BÀI tập THÍ NGHIỆM mô HÌNH THỦY lực 1 (đề p)

NỘI DUNG VÀ YÊU CẦU CỦA BÀI TẬP TÊN ĐỀ BÀI: ĐỀ P NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG GÓC MỞ TƯỜNG CÁNH TỚI KÍCH THƯỚC HỐ XÓI I. Thiết lập phương trình chung nhất bằng phương pháp Buckinham để thiết lập các sêri thí nghiệm. II. Chọn tỉ lệ mô hình thí nghiệm đặt trong phòng có kích thước bxl=15x20m. Lưu lượng lớn nhất của trạm bơm cấp nước Q=50ls.

trờng đại học thuỷ lợi

Khoa sau đại học

-0 -Bài tập thực nghiệm mô hình thuỷ lực

ảnh hởng góc mở tờng cánh

tới kích thớc hố xói

Giáo viên hớng dẫn: PGS.TS Phạm Ngọc Quý

Học viên : KS Vũ Hoàng Hải Lớp : Cao học 9

hà nội - tháng 5/2003

nội dung và yêu cầu của bài tập

Tên đề bài: đề p

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

"nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hởng góc mở t-ờng cánh tới kích thớc hố xói"

để thiết lập các sêri thí nghiệm

bxl=15x20m Lu lợng lớn nhất của trạm bơm cấp nớc Q=50l/s

Bài làm

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

I Thiết lập phơng trình chung nhất để xác định các sêri thí nghiệm

I.1 Lý thuyết Buckingham (định lý )

Mọi quan hệ vật lý cơ bản giữa các đại lợng thứ nguyên đều

có thể biểu diễn và viết nh quan hệ giữa các đại lợng không thứ nguyên - tức các thông số mà trong các quan hệ tơng tự có vai trò

nh các tiêu chuẩn tơng tự Trong các trờng hợp ta cha biết đợc quan

hệ hàm giữa các yếu tố gây ra hiện tợng đó, khi đó ta dùng lý thuyết Buckingham

Nội dung của lý thuyết này là : Mọi phơng trình

f(a1,a2,a3 an) = 0 [1.1]

biểu diễn mối quan hệ giữa n đại lợng vật lý biến đổi có thứ

nguyên: a1, a2, a3 an, mà thứ nguyên của chúng đợc xác định qua

m các đại lợng cơ bản ( khối lợng, chiều dài, thời gian) đều có thể

biến đổi thành phơng trình:

F(1, 2, 3, , n-m) = 0 [1.2]

biểu diễn mối liên hệ giữa (n-m) tổ hợp không thứ nguyên độc lập

hợp không thứ nguyên nói trên đợc tiến hành theo các phơng trình sau:

1= a1x1.a2y1.a3z1.a4p1

2= a1x2.a2y2.a3z2.a5p2

3= a1x3.a2y3.a3z3.a6p3 [1.3]

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

n-3=a1xn-3 a2yn-3 a3zn-3 anpn-3

xi, yi, zi đợc xác định sao cho tổ hợp tơng ứng i là không thứ nguyên Ba đại lợng vật lý đầu tiên a1, a2, a3 trong [1.1] chứa trong mọi tổ hợp i còn đại lợng thứ 4 thay đổi từ tổ hợp này sang tổ hợp khác

I.2 Thiết lập phơng trình chung nhất:

Để nghiên cứu hố xói lòng dẫn sau công trình tmax, Lxói do ảnh hởng của góc mở tờng cánh ta chọn các đặc trng vật lý có ảnh hởng sau:

1 Lu lợng xả qua cống Q [L3/T]

2 Phân bố lu tốc cuối sân sau v[L/T]

3 Độ đục dòng chảy [M/L3]

4 Đờng kính hạt đất d[L] (Giả thiết trong trờng hợp hạ lu là đất rời)

5 Hệ số nhớt động lực của nớc  [ML-1T-1]

7 Chiều rộng đoạn cuối tờng cánh bs[L]

8 Trọng lợng riêng hạt bùn cát  [M/L3]

9 Chiều sâu hố xói Tmax[L]

Các yếu tố ảnh hởng trên đợc biểu diễn trong quan hệ hàm:

