1

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

2

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

3

MỤC LỤC

A. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ........................................................... 6

1. LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 6

2. MỤC TIÊU ....................................................................................................... 6

3. NỘI DUNG ....................................................................................................... 6

4. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ....................................................................... 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................... 7

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ............................................................................... 7

1.2 KHUẤY TRỘN ................................................................................................. 8

1.2.1 Định nghĩa .......................................................................................................... 8

1.2.2 Phân loại ............................................................................................................ 9

1.3 KHUẤY TRỘN THỦY LỰC ............................................................................. 10

1.3.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 10

1.3.2 Gradient tốc độ ................................................................................................ 10

1.3.3 Sự tiêu tán năng lượng trong trộn thủy lực .................................................... 11

1.3.4 Một số công trình khuấy trộn thủy lực ........................................................... 11

1.3.4.1 Bước nhảy thủy lực ........................................................................................ 11

1.3.4.2 Ống Venturi ................................................................................................... 12

1.3.4.3 Kênh hẹp Parshall (Parshall flume) .............................................................. 13

1.3.4.4 Khuấy trộn tĩnh .............................................................................................. 14

CHƯƠNG 2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC (HYDRAULIC JUMP) 16

2.1 NĂNG LƯỢNG CỤ THỂ (specific energy) ....................................................... 16

2.1.1 Năng lượng cụ thể ............................................................................................ 16

2.1.2 Độ sâu tới hạn và vận tốc tới hạn .................................................................... 17

2.1.3 Các loại dòng chảy ........................................................................................... 18

2.2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC ............................................................................... 19

4

2.2.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 19

2.2.2 Ứng dụng .......................................................................................................... 20

2.2.3 Phân loại ........................................................................................................... 20

2.2.4 Tính toán trong bước nhảy thủy lực ............................................................... 22

2.2.4.1 Nước dâng trong bước nhảy thủy lực ............................................................ 22

2.2.4.2 Năng lượng mất đi do bước nhảy thủy lực. ................................................... 24

2.2.4.3 Chiều dài bước nhảy ...................................................................................... 24

2.2.4.4 Thể tích và thời gian lưu giữ ......................................................................... 25

2.2.4.5 Bài tập ứng dụng ........................................................................................... 25

CHƯƠNG 3. MÁY TRỘN TĨNH (static mixers) ...................... 27

3.1. GIỚI THIỆU. ..................................................................................................... 27

3.2. HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI ....................................................................... 28

3.2.1. Hoạt động cơ bản nhất của máy trộn.[15] ..................................................... 28

3.2.2. Phân loại máy trộn. ......................................................................................... 28

3.3. ỨNG DỤNG[10]................................................................................................. 29

3.3.1. Ứng dụng máy trộn tĩnh trong xử lý hóa học, vật lý của nước. .................... 29

3.3.2. Ứng dụng trộn phèn trong keo tụ tạo bông. .................................................. 30

3.3.3. Hòa trộn chất lỏng có độ nhớt cao và hoạt hóa tối ưu quá trình kết bông (Sơ

đồ 3). .......................................................................................................................... 31

3.3.4. Kiểm soát hoặc trung hòa pH. ....................................................................... 32

3.3.5. Hòa trộn chất khử trùng................................................................................. 34

3.4. TÍNH TOÁN TRONG MÁY TRỘN TĨNH. ..................................................... 35

3.4.1. Quy trình thử nghiệm ..................................................................................... 35

3.4.2. Kết quả của thực nghiệm và tính toán các thông số của máy trộn tĩnh. ...... 36

3.4.2.1. Hệ số ma sát .................................................................................................. 36

3.4.2.2. Các yếu tố pha trộn và hệ số Reynolds .......................................................... 37

3.5. THIẾT KẾ MÁY TRỘN TĨNH CƠ BẢN ........................................................ 38

3.5.1. Máy trộn SMV. ............................................................................................... 38

3.5.1.1. Giới thiệu máy trộn SMV. ............................................................................. 38

5

3.5.1.2 Cấu tạo và hoạt động ..................................................................................... 40

3.5.1.3. Đặc điểm của máy trộn SMV ........................................................................ 41

3.5.2. Dòng máy trộn FMX. ...................................................................................... 42

3.5.2.1. Tính số Reynolds ........................................................................................... 42

3.5.2.2. Lựa chọn thiết bị dựa trên số Reynolds ........................................................ 42

3.5.2.3. Xác định sự sụt giảm áp lực.......................................................................... 43

CHƯƠNG 4: KHUẤY TRỘN WEIRS ........................................... 46

4.1. GIỚI THIỆU VỀ WEIRS ........................................................................... 46

4.2. PHÂN LOẠI WEIR(21) .............................................................................. 48

4.2.1 Kiểu hình vuông ............................................................................................... 48

4.2.2 Kiểu weirs kết hợp ........................................................................................... 49

4.2.3 Cipolletti weir.................................................................................................. 49

4.2.4 weir tam giác .................................................................................................... 49

4.3. NĂNG LƯỢNG TRỘN CỦA WEIR .......................................................... 50

4.4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .......................................................... 51

4.4.1. Ví dụ. ............................................................................................................. 51

4.4.2. Thiết kế đầu vào của bể (21) ......................................................................... 52

4.5. MỘT SỐ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA TRỘN WEIR ............................. 52

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN ..................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 55

6

A. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 1. 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

2. 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

3. NỘI DUNG

TỔNG QUAN VỀ KHUẤY TRỘN THỦY LỰC

BƯỚC NHẢY THỦY LỰC

MÁY TRỘN TĨNH

WEIRS

KẾT LUẬN

4. 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…

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 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]

8

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]

9

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.

Hình 1.3: Phân loại c

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

10

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

� = ��

��

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]

11

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 là khối lượng trên một đơn vị thời gian. Nếu tích này nhân với ΔE thì kết

quả là năng lượng, vì thế:

P = QΔE

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

12

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:

V�

2+ gh +

p

ρ = const

Với

V: vận tốc dòng chảy

g: gia tốc trọng trường

h: chiều cao

13

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]

14

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

15

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

16

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 +V�

2g

Với:

h: độ sâu của dòng chảy

V: tốc độ của dòng chảy

Ngoài ra năng lượng cụ thể được hiểu là:

E = h +� �

��= E� + E�

Năng lượng tĩnh (thế năng)

�� = h: năng lượng tĩnh (thế năng)

Động năng

E� =V�

2g=

q�

2gh�

17

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

dE

dh= 0

Thay thế E = h +� �

��= 0, ta có:

d

dh�h +

V�

2g� = 0

Với

V =q

h

q là lượng xả trên một đơn vị chiều rộng

d

dh�h +

q�

2gh�� = 0

18

1 −q�

gh�= 0

1 =q�

gh�=

q�

h�×

1

gh=

V�

hg

h =V�

g

Vì dòng chảy là tới hạn, nên chỉ số c được thêm vào, do đó:

�� =��

�

�

Với hc: độ sâu tới hạn

Vc: là vận tốc tới hạn

h� =V�

�

g=

�qh�

��

g

h�� =

q�

g

�� = ���

��

��

Năng lượng cụ thể nhỏ nhất là:

���� = ℎ� +��

�

2�= ℎ� +

ℎ� × �

2�= ℎ� +

ℎ�

2=

3

2ℎ�

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.

19

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.

20

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:

�� =�

� ��

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

� = � �ℎ

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