Đập tràn thành mỏng (Sharp-creted weir)
Đối với đập tràn thành mỏng, ngoài hai chế độ chảy không ngập và chảy ngập, thì riêng trong trường hợp chảy không ngập, còn có thể có ba dạng chảy khác nhau sau đây, tùy theo tình hình thông khí cho phần ...
Đối với đập tràn thành mỏng, ngoài hai chế độ chảy không ngập và chảy ngập, thì riêng trong trường hợp chảy không ngập, còn có thể có ba dạng chảy khác nhau sau đây, tùy theo tình hình thông khí cho phần không gian dưới làn nước tràn:
Chảy tự do (hình 4-5)
Khi phần không gian dưới làn nước tràn có không khí ra vào tự do, áp suất ở đó bằng áp bằng áp suất khí trời, làn nước rơi tự do theo qui luật của vật rơi.
Chảy bị ép (hình 4-6)
Khi ở phần không gian dưới làn nước tràn, không khí bị làn nước cuốn đi mà không bổ sung đầy đủ, sinh ra chân không, làm cho làn nước không đổ được tự do mà bị ép vào gần thành đập.
Chảy bị ép sát (hình 4-7)
Khi cột nước H tràn nhỏ mà dưới làn nước tràn không khí không vào được tự do, thì làn nước tràn bám sát vào thành đập mà rơi xuống.
Ghi chú: Hai loại chảy bị ép và chảy bị ép sát tuy có hệ số lưu lượng m lớn hơn chảy tự do, nhưng không ổn định, làn nước lay động, hệ số lưu lượng m thay đổi. Trong chảy tự do thì làn nước tràn ổn định, hệ số lưu lượng m không đổi nên đập chảy tự do được dùng làm một công cụ đo lưu lượng trên kênh. Do đó, ở đây ta đi sâu xét cho trường hợp chảy tự do. Đập tràn thành mỏng chảy tự do không có co hẹp bên được gọi là đập tiêu chuẩn.
Theo công thức tổng quát :
Q = mb2gH032 size 12{"mb" sqrt {2g} H rSub { size 8{0} } rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {}
Thay công thức (4-5), ta có:
Q = mb 2g H + αv 0 2 2g 3 2 size 12{Q= ital "mb" sqrt {2g} left (H+ { {αv rSub { size 8{0} } rSup { size 8{2} } } over {2g} } right ) rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {}
Rút H ra ngoài ngoặc, ta được:
Q=mb2g1+αv022gH32H32 size 12{Q= ital "mb" sqrt {2g} left (1+ { {αv rSub { size 8{0} } rSup { size 8{2} } } over {2 ital "gH"} } right ) rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {}Q=m0b2gH32 size 12{Q=m rSub { size 8{0} } b sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} (4-7)
với: m0=m1+αv022gH size 12{m rSub { size 8{0} } =m left (1+ { {αv rSub { size 8{0} } rSup { size 8{2} } } over {2 ital "gH"} } right )} {}
Trị số m0 được xác định bằng thực nghiệm:
- Theo Ba-danh:
m0=0.405+0.003H1+0.55HH+P12 size 12{m rSub { size 8{0} } = left (0 "." "405"+ { {0 "." "003"} over {H} } right ) left [1+0 "." "55" left ( { {H} over {H+P rSub { size 8{1} } } } right ) rSup { size 8{2} } right ]} {} (4-8)
Phạm vi chính xác của công thức trên:
0.2 m < b < 2 m
0.24 m < P1 < 1.13 m
0.05 m < H < 1.24 m
- Theo Tru-ga-ep : (Quy định dùng trong quy phạm tạm thời):
m0= 0.402+0.054 HP1 size 12{ { {H} over {P rSub { size 8{1} } } } } {} (4-9)
Phạm vi chính xác: P1 > 0.5H và H > 0.1 m
Trong các phạm vi nói trên, lưu lượng tính bằng công thức đập tràn thành mỏng có thể chính xác đến 1%, do đó đập tràn thành mỏng tiêu chuẩn được dùng làm một công cụ đo lưu lượng trên kênh, chỉ cần đo cột nước H trên đập là có thể tính ngay ra lưu lượng.
Ta tính theo công thức:
Q=mcb2gH32 size 12{Q=m rSub { size 8{c} } b sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} (4-10)
Trong đó:
mc= εm0 = A1A2 (4-11)
Trị số mc có thể lấy theo thực nghiệm của Ba-danh.
A1=0.405+0.0027H−0.03B−bB size 12{A rSub { size 8{1} } =0 "." "405"+ { {0 "." "0027"} over {H} } - 0 "." "03" { {B - b} over {B} } } {} (4-12)
A2=1+0.55bB2HH+P12 size 12{A rSub { size 8{2} } =1+0 "." "55" left ( { {b} over {B} } right ) rSup { size 8{2} } left ( { {H} over {H+P rSub { size 8{1} } } } right ) rSup { size 8{2} } } {} (4-13)
Điều kiện chảy ngập:
- Mực nước hạ lưu cao hơn đỉnh đập:
hh>P hay hn>0
ở đó: hn=hh-P (4-14)
- Làn nước tràn nối tiếp hạ lưu bằng nước nhảy ngập hoặc không có nước nhảy, dòng chảy ngay hạ lưu đập tràn là chảy êm.
Điều kiện thứ 2 là:
z P < z P pg size 12{ { {z} over {P} } < left ( { {z} over {P} } right ) rSub { size 8{ ital "pg"} } } {}
trong đó:
z = H – hn; (4-15)
z P pg = f H P size 12{ left ( { {z} over {P} } right ) rSub { size 8{ ital "pg"} } =f left ( { {H} over {P} } right )} {}
Tra bảng hay đồ thị thực nghiệm, cũng có thể lấy gần đúng :
zPpg size 12{ left ( { {z} over {P} } right ) rSub { size 8{ ital "pg"} } } {}=0,7÷0,75
Nếu điều kiện thứ 2 không thoả mãn thì chảy tự do, mặc dù mực nước cao hơn đỉnh đập tràn, nhưng mực nước hạ lưu không ảnh hưởng lưu lượng tràn.
Cả hai điều kiện trên thỏa, tính công thức chảy ngập như sau:
Q=σnm0b2gH32 size 12{Q=σ rSub { size 8{n} } m rSub { size 8{0} } b sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} (4-16)
Trong đó hệ số ngập tính theo Ba-danh:
σn=1.051+0.2hnP.ZH3 size 12{σ rSub { size 8{n} } =1 "." "05" left (1+0 "." 2 { {h rSub { size 8{n} } } over {P} } right )` "." ` nroot { size 8{3} } { { {Z} over {H} } } } {} (4-16)
Nếu vừa chảy ngập vừa co hẹp bên:
Q=σnmcb2gH32 size 12{Q=σ rSub { size 8{n} } m rSub { size 8{c} } b sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} (4-16)
Đập tràn cửa tam giác
Cũng bằng phương pháp phân tích thứ nguyên như đã làm đối với đập cửa chữ nhật, ta được công thức tính lưu lượng của đập tràn cửa tam giác dưới dạng:
Q = m 0 tg θ 2 2g H 5 2 size 12{Q=m rSub { size 8{0} } ital "tg" { {θ} over {2} } sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {5} over {2} } } } } {}
trong đó :
- Góc ở đỉnh tam giác.
Thay:
m 0 tg θ 2 = m tg size 12{m rSub { size 8{0} } ital "tg" { {θ} over {2} } =m rSub { size 8{ ital "tg"} } } {}
Thì:
Q = m tg 2g H 5 2 size 12{Q=m rSub { size 8{ ital "tg"} } sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {5} over {2} } } } } {}
Đặt:
M tg = m tg 2 . g size 12{M rSub { size 8{ ital "tg"} } =m rSub { size 8{ ital "tg"} } sqrt {2 "." g} } {}
Ta được:
Q=MtgH52 size 12{Q=M rSub { size 8{ ital "tg"} } H rSup { size 8{ { {5} over {2} } } } } {} (4-17)
Thường làm đập với θ=900, theo thực nghiệm của Tomson trị số Mtg lúc đó bằng:
Mtg=0,316
Thay vào ta có:
Q=1,4H2,5 ( m3/s) ( H tính theo đơn vị là mét ) (4-18)
Q= 4,427H2,5 ( l/s) ( H tính theo đơn vị là dm) (4-19)
Độ chính xác là 1% trong phạm vi 0,05m<H<0,25m. Trường hợp H lớn hơn dùng cửa tràn hình thang.
Đập tràn cửa hình thang
Đập tràn cửa hình thang được dùng để đo lưu lượng lớn quá phạm vi đập cửa tam giác, khi không thể làm được đập cửa chữ nhật không co hẹp bên.
Bằng cách phân tích thứ nguyên ta có thể thấy rằng lưu lượng qua đập cửa hình thang vẫn có dạng như cử chữ nhật:
Q=mthb2gH32 size 12{Q=m rSub { size 8{ ital "th"} } b sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} (4-20)
trong đó:
mth : Hệ số lưu lượng của đập cửa hình thang, tất nhiên phụ thuộc góc θ
b là chiều rộng đáy hình thang.
Thường làm đập có tg(θ)=0.25. Gọi là đập Xipoletti, theo thực nghiệm của có:
mth=0,42
Nên:
Q = 0 . 42 b 2g H 3 2 size 12{Q=0 "." "42"b sqrt {2g} H rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {}
Hay là:
Q=1.86bH32 size 12{Q=1 "." "86" ital "bH" rSup { size 8{ { {3} over {2} } } } } {} ( m3/s ) (4-21)
Công thức này được áp dụng trong điều kiện b> 3H, P1>0, chảy tự do và lưu tốc tới gần không đáng kể.
