Luận án tiến sĩ Chuyên ngành Cơ học chất lỏng: 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

MOT SO THONG SO NƯỚC NHAY DAY

TREN KENH DOC THUAN CO LONG DAN MO RONG DAN

LUẬN AN TIEN SĨ KY THUAT

HA NOI, NAM 2018

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRUONG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ VIỆT HÀ

NGHIÊN CỨU XÁC LAP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN MOT SO THONG SO NƯỚC NHAY DAY

TREN KENH DOC THUAN CO LONG DAN MO RONG DAN

LỜI CAM DOAN

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 Tà trung thực, không sao chép từ bắt kỳ một nguồn nào và dưới bắt kỳ ình thức rào Việ tham khảo các nguồn ti liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tả liệu tham khảo đúng quy định.

“Tác giả luận án

LỜI CÁM ƠN

Luận án *Nghiên cứu xác lập công thức tính toán một số thông số nước nhây đá

trên kênh đốc thuận có long dẫn mớ rộng dần" đã được hoàn thành tại trường Dai học Thủy lợi với sự giáp đỡ tận tỉnh của các thiy cô giáo, các nhà khoa học cùng sự

giúp đỡ và tao điều kiện thuận lợi của các cơ quan, đơn vị, đồng nghiệp, gia đỉnh, bạn be.

Tác gia vô cùng biết ơn tập thé thay hướng dẫn là Giáo sư - Tiến sĩ Hoang Tư An và

Phó giáo sư - Tién sĩ Hồ Việt Hùng đã tận tình giảng day và hướng dẫn tác giả trong,‘qua trình học tập và hoàn thành luận án

“Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Giao thôngVan tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả.

“Tác giả trần trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, đồng góp

nhiều ý kiến sit thực để luận din 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 ân

"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

Tinh 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 khỏ trinh khỏi hạn chế Tác giả rit

mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học để tiếp tục nang cao và

hoàn thiện công trình nghiên cứu này.Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LUC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viDANH MỤC BANG BIÊU, vill

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT VÀ GIẢI THICH THUAT NGỪ x MỞ DAU 1

1 Tinh efp thiét eta 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 23 Đổi tượng và phạm vi nghiên cứu 24 Nội dung nghiên cứu 2

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3 6 —— Ý nghĩa khoa học và thục tiễn 3 7 Clu tric eta Iwan én 4 CHUONG 1 ‘TONG QUAN VE HIEN TƯỢNG NƯỚC NHAY Ở HẠ LƯU CONG

TRÌNH 5

1-1 Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiễu dốc nước 5 12 Một số phương pháp va kết quả nghiên cứu 6

12.1 Bàitoán phẳng 61.22 Bài toán không gian hữu hạn 18

13 Một số két qua nghiên cứu khác 2014 Vấn để ae ra và hướng nghiên cứu 21

15 Kétlujn chuong 1 2

CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP CONG THUC GIẢI TÍCH TÍNH ĐẶC TRUNG CUA 'NƯỚC NHAY TRONG LONG DAN MAT CAT NGANG HÌNH CHỮ NHẬT MG RONG DAN, BAY DOC THUAN VA BAY BANG: 23 21 in đề chương 2 23 22 ết cơ bản [40] [41] [42] [43] 23

23° Thiết lập các công thức 26

23.1 Giảthiết 26 23.2 Sy thay đổi chiều sâu tương đối dong chây đọc theo chiều dai tương đối khu xoáy và chiều dài trong đối nước nhảy 27

2.3.4 Quyluật thay đội vận tốc điểm tương đối ở đáy và vận tốc điểm tương đối

ở mặt trong khu xoáy cia nước nhày 47

235 Trưởng hop riêng: lòng dẫn phi ling trụ mở rộng dẫn diy bằng 50

24 Kétluin chuomg 2 51

CHUONG 3 KIEM ĐỊNH CÔNG THỨC LÝ THUYẾT MỚI :

