DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH TRONG ỐNG CÓ ÁP

V.1. Khái niệm chung

 Ta phải thiết kế:

- Hệ thống cấp nước cho công nghiệp và sinh hoạt.

- Hệ thống ống cấp nước tưới cho công viên, sân golf, sân cỏ...

- Hệ thống ống dẫn dầu, khí...

V.1.1. Đặc điểm của dòng chảy có áp trong ống

- Chảy đầy ống (chất lỏng chiếm toàn bộ không gian của hệ thống ống, áp suất thường lớn hơn áp suất khí quyển nhưng không nhất thiết, ví dụ ở đỉnh các si-phông hoặc ở các đường ống hút).

- Điều kiện tính toán: dòng chảy phải thoả mãn đồng thời các đ/k sau: (5đ/kiện) + ổn định;

+ có áp;

+ chảy rối;

+ chảy đều;

+ hầu hết ở khu BPSC, nếu không sẽ phải có các xử lý đặc biệt.

- Các phương trình sử dụng:

+ Phương trình Bernoulli + Phương trình liên tục

+ Các công thức tính tổn thất (xác định các hệ số ma sát Darcy , Sêdi C) V.1.2. Phân biệt ống ngắn và ống dài Căn cứ vào tình hình tổn thất cột nước.

 Ống dài: Chỉ tính đến tổn thất dọc đường, khi cần tính đến tổn thất cục bộ thì lấy hc = 5% hd.

 Ống ngắn: Tính tất cả các loại tổn thất (dọc đường + cục bộ)

 Như vậy, trong các bài toán nếu nói tới hệ thống đường ống tức là ám chỉ tới ống dài và chỉ tính toán tổn thất dọc đường, còn nếu không nói gì thì ta phải tự hiểu đó là ống ngắn và do đó phải tính tất cả các loại tổn thất có thể có trên đường ống.

* Trong Chương Sức cản dòng chảy & Tổn thất cột nước, thực chất ta đã học phương pháp tính toán ống ngắn. Sau đây chỉ giới thiệu cách tính cho hệ thống ống dài.

V.1.3. Công thức tính tổn thất - Gọi l = độ dài ống (m)

R = bán kính thuỷ lực (m)

-65-

J = độ dốc thuỷ lực = H

l ( = –

(Zsau−Ztruoc)

l )

n = Hệ số nhám Manning

- Công thức Sêdi cho dòng chảy đều ở khu BPSC: v = C √ RJ

- K = hệ số (mô-đun) lưu lượng của ống (m3/s) = .C. √ R =

0,3117 .d

8 3

n - Công thức Manning tính hệ số Sêdi: C =

1 n.R

1 6

- Lưu lượng: Q =  C √ RJ = K √ J =

1

n.ω. R2/3.J1/2

- Hệ số ma sát:  = 8.g

C2 hay C = √8.λg  v = √8.gλ √ RJ

- Gọi s là sức cản toàn phần của đường ống (đơn vị s2/m5): s = L

K2 thì hd = s.Q2

V.2 Tính toán ống dài

- Hệ thống ống dài được chia ra làm 2 loại là các ống nối tiếp và song song.

1) Nối tiếp: Đặc trưng thủy lực trong hệ ống nối tiếp là

Q = Const H = hd = ∑

1 n

hd

i

Từ công thức tính lưu lượng trong dòng chảy đều (trạng thái chảy ở khu BPSC):

Q =  C √ RJ = K √ J

J = H

L = hd

L  Q = K √hLd  hLd = QK22  hd = QK22 .L =

s. Q2

Mặt khác hd = J.L

Mỗi ống thành phần trong hệ ống đều có những quan hệ nói trên. Vậy cuối cùng ta phải giải hệ phương trình cho hệ ống nối tiếp như sau:

hd1 = J1 . L1 = Q12 K12.L1

hd2 = J2 . L2 = Q22 K22.L2

-66-

K2, l 2 K3, l 3 A

K1, l 1 K i, li

H

N Q

B C D I

-- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- ---

hdn= Jn . Ln = Qn2 Kn2.Ln

____________________________

H =

∑1 n Qi2

Ki2.Li

 H = Q2.

∑1 n Li

Ki2

hay Q = √ ∑HKLii2

2) Song song: Trong hệ thống ống song song ta có quan hệ sau:

Q =  Qi

H = Const  hd

1 = hd

2 = hd

3 = ... = hd

n = zA – zB =

= ( z + p γ )A− ( z+ p γ )B = H (chung cho các ống thành phần)

 Giải hệ phương trình:

H = Q12 K12.L1

H = Q22 K22.L2 -- -- -- -- H =

Qn2 Kn2.Ln

và Q = Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn

V.3 Ống tháo nước dọc đường a) Bài toán: Cho ống tháo nước liên

tục AB (lỗ đục dọc ống) Gọi:

QV = QA = lưu lượng vào đầu ống.

Qth = Q tháo = tổng lưu lượng tháo dọc đoạn AB.

Qm = Q mang = lưu lượng còn lại đi qua điểm B.

q = lưu lượng tháo tính trên một đơn vị chiều dài ống (m3/s/m).

K = mô-đun lưu lượng, = .C √ R (chỉ phụ thuộc đường kính và vật liệu chế tạo ống) A

Q th Q V

Q m

§­êng­®o

ápưpư=ưp(x)

B q

H = h d

-67-

K 1, L 1 K 2, L 2

K 3, L 3

A B

zA

zB H

Q

L = độ dài ống AB.

b) Công thức: H = L

K2.(Q2m+Qth.Qm+13.Qth2)  (Qm+0,55 .K2Qth)2.L

Gọi: Qtính = Qm + 0,55. Qth  H = Qtinh2

K2 .L

-68-

V.4 Tính toán thủy lực đường ống của máy bơm (loại bơm ly tâm): Xem SGK - Do tính chất làm việc mà ống hút và đẩy của máy bơm chịu tác động của áp suất

theo cách đối lập nhau: áp suất tuyệt đối trong ống hút < áp suất khí quyển và ngược lại đối với ống đẩy.

a) Đặc điểm ống hút

- Phần lớn chiều dài của ống hút có áp suất chân không.

Cũng như si-phông áp suất này có thể làm ống “móp” lại nếu nó không đủ cứng cáp chống lại sức ép từ vỏ ngoài của áp suất khí quyển.

- Áp suất chân không lớn nhất tại cửa vào máy bơm. Áp suất này phải được thiết kế sao cho không vượt quá giới hạn áp suất bốc hơi của chất lỏng cần bơm (nhỏ hơn 46 m đối với nước ở nhiệt độ thông thường). Để giảm thiểu áp suất chân không trong ống hút người ta thường cố gắng tăng đường kính ống (giảm lưu tốc

dòng chảy), tránh các tổn thất cục bộ và giảm tối đa chiều dài ống.

b) Đặc điểm ống đẩy

- Ngược lại với ống hút, áp suất dư trong ống đẩy thường > áp suất khí quyển nên có thể dùng các loại ống thông thường. Đường đẩy có thể dài tùy ý, chỉ phụ thuộc vào công suất máy bơm.

 Tính toán đường ống máy bơm thường sử dụng phương trình Bernoulli.

c) Tính toán công suất máy bơm

 Gọi Hb = tổng cột nước mà máy bơm cần phải cung cấp cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng để đưa chất lỏng từ giếng bơm lên tháp (xem hình vẽ)

Hb = z4 + hW1-2 + hW3-4

(Tổn thất trong máy bơm từ mc 2-2  3-3 đã được tính trong hiệu suất máy bơm)

 hW1-2 và hW3-4 = tổn thất cột nước trên ống hút và ống đẩy (m)

-69-

3 3 2 2

§ êng ®Èy

§ êng hót

Z2 pa

g 2

v . 22

2

1 1

0 0

g 2

v . 23

3

4 4

Tháp n ớc

Lướiư+ưVanư1 chiÒu

Đ ờng tổng cột n ớc

Z4

Z3

Mặtưchuẩn

 z4 = cao độ mực chất lỏng tại tháp (m)

 Q = lưu lượng thiết kế (m3/s)

- Để nâng 1 đơn vị trọng lượng (1N) lên cao 1 m trong 1 giây ta cần một công suất là 1 oát 

.V là trọng lượng của thể tích chất lỏng V, do đó

γ.V.H

T = .Q.H là công suất cần thiết để đưa thể tích chất lỏng V(m3) lên cao H(m) trong thời gian 1 giây  chính là công suất của máy bơm.

 Công suất máy bơm tính bởi: N =

γ.Q.Hb

ηb.ηdc , đơn vị là Oát (w), trong đó:

 b = hiệu suất máy bơm

 đc = hiệu suất động cơ

Hoặc tính theo sức ngựa (hp-horse power) với hệ số chuyển đổi : 1 hp = 745,7 w V.5 Turbin

Turbin là một thiết bị thủy lực hoạt động theo nguyên tắc ngược với máy bơm:

trong khi máy bơm cần được cung cấp năng lượng từ nguồn ngoài (máy nổ, động cơ điện ) để làm tăng thêm năng lượng cho dòng chảy, thì turbin lại sử dụng năng lượng sẵn có của dòng chảy để biến nó thành một dạng năng lượng khác (quay máy phát để phát điện như trong các trạm thủy điện, hoặc được nối vào các loại máy công tác khác như máy xay sát, máy nghiền). Do đó, khi tính toán thủy lực cho turbin trong những trường hợp đơn giản ta chỉ việc coi turbin như một thiết bị có nguyên tắc hoạt động ngược với máy bơm.

Khi viết phương trình năng lượng (phương trình Bernoulli) cho một đoạn dòng chứa các thiết bị đặc biệt như máy bơm hoặc turbin, ta đưa máy bơm vào vế phải của phương trình với một cột nước bơm có dấu âm, vì thiết bị này lấy năng lượng bên ngoài bổ sung vào cho năng lượng dòng chảy. Ngươc lại, đối với một turbin, dấu đi trước cột nước turbin sẽ là dấu dương vì nó thiêu hao một phần năng lượng của dòng chảy để chuyển thành dạng năng lượng khác (điện), và về năng lượng vai trò của nó tương tự như một tổn thất năng lượng thông thường.

Công suất turbin: N = . Q. Htb. tb. mp

trong đó:

 tb = hiệu suất turbin

 mp = máy phát điện

V.6 Các ví dụ: Xem SGK +

-70-