Bài giảng Thủy lực môi trường - Chương 6: Dòng chảy ổn định trong ống có áp

1Chương 6: Dòng chảy ổn định 
trong ống có áp
NỘI DUNG CHƯƠNG 6
6.1. Các khái niệm cơ bản về đường ống,
những công thức tính toán cơ bản
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn –
Tính toán thủy lực đường ống của máy
bơm ly tâm
6.4. Hiện tượng nước va
6.1. Các khái niệm cơ bản về đường ống,
những công thức tính toán cơ bản
 Dòng chảy ổn định, có áp, chảy rối và chảy đều
 Ống dài: đường ống trong đó chỉ có tổn thất dọc
đường là chủ yếu. Tổn thất cục bộ và cột nước lưu tốc
so với tổn thất dọc đường rất nhỏ, có thể bỏ qua.
 Phân loại đường ống:
 Ống ngắn: đường ống trong đó tổn thất cục bộ
và cột nước lưu tốc đều quan trọng như tổn thất
dọc đường .
6.1. Các khái niệm cơ bản về đường ống,
những công thức tính toán cơ bản
 Ống dài: Tổn thất cục bộ nhỏ hơn 5% tổn thất dọc
đường.
 Ngoài ra có thể phân loại đường ống:
 Ống ngắn: Tổn thất cục bộ lớn hơn 5% tổn thất dọc
đường.
26.1. Các khái niệm cơ bản về đường ống,
những công thức tính toán cơ bản
a. Công thức tính toán đối với ống dài
 Ống dài coi tổn thất cột nước chỉ có tổn thất dọc 
đường: hoặclJhh dw *
Trong đó: J – độ dốc thủy lực; l – chiều dài dòng
chảy đều trong ống có áp
Ta có: RJCvQ   Với: RJCv 
JKQ  Với: RCK 
 1,2
2
l
K
Qhd 
  dw hh 1,105,1 
6.1. Các khái niệm cơ bản về đường ống,
những công thức tính toán cơ bản
a. Công thức tính toán đối với ống dài
K – mô đun lưu lượng, thứ nguyên là lưu lượng
 ndfdd
n
dK
y
,
44
1
4
5,02













36.1. Các khái niệm cơ bản về đường ống,
những công thức tính toán cơ bản
b. Công thức tính toán đối với ống ngắn
 Ống ngắn tổn thất cột nước gồm: tổn thất dọc
đường và cục bộ:
 Tổn thất dọc đường:
g
v
d
lhd 2
2

 Tổn thất cục bộ:
g
vhc 2
2

6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
a. Đường ống đơn giản
 Đường ống đơn giản là đường ống có đường kính
khôngđổi, khôngcó ống nhánh→ lưu lượngkhôngđổi
 Dòng chảy ra ngoài không khí:
 Dòng chảy từ ống vào bể:
 Phân loại dòng chảy trong đường ống đơn giản:
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
a. Đường ống đơn giản
 Dòng chảy ra ngoài không khí:
 Pt Becnuli cho 2 mặt cắt
1-1 và 2-2:
dhg
vz
g
v
z 
2
p
2
p 222a
2
2
01a
1




 Đặt H = z1 – z2
 Coi dhg
v
g
v

2
;0
2
2
22
2
01 
 2,dhH 
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
a. Đường ống đơn giản
 Dòng chảy ra ngoài không khí:
 Trường hợp cột nước lưu tốc lớn thì:0
2
2
22 
g
v
 3,2
2
l
K
QHhd 
 4,
22 2
22
22
2
22
22
tdd hlK
Q
g
vl
K
Q
g
vhH  
Với: - cột nước tự do chưa bị tiêu hao.
g
vhtd 2
2
22
   5,'4 2
2
l
K
QhHH td 
46.2. Tính toán thủy lực về ống dài
a. Đường ống đơn giản
 Dòng chảy từ bể vào bể khác:
 Pt Becnuli cho 2 mặt cắt
1-1 và 2-2:
cd hhg
vz
g
vz 
2
p
2
p 222a
2
2
11a
1




