Giáo trình Công trình thủy nâng cao - Chương 7: Đường ống áp lực-Nước va trong đường ống

ng 3a: Mơ phỏng Monte Carlo áp dụng trong đánh giá ổn định mái dốc. Chương 4: ðập bê tơng trọng lực Chương 4a: ðập bê tơng đầm lăng (RCC) PGS. Dr. Nguy?n Th?ng TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – BM. KTTNN 10/25/2010 3 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 4b: Bài tốn toả nhiệt 3D. Chương 5: Phân tích ứng suất trong đập bê tơng khi xảy ra động đất. Chương 6: ðường hầm thủy cơng - Giếng điều áp. Chương 7: ðường ống áp lực – Nước va trong đường ống. PGS. Dr. Nguy?n Th?ng TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng – BM. KTTNN 10/25/2010 4 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va ðƯỜNG ÁP LỰC & HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA 1. Tổng quát. 2. Hiện tượng nước va trong đường ống áp lực. 3. Cơng trình giảm áp lực nước va. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 5 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va TỔNG QUÁT ðường ống áp lực là cơng trình nối giữa cuối đường dẫn nước đến nhà máy. ðường ống chịu áp lực nước bên trong đường ống. - CTLN
Kênh dẫn  Bể áp lực  ðường ống  Nha , máy. - CTLN
ðường hầm cĩ áp  Giếng điều áp (tháp điều áp)  ðường ống  Nha , máy. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 6 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PHÂN LOẠI Theo vị trí xây dựng:
ðường ống áp lực kiểu hở
ðường ống áp lực kiểu ngầm
ðường ống áp lực kiểu hổn hợp (hở +ngầm) PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 2 10/25/2010 7 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va D=3,5m, L=9065m i=0,0061 ðường ống áp lực PGS. TS. Nguyễn Thống NM 10/25/2010 8 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va LOAL = 1866m Dống chính = 2,6m Dống nhánh = 1,6m NHÀ VAN NHÀ MTð GIẾNG ðIỀU ÁP KÊNH XẢ PGS. TS. Nguyễn Thống 32 ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM 10/25/2010 9 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va ðường ống áp lực ðập tràn PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 10 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC HỞ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 11 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống THI CƠNG ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 10/25/2010 12 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va THUỶ NĂNG & THUỶ ðIỆN Ch. 8: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống THI CƠNG ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC 10/25/2010 3 10/25/2010 13 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống THI CƠNG ðƯỜNG ỐNG ÁP LỰC e=12mm 35mm 10/25/2010 14 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống ðƯỜNG ỐNG BÊ TƠNG NGẦM BỌC THÉP 10/25/2010 15 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va ðường ống PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 16 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va CHẾ ðỘ THUỶ LỰC KHƠNG ỔN ðỊNH
DỊNG CHẢY QUÁ ðỘ Xảy ra khi  ðĩng (mở) van trên đường ống vơ;i tơ ;c độ nhanh  thay đổi nhanh chĩng vận tốc (lưu lượng) trong ống. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 17 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va GiẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG Trong trường hợp đĩ  mỗi đoạn dịng chảy (vi phân) trong ống chịu sự thay đổi áp suất và vận tốc khác nhau theo từng thời điểm  hiện tượng truyền sĩng áp lực  được gọi là « NƯƠC VA ».  Xem đồ thị minh hoạ ở sau: PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 18 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống SỰ TRUYỀN SĨNG ÁP LỰC ðĩng van Mở van 10/25/2010 4 10/25/2010 19 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG TUYỆT ðỐI CỨNG HA ∆HA Mặt chuẩn A BBỂ CHỨA Kênh sau NMHA: cột áp tỉnh (mH2O) ∆HA: gia số áp suất tại A sinh ra do nước va dương o o α ðường ống PGS. TS. Nguyễn Thống G 10/25/2010 20 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA (Ống tuyệt đối cứng, NƯỚC khơng NÉN được) PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 21 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Phương trình chuyển động theo phương X (lưu ý chiều dương chọn): : 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 FLρ= xF∑ ( )A A BdVLF gF H H H Lsindtρ ρ α− = + ∆ − − (1) (1) PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 22 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va : hình chiếu lên phương X. Giả thiết khơng cĩ ma sát giữa chất lỏng và thành ống. Thay vào p/t trên và thu gọn:  Với V=Q/F và dQ biến đổi lưu lượng trong thời đoạn dt. gLFsinρ α A BH H Lsinα= + AdVLF gF H dt ρ ρ− = ∆ A L dV L dQH g dt gF dt ∆ = − = − PGS. TS. Nguyễn Thống Thay đổi áp suất tại A do nước va gây ra 10/25/2010 23 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va CHÚ Ý: - Nếu dQ/dt < 0  đĩng van  ∆HA > 0  nước va dương - Nếu dQ/dt > 0  mở van  ∆HA < 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  ∆H=0 (tại B). PGS. TS. Nguyễn Thống A L dV L dQH g dt gF dt ∆ = − = − 10/25/2010 24 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va - Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến tính với (dQ/dt). Trong trường hợp  dQ const dt = s cdA T QQ gF LH − =∆ Qd: lưu lượng trước khi đĩng van; Qc: l/l sau khi đĩng van Ts: thời gian đĩng van từ Qd  Qc PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 5 10/25/2010 25 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va
Nếu đĩng (mở) van tức thì (dQ/dt >>> 1)
Trường hợp kể đến sự đĩng khơng « tuyến tính »: V
i k = 1,25 1,5 xem như hệ an tồn. s cdA T QQ gF LkH −=∆ PGS. TS. Nguyễn Thống !!!HA ∞→∆ 10/25/2010 26 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA ðƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ðỐI D THAY ðỔI HA ∆HA Mặt chuẩn A BRéservoir Kênh sau NMHA: cột nước tỉnh ∆HA: gia số áp lực nước va tại A o o α L1,F1 L2,F2 L3,F3 ∆H(1) ∆H(2) PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 27 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Giả thiết D mỗi đoạn khơng đổi: Gia số áp lực cho đoạn 1: Gia số áp lực cho đoạn 2: Gia số áp lực cho đoạn 3: ) F L F L( gT QQ T QQ gF LHH 2 2 1 1 s cd s cd 2 2)1()2( + − = − +∆=∆ ) F L F L F L( gT QQH 3 3 2 2 1 1 s cd)3( ++ − =∆ 1 1 s cd)1( F L . gT QQH −=∆ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 28 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Một đường ống áp lực cĩ D=2,25m, chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng Q=30m3/s. Thời gian đĩng 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. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 29 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài giải: 1. D=2.25m 2. D=2.5m Nhận xét: V
giảm
Giá trị nước va giảm A d c mzx 2 s Q QL 1000*4 30 0H k 1 76.91m gF T 9.81*3.14159*2.25 10 − −∆ = = = A d c mzx 2 s Q QL 1000*4 30 0H k 1 62.3m gF T 9.81*3.14159*2.5 10 − −∆ = = = PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 30 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Lấy số liệu bài trước. ðường 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. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 6 10/25/2010 31 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài giải: ðoạn 1: ðoạn 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. m76.30 10 030 25.2**81.9 400*4 T QQ gF LH 2 s cd 1 1)1( = − pi = − =∆ m16.89 10 030 2**81.9 600*476.30 T QQ gF LHH 2 s cd 2 2)1()2( = − pi += − +∆=∆ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 32 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA TRONG ðƯỜNG ỐNG ðÀN HỒI & NƯỚC NÉN ðƯỢC - ðĨNG (MỞ) VAN TỨC THÌ Xét trươ,ng hợp nươ;c là NÉN được (ρ thay đổi theo áp suất).  Tiê;t diện ω đường ống thay đổi theo áp suất bên trong. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 33 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Trong thực tế  đường ống bằng thép hoặc bê tơng cốt thép  biến dạng khi áp suất thay đổi (mặc dù rất bé)  ðường ống đàn hồi. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 34 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Khảo sát đoạn cuối đường ống: - Cĩ 1 van ở A (chọn làm gốc toạ độ). - ðầu vào đường ống giả thiết là hồ chứa. - V0 vận tốc trung bình trong ống. - Thực hiện đĩng van tức thì (T=0). A a am mn n ∆l p0+∆p p0 t=0 t=dt V0 V0=0 PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 35 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Giải thích hiện tượng: Sau ∆t (s), chỉ cĩ đoạn chất lỏng giới hạn bởi (a-a);(m-m)  là dừng  Gia tăng áp suất ∆p. Trong khi đĩ 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 0( ) l Vp p p t ρω ω ω ∆ − − + ∆ = ∆ PGS. TS. Nguyễn Thống
0 10/25/2010 36 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Từ đĩ: (1) Bước thời gian kế, đoạn chất lỏng giới hạn bởi (m-m) và (n-n) sẽ dừng  hiện tượng tiếp diễn  sự truyền sĩng áp lực với tốc độ a: Do đĩ (1)  (2) 0 lp V t ρ ∆∆ = ∆ lim 0 l a t ∆ = ∆ → 0p aVρ∆ = PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 7 10/25/2010 37 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Trong trường hợp van đĩng 1 phần: do đĩ Note: ∆p=ρg ∆H (N/m2) Tính a: Khi nước bị nén: Tiết diện ống gia tăng: 0( )cp a V Vρ∆ = − 0 caH (V V )g∆ = − ρ ρ ρ→ + ∆ ω ω ω→ + ∆ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 38 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Khối lượng nước trong đoạn a-a;m-m gia tăng: Trong thời gian đĩ, khối lượng nước đi qua tiết diện m-m: Luật bảo tồn khối lượng: ( )( ) llm ∆−∆∆+∆+=∆ ρωωωρρ ( ) ( ) talm ∆∆+∆=∆∆+∆=∆ ρωωρρωωρ tVm ∆=∆ 00 ρω mm ∆=∆ 0 PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 39 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Ta cĩ: Từ đĩ: Note: ðã sử dụng kết quả trước: ( ) tVta ∆=∆∆+∆ 0ρωρωωρ 0 p V aa ρ ω ωρ ρ ρ ρ ω ω ∆ = =∆ ∆∆ + ∆ + 1 p a ρ ρ ω ρ ω ∆ ∆ = ∆ + ∆ 0p aVρ∆ = PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 40 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Chú ý là khối lượng nước khơng đổi (dù cĩ bị nén) : Vi phân toa,n phâ,n: cW teρ = 0dW Wdρ ρ+ = PGS. TS. Nguyễn Thống ρ ρd W dW −=⇒ 10/25/2010 41 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Quy luật thể tích châ;t lỏng thay đổi theo áp suất:  : hệ số đàn hồi nước. PGS. TS. Nguyễn Thống ρρ Kp = ∆ ∆ ⇒ K dp W dW K dpWdW −=⇒−= β 1K = 10/25/2010 42 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Dùng định luật Hooke: Tính: PGS. TS. Nguyễn Thống ω ω∆ E L.dl σ= 10/25/2010 8 10/25/2010 43 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va 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) PGS. Dr. Nguyễn Thống T T p dF α pr2d.cosprdFT2 2/ 2/ x === ∫∫ − pi pi αα αα= α= d.cospr cos.pdldFx 10/25/2010 44 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va 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 rω pi= 2 r rω pi∆ = ∆ 2 r r ω ω ∆ ∆ = r r ∆ p∆ 2 r r p d p r eE eE ∆ ∆ ∆ = = d p eE ω ω ∆ ∆ = PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 45 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay kết quả này vào phương trình xác định a: Note: nếu ống KHƠNG đàn hồi ( ) Ta cĩ: ðây là vận tốc truyền của sĩng âm trong nước. 1 * K a K d E e ρ = + E = ∞ 0 K a ρ = PGS. TS. Nguyễn Thống K module đàn hồi nước d  đường kính trong e chiều dày thành ống thép 10/25/2010 46 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay vào trên ta co ;: a (m/s)  Tơ ;c độ truyền so ;ng áp lực. Chú ý: Tính gia ; trị nươ;c va trong đường ống đàn hồi: PGS. TS. Nguyễn Thống e d . E K1 a a 0 + = )VV( g aH c0 −=∆ 10/25/2010 47 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Với K của nước ở nhiệt độ bình thường: Ta cĩ: a0 =1425 m/s. Một số vật liệu ống phổ biến: 9 22.03*10 /K N m= 94137100E/K ChìGang đúc li tâm GangSắtVật liệu PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 48 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Với đường ống bê tơng cốt thép: hệ số cốt thép vịng. f diện tích cốt thép trên 1m chu vi ống. Thơng thường α =0.015  0.05 PGS. TS. Nguyễn Thống )5.91(e d . E K1 K a α+ + ρ = ⇒=α e f 10/25/2010 9 10/25/2010 49 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va HỆ SỐ ðÀN HỒI 20-60 2.1E+04 1.35E+04 Cao su Nước Dầu 2.1E+06 1.0E+06 2.1E+05 1.0E+05 Thép Gang Bêtơng Gỗ E(kG/cm2)Vật liệuE(kG/cm2)Vật liệu PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 50 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Lưu lượng 25m3/s chảy trong đường ống cĩ đường kính 2,5m, dài 1km. 1. Giả thiết ống tuyệt đối cứng, tính giá trị nước va max tại cuối ống khi đĩng van trong 10’’ (nươ;c khơng nén được). 2. Giả thiết ống đàn hồi bằng thép dày 32mm. Nươ;c là nén được. Hệ số đàn hồi nước K=2.109 N/m2. Tính nước va cuối ống khi đĩng van tức thời. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 51 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va 3. Lâ;y gia ; trị nươ;c va câu 2. Khả năng chịu lực thép là σ=75kN/cm2. Lấy hệ số an tồn 2. Lấy chiều dày dự phịng 2mm. Tính lực dọc chu vi ống sinh ra do gia sơ; áp lực nước va  khả năng chịu lực ống? PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 52 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA TỔNG QUÁT ðường ống đàn hồi.  Nươ;c nén được.  Van đo;ng dâ,n dâ,n.  Mất năng đường dài (ma sát giưla dịng chảy và đường dẫn).  Mất năng cục bộ. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 53 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va SƠ ðỒ TÍNH HA ∆HA Mặt chuẩn A BHồ Kênh sau NMHA: cột áp tỉnh ∆HA: gia số áp lực tại A do nước va o o α 1 1 2 2 X H1 dx PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 54 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Áp dụng phương trình lực khối nước trong (1-1) và (2-2) theo phương X: (1) m=ρFdx, Fx: ngoại lực Lực tác dụng lên khối nước: Lực bản thân phương X: x x d(mV) F dt =∑ hgF dx x ρ ∂− ∂ gFdx sinρ α− VdV dt t ∂ = ∂ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 10 10/25/2010 55 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay vào p/trình (1): z0 : cao độ van so mặt chuẩn. z : cao độ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn. h+z0+xsinα =H )sin.( αρρ dxdx x hgFdt t VFdx + ∂ ∂ −= ∂ ∂ − dx x xzh gFdt t VFdx ∂ ++∂ −= ∂ ∂ − )sin( 0 αρρ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 56 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Từ đĩ: (2) Kết quả trước: Xét sự thay đổi áp suất trong dt: Sự thay đổi vận tốc: V Hg t x ∂ ∂ = ∂ ∂ 0 c aH (V V ) g ∆ = − dxa dt = HH dt t ∂∆ = ∂ VV dx x ∂∆ = − ∂ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 57 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay tất cả vào: (3) Hệ phương trình (2) và (3) biểu diễn hiện tượng truyền sĩng nước va trong ống đàn hồi với 2 ẩn số là H và V. H a Vdt .dx t g x ∂ ∂ = ∂ ∂ H a V dx . t g x dt ∂ ∂ = ∂ ∂ 2H a V . t g x ∂ ∂ = ∂ ∂ 2 V g H . x a t ∂ ∂ = ∂ ∂ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 58 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va LỜI GiẢI (2) VÀ (3) 1. PHƯƠNG PHÁP ðƯỜNG ðẶC TRƯNG: Với V=V(x,t) và H=H(x,t) ta cĩ: và Hệ p/t (2) và (3) trở thành: (2)  (4) dV V dx V dt x dt t ∂ ∂ = + ∂ ∂ dH H dx H dt x dt t ∂ ∂ = + ∂ ∂ dV V dx Hg dt x dt t ∂ ∂ − = ∂ ∂ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 59 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Từ (3)  (5) Hệ (4) & (5) cho: (6) Phương pháp đường đặc trưng biến (6) thành p/t bậc 1 bằng cách xem t/hợp: (7) 2 V g dH H dx x a dt x dt ∂ ∂  = − ∂ ∂  2 2 2 dV 1 dx H g dx dHg 1 . . dt a dt x a dt dt   ∂  = − +   ∂    2 2 1 dx dx1 0 a a dt dt   − = ⇒ = ±   PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 60 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va (7) Cho phép xác định các đường đặc trưng. X0 t+θ A B X=at+k1 X=-at+k2 t L HỆ ðƯỜNG ðẶC TRƯNG t+2θ T PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 11 10/25/2010 61 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Trên đường đặc trưng, p/trình (6) trở thành: (7) Tích phân p/t trên theo đường x =at+k1 với giới hạn t tại A t+θ tại B: (8) a adH dV dQ g gF = = ( )A B A Bt t t taH H Q QgFθ θ+ +− = − PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 62 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Tích phân p/t (7) dọc theo đường x =-at+k1 trong g/hạn t tại B t+θ tại A: (9) Tương tự cho tất cả các thời đoạn kháct+θ t+2θ; t+2θ t+3θ; ta cĩ: ( )B A B At t t taH H Q QgFθ θ+ +− = − − ( ) ( ) A B A B n (n 1) n (n 1) B A B A n (n 1) n (n 1) aH H Q Q gF aH H Q Q gF θ θ θ θ θ θ θ θ + + + +  − = −    − = − − PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 63 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Dùng các đ/kiện biên và ban đầu, ta cĩ thể giải hệ p/trình để xác định giá trị nước va tại A. Exemple: Giả thiết hồ chứa lớn (mực nước khơng đổi khi cĩ nước va) HtB=H0= hằng số tại B. Giả thiết lưu lượng qua A biết theo thời gian. Giá trị nước va tại A thường cĩ dạng tổng quát sau: PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 64 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Ví dụ: Dạng tổng quát giá trị nước va tại A. 200 300 400 500 600 700 800 900 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 T (s) H (m ) Hmax (m) Tf Cột nước cuối ống áp lực có kể nước va PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 65 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA TỔNG QUÁT PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 66 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 12 10/25/2010 67 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va 2. PHƯƠNG PHÁP SỐ (TỔNG QUÁT): Ta cĩ thể sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình đạo hàm riêng bậc cao phi tuyến biểu thị hiện tượng bước va: Phương trình chuyển động: (10) 0 2 sin1 =++ ∂ ∂ + ∂ ∂ D VfV g x p t V α ρ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 68 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 69 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Phương trình liên tục: (11) t, x biến độc lập. V vận tốc trung bình. p áp suất tại tâm mặt cắt. D đường kính ống. 02 = ∂ ∂ + ∂ ∂ x V a t p ρ e D E K K a + = 1 /2 ρ PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 70 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Hệ phương trình (10) và (11) cho phép xác định 2 ẩn số V và p theo thời gian. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 71 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Ví dụ: ðường ống dài 1850m, đường kính thay đổi từ 2,5m3,0m. Chiều dày 40mm20mm. Lưu lượng max 39m3/s, cĩ 2 tuabin. Ma sat giữa nước và thành cĩ f=0,025. Thời gian đĩng van 8’’. Lời giải bằng phương pháp sai phân tham khảo như sau: PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 72 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va 200 300 400 500 600 700 800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) p ( m H 2O ) Cuối ống Giữa ống NƯỚC VA DƯƠNG PGS. TS. Nguyễn Thống T t 10/25/2010 13 10/25/2010 73 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) p ( m H 2O ) NƯỚC VA ÂM Cuối ống Giữa ống PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 74 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va DỰ ÁN THƯỢNG KONTUM PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 75 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0 10 20 30 40 50 60 T (s) p(mH2O) NƯỚC VA DƯƠNG 10/25/2010 76 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống 700 750 800 850 900 950 1000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 T (s) p(mH2O) NƯỚC VA ÂM 10/25/2010 77 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va TÍNH TỐN NƯỚC VA THEO QUY PHẠM VIỆT NAM PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 78 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va ðịnh nghĩa: • T <=tf : nước va trực tiếp. • T >tf : nước va gián tiếp. T thời gian đĩng (mở) van (4’’-12’’). tf=2L/a: thời gian truyền sĩng nước va trên đoạn đường 2L. L: chiều dài ống áp lực. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 14 10/25/2010 79 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va a: vận tốc truyền sĩng NƯỚC VA TRỰC TIẾP Giá trị nước va max: ðịnh nghĩa hệ số: v 0 0 cH H H a(V V ) / g∆ = − = − 0 c 0 0 a(V V )H H gH ζ −∆= = PGS. TS. Nguyễn Thống e d * E K1 1425 a + = 10/25/2010 80 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va V0: vận tốc TB dịng chảy trước khi đĩng van. Vc: vận tốc TB dịng chảy sau khi đĩng van HV: áp lực max (mH2O) do nước va + cột áp tỉnh. H0: cột áp tỉnh. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 81 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA DƯƠNG GIÁN TIẾP Gọi t thời điểm nước va dương max xảy ra:  Nếu t <=tf: nước va pha đầu.  Nếu t >tf: nước va pha cuối. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 82 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Gọi hệ số Allievi: Gọi hệ số liên quan đĩng van: ðặt: 02 aV gH ρ = 02 at L θ = ρ σ θ = 0 H H ς ∆= PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 83 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Cĩ 2 trường hợp: - T/h 1: ρ < 1nước va gián tiếp pha đầu. Theo Calame-Gaden:  ∆HHV 2 1 ( 1) σς σ θ = + − PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 84 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va - T/h 2: ρ > 1 nước va gián tiếp pha cuối. * Nếu ζ>=50% theo Allievi: * Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden: * Nếu ζ<50% theo Sparre: ( )2 42σς σ σ= + + 2 2 σς σ = − 1.1ς σ= PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 15 10/25/2010 85 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Chú ý Sau khi cĩ ζ ta tính giá trị gia tăng áp suất do nước va: PGS. TS. Nguyễn Thống 0H.H ς=∆ 10/25/2010 86 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA ÂM • Nước va âm cực tiểu pha đầu (t<tf): • Nước va âm cực tiểu pha cuối (t>tf): • Tính gần đúng khi ζ<50%: CHÚ Ý: Giá trị nước va cịn phụ thuộc vào loại tuabin, thiết bị và quy trình đĩng mở van 2 1 σς σ = + 2( 4) 2 σ σ σς − + += 2 2 σς σ = + PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 87 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: ðường ống dài L=850m chịu cột nước tỉnh H0=294m. Vận tốc TB dịng chảy trong ống V=6m/s. Giả thiết a=1100m/s, thời gian đĩng van 7’’. Tính giá trị nước va dương theo QPVN. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 88 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài giải: (ρ > 1  nước va gián tiếp pha đầu) Giá trị nước va lớn nhất cuối ống: 28.0 2 2 = − = σ σζ 0 1.14 2 aV gH ρ = = 0 1100*7 4.53 2 2*850 at L θ = = = 1.14 0.25 4.53 ρ σ θ = = = PGS. TS. Nguyễn Thống m3.82294*28.0HH 0 ===∆ ς 10/25/2010 89 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: ðường ống áp lực dài 1000m, cột nước tỉnh H0=200m. Vận tốc trung bình trong ống 5,5m/s. Giả thiết a=1200m/s, thời gian đĩng van 8’’. a. Nước va gián tiếp hay trực tiếp? b. Tính giá trị nước va theo Quy phạm VN. c. ðường ống cĩ d=2m, [σ] =20kN/cm2. Tính chiều dày thành ống (b). (Xem ơn ở sau, tính lực dọc CV ống trịn cĩ áp suất đều p tác dụng) PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 90 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Giống câu hỏi bài tập trước với H0=600m, L=1500m, V=6m/s, a=1000m/s & t=8’’. PGS. TS. Nguyễn Thống 10/25/2010 16 10/25/2010 91 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va Ơn: Xác định lực dọc T theo chu vi ống trịn bán kính R khi chịu áp suất p phân bố đều bên trong: PGS. TS. Nguyễn Thống p R T=f(p,R) A A 10/25/2010 92 CƠNG TRÌNH THỦY NÂNG CAO Ch. 7: ðường ống áp lực & hiện tượng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống HẾT