Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác lập công thức tính toán một số thông số nước nhảy đáy trên kênh dốc thuận có lòng dẫn mở rộng dần

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm thiết lập công thức giải tích để tính toán các đặc trưng của nước nhảy (chiều sâu dòng chảy trong khu vực nước nhảy, chiều dài khu xoáy, chiều dài nước nhảy, phân bố vận tốc điểm trong khu xoáy) trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy dốc hoặc đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật;

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác lập công thức tính toán một số thông số nước nhảy đáy trên kênh dốc thuận có lòng dẫn mở rộng dần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ VIỆT HÀ NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN MỘT SỐ THÔNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CÓ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ VIỆT HÀ NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN MỘT SỐ THÔNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CÓ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng Mã số: 62 – 44 - 22 - 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS Hồ Việt Hùng 2. GS. TS Hoàng Tư An HÀ NỘI, NĂM 2018
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Lê Thị Việt Hà i
LỜI CÁM ƠN Luận án “Nghiên cứu xác lập công thức tính toán một số thông số nước nhảy đáy trên kênh dốc thuận có lòng dẫn mở rộng dần” đã được hoàn thành tại trường Đại học Thủy lợi với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học; cùng sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của các cơ quan, đơn vị, đồng nghiệp, gia đình, bạn bè. Tác giả vô cùng biết ơn tập thể thầy hướng dẫn là Giáo sư - Tiến sĩ Hoàng Tư An và Phó giáo sư - Tiến sĩ Hồ Việt Hùng đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả. Tác giả trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến sát thực để luận án này thành công. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn của mình đối với gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án. Với những kết quả đạt được của luận án, tác giả hy vọng những đóng góp của mình sẽ là cơ sở khoa học phục vụ cho nghiên cứu tính toán thủy lực trong thiết kế, xây dựng và quản lý vận hành công trình thủy lợi. Tính toán nước nhảy không ngập trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần là vấn đề khá phức tạp. Do đó kết quả nghiên cứu của luận án khó tránh khỏi hạn chế. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học để tiếp tục nâng cao và hoàn thiện công trình nghiên cứu này. Xin chân thành cảm ơn! ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ...........................x MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................2 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ......................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3 7. Những đóng góp mới của luận án ....................................................................4 8. Cấu trúc của luận án .........................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH………………………………………………………………………………….6 1.1 Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước ................................6 1.2 Một số phương pháp và kết quả nghiên cứu ....................................................7 1.2.1 Bài toán phẳng.............................................................................................7 1.2.1 Bài toán không gian hữu hạn ....................................................................14 1.3 Kết luận chương 1 ..........................................................................................15 CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC NHẢY TRONG LÒNG DẪN MẶT CẮT NGANG HÌNH CHỮ NHẬT MỞ RỘNG DẦN, ĐÁY DỐC THUẬN VÀ ĐÁY BẰNG ..................................................18 2.1 Đặt vấn đề chương 2 ......................................................................................18 2.2 Lý thuyết cơ bản [35] [36] [37] [38] ..............................................................18 2.3 Thiết lập