Một số đặc trưng thủy động lực học của dòng biến lượng không định trong máng tràn bên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÕNG BIẾN LƯỢNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG MÁNG TRÀN BÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÕNG BIẾN LƯỢNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG MÁNG TRÀN BÊN Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Mã số: 58 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS Lê Văn Nghị HÀ NỘI - 2022 i ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiên cứu, tác giả luận án nhận đƣợc nhiều hỗ trợ, giúp đỡ nhà khoa học, đồng nghiệp gia đình Đầu tiên, tác giả trân trọng cảm ơn sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Động lực học sông biển tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ tiếp cận tài liệu, cơng trình nghiên cứu có để luận án đƣợc hoàn thành Tác giả chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS TS Lê Văn Nghị - Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Động lực học sông biển tận tâm hƣớng dẫn giúp đỡ tác giả tháo gỡ nhiều vƣớng mắc trình thực nghiên cứu để hoàn thành luận án Tác giả bày tỏ kính trọng vơ biết ơn GS TS Hoàng Tƣ An tƣ vấn hƣớng nghiên cứu, bảo nhiều vấn đề khoa học quý báu, đồng thời chỗ dựa tinh thần giúp tác giả hoàn thành luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Giao thơng vận tải, Phịng Tổ chức cán bộ, Ban chủ nhiệm Khoa Cơng trình tập thể giảng viên Bộ môn Thủy lực - Thủy văn hỗ trợ tạo điều kiện tốt cho tác giả trình học tập thực luận án Tác giả vô cảm ơn nhà khoa học sở đào tạo hỗ trợ cung cấp tài liệu nhƣ tham gia đóng góp nhiều ý kiến quý giá cho luận án Cuối cùng, tác giả xin trân trọng cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đồng hành chia sẻ trình thực luận án / Tác giả iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ii vii DANH MỤC HÌNH xi DANH MỤC BẢNG xv MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học Ý nghĩa thực tiễn NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Chƣơng TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁNG TRÀN BÊN VÀ DÕNG BIẾN LƢỢNG 1 SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÕNG CHẢY 6 1 Phân loại chuyển động 1 Hiện tƣợng dòng biến lƣợng MÁNG TRÀN BÊN Đặc điểm cơng trình máng tràn bên 7 2 Một số công trình hồ chứa áp dụng hình thức máng tràn bên tháo lũ 10 Các dạng cơng trình khác ứng dụng nguyên lý máng tràn bên 16 CÁC DẠNG PHƢƠNG TRÌNH DÕNG BIẾN LƢỢNG MỘT CHIỀU 17 Các giả thiết chung phƣơng trình 17 Phƣơng trình tác giả giới 18 iv 3 Phƣơng trình tác giả nƣớc 21 Các dạng phƣơng trình khác 21 PHƢƠNG TRÌNH DÕNG KHƠNG ỔN ĐỊNH MỘT CHIỀU 23 Hệ phƣơng trình Saint Venant 23 Các nghiên cứu ứng dụng phƣơng trình Saint Venant 24 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ CHẾ ĐỘ THỦY LỰC TRONG MÁNG TRÀN BÊN Đƣờng mặt nƣớc 26 26 Cấu trúc dòng chảy 29 Chiều sâu dòng chảy cuối máng 29 Tổn thất lƣợng 30 5 Phân bố lƣu tốc 31 KẾT LUẬN CHƢƠNG 34 Chƣơng HỆ PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN DÕNG BIẾN LƢỢNG MỘT CHIỀU KHÔNG ỔN ĐỊNH 36 PHƢƠNG PHÁP THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH 1 Các lực tác dụng 2 Phƣơng pháp thiết lập phƣơng trình dịng biến lƣợng ổn định Phƣơng pháp thiết lập hệ phƣơng trình vi phân 1D không ổn định 2 THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH NĂNG LƢỢNG CỦA DÕNG BIẾN LƢỢNG KHƠNG ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG MỘT CHIỀU 36 36 37 38 39 2 Lực dòng chảy bên 39 2 Phƣơng trình lƣợng 40 PHƢƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN CHO DÕNG BIẾN LƢỢNG 43 Lựa chọn phƣơng pháp giải số 43 Lựa chọn lƣợc đồ sai phân 44 3 Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính 45 GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN DÕNG BIẾN LƢỢNG KHƠNG ỔN ĐỊNH 46 v Sai phân hệ phƣơng trình SVF 1D không ổn định 46 Hệ phƣơng trình đại số tuyến tính phƣơng trình SVF 1D không ổn định 50 KẾT LUẬN CHƢƠNG 52 Chƣơng PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÕNG BIẾN LƢỢNG TRONG MÁNG TRÀN BÊN 54 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 54 1 Giới thiệu mơ hình thí nghiệm 54 Đánh giá độ tin cậy mơ hình thí nghiệm 56 CẤU TRÖC DÕNG CHẢY TRÊN MẶT CẮT NGANG 57 3 CHIỀU SÂU DÕNG CHẢY PHÍA THÀNH MÁNG ĐỐI DIỆN 59 PHÂN BỐ LƢU TỐC 67 Phân bố lƣu tốc mô hình thí nghiệm 67 Hệ số phân bố lƣu tốc 70 CHIỀU SÂU DÕNG CHẢY CUỐI MÁNG 74 KẾT LUẬN CHƢƠNG 79 Chƣơng LẬP TRÌNH VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TỐN ĐƢỜNG MẶT NƢỚC TRONG MÁNG TRÀN BÊN 82 THUẬT TỐN MƠ HÌNH USVF1D 82 1 Thuật tốn chung mơ hình 82 Một số module 83 XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH 91 Cơng cụ lập trình 91 2 Thiết kế chƣơng trình USVF1D 92 Mã nguồn USVF1D 95 KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH USVF1D Đƣờng mặt nƣớc máng tràn bên hồ Đồng Nghệ 95 95 Đƣờng mặt nƣớc máng tràn bên hồ Việt An 101 3 Đƣờng mặt nƣớc máng tràn bên hồ Mỹ Bình 103 vi 4 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH USVF1D 106 KẾT LUẬN CHƢƠNG 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 KẾT LUẬN 114 KIẾN NGHỊ 115 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 TIẾNG VIỆT 117 TIẾNG ANH 119 TIẾNG NGA 121 TIẾNG Ý 121 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƢỢC CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 122 PHỤ LỤC 123 vii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT  - hệ số Coriolis hay hệ số sửa chữa động năng, (-) 0 - hệ số Boussinesq hay hệ số sửa chữa động lƣợng, (-)  - góc hợp phƣơng dịng gia nhập với hình chiếu lên phƣơng dịng chảy, rad  - chiều dày đỉnh đập, m  - trọng lƣợng riêng chất lỏng, N/m3  - góc hợp phƣơng lực qn tính ly tâm với hình chiếu lên phƣơng dịng chảy, rad v - hệ số lƣu tốc đập, (-);  - góc mở rộng máng, rad  - khối lƣợng riêng chất lỏng, kg/m3 0 - ứng suất tiếp đáy theo phƣơng dòng chảy, N/m2  - hệ số nhớt động lực, Ns/m2  - góc hợp phƣơng đáy máng với phƣơng nằm ngang, rad  - hệ số nhớt động học, m2/s ax - hình chiếu gia tốc dịng chảy lên phƣơng dịng chảy chính, m/s2 A - diện tích mặt cắt ƣớt, m2 Ax - lực qn tính dịng chảy bên tác động lên phƣơng dịng chảy chính, N b - chiều rộng đáy mặt cắt ngang, m bđầu - chiều rộng đáy mặt cắt đầu máng, m bcuối - chiều rộng đáy mặt cắt cuối máng, m B - chiều rộng mặt thoáng mặt cắt ngang, m c - hệ số Chezy, m /s CS - hệ số đối xứng phụ thuộc hình dạng mặt cắt tràn, (-); viii e - lƣợng đơn vị mặt cắt, m E - lƣợng đơn vị dòng chảy, m f - hệ số ma sát, (-) F - ngoại lực, N Fcen - lực quán tính ly tâm, N Ff - lực ma sát, N Fr - số Froude, (-) g - gia tốc trọng trƣờng, m/s2 G - trọng lực, N Gx - thành phần trọng lực theo phƣơng chuyển động, N h - chiều sâu dòng chảy, m h0 - chiều sâu chảy đều, m hc - chiều sâu phân giới, m hc1 - chiều sâu phân giới tính với = 1,00, m hc2 - chiều sâu phân giới tính với = 2,32, m hf - tổn thất cột nƣớc, m hh - chiều sâu dòng chảy hạ lƣu, m hS - chiều sâu dịng chảy phía thành máng đối diện, m H - cột nƣớc tràn, m HTK - cột nƣớc tràn thiết kế, m k - hệ số phƣơng trình lƣợng dịng biến lƣợng khơng ổn định, đƣợc xác định theo công thức k = + kℓ0(1 - n0), (-) k0 - hệ số phƣơng trình lƣợng dịng biến lƣợng khơng ổn định, đƣợc xác định theo công thức k0 =0 + kℓ0(1 - n0), (-) kℓ - hệ số tỷ lệ lƣu lƣợng tỷ số lƣu lƣợng dòng gia nhập (Qℓ) với lƣu lƣợng máng (Q) vị trí gia nhập, (-) ... NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÕNG BIẾN LƯỢNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG MÁNG TRÀN BÊN Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Mã số: 58 02 02 LUẬN... máng tràn bên dòng biến lƣợng - Chƣơng Hệ phƣơng trình vi phân dịng biến lƣợng chiều khơng ổn định - Chƣơng Phân tích kết thực nghiệm xác định số đặc trƣng thủy động lực học dòng biến lƣợng máng. .. ổn định 1D áp dụng cho máng tràn bên - Xác định số đặc trƣng thủy động lực học máng tràn bên ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu dịng chảy kênh dẫn hở có xét đến dòng chảy bên