Bài giảng Thủy năng - Thủy điện: Chương 8 - PGS.TS. Nguyễn Thống

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Thủy năng - Thủy điện - Chương 8: Đường ống áp lực và hiện tượng nước va" cung cấp cho người học các kiến thức tổng quát về đường ống áp lực và hiện tượng nước va, hiện tượng nước va trong đường ống áp lực, biện pháp giảm áp lực nước va.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thủy năng - Thủy điện: Chương 8 - PGS.TS. Nguyễn Thống

1/12/2016 TRƯỜNGTHỦY ĐẠI HỌC NĂNG BÁCH KHOA & THỦY TPỒ CHÍ MINH ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống KỸ KHOA áp THUẬT lực & hiện XÂYtượng DỰNGnước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va BỘ MÔN KỸ THUẬT & QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Chương 1 : Tổng quan. Chương 2 : Tài nguyên nước và quy hoạch khai thác Chương 3 : Các phương pháp khai thác năng lượng nước. Chương 4 : Điều tiết hồ chứa thuỷ điện. Chương 5 : Đập dâng & công trình tháo lũ. Chương 6 : Công trình lấy nước và dẫn nước. Giảng viên: PGS. TS. NGUYỄN THỐNG Chương 7 : Tháp (giếng) điều áp. Email: nthong56@yahoo.fr or nguyenthong@hcmut.edu Chương 8 : Đường ống áp lực & hiện tượng nước va. Web: http://www4.hcmut.edu.vn/~nguyenthong/index 1 Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện. 2 PGS. TS. Nguyễn Thống Tél. (08) 38 691 592 - 098 99 66 719 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va ĐƯỜNG ÁP LỰC & TỔNG QUÁT Đường ống áp lực là công trình nối giữa HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA cuối đường dẫn nước đến nhà máy. 1. Tổng quát. Đường ống chịu áp lực nước bên trong đường ống. 2. Hiện tượng nước va trong - CTLN  Kênh dẫn  Bể áp lực  đường ống áp lực. Đường ống  Nhà máy. 3. Biện pháp giảm áp lực nước va. - CTLN  Đường hầm có áp  Giếng điều áp (tháp điều áp)  Đường ống  Nhà 3 máy. 4 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va PHÂN LOẠI i=0,0061 D=3,5m, L=9065m Theo vị trí xây dựng:  Đường ống áp lực kiểu hở. Đường ống áp lực (kiểu hở)  Đường ống áp lực kiểu NM ngầm.  Đường ống áp lực kiểu hổn hợp (hở +ngầm). 5 6 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 1
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va GIẾNG ĐIỀU ÁP NHÀ VAN NHÀ MTĐ Đập tràn LOAL = 1866m KÊNH XẢ Đường ống áp lực Dống chính = 2,6m Dống nhánh = 1,6m 32 ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM PGS. TS. Nguyễn Thống 7 PGS. TS. Nguyễn Thống 8 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va THI CÔNG ĐƯỜNG ĐƯỜNG ỐNG ỐNG ÁP LỰC ÁP LỰC HỞ 9 10 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va THI CÔNG THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC ÁP LỰC e=12mm 35mm 11 12 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 2
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va ĐƯỜNG ỐNG BÊ TÔNG NGẦM BỌC THÉP Đường ống 13 14 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC Khi NM vận hành bình thường  KHÔNG ỔN ĐỊNH  DÒNG CHẢY dòng chảy trong ĐÔAL là có áp QUÁ ĐỘ và ổn định. Xảy ra khi  Đóng (mở) van Khi NM thay đổi trạng thái đột ngột trên đường ống với tốc độ (tăng tải, cắt tải)  dòng chảy nhanh  thay đổi nhanh quá độ (transient). chóng vận tốc (lưu lượng) trong ống. 15 16 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va GiẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG Van mở t=0 Trong trường hợp đó  mỗi đoạn dòng chảy (vi phân) trong ống chịu sự thay đổi áp suất và vận tốc khác Đóng nhau theo từng thời điểm  hiện van tượng truyền sóng áp lực  được gọi là « NƯỚC VA ».  Xem đồ thị minh hoạ ở sau: 17 SỰ TRUYỀN SÓNG ÁP LỰC 18 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 3
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA TRONG ĐƯỜNG ỐNG TUYỆT ĐỐI CỨNG X ΔHA THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BỂ CHỨA B Đường ống NƯỚC VA HA (Ống tuyệt đối cứng, NƯỚC A không NÉN được) α o Mặt chuẩn G o Kênh sau NM HA:cột áp tỉnh (mH2O) ΔHA: gia số áp suất tại A sinh ra do nước va dương 19 20 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Xét chuyển động khối nước trong đoạn ống AB.  gLFsin  : hình chiếu của trọng lượng Phương trình chuyển động theo phương X (lưu nước trong đường ống lên phương X. ý chiều dương chọn), Newton 2: Giả thiết không có ma sát giữa chất lỏng và d(mVx )   Fx (1) thành ống (xem là áp suất thủy tỉnh). m   FL dt HA  HB  Lsin  : khối lượng nước trong đoạn AB. Thay vào p/t trên và thu gọn: F: tiết diện ống dV  L dV L dQ  Fx : tổng ngoại lực theo phương X (trục ống).   LF   gFH A H A    dt g dt gF dt   gF  H A  H A  H B  Lsin   dV Với V=Q/F và dQ biến đổi lưu lượng trong (1)    LF thời đoạn dt. dt Thay đổi áp suất tại A 21 22 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống do nước va gây ra THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va L dV L dQ - Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến H A    tính với (dQ/dt). g dt gF dt CHÚ Ý: Trong trường hợp - Nếu dQ/dt < 0  đóng van   ΔHA > 0  nước va dương - Nếu dQ/dt > 0  mở van  ΔHA < 0  nước va âm  Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến Qd: lưu lượng trước khi đóng van; tính với chiều dài L từ B đến A. Qc: l/l sau khi đóng van Ts: thời gian đóng van từ Qd  Qc  L=0  ΔH=0 (tại B). 23 24 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 4
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Trường hợp kể đến sự đóng không « NƯỚC VA ĐƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ĐỐI tuyến tính »: L Qd  Qc D THAY ĐỔI H A  k ΔHA gF Ts Réservoir B ΔH (1) ΔH (2) Với k = 1,25 1,5 xem như hệ an toàn. HA Nếu đóng (mở) van tức thì (dQ/dt L1,F1 L3,F3 L2,F2 A >>> 1)  H A   !!! α o Mặt chuẩn o  Kết quả không hợp lý này do từ các HA: cột nước tỉnh Kênh sau NM “giả thiết” ban đầu của bài toán ! ΔHA: gia số áp lực nước va tại A 25 26 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Giả thiết D mỗi đoạn không đổi: Bài tập: Một đường ống áp lực có D=2,25m, Gia số áp lực cho đoạn 1: Q  Qc  L1  chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng (1) H  d .  gTs  F1  Q=30m3/s. Thời gian đóng van là 10s Gia số áp lực cho đoạn 2: (tuyến tính k=1). L2 Qd  Qc Qd  Qc  L1 L2  1. Tính gia số áp lực lớn nhất do nước va. H ( 2)  H (1)      gF2 Ts gTs  F1 F2  2. Tương tự nếu D=2.5m. So sánh với kết Gia số áp lực cho đoạn 3: quả câu 1, nhận xét. Qd  Qc  L1 L2 L3  H ( 3)      gTs  F1 F2 F3  27 28 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài giải: Bài tập: Lấy số liệu bài trước. Đường ống 1. D=2.25m bây giờ gồm 2 đoạn: L1=400m, D1=2.25m; L Qd  Qc 1000*4 30  0 L2=600m, D2=2.0m. H Amzx  k 1  76.91m gF Ts 9.81*3.14159*2.252 10 Tính gia số áp lực do nước va trong 2 đoạn ống. 2. D=2.5m L Qd  Qc 1000*4 30  0 H Amzx  k 1  62.3m gF Ts 9.81*3.14159*2.52 10 Nhận xét: V  giảm  Giá trị nước va giảm 29 30 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 5
