40 LƯU HÀNH NỘI BỘ Chuyên đề: Hệ thống đường ống nước trong toà nhà ( Phần 10) Apartment
Xin kính chào Quý độc giả! Chúng tôi rất vui mừng khi được tiếp tục gặp lại Quý vị ở số Tạp chí mới này. Như Quý vị đã biết đối với hệ thống cấp thoát nước thì điều kiện dòng chảy bên trong là vô cùng quan trọng vì điều này tác động rất lớn đến hệ thống đường ống và ngược lại. Điều kiện dòng chảy trong Hạ tầng kỹ thuật tòa nhà đều tuân theo các quy tắc trong nghiên cứu về cơ học chất lưu. Do đó, việc ước lượng các điều kiện dòng chảy trong đường ống và kênh phụ thuộc vào các tiêu chí như vận tốc, ma sát... mà chúng tôi sẽ đem đến tới Quý vị một cách chi tiết và đầy đủ nhất. Đội ngũ chúng tôi mong rằng sẽ tiếp tục nhận được sự ủng hộ và đón đọc của Quý độc giả để có thể tiếp tục mang đến những sản phẩm chất lượng hơn nữa. Xin chân thành cảm ơn!
Apartment Do Cong Bien
Nguyễn Tất Hồng Dương Đỗ Công Biên Phòng phát triển Cộng độngNguyễnWebsiteDanh Hải Nguyễn Hồng Minh Nguyễn Hoàng Thanh Nguyễn Quang Huy Hoàng Minh Nguyễn Lưu Hồng Hải Nguyễn Cảnh Toàn Cam Văn Chương Đỗ Trung Hiếu Cao Tiến Trung Hội đồng biên tập Phó Tổng biên tập Biên tập & Thiết kế Tổng biên tập Chịu trách nhiệm nội Hoàngfacebook.com/iirr.comwww.iirr.vndungLêTấtAnhBáThuận
Phó Tổng biên tập6. Các nguyên tắc và nghiên cứu về dòng chất lỏng 12. Ma sát đường ống 20. Công thức tính tổn thất ma sát 28. Tổn thất thứ cấp 32. Phương trình năng lượng dòng ổn định 40. Lưu lượng tuần hoàn giảm xuống khi van điều tiết đóng lại 42. Công thức kháng dòng cho dòng chảy đồng đều ổn định trong đường ống được lấp đầy một phần 50. Dòng chảy bề mặt ổn điịnh không đồng nhất, tự do Phó Tổng biên tập
06 Apart CÁC NGUYÊN TẮC VÀ NGHIÊN CỨU VỀ DÒNG CHẤT LỎNG
Apart07 Đ iều kiện dòng chảy trong hạ tầng kỹ thuật tòa nhà dù là trong hệ thống thông gió, dòng khí bị cuốn vào, dòng chảy tự do thoát nước bề mặt đều tuân theo các quy tắc trong nghiên cứu về cơ học chất lỏng. Nói chung, các dòng chảy đều không thể nén lại và ta có thể phân loại chúng thành loại ổn định (không thay đổi tại mọi điểm theo thời gian), không ổn định (điều kiện thay đổi theo thời gian), đồng nhất (không thay đổi điều kiện với sự thay đổi vị trí theo hướng dòng chảy) hoặc không đồng nhất (điều kiện thay đổi theo hướng dòng chảy). Khi phân tích dòng chảy ổn định, có thể giả định rằng bất kỳ hệ thống nào cũng có thể được xây dựng trên các mặt cắt với các điều kiện dòng chảy đồng nhất vì điều này cho phép áp dụng các công thức về lực kháng do ma sát.
08 Apart Nói chung, các thông số dòng chảy đều đồng nhất trên một mặt cắt ngang - dòng chảy lấp đầy đường ống được giả định di chuyển với cùng một vận tốc tại tất cả các điểm trên mặt cắt. Do đó vận tốc dòng chảy thường là vận tốc trung bình trên các mặt cắt. Điều này khá là thuận tiện nhưng lại bỏ qua một điểm quan trọng nhất trong việc xác định lực cản ma sát, đó là việc tại đường ống hoặc thành kênh dòng chảy sẽ đứng yên - điều kiện biên không trượt. Hệ quả của điều này là hai chất lỏng tiếp xúc với nhau sẽ chia sẻ cùng một vận tốc bề mặt, đây là cơ sở lý luận hiệu quả cho luồng không khí cuốn theo khi tiếp xúc với một màng nước chuyển động.
Do đó, việc ước lượng các điều kiện dòng chảy trong đường ống và kênh phụ thuộc vào các tiêu chí này và dựa trên mối quan hệ giữa động năng và thế năng của chất lỏng, và bất kỳ năng lượng đầu vào nào của hệ thống ví dụ do hoạt động của bơm hoặc quạt cũng như những thay đổi trong nội năng chất lỏng do lực cản ma sát và sự gián đoạn do dòng chảy qua các thiết bị khác nhau có trong mạng lưới. Sự gián đoạn dòng chảy tại các thiết bị nói chung dẫn đến sự hình thành các dòng xoáy trong dòng chảy, các dòng xoáy này hấp thụ năng lượng sẵn có và thường tách dòng chảy ra khỏi thành ống. Những tác động này được hiểu là áp suất phân tách hoặc hao hụt áp xuất nhưng chính xác hơn là sự dịch chuyển năng lượng. Mô tả tổng thể về các cân bằng này và xác định các điều kiện
dòng chảy tiếp theo có thể được xác định thông qua Phương trình Năng lượng Dòng chảy ổn định được phát triển sau này. vào năm 1738, khi Bernoulli xem xét một chất lỏng lý tưởng, không ma sát và không nén được đã đưa ra nguyên lý làm cơ sở cho việc tính toán các dòng chảy ổn định.