Tmax=fT(Q, V, , d, , bt, bs, L)

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

L = fL(Q, V, , d,  bt, bs, Tmax) Hoặc f(Q, V, , d, , bt, bs, L, Tmax) = 0

F(1, 2, , 4, , 6) = 0 [1.4]

Nh vậy số đại lợng vật lý n = 9, số thứ nguyên m = 3 Vậy số tổ

1=Qx1Vy1z1d

2= Qx2Vy2z2

3= Qx3Vy3z3x [1.5]

4= Qx4Vy4z4y

5= Qx5Vy5z5

6= Qx6Vy6z6Tmax

Khi xét đến thứ nguyên của các đại lợng xuất xứ ta có:

1 =[L3T-1]x1[LT-1]y1[ML-3]z1[L]

2 = [L3T-1]x2[LT-1]y2[ML-3]z2[ML-1T-1]

3 =[L3T-1]x3[LT-1]y3[ML-3]z3[L] [1.6]

4 =[L3T-1]x4[LT-1]y4[ML-3]z4[L]

5 =[L3T-1]x5[LT-1]y5[ML-3]z5[ML-3]

6 =[L3T-1]x6[LT-1]y6[ML-3]z6[L]

Biến đổi các phơng trình [1.6] thành:

1= L3x1+y1-3z1+1 T-x1-y1 Mz1

2= L3x2+y2-3z2-1 T-x2-y2-1 M-3z2+1

3= L3x3+y3-3z3+1 T -x3-y3 Mz3 [1.7]

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

4= L3x4+y4-3z4+1 T -x4-y4 Mz4

5= L3x5+y5-3z5-3 T -x5-y5 Mz5+1

6= L3x6+y6-3z6+1 T -x6-y6 Mz6

ph-¬ng tr×nh sau ®©y:

(1)























0 z1

0 y1 x1

0 1 3z1 -y1 3x1

->















 0 z1

0,5 y1

0,5

- x1

(2)





















1 3z2

1 -y2 x2

0 -3z2 -y2 3x2

->















 1/3 z2

-5/2 y1

3/2 x1

(3)























0 z3

0 y3 x3

0 1 3z3 -y3 3x3

->















 0 z3

0,5 y3

0,5

- x3

(4)























0 z4

0 y4 x4

0 1 3z4 -y4 3x4

->















 0 z4

0,5 y4

0,5

- x4

(5)

























0 1 z5

0 y5 x5

0 3 3z5 -y5 3x5

->















 1

- z5

0 y3

0 x5

(6)























0 z6

0 y6 x6

0 1 3z6 -y6 3x6

->















 0 z6

0,5 y6

0,5

- x6

V

Q d



1 2

V

Q V

Q



V

Q x



Vò Hoµng H¶i - CH 9 - Trêng §HTL

Q y









5 ;

V

Q

Tmax

6 



Đặt các biểu thức tính i vào công thức [1.4] ta đợc:

F(1,2,,4,,6)= 0 <-> F(

V

Q

d , 3

1

V

Q V

Q ,

V

Q

x ,

V

Q

y , ,

V

Q

Tmax )=0

y=

Q

V

(

V

Q

d , 3

1

V

Q V

Q ,

V

Q

x ,





,

V

Q

Kết luận: Khi nghiên cứu ảnh hởng của góc mở tờng cánh tới kích thớc hố xói cần thiết cố định một số yếu tố ảnh hởng khác, chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hởng trực tiếp của góc mở tờng cánh

đến kích thớc hố xói

II Chọn tỉ lệ mô hình

II.1 Tiêu chuẩn tơng tự:

Dòng chảy qua cống là dòng chảy hở chịu tác dụng của lực trọng trờng là chính, tiêu chuẩn tơng tự chọn là tiêu chuẩn Frút và cần đảm bảo mức độ rối nh nhau, hệ số lực cản xêdi phải đồng nhất

Theo tiêu chuẩn Frut các tỉ lệ cơ bản đợc tính theo các công thức sau:

