Tìm hiểu các công trình đơn vị trong khuấy trộn thủy lực

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG ˜{™ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CUỐI KỲ MÔN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ TRONG KHUẤY TRỘN THỦY LỰC Nhóm sinh viên thực hiện (nhóm 1): NGUYỄN BÌNH: 91101008 VƯƠNG THỊ BÍCH: 91202002 HUỲNH CÔNG CHÁNH: 91202075 Giảng viên hướng dẫn: T.S. PHẠM ANH ĐỨC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG ˜{™ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CUỐI KỲ MÔN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ TRONG KHUẤY TRỘN THỦY LỰC Nhóm sinh viên thực hiện (nhóm 1): NGUYỄN BÌNH: 91101008 VƯƠNG THỊ BÍCH 91202002 HUỲNH CÔNG CHÁNH: 91202075 Giảng viên hướng dẫn: T.S. PHẠM ANH ĐỨC MỤC LỤC KẾ HOẠCH THỰC HIỆN LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật, đời sống con người ngày càng đầy đủ, tiện nghi hơn. Tuy nhiên, mặt trái của phát triển này là ô nhiễm môi trường ngày một tăng cao, trong đó, ô nhiễm nước là một vấn đề lớn, gây nhiều hậu quả nghiêm trọng. Việc xử lý cả nước thải và nước cấp sử dụng với các mục đích khác nhau là điều cần thiết và mang tính tất yếu, trong đó trộn đóng vai trò quan trọng. Mục tiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trong môi trường nước khi phản ứng xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa chúng với các phần tử tham gia phản ứng, việc này được thực hiện bằng cách khuấy trộn để tạo ra các dòng chảy rối trong nước. Hiệu quả của quá trình trộn phụ thuộc vào cường độ và thời gian khuấy trộn. Cường độ khuấy trộn phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng tiêu hao để tạo ra dòng chảy rối. Thời gian khuấy trộn hiệu quả được tính cho đến lúc hóa chất đã phân tán đều vào nước và đủ để hình thành các nhân keo tụ, nhưng quá lâu làm ảnh hưởng đến các phản ứng tiếp theo. Thời gian khuấy trộn phụ thuộc rất nhiều vào loại hóa chất cần trộn Theo nguyên lý cấu tạo và vận hành, các quá trình trộn được chia thành trộn thủy lực, trộn cơ khí và trộn bằng dòng tia áp lực MỤC TIÊU Xác định vai trò cũng như vị trí của công trình trộn trong sơ đồ xử lý nước Hiểu rõ hơn về sự phân chia khuấy trộn theo các phương pháp khác nhau Tìm hiểu rõ quy trình hoạt động của một số loại công trình khuấy trộn cụ thể NỘI DUNG TỔNG QUAN VỀ KHUẤY TRỘN THỦY LỰC BƯỚC NHẢY THỦY LỰC MÁY TRỘN TĨNH WEIRS KẾT LUẬN PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Tìm trên mạng internet các hình ảnh, biểu đồ minh họa. Thu thập thông tin, dữ liệu từ các bài báo, tạp chí nước ngoài Sử dụng phép tổng hợp, thống kê, phân tích , liệt kê, so sánh cơ bản CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Khuấy trộn là một ứng dụng thực nghiệm kể từ những ngày đầu của xử lý nước. Lý thuyết của nó được đề cập từ khoảng thập niên 1940 với công trình của Cam và Stein (1943). Willcomb (1932) đã nhận