www.zak24.pl
INTERNETOWA KSIĘGARNIA NAUKOWO - AKADEMICKA

Przepływy nieustalone w kanałach i rurociągach siłowni wodnych

27,00 

ISBN/ISSN: 978-83-7348-799-4

Wydanie: 1

Rok publikacji: 2020

Stron: 188

Opis

Przepływy nieustalone w kanałach i rurociągach siłowni wodnych

autor: Bednarczyk Stefan

Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej

 

Wśród wielu zjawisk hydraulicznych występujących w budownictwie wodnym, a w szczególności w siłowniach wodnych, szczególnie istotne są nieustalone prze­pływy wód wywołane przez urządzenia mechaniczne i maszyny hydrauliczne. Powstają w korycie otwartym lub w zamkniętym przewodzie ciśnieniowym, w którym natężenie przepływu Q zmienia się w czasie i na długości. Bywają spowodowane zewnętrznymi czynnikami naturalnymi albo celowym działaniem, polegającym na sterowaniu mocą lub przepływem.

Przedstawione w podręczniku opisy mają głównie charakter teoretycznych rozwa­żań, wywodów i analiz umożliwiających tworzenie racjonalnych modeli obliczenio­wych. Bazą prezentowanych modeli matematycznych są podstawowe równania jedno­rodnej płynnej masy wody, energii i ilości ruchu oraz fundamentalne prawa przepływu podane przez Eulera.

Podręcznik ten jest przeznaczony przede wszystkim dla studentów i słuchaczy studiów podyplo­mowych i doktoranckich, obeznanych już z podstawowymi prawami hydrauliki. Może też być pomocny inżynierom zajmującym się projektowaniem i eksploatacją obiektów hydroenergetycznych, oddzielnych urządzeń i budowli hydrotechnicznych.

 