 Coi 0
2
;0
2
2
22
2
01 
g
v
g
v 
 6,2 cd hhzzH 
 Tổn thất cục bộ (hc) chủ yếu tại đột mở, đối với ống dài
hc<< hd  '6,2 dhzzH 
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
a. Đường ống đơn giản
 Các dạng bài toán:
 Tìm Q khi biết d, l, H:
→ tra bảng tìm K → tính H → tính Q
 Tìm H khi biết d, l, Q:
→ tra bảng tìm K → tính H
 Tìm d khi biết Q, l, H:
→ Từ J = H/l đã biết → tính K → tra bảng tìm d
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
b. Đường ống nối tiếp
Gồm nhiều đoạn ống đơn giản nối tiếp nhau.
 Tổn thất dọc đường của các đường ống đơn giản:
 7,2
2
i
i
i lK
Qh   '7,
1
2
2


n
i i
i
d K
l
QhH
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
c. Đường ống song song
Gồm nhiều đoạn ống đơn giản có d khác nhau,
nối với nhaucó chungnút vào và nút ra.
 Lưu lượng qua các ống
khác nhau:
 '8BAAB HHH 
 Cột áp bằng nhau:
 8...321 nQQQQQ 
56.2. Tính toán thủy lực về ống dài
d. Đường ống tháo nước liên tục
Đường ống mà nước tới đầu cuối của ống mới
tháohoặc trên đườngống tháodần 1 cách liên tục.
Trong đó: Qv – lưu lượng vào ống; Qth – lưu
lượng tháo ra dọc đoạn AB; Qm – lưu lượng mang
đi.
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
d. Đường ống tháo nước liên tục
Lưu lượng tại M:
thvM Ql
xQQ *
Độ dốc thủy lực tại M:
ththmM Ql
xQQQ *
dx
dH
K
Q
l
xQQ
K
QJ
M
ththm
M
M
M
2
2
2 *












 

6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
d. Đường ống tháo nước liên tục
Tổn thất dọc đoạn AB:
dx
K
Q
l
xQQ
Hh
M
ththm
d *
*1
0
2
2






 

 9*
3
1 22
2 





 mth
th
m QQ
QQ
K
H
 '9*
3 2
2
l
K
Q
H thNếu Qm = 0 thì:
   ''9**55,0 2
2
2
2
l
K
Q
l
K
QQ
H tínhthm 

Tổngquát:
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Mạng đường ống hở
(chianhánh):
 Mạng đường ống kín (vòng kín):
Có nhiềuvòng kín
A Q
A
Q
66.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
Các bài toán thườngcho dưới dạng sau:
 Các số liệu cho trước: lưu lượng (Q) hoặc lưu lượng
nước tại các điểm tiêu thụ (qi); áp suất dư tại các nút
(p/γ); chiều dài ống (l); độ nhám thành ống (∆, ktd, n);
cao độ đặt đường ống (cao trình mặt đất (z)) hoặc cao
trìnhcột nước đo á tại các điểm đó.
 Các đại lượng cần xác định: đường kính ống (d); cột
nướcđo áp tại A (zA).
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
* Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Ống chính: ABCD
 Ống nhánh: BE; CF
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
* Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Xác định đường ống chính: là đường ống từ điểm
bắt đầu A đến điểm có cột nước đo áp lớn nhất (độ
dốc thủy lực J nhỏ nhất).
 Tính đường ống chính:
o Từ Q → chọn đườngkính ống (d) → tínhhd.
o Tính cột nước đo áp tại A:  10 dcuoiA hZZ

cuoip cuoicuoi zZVới:
o Có thể chọn d trước theo Q → tính hd (theo m vận tốc
kinh tế) → tính và so sánh với đã tính cho
đườngống chính .
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
* Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Tính đường ống nhánh:
o Tính hd:  11cuoidaud ZZh 
'
dauZ
o Từ Q và hd → chọn d.
dauZ
76.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống hở:
Bài toán: Cho sơ đồ mạng lưới đường ống trên đó biết
độ dài các đoạn ống (li), lưu lượng cần thiết tại các điểm
tiêu thụ nước (qi), cao trình cột nước đo áp tại các điểm
đó (Δi) → Xác định đường kính ống và cao trình của
mực nước trong tháp.
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Tính đường ống chính:
o Lưu lượng trong từng đoạnống:
QqqqQqQ
qqQqQ
qQ
FEDBCEAB
FDCDFBC
DCD