Apart09
10 Apart
Apart11 Điều này chỉ ra rằng dọc theo dòng chảy hình ống*, tổng năng lượng do áp suất (p) và độ cao (z) phía trên một số điểm chuẩn, cùng với động năng là không đổi. Cụ thể là: trong đó: • ρ là khối lượng riêng của chất lỏng • v là vận tốc dòng chảy Nếu chúng ta chia mỗi số hạng trong phương trình này cho g, kết quả là mối quan hệ giữa các chiều cao cột áp hoặc áp suất với tổng áp suất là một hằng số, cụ thể: h+z+v2/2g=const trong đó: • h là áp suất tĩnh • z là vị trí (chiều cao cột áp) đang xét • v2/2g là áp suất động Phương trình về tính liên tục của dòng chảy dọc theo một dòng chảy hình ống cho lượng dòng chảy Q trên một đơn vị thời gian là vA, trong đó A là diện tích của dòng chảy ở vận tốc trung bình v. Các mối quan hệ này tạo cơ sở cho việc xem xét các luồng thuộc loại thường gặp trong các dịch vụ xây dựng. Chúng liên quan đến chất lỏng không nén được và do đó có thể được sử dụng cho nước chảy trong đường ống hoặc trong các kênh hở và cả cho không khí thông gió, vì không khí có thể được coi là không thể nén được đối với các điều kiện thường gặp trong thực tế tạo khí. * Một dòng chất lỏng được hình dung như một đường liên tục bởi chất lỏng, có vecto hướng của chất lỏng tại mọi điểm. Dòng chảy hình ống có bề mặt là các dòng chất lỏng bao bọc xung quanh. Sẽ không có dòng chảy qua các bức tường của một ống như vậy.
12 Apart MA SÁT ĐƯỜNG ỐNG
1 2 v2 H1 H2 hf 2g Tổng
Apart13
tĩnh
chất lỏng lý tưởng. Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy rằng tổng áp suất tại các điểm dọc theo một đường ống thẳng không phải là hằng số như Bernoulli dự đoán, nhưng giảm theo hướng của dòng chảy. Xét hai điểm chạy dọc theo đường ống trong hình 8.1: H1 > H2
P hương trình Bernoulli được sửa đổi thành: H1 = H2 + hf Trong đó hf là phần áp suất “bị hao hụt’’ trong đường ống do ma sát của chất lỏng. Khi một đoạn cong được thêm vào đường ống, một đoạn áp suất bị hao hụt thêm nữa dòng chảy rối gây ra bởi đoạn uốn cong. Các đặc điểm như thay đổi tiết diện và phụ kiện và van cũng gây ra thêm hao hụt, được gọi là tổn thất thứ cấp, tổn thất nhỏ hoặc tổn thất động và có tầm quan trọng trong nhiều công trình hạ tầng kỹ thuật của tòa nhà. Tổng lượng hao hụt áp suất trong hệ thống (tổng kháng) thu được bằng cách cộng các hao hụt riêng lẻ của phụ kiện và của việc thi công. Hình 8.1: Hao tổn áp suất dọc theo đường ống thẳng Áp suất động áp suất Áp suất Phương trình Bernoulli xét đến một
14 Apart Lực cản dòng chảy của chất lỏng dọc theo đường ống là do độ nhớt gây ra. Độ nhớt là do sự gắn kết và tương tác giữa các phân tử chất lỏng và gây ra lực ma sát được sinh ra giữa các lớp chất lỏng di chuyển ở các vận tốc khác nhau. Các quan sát thực nghiệm cho thấy khi chất lỏng chảy dọc theo đường ống thì vận tốc tăng từ 0 tại thành ống đến cực đại tại trục tâm ống. Reynolds vào những năm 1880 đã biểu diễn hai loại dòng chảy trong ống thủy tinh. Ở vận tốc thấp, một tia thuốc nhuộm được đưa vào dòng chảy vẫn ở dạng sợi mảnh, cho thấy rằng các hạt chất lỏng đang chuyển động theo đường thẳng song song, loại dòng chảy này được gọi là dòng chảy tầng. Ở tốc độ cao hơn, sợi chỉ đứt ra và hòa vào chất lỏng, dòng chảy được cho là rối.
Apart15 Reynolds, khi điều tra sự hao hụt năng lượng trong một chiều dài của đường ống, cho thấy rằng sự hao hụt áp suất (hf) phụ thuộc vào loại dòng chảy tồn tại trong đường ống. Ở vận tốc thấp và với dòng chảy tầng, hf tỷ lệ với vận tốc. Ở vận tốc lớn hơn với dòng chảy rối, hf tỉ lệ thuận với vn (gần tỉ lệ thuận với v2). Reynolds lý luận rằng đặc tính của dòng chảy được xác định bởi độ nhớt động lực u, khối lượng riêng ρ, vận tốc chất lỏng v và đường kính ống D. Ông đã nhóm những thứ này lại với nhau để đưa ra số không thứ nguyên bây giờ được gọi là số Reynolds Re = ρDv / μ Trong đó μ và ρ đều là đặc tính của chất lưu và thường được kết hợp thành độ nhớt động học v = μ / ρ. Do vậy: Re = Dv / v Một cách tổng quát thì: đối với dòng chảy tầng: Re < 2000 đối với dòng chảy rối: Re > 4000
16 Apart Giữa hai giới hạn này là vùng tới hạn nơi các điều kiện dòng chảy có thể thay đổi. Trong các ứng dụng kỹ thuật, bao gồm cả xây dựng hạ tầng kỹ thuật, Re thường lớn hơn 4000 và thường là dòng chảy rối. Đây là giả định chung trong các nội dung sau nhằm cung cấp số liệu cơ bản cho các phần khác.
là độ nhám tuyệt đối và thường được kết hợp với đường kính ống theo tỷ lệ được gọi là độ nhám tương đối k/d. Loại dòng chảy rối và tổn thất ma sát phụ thuộc vào tỷ số giữa độ nhám tuyệt đối k với độ dày của lớp biên phân tầng. DÒNG CHẢY RỐI; ĐỘ NHÁM CỦA ĐƯỜNG ỐNG
Apart17 Cách xa lối vào đường ống, một ‘lớp ranh giới’ trải rộng trên toàn bộ đường kính và một profile vận tốc dòng chảy được thiết lập mà không thay đổi theo khoảng cách dọc theo đường ống thẳng - dòng chảy sau đó được cho là hoàn toàn mở rộng. Trong dòng chảy rối, profile dòng chảy gần như phẳng trên hầu hết các đường kính. Tại thành ống, vận tốc bằng không; gần sát thành ống, vận tốc là nhỏ và dòng chảy tầng xuất hiện trong một lớp biên phân tầng. Trong dòng chảy rối, tổn thất ma sát phụ thuộc vào độ nhám của ống và số Reynolds. Nghiên cứu được thực hiện về ảnh hưởng của độ nhám nhân tạo và độ nhám trong ống được sản xuất thương mại. Người ta thấy rằng một giá trị có thể được gán cho độ nhô ra trung bình của mố nhám từ thành ống - được gọi là k - trong các đường ống thương mại có thể được sử dụng để xác định tổn thất ma sát trong các đường ống đó. Số hạng k đôi khi được gọi
Khi độ nhô ra của mố nhám là nhỏ so với độ dày của lớp biên phân tầng và nằm chìm trong đó, đường ống sẽ hoạt động như thể nó trơn nhẵn và tổn thất ma sát không phụ thuộc vào độ nhám tương đối. Điều kiện này được gọi dòng chảy rối thành trơn. Khi độ nhô ra của mố nhám lớn hơn nhiều so với độ dày của lớp biên phân tầng, lớp biên này hầu như không tồn tại và gọi là dòng chảy rối thành nhám. Giữa hai điều kiện này, độ nhô ra của mố nhám gây ra hiện tượng xoáy làm tăng tổn thất nhưng lớp biên phân tầng không bị phá vỡ hoàn toàn. Khi đó dòng chảy nằm trong vùng rối chuyển tiếp.
18 Apart
Apart19
20 Apart Do đó, tổn thất ma sát trong ống phụ thuộc vào vận tốc v, đường kính ống D, số Reynolds Re, và độ nhám tuyệt đối k. Cần phải liên kết các yếu tố này với tổn thất ma sát để có thể xử lý tổn thất trong thực tế. (i) Hệ số ma sát; quy tắc tính logarit Một công thức hợp lý cho tổn thất ma sát trong đường ống được d'Arcy và Weisbach đề xuất: Công thức này được gọi là công thức d'Arcy hoặc d'Arcy - Weisbach và λ là hệ số ma sát d'Arcy. Một cách tiếp cận thay thế (do Chézy và Fanning thực hiện) dẫn đến hệ thức: CÔNG THỨC TÍNH TỔN THẤT MA SÁT Với λ = 4f
Apart21
22 Apart
Apart23 Chézy cũng đề xuất một công thức viết dưới điều kiện dòng chảy của ống: C là hệ số Chézy bằng √(8g/λ). Số hạng hf /L thường được thay thế, đặc biệt là trong sách giáo khoa thủy lực bằng S - độ chênh thủy lực hoặc ma sát. Các số hạng λ và f không phải là hằng số nhưng thay đổi theo Re và k/D. Prandtl và von Karman đã phát triển một lý thuyết về dòng chảy rối trong đường ống và đưa ra định luật nhám và trơn Karman-Prandtl liên quan đến ma sát với số Reynolds và độ nhám tương đối: Với dòng chảy rối thành trơn: Để đánh giá khi dòng chảy là loại thành trơn hay thành nhám, người ta thường sử dụng số độ nhám Reynolds: Phương trình dòng chảy thành trơn khi: R* < 0,3 Phương trình dòng chảy thành nhám khi: R* > 60 Đối với dòng chảy rối thành nhám. Colerook và White đã kết hợp các công thức này thành công thức chuyển tiếp được gọi là phương trình Colebrook-White: (3)(2)(1)
24 Apart Moody lấy các phương trình (1), (2) và (3) và phương trình Poi seuille cho các điều kiện phân tầng và vẽ đồ thị logarit cho hệ số ma sát λ với Re sẽ cho một tập các giá trị của độ nhám tương đối k/D. Đây chính là đồ thị Moody được biết đến rộng rãi. Tuy nhiên, các kỹ sư thường phải xử lý các giá trị biến đổi v (hoặc lưu lượng dòng chảy Q), D và hf . Và vì các biến trên đồ thị Moody đều có chứa cả D, và v được bao hàm trong λ và Re nên nhiều vấn đề là không thể giải quyết bằng các phương pháp khác ngoài phép thử. Cách thông thường để khắc phục nhược điểm này là tạo ra các đồ thị hoặc bảng cho một vật liệu và chất lỏng cụ thể. Ví dụ: kỹ sư thông gió có thể sử dụng đồ thị của hf/L, Q, v và D cho không khí ở các điều kiện đã biết trong ống thép mạ kẽm. Các hệ số điều chỉnh bao gồm những thay đổi về nhiệt độ và việc sử dụng các vật liệu khác. (II) ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA CÔNG THỨC LÔGARIT
Apart25
26 Apart Các công trình nghiên cứu tại Trạm Nghiên cứu Thủy lực, nay là Công ty TNHH Nghiên cứu Thủy lực, đã biến phương trình Colebrook-White thành các tham số sử dụng Q, v, D và hf/L riêng lẻ, và đã tạo ra một đồ thị điện trở phổ quát (Ackers 1969). Sử dụng đồ thị này, có thể biết hai trong số các đại lượng đã cho ở trên và các đặc tính của đường ống và chất lỏng để xác định hai đại lượng còn lại. Bằng cách đưa các đường tham chiếu và lớp phủ vào, ta có thể loại bỏ hầu hết các kết quả cho bất kỳ chất lỏng xác định nào. Công thức khả dụng để xác định những thay đổi về k / D do ảnh hưởng của sự già hóa.
Apart27 Các công thức lôgarit trước khi công bố là các công thức thực nghiệm, thường là thuộc hàm mũ: v = const × Dx (hf / L)y Chúng đã được sử dụng, và một số được phát triển cho dòng chảy của chất lỏng cụ thể trong các đường ống bằng vật liệu cụ thể. Tính đơn giản là ưu điểm chính của chúng và phần nhiều vẫn được sử dụng rộng rãi. Kết quả đáp ứng thu được trong giới hạn ứng dụng của chúng nhưng việc sử dụng các công thức lôgarit ở trên thường được ưu tiên hơn hiện nay. (III) CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM
28 Apart TỔN THẤT THỨ CẤP Các van, đoạn cong, chỗ nối và các phụ kiện khác gây ra sự gián đoạn cục bộ đối với các điều kiện dòng chảy, tạo ra các dòng xoáy tại hạ lưu và tách dòng chảy khỏi các thành ống xung quanh, xem hình 10.3. Những xoáy nước này hấp thụ năng lượng có sẵn và được coi là tổn thất áp suất. Trong cả dòng chảy lưu chuyển bởi trọng lực và cơ học, điều này có tác dụng làm giảm lưu lượng dòng chảy có thể phân phối hoặc tăng năng lượng đầu vào cần thiết để duy trì dòng chảy. Các tổn thất tách biệt này, còn được gọi là tổn thất thứ cấp hoặc tổn thất nhỏ - các thuật ngữ gây hiểu lầm như trong các thiết bị hạ tầng kỹ thuật tòa nhà, chúng có thể chiếm phần lớn lực cản của hệ thống, không giống như một khúc quanh trong đường ống dẫn dầu 500 km - được thể hiện tốt nhất cho các mục đích thực tiễn bằng hệ số tổn thất Ks được xác định cho bất kỳ phụ kiện cụ thể nào:
Apart29
30 Apart Hoặc nếu tổn thất được thể hiện bằng áp suất của dòng chảy chất lỏng: Một loạt các dữ liệu về hệ số tổn thất phù hợp hiện đã có sẵn, CIBSE (1986, 2001), Millar (1978) và sẽ không đề cập lại ở đây. Độ lớn của tổn hao tại khớp nối ống phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của dòng chất lỏng chảy qua khớp nối. Giá trị của chúng phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm đóng góp vào tổng lực cản của hệ thống bởi khớp nối và các phụ kiện khác. Ví dụ, một khóa vòi hoặc đầu vòi có đường kính 12mm đơn giản sẽ có giá trị Ks khoảng 10, đoạn khuỷu tay khoảng 1,0 và khúc uốn cong 0,4. Các giá trị Ks này cũng có thể được biểu thị bằng chiều dài tương đương của đường ống với đường kính tương ứng mà sinh ra cùng một tổn thất ma sát. Từ phương trình tổn thất ma sát d'arcy sử dụng hệ số ma sát f cho kết quả:
Apart31 và do đó nếu Leqv = nD, trong đó n là hệ số đường kính ống cần thiết để tạo ra cùng một tổn thất ma sát: Cả đồ thị Moody và Colebrook - White đều ngụ ý rằng, đối với dòng chảy rối, hệ số ma sát giảm theo Re của dòng chảy cho đến khi đạt được giá trị cuối cùng bằng Re và chỉ phụ thuộc vào độ nhám bề mặt. Khi hệ số ma sát giảm, hệ số đường kính ống cần thiết để sinh ra cùng một tổn thất ma sát sẽ tăng. Khái niệm về độ dài tương đương để biểu thị tổn thất phân tách là vô cùng quan trọng vì nó cho phép xác định kết hợp tổn thất phân tách và do ma sát trong bất kỳ điều kiện dòng chảy ổn định đồng nhất nào từ một ứng dụng duy nhất của phương trình d'arcy, cụ thể là: trong đó tỉ lệ tốc độ dòng chảy và diện tích mặt cắt ngang Q/A thay thế vận tốc trung bình, như trong hầu hết các hạ tầng kỹ thuật tòa nhà, Q được quan tâm trực tiếp hơn như một biến thiên trong thiết kế.
32 Apart PHƯƠNG TRÌNH NĂNG LƯỢNG DÒNG ỔN ĐỊNH
Apart33 Trong khi phần trình bày ở trên là đầy đủ cho các điều kiện đường ống đơn đơn giản dưới tác động của lực hấp dẫn, các mạng phức tạp hơn có thể được xử lý bằng cách áp dụng Nguyên tắc Bảo toàn Năng lượng. Xem xét dòng chảy từ điểm A đến điểm B được minh họa trong hình 8.2 và biểu thị sự tương đương của năng lượng tại A và B sẽ cho ra phương trình năng lượng dòng ổn định: trong đó ��pinput và ��pout lần lượt là đầu vào năng lượng của quạt hoặc máy bơm và việc khai thác năng lượng, ví dụ bằng tuabin. Đối với hệ thống điều khiển bằng trọng lực, cả hai số hạng đều bằng không. Thuật ngữ hạn chế và điều chỉnh có thể được kết hợp thông qua cách tiếp cận chiều dài tương đương để phù hợp với tổn thất và đối với mạng được tạo thành từ các ống dẫn có đường kính hoặc độ nhám bề mặt khác nhau mắc nối tiếp giữa A và B có thể được biểu thị như sau: Cần lưu ý rằng việc lựa chọn điểm A và điểm B có thể đơn giản hóa về mặt cơ bản việc áp dụng Phương trình năng lượng dòng ổn định.
34 Apart
Phương trình Năng lượng Dòng Ổn định là hệ quả trực tiếp của Nguyên tắc Bảo toàn Năng lượng và do đó việc sử dụng thuật ngữ `` tổn thất ‘’ để mô tả các hiệu ứng ma sát và phân tách được thảo luận là hoàn toàn không chính xác. Những yếu tố này ảnh hưởng đến năng lượng bên trong chất lỏng tăng lên do các điều kiện dòng chảy được thảo luận. Tuy nhiên, sự thay đổi nội năng đó được coi là tổn thất áp suất cần được khắc phục bởi quạt hoặc máy bơm hoặc độ dốc đường ống trong hệ thống trọng lực. Do đó, sự thay đổi năng lượng bên trong thường được gọi là tổn thất.
Apart35 Các điều kiện rõ ràng phải được biết đến ở cả hai địa điểm, dữ liệu này bao gồm vận tốc dòng chảy cục bộ, để mang lại động năng, độ cao dòng chảy cục bộ, để mang lại năng lượng tiềm năng và áp suất môi trường, để mang lại năng lượng áp suất. Nó là thuận tiện để thể hiện năng lượng trong điều kiện áp suất. Trong nhiều ví dụ, chẳng hạn như thông gió từ không khí bên ngoài vào phòng, cả A và B đều có thể là áp suất khí quyển và vận tốc cục bộ có thể bằng không. Tương tự, trong trường hợp không khí, thế năng có thể bị bỏ qua. Do đó đầu vào của quạt chỉ phải vượt qua ma sát và tổn thất riêng. Trong các phòng suất tiềm năng thường được gọi là `` lực nâng tĩnh ‘’, tuy nhiên, điều này có thể là tiêu cực - trường hợp bơm nhiên liệu `` xuống dốc ‘’ từ một tàu chở dầu đến một bể chứa ở tầng hầm. (Trong trường hợp này, lưu ý rằng bình phải được thông hơi hoàn toàn để tránh sự tích tụ áp suất trong không khí phía trên nhiên liệu đi vào làm tăng tải bơm do sự gia tăng thiếu hụt năng lượng áp suất trên toàn hệ thống.)
sạch hoặc phòng mổ được tổ chức trên bầu khí quyển thì áp suất cục bộ tại B nói là sẽ vượt quá áp suất khí quyển và quạt cung cấp sẽ phải vượt qua sự chênh lệch áp suất ổn định này vượt quá tổn thất lưu lượng. Ngược lại, quạt chiết xuất sẽ thu được từ đầu vào năng lượng `` miễn phí ‘’ được biểu thị bằng áp suất phòng cao hơn. Trong các trường hợp bơm chất lỏng, sự chênh lệch áp
Nói chung, tuabin có thể bị bỏ qua, vì vậy, Phương trình năng lượng dòng ổn định thường được sử dụng để giải quyết sự tương tác của quạt và máy bơm với mạng được kết nối của chúng. Sẽ được đánh giá cao rằng năng lượng đầu vào liên quan đến quạt hoặc máy bơm được coi là sự gia tăng áp suất phụ thuộc vào tốc độ và đường kính của quạt. Do đó, một quạt hoặc máy bơm cụ thể trong một mạng cụ thể sẽ cung cấp một lưu lượng cụ thể tùy thuộc vào giải pháp đồng thời hiệu quả của Phương trình năng lượng dòng ổn định và đặc tính dòng áp suất của máy. Hình 8.3 minh họa một giải pháp như vậy cho mạng lưới thông gió cấp và chiết kết hợp tuần hoàn. Trong trường hợp này, cần phải biểu diễn các vòng mạng bằng cách nhớ rằng sụt áp dọc theo các đường dẫn song song liên kết các vùng ở áp suất không đổi luôn bằng nhau, sự phân bố lưu lượng trong mỗi đường dẫn đảm bảo sự tương đương của độ giảm áp. Tiêu chí cơ bản cho bất kỳ cân bằng lưu lượng nào. trong hệ thống sưởi ấm bộ tản nhiệt nước nóng áp suất thấp hoặc trong các ống thông gió. Trường hợp minh họa trong hình 8.3 là một ví dụ khác về kỹ thuật mô hình sai phân hữu hạn được giới thiệu trong chương 9. Security 37
38 Apart Hình 8.2: Định nghĩa các thuật ngữ của phương trình năng lượng dòng ổn định Tổn thất ma sátĐường quy chiếu bất kỳ Khai thác năng lượng, tuabin Lưu ý: Sự thay đổi nội năng uB-uA tương đương với ‘tổn thất’ ma sát và phân tách Tổn thất phân tách Năng lượng tại A: Áp suất pA Động năng ½ ρv² A Thế năng ρgZA Nội năng uB Năng lượng tại B: Áp suất pB Động năng ½ ρv² B Thế năng ρgZB Nội năng uBNăng lượng đầu vào: quạt hoặc máy bơm A ZB ZA B
Apart39 1 6 8 VanMốinối Quạt 1001505000 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4 Thời gian (s) 72 5 83 6 9 10 QuạtMốinối Lối vào ống dẫn 2 Lối ra từ ống dẫn 1 Lối ra từ ống dẫn 7 Tốc độ dòng chảy tăng lên khi quạt tăng tốc, 0-2 Lưu lượng tuần hoàn giảm xuống khi van điều tiết đóng và ngược lại % tốc độ quạt theo tốc độ tham chiếu Thiết lập % đóng van điều tiết 7 52 431Vùng 2Vùng đóng%tiết:điềuvanlậpThiết độtốc%theoquạtđộtốcvà chiếutham0102030405060708090100110120130140150160170180190200
40 Apart LƯU LƯỢNG TUẦN HOÀN GIẢM XUỐNG KHI VAN ĐIỀU TIẾT ĐÓNG VÀ NGƯỢC LẠI Chảy trong đường ống được lấp đầy một phần. Trong mạng lưới thoát nước xây dựng, chế độ phổ biến nhất là dòng chảy bề mặt tự do trong các nhánh ngang liên kết các thiết bị với các ngăn xếp thẳng đứng và trong cống dẫn đến cống. Phương trình Chézy áp dụng trong những trường hợp này với điều kiện là dòng chảy đều và đều, tức là không thay đổi theo thời gian và các đường ống vẫn có cùng đường kính và cùng độ dốc theo chiều dài mà khi ta áp dụng phương trình Chézy. Mặc dù đây là những hạn chế rất hạn chế, nhưng rất hữu ích nếu coi dòng chảy ổn định ổn định trong mạng lưới thoát nước như một tiền đề để đối phó với dòng chảy không ổn định thông thường hơn.
Apart41 Các thuật ngữ vận tốc là vận tốc trung bình trên mặt cắt ngang đó. Biểu đồ vận tốc thực tế bên trong mặt cắt ngang sẽ hiển thị các biến thể từ giá trị trung bình khi vận tốc dòng chảy tăng từ 0 tại các bề mặt bao quanh đến cực đại một khoảng cách nhỏ bên dưới bề mặt tự do - xem bản phác thảo phía trên trong hình 8.4. Dạng biên dạng này có ý nghĩa trong việc nghiên cứu vận tốc vận chuyển chất rắn được trình bày ở phần sau; một chất rắn gần bề mặt trong dòng chảy tương đối sâu có thể có vận tốc vượt quá giá trị trung bình của dòng chảy do vị trí của nó trên biên dạng vận tốc. Hình 8.4: Sự thay đổi của vận tốc dòng chảy và lưu lượng theo độ sâu Biên độ dòng chảy bề mặt tự do Lưu ý: độ dốc của kênh khôngVđổi=0 Vmax V = Vsurface Đường đồng mức của V / Vmax 1.0 2.51.51.0 h D 0.20.40.60.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
42 Apart CÔNG THỨC KHÁNG CHO DÒNG CHẢY ĐỒNG ĐỀU ỔN ĐỊNH TRONG ĐƯỜNG ỐNG ĐƯỢC LẤP ĐẦY MỘT PHẦN Trong dòng chảy đồng đều ổn định, không có gia tốc theo hướng dòng chảy và do đó không thay đổi độ sâu dòng chảy; do đó lực cản ma sát đối với dòng chảy được cân bằng bởi sự thay đổi điện thế dọc theo kênh hướng xuống. Trong điều kiện dòng chảy ổn định, điều này giống như độ dốc của kênh và dẫn đến phương trình Chezy (được giới thiệu trước đó ở dạng dòng chảy đầy đủ của trongnó): đó m được gọi là độ sâu trung bình thủy lực, tức là diện tích mặt cắt ngang dòng chảy / chu vi thấm ướt; m = D / 4 đối với dòng chảy toàn lỗ. Hệ số tổn thất Chezy C, được định nghĩa là (2g / f)0,5 và do đó, phụ thuộc vào hệ đơn vị đã chọn, có kích thước L0.5T-1. Công thức đơn giản nhất cho C, hiện đang được sử dụng rộng rãi, là do Manning, ra đời năm 1860. Manning nhận thấy rằng C thay đổi là m1/6 và phụ thuộc vào hệ số nhám, n, ngày nay được gọi là hệ số nhám Mannings. Do đó, dạng của phương trình Manning là: Một lần nữa cần lưu ý rằng kích thước của n là L-1/3T và do đó hệ số phụ thuộc vào hệ đơn vị.
Apart43 Hệ số Chézy C có thể phụ thuộc vào số Reynolds, độ nhám của đường biên và có thể là hình dạng mặt cắt ngang của kênh. Mặc dù tổn thất ma sát trong dòng chảy của ống có lỗ khoan đã được điều tra đầy đủ, nhưng một cuộc điều tra tương tự về Chezy C vẫn chưa được thực hiện. Điều này không chỉ do các biến phụ liên quan đến dòng chảy tự do trên bề mặt
mà còn do độ nhám bề mặt đa dạng được đáp ứng trong thực tế và khó khăn trong việc đạt được điều kiện dòng chảy đồng đều ổn định ngoài điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát. Tuy nhiên, hành vi của C có thể được suy ra trực tiếp từ hệ số ma sát của dòng chảy toàn lỗ là C = √2g/f. Công cụ Colebrook-White, với thuật ngữ đường kính ống được thay thế bằng 4m, trở thành:
44 Apart Khi áp dụng thông tin này, dòng chảy được giả định là ổn định và phát triển đầy đủ để độ sâu dòng chảy là ''bình thường'', tức là không thay đổi ở hạ lưu trong cống có độ dốc không đổi. Hơn nữa, dòng chảy được giả định không vượt quá 50% đường kính ống. Hình 8.5 minh họa tốc độ dòng chảy cho phép dựa trên các giả định này đối với một loạt các đường kính ống và độ dốc. Hệ số nhám của Manning là 0,009 được giả định là điển hình của đường ống nhựa sạch; xem bảng 8.1 và 8.2. Do dạng biểu diễn Manning của phương trình Chezy, các dòng chảy cho phép đối với bất kỳ độ nhám nào khác có thể được xác định bằng cách nhân lưu lượng với (0,009 / new Manning n). Các ví dụ về việc áp dụng phương trình Colebrook-White cho hệ thống thoát nước thô được đưa ra trong chương 12. Khó khăn rõ ràng với kỹ thuật này là nó không tính đến bất kỳ sóng nàosự suy giảm có thể xảy ra hoặc bất kỳ thay đổi độ sâu nào trong vùng lân cận của các điểm nối ống. Quy tắc độ sâu tối đa 50% đường kính thực sự hoạt động khá tốt để hạn chế các tác động của sóng và bước nhảy thủy lực tại các điểm giao nhau; tuy nhiên, điều đó chắc chắn có nghĩa là giữa các điểm giao nhau, dòng chảy nông một cách giả tạo với khả năng tích tụ chất rắn được tăng cường.
Apart45
46 Apart Để xây dựng mạng lưới thoát nước, mặt cắt kênh thường là hình tròn do đó nghiệm của phương trình này yêu cầu một giải pháp lặp lại, chẳng hạn như phương pháp phân giác. Độ sâu dòng chảy thu được được gọi là độ sâu bình thường của dòng chảy và chỉ xảy ra trong điều kiện dòng chảy đồng đều ổn định, cụ thể là khi độ dốc của đường ống cung cấp một lực khối lượng chất lỏng đủ để thắng lực cắt bề mặt. Như đã đề ra, điều kiện này hiếm khi xảy ra trong việc xây dựng mạng lưới thoát nước, nhưng nó được coi là cơ sở của nhiều hướng dẫn thiết kế hiện nay. Phương trình Manning có thể được giải trực tiếp cho các kênh hình chữ nhật trong đó diện tích dòng chảy A = hB, B là chiều rộng kênh và chu vi thấm ướt P = B + 2h. Như vậy m = hB / (B + 2h) và: S0C2B2h3 - 2hQ2 - BQ2 = 0 sẽ lý giải ra h, độ sâu bình thường.
Apart47 Độ sâu và vận tốc dòng chảy trong điều kiện đơn vũ khí ổn định Việc sử dụng phương trình Ché zy với độ thô đại diện bởi hệ số Manning, cùng với các chi tiết về độ dốc của ống, hình dạng và kích thước mặt cắt ngang, cho phép độ sâu dòng chảy và vận tốc trung bình có liên quan trong các điều kiện đặc biệt của dòng chảy đồng đều ổn định. Do đó, nếu A là một hàm đã biết của độ sâu h, tức là A (h), và m cũng là một hàm đã biết của h, tức là m (h), độ sâu của dòng chảy để có tốc độ dòng chảy đều và ổn định Q được đưa ra khi phương trình Manning được thỏa mãn: S0 - Q2/C2A(h2)m(h) = 0
48 Apart Đối với các đường ống được lấp đầy một phần, có độ sâu dòng chảy tối ưu để có vận tốc và lưu lượng tối đa. Khi mức dòng chảy tăng lên cùng với sự gia tăng dòng chảy, một điểm vượt quá mà chu vi thấm ướt sẽ tăng rất nhanh so với diện tích dòng chảy, chỉ đơn thuần là hệ quả của tiết diện tròn của ống. Điều này làm cho độ sâu trung bình thủy lực, và do đó vận tốc, giảm. Vì tốc độ dòng chảy là sản phẩm của diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy và vận tốc, nên cuối cùng tốc độ dòng chảy cũng sẽ giảm khi độ sâu tăng lên, vì tốc độ giảm xuống lớn hơn diện tích tăng. Độ sâu của sự xuất hiện của những hiện tượng này có thể được xác định cho các kênh mặt cắt tròn.
Apart49 Đối với phóng điện tối đa, kết quả phụ thuộc vào việc lựa chọn công thức điện trở. Chọn phương trình Chezy, độ sâu xả tối đa có thể là 95% đường kính, độ sâu tại đó độ sâu trung bình thủy lực m = 0,277 D . Bản phác thảo dưới của hình 8.4 minh họa hiệu ứng này. Do đó, lưu lượng tối đa có thể được biểu thị bằng phần trăm của tốc độ dòng chảy đầy lỗ khoan là h → D và m → 0,25D : Hình 8.5: Dòng chảy cho phép đối với dải dốc có độ sâu lớn nhất bằng nửa đường kính.lượng theo độ sâu 1/200 dốc 1/100 dốc 1/50 dốc 1/25 dốc0752510050125150 0 100 200 300 đường kính ống mm
50 Apart DÒNG CHẢY BỀ MẶT ỔN ĐỊNH, KHÔNG ĐỒNG NHẤT, TỰ DO
Apart51 D òng chảy ổn định đồng đều trong xây dựng mạng lưới thoát nước, được đặc trưng bởi việc đạt được độ sâu dòng chảy bình thường, là điều đặc biệt. Khi có sự thay đổi về độ dốc, đường kính hoặc độ nhám của ống, dòng chảy sẽ có những thay đổi về độ sâu và vận tốc theo hướng dòng chảy, trong khi tốc độ dòng chảy tổng thể không đổi. Năng lượng riêng của dòng chảy, E, tại bất kỳ mặt cắt nào có thể được xác định theo độ sâu cục bộ và tốc độ dòng chảy, từ phương trình Bernoulli, như sau: E= h + Q2/2gA2 trong đó A là một hàm của h, tức là A (h). Có hai ng hiệm thực khả thi cho h tại Q và E cho trước và một độ sâu, độ sâu tới hạn, hc, nơi hai gốc trùng nhau. Ở độ sâu này, năng lượng cụ thể là tối thiểu đối với Q nhất định và tốc độ dòng chảy là tối đa đối với E.
52 Apart 1 - Q2Tc / gA3c = 0 Trong đó Tc và Ac lần lượt là chiều rộng bề mặt dòng chảy và diện tích mặt cắt ngang khi h hc, độ sâu tới hạn (hình 8.6). Vận tốc dòng chảy khi dòng chảy Q có độ sâu hc được cho trực tiếp là Vc = Qc / Ac Vận tốc này trở nên quan trọng trong việc phân loại các dòng chảy. Cần lưu ý rằng hc không phụ thuộc vào độ dốc và độ nhám của ống và chỉ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và hình dạng mặt cắt ngang của kênh. Điều kiện dòng chảy tới hạn xảy ra ở năng lượng cụ thể tối thiểu cho một tốc độ dòng chảy nhất định và do đó chia các chế độ dòng chảy có thể có thành dòng chảy tới hạn, hoặc yên tĩnh, dòng chảy và siêu tới hạn, hoặc dòng chảy, dòng chảy. Hai chế độ này được đặc trưng tương ứng bởi dòng chảy sâu, chuyển động chậm và nông, nhanh. Loại thứ hai là tiêu chuẩn trong việc xây dựng các công trình mạng lưới thoát nước, ngoại trừ những chiều dài ống ở phía thượng lưu của các điểm giao nhau, nơi hạn chế dòng chảy do hợp lưu của các dòng gây ra một vùng của dòng chảy dưới tới hạn cưỡng bức kết thúc trong một bước nhảy thủy lực ngược dòng khi chuyển tiếp từ điều kiện siêu tới hạn. Các thuật ngữ dưới tới hạn và siêu tới hạn cũng đề cập đến khả năng của các sóng bề mặt nhỏ truyền theo dòng chảy. Có thể chỉ ra rằng (Swaffield và Galowin 1992) rằng vận tốc truyền của sóng bề mặt là: Lấy vận tốc dương khi xuôi dòng, tốc độ sóng c so với ống là (gA / T)0.5 +V xuôi dòng và (gA / T)0.5 _ V ngược dòng. Do đó nếu V > (gA / T)0.5, sóng không thể đẩy ngược dòng. Cần lưu ý rằng giá trị này của V tương ứng với vận tốc tới hạn. Tương tự nếu V < (gA / T)0.5 thì sóng có thể truyền theo một trong hai hướng.
Apart53
54 Apart
Apart55 Xét về chế độ dòng chảy dưới tới hạn và siêu tới hạn, sóng không thể truyền ngược dòng trong dòng chảy siêu tới hạn nhưng có thể làm như vậy trong dòng chảy dưới tới hạn. Các chế độ dòng chảy này được xác định trước bởi một hệ số không thứ nguyên, số Froude, Fr , trong đó: Do đó nếu Fr > 1 thì dòng chảy là siêu tới hạn; nếu Fr<1 luồng là dưới tới hạn. Thuật ngữ A/T được định nghĩa là độ sâu trung bình, không nên nhầm lẫn với độ sâu trung bình thủy lực, m. Đối với kênh hình chữ nhật, phân tích ở trên sẽ cho kết quả Fr = V/(gH)0.5 trong đó H là độ sâu dòng chảy trong kênh. Định nghĩa các dòng chảy thành các chế độ tới hạn và siêu tới hạn sẽ trở nên quan trọng trong việc xử lý các dòng chảy ổn định không đồng đều và không ổn định sau này. Q E h h Dòng chảy tới hạn Dòng tĩnh hoặc dòng tới hạn Dòng siêu tới hạn hoặc dòng bề mặt Dòng chảy siêu tới hạn h C h C Qmax E min Hình 8.6: Dòng luân phiên cho năng lượng riêng không đổi E và dòng Q