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài giải: Đoạn 1: Bài tập 1: Lấy số liệu bài trước, đường ống gồm 2 đoạn AB, BC: L1=500m, L1 Qd  Qc 4 * 400 30  0 H (1)    30.76m D1=3.5m; L2=250m, D2=3.0m. Lưu gF1 Ts 9.81*  * 2.252 10 lượng 40m3/s. Tính gia số áp lực do Đoạn 2: nước va trong mỗi đoạn (B,C). L 2 Qd  Qc 4 * 600 30  0 Bài tập 2: Giả thiết AC (AB+BC) lấy là H ( 2)  H (1)   30.76   89.16m gF2 Ts 9.81*  * 22 10 đường kính trung bình (tính theo trọng số chiều dài). Tính gia số do áp lực nước va tại cuối ống (C). So sánh với Bài tập 1. 31 32 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va NƯỚC VA TRONG ĐƯỜNG ỐNG ĐÀN HỒI & Trong thực tế  đường ống NƯỚC NÉN ĐƯỢC - ĐÓNG (MỞ) VAN TỨC THÌ bằng thép hoặc bê tông cốt  Xét trường hợp nước là NÉN thép  biến dạng khi áp được ( thay đổi theo áp suất). suất thay đổi (mặc dù rất  Tiết diện  đường ống thay đổi bé) theo áp suất bên trong.  Đường ống đàn hồi. 33 34 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Khảo sát đoạn ống cuối đường ống dài Δl (bé): Giải thích hiện tượng: - Có 1 van ở A (chọn làm gốc toạ độ). Sau Δt (s), chỉ có đoạn chất lỏng giới hạn - Đầu vào đường ống giả thiết là hồ chứa. bởi (a-a);(m-m)  là dừng  Gia tăng áp - V0 vận tốc trung bình trong ống. suất Δp. - Thực hiện đóng van tức thì (Tv=0). Trong khi đó nước bên trái (m-m) vẫn chảy t=dt “bình thường”. X n m Δl a t=0 Phương trình chuyển động khối chất lỏng V0 p0 A giới hạn bởi (a-a) và (m-m) theo trục ống: n V0=0 O p0+Δp p0  ( p0  p)   l  0  V0  m a 35 t  360 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 6
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va l Trong trường hợp van đóng 1 phần: p   V0 Từ đó: t (1) do đó p   a(V0  Vc ) a H  (V0  Vc ) Bước thời gian kế, đoạn chất lỏng giới hạn g bởi (m-m) và (n-n) sẽ dừng  hiện tượng Note: Δp=g ΔH (N/m2) tiếp diễn  sự truyền sóng áp lực với tốc Tính a (tốc độ truyền sóng áp lực): độ a: l Xét khi áp suất nước gia tăng một giá trị Δp: a  lim  Khi nước bị nén:      t  0 Do đó (1)  p   aV0 (2)  Tiết diện ống gia tăng:      37 38 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Khối lượng nước trong đoạn a-a;m-m gia tăng:    at  V0 t m        l  l Ta có: Từ đó: m     l     at p p Trong thời gian đó, khối lượng nước đi qua tiết V0  diện m-m để đi vào [a-a;m-m] là: a  a a           1 m0  V0 t     Luật bảo toàn khối lượng: m0  m Note: Đã sử dụng kết quả trước: p   aV0 39 40 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Chú ý là khối lượng nước không Quy luật thể tích chất lỏng thay đổi đổi (dù có bị nén) : theo áp suất (GT.Cơ học chất lỏng): W  c te  dp dW   W dW dp K  W  K Vi phân toàn phần: K 1 :Module đàn hồi nước,  hệ d   dW  Wd   0  dW  suất. số co giãn thể tích theo áp W  p K   PGS. TS. Nguyễn Thống 41 PGS. TS. Nguyễn Thống   42 7
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Dùng định luật Hooke: Löïc keùo T sinh ra do aùp suaát p treân chu vi hình troøn b/kính r: F .L dF L  L  dl  (dF vi phaân löïc taùc duïng leân vi phaân chu vi dl) T AE E x pdl  dF .cos  p Tính:  Lực tác dụng pr  .d cos Module đàn hồi vật liệu   /2 T 2T   dFx  pr  cos  .d  2pr Tiết diện 43 44 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống  / 2 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Xét ống tròn, sử dụng định luật Xét ống tròn:    r 2 Hooke (1D), chứng minh quan hệ:  r Ta có:   2 r r  2  r r rp r  Với r biến dạng tương đối của bán kính r r eE dưới tác dụng của gia áp suất p . Luật Hooke: r r p d p   d p r: bán kính ống tròn, p áp suất bên    trong ống, e chiều dày thành ống, E r eE 2eE  eE module đàn hồi ống,  chỉ gia số. Với e chiều dày thành, E hệ số đàn hồi ống d đường kính ống. 45 46 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay kết quả này vào phương trình xác định a: Thay vào trên ta có: a0 K a (m/s)  Tốc độ a  d  đường kính trong K d a K d e chiều dày thành ống truyền sóng áp lực. 1 . 1 * E e E e thép Chú ý: Tính giá trị Note: nếu ống KHÔNG đàn hồi ( E   ) nước va trong đường ống đàn hồi: Ta có: K a a0  K module đàn hồi nước  H  (V0  Vc ) Đây là vận tốc truyền của sóng âm trong nước. 47 g 48 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 8