định rẳng không có bất kì nhà máy nào xây dựng trong khoảng thời gian 1900 -1911 dưới giám sát của ông ấy có công đoạn khuấy trộn. Những nhà máy này đưa phèn vào trước công đoạn xử lý nước thô và những trạm bơm có lượng phèn được đưa vào khu vực bơm hút. Cho tới khoảng thời gian của bài viết của ông ấy vào năm 1932, khuấy trộn nhanh là một đơn vị xử lý đã được thiết lập. Những cách khuấy trộn được đề cập đến bao gồm: sục khí, thay đổi dòng chảy bẳng van, bước nhảy thủy lực. Tẩm quan trọng của việc khuấy trộn thủy lực được nhận ra bởi Hansen (1936), ông đã nhận thấy rằng việc hòa tan chất tạo bông với nước thô là cần thiết, kéo theo là quá trình tạo bông. Năm 1961, Skeat nhận ra chất hóa học nên được phân phối một cách nhanh chóng và cân bằng xuyên suốt các khối nước được xử lý. Đó là một thực tiễn, thông thường để đưa chất hóa học vào một điểm hỗn loạn cao với thời gian trộn 30 – 60s. Một đầu phun nhỏ giọt có độ sâu 0.23 – 0.46m được đề nghị cho phương pháp đập nước hoặc trong kênh. Về bể trộn, ông ấy đề nghị 3 -6 kw/m3/s. Những thiết kế bể có thể thực hiện được bao gồm một cánh quạt trong một ống đúc hình 1.1. [1] Hình 1.1 (a) Khuấy trộn bằng cánh quạt (b) Khuấy trộn bằng đầu phun 1.2 KHUẤY TRỘN 1.2.1 Định nghĩa Từ khuấy trộn đã tự giải thích ý nghĩa cho nó, nhiều thuật ngữ khác cũng được sử dụng như những từ gần đồng nghĩa. Khuấy trộn là việc cho vào hai hoặc nhiều các pha khuếch tán vào nhau để cuối cùng tạo ra một hỗn hợp đồng nhất của các thành phần. Ví dụ, cồn ethyl với nước có thể được trộn lẫn với nhau do rung động các vật liệu này bằng một loại cánh khuấy. Cát, sỏi và xi măng được dùng trong việc chế tạo bê tông có thể được trộn bằng cách bỏ chúng vào một mẻ trộn bê tông, Hình 1.2: Khuếch tán các pha trong khuấy trộn [2] Trộn trong xử lý nước uống là một hoạt động rất quan trọng trong việc kết tủa, tạo bông và khử trùng. Ngoài ra, khuấy trộn cũng yêu cầu những chất hóa học dạng rắn hòa tan được (vôi), đến việc hòa tan nhũ tương polyme, hòa tan polyme rắn, hóa tan chất hóa học lỏng (flo), hòa tan khí (hòa tan CO2 giảm pH) Những đơn vị xử lý khuấy trộn được tìm thấy ở các nhà máy xử lý nước. Ví dụ bao gồm trộn nhanh (còn được gọi là trộn ban đầu), tạo bông, khử trùng, bùn hoạt tính, xử lý kị khí, hòa tan khí. Thông thường, các công đoạn khuấy không thấy được bởi vì những cái máy móc dụng cụ được đặt dưới sàn, trong đường ống, trong những buồng chứa, hoặc là phía sau tường. [1] 1.2.2 Phân loại Nhìn chung, có 3 loại khuấy trộn được dùng cho việc xử lý hóa lý của nước cấp và nước thải bao gồm: khuấy trộn cơ khí, khuấy trộn bọt khí, khuấy trộn thủy lực. Khuấy trộn cơ khí là khuấy trộn dùng yếu tố chuyển động vòng tròn để ảnh hưởng đến độ rung động. Khuấy trộn bằng khí, sử dụng khí gas hoặc bọt khí để tạo rung động. Khuấy trộn thủy lực lợi dụng dòng chảy của nước để tạo sự rung động. Thiết