Giáo trình thủy lực công trình - Chương 5 pot

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.1 Khái niệm chung
Trên thành bình chứa chất lỏng có khoét một lỗ, dòng
chất lỏng chảy qua lỗ gọi là dòng chảy ra khỏi lỗ
Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi
Vòi là một ống ngắn dính liền với thành bình chứa, dòng
chất lỏng chảy qua vòi gọi là dòng chảy ra khỏi vòi

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
H: cột nước tính từ trọng tâm của lỗ
e: độ cao của lỗ
δ : độ dày của thành lỗ
H
e
δ
Lỗ nhỏ:
10
H
e <
Lỗ to:
10
H
e ≥
H
e
δ
Lỗ thành mỏng: lỗ có cạnh sắc và độ dày
thành lỗ không ảnh hưởng đến hình
dạng dòng chảy ra khỏi lỗ
Lỗ thành dày:

( )
e43 ÷>
δ
Chảy tự do: dòng chảy ra khỏi lỗ tiếp xúc
hoàn toàn với không khí
Chảy ngập: dòng chảy ra khỏi lỗ ngập dưới mặt chất lỏng
Chảy nửa ngập: mặt chất lỏng ngoài lỗ nằm trongphạm vi độ
cao lỗ

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.2 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ nhỏ thành mỏng
H
H=const → dòng chảy ra khỏi lỗ là
dòng ổn định
Tại mặt lỗ các đường dòng không
song song, nhưng cách lỗ một đoạn
nhỏ các đường dòng song song với
nhau, mặt cắt ướt co hẹp lại → mặt
cắt co hẹp
Vị trí của nó phụ thuộc hình dạng lỗ. VD: với lỗ tròn → cách lỗ nửa đường kính
lỗ
Tại mặt cắt co hẹp dòng chảy là đổi dần, sau đó dòng chảy hơi mở rộng và rơi
xuống dưới tác dụng của trọng lực
Áp dụng định luật Béc-nui-y:
11
2
2
w
cc
h

g
v
g
v
H ++=+
2
0
2
22
01
αα
g
v
h
c
w
2
2
ζ
=
( )
g
v
H
c
c
2
2
0
ζα

+=
00
22
1
gHgHv
c
c
ϕ
ζα
=
+
=
ϕ
: hệ số lưu tốc lỗ
(5.1)

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.2 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ nhỏ thành mỏng
0
2gHvQ
ccc
ϕωω
==
ω
c
: diện tích của mặt cắt co hẹp
ω
ω
ε
c

=
00
22 gHgHQ
µωϕεω
==
µ
: hệ số lưu lượng của lỗ
Với lỗ nhỏ thì
µ
phụ thuộc hình dạng lỗ, ít có quan hệ với cột nước H
(5.2)
Các loại co hẹp của dòng chảy ra khỏi lỗ:
1
2
3
4
Lỗ co hẹp toàn bộ: khi trên chu vi lỗ đều có co hẹp
Lỗ co hẹp không toàn bộ: khi có một phần nào đó trên chu vi
lỗ không co hẹp








+=
χ
µµ

p
c
4,01
Pavơlốpxki:
Lỗ co hẹp hoàn thiện: khi lỗ ở xa thành bình, xa m/c tự do →
dòng chảy co hẹp về mọi hướng
(Đọc SGK tr. 199-201 về
điều kiện co hẹp hoàn thiện
và hình dạng d/c tự do)
(5.3)

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.3 Dòng chảy tự do, ổn định qua lỗ to thành mỏng
H
1
H
2
H
e dh
0
2gHQ
µω
=
(5.4)
µ
: hệ số lưu lượng của lỗ to (tra bảng)

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.4 Dòng chảy ngập, ổn định qua lỗ thành mỏng
e

