Kết quả nghiên cứu hệ số động năng Coriolis trong máng kính - Lê Văn Hùng

Nội dung text: Kết quả nghiên cứu hệ số động năng Coriolis trong máng kính - Lê Văn Hùng

1. KếT QUả NGHIÊN CứU Hệ Số ĐộNG NĂNG CORIOLIS ( ) TRONG MáNG KíNH Ts. Lê văn hùng Bộ môn Thi công, Khoa Công trình- ĐHTL Tóm tắt: Thí nghiệm mô hình thủy lực đòi hỏi phải lựa chọn tiêu chuẩn tương tự, tỷ lệ mô hình Mô hình dòng chảy đến phía thượng lưu công trình cũng rất quan trọng. Những kết quả thí nghiệm sau đây sẽ minh chứng ý nghĩa quan trọng này. 1. Các vấn đề lý thuyết về hệ số động năng b) Đối với dòng có mặt cắt ngang có kích (hệ số Coriolis) thước hữu hạn (chất lỏng thực) p v2 p v2 1.1. Phương trình Becnuii đối với dòng ổn định 1 1 1 2 2 2 z1 z2 h Phương trình Becnuii biểu thị qui luật bảo  2g  2g w1-2 toàn năng lượng trong dòng chảy. hoặc E1 = E2 + hw1-2 a) Đối với dòng nguyên tố của chất lỏng không trong đó v1 và v2 – lưu tốc trung bình ở mặt nhớt; không nén được, phương trình có dạng: cắt 1-1 và 2-2 p u2 và - hệ số động năng (hệ số Coriolis) z H const 1 2  2g tức là hệ số hiệu chỉnh lúc tính đến động năng z đơn vị theo lưu tốc trung bình V cho cả tiết diện; 2 1 - 2 3 1 w h thường lấy 1 = 2 = . 3 2 1 - g u 1 2 w Phương trình Becnuii cho dòng chảy được h 2 2 g 2 3 u 2 g u 2 dùng trong điều kiện chuyển động thay đổi dần, 1  p lực thành phần chiếu của lưu tốc và gia tốc lên 3 2   p p mặt phẳng trực giao với hướng chảy là có thể bỏ qua. 1 z Trị số của hệ số phụ thuộc vào phân bố của 2 z 3 z lưu tốc địa phương trong tiết diện và được xác định theo công thức: 0 1 2 3 x 2 3 Hình 1 u d u d  1 3   Đối với chất lỏng thực, ta có phương trình v2  v3  cho các mặt cắt 1-1; 2-2 và 3-3: hoặc thông thường trong điều kiện lòng dẫn p u 2 p u 2 z 1 1 z 2 2 h z h Hhở cvà đường ống, có thể bỏ qua số hạng thứ ba, 1  2g 2  2g w1-2 3  2g w1-3 và ta có công thức sau: 2 2 p3 u3 u d z z h z h H const  1  2 g 2  2 g w 1-2 3  2 g w 1-3  1 3 1,0 v2  trong đó, mỗi thành phần đều có thứ nguyên trong đó u = u - v chiều dài. u - lưu tốc tại điểm M nào đó của tiết diện z - độ cao vị trí của điểm ta xét; (lưu tốc địa phương); p - độ cao đo áp hay cột nước đo áp; Q  v - lưu tốc trung bình mặt cắt. 2  u - độ cao lưu tốc hay cột nước lưu tốc; 2g hw - cột nước tổn thất. 3
2. y C 20 40 60 80 B B' 1,53 1,13 1,06 1,03 v Đối với đường ống tròn, khi lưu tốc phân bố u 2 2 theo qui luật parabol u a(r0 r ) , ví dụ với dòng chảy tầng thì hệ số = 2. Theo A.Đ.Antsun hệ số được xác định bởi công thức: 1 2,65 O Hình 2 trong đó  là hệ số sức cản dọc đường; Nếu lưu tốc tại tất cả các điểm trên mặt cắt l v2 h  ; Trong thực tế với dòng chảy rối, ướt bằng nhau và bằng lưu tốc trung bình (u = v) w d 2g thì hệ số = 1. thường người ta lấy = 1,1 ; trong trường hợp Nếu chuyển động là song phẳng và lưu tốc v2 lúc nhỏ so với h , hoặc trong những tính phân bố theo đường thẳng OB hoặc OB’ (hình 2) 2g w thì hệ số = 2. Nếu lưu tốc phân bố theo toán kém chính xác hơn, có thể lấy: = 1,0. parabol ứng với phương trình u = kyn thì hệ số 2. Thí nghiệm xác định hệ số Coriolis ( ) được xác định theo công thức: trên máng kính trong phòng thí nghiệm 2 u d n2  1 3  1 3 Mục đích của thí nghiệm là xác định sự phân v2  2n 1 bố lưu tốc và trị số . Qua đó đánh giá mức độ hoặc chính xác hơn: quan trọng của việc làm êm dòng chảy và bảo 3 n2 n n 1 đảm phù hợp với thực tế của dòng chảy đến ở 1 3 1 thượng lưu công trình khi thí nghiệm mô hình 3n 1 3 3n 1 thủy lực. lúc n 1 thì > 2. Thí nghiệm đã được thực hiện trên máng kính Theo tài liệu của V.N.Evreinôp có thể lấy gần có mặt cắt chữ nhật với bề rộng đáy B=62cm, đúng: máng dài 20m. Đập tràn đỉnh rộng ngưỡng chữ 210 =1+ 2 nhật đặt cách mặt cắt đầu máng kính là 10m. Vị C trí mặt cắt đo phân bố lưu tốc ở cách ngưỡng Trong đó C là hệ số Sêdi trong công thức tràn 4m về phía thượng lưu, nơi mực nước không v C R i đổi (nằm ngang). 5 2 1 3 4m 4 10m 1 2 3 Hình 3. Sơ đồ thủy lực thí nghiệm trên máng kính 4
3. 1- Các ống nhựa làm êm dòng chảy vào thường sử dụng, sẽ dẫn đến sai khác đáng kể, máng; 2- Vị trí mặt cắt ướt đo lưu tốc; 3- nhất là đối với thí nghiệm mô hình thủy lực có Ngưỡng tràn trên máng; 4- Các lỗ làm êm dẫn tỷ lệ mô hình nhỏ. nước vào khoang trước máng; 5- Tràn thành Trong thực tế thí nghiệm mô hình, nếu chúng mỏng cửa tam giác đo lưu lượng. ta không có biện pháp mô tả chính xác hướng Nếu trên mặt cắt ướt xây dựng được đường của dòng chảy tới gần công trình thì kết quả thu đẳng tốc thì gần đúng ta xác định được hệ số được có sai khác rất lớn. Ví dụ như trong máng Coriolis ( ) như sau: kính, nếu ta thiếu hệ thống ống để nắn thẳng n ống dòng trước khi vào máng sẽ xuất hiện dòng F v3  i i ngoằn ngoèo, chủ lưu thay đổi liên tục. Hay ví i 1 F v3 dụ như dòng chảy từ thượng lưu về công trình trong mô hình bị đổi dòng chủ tùy tiện hay chảy trong đó: vi là lưu tốc trung bình trên diện vòng xoáy thì kết quả thí nghiệm mô hình sẽ tích ướt Fi giới hạn giữa hai đường đẳng tốc; F là diện tích mặt cắt ướt; v là lưu tốc trung bình thiếu độ tin cậy. của mặt cắt. Trình tự tiến hành thí nghiệm như sau: Đo 40 lưu tốc tại mặt cắt số 2 (xem hình 3). Dùng lưu tốc kế đo lưu tốc tại các điểm từ 1 đến 7 phân bố 30 theo chiều sâu dòng chảy ở 5 vị trí từ I đến V phân bố theo chiều ngang mặt cắt (xem hình 4). 20 I II III IV V m c 5 . 7 10 2 6 5 0 0 10 20 30 40 50 60 4 1) Q=9.16 (l/s); H=40.91 (cm); V=3.61 (cm/s) 3 2 50 m c 1 7 3 . 3 4 7 20cm 40 62cm Hình 4. Phân bố vị trí các điểm đo lưu tốc 30 Kết quả thí nghiệm thể hiện trên hình 5 và bảng 1 cho ta những nhận xét: 20 Khi dòng chảy phân bố đối xứng, dòng chủ đi qua tim mặt cắt ướt thì trị số nhỏ. Khi dòng chủ lệch về một phía thì trị số tăng 10 mạnh. Khi lưu lượng lớn (tỷ số H/B>1) thì ảnh 0 0 10 20 30 40 50 60 hưởng của thành bên rất rõ rệt. Phân bố lưu tốc 2) Q=90.62 (l/s); H=57.42 (cm); V=25.45 (cm/s) càng không đều, chủ lưu thay đổi dẫn đến việc lấy trị số =1.001.10, như chúng ta vẫn 5
4. 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 3) Q=120.32 (l/s); H=61.56 (cm); V=31.52 (cm/s) 4) Q=153.83(l/s); H=65.67 (cm); V=37.78 (cm/s) Hình 5. Kết quả xác định phân bố lưu tốc với các trị số lưu lượng khác nhau Bảng 1. Kết quả xác định ứng với các trị số lưu lượng khác nhau Q= 9.16 (l/s) H= 40.91 (cm) F= 2536.42 (cm2) V= 3.61 (cm/s) 2 2 3 3 3 V(cm/s) F(cm ) F(cm ) Vi (cm/s) F*Vi F*Vi =( F*Vi )/FV 4.484 0.0 492.6 4.442 43174.8 2188.1 4.400 492.6 323.7 4.300 25736.4 1391.9 4.200 816.3 385.7 4.150 27567.3 1600.7 4.100 1202.0 526.0 3.950 32417.3 2077.7 3.800 1728.0 217.0 3.600 10124.4 781.2 3.400 1945.0 107.0 3.200 3506.2 342.4 3.000 2052.0 62.0 2.850 1435.2 176.7 2.700 2114.0 422.4 1.350 1039.3 570.2 0.000 2536.4 145000.8 9128.9 1.214 Q= 90.62 (l/s) H= 57.42 (cm) F= 3560.04 (cm2) V= 25.45 (cm/s) 2 2 3 3 3 V(cm/s) F(cm ) F(cm ) Vi (cm/s) F*Vi F*Vi =( F*Vi )/FV 36.710 0.0 45.8 36.4 2198763.2 1663.6 36.000 45.8 135.9 34.5 5579725.4 4687.9 33.000 181.6 421.7 31.5 13179352.3 13282.3 30.000 603.3 352.9 29.0 8606878.1 10234.1 28.000 956.2 580.1 27.0 11418108.3 15662.7 26.000 1536.3 279.2 25.5 4629519.9 7119.6 25.000 1815.5 655.5 24.0 9061632.0 15732.0 23.000 2471.0 217.0 22.5 2471765.6 4882.5 22.000 2688.0 99.9 21.5 992843.7 2147.9 21.000 2787.9 183.0 19.5 1356922.1 3568.5 18.000 2970.9 47.0 17.5 251890.6 822.5 17.000 3017.9 542.1 8.5 332917.2 4607.9 0.000 3560.0 60080318.3 84411.4 1.023 Q= 120.32 (l/s) H= 61.56 (cm) F= 3816.72 (cm2) V= 31.52 (cm/s) 2 2 3 3 3 V(cm/s) F(cm ) F(cm ) Vi (cm/s) F*Vi F*Vi =( F*Vi )/FV 47.220 0.0 206.7 44.6 18350045.5 9220.9 6
5. 42.000 206.7 192.9 41.0 13294860.9 7908.9 40.000 399.6 246.8 39.0 14639929.2 9625.2 38.000 646.4 202.6 37.0 10262297.8 7496.2 36.000 849.0 663.5 34.0 26078204.0 22559.0 32.000 1512.5 550.5 31.0 16399945.5 17065.5 30.000 2063.0 686.0 28.5 15880299.8 19551.0 27.000 2749.0 271.4 26.0 4770126.4 7056.4 25.000 3020.4 170.3 23.5 2210132.1 4002.0 22.000 3190.7 43.8 21.5 435300.8 941.7 21.000 3234.5 39.5 20.5 340297.4 809.8 20.000 3274.0 531.0 10.0 531000.0 5310.0 0.000 3805.0 123192439.5 111546.6 1.030 Q= 153.83 (l/s) H= 65.67 (cm) F= 4071.54 (cm2) V= 37.78 (cm/s) 2 2 3 3 3 V(cm/s) F(cm ) F(cm ) Vi (cm/s) F*Vi F*Vi =( F*Vi )/FV 62.980 0.0 50.8 62.490 12396391.6 3174.5 62.000 50.8 173.2 58.500 34674921.5 10132.2 55.000 224.0 292.5 52.500 42325664.1 15356.3 50.000 516.5 493.4 47.500 52878603.1 23436.5 45.000 1009.9 597.5 42.500 45867460.9 25393.8 40.000 1607.4 567.6 37.500 29932031.3 21285.0 35.000 2175.0 654.6 33.500 24609932.5 21929.1 32.000 2829.6 228.8 31.000 6816180.8 7092.8 30.000 3058.4 195.8 29.000 4775366.2 5678.2 28.000 3254.2 136.8 27.000 2692634.4 3693.6 26.000 3391.0 153.4 24.000 2120601.6 3681.6 22.000 3544.4 33.4 21.500 331941.7 718.1 21.000 3577.8 459.2 10.500 531581.4 4821.6 0.000 4037.0 259953311.0 146393.2 1.184 TàI LIệU THAM KHảO [1]. Trường Đại học Thuỷ Lợi 1998, Giáo trình Thuỷ Lực tập 1, 2, 3. NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội [2]. Nguyễn Văn Cung, Sổ tay kỹ thuật thủy lợi tập 1, NXB Nông nghiệp, Hà Nội 1979 [3]. P.G. KIXÊLEP, Bản dịch của Lưu Công Đào và Nguyễn Tài, Sổ tay tính toán thủy lực, NXB Nông nghiệp Hà Nội & NXB “MIR” Maxcơva 1984 [4]. Trần Quốc Thưởng, Thí nghiệm mô hình thủy lực công trình, NXB Xây dựng, Hà Nội 2005 Abstract: THE RESULTS OF THE CORIOLIS COEFFICIENT ( ) EXPERIMENT ON TESTING FLUME Dr. Eng. Le Van Hung, Water Resources University The hydraulic model experiments require choosing the similarity standards, proportion of the model The model of the upstream flow to the construction is also very important. Following results of the experiment will be partly proof of this importance. Người phản biện: PGS.TS. Phạm Văn Quốc 7