các công thức giải tích tính đặc trưng nước nhảy trong lòng mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần, đáy dốc thuận, đáy bằng ....................................21 2.3.1 Giả thiết .....................................................................................................21 2.3.2 Sự thay đổi chiều sâu tương đối dòng chảy dọc theo chiều dài tương đối khu xoáy và chiều dài tương đối nước nhảy..........................................................22 2.3.3 Hình dạng mặt thoáng trung bình và chiều dài tương đối khu xoáy mặt trong lòng dẫn dốc ..........................................................................................................28 iii
2.3.4 Quy luật thay đổi vận tốc điểm tương đối ở đáy và vận tốc điểm tương đối ở mặt trong khu xoáy của nước nhảy ....................................................................41 2.3.5 Trường hợp riêng: lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy bằng ..............44 2.4 Kết luận chương 2 ..........................................................................................46 CHƯƠNG 3 KIỂM ĐỊNH CÔNG THỨC LÝ THUYẾT MỚI ..............................47 3.1 Đặt vấn đề chương 3 ......................................................................................47 3.2 So sánh các công thức mới thiết lập với công thức đã có ..............................47 3.2.1 Nước nhảy trong lòng dẫn đáy bằng phi lăng trụ mở rộng dần ................47 3.2.2 Nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc ..............................................48 3.2.3 Nhận xét chung .........................................................................................50 3.3 Mô hình vật lý thí nghiệm hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy dốc thuận ......................................................................................51 3.3.1 Mô tả thí nghiệm .......................................................................................51 3.3.2 Kiểm định thiết bị đo đạc thí nghiệm ........................................................52 3.4 Kiểm định công thức lý thuyết mới ...............................................................54 3.4.1 Kiểm chứng giả thiết phân bố vận tốc điểm .............................................55 3.4.2 Kiểm chứng chiều sâu tương đối và chiều dài tương đối khu xoáy..........64 3.4.3 Đường mặt nước trung bình trong khu xoáy .............................................66 um un 3.4.4 Kiểm chứng phân bố vận tốc điểm tương đối ; dọc theo chiều dài V1 V1 khu xoáy ................................................................................................................70 3.5 Kết luận chương 3 ..........................................................................................73 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH CÔNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG NGHIÊN CỨU MỚI .....................................................................................................74 4.1 Phân tích kết quả tính toán .............................................................................74 4.1.1 Mối quan hệ giữa chiều dài khu xoáy và chiều dài nước nhảy .................74 4.1.2 Ảnh hưởng của độ dốc đáy, góc mở lòng dẫn, số Fr12 và hệ số hình dạng mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học của nước nhảy ..........................75 4.2 Đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn mở rộng dần thay đổi độ dốc ........81 4.2.1 Chiều sâu tương đối nước nhảy tại vị trí lòng dẫn có độ dốc thay đổi .....82 4.2.2 Chiều sâu tương đối của nước nhảy tại vị trí cuối khu xoáy ....................84 4.2.3 Chiều sâu tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy ................................86 4.2.4 Chiều dài tương đối khu xoáy, chiều dài tương đối nước nhảy ................87 iv
