Nghiên cứu đặc trưng hình học của nước nhảy đáy trong kênh lăng trụ mặt cắt ngang hình thang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA NƯỚC NHẢY ĐÁY TRONG LỊNG DẪN LĂNG TRỤ MẶT CẮT NGANG HÌNH THANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA NƯỚC NHẢY ĐÁY TRONG LÒNG DẪN LĂNG TRỤ MẶT CẮT NGANG HÌNH THANG Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 9-58-02-02 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HÀ NỘI, NĂM 2022 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, ngày 01 tháng 08 năm 2022 Tác giả luận án i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn tới GS TS dẫn đồng hành tác giả suốt trình tìm hiểu, nghiên cứu hoàn thiện luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học cán Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt trình học tập thực luận án Trân trọng cảm ơn Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia động lực học sông biển, Khoa Kỹ thuật hạ tầng môi trường Đô Thị, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội tạo điều kiện thiết kế vận hành hệ thống thí nghiệm, hỗ trợ nhân lực thời gian cho tác giả tập trung học tập nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án Tác giả ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN xv MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận luận án Các phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học Ý nghĩa thực tiễn Những điểm luận án Cấu trúc luận án CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NHẢY ĐÁY 1 Các khái niệm 1 Dịng chảy ổn định khơng 1 Năng lượng đơn vị dòng chảy 1 Năng lượng đơn vị mặt cắt 1 Độ sâu phân giới 1 Số Froude Hiện tượng nước nhảy Khái quát nước nhảy 2 Cấu trúc nước nhảy đáy kênh hình thang Phân loại nước nhảy 12 Các nghiên cứu nước nhảy giới Việt Nam 13 Nghiên cứu nước nhảy giới iii 13 1 Nhận diện nước nhảy 13 Độ sâu phân giới dòng chảy ổn định khơng kênh hình thang 13 Nước nhảy lịng dẫn có mặt cắt ngang hình chữ nhật 19 4 Nước nhảy lịng dẫn có mặt cắt ngang hình thang 24 Ứng dụng cơng nghệ “Trí tuệ nhân tạo” nghiên cứu nước nhảy 33 Nghiên cứu nước nhảy Việt Nam 34 Các nghiên cứu nước nhảy 34 2 Một số cơng trình thực tế 37 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng hình học nước nhảy 39 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu liên hiệp nước nhảy 39 Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài nước nhảy 40 Vấn đề đặt hướng nghiên cứu 41 Các vấn đề cần nghiên cứu 41 Định hướng nghiên cứu 43 Kết luận Chương I 43 CHƯƠNG II – CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG NƯỚC NHẢY TRONG KÊNH LĂNG TRỤ MẶT CẮT HÌNH THANG 45 Cơ sở lý thuyết phân tích đặc trưng hình học nước nhảy 45 1 Đặc điểm nước nhảy 45 2 Phương trình xác định độ sâu dịng chảy khu xốy 46 2 Phương trình vi phân chất lỏng chuyển động 46 2 Các giả thiết áp dụng cho phương trình Navier-Stokes 47 2 Phương trình Navier-Stokes cho dòng chất lỏng chuyển động 47 2 Tích phân phương trình Navier-Stokes cho nước nhảy kênh lăng trụ đáy 49 Phương trình xác định chiều dài khu xốy nước nhảy 50 Các giải thiết 50 Phương trình xác định chiều dài dòng chảy 51 iv 2 Cơ sở lý thuyết tương tự mơ hình hóa 53 2 Lý thuyết phân tích thứ nguyên 53 2 1 Thứ nguyên đại lượng 53 2 Lý thuyết Pi () Buckingham 53 2 Các đại lượng đầu vào nghiên cứu 54 2 Hiện tượng tương tự chuẩn tương tự kích thước mơ hình vật lý 55 2 Hiện tượng tương tự 55 2 Ứng dụng định luật tương tự cho dòng chảy hở 55 Các hàm tốn học mơ tả mối quan hệ liệu 57 Một số thuật toán hồi quy 57 Tiêu chuẩn kiểm nghiệm kết tính tốn 57 Lý thuyết mơ hình Học máy “Rừng ngẫu nghiên” Khái quát chung 59 59 Đánh giá liệu nước nhảy phù hợp với thuật toán Học máy 59 Phân tích giải thuật “Học Máy” nghiên cứu đặc trưng nước nhảy 60 4 Mơ hình học máy “Cây định” 61 Mơ hình học máy “Rừng ngẫu nhiên” 62 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu nước nhảy 63 Các đặc điểm mơ hình thí nghiệm đảm bảo điều kiện tương đồng với cơng trình thực tế 63 Độ sâu dịng chảy sau khu xốy nước nhảy 64 Chiều dài khu xoáy nước nhảy 67 Cấu tạo mơ hình thí nghiệm 69 Mục đích thí nghiệm 69 Các phép đo đạc