bị khuấy trộn thủy lực Thiết bị khuấy trộn cơ khí Khuấy trộn bằng khí Khuấy trộn Ống Venturi Parshall flume Bước nhảy thủy lực Khuấy trộn tĩnh Cánh quạt trộn Turbine trộn Guồng trộn Bộ khuếch tán không khí Hình 1.3: Phân loại c 1.3 KHUẤY TRỘN THỦY LỰC 1.3.1 Giới thiệu Thiết bị khuấy trộn thủy lực là hình thức cơ bản nhất của khuấy trộn nhanh được sử dụng. Khuấy trộn thủy lực dùng năng lượng của một dòng chảy chất lỏng để tạo ra sức mạnh cần thiết cho sự trộn. Chất lỏng này đã phải được cung cấp năng lượng trước khi đạt đến điểm khuấy trộn thủy lực xảy ra. Việc cần thực hiện ở điểm khuấy trộn đơn giản làm tiêu tan năng lượng theo giá trị G để đạt đến khuấy trộn hiệu quả. 1.3.2 Gradient tốc độ Gradient vận tốc biểu hiện của năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích, được phát triển vào những năm 1940 như một phương tiện để xác định hiệu suất máy trộn trong bể khuấy. Trong kỹ thuật xử lý nước, gradient được xử dụng để biểu thị cường độ khuấy trộn. Gradient vận tốc G được định nghĩa bởi Camp và Stein (1943) là G=PμV Với P: là năng lượng tiêu tán bởi chuyển động của chất lỏng, độ nhớt hoặc sự rối loạn dòng chảy (W) ì: độ nhớt động học của chất lỏng (N.s/m2) V: thể tích mà sự tiêu tán năng lượng xảy ra (m3) Nhiều giá trị G khác nhau được dùng như là tiêu chuẩn đánh giá cho việc trộn hiệu quả. Bảng 1.1 thể hiện một số giá trị tiêu chuẩn đã được tìm ra trong nghiên cứu thực tiễn. t0 là thời gian lưu của chất lỏng, được cho phép trong trộn là một giá trị G thích hợp. [4] Bảng 1.1: Các chỉ tiêu giá trị G cho khuấy trộn hiệu quả to (s) G (s-1) < 10 4000 – 1500 10 – 20 1500 – 950 20 – 30 950 – 850 30 – 40 850 – 750 40 - 130 750 – 700 1.3.3 Sự tiêu tán năng lượng trong trộn thủy lực Năng lượng của việc khuấy trộn chỉ đơn giản là sự tiêu tán năng lượng. Ở trong bất kỳ quá trình thủy lực nào, năng lượng bị tiêu tan thông qua sự ma sát (ΔE). Vì thế, năng lượng khuấy trộn ở trong bất kì khuấy trộn thủy lực nào có thể được xác định nếu độ ma sát của chất lỏng có thể tính toán được. Tích của lưu lượng dòng chảy Q và khối lượng riêng g là khối lượng trên một đơn vị thời gian. Nếu tích này nhân với ΔE thì kết quả là năng lượng, vì thế: P = QgΔE Do đó, việc xác năng lượng của khuấy trộn của thủy lực cũng chính xác định sự mất mát của ma sát. Để việc khuấy trộn đạt hiệu quả, năng lượng lấy ra từ sự mất mát này phải làm sao để giá trị G nằm trong khoảng khuấy trộn hiệu quả. Gía trị G cho việc khuấy trộn trong bảng có thể được sử dụng.