Bài giảng Thủy lực đại cương - Chương 7: Dòng chảy đều không áp trong kênh

Chia sẻ: Caphesuadathemduong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thủy lực đại cương - Chương 7: Dòng chảy đều không áp trong kênh cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung; Mặt cắt kênh; Các bài toán về kênh hình thang; Tính toán kênh phức tạp; Lưu tốc tính toán cho phép. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thủy lực đại cương - Chương 7: Dòng chảy đều không áp trong kênh

THỦY LỰC ĐẠI CƢƠNG
CHƢƠNG 7 – DÒNG CHẢY ĐỀU KHÔNG ÁP TRONG KÊNH 7.1. KHÁI NIỆM CHUNG 7.2. MẶT CẮT KÊNH 7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.4. TÍNH TOÁN KÊNH PHỨC TẠP 7.5. LƯU TỐC TÍNH TOÁN CHO PHÉP
7.1. KHÁI NIỆM CHUNG 7.1.1. Dòng chảy đều không áp trong kênh J Dòng chảy không áp trong kênh là h0 dòng chảy có mặt hoáng tiếp xúc với khí trời, Dòng chảy ổn định là dòng chảy có lưu i lượng, diện tích mặt cắt ướt, đồ phân bố lưu tốc trên mặt cắt ướt không thay h0 m đổi dọc theo chiều dòng chảy. b
7.1. KHÁI NIỆM CHUNG Các điều kiện để có dòng chảy ổn định đều không áp 1. Lưu lượng không đổi theo thời gian và dọc theo dòng chảy, Q(t,l)=Const. 2. Hình dạng mặt cắt, chu vi và diện tích mặt cắt ướt không đổi dọc theo dòng chảy. Nên độ sâu mực nước trong kênh h(l)=const. 3. Độ dốc đáy không đổi, i=const. 4. Hệ số nhám cũng không đổi, n=const. 5. Phân bố lưu tốc trên các mặt cắt là không đổi dọc theo dòng chảy.
7.1. KHÁI NIỆM CHUNG 7.1.2 Công thức tính toán cơ bản J Dòng chảy đều trong kênh hở thường là h0 dòng chảy rối, ở khu sức cản bình phương, + Công thức tính vận tốc: v = C RJ (m / s) i + Độ sâu dòng đều không đổi dọc theo dòng chảy, nên có: i = J + Công thức tính vận tốc trên được viết lại: v  C Ri + Công thức tính lưu lượng: Q  v  C Ri
7.2. MẶT CẮT KÊNH 7.2.1. Mặt cắt kênh thƣờng dùng + Kênh nổi: + Cống ngầm
7.2. MẶT CẮT KÊNH 7.2.2. Các yếu tố thuỷ lực của mặt cắt ƣớt B Xét một kênh hở hình thang cân + Chiều rộng mặt thoáng ( free surface width ): h0 m B = b +2mho (m)  + Diện tích mặt cắt ướt ( flow Area): b ω = (b + mho)ho (m2) + Bán kính thủy lực + Chu vi mặt cắt ướt ( wetted Perimeter)  R   b  2h o 1  m 2 (m)  b + Hệ số  h0 Ghi chú: kênh mặt cắt chữ nhật, tam giác cân sử dụng công thức trên, nhưng có thay đổi các yếu tố đặc thù
7.2. MẶT CẮT KÊNH 7.2.3 Mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực Khái niệm: Các kênh dẫn khi cùng một điều kiện n, i và ω không đổi, nếu mặt cắt nào dẫn lưu lượng lớn nhất thì mặt cắt đó có lợi nhất về thủy lực. Nghiên cứu kênh dẫn hình thang cân, nhận thấy điều kiện có lợi nhất về thủy lực của kênh, khi kênh thỏa mãn:  b  ln     2  h o  ln  1  m2  m  Chú ý: Đối với kênh có nhất về thuỷ lực thì có: h 0 ln R ln  2
7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.1 Tính kênh đã biết. Bài toán 1: khi có b, h0, m, n, i ta cần tìm Q Ta tính những trị số , , R, C rồi thay vào công thức tính Q Ví dụ 1. Cho kênh hình Giải: thang cân: b = 21,15m; Vì dòng chảy đều trong kênh hình thang cân ho = 2,35m; m = 2; n nên: ω = 60,74 m2 = 0,025, i = 0,0004. Q  v  C Ri  = 31,66 m Tính Q? R = 1,92 m Q= 75,069 m3/s C = 44,59
7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.1 Tính kênh đã biết. Bài toán 2: khi có Q, b, h0, n,m ta cần tìm i. Ta tính những trị số , C, R rồi thay vào công thức 2  Q  Q  C Ri  i    C R  Bài toán 3: Khi có Q, i, m, b, h0 ta cần tìm n Áp dụng công thức: 2 1 61 12 2 R i 3 1 Q  C Ri   R .R i  R 3 i  n n n Q
7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.2. Thiết kế kênh mới Bài toán 4 : Biết Q, m, n, i và chọn β. Xác định b, h0 Công thức tính lưu lượng dòng chảy theo Manning: i  b  mh 0  h 0  2 5/3 1 2 i   i  3 5/3 Q  R 3 i     . 2/3  . (*) n n  n  n  b  2h 1  m 2  2/3  0  Ta có: b Thay b vào (*) rút ra giá trị h0   b  h0 h0 Từ h0 tính b theo công thức.
7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG Giải: Ví dụ 2. Dòng chảy đều trên kênh mặt cắt hình Từ điều kiện có lợi nhất về thủy lực: thang cân có Q = 1,1 ln  2  1  m2  m  = 0,7  b = 0,7.ho m3/s; m =1,25; n = Vì dòng chảy đều trong kênh hình thang cân 0,025; i = 0,0006. nên: Hãy xác định b và ho 2 1 h   b  mh 0  h 0   0  3 theo điều kiện có lợi nhất 1 2  i Q  R 3 i n  2  n về thủy lực. Thay giá trị b ở trên vào công thức, rút ra h0. Thay số vào ta có: ho = 1,02(m); b = 0,71 (m)
7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG 7.3.2. Thiết kế kênh mới Bài toán 5 : Cho Q, m, n, i và chọn R hay v. Xác định b, h0 Cho R ta xác định được v và ngược lại thông qua công thức: 1 23 v  C Ri  R i n Ta lập được hệ phương trình 2 ẩn:  Q    (b  mh o )h o Giải hệ phương trình này   v ta xác định được b và ho      b  2h o 1  m 2 R
7.3. CÁC BÀI TOÁN VỀ KÊNH HÌNH THANG Ví dụ 3. Xác định b và Giải: ho của kênh mặt cắt Vì dòng chảy đều trong kênh hình thang cân hình thang cân nếu nên: 3 biết Q = 19,6 m3/s; n = 1 23  v.n  2 v  C Ri  R i  R    = 1,36 (m) 0,025; m = 1; i = n  i  0,0007; v = 1,3 m/s. Ta có:   Q  15,08 (m 2 ) v    11,09 (m) R Ta lập được hệ Phương trình Giải tìm được 15,08  (b  1  h o )h o   b = 5,43 (m) 11,09  b  2h o 1  1 2 ho = 2,06 (m)
7.4. TÍNH TOÁN KÊNH PHỨC TẠP 7.4.1. Kênh phức tạp có độ nhám 7.4.2. Kênh đơn giản có độ nhám phức tạp phức tạp Chia mặt cắt ướt của kênh ra làm Sử dụng hệ số nhám trung bình Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 nhiều mặt cắt bộ phận bằng các  n i i đường thẳng đứng và tính dòng n tb  i chảy cho từng bộ phận (Qi).  i b2 Lưu lượng đượch xác định: n1 3 n 0 b1 Trường hợp như hình vẽ có 1 3   n2 Q Q i 2 i n11  n 2 2  n 33 n tb  1  2  3
7.5. LƢU TỐC TÍNH TOÁN CHO PHÉP 1. Vận tốc không xói ( [Vkx] ) Để kênh dẫn ổn định không gây ra xói lở thì thỏa mãn điều kiện: v  [vkx ] 2. Vận tốc không lắng ( [Vkl] ) Để không gây ra bồi lắng lòng dẫn, thì vận tốc thực tế phải thỏa mãn điều kiện: v > [vkl ]
Ví dụ 4. Dòng chảy đều trong kênh hình thang có i = 0,0009; m = 2; n = 0,02; ho = 2,5m. 1. Xác định lưu lượng dòng chảy trong kênh khi mặt cắt có lợi nhất về thuỷ lực. 2. Xác định mặt cắt kênh khi vận tốc dòng chảy trong kênh v = 0,95.vmax Giải: 1. Từ điều kiện có lợi nhất về thủy lực:  ln  2 1  m 2  m  = 0,47  b = 0,47.ho = 1,18 (m)
Vì dòng chảy đều trong kênh hình thang cân nên: Q  v  C Ri ω = 15,451 m2  = 12,361 m R = 1,25 m C = 51,894 Q= 26,894 m3/s 2. Tính kích thước kênh Vmax= 1,74 m/s  V= 1,65 m/s  R = 1,15 m   b  mh 0  h 0  R  Thay số giải được: b = 3,37 m   b  2h 1  m  2  0 
Ví dụ 5 . Dòng chảy trên kênh lăng trụ hình thang cân, có Q = 18 m3/s; m = 2; n = 0,025; i = 0,0004. vận tốc cho phép không xói của kênh là [vkx] = 1,4 m/s. Hãy xác định tính ổn định của kênh. Giải: Từ điều kiện có lợi nhất về thủy lực  ln  2 1  m 2  m  = 0,47  b = 0,47.ho
Vì dòng chảy đều trong kênh hình thang cân nên: 2  h0  2 1 1   b  mh 0  h 0    3 Q  R 3 i i n n  2  Thay giá trị b ở trên vào công thức, rút ra h0, có: Thay số vào ta có: ho = 2,72 (m) và b = 1,28 (m) 2 1  h0  3 v max  C Ri    i = 0,98 (m/s) < [Vkx] = 1,4 (m/s) n 2   KL: Kênh dẫn ổn định không bị xói lở