Giáo trình động lực học sông phần 2 nguyễn thị nga, trần thục

C h i t d n g DÒNG DI T R O N G c i d i THIEUCHUNCr 9.1.1 K h i n i é m n g u y è n n h n h ì n h t h n h Dòng (li (hay dòng chày phàn tàng) cl33ii_chàii^sinh ad chun dịng tucing dói éaj2hùng_dXch the CA Jù(.ingrién.£ khàc Sù khàc vé ìdeing rièng cùa dich the cUeu kièn_quan^trong_nliàt de hình thành dòng di trfjng N()i chung dòngdj_trong_clu xuà't hién diéu kién càc dich thè xung quanh khóng hón hcip hồn tồn v ó i n h a u m a chi hon hcip d mot mùc dò nhà't dinh Hién tiWng hón h(ip bao góm hón hcip cuc bị hón hcip theo màt tiép giàp éa dịng di Trong thùe té, hién tùcing dòng di thùdng gap d càc kénh dàn nùcic ven song, càc ho chùa nùóc nhàn tao (kho nirc'ic), d càc cùa song chày bién, bé làm lanh cùa càc nhà mày nhiét dién Sù khàc vé lùdng rièng cùa càc dich thè có thè gay bịi sù kbàc vé lùdng ngàm càt, vé nóng dò muòl, vé nhiét ciò Dòng di dùcic phàn bièt thành ba loai dòng di trèn, dòng di giùa va dòng di troiigjiùùi Dòng (lUrong_d[iIòi bay dòng di day dòng dichjth|_, nàng chuyén dịng dùói dich t h £ n h e Dòng di trèn dòng dich thèjih£.jdmyÈn ^ dòng trénti dich thè nang Dòng d\ giùa dòng cheb t h è c b n v é n dịng giùa hai lóp dich thè có trpng kfdng rièng khàc n ị n g \ t,rrìng rlifói y u t hÌén.lÙCtog dịl ^ KinJ^ dé^M 'hÀ nhiéu càc cóng trình thùy l(3i gay ành hùịng tùdng dịl lón Trong nhùng kho ruJóc lón, bùn càt dịng di dùói mang vào làng dong long kho d nhùng cùa lày nùóc khịng dàp thùdng là'y nùịe th(H) phùdng thùc tù chày, giùa cóng là'y nitóc song có mot doan kènh dàn, có ndi dai hàng vài kilòmét Vé mùa lù thùdng Hinh 9.1 dịng cịng, lùc dị nùóc d doan kènh dàn Dịng di trpng cùa lày nc Song; Cóng lày nc; Dịng chày tam thịi khóng chày gàn nhù Néu trèn màt; Dòng chày di day nùóc song có lùdng ngàm càt kìn hdn nùóc doan kènh dàn lùdng riéng lón hdn, nùóc song di chuyén men theo day kènh dùịi hình thùe dịng di dùói Sau nùóc due vào kènh, màt 269 Ah nùóc kènh sé dàng cao De dàm bào tinh lièn tue cùa dịng chày, nùóc d tàng trèn màt kènh sé chày song Nùóc due sau chày vào kènh dàn sé giàm tò'c dò, sùc tài càt dò giàm di, mot phàn bùn càt hi bói làng lai, nùóc bié'n thành rói vịng lèn phia trèn màt chày song (hình 9.1) Qua trình bói làng eù thè tiép dién, kèt qua sau mùa lù, doan kènh thùdng bi bói làng nghiém khói lùdng phài nao vét thùdng xuyèn hàng nàm rat lón • - ^ K ^ u\ Vùng cùa song chày bièn ndi giao lùu giùa nùóc ngot nùóc man Nùóc ngot tù thùdng nguón chày bién nùóc man theo thùy trìéu dàng lèn men theo day song tié'n vé phia thiwng lùu, hình thành dịng di tr(ing dùói d nhùng ndi nùóc ngot nù(3c man hón hdp u hồc vùa dịng di hinh thành rà't rị ràng ^^^w«»^vy/^^v//^^w{A^/^^^v>my Hình 9.2 Dịng di trpng ị vùng cùa song Nùóc song nhe d lóp trén, nùóc man có lùdng riéng lón hdn d lóp dùói, hùóng chày ngùdc chiéu (bình 9.2) Loai dòng di thùdng xuà't bién d nhiéu cùa song trèn t h è giói nhù cùa song Rhòn (Phàp), cùa song Mitsipsibi (Nam My), cùa song Tianóngxuyèn (Nhàt) mot só'cùa song d nùóc ta 9.1.2 D c tinh c ù a d ò n g di dùdi 1) Tàc dung cùa trpng lue giàm di rà't nhiéu So vói dịng chày thịng thùdng dịng di dùói có mot dàc tinh khàc chù yèu tàc dung cùa lùc giàm di ràjt nhiéu Xét dịng di dùói, tue dịng dich thè tùdng dịl nàng cbun dóng d dùói dịng dich thè tùdng ctól nhe Né'u gpi y lùdng rièng éa dich thè tùdng dịl nhe y' lùdng rièng cùa dich thè tùdng dịl nàng lue day cùa dòng chày, trpng lùdng rièng hùu hiéu sé là: , j ± , hdàc è Ay = y'-y Ay = g(p'-p) / , , - H l(^ ^ ' ^ ' ^ ' i>^4!Cl vC • (9.1) (9.2) dị: p p' tùtmg ùng khòi lùdng rièng cùa dich thè tùdng dòl nhe d tàng trèn dich thè tùdng dòl nàng d tàng dùói, g già toc lùc Néu goi g' già tị'c lùc hùu hiéu thì: Me: Ay = g'p' (9.3) g(p'-p) = g'p' (9.4) dị: (9.5) P 270 Y dị: ^^—^ hồe — có thè goi bè so diéu ehinh t i-ong lue Nò biéu thi linh chat P' ' Y' (liie bièt éa dịng di dùịi kbàc vói dịng ehày thóng thùdng Vi — l tri só tùdng d(")'i nhò, thif(ing vào khoiing 10 " ^ ' cho nèn d(")'i vói dịng di y' di tàe dung eùa lue giiim di rat nhièu 2) Tàc dung cùa lUc quàn tinh tàng Trong (long di tr(.)ng chrịi tàe dung éa lue giàm di nèn tàe dung eùa lue quàn tinh tàng lèn ^J^, Hình 9.3 Dóng dj vuot qua vàt càn tro Trong thùy lùc hoc, ta dà biét ràng quan bé giùa lùc quàn tinh lùc dxicic biéu thi bang só' Froude Néu goi tị'c dị dịng di dùói U', chiéu sàu h' so Froude cùa dòng di trcmg dùòi là: F U' /g'h' U" Ay (9.6) gh' Néu so sành vói so Fronde éa dịng nùóc có toc dị dị sàu so Froude cùa Do tàc dung cùa lue quàn tinh tàng ma dòng di dùòi sé lịn hdn LAy gh' dịng di dùói có thè de dàng vùdt qua vàt càn trd vot lèn cao (xem hình 9.3) diéu ma dịng nùịe thịng thùdng khòng thè thùc hién dùdc 3) Tàc dung cùa sùc càn tàng tUOng dòi Do tàc dung cùa lue giàm thà'p ma tàc dung cùa sùc càn tàng lèn tùdng dòi Néu goi R', J' }.' tùdng ùng bàn kinh thùy lùc, dò dòc day bé só sùc càn cùa dịng di dùói toc dị U' cùa dịng di chày déu sé là: ^ (r ùd>-uj ] (9.7) 271 U' = hồc: (9.8) gR'J' Tù (9.8) có thè thà'y ràng toc dị cùa dịng di dùói nhị hdn (chi bang tùc 0.1 -^ 0.03 làn) tò'c dò cùa dòng chày thóng thùdng có bàn kinh thùy lùc dị dóc day h e so sùc càn vói dịng di dùói Nhù vày thùc chà't cùa cịng thùc toc dò biéu thi quan bè tù(ing quan giùa tàc dung cùa lùc tàc dung cùa sùc càn Nbii vày, dịng di dùói, tàc dung cùa lùc giàm di nhiéu nèn dà làm thay dói quan bé tùdng ho giùa tàc dung lùc, tàc dung quàn tinh tàc dung sùc càn, dàn dén sù khàc giùa dịng di dùói dòng chày thòng thùdng Day chinh và'n de càn luu y nghièn cùu dịng di dùói 9.2 CÀC PHUdNC TRÌNH CO BÀN CÙA DỊNG DI TRONG 9.2.1 P h ù ù n g t r ì n h c h u y é n d ò n g c ù a d ò n g d i t r o n g Xét dịng chày ón dinh khóng déu theo hai chiéu cùa dịng di nhù hìnb (9.4) Vói già thièt dịng nùóc tùdng dịl nhe nàm trèn dòng di d trang thài tinh, dùdng màt nùóc nàm ngang tóng nàng lùdng cùa mot ddn vi dièn tich dòng di là: f 7'H'=y' Z„ + h'+a V U ,3\ + yh 2g (9.9) dò: y lùdng riéng cùa dòng chày tàng trèn, y' lùdng rièng cùa dòng chày di trong, h' chiéu sàu dòng di trong, h chiéu sàu dòng chày tàng trèn, Z„ cao trình day song, g già toc trpng lùc, a he so phàn bó'tóc dị, H' chiéu cao dịng di tùdng ùng vói tóng nàng lùdng Hinh 9.4 Mài càt doc dịng di khóng déu theo hai chiéu NC trong; Dóng di trong; Màt chuàn Tù (9.9) ta có: U'H'=Z„ + h'+a2g ah (9.10) Lày ctao hàm (9.10) theo phùdng x ta dùcic dir dx dZ^ dx dlV dx (xU' dU' g dx y dh y' dx (9.11) Do dong chay òn dinh theo hai chiéu nèn Km lùdng ddn vi q bang só: Bịi vìy: 272 dq dx h'U'^C dlV dx dx (9.12) r (9.13) hoà( dU'_ U'dh' dx ' h' dx • (9.14) Vi già thièt màt nùcic nàm ngang nèn: h + h' + /„ = C - hàng scY dh dx Do dò: dh' dx dZ„ -^=0 dx (9.16) Tù(9.16) suy ra: dh dx dZ„ dx dh' dx (9.17) Nèu gol Jflà dò dcic nàng lù(ing, dji,là dị dị'c day thì: dH' J,= ~dx' d'L J^=dx (_ Jj^ J^ (9.18) (9.19) The (9.14), (9.17) (9.18) (9.19) vào (9.11), ta có: , dh' dx aU'f U'dh'^ y g V h'dx ; y' dlV dx 0.20) Tù (9.20) (9.6) có the suy ra: ^Y ^' •"u dh; kf>i : , U'=/^VgJ|h'- T ù dò suy ra: (923) ' > T h è (9.23) vào (9.21) thay F^ = (9.22) • fiirrtp' ì>' dh' •^ dx I - aF" X (K21) 273 °3n yoa i|«w^ (c^ 0"^ /.ai/\ r-t v_> Có thè thà'y phùdng trình (6.21) hồc (6.24) tùdng tù nhù phùdng trình cùa dịng chày ón dinh khịng dèu thóng thùdng, dịl vói dịng dj chi khàc d cho có Ay t h é m bè só biéu ehinh lùc —^ Y' M t khàc, dòng di ón dinh déu theo hai chiéu trùịng hcip dàc biét cùa dịng di ón dinh khịng déu theo hai chiéu, nị có: db' = (9.2.5) dx n è n né'u thay vào phùdng trình (9.24) ta sé có: L X (9.26) F/=0 T ù (9.6) (9.26) ta suy ra: HU>'- (9.27) Hai phùdng trình (9.8) (9.27) giịng n h a u vé ed bàn Dang éa nị tùdng tù nhù phùdng trình cùa dịng chày ón dinh déu nói chung Dièm khàc ó phùdng trình dịl vói dịng di có thèm he so' hièu chinh Av lùc —!- Y' Trong trùdng hdp d^ng_d[jtrpng_khQng.^ dinh I h e o h a i chieu phùdng trình ehun dóng phùc tap hdn Né'u là'y ehiéu rịng bang chiéu dai bang 5x nhù biéu thi trèn bình (9.5) phùdng trình càn bang dịng lùdng theo chiéu dịng chày cùa dịng di khịng ón dinh sé là: P , - P , + P( J,, v'dU' + G'Jd-T=:-^^^h'5x(9.28) dxy g dt Nèu khóng tinh dé'n càc só' bang có 5x^ »-' 5h , 9h' , , , , vàn xét den — = J^ thi cae lùc dx dx (9.28) dùdc bièu thi bang càc bièu thùc sau day: H/n/» 9.5 Màt cit dpc cùa dịng di trpng khóng on djnh Pi> Pj, P3 tuong ùng àp lire tàc dung vào màt càt ngang ab, ed màt tiè'p giàp ac; G trpng lue cùa dòng di trpng abcd; T sùc càn d day cùa dòng di trpng P, =|yh + ^y'h• h' P 274 y V y| h + —5x - Y dx V, 5h'„ h+—ox ax h+—ox dx (9.29) 2) Phai có mot lUdng bùn cdt Id lùng nhdt dinh: Hat thò chat Id lùng sé bói làng khu vùc tù diém bàt dàu ehày ngàm Vi vày, phàn dàu kho nùóc ndi bùn càt hat lón tàp trung làng dcing càc hat bùn càt nhò tiép tue tròi theo dcmg di Càc hat nhị ehinh nhàn tó làm cho dịng ehày co trcmg lùdng rièng