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Với K của nước ở nhiệt độ bình thường: Với đường ống bê tông cốt thép: K  2.03*10 N / m 9 2 K Ta có: a0 =1425 m/s.  a Một số vật liệu ống phổ biến: K d 1 . E e(1  9.5) Vật liệu Sắt Gang Gang đúc li Chì f tâm   hệ số cốt thép vòng. f diện tích cốt e E/K 100 37 41 9 thép trên 1m chu vi ống. Thông thường  =0.015  0.05 49 50 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Lưu lượng 25m3/s chảy trong đường HỆ SỐ ĐÀN HỒI ống áp lực có đường kính 2,5m, dài 1km. Vật liệu E(kG/cm2) Vật liệu E(kG/cm2) 1. Giả thiết ống tuyệt đối cứng, tính giá trị Thép 2.1E+06 Cao su 20-60 nước va max tại cuối ống khi đóng van Gang 1.0E+06 Nước 2.1E+04 trong 10’’ (nước không nén được). Bêtông 2.1E+05 Dầu 1.35E+04 2. Giả thiết ống đàn hồi bằng thép dày 32mm. Gỗ 1.0E+05 Nước là nén được. Hệ số đàn hồi nước K=2.109 N/m2. Tính nước va cuối ống khi đóng van tức thời. 51 52 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 3. Lấy giá trị nước va câu 2. Khả PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA năng chịu lực thép là TỔNG QUÁT [σ]=75kN/cm . Lấy hệ số an toàn 2. 2 Đường ống đàn hồi. Lấy chiều dày dự phòng 2mm.  Nước nén được. Tính lực dọc chu vi ống sinh ra do  Van đóng dần dần. gia số áp lực nước va  kiểm tra  Mất năng đường dài (ma sát khả năng chịu lực ống ? giữa dòng chảy và đường dẫn). 53  Mất năng cục bộ. 54 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 9
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va SƠ ĐỒ TÍNH Áp dụng phương trình lực khối nước trong (1-1) và (2-2) theo phương X: d(mV) x X ΔHA   Fx (1) H1 dt Hồ B 2 m=Fdx, Fx: ngoại lực V dx 1 HA dV  dt t 2 1 A Lực tác dụng lên khối nước: Mặt chuẩn α h o o   gF dx Lực bản thân phương X: x HA: cột áp tỉnh Kênh sau NM ΔHA: gia số áp lực tại A do nước va 55   gFdx sin  56 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay vào p/trình (1): Từ đó: V H (2) g  Fdx V h dt   gF ( dx  dx. sin  ) t x t x a dx Kết quả trước: H  (V0  Vc ) a V (h  z 0  x sin  ) g dt  Fdx dt   gF dx t x Xét sự thay đổi áp suất trong dt: H  H dt t z0 : cao độ van so mặt chuẩn. z : cao độ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn. Sự thay đổi vận tốc: V   V dx h+z0+xsin =H 57 x 58 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Thay tất cả vào: LỜI GiẢI HÊ PT. PHI TUYẾN (2) VÀ (3) H dt  a V H a V dx H a 2 V 1. PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG: .dx  .  . t g x t g x dt t g x Với V=V(x,t) và H=H(x,t) ta có: dV V dx V dH H dx H V g H (3)      . dt x dt t và dt x dt t x a 2 t Hệ p/t (2) và (3) trở thành: Hệ phương trình (2) và (3) biểu diễn hiện tượng truyền sóng nước va trong ống đàn hồi với 2 ẩn dV V dx H số là H và V. (2)   g 59 dt x dt t (4) 60 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 10
