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. Ở số trước, chúng tôi đã giới thiệu tới Quý vị về các điều kiện dòng chảy và tầm quan trọng của chúng tới hệ thống đường ống nước. Hôm nay, chúng ta sẽ tiếp tục đi sâu vào các loại điều kiện dòng chảy khác một cách chi tiết hơn cũng như hiện tượng búa nước thường xuyên xảy ra trong các hệ thống lớn tại các khu vực chung trong các tòa nhà khi đóng van nước một cách đột ngột. 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!
Trong hệ thống thủy lực thoát nước, các dòng chảy cần phải trải qua quá trình chuyển đổi từ dưới tới hạn sang siêu tới hạn, hoặc ngược lại, khi độ dốc của ống, đường kính hoặc độ nhám thay đổi, hoặc khi các điểm nối và đầu cuối của ống được cắt ngang qua. Tương tự, cần phải dự đoán những thay đổi về độ sâu trong cả hai điều kiện dòng chảy khi độ sâu dòng chảy phản ứng với các điều kiện kiểm soát tại ranh giới đường ống, ví dụ: giới hạn ở đầu ra do các dòng chảy đổ về một điểm giao nhau hoặc sự giảm độ sâu trong dòng chảy dưới tới hạn khi xả vào một đường ống thẳng đứng. Những thay đổi về độ sâu dòng chảy trong những trường hợp như vậy, kéo dài ở các đường ống với đường kính khác nhau ở phía đầu vào hoặc đầu ra của đoạn kiểm soát (thường là đập nước hoặc cửa chặn) được gọi là mặt cắt nước vật nếu tốc độ dòng chảy giảm, hoặc mặt cắt mực nước hạ nếu tốc độ dòng chảy tăng trong dòng chảy biến đổi dần
Dòng chảy biến đổi dần có thể được coi là một loại đặc biệt của dòng chảy ổn định không đồng nhất. Trong đó, các thông số dòng chảy được giả định biến đổi chậm đến mức có thể lấy gần đúng giá trị lực ma sát cục bộ trên bất kỳ đoạn nhỏ chiều dài đường ống nào ( ∆ L), giá trị này bằng với tổn thất dòng chảy ổn định đồng nhất tương đương dựa trên vận tốc dòng chảy cục bộ và độ sâu và được tính toán thông qua phương trình Chezy. Có thể chỉ ra rằng mối quan hệ giữa độ sâu và chiều dài dòng chảy trong một mặt cắt nước vật như vậy trong dòng chảy dưới tới hạn hoặc dòng chảy siêu tới hạn được cho bởi tích phân: (8.4)
Tử số và mẫu số của tích phân này lần lượt là các biểu thức cho độ sâu tới hạn và bình thường được nhắc tới ở trên. Nếu tử số bằng 0, thì lưu lượng là tới hạn và không có sự biến đổi với L để h biến đổi, tức là điều kiện cho bước nhảy thủy lực. Nếu mẫu số có xu hướng bằng không thì dòng chảy ổn định đồng đều và không xảy ra sự thay đổi về độ sâu, tức là dòng chảy ở độ sâu bình thường đối với độ dốc, đường kính và độ nhám của ống đó. Một lần nữa, thực tế là các hệ thống thoát nước trong tòa nhà sử dụng các đường ống tròn chỉ ra rằng các số hạng A, m, T đều là các hàm số của độ sâu h và phép tích phân phải được tiếp cận bằng số lượng.
Điều kiện dòng chảy tới hạn phải xảy ra nếu dòng chảy thay đổi từ dưới tới hạn sang siêu tới hạn. Trong phương trình Chezy và các phương trình liên quan, sự phân bố áp suất hướng xuống dưới qua chất lỏng tại bất kỳ mặt cắt nào được coi là thủy tĩnh, p = ρgh tại A (xem hình 8.7). Điều này được coi là đúng trong trường hợp các dòng nước được giả định là song song với nhau và không có gia tốc đáng kể nào vuông góc với hướng dòng chảy trung bình. Với đường thoát tự do, các gia tốc ở bờ miệng ống sẽ lớn và theo phương thẳng đứng và do đó giả thiết thủy tĩnh bị phá vỡ, dẫn đến sự phân bố áp suất thấp hơn nhiều, như thể hiện tại B trong hình 8.7. Do đó, dòng chảy tăng tốc giữa A và B, và khi tốc độ dòng chảy không đổi, điều này dẫn đến giảm độ sâu dòng chảy nhanh chóng. Độ sâu tới hạn về mặt lý thuyết nên xảy ra ở bờ miệng ống; tuy nhiên, khi dòng chảy qua bờ vực rất cong, các giả thiết cần thiết sẽ bị phá vỡ và phần độ sâu tới hạn thực tế xảy ra ở thượng nguồn.
Theo thực nghiệm, độ sâu tại bờ miệng ống đã được tìm thấy là khoảng 70% so với tới hạn; phần độ sâu tới hạn xảy ra từ 3 đến 4hc ở phía thượng lưu của bờ. Năng lượng riêng giảm từ giá trị độ sâu bình thường của nó tại A đến cực tiểu tại phần độ sâu tới hạn. Đường cong hướng xuống AC có thể được xác định bằng tích phân; Các giới hạn độ sâu được chia nhỏ là độ sâu bình thường phía thượng lưu tại A và độ sâu tới hạn tại C trong cả hai trường hợp. Tích phân bắt đầu tại C và do đó tạo ra khoảng cách ngược dòng từ C cần thiết cho mỗi ∆h bằng nhau từ hc đến hn Điều này minh họa một điểm quan trọng trong dòng chảy dưới tới hạn thay đổi dần, cụ thể là việc kiểm soát nằm ở hạ lưu. Dòng chảy siêu tới hạn tiếp cận đường thoát tự do hoặc sự thay đổi độ dốc của đường ống là vẫn “không biết” về sự thay đổi vì không thể cung cấp thông tin ở thượng nguồn. Do đó, dòng siêu tới hạn sẽ thoát ra một đường ống thẳng đứng chỉ có nhiễu cục bộ ở bờ miệng ống.
Sự tham gia của các dòng chảy trong một hệ thống chắc chắn sẽ dẫn đến sự gia tăng độ sâu cục bộ do quá trình trộn lẫn dòng chảy. Phạm vi của điều này có thể bị hạn chế bởi thiết kế có điểm giao tốt; tuy nhiên, nó là một điều kiện luôn tồn tại. Phương pháp tiếp cận dòng chảy đến một điểm giao nhau như vậy sẽ đáp ứng bằng cách thiết lập các cấu hình nước ngược dẫn từ độ sâu dòng chảy ngược dòng bình thường đến độ sâu áp đặt tại điểm nối. Trong trường hợp cả độ sâu áp đặt tại điểm giao nhau và độ sâu tiếp cận đều nhỏ hơn hoặc đều lớn hơn tới hạn, phương trình (8.4) có thể được sử dụng, độ sâu tại điểm giao mang lại sự kiểm soát ở hạ lưu và được xác định bằng thực nghiệm đối với bất kỳ dạng hình học nào của điểm giao. Tuy nhiên, trong phần lớn các trường hợp, điều này sẽ không xảy ra và cả hai cấu hình sẽ bao gồm bước nhảy thủy lực.
Bước nhảy thủy lực (hình 4.9) là một ví dụ quan trọng của dòng chảy cục bộ thay đổi nhanh chóng. Giả thiết cơ bản trong quá trình xử lý trước đây về dòng chảy thay đổi dần là các thông số dòng chảy thay đổi đủ chậm để cho phép sử dụng các phương trình Chezy hoặc Manning. Trong dòng chảy thay đổi nhanh chóng, tốc độ thay đổi của các thông số dòng chảy là quá lớn để hỗ trợ giả định này.
Hình 8.8: Bước nhảy thủy lực trong kênh ngang - độ sâu liên kết và năng lượng riêng
Về mặt lý thuyết, mặt nước từ dòng chảy siêu tới hạn đến dưới tới hạn là thẳng đứng khi nó đi qua độ sâu tới hạn. Trong thực tế, điều này không thể xảy ra và quá trình chuyển đổi có dạng một mặt nước dốc dốc có chiều dài hữu hạn. Bước nhảy này có liên quan đến các điều kiện dòng chảy ‘hỗn loạn’ dữ dội và ‘mất mát’ năng lượng tập trung lớn, hoặc tiêu tán do hình thành xoáy; xem hình 8.8 và hình 4.9. Khi dòng chảy ổn định, bước nhảy sẽ đứng yên trong dòng chảy. Do đó, cả phương trình liên tục và động lượng có thể được áp dụng trên bước nhảy để xác định độ sâu liên hợp ở thượng và hạ lưu của sự gián đoạn, h1 và h2: pA2(gh1 + Q²/A²)= pA2(gh+ Q2/A²)
Trong đó h1,2 là độ sâu tâm tương ứng. Sự mất năng lượng trong bước nhảy có thể được biểu thị bằng sự thay đổi năng lượng cụ thể từ phần 1 đến phần 2 trong hình 8.8. Việc xác định các mặt cắt nước rút hoặc nước đọng đã được giới thiệu cho các trường hợp đã biết độ sâu đoạn kiểm soát thích hợp. Đối với các trường hợp đã xác định, tức là khi độ sâu kiểm soát thượng nguồn nhỏ hơn tới hạn nhưng độ sâu hạ lưu lớn hơn tới hạn, thì cần xác định vị trí nhảy; hồ sơ độ sâu tổng thể được xác định trong hai phân đoạn, cho đến bước nhảy và sau đó đến phần kiểm soát hạ nguồn. Hai trường hợp sẽ được xem xét, trường hợp đầu tiên khi dòng chảy ngược dòng của bước nhảy được phát triển đầy đủ, tức là độ sâu của nó là độ sâu bình thường siêu tới hạn được xác định với độ dốc ống, đường kính và tốc độ dòng chảy, và trường hợp thứ hai khi độ sâu thượng nguồn hiện đã được biết đến .
Hình 8.9: Vị trí nhảy ngược dòng của một đường giao nhau đảo mức n
Hình 8.9 minh họa trường hợp đầu tiên, phát sinh ở phía trên của một đường giao nhau. Kiểm soát hạ lưu được gọi là hj, độ sâu tại đường giao nhau, như một hàm của tốc độ dòng chảy kết hợp và trên mức tới hạn. Độ sâu thượng nguồn, h2, là độ sâu liên hợp tại bước nhảy. Vì sự thay đổi độ sâu tổng thể hj h2 đã biết nên có thể xác định được biên dạng nước đọng từ đường giao nhau đến điểm nhảy, quá trình tích hợp bắt đầu tại điểm giao nhau và vị trí của bước nhảy do đó được tìm thấy. Trong trường hợp thứ hai, hình 8.10, độ sâu hạ lưu của bước nhảy có thể được giả định là độ sâu bình thường thích hợp với dòng chảy ổn định và độ dốc và kích thước của ống; phương trình bước nhảy có thể được sử dụng để mang lại độ sâu liên hợp ngược dòng, h1. Độ sâu điều khiển ngược dòng phụ thuộc vào dòng chảy hai pha trong đường ống. Việc tích hợp biên dạng độ sâu thay đổi dần dần từ h.e đến h1 do đó tạo ra khoảng cách của bước nhảy thủy lực từ chân đế của đường ống. Độ sâu sau đó tăng đột ngột đến độ sâu bình thường ở hạ lưu. c
Dòng chảy
Hình 8.10: Bước nhảy thủy lực xuống phía hạ lưu của một đường ống h n
Việc áp dụng kỹ thuật tích hợp cấu hình dòng chảy thay đổi dần dần, cùng với vị trí của bất kỳ bước nhảy nào trong mạng lưới đường ống, cho phép tính toán độ sâu và vận tốc dòng chảy ổn định trong toàn bộ mạng lưới đường ống và là cơ sở để xử lý mô phỏng dòng chảy không ổn định sau này .
Sự hiện diện của một điểm nối ngược mức dẫn đến độ sâu nâng cao tại tọa độ chung của đường ống, mặt cắt nước ngược trong mỗi đường ống nối sau đó phụ thuộc vào dòng chảy ổn định của mỗi đường ống; xem hình 8.9. Để dự đoán mặt cắt nước ngược và vị trí của các bước nhảy thủy lực thường đặt trong mỗi ống cấp, cần phải xác định mối quan hệ thực nghiệm liên kết hj với dòng chảy kết hợp, Q. Trong xây dựng mạng lưới thoát nước, điều kiện dòng chảy bình thường là siêu tới hạn. để các bước nhảy trở nên không thể tránh khỏi trong vùng lân cận của các điểm giao nhau. Phép đo tinh thần trên một loạt các kết hợp Q1 và Q2 cho các điểm nối đảo mức 90◦ và 135◦ cho thấy rằng h1 có thể được mô tả bằng một mối quan hệ có dạng:
trong đó K có các giá trị từ 0,29 đến 0,35 cho các đường nối 135◦ đến 90◦, với 1,75. Độ sâu tới hạn như một biến rất hữu ích với các điểm nối đầu vào, như thể hiện trong hình 8.11. Độ sâu đường giao nhau được khảo sát bằng cách đưa ra độ sâu tới hạn thích hợp với dòng chảy ổn định của cống chính, hmc, và độ sâu tới hạn liên quan đến dòng chảy hạ lưu kết hợp, hdc, dẫn đến biểu thức xác định có dạng: (hj - h mc ) / hmc = K (hdc - h mc / h mc )n Các độ sâu tới hạn này không phụ thuộc vào độ dốc và độ nhám của ống và chỉ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy và đường kính ống; kết quả điển hình cho điểm nối đầu vào 90◦ là K = 2,15 và n = 0,56.
Mặc dù như đã giải thích, dòng chảy trong việc lắp đặt dịch vụ tòa nhà thường không liên quan đến sự thay đổi mật độ, nhưng có thể dự kiến một tình huống trong đó áp suất giảm gây ra lưu lượng không khí có thể đủ lớn để xảy ra thay đổi mật độ. Điều này là trong các điều kiện giả định đối với xi phông phía sau (chương 3) - áp suất giảm đáng kể trong hệ thống cấp nước gây ra áp suất thấp hơn khí quyển tại điểm sử dụng có thể hút ngược nước từ thiết bị vào đường ống cấp nước. Hãy xem xét tình huống được minh họa trong hình 3.7 (a) và giả sử rằng có một sự sụt giảm áp suất trong đường cung cấp, khi đầu nối mở ra, hút không khí từ khí quyển vào đường ống, mặc dù không có nước. Với sự giảm áp suất của một phần nhỏ của thanh, không có sự thay đổi về mật độ khi không khí chảy qua khớp nối đầu ra, tức là không khí vẫn ở mật độ đáng kể như ở gần đó trong khí quyển.
Tuy nhiên, giả sử rằng lực hút tăng dần; vận tốc của dòng chảy sẽ tăng lên và mật độ không khí cũng giảm khi không khí đi qua ống nối vào đường ống. Cuối cùng thì đến một giai đoạn mà mối quan hệ đơn giản được nêu ở đầu chương không còn giữ được nữa. Sau đó, cần đưa ra các mối quan hệ bổ sung giữa mật độ, áp suất và nhiệt độ của không khí để làm cơ sở ước tính tốc độ dòng chảy. Hầu như không cần thiết phải thảo luận chi tiết vấn đề này ở đây - các văn bản cơ học chất lỏng đề cập đến vấn đề này cho những người quan tâm - nhưng sẽ rất hữu ích khi thảo luận về một khía cạnh cụ thể. Giả sử rằng lực hút trong đường cung cấp tiếp tục tăng, dẫn đến tăng vận tốc dòng khí qua ống nối. Có thể đạt tới tốc độ rất cao nhưng trong thực tế vẫn tồn tại một giới hạn, tương ứng với vận tốc âm thanh trong không khí (ví dụ: 340 m / s ở 15◦C).
Đối với mục đích lắp đặt thực tế, cần phải xem xét điều gì sẽ xảy ra, chẳng hạn như rò rỉ xảy ra tại S (hình 3.14) và cột nước bị đổ. Không khí được hút vào tại A và, tùy thuộc vào đường thở, một lực hút xảy ra tại W. Các thử nghiệm và tính toán thực tế, dựa trên các nguyên tắc cơ học chất lỏng được nêu ở đầu chương này, cho thấy lực hút có liên quan như thế nào đến kích thước đường thở. Thông thường trong những điều kiện này, van chống chân không cho các lắp đặt trong nước có thể được mong đợi có lực cản dòng chảy tương đương với một lỗ tròn có đường kính khoảng 9 hoặc 10 mm và giới hạn lực hút trong ống dâng trơn có kích thước danh nghĩa 28 mm đến 300 mm nước. Tương tự như vậy, có thể tính toán các kích thước lỗ tương đương cho các van được lắp đặt trên đỉnh của ống nâng kích thước lớn hơn, một lần nữa để giới hạn lực hút ở 300 mm nước. Loại phân tích này tạo cơ sở cho việc bảo vệ được mô tả trong chương 3.
