Lưu lượng dòng chảy là gì? Khái niệm, công thức và cách đo chuẩn xác
Lưu lượng dòng chảy là một trong những chỉ số quan trọng trong thủy lợi, cấp thoát nước và các ngành công nghiệp. Việc xác định chính xác lưu lượng không chỉ giúp quản lý và sử dụng tài nguyên nước hiệu quả mà còn đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, đúng quy chuẩn.
Trong bài viết này, cùng Tuấn Hưng Phát Valve tìm hiểu khái niệm, công thức tính và các thiết bị đo lưu lượng dòng chảy đang được áp dụng phổ biến hiện nay.
Khái niệm lưu lượng dòng chảy là gì?
Lưu lượng dòng chảy hay còn gọi là lưu lượng nước là lượng nước đi qua đường ống dẫn trong một thời gian nhất định là 1 ngày, 1 giờ, 1 năm. Đơn vị đo được tính là m3/s hoặc lít/giây.
Có 2 loại lưu lượng nước hay gặp trong đời sống là lưu lượng dòng sông hay lưu lượng ống tròn. Cách tính lưu lượng nước qua ống tròn chủ yếu là tính lượng nước sinh hoạt dùng theo tháng hoặc nước trong hồ bơi. Ngoài ra việc đo lưu lượng nước còn phục vụ công tác thủy lợi của hệ thống sông ngòi, nông lâm ngư nghiệp.
Chỉ số lưu lượng dòng chảy có thể giúp tính toán tốc độ dòng chảy và lựa chọn thiết bị đo lường phù hợp. Ngoài ra từ đó có thể đảm bảo hệ thống vận hành đúng quy chuẩn và an toàn.
Đơn vị đo lưu lượng dòng chảy
Đơn vị đo lường lưu lượng dòng chảy thường sử dụng nhất là m3/giờ, m3/giây, m3/ngày đêm. Theo hệ thống đo lường tiêu chuẩn quốc tế SI là m3/ giây.
Ngoài ra tại các quốc gia như Mỹ có thêm đơn vị đo lường như feet khối/ giây, gallon/phút,….
Trong thực tế, đơn vị đo lưu lượng được sử dụng khá đa dạng, tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng cũng như hệ thống đo lường tiêu chuẩn của từng quốc gia. Cụ thể;
| Đơn vị | Ứng dụng |
| m³/s | Đây là đơn vị phổ biến nhất và được xem là tiêu chuẩn quốc tế khi tính toán, thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện hoặc nghiên cứu khoa học. |
| m³/h và m³/ngày | Hay dùng trong hệ thống cấp nước sinh hoạt, xử lý nước thải hoặc đo lưu lượng sản xuất công nghiệp. |
| Lít/giây (L/s) | Đơn vị quen thuộc trong hệ thống cấp thoát nước dân dụng, hồ bơi, tòa nhà. |
| Feet khối/giờ (ft³/h) | Thường thấy trong đo lường lưu lượng khí và chất lỏng ở các hệ thống công nghiệp tại Mỹ. |
| Gallon/phút (GPM) | Sử dụng rộng rãi ở Mỹ, chủ yếu trong ngành cấp nước, dầu khí và hóa chất. |
Như vậy, tùy mục đích và môi trường sử dụng, người ta có thể linh hoạt quy đổi và áp dụng các đơn vị khác nhau. Tuy nhiên, để đảm bảo tính thống nhất khi tính toán và thiết kế kỹ thuật, m³/s vẫn là đơn vị được ưu tiên sử dụng.
2 Công thức tính lưu lượng dòng chảy chuẩn xác
Để xác định được lưu lượng dòng chảy, người ta thường dựa vào mối quan hệ giữa thể tích chất lỏng, thời gian và diện tích tiết diện dòng chảy. Việc tính toán này không chỉ giúp hiểu rõ quy luật vận động của nước trong tự nhiên mà còn phục vụ nhiều lĩnh vực như thiết kế công trình thủy lợi, hệ thống cấp thoát nước, xử lý nước thải hay lựa chọn đồng hồ đo lưu lượng phù hợp.
Cách tính lưu lượng dòng chảy của sông
Đối với sông ngòi, kênh rạch hay hồ chứa, lưu lượng dòng chảy thường được tính bằng công thức:
Q = dV/dt
Trong đó:
- Q: Lưu lượng dòng chảy (m³/s, m³/ngày…)
- V: Thể tích nước chảy qua tiết diện sông trong khoảng thời gian nhất định (m³)
- t: Thời gian dòng chảy (s, h, ngày)
Ví dụ: Một con sông có tổng thể tích nước chảy qua mặt cắt ngang trong 1 năm là 9,46 tỷ m³, cần tính lưu lượng dòng chảy trung bình năm.
Công thức tính lưu lượng dòng chảy trung bình năm là Q = dV/dt. Ta cần lấy tổng lưu lượng dòng chảy 1 năm chia cho tổng số giây trong 1 năm.
Q = 9,46 x 10⁹ / (365 x 24 x 3600) ≈ 300 m³/s
Như vậy, lưu lượng trung bình năm của con sông này vào khoảng 300 m³/s.
