Tải bản đầy đủ

BÀI tập THÍ NGHIỆM mô HÌNH THỦY lực (đề 5)

Bộ môn Thủy công Bài tập môn học NCTNCT
H.W.r.u

Bài tập Nghiên cứu thực nghiệm mô hình
thủY lực công trình thủY lợi
Lời nói đầu
Thủy động lực học là một lĩnh vực khoa học, nghiên cứu về quy
luật chuyển động của chất lỏng thực, cũng nh nhiều tác động tơng
hổ của nó với môi trờng xung quanh. Dòng chảy thủy động lực học đối
với công trình thủy lợi là dòng chảy cao tốc rất phức tạp, nên từ trớc tới
nay đã có rất nhiều các nhà nghiên cứu, nhng vẫn cha có phơng pháp
phân tích toán học chính xác, hiện nay vẫn dùng các công thức suy
diễn từ lý luận và các hệ số hiệu chỉnh bằng thực nghiệm, cũng có
khi dùng công thức bán thực nghiệm sau đó tiến hành phân tích
định tính, cuối cùng mới dùng công thức kinh nghiệm để tính toán.
Còn trong thực tế khi thiết kế, đối với các công trình nhỏ, bố trí
các bộ phận chủ yếu gần với sơ đồ lý thuyết có thể dùng các công thức
thủy lực học để tính. Khi tính các công trình vừa và lớn, sau khi dùng
các công thức thủy lực học để tính toán phải tiến hành nghiệm chứng
bằng mô hình thủy lực, để tìm phơng án hợp lý, bố trí công trình
tổng thể đầu mối, thí nghiệm kiểm tra các bộ phận quan trọng,

kiểm tra các thông số thiết kế.v.v... Nh vậy công tác nghiên cứu mô
hình thủy lực là có ý nghĩa hết sức quan trọng, nó đã đợc ứng dụng
rộng rãi trong nghiên cứu các đặc trng thủy động lực học của dòng
chảy. Ngày nay cùng với việc phát triển của máy tính điện tử, thiết bị
đo đạc độ chính xác cao, ngời ta có thể giải quyết đợc hầu hết các
bài toán thủy lực phức tạp qua việc nghiên cứu mô hình thủy lực và
đạt đợc kết quả đáng tin cậy, giải quyết đợc những bài toán mà theo
con đờng lý thuyết còn gặp nhiều khó khăn.
Mô hình thí nghiệm thủy lực mô phỏng đợc công trình thực kể
cả trong các điều kiện phức tạp, kết quả rất gần với thực tế. Có thể
nói mô hình thí nghiệm là mẫu của công trình thực tế. Mô hình thí
nghiệm sát với thực tế sẽ có điều kiện tin cậy.
Sau khi đợc học và nghiên cứu về mô hình thủy lực công trình,
học viên cũng đã khái quát đợc một vài vấn đề về phơng pháp giải
quyết, nội dung nghiên cứu thực nghiệm của mô hình thủy lực và xin
đợc ứng dụng thể hiện ở phần bài tập này. Đây cũng là lần đầu đợc

Học viên : Phạm Trọng Thắng Lớp CH16 - SG

1


Bộ môn Thủy công Bài tập môn học NCTNCT
H.W.r.u

tiếp cận và nghiên cứu cho nên khó có thể tránh khỏi sai sót, khiếm
khuyết, rất mong đợc sự chỉ bảo và giúp đỡ của Thầy giáo.
Nhân đây học viên cũng xin chân thành cảm ơn Thầy giáo
GS.TS. Phạm Ngọc Quý đã giúp đỡ trong quá trình học và làm bài tập./.

a. Đề bài
Đề số III-12
Có một tràn tháo lũ, ngỡng đỉnh rộng, không cửa van. Nối tiếp
sau ngỡng là dốc nớc, cuối dốc là bể tiêu năng. Chiều rộng qua nớc của
ngỡng tràn là B. Để tăng khả năng tháo của tràn, nhằm nâng cao khả
năng tách nớc (tăng MNDBT = ngỡng tràn) nhng không tăng hoặc tăng
ít chiều cao đập, ngời ta làm tràn zích zắc, nhịp chữ nhật, ngỡng
hình chữ nhật (Hình 1) dới đây.
Yêu cầu:
I.



Thiết lập phơng trình chung nhất, trong đó sử dụng phơng
pháp Buckingham, để thiết lập sêri thí nghiệm: (Đề III12 : Xác định
khả năng tháo tràn zích zắc nhịp chữ nhật, ngỡng hình chữ nhật).

II. Chọn tỷ lệ mô hình đặt trong phòng thí nghiệm bề rộng bxl =
20x30(m) lu lợng lớn nhất của trạm bơm cấp nớc là 80 l/s.

Học viên : Phạm Trọng Thắng Lớp CH16 - SG

2


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

H×nh 1

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

3


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

B. NỘI DUNG TÍNH TOÁN
I. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUNG NHẤT.

1. Cơ sở lý thuyết BucKingham
Mọi quan hệ vật lý giữa các đại lượng thứ nguyên đều có thể biểu diễn và viết như
quan hệ giữa các đại lượng không thứ nguyên. Theo lý thuyết Buckingham là: có thể biểu
diễn các đại lượng biến đổi a1, a2, a3, ... an, mô tả hiện tượng thủy động lực học cần
nghiên cứu trong một phiến hàm:
f(a1, a2, a3 ... an) = 0

(1.1)

Quan hệ (1.1) biểu diễn mối liên hệ của n đại lượng biến đổi độc lập với n thứ
nguyên tương ứng.
Quan hệ (1.1) có thể biểu diễn dưới một dạng khác của các biến không thứ nguyên
1, 2, 3, ... với 1, 2, 3, ... được thiết lập từ các đại luợng a 1, a2, a3, ... an. Tổng số
các biến không thứ nguyên sẽ ít hơn các đại lượng vật lý biến đổi, khi đó ta có:
f(1, 2, 3 , ... ) = 0

(1.2)

Phương trình (1.2) có (n-r) biến không thứ nguyên. Tổng các thứ nguyên cơ bản gần
với tổng đại lượng biến đổi n thì giải bài toán sẽ đơn giản hơn. Thường r ≤ m. Trong đó m
là số thứ nguyên cơ bản nhất có thể chọn được, thường m = 3. Ba đại lượng cơ bản đó là:
+ Độ dài có thứ nguyên [L];
+ Khối lượng có thứ nguyên [M];
+ Thời gian có thứ nguyên là [T].
Tổ hợp không thứ nguyên độc lập i, được tạo nên từ (m+1) đại lượng trong số các
đại lượng có trong (1.1). Việc xác định các hệ số không thứ nguyên nói trên được tiến
hành theo các phương trình sau:
1

=

2

=

3

=

a1x1 .a 2y1 .a3z1 .a 4
a1x2 .a 2y2 .a3z2 .a 5
a1x3 .a 2y3 .a3z3 .a 6

. . ………
xi

yi

(1.3)

zi

a1 .a 2 .a3 .a n , với i = n-r.
i
=
Tiến hành làm phép tính cân bằng thứ nguyên ta tìm được các đại lượng i để tìm
các sêri thí nghiệm nhằm giải quyết yêu cầu bài toán.

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

4


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

5


Bộ môn Thủy công Bài tập môn học NCTNCT
H.W.r.u

- ng cong cp phi ht.
- Cỏc yu t c lý khỏc ca t nn.
Để nghiên cứu khả năng tháo của của tràn zích zắc, nhịp chữ nhật,
ngỡng hình chữ nhật có rất nhiều yếu tố. Trong phạm vi bài tập này chỉ trình bày
một số yếu tố cơ bản sau đây:

+ Chiều rộng tràn B
+ Vn tc v :
+ Din tớch mt ct ngang dũng chy thợng lu :
+ Khi lng riờng ca nc :
+ Ct nc h lu hh :
+ Chiu dài dốc nớc Ld:
+ Lu lng Q:
+ t nn bao gm cỏc yu t:
- Dung trng n:
- ng kớnh ht dh:
+ Chiều dài bể Lb
+ Chiêu sâu bể db

- Th nguyờn[L]
- Th nguyờn [L/T]
- Th nguyờn [L2]
- Th nguyờn [M/L3]
- Th nguyờn [L]
- Th nguyờn [L]
- Th nguyờn [L3/T]
- Th nguyờn [M/L3]
- Th nguyờn [L]
- Thứ nguyên [L]
- Thứ nguyên [L]

Cỏc yu t trờn c vit nh sau:
B = f0(v, , , hh, Ld, Q, n, db, Lb)
Hay:
F(B, v, , , hh, Ld, Q, n, db, Lb) = 0

(1.4)

xỏc nh i tng ng ta chn cỏc thụng s c bn l: , v, ; cỏc th nguyờn c
bn l: [L], [T], [M].
Bi toỏn cú s n n = 10, r = 3, vy s hm i = n - r = 10 - 3 = 7.
Lp hm:
F (1, 2, , 7) = 0
xỏc nh i tng ng ta vit nh sau:
1 = x1. y1.vz1.hh
2 = x2. y2.vz2.Ld
3 = x3. y3.vz3. Q
4 = x4. y4.vz4. n
(1.5)
5 = x5. y5.vz5.db
6 = x6. y6.vz6.Lb
7 = x7. y7.vz7. B
Phõn tớch th nguyờn ca cỏc i lng trong (1.5) ta cú:
1 = [L2]x1. [M.L-3]y1.[ L.T-1]z1.[L]
Học viên : Phạm Trọng Thắng Lớp CH16 - SG

6


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

2 = [L2]x2. [M.L-3]y2.[ L.T-1]z2.[L]
3 = [L2]x3. [M.L-3]y3.[ L.T-1]z3.[L3.T-1]
4 = [L2]x4. [M.L-3]y4.[ L.T-1]z4.[M.L-3]
5 = [L2]x5. [M.L-3]y5.[ L.T-1]z5.[L]
6 = [L2]x6. [M.L-3]y6.[ L.T-1]z6.[L]
7 = [L2]x7. [M.L-3]y7.[ L.T-1]z7.[L]
Khai triển phương trình (1.6) thành:
1 = L 2x1-3y1+z1+1. T -z1. M y1
2 = L 2x2-3y2+z2+1. T -z2. M y2
3 = L 2x3-3y3+z3+3. T -z3-1. M y3
4 = L 2x4-3y4+z4-3. T -z4. M y4+1
5 = L 2x5-3y5+z5+1. T -z5. M y5
6 = L 2x6-3y6+z6+1. T -z6. M y6
7 = L 2x7-3y7+z7+1. T -z7. M y7

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

(1.6)

(1.7)

7


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

8


Bộ môn Thủy công Bài tập môn học NCTNCT
H.W.r.u

Thay cỏc tr s m va tớnh c vo (1.7) ta cú:
1 = -1/2. 0.v0.hh = hh/1/2;
2 = -1/2. 0.v0.Ld = Ld/1/2;
3 = -1. 0.v-1. Q = Q/(.v);
4 = 0. -1.v0. n = n/;
5 = -1/2. 0.v0.db = db/1/2;
6 = -1/2. 0.v0.Lb = Lb /1/2;
7 = -1/2. 0.v0.B = B/1/2;

(1.8)

T phng trỡnh (1.2) ta cú c phng trỡnh chung nht ca sờri thớ nghim:
F(hh/1/2, Ld/1/2, Q/(.v), n/, db/1/2, Lb /, B/1/2) = 0
(1.9)
Nhn xột: Trong phng trỡnh chung nht ca sờri thớ nghim ch xột n kớch
thc cụng trỡnh, bn cht ca cht lng, cỏc yu t ca chuyn ng v nh hng ca
h lu n kh nng thỏo ca trn..
Phng trỡnh cha cp n cỏc yu t nh hng khỏc nh: hỡnh dng ngng,
hỡnh dng ca nhp, kớch thc ca nhp, chiu cao ngng, ct nc thng lu, gia tc
trng trng....
Khi nghiên cứu khả năng tháo của tràn zích zắc, ngỡng hình chữ
nhật cần cố định các yếu tố khác chủ yếu. Tập trung vào bề rộng
tràn B và loại ngỡng tràn vì đây là hai yếu tố ảnh hởng trực tiếp đến
khả năng tháo (Q).
II. CHN T L Mễ HèNH

1. Tiờu chun tng t.
+ Dũng chy qua tràn l dũng chy h chu tỏc dng ca lc trng trng l chớnh,
tiờu chun tng t chn l tiờu chun Froud v cn m bo mc ri nh nhau, h s
lc cn xờzi phi ng nht.
+ Nghiờn cu thớ nghim mụ hỡnh tràn thng nghiờn cu theo 2 giai on:
- Giai on nghiờn cu thớ nghim lũng cng nhm xỏc nh cỏc thụng s thy lc;
sau khi tin hnh sa i cỏc kớch thc hoc kt cu tiờu nng ca cụng trỡnh phự hp
vi yờu cu ca nhim v thit k thỡ mi chuyn sang giai on thớ nghim th 2.
- Giai on thớ nghim th 2 l giai on nghiờn cu thớ nghim mụ hỡnh lũng mm;
ch yu l ỏnh giỏ kh nng xúi l vựng sõn sau v lũng kờnh dn h lu.
Học viên : Phạm Trọng Thắng Lớp CH16 - SG

9


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

+ Để đảm bảo định lượng khi nghiên cứu cần chú ý:
- Fr = idem
(2.1)
- Re (mô hình)  Regh
(2.2)
- C = idem
(2.3)
+ Theo tiêu chuẩn Froud các tỷ lệ cơ bản được tính theo các công thức sau:
- Tỷ lệ về độ dài hình học :
L
- Tỷ lệ về lưu lượng
:
Q=L5/2
- Tỷ lệ vận tốc dòng chảy :
v=L1/2
- Tỷ lệ về thời gian
:
t=L1/2
Tỷ lệ về độ nhám
:
n=L1/6
2. Xác định phạm vi xây dựng mô hình.
a. Chiều cao cần thiết nghiên cứu:
Được xác định trên cơ sở cao trình mực nước lớn nhất thượng lưu; cao trình thấp
nhất nền hạ lưu; khoảng an toàn lưu không thượng và hạ lưu.
H = max - min + h
(2.4)
trong đó:
max - cao trình mực nước lớn nhất thượng lưu cần nghiên cứu
min - cao trình thấp nhất nền hạ lưu
h - khoảng chiều cao an toàn, để bố trí thoát nước tự do sau hạ lưu.
b. Chiều dài cần nghiên cứu:
Bằng tổng chiều dài các bộ phận công trình; chiều dài phần thượng lưu để bố trí
thiết bị giảm sóng tạo dòng chảy lặng vào cửa công trình và thêm một khoảng gia tăng ở
hạ lưu để bố trí thiết bị điều chỉnh mực nước và thoát nước hạ lưu:
L = Li + Ltl + Lhl
(2.5)
c. Chiều rộng cần nghiên cứu.
Là chiều rộng lớn nhất của công trình Bmax, tương ứng với cao trình mực nước lớn
nhất thượng lưu (theo mặt cắt ướt), tăng thêm một khoảng an toàn B và dùng để bố trí
lối đi lại phục vụ cho đo đạc:
B = Bmax + B
(2.6)
d. Các yêu cầu khi chọn tỷ lệ mô hình.
Khi chọn tỷ lệ mô hình cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
+ Đảm bảo tiêu chuẩn tương tự
+ Mô hình đủ diện tích để bố trí đầy đủ các bộ phận công trình đã tính toán và theo tỷ
lệ đã chọn.
+ Cần phải thỏa mãn các điều kiện giới hạn của tương tự cơ học:
- Cột nước tràn trên đỉnh ngưỡng h  50 mm.
- Lưu tốc dòng chảy v  0,23 m/s.
- Chiều cao dòng chảy trên mô hình h  15 mm.
Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

10


Bộ môn Thủy công Bài tập môn học NCTNCT
H.W.r.u

+ Cỏc thit b o c cú kh nng o c cỏc thụng s (nh v max, vmin, ...), kh
nng phũng thớ nghim cú th ỏp ng c v mt cp nc, trang thit b, cú kh
nng cung cp vt liu cho mụ hỡnh.
+ Chn t l mụ hỡnh nh nht cú th.
3. Tớnh toỏn thit k mụ hỡnh.
a. Tớnh toỏn s b mt s thụng s xỏc nh t l mụ hỡnh:
+ cú th tớnh toỏn t l mụ hỡnh nghiờn cu, ngoi thụng s ó cho cn phi xỏc
nh cỏc kớch thc khỏc: Chiu sõu b tiờu nng db, chiu di b Lb, chiu di dốc nớc
L2, chiu sõu h xúi ln nht Tx, lu lng ln nht, mc nc h lu...
+ Gi s khi tràn thỏo lu lng ln nht theo yờu cu Q max, mc nc thợng lu H0
(có tính cả lu tốc tới gần), tng ng sõu dũng chy trờn kờnh hạ lu hh độ dc
ỏy kờnh i, kờnh t cú nhỏm n, chiu rng ỏy kờnh b, mỏi kờnh m.
b. Tính Lu lợng thực tế:
Theo cụng thc thc nghim ca Tullis:
Q zz (2 / 3).C d .B z . 2 g H z3 / 2
3/ 2
t mz = (2/3).Cd nờn Q zz m z .B z . 2 g H z

Cd: hệ số lu lợng của đờng tràn thẳng có cùng hình dạng ngỡng:
Ct = 0,94.Cd ; Ct: hệ số lu lợng Tullis, theo kinh nghiệm: Ct = 0,56
0,6
Chọn Ct = 0,58 nên Cd = 0,617 và từ đó có mz = 0,411
Chọn số liệu của tràn thực tế nh sau:
+ Bề rộng qua nớc max Bz = 14 m
+ Cột nớc tràn Hz = 3,0 m
+ Lấy hệ số lu lợng mz = 0,411
Thay vào công thức tính Q ta có :
Q m z .B z . 2 g H z3 / 2 0,411.14. 2.9,81.(3)3 / 2 132,43 m3/s

Vậy ta c Qmax=132,43 m3/s.
c. Chiều dài công trình thực:
L = Li +Ltl+Lhl
+ Ltl : chiều dài phần công trình phía thợng lu (chủ yếu là sân
trớc phía thợng lu) lấy Ltl = 15 m.
+ Lhl : chiều dài phần công trình phía hạ lu (chủ yếu là sân sau
phía hạ lu) lấy Lhl = 30 m.
+ Li : Chiều dài đập, chiều dài dốc nớc, chiều dài hố xói
Lấy Lđập = 10 m
Chiều dài dốc nớc Ldốc = 40 m, = 11o

Học viên : Phạm Trọng Thắng Lớp CH16 - SG

11


Bộ môn Thủy công Bài tập môn học NCTNCT
H.W.r.u

Chiều dài bể tiêu năng Lb tính theo công thức Lb = 5(d + hh)
lấy theo sách " Nối tiếp và tiêu năng hạ lu công trình tháo nớc Tác giả GS.TS Phạm Ngọc Quý trang 27 " tính sơ bộ ta đợc Lb = 15
m
Vậy chiều dài công trình thực là L
L = Li +Ltl+Lhl = (10 + 50 +15) + 15 + 30 = 120 m
d. Chiều sâu bể db = 2 m
Tổng chiều cao công trình H = H0 + Ldốc.sin + d + h
(h độ cao an toàn = 0,5 m)
Vậy H = 3,0 + 50xsin11o + 2 + 0,5 = 15,04 m
4. Chn t l mụ hỡnh.
+ Chn t l mụ hỡnh theo kh nng cp ti a ca mỏy bm nc.
Theo tiờu chun Fr: Q=

Qt
= L5/2 L= (Qt/Qm)2/5 = (132,43/0,08)2/5 = 19,39
Qm

Chn L= 20.
5. Kim tra kớnh thc mụ hỡnh v cỏc iu kin gii hn:
- Chiu cao mụ hỡnh
: Hm= 15,04/20 = 0,752 m 0,75 m
- Chiu di mụ hỡnh
: Lm=120/20 = 6,0 m
- Chiu rng mụ hỡnh
: Bm=14/20 = 0,7 m
Vi phũng thớ nghim cú kớch thc BxL = 20x30 (m) hon ton cú th b trớ mụ hỡnh
thớ nghim.

6. Kim tra iu kin gii hn.
+ iu kin s Re:

Rem Regh

- Khi tin hnh thớ nghim theo iu kin gii hn cú th b qua sc cng mt
ngoi thỡ ct nc trờn nh trn h 0,05 m, tng ng ct nc thc t h = 3,0 m.
- Lu lng qua p trn nh rng ta tớnh c Q t = 132,43 m3/s, vn tc trờn nh
p trn vt = 3,15 m/s, tng ng trong mụ hỡnh cú Q m=

Q


t
5/ 2


L

132,43
=74,03 l/s v vm =
(20)5 / 2

14.Rm
vt
3,15
14.0,75

=
= 6062
1/ 2
1 / 2 = 0,704 m/s; Regh =
L
(20)
m. m
0,01. 0,03

Học viên : Phạm Trọng Thắng Lớp CH16 - SG

12


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

 Rem=

0,704.3,0
v m .h
=
= 2112000 > Rgh, với cấp lưu lượng lớn hơn trên mô hình
0,01.10 4


sẽ có Re lớn hơn, vậy điều kiện giới hạn về Re được đảm bảo.
+ Điều kiện về độ nhám, chọn vật liệu mô hình:
- Theo tiêu chuẩn Fr: n =

nt
=L1/6
nm

- Đối với ®Ëp, bể tiêu năng bằng bê tông có n = 0,014  nm =

nt
= 0,0085
1L/ 6

 Có thể chọn vật liệu làm mô hình là kính hữu cơ (n = 0,008).
- Đối với kênh dẫn, các bộ phận có n = 0,025, tương tự như trên ta tính được
0,015.

n m=

 Có thể chọn vật liệu là vữa xi măng cát vàng.

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

13


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

14


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

15


Bé m«n Thñy c«ng – Bµi tËp m«n häc NCTNCT
H.W.r.u

Tài liệu tham khảo
[1] - Thực nghiệm mô hình thủy lực, công trình thủy lợi
(Bài giảng cao học)

Phạm Ngọc Quý, Hà nội 1996

[2] - Mô hình toán và mô hình vật lý công trình thủy lợi
(Bài giảng cao học)

Phạm Ngọc Quý, Hà Nội 8/1998

[3] - Một số vấn đề tính toán thủy lực nối tiếp hạ lưu và xói sau công trình thủy lợi
(Bài giảng cao học)

Phạm Ngọc Quý, Hà Nội 1995

[4] - Xác định chiều sâu hố xói ổn định tại cuối sân gia cố cứng ở hạ lưu đập tràn
thấp

Phạm Ngọc Quý, Hà Nội 1994.

[5] – Thí nghiệm mô hình thủy lực công trình
Trần Quốc Thưởng, Hà Nội 2005.

Häc viªn : Ph¹m Träng Th¾ng – Líp CH16 - SG

16



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×