0
2gHQ
µω
=
(5.5)
0
v
1
h
H
H
0
g
v
2
2
0
α
2
h
Cột nước tác dụng bằng độ chênh mực
nước ở thượng và hạ lưu → không phân
biệt lỗ to và lỗ nhỏ
Công thức lưu lượng khi dòng chảy tự do và chảy ngập là giống nhau → khác nhau
chủ yếu là giá trị H

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.5 Dòng chảy nửa ngập, ổn định qua lỗ to thành mỏng
1
H

H
n
h
2
H
Chia thành 2 bộ phận tính theo chảy tự
do và chảy ngập → Q = Q
1
+ Q
2
Pavơlốpxki:
(5.6)
0
2gHQ
σµω
=
Bµi tËp 29: §äc bµi 5.6 SGK tr. 207-211, tr×nh bµy l¹i trªn giÊy

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.7 Dòng chảy qua vòi
Vòi là đoạn ống ngắn, gắn vào lỗ thành mỏng, có độ dài khoảng vài lần đường kính lỗ
→ chất lỏng chảy qua vòi thường sinh ra co hẹp ở chỗ vào vòi, sau đó mở rộng ra và
chảy đầy vòi.
Khoảng không gian giữa mặt ngoài dòng chảy tại chỗ co hẹp và thành vòi là khu nước
xoáy, áp lực nhỏ hơn áp lực không khí nên ở đó hình thành áp suất chân không. Trị số
chân không phụ thuộc vào cột nước tác dụng vào vòi, và do có chân không nên lưu
lượng vòi thường lớn hơn lưu lượng của lỗ (khi c/lỏng chảy đầy vòi)
H
p
a

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.7 Dòng chảy qua vòi
Phân loại vòi:
Vòi hình trụ tròn
Vòi hình nón
Vòi hình đường dòng

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.7 Dòng chảy qua vòi
Vòi hình trụ tròn gắn ngoài (vòi Ven-tu-ri)
H
p
a
1 1
2
2
c
c
p
a
w
aa
h
g
vp
g
vp
H ++=++
22

2
2
2
0
α
γ
α
γ
v
v
c
l
w
h
g
v
H +=
2
2
2
0
α
Tổn thất năng lượng: m/c co hẹp đột ngột + mở rộng đột ngột + tổn thất dọc đường
g
v
d
l
g
v
g

v
h
c
w
222
22
2
2
1
λζζ
++=
Hệ số sức cản do mở rộng đột ngột:
2
2
2
1
1






−
=









−=
ε
ε
ω
ω
ζ
c
ε
ωω
v
vvv
ccc
=→=
g
v
d
l
h
w
2
1
2
2
2
1









+






−
+=
λ
ε
ε
ε
ζ
g
v
d
l
H
2
1
2
2
2

1
20








+






−
++=
λ
ε
ε
ε
ζ
α
(5.7)

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.7 Dòng chảy qua vòi
Nếu lấy

α
2
=1 và đặt
d
l
λ
ε
ζ
α
ϕ
++
=
2
1
2
1
(5.7)
00
2
1
2
22
1
gHgH
d
l
v
ϕ
λ
ε

ζ
α
=
++
=
00
22 gHgHvQ
µωϕωω
===
Ở đây do khi chảy ra khỏi vòi thì không còn hiện tượng co hẹp, vì thế hệ số lưu tốc
ϕ

và hệ số lưu lượng
µ
của vòi là bằng nhau
(5.8)
(5.9)
Khi l tăng thì
µ
giảm, nhưng nếu l giảm quá nhỏ thì vòi trở thành lỗ
µ
cũng giảm
µ
lớn nhất khi
( )
dl 43 ÷=

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.7 Dòng chảy qua vòi
Tính trị số áp suất chân không:

