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

m ) Hmax (m) Tf Coät nöôùc cuoái oáng aùp löïc coù keå nöôùc va 4/4/2013 12 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 67 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH NƯỚC VA TỔNG QUÁT PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 68 1 1 2 2 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 69 2. PHƯƠNG PHÁP SỐ (TỔNG QUÁT): Ta có 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: (10) 0 2 sin 1       D VfV g x p t V   PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 70 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 71 Phương trình liên tục: (11) t, x biến độc lập. a tốc độ truyền sóng nước va V vận tốc trung bình. p áp suất tại tâm mặt cắt. D đường kính ống. 02       x V a t p  e D E K K a   1 /2  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 72 Hệ phương trình (10) và (11) cho phép xác định 2 ẩn số V và p theo thời gian.  Sử dụng pp. Sai phân hửu hạn Sử dụng pp. Phần tử hửu hạn  Sử dụng pp. Đường đặc trưng 4/4/2013 13 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 73 Ví dụ: Đường ống dài 1850m, đường kính thay đổi từ 2,5m3,0m. Chiều dày 40mm20mm. Lưu lượng max 39m3/s, có 2 tuabin. Ma sat giữa nước và thành có f=0,025. Thời gian đóng van 8’’. Lời giải bằng phương pháp sai phân tham khảo như sau: PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 74 200 300 400 500 600 700 800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) p ( m H 2 O ) Cuối ống Giữa ống NƯỚC VA DƯƠNG T t PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 75 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) p ( m H 2 O ) NƯỚC VA ÂM Cuối ống Giữa ống PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 76 DỰ ÁN THƯỢNG KONTUM PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 77 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0 10 20 30 40 50 60 T (s) p(mH2O) NƯỚC VA DƯƠNG Cột nước áp suất tỉnh PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 78 700 750 800 850 900 950 1000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 T (s) p(mH2O) NƯỚC VA ÂM Cột nước áp suất tỉnh 4/4/2013 14 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 79 TÍNH TOÁN NƯỚC VA THEO QUY PHẠM VIỆT NAM PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 80 Định nghĩa: • T <=tf : nước va trực tiếp. • T >tf : nước va gián tiếp. T thời gian đóng (mở) van (4’’-12’’). tf=2L/a: thời gian truyền sóng nước va trên đoạn đường 2L. L: chiều dài ống áp lực. a: tốc độ truyền sóng nước va PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 81 a: vận tốc truyền sóng NƯỚC VA TRỰC TIẾP Giá trị nước va max: Định nghĩa hệ số: v 0 0 cH H H a(V V ) / g     0 c 0 0 a(V V )H H gH     e d * E K 1 1425 a   PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 82 V0: vận tốc TB dòng chảy trước khi đóng van. Vc: vận tốc TB dòng chảy sau khi đóng van HV: áp lực max (mH2O) do nước va + cột áp tỉnh. H0: cột áp tỉnh. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 83 NƯỚC VA DƯƠNG GIÁN TIẾP Gọi t thời điểm nước va dương max xảy ra:  Nếu t <=tf: nước va pha đầu.  Nếu t >tf: nước va pha cuối. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 84 200 300 400 500 600 700 800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T (s) p ( m H 2 O ) NƯỚC VA DƯƠNG T t Giá trị max 4/4/2013 15 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 85 Gọi hệ số Allievi: Gọi hệ số liên quan đóng van: Đặt: 02 aV gH       0 H H    0L2 aT  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 86 Có 2 trường hợp: - T/h 1:  < 1nước va gián tiếp pha đầu. Theo Calame-Gaden: Từ đó: 2 1 ( 1)        HHHH*H 0V0  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 87 - T/h 2:  > 1 nước va gián tiếp pha cuối. * Nếu ζ>=50% theo Allievi: * Nếu ζ>=50% theo Calame-Gaden: * Nếu ζ<50% theo Sparre:  2 4 2       2 2      1.1  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 88 Chú ý Sau khi có  ta tính giá trị gia tăng áp suất do nước va: 0H.H  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 89 NƯỚC VA ÂM • Nước va âm cực tiểu pha đầu (t<tf): • Nước va âm cực tiểu pha cuối (t>tf): • Tính gần đúng khi ζ<50%: CHÚ Ý: Giá trị nước va còn phụ thuộc vào loại tuabin (francise), thiết bị và quy trình đóng mở van. 2 1      2( 4) 2         2 2      PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 90 Bài tập: Đường ống dài L=850m chịu cột nước tỉnh H0=294m. Vận tốc TB dòng chảy trong ống V=6m/s. Giả thiết a=1100m/s, thời gian đóng van 7’’. Tính giá trị nước va dương theo QPVN. 4/4/2013 16 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 91 Bài giải: ( > 1  nước va gián tiếp pha đầu) Giá trị nước va lớn nhất cuối ống: 28.0 2 2       0 1.14 2 aV gH    0 1100*7 4.53 2 2*850 at L     1.14 0.25 4.53       m3.82294*28.0HH 0   PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 92 Bài tập: Đường ống áp lực dài 750m, cột nước tỉnh H0=200m. Vận tốc trung bình trong ống 6,5m/s. Giả thiết a=1200m/s, thời gian đóng van 8’’. a. Nước va gián tiếp hay trực tiếp? b. Tính giá trị nước va theo Quy phạm VN. c. Đường ống thép có d=2m, [σ] =20kN/cm2. Tính chiều dày thành ống để chịu được giá trị cột nước HV với hệ số an toàn là 2. (Xem ôn ở sau, tính lực dọc CV ống tròn có áp suất đều p tác dụng) PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 93 Bài tập: Giống câu hỏi bài tập trước với H0=250m, L=750m,V=7m/s, a=1000m/s & t=8’’. PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 94 Ôn: Xác định lực dọc T theo chu vi ống tròn bán kính R khi chịu áp suất p phân bố đều bên trong: p R T=f(p,R) A A PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 95 Bài tập: Hãy dùng phương pháp sai phân hiện (xem giải thích sau), lập phương trình sai phân và sơ đồ khối để giải bài toán nước va được biểu diễn bởi hệ phương trình sau (V và H là lời giải cần tìm, ống chia thành 2 đoạn như nhau). Phương trình lực: 0 2 sin 1       D VfV g x p t V   PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 96 Phương trình liên tục: t, x biến độc lập. V vận tốc trung bình. p áp suất tại tâm mặt cắt. D đường kính ống. 02       x V a t p  e D E K K a   1 /2  4/4/2013 17 PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 97 HƯỚNG DẪN PP. SAI PHÂN CƠ BẢN Sơ đồ sai theo thời gian: Sai phân tiến theo không gian: t ff t f ti 1t i       x ff x f ti t 1i       PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 98 Sơ đồ sai phân hiện: f là hàm cần sai phân. giá trị hàm f tại nút i ở thời điểm mới giá trị hàm f tại nút i+1 ở thời điểm cũ 2 ff f t i t 1i   1t if  t 1if  PGS. TS. Nguyễn Thống THỦY NĂNG & THỦY ĐIỆN Ch.8: Đường ống áp lực & hiện tượng nước va 99 HẾT