Hiện tượng va đập thủy lực

HIỆN TƯỢNG VA ĐẬP THỦY LỰC
Môn Cơ học chất lưu

1


NỘI DUNG
I. KHÁI NIỆM
II. XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH
III.BIỆN PHÁP PHỊNG TRÁNH

2


Va đập thủy lực

I.

KHÁI NIỆM

Định nghĩa : Khi thay đổi lưu lượng đột ngột , sẽ xuất hiện sự thay đổi áp suất rất lớn trong
đường ống ; có thể đe dọa thậm chí đến cả an tồn của cả hệ thống thiết bị . Những hiện
tượng như thế gọi là va đập thủy lực hay va đập nước
*

3


4

II. XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH

Chất lưu nén là chất lưu có khối lượng riêng thay đổi
Vận tốc âm thanh là vận tốc lan truyền sóng âm thanh trong một mơi trường truyền âm. Nó thay đổi tuỳ thuộc vào mơi trường truyền âm và các điều kiện của mơi
trường đó như nhiệt độ,.v.v.
 Trong vật lý, chúng ta đã biết rằng, tốc độ âm thanh phụ thuộc vào độ nén của chất lưu theo biểu thức tổng quát: (1) (xem chứng minh ở phần 3.4)
p là áp suất riêng,
là mật độ (khối lượng riêng),
.
Modul thể tích là một độ đo thay đổi thể tích tương đối của 1 chất lưu hoặc chất do thay đổi áp suất
, đại diện cho hệ số nén thể tích
Như vậy, để thể tích của chất lưu thay đổi 100% (tức là , chúng ta có thể viết:
(2)
 

5


 Phương trình chuyển động cho dịng khơng ổn định của chất lưu nén qua một ống đàn hồi đặt nằm
ngang

c

Phương trình cân bằng phân tố chất lưu nằm giữa 2 tiết diện 1 – 2, có diện tích A và độ dày dx là:

 Do tốc độ (phụ thuộc khoảng cách và thời gian). Nên ta có thể viết:



(5)

Ta có :

Thay (5)-> (4)



(6)

Phương trình chuyển động cho
dịng khơng ổn định của chất lưu
nén qua 1 ống đàn hồi nằm ngang

6


 

Đối với phương trình liên tục, ở đây có thể viết trong dạng tổng quát:

 

Bỏ qua sự thay đổi khối lượng riêng cũng như sự thay đổi tiết diện A theo khoảng cách x,
ta nhận được:

-

Hay (7)



Hay (8)

-

Các biểu thức trên cho thấy, gia số giữa khối lượng chảy vào tiết diện 1 và chảy ra khỏi tiết diện 2 sau một

Mà

thời gian dt làm xuất hiện sự thay đổi khối lượng chứa trong thể tích Adx.


7


 

Cả 2 phương trình (6) và (10) đều định nghĩa sự tồn tại của chất lưu nén trong ống đàn hồi.



Thay vào (8)
(9)
Giá trị thay đổi toàn phần của áp suất dp được viết dưới dạng:
hay
Cuối cùng, ta có biểu thức

 Nếu kết hợp phương trình thay đổi trạng thái và phương trình có kể đến thay đổi tiết diện ống
theo thay đổi áp suất , chúng ta có thể xác định được tốc độ, áp suất ở mỗi tiết diện và ở mọi

(10)

thời điểm
và

Phương trình chuyển động cho
dịng khơng ổn định của chất lưu
nén qua 1 ống đàn hồi nằm ngang

8


 Chúng ta có thể đặt tồn bộ biểu thức trong ngoặc đơn thứ nhất của phương trình (10) là hằng số K. Về đặc tính của đại lượng này chúng ta có thể hình dung được khi xem xét ý nghĩa của biểu thức ; giá trị tỷ số bằng
bình phương của tốc độ âm thanh

Còn liên quan đến sự thay đổi tiết diện ống chúng ta có thể coi là giá trị hiệu chỉnh tốc độ lan truyền chấn động áp suất (nhiễu áp suất) trong ống đàn hồi. Nếu chúng ta ký hiệu nó là tốc độ sóng va đập thì:

(10)
có thể thay gần đúng bằng giá trị trung bình của khối lượng riêng chất lưu trong phạm vi cột chất lưu được khảo sát.

9


 Như vậy (11)

M ; Như vậy:
chúng ta tính tốn cho ống có đường kính d và chiều dày s như sau:
Ứng suất trong vách sinh ra do tăng áp suất sẽ là: (12)
ở chu vi , theo định luật Hook chúng ta có : (13)
E : modul đàn hồi vật liệu sản xuất ống
độ giãn tương đối

-

Độ tăng toàn bộ của đường kính có độ giãn tương đối giống như độ giãn tương đối của chu vi:

10


 Nên có thể viết:
Sự thay đổi tiết diện:
Từ đó, ta có và

Như vậy, tốc độ sóng va đập có thể viết:

11


 

c
A

 
x

• Xét trường hợp đóng van tức thì và có xảy ra hiện tượng nén
• Giả sử áp suất được nâng lên theo tỷ lệ thuận , ta có đẳng thức :
•m
Ax
• Hay

 

• Suy ra

=-

12


 Lại có :

= =

và C = -

Ta được
=c=
Trong đó :

Giá trị áp suất tăng
: khối lượng riêng
: tốc độ của dòng chảy lúc đầu
: vận tốc âm thanh trong chất lưu

Đối với trường hợp va đập tồn phần có xảy ra hiện tượng biến dạng ống

=

: tốc độ va đập sóng

13


TỔNG KẾT

•
 

Phương trình chuyển động cho dịng khơng ổn định của chất lưu nén qua 1 ống đàn hồi nằm ngang

Áp suất trong trường hợp đóng van tức thời :
 

•
•
•

Ống không dãn : = c =
Ống dãn : =
Tốc độ truyền áp lực :

14


III.Biện pháp
1. Long va đâp

•

Va đập thủy lực là hiện tượng áp suất đột ngột thay đổi
tăng hoặc giảm khi vận tốc dịng chảy thay đổi đột ngột.

•
•
•
•
•

Hiện tượng va đập thủy lực chia làm 2 loại:
Va đập thủy lực dương là hiện tượng áp suất tăng đột ngột.
Va đập thủy lực âm là hiện tượng áp suất giảm đột ngột.
Hậu quả của việc va đập thủy lực.
Làm vỡ ống, hỏng khóa, hư hỏng các thiết bị lắp trên
đường ống, nhất là khi dịng chảy có cột áp cao.

•

Gây hiện tượng mạch động áp suất làm chấn động mạnh,
gây mất ổn định trong hệ thống truyền thủy lực.

•→ Khắc phục để chống lại hiện tượng này ta cần có van
chống va đập thủy lực

15


Biện pháp hạn chế va đập thủy lực
 

1) Giảm vận tốc chất lưu. Để làm giảm nguy cơ búa nước xảy ra, các biểu đồ kích thước đường ống cho
một số ứng dụng đã khuyến nghị vận tốc dòng chảy bằng hoặc thấp hơn 1,5 m/s
=

2) Nên đóng van càng chậm càng tốt. Van cấp nước vệ sinh thường được thiết kế là loại van n tĩnh, vì
thể chỉ có thể đóng van một cách chậm rãi.

3 ) Sử dụng đường ống có khả năng chịu áp cao (nhưng giá thành sẽ đắt).

16


4 ) Lắp đặt van giảm áp trên đường ống đẩy, ngay sát bơm. Khi áp suất trong đường ống tăng có nguy cơ xảy ra nước va, áp lực nước trong đường
ống vượt giới hạn cho phép, lúc này van giảm áp tự động mở xả bớt nước ra ngoài nên áp suất trong đường ống sẽ giảm xuống.

17


5 ) Giảm độ dài của ống thẳng, nghĩa là thêm ống nối gấp khúc, đoạn ống nối uốn chữ U hay uốn cong. Búa nước có liên quan đến tốc độ của âm
thanh trong chất lưu, và ống nối gấp khúc làm giảm ảnh hưởng của sóng áp suất.

18


2. Lỏng lẫn hơi va đập
Khi hơi nước đi trên bề mặt chất lỏng cộng với việc hơi nước ở áp suất cao nó tạo ra các gợn sóng, các gợn sóng có thể lấp đầy tồn bộ tiết diện ống. Dưới áp lực của hơi nước sẽ
khiến cho những dòng nước này di chuyển với tốc độ lớn va đập vào các khớp nối. Từ đó tạo ra những tiếng động lớn như búa đập và kéo căng đường ống. Kết quả gây ra vỡ đường
ống nếu đường ống này bị kéo căng một thời gian dài.

→ Biện pháp khắc phục sử dụng bẫy hơi

19


Bẫy Hơi
Bẫy hơi có nhiệm vụ tách nước ra khỏi hơi nước. Mục đích cuối cùng của bẩy hơi là cho phép nước thoát ra nhưng vẫn giữ lại được hơi trong hệ thống

Bẫy hơi kiểu nhiệt động – bẫy hơi đờng tiền

Bẫy hơi bóng phao kiểu van phao (Bẫy hơi dạng cơ )

20


Chu trình quá lạnh quá
nhiệt

•
•

Sử dụng van tiết lưu nhiệt để
điều chỉnh sự quá nhiệt hơi hút
Do tổn thất lạnh trên đường
bay hơi về máy nén . Thực tế
nhà sản xuất khuyến khích
chiều dài ống dẫn từ dàn bay
hơi đến dàn ngưng dài ít nhất
3m. Mục đích là để mơi chất sẽ
nhận thêm nhiệt thành hơi quá
nhiệt

21


Chu trình Hơi nhiệt

•

Hơi mơi chất sau khi qua TBBH trao đổi
nhiệt nhiệt với lỏng cao áp thông qua TB
trao đổi nhiệt. Hơi môi chất sau khi nhận
nhiệt sẽ là hơi quá nhiệt

22


Va đâp thuy lưc trong
Tuabin hơi

•

Trong chu trình nhà máy nhiệt
điện sẽ có bộ quá nhiệt là các
trùm ống hơi đi trong ống, khói
nóng sau khi ra khỏi lị cịn nhiệt
độ cao tiếp tục gia nhiệt ngoài
trùm ống cho hơi trong ống

23

THANK YOU !

24