thực 69 Cấu tạo thí nghiệm 70 4 Đánh giá sai số mô hình 72 Phương pháp thí nghiệm xử lý số liệu 73 Các trường hợp nghiên cứu thí nghiệm mơ hình 73 Phương pháp thí nghiệm thu thập liệu thí nghiệm 74 Phương pháp thí nghiệm 74 v 2 Dữ liệu thí nghiệm mơ hình 76 Mối quan hệ thực nghiệm đặc trưng thủy động nước nhảy 76 Cơ sở liệu phân tích đặc trưng hình học nước nhảy 76 Ảnh hưởng số Froude đến độ sâu dòng chảy sau khu xoáy 77 Các đặc trưng ảnh hưởng đến chiều dài khu xoáy 77 Ảnh hưởng tỷ lệ độ sâu trước sau khu xoáy đến chiều dài nước nhảy 77 Quan hệ chiều dài dịng chảy khu xốy nước nhảy số Froude 79 3 Quan hệ chiều dài dịng chảy khu xốy nước nhảy số Reynolds 80 Mối quan hệ chiều dài dòng chảy khu xốy nước nhảy với lượng dịng chảy 81 Kết luận Chương II 82 CHƯƠNG III – XÂY DỰNG CƠNG THỨC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA NƯỚC NHẢY TRONG KÊNH LĂNG TRỤ MẶT CẮT NGANG HÌNH THANG 83 Xây dựng cơng thức xác định độ sâu phân giới 83 1 Xây dựng công thức xác định độ sâu phân giới 83 Đánh giá công thức xác định độ sâu phân giới 85 Xây dựng cơng thức xác định độ sâu dịng chảy sau khu xoáy nước nhảy 86 Thiết lập phương trình xác định độ sâu dịng chảy sau khu xốy kênh hình thang 86 1 Các đặc trưng mặt cắt ngang hình thang cân 86 2 Xây dựng phương trình độ sâu dịng chảy khu xốy nước nhảy 87 2 Xây dựng công thức xác định độ sâu dịng chảy sau khu xốy nước nhảy 90 3 Xác định hệ số tỷ lệ động lượng khu xoáy nước nhảy 93 Xây dựng phương pháp xác định độ sâu sau khu xoáy nước nhảy 94 vi Phân tích thực nghiệm độ sâu sau khu xốy nước nhảy kênh mặt cắt ngang hình thang 96 Tính độ sâu dịng chảy sau khu xoáy nước nhảy 96 Xác định cơng thức thực nghiệm độ sâu dịng chảy sau khu xoáy 97 Đánh giá cơng thức xác định độ sâu dịng chảy sau khu xốy 100 3 Xây dựng cơng thức xác định chiều dài nước nhảy kênh lăng trụ đáy có mặt cắt ngang hình thang 101 3 Xây dựng công thức bán thực nghiệm xác định chiều dài nước nhảy 101 3 1 Phân tích đánh giá cơng thức tính chiều nước nhảy 101 3 Thiết lập công thức bán thực nghiệm chiều dài khu xoáy nước nhảy 103 3 Kiểm tra đánh giá công thức 104 3 Xác định công thức thực nghiệm chiều dài khu xoáy nước nhảy 105 Xác định đặc trưng hình học nước nhảy mơ hình “Rừng ngẫu nhiên” 108 Xây dựng mơ hình Rừng ngẫu nhiên 108 Xác định độ sâu sau khu xoáy nước nhảy 109 Cơ sở liệu phân tích độ sâu sau khu xốy nước nhảy 109 2 Kết tính tốn độ sâu liên hiệp nước nhảy theo mơ hình Học máy 110 Xác định chiều dài khu xoáy nước nhảy 112 Cơ sở liệu phân tích chiều dài khu xoáy 112 Xác định chiều khu xốy nước nhảy theo mơ hình Học máy 113 Quy trình tính tốn xác định đặc trưng nước nhảy thiết kế cơng trình tiêu 115 Cơ sở xác định kích thước hình học nước nhảy 115 Các bước tính độ sâu dịng chảy sau khu xoáy nước nhảy 117 Các bước tính chiều dài khu xốy nước nhảy 117 Quy trình xác định đặc trưng thủy lực cho cơng trình áp dụng nước nhảy 117 vii Ứng dụng công thức đề xuất tính tốn nước nhảy sau đập tràn hồ chứa Nà Sản – Sơn La 118 Các thơng số cơng trình 118 Xác định thơng số thiết kế cơng trình tiêu 119 Tính tốn thơng số hình học nước nhảy cơng trình tiêu sau đập tràn Nà Sản 119 Tính độ sâu sau nước nhảy 119 Tính chiều dài dịng chảy khu xốy nước nhảy 120 3 Tiêu công trình 121 Kết luận Chương III 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124 Các kết đạt luận án 124 Kiến nghị đóng góp luận án 125 Tồn hạn chế 126 Định hướng nghiên cứu 126 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 PHỤ LỤC 136 viii ... thấy việc nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nước nhảy kênh hình thang cân toán thiết thực Do ? ?Nghiên cứu đặc trưng hình học nước nhảy đáy kênh lăng trụ mặt cắt ngang hình thang? ?? mang... tính đặc trưng hình học khu xốy nước nhảy Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tượng nước nhảy kênh lăng trụ, đáy bằng, khơng có mở rộng mặt Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu. .. nhảy đáy kênh hở, nghiên cứu nước nước nhảy kênh lăng trụ (mặt cắt ngang hình chữ nhật hình thang) , từ phân tích ảnh hưởng yếu tố thủy động đến đặc trưng hình học nước nhảy, làm sở cho việc nghiên