;
;
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Tính đường ống chính:
oĐườngkính ống:→chọn theobảng sau:
o Tính tổn thất cho từng đoạn ống: l
K
Qh
i
i
di *2
2

6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Tính đường ống chính:
o Cao trìnhmực nướcở tháp:
Trong đó: - cao trình cột nước đo áp tại đầu
mút D của ống chính.
oChiều caomựcnướcở tháp:
Trong đó: - độ cao địa hình tại A.
oVẽ đườngđo áp: dựa vào hdi xuất phát từ cao trình
86.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống hở:
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống hở:
 Tính đường ống nhánh:
o Nhánh BE: → xác định được d.
Sơ đồ mặt bằng của mạng lưới, chiều dài đoạn ống (li),
lưu lượng tiêu thụ từng điểm (Qi), cao trình mực nước
trong tháp và cao trình cột nước đo áp tại các điểm
tiêu thụ lưu lượng.
6.2. Tính toán thủy lực về ống dài
e. Đường ống phức tạp:
 Tính toán thủy lực đường ống kín:
Thườngcónhiều vòng kín→ tính từng vòng.
o Xác định d.
o Các thông số biết:
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
 Tính toán thủy lực ống ngắn: cần tính tổn thất cục
bộ và tổn thất dọc đường.
 Tính toán đườngống bơm ly tâm:gồm 2 loại
oĐườngống từ bể chứađến bơm: đường ống hút.
oĐườngống từ bơmđếnbể bể chứa: đường ống đẩy.
96.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
a.Đườngốnghút:
 Đặc điểm: áp suất trong đường ống hút nhỏ hơn áp
suất khí quyển → áp suất chân không; tại nơi nối giữa
ống hút và bơm (cửa hút) – mặt cắt 2-2, áp suất đạt trị
số chân không lớn nhất → trước khi mở máy bơm ly
tâm cần phải mồi bơm.
 Lưu tốc trungbình trongống hút: 0,8 – 1,25m/s.
 Trị số chân khôngcho phép (tùy thuộc từng bơm):
hck < (4 – 6,5m).
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
a.Đườngốnghút:
 Ống hút không dài, tổn thất cục bộ có tác dụng quan
trọng→ đườngống ngắn.
 Áp dụng pt Becnouli cho 2mặt cắt1-1 và 2-2:
10
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
a.Đườngốnghút:
Coi α = 1
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
b.Đườngống đẩy:
 Nước khi hút về bơm sẽ tăng năng lượng lên giá trị
nào đó Hp (năng lượng tăng thêm cho 1 đơn vị trọng
lượngchất lỏngdo máy bơm cấp)
 Viết pt Becnouli cho mặt cắt 2-2 và 3-3:
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
b.Đườngống đẩy:
 Viết pt Becnouli cho mặt cắt 3-3 và 4-4:
Với:
Suy ra:
6.3. Tính toán thủy lực về ống ngắn – Tính
toán thủy lực đường ống của máy bơm ly tâm
b.Đườngống đẩy:
Mặt khác:
Nhưvậy: công suất N của bơm gồm:
o Công suất N1 để thắng chiều cao hình học:
o Công suất N2 để khắc phục sức cản ở ống hút và đẩy:
11
6.4. Hiện tượng nước va:
 Nước va là sự gia tăng đột ngột áp suất trong ống
dẫn khi chất lỏng chuyển động trong ống bị dừng
đột ngột.
 Nước va xuất hiện khi đóng nhanh các thiết bị ngăn
dòng được lắp trên đường ống như van, khóa hay khi
các bơm dừng đột ngột,
6.4. Hiện tượng nước va:
 Đại lượng tăng áp suất trong nước va có thể tính
theo công thức của Jukốpxky:
cv **p 
Trong đó: v – vận tốc chuyển động của chất lỏng trong
ống trướckhi đóng khóa.
c – tốc độ truyền sóng nước va
6.4. Hiện tượng nước va:
 Vận tốc truyền sóng nước va:
Trongđó: E – môđun đàn hồi của chất lỏng.
d – đườngkính ống
e – môđun đàn hồi của vật liệu làm thànhống
δ – độ dày thànhống
6.4. Hiện tượng nước va:
 Coi thànhống khônghoàn toàn đàn hồi (E = ∞) thì: