A

B

1

2

1

2

Tổn thất năng lượng cục bộ

Tổn thất năng lượng đường dài

17

CƠNG THỨC LÝ THUYẾT

XÁC ĐỊNH MẤT NĂNG

ĐƯỜNG DÀI CHO DỊNG CHẢY ỔN ĐỊNH

18

PHƯƠNG TRÌNH

CƠ BẢN CHẤT LỎNG CHẢY ĐỀU

Trang 4

19

z1

z2

p1/  g

V1/2g

p2/  g

V2/2g

dhd

p1

p2

0

X

P



Động

năng

Áp

năng

Thế

năng

Mất năng

L

1

2

20

XÉT PHƯƠNG TRÌNH LỰC ĐOẠN DÒNG CHẢY ĐỀU THEO PHƯƠNG TRỤC DÒNG CHẢY

Chú ý : cos()=(z 1 -z 2 )/L

0 ) cos(

L L

p

p1  2  0    

Aùp lực thủy tỉnh thượng hạ lưu

0 ) cos(

L R

L p

p1 2 0













Lực ma sát Trọng lượng bản thân

21

Aùp dụng phương trình Bernoulli cho đoạn dòng

đều giới hạn bởi (1-1) & (2-2) [cả có và không

có áp]:

R

1 L

)

p z ( )

p z

(

0

2 2 1 1









d 2

2 1

1 p ) ( z p ) dh

z











22

Từ đó:

Với J=dhd /L  độ dốc thủy lực Aùp dụng cho dòng chảy tròn đều, chú ý R=d/4=r/2:

J R R

1 L















0



2

r J









r0 r

(phương trình cơ bản dòng chảy đều)

b/kính thủy lực

23

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI

Trường hợp chảy tầng

Xét dòng chảy trong ống tròn, ứng suất tiếp tuyến do

tính nhớt chất lỏng (kết quả cuối chương 1):

 chỉ hệ số động lực nhớt, u chỉ vận tốc phân tử chất

lỏng cách tâm ống khoảng cách r

dr

du



   (1)

24

• Ngoài ra, trong dòng chảy chảy đều ta còn có quan hệ:

• 0 ứng suất tiếp, R bán kính thủy lực, J độ dốc thủy lực

• Xét cho trường hợp chảy có áp trong ống tròn:

Bán kính thủy lực  R=r/2

• Và tại thành ống (r=D/2):

JR



2

r J



 

4

0

D J



 

(2)

Trang 5

25

• Từ (1) và (2) ta sẽ xác định được quy luật phân bố vận

tốc dòng chảy tầng trong đường ống như sau:

C hằng số tích phân sẽ xác định theo đ/k biên

dr

du r



   

J du





2





C r

J

u   2

4 





26



) (

4

2 2

0 r r

J





2 2

0 max

16

J r

J u









umax

u

r

Aùp dụng điều kiện biên: Tại thành ống r=r 0  u=0

Với D chỉ đường kính ống

 Phân bố vận tốc trong ống tròn chảy tầng

27

• Từ đó phân bố vận tốc tại mặt cắt ống tròn có thể

viết:

Đây là phương trình của một paraboloide tròn xoay

Bài tập: Tính Q từ phân bố vận tốc u nói trên và tính

vận tốc trung bình V theo u max

Đáp số:































2

0 max

r

r 1 u

u

4

128 Jd

Q







2

max

u

V 

28

dr

r0

O

29

Từ đó ta có thể xác định tổn thất năng lượng đường

dài trong chảy tầng như sau (J=dh d /l):

V gD

L 32

dhd 2







g 2

V D

L g 2

V D

L

R

64

dh

2 2

e

Với Re=VD/ 

Dạng CT phổ biến xác định TT năng lượng đường dài

e

R

64 with

30

Trường hợp chảy rối – Công thức Darcy

Ứng suất tiếp trên thành:

Phương pháp phân tích thứ nguyên:

Giải ra ta có: a=2-d; c=1-d; b=-d-e

) , , , , (

e d c b a

D

0

Trang 6

31

Trường hợp chảy rối – Công thức Darcy

Từ đó:

Kết hợp với kết quả dòng chảy đều:

2 ) (Re,

2 1

0

V D

2 ) (Re,

2 1

0

V D f



RJ



0

32

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI Trường hợp chảy rối – Công thức Darcy Lưu ý với J=dh d /l ta có :

Công thức (1) gọi là công thức Darcy (1856) Ôn: Nếu chảy tầng

g 2

V D

L dh

2

D





Re

64





(1)

33

XÁC ĐỊNH  BẰNG THỰC NGHIỆM

• Theo Nicuraste

• Theo Moody

• Hai tác giả dùng phương pháp thí

nghiệm để xác định  theo quy luật

định nghĩa trong phương trình

Darcy

34

ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH  THEO NICURASTE Chảy tầng

Chảy rối

Chảy quá độ lg(100)

lg(Re)

0 /∆

35

• ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH  THEO MOODY



Re

∆/D

36

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG DÀI Theo Hazen–Williams (phổ biến dòng chảy có áp)

• Công thức thực nghiệm tính tổn thất năng lượng đường dài cho dòng chảy rối theo Hazen-Williams:

• Trong đó C HW =90  140 là hệ số phụ thuộc tình trạng ống Ống càng “tốt” giá trị C HW lớn

L: chiều dài, D: đường kính, Q l/lượng

(m)

85 , 1

HW 87 , 4 d

C

Q D

L 68 , 10

dh     

Trang 7

37

MẤT NĂNG LƯỢNG

CỤC BỘ

38

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG CỤC BỘ

Xảy ra khi có sự thay đổi “đột ngột” về kết cấu dòng chảy tại vị trí cục bộ trên dòng chảy:

 tạo dòng chảy “xáo trộn” cục bộ

 ma sát cục bộ của các phân tử chất lỏng

 tổn thất năng lượng cục bộ

39

TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG CỤC BỘ  hc

Dòng chảy xoáy cục bộ

D

d

40

 : gọi là hệ số tổn thất năng lượng cục bộ, được xác định từ thực nghiệm (xem sau)

V(m/s) vận tốc trung bình

) ( 2

2

m g

V

dhc  

41

1 Trường hợp co hẹp đột ngột:

) 1 ( 5 , 0





c



42

2 Miệng vào ống:

Sắc mép: c=0,5 Mép tròn, thuận: c=0,2 Mép rất thuận: c=0,05

Trang 8

3 Miệng ra của ống (Công thức Borda):

43

2

) 1

(





c





44

4 Ống uống cong “đột ngột” vớiø d<50mm:

d

 0,2 0,3 0,4 0,55 0,7 0,9 1,1



45

4 Ống uống cong 900 với và d>200mm:

d 200 250 340 390 490

 1,7 1,3 1,1 1,0 0,83

46

4 Ống bán kính r uốn cong dần 900 với bán kính cong R:

r/R 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1.0

 0,13 0,14 0,16 0,21 0,29 0,44 0,66 0,98 1.4 1,98

R

47

5 Cửa van phẳng trong ống tròn:

h (d-h)/d 0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8

 0 0,07 0,26 0,81 2,06 5,52 17 97,8

d

48

6 Van 1 chiều trong bơm và có lưới chắn rác:

d 50 75 100 125 150 200 250 300 400

 10 8 7 6,5 6 5 4,5 4 3

Ống hút Trường hợp chỉ có lưới:

=5-6

Trang 9

49

7 Khoá nước:

0 5 10 20 30 40 50 60 70 80

 0,05 0,29 1,56 5,47 17,3 52,6 206 486 >>



50

VAN BƯỚM (BUTTERFLY)-Xem sau

0 10° 20° 30° 40° 50°

 670 145 47 18 7

0 60° 70° 80° 90°

51

(Butterfly Valve )

VAN BƯỚM

52

VAN CỬA (GATE VALVE)-Xem sau

p/D 1/8 2/8 3/8 4/8

 0,07 0,26 0,81 2,1 p/D 5/8 6/8 7/8

 5,5 17 98

53

VAN CỬA (Gate Valve)

54

TÓM TẮT VỀ MẤT NĂNG LƯỢNG

DÒNG CHẢY

 Mất năng đường dài theo Manning:

 Hoặc theo Hazen-Williams cho dịng chảy có áp:

) O mH ( g

V d

L

2

) O mH ( C

Q d

L 68 10

85 1

HW 87 4

Trang 10

55

DÒNG CHẢY

  hệ số mất năng đường dài

 L chiều dài

 d đường kính

 CHW hệ số phụ thuộc tình trạng ống

 V vận tốc trung bình

 Q lưu lượng

56

DÒNG CHẢY

 Mất năng cục bộ:

 hệ số mất năng cục bộ

) O mH ( g 2

V

2

c  



57

Bài tập 1 : Tính áp suất tại B (N/m 2 , at) của đường

ống sau Biết tại A có p A =0,8at Ống có đường

kính tại A & B là D A =0,2m, D B =0,30m và dẫn lưu

lượng nước 50l/s Tổn thất năng lượng đường dài

lấy theo Manning có =0,03; d tb = 0,24m và

L AB =20m

A

B

h=3m

1

2

Chú ý : 1at =1kgf/cm 2 =g(N/cm 2 )