Spis treści
WYKAZ PODSTAWOWYCH OZNACZEŃ …….. 7
WPROWADZENIE ……… 11
1. POWSTAWANIE I ROZPRZESTRZENIANIE SIĘ PRZEPŁYWU
NIEUSTALONEGO WYWOŁANEGO PRZEZ URZĄDZENIA
HYDROMECHANICZNE SIŁOWNI WODNYCH …… 13
1.1. Urządzenia hydromechaniczne siłowni wodnej wywołujące przepływy
nieustalone ….13
1.2. Mechanizm powstawania i rozprzestrzeniania się przepływu nieustalonego … 17
1.3. Rodzaje uderzenia hydraulicznego …… 18
1.4. Rodzaje fal translacyjnych …….. 20
1.5. Masowy przepływ oscylacyjny ….. 23
1.6. Obszar występowania przepływów nieustalonych …….. 23
1.7. Rodzaje zmian obciążenia maszyn siłowni wodnej wywołujące ekstremalne
przepływy nieustalone …… 25
1.7.1. Ekstremalne zdarzenia w siłowniach wodnych wywołujące stany
nieustalone ……. 25
1.7.2. Rozruch maszyny hydraulicznej do pracy roboczej ……. 26
1.7.3. Stany nieustalone wywołane przez nagłe i całkowite zatrzymanie
pracy turbinowej ……. 27
1.7.4. Stany nieustalone wywołane przez nagłe i całkowite zatrzymanie
pracy pompowej ….. 28
1.8. Sterowanie procesem powstawania przepływu nieustalonego ….. 29
2. PRAWA I ZASADY STOSOWANE DO OPISU MATEMATYCZNEGO
PRZEPŁYWU NIEUSTALONEGO JEDNOKIERUNKOWEGO …… 31
2.1. Rodzaje praw stosowanych do opisu przepływu nieustalonego
w korytach otwartych i rurociągach ciśnieniowych ….. 31
2.2. Równanie zachowania ciągłości przepływu …….. 32
2.3. Dynamiczne równanie przepływu wolnozmiennego ….. 36
2.3.1. Dynamiczne równanie przepływu wyprowadzone z drugiej
zasady dynamiki Newtona ….. 36
2.3.2. Dynamiczne równanie przepływu wolnozmiennego wyprowadzone
z zasady zachowania energii …… 40
2.4. Równania przepływu sfalowanego …. 41
3. MODELE MATEMATYCZNE PRZEPŁYWU NIEUSTALONEGO
WOLNOZMIENNEGO W KANAŁACH OTWARTYCH ….. 45
3.1. Przepływ nieustalony wolnozmienny opisany matematycznie
przez de Saint-Venanta ………. 45
3.1.1. Wprowadzenie …… 45
3.1.2. Podstawowe założenia modelu de Saint-Venanta …….. 45
3.1.3. Równania de Saint-Venanta …….. 46
3.2. Metoda stanów chwilowych ………. 47
3.3. Metoda objętości skończonych …… 48
3.4. Metoda różnic skończonych …………. 50
3.5. Metoda elementów skończonych ………… 52
3.6. Metoda charakterystyk …………. 53
3.6.1. Podstawy metody charakterystyk ………. 53
3.6.2. Równania zmian głębokości i prędkości przepływu na drodze
rozprzestrzeniania się zaburzenia ……. 54
3.6.3. Szczególne formuły opisujące przepływ nieustalony
na drodze rozprzestrzeniania się zaburzeń ……. 58
3.6.4. Zasady prowadzenia obliczeń przepływu nieustalonego wolnozmiennego
w kanałach otwartych……… 60
4. KSZTAŁT I WIELKOŚĆ FAL TRANSLACYJNYCH …… 63
4.1. Podstawowe modele fal translacyjnych ……. 63
4.2. Podstawowe założenia i zakres opisu matematycznego dodatnich
fal translacyjnych ……. 64
4.3. Wpływ strat hydraulicznych na kształt i charakterystyczne
wielkości oscylacji w kanale przekroju prostokątnego ……. 66
4.3.1. Równanie profilu oscylacji falowych … 66
4.3.2. Charakterystyczne wysokości oscylacji ……. 69
4.3.3. Prędkość propagacji fali z wykształconymi oscylacjami …. 72
4.3.4. Ocena uzyskanych wyników rozważań teoretycznych ….. 74
4.4. Charakterystyczne wielkości czoła dodatniej fali translacyjnej
z oscylacjami w kanale o przekroju trapezowym …… 75
4.4.1. Równanie profilu czoła fali …… 75
4.4.2. Stabilność oscylacji ………. 80
4.4.3. Maksymalna i średnia wysokość pierwszej oscylacji ……. 85
4.4.4. Prędkość propagacji fali z wykształconymi oscylacjami …….. 89
4.5. Charakterystyczne wielkości czoła dodatniej fali translacyjnej
z oscylacjami w kanale o przekroju parabolicznym ….. 90
4.5.1. Równanie profilu czoła fali …….. 90
4.5.2. Granica stabilności czoła fali translacyjnej w kanałach
o przekroju parabolicznym ……. 94
4.5.3. Charakterystyczne wielkości czoła stabilnej fali …… 96
4.6. Fale dodatnie bez oscylacji ………. 98
4.6.1. Podstawowe przypadki powstawania i rozprzestrzeniania
się dodatnich fal bez oscylacji ……… 98
4.6.2. Prędkość propagacji dodatnich fal bez oscylacji w kanałach
o przekroju trapezowym …….. 99
4.6.3. Prędkość propagacji dodatnich fal bez oscylacji w korytach
o przekroju parabolicznym …. 101
4.7. Wielkości i kształt fal ujemnych ….. 102
4.7.1. Podstawowe założenia opisu matematycznego fal ujemnych …. 102
4.7.2. Zmiana natężenia przepływu w funkcji wysokości fali w kanale
o przekroju parabolicznym ……….. 103
4.8. Zmiana natężenia przepływu i wysokości fali na długości kanału ….. 104
5. UDERZENIA HYDRAULICZNE WYWOŁYWANE PRZEZ TURBINY, POMPY
I ZAMKNIĘCIA ……….. 107
5.1. Rys historyczny powstawania modeli matematycznych uderzenia
hydraulicznego w przewodach ciśnieniowych ……. 107
