Bài giảng Thủy năng-Thủy điện - Chương 8: Đường ống áp lực và hiện tượng nước va

Nội dung text: Bài giảng Thủy năng-Thủy điện - Chương 8: Đường ống áp lực và hiện tượng nước va

1. 4/4/2013 TRƯỜNG THỦYĐẠI HỌC NĂNG BÁCH & THỦY KHOA ĐIỆN TPỒ CHÍ MINH THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: ĐườngKHOA ống KỸáp THUẬTlực & hiện XÂY tượng DỰNG nước va Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va BỘ MƠN KỸ THUẬT 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 & cơng trình tháo lũ. Chương 6 : Cơng 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: 1 Chương 9 : Nhà máy Thuỷ điện. 2 PGS. TS. Nguyễn Thống Tél. (08) 38 640 979 - 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 HIỆN TƯỢNG NƯỚC VA Đường ống áp lực là cơng trình nối giữa cuối đường dẫn nước đến nhà máy. 1. Tổng quát. Đường ống chịu áp lực nước bên trong 2. Hiện tượng nước va trong đường ống. - 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 cĩ 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 Đường ống áp lực kiểu (kiểu hở) NM ngầm. Đường ống áp lực kiểu hổn hợp (hở +ngầm). 5 6 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 1
2. 4/4/2013 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 Đường ống áp lực KÊNH XẢ Dống chính = 2,6m Dống nhánh = 1,6m 32 ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NỬA NGẦM7 8 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 CƠNG 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 CƠNG THI CƠNG ĐƯỜNG ỐNG ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC ÁP LỰC e=12mm 35mm 11 12 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 2
3. 4/4/2013 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 TƠNG 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 KHƠNG ỔN ĐỊNH DỊNG CHẢY dịng chảy trong ĐƠAL là cĩ áp QUÁ ĐỘ và ổn định. Xảy ra khi Đĩng (mở) van Khi NM thay đổi trạng thái đột ngột trên đường ống với tốc độ (tăng tải, cắt tải) dịng chảy nhanh thay đổi nhanh quá độ (transient). chĩng 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 đĩ mỗi đoạn dịng chảy (vi phân) trong ống chịu sự thay đổi áp suất và vận tốc khác Đĩng nhau theo từng thời điểm hiện van tượng truyền sĩng áp lực được gọi là « NƯỚC VA ». Xem đồ thị minh hoạ ở sau: 17 SỰ TRUYỀN SĨNG ÁP LỰC 18 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 3
4. 4/4/2013 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 khơng NÉN được) Mặt chuẩn α o G o A Kênh sau NM H : 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 Phương trình chuyển động theo phương X (lưu ý gLFsin : hình chiếu của trọng lượng chiều dương chọn), Newton 2: nước trong đường ống lên phương X. d(mV ) x F Giả thiết khơng cĩ ma sát giữa chất lỏng và dt  x (1) thành ống (xem là áp suất thủy tỉnh). m FL : khối lượng nước trong đoạn AB. HAB H Lsin F: tiết diện ống Thay vào p/t trên và thu gọn: : tổng ngoại lực theo phương X (trục ống). Fx dV L dV L dQ  LF gF HA HA dt g dt gF dt dV AAB ( 1 ) LF gF H H H Lsin Với V=Q/F và dQ biến đổi lưu lượng trong dt thời đoạn 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 - Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến tính với (dQ/dt). dQ CHÚ Ý: Trong trường hợp const dt - Nếu dQ/dt 0 nước va dương H A d c - Nếu dQ/dt > 0 mở van gF T s ΔHA < 0 nước va âm Gia số áp lực do nước va tại A tỷ lệ tuyến Qd: lưu lượng trước khi đĩng van; tính với chiều dài L từ B đến A. Qc: l/l sau khi đĩng van T : thời gian đĩng van từ Q Q L=0 ΔH=0 (tại B). s d c 23 24 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 4