4.3 Kết luận chương 4 ..........................................................................................87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................89 1. Kết quả đạt được của luận án .........................................................................89 2. Những đóng góp mới của luận án .................................................................89 3. Tồn tại và hướng phát triển ............................................................................90 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................93 PHỤ LỤC ......................................................................................................................96 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu năng sau dốc nước ......................................................................6 Hình 1.2 Sơ đồ nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc [14] .................................11 Hình 2.1 Sơ đồ dòng tia trong không gian bán giới hạn [36] ........................................18 Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng của dòng chảy .......................................................................20 Hình 2.3 Sơ đồ bài toán nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc ..22 Hình 3.1 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong trường hợp tg  0,03;   0,04; i  0 ........47 Hình 3.2 Quan hệ 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,15;   0,0434 .................49 Hình 3.3 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,05;   0,037 ...........50 Hình 3.4 Hình ảnh bọt khí trong nước nhảy ..................................................................51 Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm trên mô hình vật lý mô phỏng nước nhảy ..........................51 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo chiều sâu, vận tốc điểm dòng chảy .................55 u  un z Hình 3.7 Biểu đồ theo với i  0,156 , trường hợp 2. ................................58 um  un h u  un z Hình 3.8 Biểu đồ theo với i  0,156 , trường hợp 3. ................................58 um  un h u  un z Hình 3.9 Biểu đồ theo với i  0,036 , trường hợp 1 ...................................59 um  un h u  un z Hình 3.10 Biểu đồ theo với i  0,036 , trường hợp 4 .................................61 um  un h u  un z Hình 3.11 Biểu đồ theo với i  0 , trường hợp 1 ........................................61 um  un h u  un z Hình 3.12 Biểu đồ theo với i  0 , trường hợp 5 .......................................61 um  un h x Hình 3.13 Quan hệ giữa  h và với Fr12  33,78;   0,045; i  0,156 ....................67 h1 x Hình 3.14 Quan hệ giữa  h và với Fr12  42, 2;   0,04; i  0,156 .......................67 h1 x Hình 3.15 Quan hệ giữa  h và với Fr12  22,03;   0,049; i  0,036 ...................68 h1 x Hình 3.16 Quan hệ giữa  h và với Fr12  46,96;   0,037; i  0,036 ...................68 h1 x Hình 3.17 Quan hệ giữa  h và với Fr12  24, 42;   0,033; i  0,0 .......................69 h1 vi
x Hình 3.18 Quan hệ giữa  h và với Fr12  60,83;   0,033; i  0,0 ........................69 h1 lx Hình 4.1 Mối quan hệ giữa và  x với độ dốc lòng dẫn, trường hợp i  0,13 . ......75 h1 ' lx Hình 4.2 Mối quan hệ và  x với độ dốc lòng dẫn, trường hợp 0  i  0,13 . ..........76 h1 ' lx Hình 4.3 Mối quan hệ giữa và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  0,13 . ......76 h1 ' lx Hình 4.4 Mối quan hệ và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp 0  i  0,13 ..........77 h1 ' lx Hình 4.5 Mối quan hệ giữa và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  0 . ..........77 h1 ' lx Hình 4.6 Mối quan hệ giữa và  x với Fr12 , trường hợp i  0,13 . ..........................78 h1 ' lx Hình 4.7 Mối quan hệ giữa và  x với Fr12 , trường hợp 0  i  0,13 ......................78 h1 ' lx Hình 4.8 Mối quan hệ giữa và  x với Fr12 , trường hợp i  0 . ...............................79 h1 ' lx Hình 4.9 Mối quan hệ giữa giữa và  x với  trường hợp i  0,13 . ......................79 h1 ' lx Hình 4.10 Mối quan hệ giữa giữa và  x với  trường hợp 0  i  0,13 . ...............80 h1 ' lx Hình 4.11 Mối quan hệ giữa giữa và  x với  trường hợp i  0 . .........................80 h1 ' Hình 4.12 Xói lở công trình do nước nhảy xuất hiện tại vị trí thay đổi độ dốc lòng dẫn .......................................................................................................................................81 Hình 4.13 Sơ đồ nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần có độ dốc đáy thay đổi. .................................................................................................................................82 Hình 4.14 Mô hình thí nghiệm vật lý lòng dẫn có đáy thay đổi độ dốc ........................83 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU lo Bảng 1.1 Quan hệ giữa Fr12 với trong lòng dẫn lăng trụ đáy bằng ..........................10 h1 Bảng 3.1 Bảng quan hệ giữa 2 với Fr12 trường hợp tg  0,03;   0,04; i  0 ........48 Bảng 3.2 Bảng quan hệ giữa  2 và Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc ....................49 u  un Bảng 3.3 Quy luật phân bố với i  0,156 , trường hợp 2 ................................56 um  un u  un Bảng 3.4 Quy luật phân bố với i  0,156 , trường hợp 3 ................................57 um  un u  un Bảng 3.5 Quy luật phân bố với i = 0,036, trường hợp 1 ..................................59 um  un u  un Bảng 3.6 Quy luật phân bố với i = 0,036, trường hợp 4 ..................................60 um  un u  un Bảng 3.7 Quy luật phân bố với i  0 , trường hợp 1 .......................................62 um  un u  un Bảng 3.8 Quy luật phân bố với i  0 , trường hợp 5 ........................................63 um  un Bảng 3.9 Quan hệ giữa  x ; lx / h1 với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần i  0,156 ........................................................................................................................65 Bảng 3.10 Quan hệ giữa  x ; lx / h1 với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần i  0,036 ........................................................................................................................65 Bảng 3.11 Quan hệ giữa  x ; lx / h1 với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần i  0,0 ............................................................................................................................66 u u x Bảng 3.12 Phân bố m và n theo với i  0,156 , trường hợp 1 ...........................70 V1 V1 h1 ' um u x Bảng 3.13 Phân bố và n theo với i  0,156 , trường hợp 2 ............................71 V1 V1 h1 ' um u x Bảng 3.14 Phân bố và n theo với i  0,036 , trường hợp 1 ...........................71 V1 V1 h1 ' um u x Bảng 3.15 Phân bố và n theo với i  0,036 , trường hợp 5 ...........................72 V1 V1 h1 ' um u x Bảng 3.16 Phân bố và n theo với i  0 , trường hợp 1 ..................................72 V1 V1 h1 ' viii
um u x Bảng 3.17 Phân bố và n theo với i  0 , trường hợp 2 .................................73 V1 V1 h1 ' lx Bảng 4.1 Mối quan hệ giữa ứng với 3 độ dốc tính toán ...........................................75 l2 Bảng 4.2 Quan hệ giữa nt với Fr12 ...............................................................................84 Bảng 4.3 Quan hệ giữa x với Fr12 ................................................................................86 Bảng 4.4 Quan hệ giữa c với Fr12 ................................................................................86 Bảng 4.5 Quan hệ giữa lnt/h1; lx/h1; lc/h1 với Fr12 ..........................................................87 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. Các từ viết tắt b : Bề rộng dòng chảy tại vị trí bất kỳ bx : Bề rộng dòng chảy cuối khu xoáy b1 : Bề rộng dòng chảy trước nước nhảy b2 : Bề rộng dòng chảy cuối nước nhảy Fx : Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Ox Fy : Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Oy Fz : Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Oz Fr2: Số Froude của dòng chảy h1 : Chiều sâu dòng chảy trước nước nhảy theo phương thẳng đứng h1’ : Chiều sâu dòng chảy trước nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn hx : Chiều sâu dòng chảy cuối khu xoáy theo phương thẳng đứng hx’ : Chiều sâu dòng chảy cuối khu xoáy phương vuông góc với lòng dẫn h2 : Chiều sâu dòng chảy cuối nước nhảy theo phương thẳng đứng h2’ : Chiều sâu dòng chảy cuối nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn hc : Chiều sâu trọng tâm mặt cắt theo phương đứng h’ : Chiều sâu dòng chảy tại vị trí bất kỳ theo phương vuông góc với lòng dẫn h : Chiều sâu dòng chảy tại vị trí bất kỳ theo phương đứng hk : Chiều sâu dòng chảy phân giới hnt : Chiều sâu dòng chảy tại vị trí thay đổi độ dốc i : Độ dốc của lòng dẫn lx : Chiều dài khu xoáy l2 : Chiều dài nước nhảy lo : Chiều dài nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy bằng. lxd : Chiều dài khu xoáy của nước nhảy trên đoạn kênh dốc trong lòng dẫn thay đổi độ dốc lxb : Chiều dài khu xoáy của nước nhảy trên đoạn kênh đáy bằng trong lòng dẫn thay đổi độ dốc lbtn: Chiều dài bể tiêu năng x
Oz : Phương đứng của dòng chảy Oy : Phương ngang dòng chảy Ox : Hoành độ dọc theo dòng chảy p : Áp suất trong dòng chảy P : Áp lực thủy tĩnh q : Lưu lượng đơn vị Q : Lưu lượng dòng chảy um : Vận tốc điểm lớn nhất thuận theo chiều dòng chảy un : Vận tốc điểm lớn nhất ngược chiều dòng chảy umnt: Vận tốc điểm lớn nhất theo chiều dòng chảy tại mặt cắt thay đổi độ dốc u : Vận tốc điểm trung bình theo phương ngang ux : Vận tốc điểm chiếu lên trục Ox uy : Vận tốc điểm chiếu lên trục Oy uz : Vận tốc điểm chiếu lên trục Oz u’ : Mạch động vận tốc điểm theo phương Ox V : Vận tốc trung bình mặt cắt w : Vận tốc điểm trung bình theo phương đứng w’: Mạch động vận tốc điểm theo phương Oz : Ứng suất pháp tuyến : Ứng suất tiếp tuyến t: Thời gian : Khối lượng riêng của nước *: Chiều dày lớp biên sát thành 2: Góc mở của lòng dẫn h: Chiều sâu tương đối của dòng chảy  x: Chiều sâu tương đối của dòng chảy cuối khu xoáy  2: Chiều sâu tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy : Chiều cao tương đối của cao độ z nt: Chiều sâu tương đối của dòng chảy tại vị trí nối tiếp  x: Bề rộng tương đối của dòng chảy cuối khu xoáy xi
 2: Bề rộng tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy : Bề rộng tương đối của dòng chảy tại vị trí bất kỳ : Hệ số hình dạng của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy 2. Các thuật ngữ “Chiều dài khu xoáy” là phần chiều dài tính từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt cuối khu xoáy mặt của nước nhảy, trong khu vực này vận tốc dòng chảy tuân theo quy luật Schlichting. “Chiều dài nước nhảy” là phần chiều dài tính từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt cuối nước nhảy. “Chiều cao tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều cao của điểm đang xét với chiều sâu dòng chảy tại vị trí xem xét. “Chiều sâu tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều sâu dòng chảy tại vị trí đang xét với chiều sâu dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy. “Chiều dài tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều dài dòng chảy tại vị trí đang xét với chiều sâu dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy. “Chiều rộng tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều rộng dòng chảy tại vị trí đang xét với chiều rộng dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy. “Vận tốc điểm tương đối” là tỷ số giữa vận tốc điểm của dòng chảy tại vị trí đang xét với vận tốc trung bình của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy. “Hệ số hình dạng của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều sâu với chiều rộng của dòng chảy tại vị trí đang xét. xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nối tiếp và tiêu năng sau công trình tháo là vấn đề vừa kinh điển, vừa thời sự. Đó là nội dung không thể thiếu trong tính toán thủy lực công trình thủy và cũng là giải quyết vấn đề phòng xói ở hạ lưu công trình. Sự nối tiếp dòng chảy giữa dốc nước và lòng dẫn hạ lưu rất đa dạng và phức tạp. Các công trình nối tiếp và tiêu năng này liên quan mật thiết với hiện tượng nước nhảy. Nối tiếp chảy đáy thường gặp trong các công trình tháo nước thông qua hiện tượng nước nhảy không ngập (sau đây sẽ gọi tắt là nước nhảy). Nước nhảy trong lòng dẫn nói chung và lòng dẫn phi lăng trụ nói riêng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu bằng các phương pháp như lý thuyết, bán thực nghiệm và thực nghiệm. Các kết quả nghiên cứu cũng được ứng dụng từ lâu nhưng đến nay hiện tượng này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu rộng và sâu hơn nữa. Trong các ứng dụng thực hành khác nhau, việc sử dụng lòng dẫn mở rộng dần có thể giảm chiều dài nước nhảy và gia tăng kiểm soát vị trí nước nhảy. Với trường hợp này, do mặt cắt ngang biến đổi, đa số các tính toán thuỷ lực thuộc về bài toán không gian. Trong các công trình nghiên cứu về bài toán không gian này, nhiều tác giả đã nghiên cứu sự thay đổi các đặc trưng thuỷ lực của dòng tia dọc theo dòng chảy và theo phương đứng với giả thiết sự phân bố vận tốc tại tọa độ z bất kỳ theo phương ngang là như nhau. Giải pháp này đưa bài toán không gian đa chiều về bài toán hai chiều đứng. Phương pháp giải bài toán hai chiều đứng trong trường hợp này cũng tương tự như giải bài toán trong điều kiện phẳng. Do đó, tác giả chọn vấn đề xác định các đặc trưng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật, ở cuối dốc nước bằng lý thuyết lớp biên của dòng tia chảy rối là phát triển những nội dung kinh điển trong những điều kiện thường gặp trong thực tế, nhưng chưa được giải quyết triệt để. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng lý thuyết lớp biên của dòng tia chảy rối để nghiên cứu nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ nhằm đạt các mục tiêu sau: - Thiết lập công thức giải tích để tính toán các đặc trưng của nước nhảy (chiều sâu dòng chảy trong khu vực nước nhảy, chiều dài khu xoáy, chiều dài nước nhảy, phân bố vận tốc điểm trong khu xoáy) trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy dốc hoặc đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật; - Làm rõ sự khác nhau giữa chiều dài khu xoáy mặt của nước nhảy và chiều dài toàn bộ nước nhảy để làm cơ sở tính toán chiều dài bể tiêu năng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là hiện tượng nước nhảy không ngập trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần có đáy dốc thuận, đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật; - Phạm vi nghiên cứu là cơ học chất lỏng. 4. Nội dung nghiên cứu - Khái quát các công trình nghiên cứu đã có trên thế giới và ở Việt Nam về hiện tượng nước nhảy; - Nghiên cứu lý thuyết lớp biên của dòng tia chảy rối và các phương trình cơ bản của thủy lực dòng chảy hai chiều để sử dụng trong luận án; - Thiết lập các công thức tính toán một số đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần với đáy dốc thuận, đáy bằng, đáy có độ dốc thay đổi, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật; - Kiểm chứng công thức vừa được thiết lập với các công trình nghiên cứu đã có; - Thí nghiệm mô hình vật lý thủy lực để kiểm chứng và đánh giá độ phù hợp của công thức vừa được thiết lập trong luận án. 2
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình khoa học đã có về nước nhảy đã có ở trong nước và trên thế giới. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo sao cho phù hợp với vấn đề cần quan tâm. 5.2 Các phương pháp sử dụng trong luận án - Phương pháp nghiên cứu tổng quan: phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những vấn đề khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ. - Phương pháp so sánh: tiến hành tính toán, so sánh kết quả tính theo công thức kiến nghị của luận án với các công thức khác. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm qua mô hình vật lý: thực hiện thí nghiệm thủy lực về hiện tượng nước nhảy với các phương án khác nhau để đánh giá độ tin cậy mà công thức giải tích của luận án đã thiết lập. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu đã có về nối tiếp bằng nước chảy đáy nói chung và nối tiếp bằng nước nhảy ở chân công trình tháo nước kiểu dốc nước mới đưa ra được các công thức lý thuyết tính chiều sâu sau nước nhảy, còn các đặc trưng khác chủ yếu được nghiên cứu và xác định bằng thực nghiệm. Còn luận án đã ứng dụng lý thuyết lớp biên của dòng chảy rối để nghiên cứu thiết lập công thức tính toán các dặc trưng của nước nhảy (chiều sâu của dòng chảy, chiều dài khu xoáy, chiều dài nước nhảy, phân bố vận tốc điểm) trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật, đáy dốc, đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc. Sau khi có được các công thức lý thuyết tác giả đã so sánh với các công thức của các tác giả khác và đặc biệt đã thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình vật lý. Kết quả so sánh và kiểm chứng cho thấy các công thức mới hoàn toàn có thể tin cậy được. Vì vậy luận án có ý nghĩa khoa học Động lực học chất lỏng. 3
6.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của luận án có giá trị và độ tin cậy cao, góp phần làm rõ thêm các đặc trưng về đường mặt nước trong khu xoáy, chiều sâu dòng chảy khu xoáy, chiều dài khu xoáy, chiều sâu nước nhảy, chiều dài nước nhảy, quy luật phân bố lưu tốc mặt và lưu tốc đáy trong khu xoáy cho các trường hợp lòng dẫn phi lăng trụ, đáy dốc thuận. Việc tìm ra các công thức giải tích này cho phép mở rộng phạm vy ứng dụng của bài toán, tính toán một cách toàn diện và tin cậy hơn các kết cấu công trình tiêu năng sau công trình tháo nước kiểu dốc nước. Đây có thể làm cơ sở cho những ứng dụng thực tiễn và sử dụng lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần và dốc thuận làm công trình tiêu năng. 7. Những đóng góp mới của luận án - Thiết lập được các công thức (2.64; 2.71; 2.83) để tính đường mặt nước trung bình trong khu xoáy mặt của nước nhảy, công thức (2.65; 2.72; 2.84) để tính chiều sâu và chiều dài nước nhảy, công thức (2.79; 2.86) để tính quy luật phân bố vận tốc điểm đáy dọc theo chiều dài dòng chảy trong khu xoáy mặt. Các công thức trên áp dụng cho kênh phi lăng trụ có độ dốc thuận và đáy bằng, mặt cắt ngang hình chữ nhật. Bên cạnh việc so sánh với các kết quả trước đây, đã tiến hành kiểm chứng các công thức giải tích thông qua thí nghiệm mô hình vật lý hiện tượng nước nhảy với độ dốc và độ mở lòng dẫn khác nhau. - Tác giả luận án đã có các khảo sát về sự biến đổi giữa khu xoáy và khu nước nhảy, đặc biệt là chiều sâu và chiều dài tương đối của dòng chảy cuối khu xoáy khi các đại lượng như hệ số hình dạng của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy, góc mở lòng dẫn, số Froude, độ dốc lòng dẫn biến đổi. - Thiết lập được các công thức: (4.2) tính chiều sâu dòng chảy tại vị trí thay đổi độ dốc, (4.8) tính chiều sâu dòng chảy tại vị trí cuối khu xoáy, (4.9) tính chiều sâu dòng chảy tại cuối nước nhảy. Các công thức trên áp dụng cho lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang hình chữ nhật. 4
8. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hiện tượng nước nhảy ở hạ lưu công trình. Chương 2: Thiết lập các công thức giải tích tính đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần, đáy đốc thuận và đáy bằng. Chương 3: Kiểm định công thức lý thuyết mới. Chương 4: Phân tích kết quả tính toán và mở rộng nghiên cứu. 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ LƯU CÔNG TRÌNH 1.1 Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước Công trình thủy lợi có tính chất đặc biệt và cần thiết trong việc điều tiết dòng chảy để phát huy lợi ích phục vụ con người. Một trong những hạng mục quan trọng của cụm công trình thủy lợi là công trình tiêu năng nhằm tiêu hao năng lượng thừa của dòng chảy từ thượng lưu đổ về. Một trong số các biện pháp tiêu hao năng lượng thừa này là sử dụng hình thức nối tiếp bằng nước nhảy sau công trình tháo nước kiểu dốc nước. Đường tràn tháo nước kiểu dốc nước bao gồm một đập tràn đỉnh rộng hoặc thực dụng, đoạn dốc nước và bể tiêu năng ở cuối dốc. Sơ đồ dòng chảy được mô tả sơ lược như trên hình 1.1. Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu năng sau dốc nước Như vậy, việc tính toán chế độ thủy lực liên quan đến tiêu năng bằng hình thức nước nhảy sau dốc nước cần được quan tâm. Nước nhảy có thể nằm hoàn toàn trên thân dốc nước, nằm hoàn toàn ở bể tiêu năng hoặc nằm giữa dốc nước và bể tiêu năng, không giống như hiện tượng nối tiếp sau đập tràn thực dụng. Dưới đây sẽ tổng hợp một số phương pháp và kết quả nghiên cứu về nước nhảy từ trước đến thời điểm hiện tại. Có hai dạng lòng dẫn cần lưu ý, đó là nước nhảy trong lòng dẫn 6