5.2. Opis matematyczny przepływu nieustalonego w przewodach
ciśnieniowych metodą charakterystyk …….. 110
5.2.1. Równania pochodnych lokalnych prędkości przepływu
i ciśnienia w miejscu zaistnienia zaburzenia ……. 110
5.2.2. Równania różniczkowe zmiany ciśnienia i natężenia przepływu
na drodze rozprzestrzeniającego się zaburzenia ……. 113
5.3. Prędkość propagacji zaburzeń przepływu w rurociągach i sztolniach
energetycznych …… 115
5.3.1. Założenia i uproszczenia …….. 115
5.3.2. Ogólna formuła opisująca prędkość propagacji zaburzeń przepływu …. 116
5.3.3. Prędkość głosu w wodzie ….. 116
5.3.4. Prędkość propagacji zaburzeń w rurociągu stalowym o powłoce
cienkościennej ….. 117
5.3.5. Prędkość propagacji zaburzeń w rurociągu żelbetowym ….. 120
5.3.6. Prędkość propagacji zaburzeń w sztolni o przekroju okrągłym
o obudowie betonowej żelbetowej i opancerzonej ……. 121
5.4. Wyznaczanie uderzenia hydraulicznego i biegu nieustalonego maszyny
hydroenergetycznej metodą charakterystyk ……. 123
5.4.1. Podstawowe zasady obliczeń metodą charakterystyk …… 123
5.4.2. Charakterystyka uniwersalna jako podstawa wyznaczania
wielkości uderzenia hydraulicznego i prędkości rozbiegowej
maszyny hydroenergetycznej ……….. 124
5.4.3. Obliczeniowa siatka charakterystyk ……. 128
5.4.4. Zasady wyznaczania uderzenia hydraulicznego i zmian prędkości
obrotowej maszyny hydroenergetycznej …….. 131
5.4.5. Zasady wyznaczania natężenia przepływu i uderzenia hydraulicznego
w pośrednich złączach segmentów rurociągu ….. 133
5.4.6. Równania przepływu nieustalonego na połączeniu rurociągu
ze zbiornikiem …… 135
5.5. Uderzenia hydrauliczne w przesyłowych instalacjach pompowych …. 135
5.5.1. Typowe instalacje pompowe dalekiego zasięgu ….. 135
5.5.2. Charakterystyki eksploatacyjne pomp wirowych …….. 136
5.5.3. Proste uderzenie hydrauliczne w instalacji przesyłowej dalekiego
zasięgu …… 139
5.5.4. Uderzenie hydrauliczne w pompowej instalacji przesyłowej
o ograniczonej długości rurociągu …. 141
5.6. Zmiana wielkości uderzenia hydraulicznego na długości rurociągu
przesyłowego …………. 144
5.6.1. Powstawanie fal uderzenia hydraulicznego …… 144
5.6.2. Hipotezy ……. 144
5.6.3. Równania przepływu nieustalonego na czole fali uderzenia
hydraulicznego ……….. 145
5.6.4. Równania przepływu nieustalonego występującego bezpośrednio
za czołem fali uderzenia hydraulicznego ……… 147
6. MASOWY PRZEPŁYW OSCYLACYJNY W KOMORACH
WYRÓWNAWCZYCH ……… 150
6.1. Podstawowe funkcje komory wyrównawczej ……… 150
6.2. Konstrukcje komór wyrównawczych …….. 151
6.3. Podstawowe hipotezy dotyczące obliczeń stanów nieustalonych
w komorze wyrównawczej ………… 152
6.4. Podstawowe prawa przepływu nieustalonego pomiędzy derywacją
a komorą wyrównawczą oraz zakres ich zastosowań ….. 152
6.5. Ekstremalne zmiany poziomów wody w prostej komorze wyrównawczej ….. 154
6.6. Ekstremalne poziomy wody w dławikowej komorze wyrównawczej …….. 157
6.6.1. Nagłe i całkowite zatrzymanie przepływu przechodzącego
przez maszynę hydrauliczną …….. 157
6.6.2. Nagły wzrost natężenia przepływu z wartości Qr do wartości Q ……. 158
6.7. Ekstremalne poziomy wody w komorze różnicowej ……… 159
6.7.1. Nagłe i całkowite zatrzymanie przepływu przechodzącego przez maszynę
hydrauliczną …. 159
6.7.2. Nagłe zwiększenie natężenia przepływu z wartości Qr do Q ….161
6.8. Potrzebna powierzchnia przekroju poprzecznego komory wyrównawczej
przy pracy elektrowni na sieć wydzieloną …… 162
7. UZUPEŁNIENIA ….. 164
7.1. Opory tarcia hydraulicznego w kanałach i rurociągach …….. 164
7.1.1. Straty hydrauliczne wywołane przez opory tarcia ….. 164
7.1.2. Czynniki decydujące o wielkości współczynnika tarcia …164
7.1.3. Opory tarcia w korytach otwartych ……… 166
7.1.4. Opór tarcia burzliwego w rurociągach ciśnieniowych ……. 168
7.2. Hydrauliczne opory tarcia przepływu nieustalonego ……. 171
7.2.1. Wprowadzenie ……….. 171
7.2.2. Formuły empiryczne opisujące współczynnik oporów tarcia przepływu
nieustalonego ……….. 172
7.3. Lokalne straty hydrauliczne ……… 173
7.4. Dobór optymalnego kształtu trapezowego przekroju poprzecznego
kanału otwartego ………. 178
7.4.1. Cel i zakres metody ……… 178
7.4.2. Wpływ kształtu na wielkość czynnego trapezowego przekroju
poprzecznego kanału ……. 179
7.5. Transformacja przekroju trapezowego w przekrój paraboliczny …… 180
LITERATURA …….. 183
O AUTORZE ……….. 187

 

 

Opinie

Na razie nie ma opinii o produkcie.

Napisz pierwszą opinię o „Przepływy nieustalone w kanałach i rurociągach siłowni wodnych”

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *