Như chúng ta đã biết, đường ống là chất rắn, còn nước là chất lỏng có thể chảy dễ dàng. Nếu nước bên trong đường ống chảy, một phần năng lượng phải chuyển hóa thành nhiệt năng và “tiêu thụ”, tức là một phần áp lực nước (hay còn gọi là cột áp) bị mất đi. Đây là sự phản ánh sự vật khách quan và là quy luật tất yếu của sự vận động của dòng nước. Thông thường, chúng ta gọi hiện tượng chuyển hóa năng lượng này là “tổn thất năng lượng” (hay “tổn thất thủy lực”, “mất đầu”). Nó được tính bằng mét.
Bơm
Tác động của lực cản đường ống lên đầu đáng kể như thế nào?
Một số người dùng đo được rằng mặc dù khoảng cách thẳng đứng từ hồ chứa hoặc tháp nước đến mặt nguồn nước vẫn nhỏ hơn đầu bơm một chút nhưng lượng nước vẫn ít hoặc không bơm được nước. Nguyên nhân phổ biến là do đường ống quá dài và có nhiều đoạn uốn cong trong đường ống dẫn đến tổn thất điện trở quá mức của dòng nước trong đường ống. Nói chung, uốn cong 90 độ có lực cản lớn hơn uốn cong 120 độ. Tổn thất điện trở của mỗi khúc cua 90 độ là khoảng 0,5-1 mét và điện trở của mỗi 20 mét đường ống có thể gây tổn thất đầu khoảng 1 mét. Ngoài ra, một số người dùng còn thay đổi ngẫu nhiên đường kính ống đầu vào và đầu ra của máy bơm, điều này cũng ảnh hưởng nhất định đến phần đầu. Vậy điện trở đường ống ảnh hưởng đến đầu bao nhiêu? Tiếp theo, chúng ta hãy nhìn vào bảng dưới đây.
Bạn có hiểu nguyên nhân thất thoát nước do dòng nước chảy trong đường ống gây ra không? Câu 1: Là do tác dụng cản trở của thành ống thô.
2. Đó là chuyển động tương đối giữa các lớp dòng nước khác nhau. 3. Đó là dòng xoáy được hình thành do sự thay đổi nhanh chóng cục bộ của dòng nước bên trong các phụ kiện đường ống. Tổn thất thủy lực của đường ống (mạng lưới) gồm hai phần: tổn thất dọc đường ống và tổn thất cục bộ. Trong kỹ thuật, chúng ta phải tính toán và biết lượng tổn thất này để chọn đúng máy bơm và xác định cột áp bơm cần thiết.
Tổn thất đường ống dọc theo toàn bộ đường dẫn dòng chảy là lực cản ma sát xảy ra trong toàn bộ quá trình dòng chảy. Nó liên quan đến các yếu tố như độ nhám của thành ống, chiều dài ống, đường kính ống và tốc độ dòng chảy. Dựa trên các nguyên lý thủy lực, mối quan hệ của nó có thể được thiết lập.
Tổn thất dọc đường ống tỷ lệ thuận với hệ số ma sát dọc đường ống liên quan đến độ nhám của thành ống. Các vật liệu ống khác nhau có độ nhám khác nhau, ống gang tương đối thô nên hệ số ma sát dọc theo đường ống lớn hơn; ống nhựa tương đối nhẵn nên hệ số ma sát dọc theo đường ống nhỏ hơn. Nó cũng tỷ lệ thuận với chiều dài của đường ống; tỉ lệ nghịch với đường kính ống. Nghĩa là, khi tốc độ dòng chảy không đổi, đường kính ống càng nhỏ và tốc độ dòng chảy càng nhanh thì tổn thất dọc đường ống càng lớn; nó cũng tỷ lệ thuận với giá trị bình phương của vận tốc dòng chảy. Tất nhiên, việc tính toán khá phức tạp. Một phương pháp đơn giản có thể được sử dụng để ước tính.
Tổn thất cục bộ trên đường ống xảy ra khi nước chảy qua các phụ kiện như van đáy, van, khuỷu, bộ giảm tốc trong đường ống. Do các thiết bị cục bộ, mô hình luồng thay đổi; hướng và tốc độ của dòng chảy cũng thay đổi, trong quá trình chảy xuất hiện các xoáy nước khiến nước va chạm và tác động lẫn nhau. Loại tổn thất thủy lực do lực cản cục bộ này được gọi là tổn thất cục bộ.
Độ lớn tổn thất cục bộ tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ dòng nước đi qua các phụ kiện đường ống và cũng liên quan đến hình dạng và số lượng của các phụ kiện. Nếu hình dạng mặt cắt ngang của các phụ kiện thay đổi đáng kể và có số lượng lớn các phụ kiện thì tổn thất cục bộ sẽ lớn hơn. Sau khi xác định sơ đồ bố trí đường ống, cột áp tổn thất đường ống phải được tính toán bằng phương pháp tính toán, sau đó xác định cột áp thiết kế của trạm bơm. Chỉ khi đó việc lựa chọn máy bơm mới có thể được thực hiện. Tuy nhiên, quy trình tính toán tương đối phức tạp. Để đơn giản, số liệu tính toán có thể được tổng hợp thành bảng để tham khảo nhanh. Ngoài ra, có thể ước tính sơ bộ: cột nước tổn thất tương đương 30% đến 50% chiều cao nâng nước trên địa hình thực tế (đo được). Đối với đường kính ống nhỏ hơn và đường ống ngắn hơn, nên lấy giá trị lớn hơn; đối với đường kính ống lớn hơn và đường ống dài hơn, nên lấy giá trị nhỏ hơn.
Tổng tổn thất của đường ống dọc tuyến và tổn thất cục bộ có thể được tính toán bằng phần mềm hiện có, chẳng hạn như hệ thống phần mềm lựa chọn do Yi Wei phát triển, để hỗ trợ quá trình tính toán.
Tổn thất áp suất khi chất lỏng chảy trong ống thẳng
Tổn thất áp suất khi chất lỏng chảy trong ống thẳng là do ma sát trong quá trình chuyển động của chất lỏng và được gọi là tổn thất áp suất do ma sát. Nó chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài của đường ống, đường kính trong, tốc độ dòng chảy của chất lỏng và độ nhớt của chất lỏng, v.v. Tổn thất áp suất thay đổi tùy theo trạng thái dòng chảy khác nhau của chất lỏng. Trong truyền động thủy lực, dòng chảy tầng của chất lỏng trong ống tròn là phổ biến nhất, vì vậy khi thiết kế hệ thống thủy lực, người ta thường mong muốn giữ dòng chất lỏng trong đường ống ở trạng thái tầng.
Tổn thất áp suất dọc theo đường đi của chất lỏng trong đường ống. Tổn thất áp suất trong quá trình chảy tầng. Trong truyền động thủy lực, phần lớn trạng thái dòng chảy của chất lỏng là dòng chảy tầng. Ở trạng thái này, tổn thất áp suất của chất lỏng chảy qua ống thẳng có thể được tính toán về mặt lý thuyết.
Dòng chảy tầng trong ống tròn (1) Định luật phân bố vận tốc của chất lỏng trên mặt cắt ngang của dòng chảy. Như thể hiện trong hình trên, chất lỏng chuyển động theo kiểu tầng trong một ống tròn có đường kính d. Ống được đặt nằm ngang, bên trong ống đưa một hình trụ nhỏ có trục trùng với trục ống. Gọi bán kính của nó là r và chiều dài của nó là l. Các lực tác dụng lên hình trụ nhỏ này dọc theo phương trục ống là: áp suất ở đầu bên trái p1, áp suất ở đầu bên phải p2 và lực ma sát lên bề mặt hình trụ Ff. Khi đó phương trình cân bằng lực là:
Từ phương trình (2-6), chúng ta có thể kết luận:
Trong công thức: μ biểu thị độ nhớt động học. Vì gia số của vận tốc du có dấu ngược lại với gia số của bán kính dr nên dấu âm được thêm vào công thức. Ngoài ra, Δp=p1 - p2. Thay thế Δp và phương trình (2-45) vào phương trình (2-44), chúng ta thu được:
Tích phân đối với biến là:
Khi r=R, u=0. Thay thế giá trị này vào phương trình (2-47) sẽ thu được:
Sau đó
Từ công thức có thể thấy vận tốc dòng chảy u bên trong ống được phân bố dọc theo hướng bán kính theo định luật parabol. Vận tốc dòng chảy cực đại xảy ra trên trục và giá trị của nó là:
(2) Tốc độ dòng chảy trong đường ống.
Thể tích hiển thị trong Hình (b) của đạn là thể tích chất lỏng chảy qua mặt cắt dòng chảy-trên một đơn vị thời gian, tức là tốc độ dòng chảy. Để tính thể tích của nó, có thể lấy một vòng tròn mỏng có độ dày fr ở bán kính r. Tốc độ dòng chảy của khu vực hình khuyên này là:
Để tính tích phân, chúng ta có thể thu được tốc độ dòng q:
(3) Vận tốc dòng chảy trung bình. Gọi vận tốc dòng chảy trung bình trong ống là υ
Bằng cách so sánh, chúng ta có thể thu được mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy trung bình và tốc độ dòng chảy tối đa:
(4) Tổn thất áp suất dọc đường đi. Ở trạng thái dòng chảy tầng, tổn thất áp suất dọc theo đường đi của chất lỏng chảy qua ống thẳng có thể được tính bằng công thức:
Từ phương trình, có thể thấy rằng ở trạng thái dòng chảy tầng, tổn thất áp suất của chất lỏng chảy qua ống thẳng tỷ lệ thuận với độ nhớt động, chiều dài ống và tốc độ dòng chảy và tỷ lệ nghịch với bình phương đường kính ống. Khi tính tổn thất áp suất trong thực tế, để đơn giản hóa phép tính, ta có μ=υdρ/Re, thay μ=υdρ/Re, rồi nhân cả tử số và mẫu số với 2g để thu được:
Trong công thức: λ biểu thị hệ số ma sát dọc đường đi. Giá trị lý thuyết của nó là λ=64/Re, trong khi trên thực tế, do nhiều yếu tố khác nhau, đối với ống kim loại nhẵn, λ=75/Re được lấy và đối với ống cao su, λ=80/Re được lấy. Trong dòng chảy rối, tổn thất áp suất là do dòng chảy tầng của mỗi hạt có chuyển động dọc trục đều đặn. Không có chuyển động bên. Một trong những đặc điểm quan trọng của dòng chảy rối là các hạt chất lỏng không còn chuyển động dọc trục đều đặn mà thay vào đó trộn lẫn và dao động với nhau trong quá trình chuyển động. Chuyển động cực kỳ bất thường này gây ra va chạm giữa các hạt và tạo thành các xoáy, dẫn đến tổn thất năng lượng lớn hơn nhiều trong dòng chảy rối so với dòng chảy tầng. Do tính chất phức tạp của hiện tượng dòng chảy rối nên cho đến nay chưa có kết quả khả quan nào khi nghiên cứu nó hoàn toàn bằng các phương pháp lý thuyết. Vì vậy, thí nghiệm vẫn được sử dụng để nghiên cứu, bổ sung bằng các giải thích lý thuyết. Như vậy, tổn thất áp suất của dòng chất lỏng ở trạng thái chảy rối vẫn được tính theo công thức, giá trị λ không chỉ liên quan đến số Reynolds Re mà còn liên quan đến độ nhám của bề mặt thành ống.
2. Tổn thất áp suất cục bộ
Tổn thất áp suất cục bộ đề cập đến tổn thất áp suất do dòng chất lỏng đi qua các cổng van, uốn cong, thay đổi tiết diện dòng chảy, v.v. Khi chất lỏng chảy qua các khu vực này, do sự thay đổi về hướng và tốc độ của dòng chất lỏng, các xoáy được hình thành, khiến các hạt chất lỏng va chạm với nhau, do đó dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể.
Công thức tính tổn thất áp suất cục bộ trên đoạn giãn nở đột ngột có thể được biểu diễn như sau:
Trong công thức: là hệ số sức cản cục bộ, giá trị của nó chỉ có thể đạt được bằng cách suy ra lý thuyết khi chất lỏng chảy qua một mặt cắt ngang mở rộng đột ngột; mặt khác, nó phải được xác định thông qua các thí nghiệm. là tốc độ dòng chảy trung bình của chất lỏng, thường đề cập đến tốc độ dòng chảy xuôi dòng của lực cản cục bộ. Tổng tổn thất áp suất của hệ thống đường ống bằng tổng của tất cả các tổn thất áp suất dọc theo lộ trình và tất cả các tổn thất áp suất cục bộ, nghĩa là:
