Nội dung

THUÛY LÖÏC (HYDRAULICS) TS. Huøynh coâng Hoøai Boâ moân Cô Löu Chaát - Khoa Kyõ thuaät Xaây döïng – ÑH Baùch Khoa tp HCM www4.hcmut.edu.vn/~hchoai/baigiang TAØI LIEÄU THAM KHAÛO NN Aån, NT Baûy, LS Giang, HC Hoaøi, NT Phöông, LV Döïc, “Giaùo trình Thuûy löïc “, Löu haønh noäi boä ÑHBK tp HCM, 2005 2. Nguyeãn caûnh Caàm vaø caùc taùc giaû “ Thuûy löïc taäp II”, NXB DH vaø THCN, 1978 Nguyeãn caûnh Caàm vaø caùc taùc giaû “ Baøi taäp Thuûy löïc taäp II”, NXB DH vaø THCN, 1978 French R.H “Open channel Hydraulics”. McGra-Hill, Singapore 1986 Koupitas C.G. “Elements of Computation Hydraulics “. Pentics Pres, 1983 6. Haestad press. “Computer Application Hydraulic Engineering “, 2002 nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 1 Chöông: 1 DOØNG CHAÛY ÑEÀU TRONG KEÂNH HÔÛ 1.1 KHAÙI NIEÄM CHUNG Doøng chaûy ñeàu – Doøng khoâng ñeàu Doøng chaûy ñeàu coù aùp – Doøng chaûy ñeàu khoâng aùp ( keânh hôû) Ñieàu kieän caàn ñeå coù doøng chaûy ñeàu - Hình daïng maët caét öôùt khoâng ñoåi (keânh laêng truï) - Ñoä doác khoâng ñoåi (i = const) - Ñoä nhaùm khoâng ñoåi ( n = const) Khi doøng chaûy ñeàu xaûy ra thì: - Chieàu saâu, dieän tích öôùt vaø bieåu ñoà phaân boá vaän toác taïi caùc maët caét doïc theo doøng chaûy khoâng ñoåi . - Ñöôøng doøng, maët thoaùng, ñöôøng naêng vaø ñaùy keânh song song vôùi nhau. 1.2 COÂNG THÖÙC CHEÙZY VAØ MANNING Cheùzy (1769) Manning V = C Ri 1 C= R n 1 6 = Q= K = 1 AR2 3 n 2 1 AR 3 i n Q=K i K ñöôïc goïi laø modul löu löôïng Coâng thöùc tính toaùn dieân tích öôt vaø chu vi öôùt hình thang m = cotg β : heä soá maùi doác β : dieän tích öôùt P = b + 2h 1 + m 2 chu vi öôùt nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 1 1.3 XAÙC ÑÒNH HEÄ SOÁ NHAÙM Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán heä soá nhaùm nhö sau Ñoä nhaùm beà maët Vaät caûn Lôùp phuû thöïc vaät Tuyeán keânh Hình daïng maët caét keânh Söï boài xoùi Möïc nöôùc vaø löu löôïng 1.3.1 Tröôøng hôïp maët caét keânh ñôn giaûn Phöông phaùp SCS (soil Conversation Service Method) Phöông phaùp duøng baûng Phöông phaùp duøng hình aûnh Phöông phaùp duøng bieåu ñoà löu toác n= h: Chieàu saâu doøng chaûy U0,2 x= U0,8 ( x − 1) h1 6 6,78( x + 0,95) U0,2: Vaän toác taïi vò trí 2/10 cuûa chieàu saâu hay 0,8 h tính töø ñaùy, U0,8: Vaän toác taïi vò trí 8/10 cuûa chieàu saâu hay 0,2 h tính töø ñaùy Phöông phaùp coâng thöùc thöïc nghieäm Simons vaø Sentruk (1976): n = 0,047d1/6 d: Ñöôøng kính haït cuûa loøng keânh (mm). 1.3.2 Tröôøng hôïp maët caét keânh phöùc taïp Cox(1973) N ne = ∑ i =1 ni Ai n1 A1 A3 A2 n 3 A n2 A1: Dieän tích öôùt cuûa töøng dieän tích ñôn giaûn A: Dieän tích öôùt cuûa toaøn boä maët caét. 1.4 TÍNH TOAÙN DOØNG ÑEÀU: 1.4.1. Baøi toaùn kieåm tra a. Xaùc ñònh löu löôïng : Bieát : A, i, n Q= 2 1 AR 3 i n b. Xaùc ñònh ñoä saâu h : Bieát : i, n, Q, hình daïng maët caét keânh 2 1 = Q = AR 3 i nhieu.dcct@gmail.com n Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com h Thöû daàn -> h Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 2 Ñoái vôùi maët caét hình troøn coù theå duøng bieåu ñoà Modul löu löôïng: K = Modul löu löôïng khi chaûy ngaäp : = Tính tæ soá : Töø : Q 1 AR2 / 3 = n i = ⎛π ⎜⎜ ⎝ ⎞⎛ ⎟⎟⎜ ⎠⎝ ⎞ ⎟ ⎠ = π K/Kng Duøng bieåu ñoà K/Kng h/D h 1.4.2 Baøi toaùn thieát keá a. Maët caét coù lôi nhaát veà thuûy löc Neáu keânh coù cuøng ñieàu kieän : i, n, maët caét coù hình daïng lôïi nhaát veà thuûy löïc laø : - Coù cuøng dieän tích öôùt A nhöng cho löu löôïng lôùn nhaát hoaëc - Cuøng chaûy vôùi löu löôïng nhöng coù dieän tích öôùt A nhoû nhaát Töø 2 1 AR 3 i n Maët caét coù R lôùn hay coù Pmin seõ laø maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc Nhö vaäy trong taát caû caùc loaïi maët caét, maët caét hình troøn laø maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc Q= b. Maët caét hình thang coù lôi nhaát veà thuûy löc Neáu caùc maët caét hình thang cuøng moät dieän tích öôùt A, cuøng maùi doác m, thì maët caét hình thang naøo coù chu vi öôùt nhoû nhaát seõ laø maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc. Tæ soá giöõa b/h ñeå coù maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: = + = = + = + − =− = = + − + + ⇒ − = ( − + − + − β + − + + = = + + − ) nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 3 c. Thieát keá keânh - Xaùc ñònh löu löôïng Q ( möa, nhu caàu xaû nöôùc … ) - Xaùc ñònh ñoä nhaùm n ( loaïi vaät lieäu loøng keânh..) - Xaùc ñònh ñoä doác i ( phuï thuoäc ñòa hình ..) - Xaùc ñònh hình daïng maët caét phuï thuoäc yeâu caàu thieát keá ( hình troøn, hình thang, hình chöõ nhaät …. ) - Xaùc ñònh kích thöôùc keânh : + Maët caét chöõ nhaät : xaùc ñònh b vaø h , phaûi cho b ñeå tìm h hoaëc ngöôïc laïi, hoaëc duøng ñieàu kieän b/h cuûa maët caét coù lôïi nhaát veà thuûy löïc + Maët caét hình thang : xaùc ñònh m döïa vaøo ñieàu kieän oån ñònh maùi doác. Xaùc ñònh b vaø h nhö tröôøng hôïp maët caét hình chöõ nhaät + Maët caét hình troøn : xaùc ñònh ñöôøng kính D döïa vaøo tæ soá ñoä saâu h/D cho pheùp trong coáng - Kieåm tra vaän toác trong keânh phaûi thoûa maõn : VKL < V < VKX h/D 1.0 0.9 A/Ang 0.8 K/Kng P/Png V/Vng 0.7 0.6 R/Rng 0.5 0.4 0.3 B/D 0.2 0.1 0.0 0.0 nhieu.dcct@gmail.com 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 Ñoà thò duøng ñeå tính toaùn coáng troøn Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 4 CAÂU HOÛI TRAÉCNGHIEÄM: Caâu 1: Caâu naøo sau ñaây ñuùng: a) Doøng ñeàu chæ coù theå xaûy ra trong keânh laêng truï. b) Trong keânh laêng truï chæ xaûy ra doøng ñeàu. c) Doøng khoâng ñeàu chæ xaûy ra trong soâng thieân nhieân. d) Trong keânh coù dieän tích maët caét öôùt khoâng ñoåi thì luoân luoân coù doøng ñeàu Caâu 2: Doøng chaûy ñeàu trong keânh hôû coù: a) Ñöôøng naêng, ñöôøng maët nöôùc vaø ñaùy keânh song song nhau. b) Dieän tích maët caét öôùt vaø bieåu ñoà phaân boá vaän toác doïc theo doøng chaûy khoâng ñoåi. c) AÙp suaát treân maët thoaùng laø aùp suaát khí trôøi. d) Caû ba caâu treân ñeàu ñuùng. Caâu 3: Trong keânh coù maët caét hình troøn ñöôøng kính D: a) Vaän toác trung bình ñaït giaù trò cöïc ñaïi khi chieàu roäng maët thoaùng B = 0,90D. b) Vaän toác trung bình ñaït giaù trò cöïc ñaïi khi chieàu roäng maët thoaùng B = 0,78D. c) Vaän toác trung bình ñaït giaù trò cöïc ñaïi khi chieàu roäng maët thoaùng B = 0,46D. d) Vaän toác trung bình ñaït giaù trò cöïc ñaïi khi chieàu roäng maët thoaùng B = 0,25D. Veà nhaø suy luaän ??? Caâu 4: Trong doøng chaûy ñeàu: a) Löïc ma saùt caân baèng vôùi löïc troïng tröôøng chieáu leân phöông chuyeån ñoäng. b) Löïc ma saùt caân baèng vôùi löïc quaùn tính. c) Löïc gaây neân söï chuyeån ñoäng laø löïc troïng tröôøng chieáu leân phöông chuyeån ñoäng. d) a vaø c ñeàu ñuùng. nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 5 Caâu 5: Trong keânh laêng truï coù löu löôïng khoâng ñoåi: a) Ñoä saâu doøng ñeàu taêng khi ñoä doác i giaûm. b) Ñoä saâu doøng ñeàu khoâng ñoåi ñoä doác i taêng. c) Ñoä saâu doøng ñeàu taêng khi ñoä doác i taêng. d) Caû 3 caâu treân ñeàu sai. Caâu 6: Maët caét keânh coù lôïi nhaát veà maët thuûy löïc : a) Coù theå aùp duïng ñoái vôùi keânh coù nhieàu loaïi maët caét khaùc nhau. b) Ñaït ñöôïc löu löôïng cöïc ñaïi neáu giöõ dieän tích maët caét öôùt laø haèng soá. c) Ñaït ñöôïc dieän tích maët caét öôùt toái thieåu neáu giöõ löu löôïng laø haèng soá. d)Caû ba caâu treân ñeàu ñuùng. nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 6 Ch ng: DOØNG OÅN ÑÒNH KHOÂNG ÑEÀU BIEÁN ÑOÅI DAÀN TRONG KEÂNH HÔÛ Ta coù theå phaân 2 loaïi chuyeån ñoäng khoâng ñeàu trong keânh: - Chuyeån ñoäng khoâng ñeàu bieán ñoåi daàn. - Chuyeån ñoäng khoâng ñeàu bieán ñoåi gaáp. 2.1 CAÙC KHAÙI NIEÄM 2.1.1 Naêng löôïng rieâng cuûa maët caét: Naêng löôïng toaøn phaàn E E = a+ h+ E= z+ α V2 2g E0 = h + α V2 2g α V2 2g h h θ 0 2 gA2 = h+ 2g = a + h cos θ + Ñaùy keânh a α Q2 = h+ α V2 Maët thoaùng Naêng löôïng rieâng cuûa maët caét E0 E0 = h + γ + ñoä doác ñaùy keânh nhoû cosθ = 1 2g vôùi maët chuaån naèm ngang ñi qua ñieåm thaáp nhaát cuûa maët caét ñoù. α V2 p 0 Maët chuaån naèm ngang α Q2 h 2 gA2 ñöôøng cong E0 = f(h) Khi h → ∞ E0 → ∞ h E0 → h Ñöôøng phaân giaùc thöù nhaát E0 = h, laø 1 ñöôøng tieäm caän Khi h → 0 Q = const hcr o E0 → ∞ Truïc hoaønh E0 laø 1 ñöôøng tieäm caän E0min E0 Bieán thieân cuûa E0 theo h E0 2.1.3 Ñoä saâu phaân giôùi ( hcr): Ñoä saâu phaân giôùi hcr laø ñoä saâu ñeå cho naêng löôïng rieâng cuûa maët caét ñoù ñaït giaù trò cöïc tieåu. ⎛ dE0 ⎞ =0 ⎟ ⎜ ⎝ dh ⎠ h= hcr dA/dh = B α Q2 ⎞ α Q2 ⎛ 2 dA ⎞ dE0 d ⎛ ⎜h + ⎟ =1− = ⎜ ⎟ 2 2 g ⎝ A3 dh ⎠ dh dh ⎜⎝ 2 gA ⎟⎠ dE0 α Q2 B =1− dh gA 3 phöông trình tính ñoä saâu phaân giôùi: − α = 3 Acr α Q2 = Bcr g Trong ñoù : Acr vaø laø dieän tích maët caét öôùt , Bcr beà roäng maët thoaùng tính vôùi ñoä saâu phaân giôùi hcr. nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 1 2 2 αQ αq Keânh hình chöõ nhaät: vì A = bh vaø B = b hcr = 3 =3 g gb2 neân q = Q/b: löu löôïng treân 1 ñôn vò beà roäng keânh goïi laø löu löôïng ñôn vò Keânh tam giaùc caân: vì A = mh2 vaø B = 2mh neân Keânh hình thang: hcr = 5 2α Q2 gm2 coâng thöùc gaàn ñuùng σ ⎛ 2 ⎞ hcr = ⎜ 1 − N + 0,105σ N ⎟ hcrCN 3 ⎝ ⎠ trong ñoù mhcrCN = b σN hcrCN = 3 α Q2 gb2 Keânh hình troøn: ta coù theå aùp duïng coâng thöùc gaàn ñuùng 1,01 hcr = 0,26 d ⎛ α Q2 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ g ⎟ ⎝ ⎠ 0,25 vôùi ñieàu kieän 0,02 ≤ hcr ≤ 0,85 d 2.1.4 Soá Froude 2 Fr = α Q2 B ⎛ löïc quaùn tính ⎞ ⎜⎜ tæ leä vôùi tæ soá ⎟⎟ troï n g löï c ⎝ ⎠ gA 3 α - Heä soá söûa chöõa ñoäng naêng. B - Chieàu roäng maët thoaùng gA vaän toác truyeàn soùng nhieãu ñoäng nhoû trong nöôùc tónh B soá Froude theå hieän tæ soá giöõa vaän toác trung bình cuûa doøng chaûy vaø vaän toác truyeàn soùng. N C= 2.1.5 Ñoä doác phaân giôùi Ñoä doác phaân giôùi icr laø ñoä doác cuûa moät keânh laêng tru,ï öùng vôùi moät löu löôïng cho tröôùc, ñoä saâu doøng chaûy ñeàu trong keânh h0 baèng vôùi ñoä saâu phaân giôùi hcr. Xaùc ñònh icr Ngoaøi ra suy ra Q = C0 A0 R0i = Ccr Acr Rcr icr 3 Acr Bcr = αQ g icr = 2 ⇒ gAcr 3 Acr Bcr α Ccr2 Rcr Bcr = = ( α AcrCcr Rcricr g ) 2 -Neáu i< icr thì h0 > hcr. -Neáu i >icr thì h0 < hcr. -Neáu i = icr thì h0 = hcr. gPcr α Ccr2 Bcr nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 2 2.1.6.Caùc traïng thaùi chaûy Traïng thaùi chaûy Phaân bieät theo Ñoä saâu h Soá Froude Vaän toác EÂm h > hcr Fr < 1 V 1 V>C ∂E0 <0 ∂h Vôùi C vaän toác truyeàn soùng trong nöôùc tónh: B : beà roäng maët thoaùng vaø A dieän tích öôùt YÙù nghóa vaät lyù traïng thaùi chaûy Fr=0 Fr <1 Nöôùc tónh Chaûy eâm C= ∂E0 ∂h ∂E0 >0 ∂h gA B Fr =1 Fr > 1 Chaûy xieát Chaûy phaân giôùi 2.1.6. Types of flow: Subcritical flow :is the most common in nature and is relatively deep and slow moving. Supercritical flow :is less common and is characterised by a very fast, relatively shallow flow However, both may occur in the same channel at the same discharge The ways to determine the types of flow Type of flow Way to determine h Depth h Froude number velocity Subcritical flow h > hcr Fr < 1 V 1 V>C ∂E0 <0 ∂h ∂E0 ∂h ∂E0 >0 ∂h Supercritical flow h Q = const hcr o Subcritical flow E0min E0 E0 Specific energy curve E0 = f(h) nhieu.dcct@gmail.com Printed with FinePrint - purchase at www.fineprint.com Toùm taét baøi giaûng - TS Huyønh coâng Hoaøi ÑHBK tp HCM 3