[4] 1.3.4 Một số công trình khuấy trộn thủy lực 1.3.4.1 Bước nhảy thủy lực Bước nhảy thủy lực được hình thành khi một dòng chảy trong kênh hở được chuyển từ trạng thái chảy nhanh sang trạng thái chảy tĩnh một cách đột ngột, đi kèm với nó là sự xáo trộn đáng kể và tiêu hao năng lượng. Tại điểm xảy ra bước nhảy thủy lực, do quá trình xáo trộn tăng nhanh nên việc khuấy trộn các vật liệu trong dòng chảy đồng đều theo chiều ngang lẫn chiều dọc. Levy và Ellms (1927) đã dùng bước nhảy thủy lực để trộn phèn với nước thô trong quá trình xử lý nước. Họ thấy rằng, bước nhảy thủy lực là một công cụ khuấy trộn hóa chất vào nước cần xử lý rất hiệu quả. Bước nhảy thủy lực có thể được hình thành bằng cách cho nước thô đi theo một dốc trượt. Trong đó, trạng thái nước chảy nhanh và chảy tĩnh sẽ được hình thành, tương ứng với đó sẽ là một bước nhảy. [5] Hình 1.4: Bước nhảy thủy lực 1.3.4.2 Ống Venturi Phương trình Bernoulli phát biểu tổng của tất cả các hình thức của năng lượng trong một chất lỏng chảy dọc theo một đường dẫn là giống nhau ở hai điểm bất kỳ trong con đường đó . Công thức đơn giản của dòng chảy không nén (chất lỏng chuyển động với những thay đổi không đáng kể trong tỷ trọng) là: V22+gh +pρ =const Với V: vận tốc dòng chảy g: gia tốc trọng trường h: chiều cao p: áp suất ρ: mật độ chất lỏng Hệ quả của định luật này là sự thay đổi trong tốc độ và áp suất của một chất lỏng khi đi qua một nút thắt trong ống dẫn. Ống Venturi là một dụng cụ dùng để tăng tốc dòng chảy của chất lỏng, bằng cách thắt lại trong một ống hình dạng hình nón. Trong không gian giới hạn, các chất lỏng phải tăng vận tốc của nó đồng áp lực của nó giảm sẽ tạo ra một chân không một phần. Khi chất lỏng rời khỏi thắt, áp suất của nó tăng trở lại với mức độ môi trường xung quanh hoặc đường ống. Do áp suất ở nút thắt trong đoạn ống giảm tạo ra lực hút các hóa chất cần xử lý vào dòng nước. Khi các tia nước thoát ra khỏi nút thắt ra ngoài môi trường tạo thành sự khuấy trộn.[6] Hình 1.5: Ống Venturi 1.3.4.3 Kênh hẹp Parshall (Parshall flume) Parshall flumes là thiết bị cũng sử dụng độ xáo trộn của bước nhảy thủy lực để thực hiện việc khuấy trộn nhanh. Sự khác biệt chỉ là hình dạng hình học của nó với thiết bị bước nhảy thủy lực. Nó được chỉnh sửa theo hình dạng ống venturi. Ờ phía đầu là một phần hội tụ với một tầng cấp, ở giữa là một nút thắt với một sàn dốc xuống, và phía cuối một phân kỳ với sàn dốc đi lên.Quá trình khuấy trộn hiệu quả xảy ra khi bước nhảy thủy lực xuất hiện được kết hợp ở hạ lưu của kênh.[5] Hình 1.6: Parshall Flume 1.3.4.4 Khuấy trộn tĩnh Một máy trộn tĩnh hoặc trộn cố định là một thiết bị đưa vào một nhà ở hoặc đường ống với mục tiêu thao tác dòng chất lỏng để phân chia, tái kết hợp, tăng tốc / giảm tốc, hoặc hình thức phân chia lớp khi đi qua máy trộn. Do những những thay đổi trong dòng chảy chất lỏng, thành phần hỗn hợp được đưa vào tiếp xúc với nhau. Do đó, máy trộn tĩnh được sử dụng không chỉ sử dụng cho các yêu cầu pha trộn đúng mà còn trong quá trình phản ứng. Thiết kế khác nhau, thường bao gồm các tấm vách ngăn hoặc vị trí trong góc chính xác để dòng chảy trực tiếp, gia tăng bất ổn và đạt được trộn. Dòng chảy trong một ống rỗng tạo ra một mức độ pha trộn xuyên tâm nhưng trong hầu hết các trường hợp, trộn hiệu quả chỉ xảy ra đầy đủ khi chiều dài thực tế của ống. Chèn một máy trộn tĩnh tăng tốc đáng kể trộn nội tuyến hoặc phản ứng. Kỹ thuật này về cơ bản là mong muốn bất cứ nơi nào một hoạt động liên tục, không tốn kém và nhanh chóng được yêu cầu. Vì không có bộ phận chuyển động trong máy trộn tĩnh, nó là cơ bản bảo trì miễn phí và có thể được cài đặt dễ dàng như bất kỳ phần của đường ống. Năng lượng cho trộn có sẵn trong các hình thức áp lực. Cho dù vật liệu là trọng lực hay buộc phải thông qua máy trộn sử dụng máy bơm bên ngoài, tổn thất áp suất là một trong những hậu quả của trộn tĩnh và đôi khi là yếu tố hạn chế trong việc lựa chọn máy trộn. Các máy trộn tĩnh tốt nhất là một trong đó cung cấp chất lượng trộn mong muốn ở sự sụt giảm áp suất thấp nhất, cho chi phí lắp đặt thấp nhất và phù hợp trong không gian có sẵn. Lý tưởng nhất, nó sẽ là hữu ích để kiểm tra khả năng pha trộn của mỗi loại khác nhau có sẵn với các vật liệu thực tế để được xử lý. Tuy nhiên, trong một ý nghĩa thiết thực, đó là không thể. Nó là cần thiết phải dựa vào các khuyến nghị và các tài liệu của các nhà cung cấp máy trộn khác nhau. Hình 1.7: Các thiết bị trộn tĩnh được thiết kế sẵn CHƯƠNG 2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC (HYDRAULIC JUMP) 2.1 NĂNG LƯỢNG CỤ THỂ (specific energy) 2.1.1 Năng lượng cụ thể Năng lượng cụ thể E của một dòng chảy được xác định là năng lượng đi qua một mặt phẳng được chọn làm mốc (hình 2.1) Hình 2.1: Năng lượng cụ thể của dòng chảy Công thức E=h+V22g Với: h: độ sâu của dòng chảy V: tốc độ của dòng chảy Ngoài ra năng lượng cụ thể được hiểu là: E=h+V22g=Es+ Ek Năng lượng tĩnh (thế năng) Es=h: năng lượng tĩnh (thế năng) Động năng Ek=V22g= q22gh2 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn năng lượng cụ thể 2.1.2 Độ sâu tới hạn và vận tốc tới hạn Ở biểu đồ hình (Biểu đồ năng lượng cụ thể), ta có thể thấy năng lượng cụ thể thấp nhất tại điểm C. Độ sâu của dòng nước trong kênh, tương ứng với năng lượng cụ thể nhỏ nhất (điểm C) được gọi là độ sâu tới hạn. Độ sâu này có thể được tìm thấy bằng cách đạo hàm công thức năng lượng cụ thể với kết quả bằng 0 dEdh=0 Thay thế E=h+V22g=0, ta có: ddhh+V22g=0 Với V=qh q là lượng xả trên một đơn vị chiều rộng ddhh+q22gh2=0 à 1-q2gh3=0 1=q2gh3=q2h2×1gh=V2hg à h=V2g Vì dòng chảy là tới hạn, nên chỉ số c được thêm vào, do đó: hc=Vc2g Với hc: độ sâu tới hạn Vc: là vận tốc tới hạn à hc=Vc2g=qhc2g à hc3=q2g à hc=q2g13 Năng lượng cụ thể nhỏ nhất là: Emin=hc+Vc22g=hc+hc×g2g=hc+hc2=32hc 2.1.3 Các loại dòng chảy Tùy thuộc vào độ sâu tới hạn cũng như độ sâu trong thực tế của các dòng chảy, có ba loại dòng chảy được phân biệt Dòng chảy yên tĩnh Nếu độ sâu của nước lớn hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy được gọi là yên tĩnh hoặc chưa tới hạn. Dòng chảy tới hạn Nếu độ sâu của nước tới hạn, dòng chảy được gọi là tới hạn. Dòng chảy nhanh Nếu độ sâu của nước nhỏ hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy được gọi là siêu tới hạn 2.2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC 2.2.1 Giới thiệu Chúng ta có thể thấy đồ thị năng lượng cụ thể (hình 2.2), có 2 vị trí h1 và h2. Độ sâu h1 nhỏ hơn độ sâu tới hạn, và độ sâu h2 cao hơn độ sâu tới hạn. Như đã biết, khi độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy được gọi là dòng chảy yên tĩnh hoặc dòng chảy chưa tới hạn. Nhưng khi độ sâu cao hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy được gọi là dòng chảy nhanh hay dòng chảy siêu tới hạn. Việc chuyển đổi từ dòng chảy nhanh thành dòng chảy yên tĩnh xảy ra khi có một “Bước nhảy thủy lực” được thực hiện. Hình 2.3: Cấu tạo bước nhảy thủy lực Các đặc điểm sau đây có liên quan đến quá trình chuyển đổi từ dòng chảy nhanh sang dòng chảy tĩnh: Tại nơi bước nhảy thủy lực xảy ra, rất nhiều năng lượng của dòng chảy tiêu tán (chủ yếu chuyển thành năng lượng nhiệt). Ngoài ra, trong bước nhảy thủy lực, nước chảy với độ sâu lớn hơn, do đó vận tốc cũng thấp hơn. Sinh ra sự hỗn loạn với tốc độ dòng và áp lực đáng kể Sự rung động do áp lực lẫn tốc độ và hình thành những con sóng ở hạ lưu sau bước nhảy Phát sinh âm thanh và tiêu hao năng lượng là kết quả của sự hỗn loạn. 2.2.2 Ứng dụng Bước nhảy thủy lực có nhiều ứng dụng thực tế và hữu ích. Trong đó, có những điều sau đây: Giảm năng lượng và tốc độ hạ lưu của đập hoặc máng để giảm thiểu và kiểm soát xói mòn thành kênh. Nâng cao mực nước hạ lưu trong các kênh thủy lợi. Hoạt động như một thiết bị trộn cho việc bổ sung và pha trộn hóa chất trong công nghiệp, nhà máy nước và xử lý nước thải. Hình 2.4: Thiết bị trộn Bước nhảy thủy lực[8] 2.2.3 Phân loại Ảnh hưởng của trọng lực lên dòng chảy được đại diện bởi một tỷ lệ của lực quán tính với trọng lực. Tỷ lệ này được tính bằng số Froude, được định nghĩa như sau: Fr=VgL Với V vận tốc dòng chảy (m/s) L chiều dài đặc trưng (m) g gia tốc trọng trường (m/s2) Tại vị trí dòng chảy tới hạn, số Froude = 1, với L = h, hoặc V=gh Khi độ sâu của dòng chảy lớn hơn độ sâu tới hạn, vận tốc dòng chảy nhỏ hơn vận tốc tới hạn cho việc thải được đưa ra, và lúc này trường hợp, số Froude nhỏ hơn 1, do đó, dòng chảy là chưa tới hạn. Khi chiều sâu dòng chảy nhỏ hơn độ sâu quan trọng, hoặc số Froude là lớn hơn 1, dòng chảy là siêu tới hạn.Bước nhảy thủy lực có thể xảy ra theo nhiều hình thức khác nhau, dựa về số Froude của dòng siêu tới hạn thượng nguồn của dòng chảy, nhiều loại có thể phân biệt. Bảng 2.1: Bảng phân loại các bước nhảy thủy lực Froude Kiểu bước nhảy Hình minh họa Mô tả 1 – 3 Lượn sóng Bề mặt nước cho thấy sự uốn lượn 3 – 6 Yếu Các hạt lăn tăn nhỏ xuất hiện trên bề mặt của bước nhảy Vận tốc xuyên suốt khá đồng đều và sự mất năng lượng thấp 6 – 20 Dao động Dao động phản lực từ ở dưới lên đến bề mặt của bước nhảy không có chu kỳ. Mỗi dao động tạo ra làn sóng lớn nhưng không thường xuyên 20 – 80 Ổn định Bước nhảy cân bằng và hiệu suất là tốt nhất. Năng lượng tiêu hao 45-70%. > 80 Mạnh Tạo sóng ở hạ lưu, bề mặt lõm chõm. Bước nhảy thực hiện khó khăn nhưng hiệu quả vì năng lượng tiêu hao có thể lên đến 85% Phạm vi của số Froude được đưa ra trong bảng 2.1 cho các bước nhảy thủy lực khác nhau là không rõ ràng, có thể chồng chéo lên nhau với một mức độ nhất định tùy thuộc vào điều kiện thực tế. 2.2.4 Tính toán trong bước nhảy thủy lực 2.2.4.1 Nước dâng trong bước nhảy thủy lực Xem xét hai phần, về phía thượng nguồn và hạ lưu của một bước nhảy, như thể hiện trong hình Hình 2.5 Nước dâng trong bước nhảy thủy lực Với 1-1: phần ở phía thượng nguồn của nhảy thủy lực 2-2: phần ở phía hạ lưu của nhảy thủy lực h1, h2: độ sâu dòng chảy V1, V2: tốc độ dòng chảy q: lưu lượng không đổi trên mỗi đơn vị chiều rộng q=Qw Với Q = tổng lưu lượng, w = chiều rộng bước nhảy thủy lực q = h1.V1 = h2.V2 Áp dụng định luật bảo toàn động lượng, lực F1 tại mặt cắt 1-1: F1=γ×h1×1h12=γ.h122 Với ñ = ãg khối lượng riêng của nước Tương tự, lực F2 của mặt cắt 2-2: F2=γ.h222 Xét các lực theo phương ngang, không tính đến ma sát (vì h2 lớn hơn h1) nên: F=F1-F2=γ.h122-γ.h222=γ.(h12-h22)2 Ngoài ra ta cũng có công thức F = khối lượng dòng nước trên mỗi giây x sự thay đổi vận tốc F=γ.qgV2-V1 à γ.(h12-h22)2=γ.qgV2-V1 (h12-h22)=2.qgV2-V1=2.qgqh2-qh1=2.q2gh1-h2h1h2 à (h1+h2)(h1-h2)=2.q2gh1-h2h1h2 (h1+h2)=2.q2g.h1.h2 h22+h1h2=2.q2g.h1 à h22+h1h2-2.q2g.h1=0 Giải phương trình bậc 2 cho h2 ta được : h2=-h12±h124+2.q2g.h1 Chỉ lấy dấu “+” và thay thế q=h1V1, t a có mối liên hệ giữa h2 với h1 là h2=-h12+h124+2.h1.V12g Độ sâu của bước nhảy thủy lực hay chiều cao sóng đứng sẽ là: h2 - h1 2.2.4.2 Năng lượng mất đi do bước nhảy thủy lực. Phương trình cân bằng năng lượng giữa mặt cắt 1 và mặt cắt 2 theo công thức sau: ΔE=E1-E2=h1+V122g-h2+V222g 2.2.4.3 Chiều dài bước nhảy Hình 2.6: Chiều dài bước nhảy thủy lực Chiều dài bước nhảy thủy lực là khoảng cách giữa hai mặt cắt ướt trước và sau bước nhảy. Chiều dài bước nhảy không thể xác định dễ dàng bằng cách lý thuyết, và nó được nghiên cứu bằng thực nghiệm của các nhà khoa học. Dưới đây là các công thức tính toán thực nghiệm của một số nhà khoa học Công thức Pavoloski (1940), nếu Fr1 >10: Lj = 2,5 (1,9h2 – h1) Nếu 3 < Fr < 400, ta có thể sử dụng công thức của Ivadian (1995): Lj=8(10+Fr1)Fr1.h2-h134h2h1 2.2.4.4 Thể tích và thời gian lưu giữ Với chiều dài L thì thể tích của bước nhảy thủy lực sẽ là: Vj=12(h1+h2)Lw Thời gian lưu trữ t sẽ là: t=VjQ=12(h1+h2)LwQ=(h1+h2)Lw2Q 2.2.4.5 Bài tập ứng dụng Một khuấy trộn bước nhảy thủy lực như hình dưới đây được sử dụng để trộn phèn trong quá trình xử lý nước. Chiều cao dưới cùng của cửa đến đáy của kênh là 5cm. Lưu lượng dòng chảy đi vào khuấy trộn là 0,048 m3/s và chi