Cách tính lưu lượng dòng chảy qua ống tròn
Trong các hệ thống dẫn nước, lưu lượng dòng chảy qua ống tròn hay đồng hồ đo lưu lượng thường được tính bằng công thức:
Q = A × v
Trong đó:
- Q: Lưu lượng dòng chảy (m³/s, m³/h, L/s…)
- A: Diện tích tiết diện ống dẫn (m²), với ống tròn được tính theo A = π × D² / 4 (D là đường kính ống, m)
- v: Vận tốc dòng chảy của nước (m/s)
Ví dụ: Một đường ống có đường kính trong D = 0,1 m (100 mm) và vận tốc nước v = 2 m/s. Ta có:
A = 3,14 × (0,1)² / 4 = 0,00785 m²
Q = 0,00785 × 2 = 0,0157 m³/s ≈ 15,7 L/s
Bảng tra lưu lượng nước qua ống tròn tham khảo, với vận tốc v = 1 m/s.
| Đường kính ống (mm) | Diện tích tiết diện A (m²) | Lưu lượng Q (L/s) | Lưu lượng Q (m³/h) |
| 25 | 0,00049 | 0,49 | 1,76 |
| 50 | 0,00196 | 1,96 | 7,06 |
| 80 | 0,00503 | 5,03 | 18,1 |
| 100 | 0,00785 | 7,85 | 28,3 |
| 150 | 0,01767 | 17,7 | 63,6 |
| 200 | 0,03142 | 31,4 | 113,0 |
Bảng trên có thể dùng để tham khảo nhanh khi thiết kế, tính toán lưu lượng trong đường ống. Trường hợp vận tốc thay đổi, lưu lượng sẽ tỷ lệ thuận theo vận tốc (Q = A × v).
Các thiết bị sử dụng đo lưu lượng dòng chảy
Để xác định chính xác lưu lượng dòng chảy trong từng hệ thống, con người cần đến những thiết bị đo chuyên dụng. Mỗi thiết bị sẽ có nguyên lý hoạt động riêng, phù hợp với từng loại chất lỏng, môi trường và mục đích ứng dụng. Dưới đây là một số thiết bị phổ biến hiện nay:
Lưu lượng kế
Lưu lượng kế là thiết bị thông dụng nhất dùng để đo tốc độ và thể tích chất lỏng chảy qua ống dẫn. Thiết bị này thường được cấu tạo từ hai cảm biến nhiệt độ đặt gần nhau, có thể đo sự chênh lệch nhiệt lượng khi chất lỏng đi qua. Nhờ đó, người dùng xác định được lưu lượng với độ chính xác cao.
Ngày nay, lưu lượng kế không chỉ xuất hiện trong các hệ thống cấp thoát nước dân dụng mà còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ sản xuất hóa chất cho đến xử lý nước thải.
Sử dụng tuabin đo lưu lượng dòng chảy
Đồng hồ đo dạng tuabin hoạt động dựa trên nguyên lý cơ học: Khi chất lỏng đi qua, dòng chảy sẽ tác động làm cánh tuabin quay. Tốc độ quay tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy, từ đó quy đổi thành lưu lượng.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ lắp đặt, giá thành hợp lý. Tuy nhiên, tuabin dễ bị ảnh hưởng bởi cặn bẩn hoặc tạp chất trong nước, do đó cần vệ sinh và bảo trì định kỳ.
Ống pitot
Ống pitot thường được dùng để đo vận tốc chất lỏng hoặc khí trong ống dẫn. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý chênh lệch áp suất: Khi dòng chảy đi qua, ống pitot sẽ ghi nhận sự thay đổi giữa áp suất tĩnh và áp suất động, từ đó tính toán lưu lượng.
Phương pháp đo bằng ống pitot có ưu điểm là cấu tạo gọn nhẹ, dễ dàng mang theo và sử dụng. Tuy nhiên, độ chính xác không cao bằng cảm biến điện tử nên thường chỉ dùng trong nghiên cứu, thí nghiệm hoặc các hệ thống nhỏ.
Cảm biến lưu lượng dòng chảy
Cảm biến lưu lượng dòng chảy là giải pháp hiện đại, thường ứng dụng công nghệ điện từ hoặc siêu âm. Với cảm biến điện từ, từ trường được tạo ra để đo điện áp sinh ra khi chất lỏng dẫn điện đi qua. Trong khi đó, cảm biến siêu âm dựa trên độ chênh lệch sóng phản xạ để xác định tốc độ và lưu lượng.
Các loại cảm biến này có ưu điểm nổi bật là độ chính xác cao, khả năng đo không tiếp xúc và có thể tích hợp với hệ thống giám sát từ xa. Nhờ đó, chúng được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp quy mô lớn, nơi cần kiểm soát dòng chảy liên tục và ổn định.
Trên đây là toàn bộ kiến thức về lưu lượng dòng chảy từ khái niệm, công thức tính cho đến các thiết bị đo lường phổ biến. Hy vọng bài viết đã mang lại thông tin hữu ích cho bạn trong quá trình tính toán và lựa chọn giải pháp đo phù hợp. Đừng quên theo dõi Tuấn Hưng Phát Valve để cập nhật thêm nhiều kiến thức chuyên ngành và sản phẩm chất lượng cao.