Tỉ lệ về độ dài hình học: L

Tỉ lệ về lu lợng: q =L 5/2

Tỉ lệ vận tốc dòng chảy: v = L1/2

Tỉ lệ về áp suất: p =L

Tỉ lệ về thời gian: t =L1/2

Tỉ lệ về độ nhám n =Ly

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

II.2 Xác định phạm vi cần thiết phải nghiên cứu trên mô hình:

1 Chiều cao cần thiết nghiên cứu:

Đợc xác định trên cơ sở cao trình mực nớc lớn nhất thợng lu, cao trình thấp nhất nền hạ lu, và khoảng an toàn lu không thợng và hạ l-u:

H= max -min +h

[2.4]

Trong đó: max - cao trình mực nớc lớn nhất thợng lu cần nghiên cứu

min - cao trình thấp nhất nền hạ lu

h - khoảng chiều cao an toàn, để bố trí thoát nớc tự

do sau hạ lu

2 Chiều dài cần nghiên cứu:

Bằng tổng chiều dài các bộ phận công trình cần nghiên cứu, chiều dài thợng lu để bố trí thiết bị giảm sóng, tạo dòng chảy lặng vào cửa công trình, và nghiên cứu ảnh hởng của thợng lu, cần thiết phải lấy thêm một khoảng gia tăng về hạ lu để bố trí thiết bị điều chỉnh mực nớc và thoát nớc hạ lu:

L = Li + L thợng lu+ Lhạ lu [2.5]

3 Chiều rộng cần nghiên cứu:

Là chiều rộng lớn nhất của công trình, tơng ứng với cao trình mực nớc lớn nhất thợng lu (theo mặt cắt ớt), tăng thêm một khoảng an toàn và dùng để bố trí lối đi lại phục vụ cho đo đạc

B = Bmax +B [2.6]

II.3 Các yêu cầu khi chọn tỉ lệ mô hình:

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

Khi chọn tỉ lệ mô hình cần phải thoã mãn các yêu cầu sau:

 Đảm bảo tiêu chuẩn tơng tự theo Frút

 Mô hình đủ diện tích để bố trí đầy đủ các bộ phận công trình nh mục II.2 đã tính toán và theo tỉ lệ đã chọn

 Các thiết bị đo đạc có đủ khả năng đo đạc đợc các thông số

đợc về mặt cấp nớc, trang thiết bị, có đủ khả năng cung cấp vật liệu cho mô hình v.v

 Chọn tỉ lệ nhỏ nhất có thể

II.4 áp dụng với đầu bài đã cho:

1 Tính toán thiết kế sơ bộ một số thông số công trình thực tế :

- Lu lợng xả lớn nhất Qmax

- Chiều sâu bể tiêu năng d

- Chiều dài bể Lb

- Chiều dài sân sau thứ hai

- Chiều sâu lớn nhất hố xói Tmax

- Chiều dài lớn nhất hố xói Lmax

Giả sử khi cống tháo lu lợng thiết kế lớn nhất Qmax = 200 m3/s khi cột nớc Hmax=12m

n

Q a

2 3 1

max









125 , 0 12

5 , 1







H

a

n ; 0,57 0,61

1 , 1

043 , 0









n



Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

+ Kết quả tính lần 1 : 3 7 2 9,81 12 1,06

61 , 0 125 , 0 1

61 , 0

200







x x x x

a

+ Lặp lại một số lần ta có độ mở a=1,04m

- Chiều sâu dòng chảy kênh hạ lu: chọn kênh có độ dốc

i=0,001, độ nhám n=0,025, Bk=25m, m=2, ứng với Q=200 m3/s ta

có hk = 2,90

- Tính chiều sâu bể tiêu năng (d):

+ Chiều sâu co hẹp dòng chảy sau cửa van : h1=x1,04=0,87 (m)

5 , 5

04 , 1 05 , 1 1

1 05

, 1 1











R a

ph





+ Chiều sâu liên hiệp sau nớc nhảy

m x

gh

q h

87 , 0 81 , 9

52 , 9 8 1 2

87 , 0 1 8

1 2

1

1

2















































Theo Smetana thì sơ bộ tính chiều sâu bể tính theo công thức:

d= h2-hk=1,2x4,2- 2,9= 2,14 m;

81 9

) 2 / 87 , 0 14 , 2 ( 2 2 , 9 ) 1 2 ( 5 8 , 0

2

m x

x h

h x x g

y

Chọn Lbể=20m (Trong đó đoạn của vào bể L=6m)

- Chiều dài sân sau thứ hai: L2 K q H 12 8 9,6 60(m)

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

- Chiều dài hố xói L=4,5d+hpg = 4,5x2+1.9=11 (m)

2.Tính các kích thớc khống chế phạm vi nghiên cứu:

- Chiều dài: L = Li + L thợng lu+ Lhạ lu

+ Lthợng lu= (35)htl = (35)12=36-60m, chọn Ltl =60m;

+ Lhạ lu=(35)hhl =(35)2,9=9  14,5 m, chọn = 15m;

L= Lthợng lu + Lc + Lb + L2 + L + Lhạ lu =

60+10+20+60+11+15=176 (m)

- Chiều rộng: giả sử tờng cánh của cống có chiều rộng mỗi bên

bt=10m Chiều rộng phần cửa cống B1= 3.Bc+Btrụ+2.Bt=

7.3+2.1,5+2.10=44m;

4 Chọn tỉ lệ mô hình theo điều kiện máy bơm cấp nớc :

L=(Qt/Qm) 2/5 = (200/0,05)2/5=27,59 Chọn L=30

5 Kiểm tra kích thớc mô hình theo không gian sân thí nghiệm các điều kiện giới hạn:

Nh vậy với sân mô hình có kích thớc b x l=15 x 25m, đủ để

6 Kiểm tra kích thớc mô hình khi mô hình hoá theo tiêu chuẩn Froud

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

- Rem=41/0,01=41000  Rgh, với các cấp lu lợng lớn hơn trên mô hình sẽ có Re lớn hơn, vậy điều kiện giới hạn về Re đợc đảm bảo;

- Lu tốc dòng chảy trên mô hình Vm=Vtn/L1/2 =2,24/301/2 = 0,41 m/s>0,23m/s

- Chiều sâu nhỏ nhất dòng chảy trên mô hình

hm=htn/L=0,87/30=29 (mm)>15mm

- Kiểm tra điều kiện về độ nhám, chọn vật liệu làm mô hình: + Với bộ phận cống, bể tiêu năng bằng bê tông có n=0,014

nm = nt /Ly =0,014/301/6 =0,008, chọn vật liệu là chất dẻo

vật liệu trong mô hình có thể chọn làm bằng vữa xi măng cát vàng

t-ơng tự, cũng nh việc bố trí trên sân mô hình và cung cấp nớc cho thí nghiệm

III - Kết luận

Mô hình nghiên cứu khả năng tháo của cống nh trên đã trình bày thuộc loại mô hình không gian, tổng thể chính thái và lòng cứng Do điều kiện thời gian, trình độ hạn chế nên tác giả cũng

ch-a thể hiểu hết ý đồ thiết kế cũng nh những điều kiện làm việc cụ thể của cống lấy nớc, do vậy chỉ giả định một trờng hợp làm ví dụ

để tính toán lựa chọn mô hình và cũng chỉ dừng lại ở đây Còn những phần quan trọng khác trong thiết kế mô hình nh việc bố trí các mặt cắt đo đạc, vị trí đo đạc, lựa chọn và lắp đặt thiết bị

đo, nội dung, các phơng án thí nghiệm v.v là cha có điều kiện

đề cập đến

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL

Tài liệu tham khảo

[1] Phạm Ngọc Quý: Thực nghiệm mô hình thuỷ lực công trình thuỷ lợi (Bài giảng cao học) Hà nội - 5/1997

[2] P.G Kixêlep và sổ tay tính toán thuỷ lực NXB Mir 1984

[3] Phạm Ngọc Quý: Mô hình toán và mô hình vật lý công trình thuỷ lợi (Bài giảng cao học) Hà nội - 8/1998

[4] Phạm Ngọc Quý: Một số vấn đề tính toán thuỷ lực nối tiếp hạ lu

và xói sau công trình thuỷ lợi (Bài giảng cao học) Hà nội 1995

Vũ Hoàng Hải - CH 9 - Trờng ĐHTL