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Từ (3)  V  g  dH  H dx  (5) Giả thiết giải pt. [6] trong điều kiện:   2 1  dx  x a 2  dt x dt  1   0 Hệ (4) & (5) cho: a 2  dt  dV  1  dx   H g dx dH 2 Phương trình [6] trở thành:  g 1  2     2. . dt  a  dt   x a dt dt (6) dV g dH  Phương pháp đường đặc trưng biến (6) dt a dt thành p/t bậc 1 bằng cách xem t/hợp: 2  Đây là phương trình vi phân bậc 1, tách biến 1  dx  dx được và giải dễ dàng khi kết hợp với các điều (7) 1 2    0   a kiện biên của V và H ở hai đầu đường ống. 62 PGS. TS. Nguyễn Thống a  dt  dt 61 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va (7) Cho phép xác định các đường đặc Trên đường đặc trưng, p/trình (6) trở thành: trưng. a a (7) T dH  dV  dQ X=-at+k2 g gF Tích phân p/t trên theo đường đặc trưng t+2 x =at+k1 với giới hạn t tại A t+ tại B: t+ X=at+k1 A B a H t  H t  A gF B Q(8) t  Qt   t 0 X  thời gian để sóng nước va đi từ đầu A L B HỆ ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG ống này sang đầu ống kia (A  B). 63 64 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Tích phân p/t (7) dọc theo đường x =-at+k1 trong Dùng các đ/kiện biên và ban đầu, ta có thể g/hạn t tại B t+ tại A: giải hệ p/trình để xác định giá trị nước va B A a H t  H t    B A (9) gF Q t  Qt   tại A. Exemple: Giả thiết hồ chứa lớn (mực nước Tương tự cho tất cả các thời đoạn khác: t+ không đổi khi có nước va) HtB=H0= hằng t+2; t+2 t+3; …ta có: số tại B. Giả thiết lưu lượng qua A biết  A  H n  H (n 1)  gF  Q n  Q(n 1)  B a A B theo thời gian. Giá trị nước va tại A  thường có dạng tổng quát sau:  H B  H A  n (n 1)   a gF  QBn  Q(nA 651)  66 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 11
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ví dụ: Dạng tổng quát giá trị nước va tại A. 900 THIẾT LẬP 800 PHƯƠNG TRÌNH Coät nöôùc cuoái oáng aùp 700 löïc coù keå nöôùc va H (m) 600 500 400 300 Hmax (m) NƯỚC VA 200 0 2 Tf 4 6 8 10 T (s) 12 14 16 18 20 TỔNG QUÁT 67 68 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 2. PHƯƠNG PHÁP SỐ (TỔNG QUÁT): 2 Ta có thể sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình đạo hàm riêng bậc cao phi 1 tuyến biểu thị hiện tượng bước va: 2 Phương trình chuyển động: V 1 p fV V 1   g sin   0 (10) t  x 2D 69 70 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Phương trình liên tục: p V (11)  a 2 0 t x K/ t, x biến độc lập. a2  K D a tốc độ truyền sóng nước va 1 V vận tốc trung bình. E e p áp suất tại tâm mặt cắt. D đường kính ống. 71 72 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 12
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ví dụ: Đường ống dài 1850m, đường kính Hệ phương trình (10) và (11) cho thay đổi từ 2,5m3,0m. Chiều dày phép xác định 2 ẩn số V và p theo 40mm20mm. Lưu lượng max 39m3/s, có thời gian. 2 tuabin. Ma sat giữa nước và thành có f=0,025. Thời gian đóng van 8’’.  Sử dụng pp. Sai phân hửu hạn Lời giải bằng phương pháp sai phân tham Sử dụng pp. Phần tử hửu hạn khảo như sau:  Sử dụng pp. Đường đặc trưng 73 74 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 800 600 Cuối ống 700 Cuối ống 500 p (mH2O) 600 T p (mH 2O) 400 500 t Giữa ống 400 300 300 200 200 Giữa ống 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) NƯỚC VA DƯƠNG NƯỚC VA ÂM 75 76 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va DỰ ÁN 1300 1200 p(mH2 O) Cột nước áp suất tỉnh THƯỢNG 1100 1000 900 KONTUM 800 700 600 NƯỚC VA DƯƠNGT (s) 0 10 20 30 40 50 60 77 78 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 13
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 1000 p(mH 2O) 950 Cột nước áp suất tỉnh TÍNH TOÁN 900 NƯỚC VA 850 800 THEO QUY PHẠM NƯỚC VA ÂM VIỆT NAM 750 T (s) 700 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 79 80 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Định nghĩa: a: vận tốc truyền sóng 1425 • T tf : nước va gián tiếp. K d 1 * T thời gian đóng (mở) van (4’’-12’’). NƯỚC VA TRỰC TIẾP E e tf=2L/a: thời gian truyền sóng nước va trên Giá trị nước va max: đoạn đường 2L. L: chiều dài ống áp lực. H  Hv  H0  a(V0  Vc ) / g a: tốc độ truyền sóng nước va Định nghĩa hệ số:   H  a(V0  Vc ) PGS. TS. Nguyễn Thống 81 PGS. TS. Nguyễn Thống H0 gH0 82 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va V0: vận tốc TB dòng chảy trước khi NƯỚC VA DƯƠNG GIÁN TIẾP đóng van. Gọi t thời điểm nước va dương Vc: vận tốc TB dòng chảy sau khi đóng max xảy ra: van  Nếu t tf: nước va pha cuối. H0: cột áp tỉnh. 83 84 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 14
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Gọi hệ số Allievi: aV 800 Giá trị max  700 2 gH 0 aT  600 T Gọi hệ số liên quan đóng van: p (mH 2O) 500 t Đặt: 2L 0 H  400 300   200 0 2 4 6 8 10 12 T (s) 14 16 18 20 22 24 H0  NƯỚC VA DƯƠNG 85 86 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Có 2 trường hợp: - T/h 2:  > 1 nước va gián tiếp pha cuối. - T/h 1:  < 1nước va gián tiếp pha * Nếu ζ>=50% theo Allievi: đầu. Theo Calame-Gaden: 2   2   2 4   1   (  1) * Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden: Từ đó:   1.1  H   * H0  H V  H0  H * Nếu ζ
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Đường ống dài L=850m Bài giải: at 1100*7 chịu cột nước tỉnh H0=294m. Vận aV    4.53   1.14 2 L0 2*850 tốc TB dòng chảy trong ống 2 gH 0 V=6m/s. Giả thiết a=1100m/s, thời 2   1.14   0.25    0.28 gian đóng van 7’’. Tính giá trị  4.53 2  nước va dương theo QPVN. ( > 1  nước va gián tiếp pha đầu) Giá trị nước va lớn nhất cuối ống: H  H0  0.28 * 294  82.3m 91 92 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Bài tập: Đường ống áp lực dài 750m, cột nước tỉnh H0=200m. Vận tốc trung bình trong ống 6,5m/s. Bài tập: Giống câu hỏi bài Giả thiết a=1200m/s, thời gian đóng van 8’’. a. Nước va gián tiếp hay trực tiếp? tập trước với H0=250m, b. Tính giá trị nước va theo Quy phạm VN. L=750m, V=7m/s, c. Đường ống thép có d=2m, [σ] =20kN/cm2. Tính chiều dày thành ống để chịu được giá trị cột a=1250m/s & t=8’’. nước HV với hệ số an toàn là 2. (Xem ôn ở sau, tính lực kéo theo chi vi ống tròn khi có áp suất đều p tác dụng bên trong thành ống) 93 94 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ôn: Xác định lực dọc T theo chu vi ống tròn Bài tập: Hãy dùng phương pháp sai bán kính R khi chịu áp suất p phân bố đều phân hiện (xem giải thích sau), lập bên trong: A phương trình sai phân và sơ đồ khối T=f(p,R) để giải bài toán nước va được biểu A diễn bởi hệ phương trình sau (V và H là p lời giải cần tìm, ống chia thành 2 đoạn R như nhau). Phương trình lực: V 1 p fV V   g sin   0 PGS. TS. Nguyễn Thống 95 PGS. TS. Nguyễn Thống t  x 2D 96 16
1/12/2016 THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Phương trình liên tục: HƯỚNG DẪN PP. SAI PHÂN CƠ BẢN p V K/  a 2 0 a2  f f it 1  f it t x 1 K D Sơ đồ sai theo thời gian:  E e t t t, x biến độc lập. V vận tốc trung bình. f it 1  giá trị hàm f tại nút i vào thời p áp suất tại tâm mặt cắt. điểm mới (t+1) Sai phân tiến f f it1  f it D đường kính ống.  97 theo không gian: x x 98 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va Sơ đồ sai phân hiện tính xấp xỉ hàm f: f it1  f it f HẾT 2 f là hàm cần sai phân. f it 1 giá trị hàm f tại nút i ở thời điểm mới (t+1). f it1 giá trị hàm f tại nút i+1 ở thời điểm cũ (t). 99 100 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 17