=9,81(N/cm 2 )=9,81.10 4 (N/m 2 )

VA

VB

58

Bài tập 2 : Giống số liệu trên, biết rằng tổn thất đường dài dh theo Hazen-Williams như sau:

Với L(m) chiều dài ống, d(m) đường kính trung bình ống, Q(m3/s) lưu lượng qua ống

Tính pB (at)

85 , 1

87 , 4 100

Q d

L 68 , 10 ) m (













59

Bài tập 3: Biết ống tròn AB có L=10m, d=0,05m Tổn

thất năng lượng đường dài theo Manning có λ=8*10 -2

a Tính V và từ đó suy ra Q qua ống (bỏ qua t/t cục bộ)

b Tổng tổn thất cục bộ tại A & B có ζ C =1,2 Tính Q

trong trường hợp này

Giả thiết bình có tiết diện rất lớn so với tiết diện ống

AB

H=12m

V Trục ống AB

60

Bài tập 4 : Bơm X có cột nước bơm H b =16m Ống AB có L=30m, d=49mm Tổn thất năng lượng đường dài theo

HW có C HW =120 Tổn thất cục bộ sơ bộ lấy 25% tổn thất đường dài Tính Q từ bình 1 lên bình 2 Cho biết 2 bình có tiết diện rất lớn so với tiết diện ống AB Từ đó tính công suất bơm Biết bơm có

hiệu suất η=0.8

X

1

2

A

B

Q

H=14m

Trang 11

61

Bài tập 4bis : Bơm X có H b =22m Ống AB=29m, BC=1m,

d=60mm Tổn thất năng lượng đường dài dh d theo

Manning có =1.5*10 -2 Tổn thất cục bộ sơ bộ lấy

25%dh d Tính Q từ bình 1 lên bình 2 và áp suất tại B

Biết 2 bình có tiết diện rất lớn so với tiết diện ống AC.

X

1

2

A

C

Q

H 1 =20m h=1m

B

62

Bài tập 5: Tính lưu lượng nước từ bình 1 sang bình 2 Mất năng đường dài theo Manning có  =4.10-2 Mất năng cục bộ bằng 50% tổng mất năng đường dài Các bình có

tiết diện rất lớn so với tiết diện ống

1

2

L 2 =10m

D 2 =0.2m

H=5m

63

Bài tập 6 : Bơm X có H b =14m Ống AB có L=30m,

d=60mm Tổn thất đường dài theo Manning có =10 -2

Tổn thất cục bộ có c =1,5 Tính Q từ bình chứa 1 lên

bình chứa 2 Cho biết [1] có tiết diện rất lớn, bình [2]

có tiết diện 0.5m 2

X

1

2

A

B

Q

H =13m

64

Bài tập 7 : Bơm X có H b =13m Ống ABC có L=40m, d=60mm Tổn thất đường dài theo Manning có

=2.10 -2 Tổn thất cục bộ có c =0.5 Tính Q từ bình chứa 1 lên bình chứa 2 Cho biết bình có tiết diện rất lớn so với tiết diện ống Tính áp suất tại B (AB=10m).

X

1

2

A

B

C

H=12m

H B =7m

65

Bài tập 8 : Người ta muốn bơm nước từ bể

chứa 1 lên bể chứa 2 cĩ chênh lệch cao độ

2 mặt thống là 20m Lưu lượng bơm là

3l/s Đường ống 63mm, dài 30m Mất năng

đường dài theo HW cĩ CHW=120 Mất năng

cục bộ bằng 25% tổng mất năng đường

dài Bể có tiết diện rất lớn so với tiết diện

ống

1 Tính cột nước bơm

2 Tính cơng suất bơm (kW) Bơm cĩ hiệu

suất =0.85

66

Bài tập 9 : Cho h ệ thống như sau Mất năng đường dài theo Manning có

 =6.10-2 Mất năng cục bộ bằng 50%

tổng mất năng đường dài Các bình có tiết diện rất lớn so với tiết diện ống

bình 2

2 T ính áp suất tại B Nhận xét ?

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	1,07 MB