tùdng dịl lón de tri dịng di Bịi vày, só lùcing hat chà't Id lùng m()t nhùng diéu kién quan de hình thành trì dịng di 3) LUu liMng dòng nid'fc mang hiin cdt phdi dat dèn mot tri sd nhdt dinh vd phdi eluy tri me)t khoàng thài gian nhdt dinh: Lùu lùcing dịng nùcic mang bùn ềt thdi gian trì lùu lù(3ng dị quan bé dén ngn nàng lù(.ing éa dịng di Néu lùu lùcing nùcic qua nhị khịng thè sinh dịng di trc^ng diKie Nèu thdi gian trì lùu lùdng dị qua ngàn dịng di sé khịng tón tai khịng thè tdi trùcie dàp dilcic 4) Kho nUóc phài ed mot dị dó'c day thn nhdt dinh: M'n tra dịng di day kho nùóc phài có mot dị dóc thn nhà't dinh vi nhù càc dịng nùóc t u nhièn nói chung, dịng di chi dùa vào sù tièu hao eùa thè nàng de khac phuc tòn t h t doc dùdng 5) Kho nUck phai có mot dia hinh tot, thuàn Icii de fon teli dịng dì trong: Long song sàu, it chùóng ngai vàt khịng thay dói dot ngót nhùng diéu kién dia hình thuàn Icli cho sù hình t h n h trì dịng di Sù hình t h n h dịng di trpng kho nùóc mang lai mot s ó m t Idi nhù sau: - Néu dòng di kéo dai dén trùóc dàp có the có càc bièn phàp thich dàng nhù làm càc cùa thào càt de thào hot mot phàn bùn càt xuò'ng lùu, giàm hot lùdng bùn càt bói làng kho dị kéo dai tuoi tho cùa kho nùóc Ngồi ra, dịng di x't hién sé mang mot phàn bùn càt vào bói làng phàn dung tich chét cùa kho nùóc, giàm lùdng bùn càt bói làng phàn dung tich hièu dung cùa kho nùóc dị có tàc dung kéo dai tuoi tho kho nùóc - Dịng di mang bùn càt trai déu x'ng day kho nùóc tao thành mot lóp chị'ng thà'm tó't nèn có tàc dung chóng mà't nùóc kho Ben canh nhùng màt Idi nèu trèn, dòng di gay r a j n ò t só'tàc hai nbif: - Dịng di mang bùn càt dèn bói làng trùóc dàp, làm tàng àp lùc vào dàp nén ành hùdng dén sù ón dinh cùa dàp - Néu gap diéu kién thich ùng, dòng di có thè chày qua ị'ng dàn, vào tua bm cùa nhà mày thùy dién nèn có thè làm bịng tua bin Vi vày, xày dùng càc bó chùa lón d càc song có nhiéu bùn càt phài chù y dén và'n de dóng di trpng 9.3.2 P h n bò' toc dò c ù a d ò n g di trong k h o nude Ta chi nghièn cùu phàn bị'tó'c dị dóng di chày rịl déu Sd dị phàn bị'tó'c dị cùa dịng di trong kho nùóc nhù hình (9.7) Goi U' tò'c dò dòng di tai vi tri Z Ndi Z = h' màt tié'p xùc giùa nùóc nude ^ ' ^ ^2-7] due Ndi Z - Z„„ tó'c dị dịng di dat già tri cùc dai U„^, Nùòe d tàng trén sé chày vòng: tị'c dị nùóc ndi gàn lóp nùóc dvic hùóng xuòi dòng vé lùu, ò gàn trén màt hùóng ngùdc vé phia tbùóng lùu Cùng nhù dịng chày rịl nói chung, dịl vói dịng di chày rịl hién chùa cịng thùc phàn bó' tóic dị 11 ln ma chi có cóng thùc phàn bị' tĨc dp kinh nghi$m Khi giài quyèt và'n de này, càc nhà khoa hoc thuòng tàch dòng di thành hai tàng trèn dùói là'y màt phàng Z = Z„, U' = U„„,, làm màt phàn chia vié't dxicic nhùng cóng thùc phàn bó'tóc dị gàn dùng khàc Doi vói tàng dùói Z < Z„„ Michon, Godei dà de xuà't cóng tbùc dang luy thùa thich hdp vói day kénh trcin nhàn nhù sau: Hình 9.7 Phàn bị' toc dị cùa dịng dj trpng kho nc ^r U'=AU„ (9.42) K^mJ dò: he so'A chi sò'mù o„dùdc xàc dinh theo tài liéu thùc dq Vói day kénh gó ghé, cịng thùc có dang Ioga nhù sau: U'-U„ = ^lgA K- ^Z„ (9.43) dò: U^, toc dị bình qn cùa tàng dùói, K' tri só' xàe dinh theo tài liéu thùc da D^ng dùịng bièu dién phàn bị' tó'c dị cùa tàng trén (Z>Z„,) tùdng tù d^ng dùòng bièu diin cùa dinh luàt phàn phól chuàn Gauss cho nén ta có: U' =e U„ lf z-z„ h'-Z„ (9.44) 9.3.3 Phifdng t r i n h nvtdc nhày cùa dòng di t r o n g Dùng phùdng trình dóng lùdng de phàn tfch nùóc nhày cùa dịng di nhù nghièn cùu nùóc nhày kénh ho nói chung (hình 9.8) Né'u bị qua thành phàn lùc càn lue phùdng trình dịng lùdng cho phàn nùóc due có thè vié't nhù sau: ^ h;h,pg+-h;Vg- h2h2pg + - h P ' g + ^(h,+h,)(h3-h;)bg = U,'q'p' (9.45) trmg dò: q' lùu lùdng ddn vi cùa dòng di Rùt gon (9.45) ta dùdc: 278 u, u^h' ^,dh^ I „, ,^,dh' yhn +yn — ò\ + yh —-ox + — y h " +y h — ò x dx dx dx ah' r, clh'V .("^h', - yhh'+—y'h'^^+yh^^^^Sx +yh' J , - — - ò x - y ' h ' — ò x ax J 1, P( = Y^ h + ' dx (9.30) òx 5x = yhSx (9.31) I ah' G ' = y ' *h'+ òx |5x = y'h'Sx V cJx , (9.32) ^ ^ Ì ; 2ax T^^l^U'^Sx « g (9.33) T h a y càc bièu t h ù c lùc t r è n v o (9.28) b i é n dói sé t h u dùdc: y'-y , y'-yah' y' Y aiv hồc: ax (5x l'lì'- _ I dU' gh' au' U' Ay gh' (9.34) g dt IV Ay l dt -fg dV ~d^ (9.35) P h ù d n g t r ì n h (9.35) p h ù d n g t r ì n h c b u y è n dóng cùa dịng di t r o n g p h n g k h ó n g ón djnh D a n g c ù a p h ù d n g t r ì n h n y c ù n g t ù d n g t ù n h ù p h ù d n g t r ì n h c h u y é n dòng cùa d ò n g c h y k h ó n g ón d i n h t h e o h a i c h i é u t h ó n g t h ù d n g , chi k h c có t h é m Ay , , , hé'.sò'.hièu c h i n h t r o n g lùc — T r o n g t r ù d n g hdp dòng c h y p h n g òn d i n h thì: au' = (9.36) at au' ^ a(q'/h') ^ u;q;ah; _ u'- ah' dx dx h'" ax h' ax (9.37) T h è (9.36) (9.37) vào (9.35) b i è n dói, t a sé có ké't q u a h o n t o n gicing n h ù (9.23) H$ so k' t r o n g càc p h ù d n g t r ì n h t r è n biéu t h i h e so s ù c c n b i n h q u n t r è n m t x u n g q u a n h d ò n g di t r o n g (bao góm m t tiè'p xùc vói t h è r n m t tié'p giàp vói dịng chày t n g t r é n ) 9.2.2 Phtfofng t r i n h l i è n t u e c ù a d ò n g d i t r o n g P h ù d n g t r ì n h lién tue c ù a d ò n g di t r o n g h o n t o n t ù d n g t ù p h ù d n g t r ì n h lièn tue cùa dịng c h y t h ó n g t h ù d n g Dịl vói d ị n g c h y p h n g k h ị n g ón d i n h , néu goi p' khól lù(?ng r i è n g c ù a dòng di t r p n g t h ì t a sé có: a(p'h') _ a{p'q') -0 dx ,ap' ,ah' •dp' ,_, , „,aq' , „ , ,^ h ' - ^ + p ' — + q ' - ^ + p ' - ^ = at hoàc: at at ax ax ap' ^ ah' (9.38) (9.39) ^ Dói vói d ị n g di t r o n g p h n g ón d i n h t h 'ì - ^ = va — = n e n : at at 275 ,dp' ,dq' ^ q - ^ + p—^ = dx dx Né'u khól lùdng riéng p' cùa dịng di khịng thay dói doc dùdng di thì: , aq' - ^ = ax , (9.40) (9.41) 9.3 DÒNG DI TRONG TRONG KHO NUÒC 9.3.1 Sù h i n h t h n h dòng di trong k h o nufóc Khi dịng nù