Upload
trandiep
View
218
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Základy hydrauliky pro praxiDoc. Ing. Aleš Havlík, CSc., Ing. Ivana Marešová,Ing. Daniel Mattas, CSc., Ing. Tomáš Picek, Ph.D.
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 1
Praktické aplikace hydrostatikypři navrhování vodních staveb
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 2
Průběh hydrostatického tlaku:
Hydrostatická síla prochází středem křivosti válcové plochy S
Řešení hydrostatické síly ve složkách:
ŘEŠENÍ ZATÍŽENÍ PRISMATICKÝCH ZAKŘIVENÝCH PLOCH
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 3
Válcový jez s dolní vodou
x
z2z
2x
zzxx
FFarctg,FFF
bgF,bgF
=α+=
ω⋅⋅⋅ρ=ω⋅⋅⋅ρ=
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 4
VD Kolín
PŘÍKLADY VÁLCOVÝCH JEZŮ
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 5
Lučice na Cidlině (pod Chlumcem n.C.)
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 6
DUTÁ KLAPKA
sklápění klapky (síla P na píst):momentová podmínka k ose otáčení O
zatížení osy O: silová podmínka (řešení ve složkách)
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 7
PŘÍKLADY KLAPKOVÝCH JEZŮ
Labská vodní cesta – střední Labe
VD Týnce, VD Veletov – klapkový uzávěr na celou hrazenou výšku.
VD Pardubice, VD Srnojedy – kombinace stavidlového a klapkového uzávěru.
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 8
VD Týnec
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 9
VD Veletov
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 10
VD Pardubice
VD Srnojedy
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 11
Klapkový uzávěr na jedné z plavebních komor v Hoříně (plavební kanál Vraňany – Hořín)Účel : zajištění nezámrzného průtoku v kanálu v průběhu mrazivého období (prodloužení plavby).
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 12
HYDROSTATICKÉ JEZY
ŘEŠENÍ ZATÍŽENÍ OSY OTÁČENÍ Ořešení ve složkách:
x x z1 z1 z2 z22 2
xo x zo z1 z2 o xo zo
F g b , F g b , F g b
F F , F F F G, F F F
= ρ ⋅ ⋅ ⋅ ω = ρ ⋅ ⋅ ⋅ ω = ρ ⋅ ⋅ ⋅ ω
→ = ↑ = − − = +
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 13
SKLÁPĚNÍ HYDROSTATICKÉHO JEZUmomentová podmínka k ose otáčení O:
3322
g3322
bgF,bgF0fGfFfF
ω⋅⋅⋅ρ=ω⋅⋅⋅ρ=
=⋅−⋅−⋅ (síla F1 prochází bodem O)
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 14
PŘÍKLADY HYDROSTATICKÝCH JEZŮ
Labská vodní cesta střední Labe
dolní Labe
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 15
Hydrostatické jezy na LVC :
Obříství, Dolní Běřkovice, Rodunice, České Kopisty, Lovosice
Výhody a nevýhody hydrostatických jezů
Výhody :- jednoduchá obsluha- možnost velké světlosti jednotlivých polí- nízké jezové pilíře
Nevýhody :- složitá spodní stavba (tlaková komora)- náročné na přesnost provedení- vysoké nároky na těsnění (zanášení komory splaveninami)
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 16
VD Střekov
VD Nymburk
VD Dolní Běřkovice
VD České Kopisty
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 17
Princip funkce
„Trojcestný ventil“ spojen potrubím :- s tlakovou komorou- s nadjezím (horní voda)- s podjezím (dolní voda)
Změna polohy pohyblivé konstrukce v závislosti na změně hladiny v tlakové komoře.Zvýšení polohy ⇔ zvýšení polohy úrovně hladiny v tlakové
komoře ⇔ přepuštění vody z nadjezí do tlakovékomory přes trojcestný ventil.
Snížení polohy ⇔ snížení polohy úrovně hladiny v tlakovékomoře ⇔ odpuštění vody z tlakové komory do podjezípřes trojcestný ventil.
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 18
Tlakové proudění v potrubí
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 19
ZTRÁTY TŘENÍM
g2v
DLZ
2
t ⋅⋅⋅λ=
g2v
D1
LZi
2t
E ⋅⋅⋅λ==
∆
=λD
Re,f
rovnoměrné proudění ∅D= konst, v= konst, iE=i
rovnice Darcy-Weisbachova
iE = hydraulický sklon = sklon ČEiE = a vb
součinitel ztráty třenímb = 1LP
1 < b < 2TP
přech. o.
b = 2kvadr. o.iE
vk ↔Rek=2320
vmvk vν⋅
=DvRe
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 20
SOUČINITEL ZTRÁTY TŘENÍM λ
Re),D
(f ∆=λ
(Re)f=λ
281.0D01668.0 −⋅=λ
Moodyho diagram 1 Laminární proudění
Poiseuille
2 Oblast přechodu3 Hydraulicky hladké
potrubí
4 Turbulentní proudění v přechodné oblasti
5 Hydraulicky drsné potrubí v kvadratické oblasti
Betonové potrubí propustků
)D
(f ∆=λ
Re64
=λ
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 21
MÍSTNÍ ZTRÁTY V POTRUBÍ
ztrátový součinitel ζi
VTOK (obyčejný, zaoblený, proudnicový, sací koš,zpětná klapka, mříž, …)
ζv = 0,5 0,05 ÷ 0,2 2 ÷ 20
TAB2
i ivZ2g
= ζ
∑ ∑ ∑
+=
2gv
ζDL
λZ2
jij
j
jj
Celkové ztráty = ztráty třením + ztráty místní
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 22
ZMĚNA SMĚRU (oblouk, koleno, segmentové koleno)
ZMĚNA PRŮŘEZU (náhlá x plynulá, rozšíření x zúžení)
VÝTOK
ζu = 0velká nadržζu= 1
=
DΔα,,
Drfζ s
s
= δ,
DDfζ
2
1z 6-10°
D1 D2
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 23
HYDRAULICKÝ VÝPOČET POTRUBÍ
∑ ∑=∑<< tm ZZZ
3 druhy rovnicRB RKRZ ← geometrie a drsnost potrubí, průtok
← výškové a tlakové poměry, okrajové pod.
výpočet Q, v – D – H, p
Schéma hydraulicky dlouhého potrubí:
ČE ≡ ČT
0g2vZ
g2v 2
t
2
≈⋅⋅α
⇒∑<<⋅⋅α
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 24
Schéma hydraulicky krátkého potrubí:
g2v
DLZZZ
2
imt ⋅⋅∑
∑ ξ+⋅λ=∑∑ +∑ =
∑+⋅⋅α
+⋅ρ
=⋅
⋅α+
⋅ρ+ Z
g2v
gp
g2v
gpH
2BB
2AA
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 25
• otevřené a velké nádrže
• výtok z potrubí do volna
RB: H = ∑Z
RB:
výtoková ztráta
není výtoková ztráta
pB = 0
pA = pB = 0 (přetlaky)vA = vB = 0
∑+⋅⋅α
= Zg2vH
2
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 26
Proudění v korytech
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 27
USTÁLENÉ PROUDĚNÍ VODY V KORYTECH
→ průtok konstantní, ostatní geometrické a proudové charakteristiky závislé pouze na poloze
Rovnoměrné proudění Nerovnoměrné proudění
S; y; v = konst.i = i0 = iE
y1 ≠ y2; v1 ≠ v2i ≠ i0 ≠ iE
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 28
1. Chézyho rovnice (1768)
C - rychlostní součinitel, K - modul průtoku (m3⋅s-1)
2. Manningova rovnice (1889)
n - drsnostní součinitel
porovnáním obou rovnic ⇒
ROVNOMĚRNÉ PROUDĚNÍ
0iRCv ⋅⋅= 00 iKiRSCQ ⋅=⋅⋅⋅=
21
32
iRn1v ⋅⋅=
61
Rn1C ⋅=
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 29
Tabulky
0,0450,0400,033c) zakřivená trasa, čisté koryto, tůně a peřeje0,0400,0350,030b) totéž, ale s přítomností kamenů a plevele0,0330,0300,025a) čisté, přímé, zaplněný profil, bez peřejí a tůní
Rovinné tokyn max.n stř.n min.Druh koryta
Určení n:
Vážený průměr
Horton, Einstein, Banks
Různé drsnosti po omočeném obvodě→ ekvivalentní drsnostní součinitel
O1,n1
O3,n3O2,n2
OnOn ii∑ ⋅
=
( ) 3223ii
OnOn
∑ ⋅=
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 30
- výpočet šířky koryta b → obdobně jako řešení hloubkySložené průřezy (kyneta, bermy)
! rychlosti, drsnostní součinitel, průtok Q = ∑Qi
NAVRHOVÁNÍ KORYT- výpočet rychlosti a průtoku Q → základní rovnice- výpočet sklonu dna i0 → základní rovnice- výpočet hloubky y0 → polograficky y = f(Q) (konzumční křivka)
→ početně přibližováním yi → Qi ; Q → y0
S2 S3S1
S2 S1S3
O1O2 O3
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 31
Obecná metoda po úsecích§ tvar podélného profilu dna je náhodný§ S, O, R – nelze vyjádřit analyticky → zaměřené veličiny§ volba úseků !!§ úsek charakterizovat průměrným příčným průřezem;
Řešení: z dolního profilu se známou úrovní hladiny hd
V případech náhlých změn: úseky prakticky s nulovou délkou
α vg
h2
2 α vg
d2
2∆ z
L∆
hh
io
iE
1 2
E1
Z
h d=y
d E2yh
Nerovnoměrné proudění
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 32
Zg2vh
g2vh
2d
d
2h
h +⋅⋅α
+=⋅⋅α
+
Bernoulliho rovnice 1 – 2:
( ) Zg2
vvzhh2h
2d
dh +⋅−⋅α
=∆=−
⇒=SQv
Z = Zt +Zm
LKQZ 2
p
2
t ∆⋅=
Zm → místní ztráty- nejčastěji: Zm = Zzp →ztráty změnou průřezu
ZS1
S1
g2Qz 2
h2d
2
+
−⋅
⋅⋅α
=∆
Stanovení ztát třenímZjednodušení – ztráty třením ve skutečném úseku ≈ ztráty třením v fiktivním úseku tvořeném prizmatickým korytem se zprůměrovanýmprofilem skutečného koryta v daném úseku za předpokladu rovnoměrného proudění.
pppp RSCK ⋅⋅=
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 33
Ed – energetická výška průřezu (měrná energie)
Ed = f (y) → při Q = konst.
2 2
d 2QE y y
2 gSv
2 gαα= + = +
2d
3dE Q dS1 0dy dygS
α= − =
řešení minima Ed = f (y)
S = f (y) → dS = Bdy
yk2
3Q B1- =0g S
α
PROUDĚNÍ KRITICKÉ, ŘÍČNÍ A BYSTŘINNÉ
Kritické proudění:Q = konst. → Edmin (Ed= konst. → Qmax)
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 34
- Ed = f (y) pro Q = konst.a) analyticky S = f (y), B = f (y) – možno jen výjimečně
pro obdélník: B = b, Sk = b ⋅ yk, měrný průtok Qqb
=32
2 3kk
k
SQ b yg B
α= =
223 3k 2
Qy qggb
α α= =⇒
- obecná podmínka kritického proudění ⇒ yk
2 3Q S=g B
α
Určení kritické hloubky yk
b) z Ed = f(y) ⇒ Edmin ⇒ yk
d) iterativně (postupným sbližováním)e) empirické vztahy
c) graficko-početně z obecné podmínky
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 35
s povrchovým režimem(přelivy s odrazníkem)
s dnovým režimem
Přechod režimu proudění
říční → bystřinné: plynulýpřechod
bystřinné → říční: vodním skokem
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 36
Vodní skok s dnovým režimem - struktura
Fr1 1 ,0 - 1 ,7
1,7 - 2 ,5
2,5 - 4 ,5
4,5 - 9 ,0
> 9 ,0
Fr1
Fr1
Fr1
Fr1
vlnovitý Fr1 ≤ 1,7 y2 < (1,3 ÷ 1,4) ykslabý 1,7 < Fr1 ≤ 2,5oscilující 2,5 < Fr1 ≤ 4,5prostý 4,5 < Fr1 ≤ 9 y2 > (1,3 ÷ 1,4) yksilný Fr1 > 9
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz
K141 VIN Základy hydrauliky pro praxi 37
Pro obdélníkové koryto odvození na základě věty o hybnostech:
Prostý vodní skok
Vodní skok - charakterizován vzájemnými hloubkami y1 a y2
−+= 1
gyq81
2yy 3
1
21
2
PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory www.fineprint.cz