H
p
a
1 1
2
2
c
c
p
a
v
v
c
l
w
ccca
h
g
vp
g
vp
H
′
++=++
22
22
0
α
γ
α

γ
g
v
h
c
w
2
2
1
ζ
=
′
g
v
HH
2
2
0
0
α
+=
0
2
2
1
2
2
1
H
g

vpp
ca
−






+=
−
ε
ζ
εγ
c
vv
ε
=
Từ (5.8)
0
2
2
2
H
g
v
ϕ
=
( )
0

2
1
11 H
pp
h
ca
ck








−






+=
−
=
ε
ϕ
ζ
γ
Theo tài liệu về chảy qua lỗ:

82.0
64.0
06.0
1
==
=
=
ϕµ
ε
ζ
0
75.0 Hh
ck
=
(5.10)
( ) ( )
ckckc
hHghHgv +=+
+
=
0lô0
1
22
1
1
ϕ
ζ
( )
ckcc
hHgvQ +==

0lô
2
ωµω
Trị số áp lực chân không giới hạn là 7m
m
h
H
ckgh
gh
9
75.0
0
==

Chương 5: Dòng chảy ra khỏi lỗ và vòi – Dòng tia
5.7 Dòng chảy qua vòi
Hai điều kiện đầy đủ để cho vòi hình trụ tròn gắn ngoài có thể làm việc được ổn định
và bình thường là:
( )
dl 43 ÷=
mh
ck
7≤
hoặc
mH 9
0
≤
Bài tập 30: Để thoát nước qua một cái đập, người ta đặt một ống ngắn hình trụ tròn
có đường kính d=1m, dài l=4m, tâm ống cách mặt nước thượng lưu 3m, tính lưu
lượng qua ống

Vì l=4d nên có thể coi ống là vòi hình trụ gắn ngoài, hệ số lưu lượng của vòi là 0.82.
( )
smgHQ
32
0
35.438.921
4
82.02 =×××××==
π
µω
Bài tập 31: Đọc SGK Tập I, tr. 216-217 về các loại vòi khác
Bài tập 32: Đọc SGK Tập I, tr. 217-224 về Dòng tia và trình bày lại trên giấy.

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
6.1 Dòng chảy ổn định trong ống có áp
Ta nghiên cứu d/c trong ống thỏa mãn các điều kiện: chảy ổn định, có áp, chảy rối,
chảy đều.
Các loại phương trình thường dùng:
1. PT Béc-nui-y
2. PT liên tục
3. PT xác định tổn thất cột nước (Đác-xy, Sedi, hệ số tổn thất cục bộ)
D/c rối ở đây chủ yếu là ở khu sức cản bình phương
Các loại ống: Ống dài và ống ngắn
Ống dài là ống trong đó tổn thất cột nước dọc đường là chủ yếu, tổn thất cục bộ
và cột nước lưu tốc so với tổn thất dọc đường có thể bỏ qua
Ống ngắn là ống trong đó các loại tổn thất có tầm quan trọng như nhau
Thông thường khi tổn thất cục bộ nhỏ hơn 5% tổn thất dọc đường → ống dài
và ngược lại >5% → ống ngắn

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp

6.1 Dòng chảy ổn định trong ống có áp
Công thức tính toán đối với ống dài:
Jlhh
dw
=≈
JKRJCQRJCv ==→=
ω
K: đặc tính lưu lượng hoặc môđun lưu lượng
(6.1)
K phụ thuộc đường kính d và hệ số nhám của ống:
( )
ndfRCK ,==
ω
2
2
K
Q
J =
l
K
Q
h
d
2
2
=
K tra theo bảng tra có sẵn
(6.2)
Đây là công thức tính cho khu sức cản bình phương, còn với khu trước sức cản bình
phương thường sử dụng hệ số hiệu chỉnh:

scbp
KK
1
θ
=
JKQ
scbp1
θ
=
l
K
Q
l
K
Q
l
K
Q
h
scbpscbp
d
2
2
2
2
2
2
1
2
2

1
θ
θ
===
2
1
2
1
θ
θ
=
Các trị số hiệu chỉnh này có thể tra theo bảng tra có sẵn (bảng 6-1 trang 228, sách
Thủy lực tập 1)

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
6.1 Dòng chảy ổn định trong ống có áp
Công thức tính toán đối với ống dài:
Bài tập 33: Xác định lưu lượng qua ống dài 1000m, đường kính 0,2m biết độ chênh
cột nước ở 2 đầu ống là H=5m.
005.0
1000
5
===
l
H
J
Tra bảng để có giá trị mô đun lưu lượng cho khu sức cản bình phương (phụ lục 6.1 trang
372) với d=200mm và loại ống thường:
( )
sK l 1,241=

( )
sl 12,24005,01,341 === JKQ
scbpscbp
( )
sm77,0
1,014,3
1012,24
2
3
=
⋅
⋅
==
−
ω
scbp
Q
v
Tra bảng 6-1, hệ số hiệu chỉnh
96,0
1
=
θ
( )
sl 16,2312,2496,0
1
=⋅==
scbp
QQ
θ

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
6.1 Dòng chảy ổn định trong ống có áp
Công thức tính toán đối với ống dài:
Bài tập 34: Cho lưu lượng qua ống dài 1000m, đường kính 0,2m là 70l/s, hãy tính độ
chênh cột nước H ở 2 đầu ống.
Công thức tính toán đối với ống ngắn:
Khi tính cho ống ngắn, tổn thất cột nước bao gồm cả tổn thất dọc đường và tổn
thất cục bộ.
Tổn thất dọc đường tính bằng công thức Đác-xy:
g
v
d
l
h
d
2
2
λ
=
Tổn thất cục bộ tính bằng công thức Véc-bát-sơ:
g
v
h
cc
2
2
ζ
=
Bài tập 35: Đọc thêm mục 6-2 và 6-3 trong sách Thủy lực tập 1, tr. 229-249

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
6.2 Dòng không ổn định trong ống có áp
Đặc điểm của dòng không ổn định là các yếu tố thủy lực tại một điểm hoặc là các yếu
tố trung bình mặt cắt tại một vị trí luôn thay đổi theo thời gian.
Đặc biệt hơn trong ống có áp thì diện tích mặt cắt không biến đổi theo thời gian, nếu
là ống hình trụ thì diện tích mặt cắt cũng không biến đổi dọc theo dòng chảy.
Phương trình liên tục của dòng không ổn định chất lỏng không nén được
0=
∂
∂
+
∂
∂
tl
Q
ω
0=
∂
∂
l
Q
( )
tQQ =
Lưu lượng qua ống chỉ phụ thuộc thời gian. Tại một thời điểm, lưu lượng qua các mặt
cắt đều bằng nhau.
Phương trình cơ bản của dòng không ổn định trong ống có áp
(6.3)
iw
hh

g
vp
z
g
vp
z ++++=++
22
2
22
2
2
11
1
α
γ
α
γ
∫
∂
∂
=
2
1
0
l
l
i
dl
t
v

g
h
α
cột nước quán tính
(6.4)
Bài tập 36: Trình bày cách thành lập phương trình (6.4) và các chú ý khi áp dụng nó.

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
6.3 Hiện tượng nước va
Khi một đường ống đang làm việc bình thường với một lưu lượng chảy qua ống, nếu
đầu cuối của đường ống bị đóng đột ngột (lưu lượng và lưu tốc trong ống giảm đột
ngột, có thể về không), do quán tính mà nước vẫn tiếp tục bị dồn về điểm bị đóng làm
áp suất trong ống tăng cao.
Sự thay đổi lưu lượng càng nhanh thì áp suất tăng cao càng lớn, cá biệt có thể đến
hàng trăm mét cột nước. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng nước va. Phần áp suất tăng
thêm gọi là áp suất nước va.
Ngược lại, nếu lưu lượng đột ngột tăng lên thì áp suất trong ống lại giảm đột ngột,
phần áp suất bị giảm đó cũng được gọi là áp suất nước va.

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
6.4 Tháp điều áp và nguyên lý làm việc
Tháp điều áp
Đường hầm áp lực
Trạm thủy điện

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
Tổng kết
A
B
g

v
A
2
2
B
z
γ
A
p
A
z
γ
B
p
g
v
B
2
2
g
up
z
2
2
++
γ
Đ
ư
ờ
n

g

c
ộ
t

n
ư
ớ
c

đ
o

á
p

(
h
y
d
r
a
u
l
i
c

g
r

a
d
e

l
i
n
e
)
Đ
ư
ờ
n
g

t
ổ
n
g

c
ộ
t

n
ư
ớ
c

(

t
o
t
a
l

h
e
a
d

l
i
n
e
)
Head lost by flowing liquid
Friction gradient
f
S

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
Tổng kết
A
B
g
v
A
2
2

B
z
γ
A
p
A
z
γ
B
p
g
v
B
2
2
g
up
z
2
2
++
γ
Đ
ư
ờ
n
g

c
ộ

t

n
ư
ớ
c

đ
o

á
p

(
h
y
d
r
a
u
l
i
c

g
r
a
d
e

l
i
n
e
)
Đ
ư
ờ
n
g

t
ổ
n
g

c
ộ
t

n
ư
ớ
c

(
t
o
t
a

l

h
e
a
d

l
i
n
e
)
Head lost by flowing liquid
Friction gradient
f
S
1. Đường tổng cột nước luôn đi xuống theo
chiều dòng chảy (trừ TH có bơm trong ống).
Đường càng dốc thì tổn thất càng lớn.
2. Đường cột nước đo áp thường đi xuống
theo chiều dòng chảy nhưng cũng có thể đi
lên như trong TH mặt cắt mở rộng.
Loại tổn thất Công thức tính Ví dụ
F
h
l
1
v
2
v

1
v
2
v
Ma sát (Darcy e.q)
g
v
d
l
h
F
2
2
λ
=
Mở rộng đột ngột
( )
g
vv
h
c
2
2
21
−
=
Co hẹp đột ngột
g
v
h

c
2
5.0
2
2
=

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
Bài tập 37: Nước được chuyển qua giữa hai hồ chứa rất lớn thông qua một đường ống
dẫn nước. Cửa vào của ống từ hồ chứa trên và cửa ống đổ vào hồ chứa bên dưới là
thay đổi đột ngột. Từ đoạn giữa của đường ống, ống đột ngột phình to với đường kính
gấp đôi. Hãy vẽ đường tổng cột nước và đường cột nước đo áp
- Hồ chứa được giả thiết là RẤT LỚN
→
mực nước hồ có thể xem là không thay
đổi và vận tốc tại mặt có thể giả thiết là xấp xỉ bằng không
- Các thay đổi là ĐỘT NGỘT
→
không thể bỏ qua các tổn thất cục bộ

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
1
2
3
4
5
T
H
L
H

G
L

Chương 6: Dòng chảy trong ống có áp
1
2
3
4
5
T
H
L
H
G
L
Bài tập 38: Giả sử độ chênh mực nước giữa hai hồ chứa là 53m, cả hai đoạn ống đều
có chiều dài 1km, ống 1 có đ/kính là 0.3m, ống 2 là 0.6m, các hệ số ma sát
λ
1
=
λ
2
=0.04.
Tính các tổn thất và lưu lượng qua ống.
Z=53m
w
hz =
32211 cdcdc
hhhhh ++++=
( )

g
v
g
v
d
l
g
vv
g
v
d
l
g
v
z
22222
5.0
2
2
2
2
2
2
2
2
21
2
1
1
1

1
2
1
++
−
++=
λλ
2
2
1
2
2
1
v
d
d
v =
smQsmvv
3
21
194.0;74.24 ===