5. 4/4/2013 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 đĩng khơng « NƯỚC VA ĐƯỜNG ỐNG CỨNG TUYỆT ĐỐI tuyến tính »: L Q Q D THAY ĐỔI H A k d c ΔHA gF Ts B ΔH(1) ΔH(2) Với k = 1,25 1,5 xem như hệ an tồn. Réservoir HA Nếu đĩng (mở) van tức thì (dQ/dt L ,F L3,F3 1 1 A L2,F2 A >>> 1) H !!! α o Mặt chuẩn o Kết quả khơng hợp lý này do từ các HA: cột nước tỉnh Kênh sau NM “giả thiết” ban đầu của bài tốn ! 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 khơng đổi: Bài tập: Một đường ống áp lực cĩ D=2,25m, Q Q L Gia số áp lực cho đoạn 1: H(1) d c . 1 chiều dài L=1000m, dẫn lưu lượng 3 gTs F1 Q=30m /s. Thời gian đĩng van là 10s Gia số áp lực cho đoạn 2: (tuyến tính k=1). L Q Q Q Q L L H(2) H(1) 2 d c d c 1 2 1. Tính gia số áp lực lớn nhất do nước va. 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. (3) Qd Qc L1 L2 L3 H gT F F F s 1 2 3 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; LQQ 1000*4 30 0 L2=600m, D2=2.0m. HA kdc 1 76.91m mzx gF T 9.81*3.14159*2.252 10 Tính gia số áp lực do nước va trong 2 đoạn s ống. 2. D=2.5m LQQ 1000*4 30 0 H A kdc 1 62.3m mzx gF T 9.81*3.14159*2.52 10 s Nhận xét: V giảm Giá trị nước va giảm 29 30 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 5
6. 4/4/2013 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: NƯỚC VA TRONG ĐƯỜNG ỐNG ĐÀN HỒI & (1) L1 Qd Qc 4*400 30 0 NƯỚC NÉN ĐƯỢC - ĐĨNG (MỞ) VAN H 2 30.76m gF1 Ts 9.81* *2.25 10 TỨC THÌ Đoạn 2: Xét trường hợp nước là NÉN L Q Q 4*600 30 0 H(2) H(1) 2 d c 30.76 89.16m 2 được ( thay đổi theo áp suất). gF2 Ts 9.81* *2 10 Bài tập: Lấy số liệu bài trước, đường ống Tiết diện  đường ống thay đổi gồm 2 đoạn: L1=500m, D1=3.5m; L2=250m, theo áp suất bên trong. 3 D2=3.0m. Lưu lượng 40m /s. Tính gia số áp lực do nước va trong mỗi đoạn. 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 Trong thực tế đường ống Khảo sát đoạn ống cuối đường ống dài Δl (bé): - Cĩ 1 van ở A (chọn làm gốc toạ độ). bằng thép hoặc bê tơng cốt - Đầu vào đường ống giả thiết là hồ chứa. thép biến dạng khi áp - V0 vận tốc trung bình trong ống. - Thực hiện đĩng van tức thì (T=0). suất thay đổi (mặc dù rất t=dt X n m bé) Δl a t=0 V0 A Đường ống đàn hồi. p0 V =0 0 p0+Δp n O m 33 a 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 Giải thích hiện tượng: l pV Sau Δt (s), chỉ cĩ đoạn chất lỏng giới hạn Từ đĩ: t 0 (1) bởi (a-a);(m-m) là dừng Gia tăng áp Bước thời gian kế, đoạn chất lỏng giới hạn suất Δp. bởi (m-m) và (n-n) sẽ dừng hiện tượng tiếp diễn sự truyền sĩng áp lực với tốc Trong khi đĩ nước bên trái (m-m) vẫn chảy độ a: “bình thường”. l a lim Phương trình chuyển động khối chất lỏng t 0 giới hạn bởi (a-a) và (m-m) theo trục ống: Do đĩ (1) p aV0 (2)  lV 0 0 p00 () p p t 350 36 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 6
7. 4/4/2013 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 Trong trường hợp van đĩng 1 phần: Khối lượng nước trong đoạn a-a;m-m gia tăng: do đĩ a m   l  l p a() V0 Vc H (V V ) g 0c Note: Δp= g ΔH (N/m2) m   l   a t Tính a (tốc độ truyền sĩng áp lực): Trong thời gian đĩ, khối lượng nước đi qua tiết Xét khi áp suất nước gia tăng một giá trị Δp: diện m-m để đi vào [a-a;m-m] là: Khi nước bị nén: m0 V0 t Tiết diện ống gia tăng: Luật bảo tồn khối lượng:    m0 m 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 Chú ý là khối lượng nước khơng Ta cĩ:   a t V0 t đổi (dù cĩ bị nén) : Từ đĩ: p p W c te V0 a a a   Vi phân tồn phần: 1   dW d dW Wd 0 W 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 Quy luật thể tích chất lỏng thay đổi Dùng định luật Hooke: theo áp suất (GT.Cơ học chất lỏng): F .L dp dW dp dW W L L dl K W K AE E 1 K :Module đàn hồi nước,  hệ Tính: Lực tác dụng  số co giãn thể tích theo áp  Module đàn hồi vật liệu suất. p K  41 Tiết diện 42 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 7
8. 4/4/2013 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 Lực kéo T sinh ra do áp suất p trên chu vi hình Bài tập: Xét ống trịn, sử dụng định luật tròn b/kính r: Hooke (1D), chứng minh quan hệ: dF (dF vi phân lực tác dụng lên r r p vi phân chu vi dl) T dFx pdl.cos p r eE r: bán kính ống trịn, p áp suất bên prcos .d trong ống, e chiều dày thành ống, E / 2 T module đàn hồi ống. 2T dFx pr cos .d 2pr 43 44 PGS. TS. Nguyễn Thống / 2 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 Xét ống trịn:  r Thay kết quả này vào phương trình xác định a:  r Ta cĩ:  2 rr 2 K  r r d đường kính trong a e chiều dày thành ống Với r biến dạng tương đối của bán kính r Kd 1* thép dưới tác dụng của gia áp suất p . Ee Luật Hooke: r r p d p  dp Note: nếu ống KHƠNG đàn hồi ( E ) r eE2 eE  eE Ta cĩ: K a K module đàn hồi nước Với e chiều dày thành, E hệ số đàn hồi ống 0 d đường kính ống. Đây là vận tốc truyền của sĩng âm trong nước. 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 Với K của nước ở nhiệt độ bình thường: Thay vào trên ta cĩ: a 0 92 a (m/s) Tốc độ a K 2.03*10 N / m K d Ta cĩ: a0 =1425 m/s. truyền sĩng áp lực. 1 . E e Một số vật liệu ống phổ biến: Chú ý: Tính giá trị Vật liệu Sắt Gang Gang đúc li Chì nước va trong đường ống đàn hồi: tâm a E/K 100 37 41 9 H (V V ) g 0 c 47 48 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 8
9. 4/4/2013 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 đường ống bê tơng cốt thép: HỆ SỐ ĐÀN HỒI K Vật liệu E(kG/cm2) Vật liệu E(kG/cm2) a K d Thép 2.1E+06 Cao su 20-60 1 . E e(1 9.5 ) Gang 1.0E+06 Nước 2.1E+04 f Bêtơng 2.1E+05 Dầu 1.35E+04 hệ số cốt thép vịng. f diện tích cốt e Gỗ 1.0E+05 thép trên 1m chu vi ống. Thơng 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 3. Lấy giá trị nước va câu 2. Khả ống cĩ đường kính 2,5m, dài 1km. năng chịu lực thép là 1. Giả thiết ống tuyệt đối cứng, tính giá trị [σ]=75kN/cm2. Lấy hệ số an tồn 2. nước va max tại cuối ống khi đĩng van trong 10’’ (nước khơng nén được). Lấy chiều dày dự phịng 2mm. 2. Giả thiết ống đàn hồi bằng thép dày 32mm. Tính lực dọc chu vi ống sinh ra do Nước là nén được. Hệ số đàn hồi nước gia số áp lực nước va kiểm tra K=2.109 N/m2. Tính nước va cuối ống khi khả năng chịu lực ống ? đĩng 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 PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA SƠ ĐỒ TÍNH TỔNG QUÁT X ΔHA H1 Đường ống đàn hồi. Hồ B 2 Nước nén được. dx 1 HA 2 Van đĩng dần dần. 1 A α Mất năng đường dài (ma sát o Mặt chuẩn o giữa dòng chảy và đường dẫn). HA: cột áp tỉnh Kênh sau NM A Mất năng cục bộ. ΔH : gia số áp lực tại A do nước va 53 54 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 9
10. 4/4/2013 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 Áp dụng phương trình lực khối nước trong Thay vào p/trình (1): (1-1) và (2-2) theo phương X: d(mV) V h x F (1) Fdx dt gF( dx dx.sin ) dt  x t x m= Fdx, Fx: ngoại lực V dV dt V (h z xsin ) t Fdx dt gF 0 dx Lực tác dụng lên khối nước: t x h gF dx z : cao độ van so mặt chuẩn. Lực bản thân phương X: x 0 z : cao độ mặt cắt khảo sát so mặt chuẩn. h+z +xsin =H gFdxsin 55 0 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 Từ đĩ: VH (2) Thay tất cả vào: g H a V  H a V dx 2 dt .dx . H a V tx t g x . t g x dt  t g x a dx Kết quả trước: H (V V ) a g 0c dt V g H . (3) H x a2 t Xét sự thay đổi áp suất trong dt: H dt t Hệ phương trình (2) và (3) biểu diễn hiện tượng Sự thay đổi vận tốc: V truyền sĩng nước va trong ống đàn hồi với 2 ẩn V dx số là H và V. x 57 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 LỜI GiẢI HÊ PT. PHI TUYẾN (2) VÀ (3) Từ (3)  V g dH H dx (5) 2 1. PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG: x a dt x dt Với V=V(x,t) và H=H(x,t) ta cĩ: Hệ (4) & (5) cho: 2 dV 1 dx H g dx dH dV V dx V g 1 . . dH H dx H 22 (6) dt  x dt t và dt a dt x a dt dt dt x dt t Phương pháp đường đặc trưng biến (6) Hệ p/t (2) và (3) trở thành: thành p/t bậc 1 bằng cách xem t/hợp: dV V dx H 2 g 1 dx dx (2) (4) (7) 1 0 a dt x dt t 59 2 60 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống a dt dt 10
11. 4/4/2013 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 giải pt. [6] trong điều kiện: (7) Cho phép xác định các đường đặc 2 1 dx trưng. 1 0 2 T a dt X=-at+k2 Phương trình [6] trở thành: dV g dH t+2 X=at+k t+ 1 dt a dt Đây là phương trình vi phân bậc 1, tách biến t 0 X được và giải dễ dàng khi kết hợp với các điều A L B HỆ ĐƯỜNG ĐẶC TRƯNG kiện biên của V và H ở hai đầu đường ống. 61 62 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 Trên đường đặc trưng, p/trình (6) trở thành: Tích phân p/t (7) dọc theo đường x =-at+k1 trong aa (7) g/hạn t tại B t+ tại A: dH dV dQ BABA a (9) g gF HHQQt t  t t Tích phân p/t trên theo đường đặc trưng gF Tương tự cho tất cả các thời đoạn khác: t+ x =at+k1 với giới hạn t tại A t+ tại B: t+2; t+2 t+3; ta cĩ: ABAB a (8) HHQQt t  t t ABABa gF HHQQn (n 1)  n  (n 1)  gF  thời gian để sĩng nước va đi từ đầu a ống này sang đầu ống kia (A B). BABA HHQQn (n 1)  n  (n 1)  63 gF 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 Dùng các đ/kiện biên và ban đầu, ta cĩ thể Ví dụ: Dạng tổng quát giá trị nước va tại A. giải hệ p/trình để xác định giá trị nước va tại A. 900 800 Cột nước cuối ống áp Exemple: Giả thiết hồ chứa lớn (mực nước 700 lực có kể nước va B 600 khơng đổi khi cĩ nước va) Ht =H0= hằng số tại B. Giả thiết lưu lượng qua A biết (m) H 500 400 Hmax (m) theo thời gian. Giá trị nước va tại A 300 thường cĩ dạng tổng quát sau: 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 T (s) Tf 65 66 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 11
12. 4/4/2013 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 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH 1 NƯỚC VA 2 TỔNG QUÁT 1 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): Ta cĩ thể sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình đạo hàm riêng bậc cao phi tuyến biểu thị hiện tượng bước va: Phương trình chuyển động:  V 1 p fV V (10) g sin 0 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: Hệ phương trình (10) và (11) cho p  V (11) a 2 0 phép xác định 2 ẩn số V và p theo t x K / t, x biến độc lập. a 2 thời gian. K D a tốc độ truyền sĩng nước va 1 Sử dụng pp. Sai phân hửu hạn E e V vận tốc trung bình. Sử dụng pp. Phần tử hửu hạn p áp suất tại tâm mặt cắt. D đường kính ống. Sử dụng pp. Đường đặc trưng 71 72 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 12
13. 4/4/2013 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 800 thay đổi từ 2,5m 3,0m. Chiều dày Cuối ống 40mm 20mm. Lưu lượng max 39m3/s, cĩ 700 2 tuabin. Ma sat giữa nước và thành cĩ 600 T O) 2 f=0,025. Thời gian đĩng van 8’’. 500 t p p (mH Lời giải bằng phương pháp sai phân tham 400 khảo như sau: 300 200 Giữa ống 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) NƯỚC VA DƯƠNG 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 600 Cuối ống DỰ ÁN 500 O) 2 400 THƯỢNG Giữa ống p (mHp 300 KONTUM 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) 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 1000 1300 p(mH2O) Cột nước áp suất tỉnh p(mH2O) Cột nước áp suất tỉnh 1200 950 1100 900 1000 900 850 800 800 700 750 NƯỚC VA DƯƠNGT (s) NƯỚC VA ÂM 600 T (s) 700 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 77 78 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 13
14. 4/4/2013 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 TÍNH TỐN Định nghĩa: • T t : nước va gián tiếp. NƯỚC VA f T thời gian đĩng (mở) van (4’’-12’’). t =2L/a: thời gian truyền sĩng nước va trên THEO QUY PHẠM f đoạn đường 2L. VIỆT NAM L: chiều dài ống áp lực. a: tốc độ truyền sĩng nước va 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 a: vận tốc truyền sĩng 1425 V0: vận tốc TB dịng chảy trước khi a đĩng van. K d 1 * Vc: vận tốc TB dịng chảy sau khi đĩng NƯỚC VA TRỰC TIẾP E e van Giá trị nước va max: HV: áp lực max (mH2O) do nước va + cột áp tỉnh. H Hv H 0 a(V 0 V c )/ g H0: cột áp tỉnh. H a(V V ) Định nghĩa hệ số:  0c H gH 81 82 PGS. TS. Nguyễn Thống 00 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 DƯƠNG GIÁN TIẾP 800 Giá trị max Gọi t thời điểm nước va dương 700 max xảy ra: 600 T O) 2 500 Nếu t t : nước va pha cuối. f 300 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) NƯỚC VA DƯƠNG 83 84 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 14
15. 4/4/2013 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 Cĩ 2 trường hợp: - T/h 1: 1 nước va gián tiếp pha cuối. Chú ý * Nếu ζ>=50% theo Allievi:  Sau khi cĩ  ta tính giá trị    2 4 2 gia tăng áp suất do nước * Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden: va:  1.1 H .H0 * Nếu ζ tf): tốc TB dịng chảy trong ống (   2 4) V=6m/s. Giả thiết a=1100m/s, thời  2 gian đĩng van 7’’. Tính giá trị • Tính gần đúng khi ζ<50%: 2  nước va dương theo QPVN. 2  CHÚ Ý: Giá trị nước va cịn phụ thuộc vào loại tuabin (francise), thiết bị và quy trình đĩng mở van. 89 90 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống 15
16. 4/4/2013 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 Bài giải: at 1100*7 tỉnh H0=200m. Vận tốc trung bình trong ống aV  4.53 6,5m/s. Giả thiết a=1200m/s, thời gian đĩng 2L 2*850 1.14 0 van 8’’. 2gH0 a. Nước va gián tiếp hay trực tiếp? 1.14 2  0.25  0.28 b. Tính giá trị nước va theo Quy phạm VN.  4.53 2  c. Đường ống thép cĩ d=2m, [σ] =20kN/cm2. Tính ( > 1 nước va gián tiếp pha đầu) chiều dày thành ống để chịu được giá trị cột Giá trị nước va lớn nhất cuối ống: nước HV với hệ số an tồn là 2. (Xem ơn ở sau, tính lực dọc CV ống trịn cĩ áp H H0 0.28*294 82.3m suất đều p tác dụng) 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: Giống câu hỏi bài Ơn: Xác định lực dọc T theo chu vi ống trịn bán kính R khi chịu áp suất p phân bố đều tập trước với H0=250m, bên trong: A L=750m,V=7m/s, T=f(p,R) A a=1000m/s & t=8’’. p R 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 Bài tập: Hãy dùng phương pháp sai Phương trình liên tục: phân hiện (xem giải thích sau), lập K / phương trình sai phân và sơ đồ khối p 2  V a 2 a 0 K D để giải bài tốn nước va được biểu t x 1 E e diễn bởi hệ phương trình sau (V và H là t, x biến độc lập. lời giải cần tìm, ống chia thành 2 đoạn V vận tốc trung bình. như nhau). Phương trình lực: p áp suất tại tâm mặt cắt. V 1 p fV V D đường kính ống. g sin 95 0 96 PGS. TS. Nguyễn Thống t x 2D PGS. TS. Nguyễn Thống 16
17. 4/4/2013 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 HƯỚNG DẪN PP. SAI PHÂN CƠ BẢN Sơ đồ sai phân hiện: f t f t f i 1 i t 1 t 2 f fi fi Sơ đồ sai theo thời gian: t t f là hàm cần sai phân. t 1 giá trị hàm f tại nút i ở thời điểm mới fi t giá trị hàm f tại nút i+1 ở thời điểm cũ fi 1 Sai phân tiến f f t f t i 1 i theo khơng gian: x x 97 98 PGS. TS. Nguyễn Thống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va HẾT 99 PGS. TS. Nguyễn Thống 17