3.1 Đặt vấn để chương 3 53

3.2 So sinh các công thie mới thiết lip với công thức đã có s

3.2.1 Nước nhảy trong lòng dẫn dy bằng phi lãng trụ mở rộng dẫn 33

3.22 Nước nhảy trong lòng dẫn lãng tụ đáy dốc 5s

3-3 Mô hình vật lý thí nghiệm hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ

mở rộng dan, đáy dốc thuận 57

33.1 MO ta thi nghigm 3733.2 Kiểm định thiếtbị do đạc thi nghiệm 3834 Kiểm định công thức lý thuyết mới 603.4.1 Kiểm chúng giả thiết phân b6 vận tốc điểm 60

3.4.2 Kiểm chứng chiều sâu tương đối và chiều dai tương đối khu xoáy 70

3.4.3 Đường mặt nước trung bình trong khu xoáy, 72

3.44 Kiểm chứng phân bổ vận tốc điểm tương đổi đọc theo chiều dài

khu xoáy 163⁄5 KếUluận chương 3 19

CHƯƠNG4 PHAN TÍCH CÔNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG NGHIÊN CỨU MỚI si

4.1 Phân tích kết qua tinh toán _

4.1.1 Môi quan hệ giữa chiều dài khu xoáy và chiều dai nước nhảy, 81

4.12 Anh hường của độ dốc đáy, góc mở lòng ay? và hệ số hình dạng

mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học của nước nhảy 3

42 Thiếtlập công thức tỉnh toán các đặc trưng của nước nhày trong lòng dẫn mở

rộng dần thay đổi độ đốc 88

4.2.1 Chiều sâu tương đối nước nhảy tại vị trí lòng dẫn có độ dốc thay đồi 9 42.2 Chiều sâu tương đổi của nước nhiy ti vị tr cuối khu Kody 90 42.3 Chiều sâu tương đổi của đồng chay cui nước nhây 92

424 Ìi khu xoáy, chiêu di tương đối nước nhảy Bs

43° Mô hình vậclý thí nghiệm hiện tượng nước nhây trong lòng dẫn phi lăng trụ

mỡ rộng din, day thay đổi độ đốc9244 — Kết quả kiểm định công thức giải tích thông qua số liệu thí nghiệm trên mô.

hình vật lý

45° KẾ luận chuong 4

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,

1 Kết qua dat được của luận ấn2 Những đồng góp mới của luận án

3 Tần tại và kiến nghị.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CONG BO

TÀI LIỆU THAM KHAO

DANH MỤC CÁC HÌNH ANH

Hình 1.1 Sơ đổ bể tiêu năng sau đốc nước 5 Hình 1.2 Sơ dé nước nhảy trong lang din lãng trụ, đây đốc [14] 2

Hình 1.3 Nước nhảy trong lòng dẫn lãng trụ, day đốc của G5 TS Hoang Tư An (6).14

Hình 2.1 Sơ đồ dong tia trong không gian bán giới hạn [41] 23

Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng của dòng chảy 25 Hình 2.3 Sơ đỏ bài toán nước nhảy trên lòng dẫn phi lãng tru mở rộng dần day đốc 27

Hình 3.1 Quan hệ giữa nạ với Fri? trong trường hợp (gổ =0.03, ý =0,04 / =0 54

Hình 3.2 Quan hệ nạ với Fr? trong lòng dẫn lãng trụ ¡=0,15; £ =0,034 56

Mình 3.3 Quan hệ giữa n2 với Fr? trong lòng dẫn lãng trụ i =0,05; ế =0,081 56

Hình 3.4 Sơ đồ thi nghiệm trên mô hình vật lý mô phỏng nước nhảy sĩ

Hình 3.5 Sơ dé bổ trí mặt cắt, điểm đo chiều sâu, vận tốc điểm dòng chảy, 61

Hình 3.6 Biểu đỏ cron, theo = với ¡ (156, trường hợp 2 64

Hình 3.7 Biểu d} "theo 7 với i =0,156, trường hợp 3 6 Hình 38 Biu đồ “4 ino = với ¡70.036, tưởng họp 1 65

Hình 3.9 Biểu đồ =" theo ; với ¡ =0,036, trường hop 4 6

Minh 315 Quan goon v8 2 vỗ FP 74696 £—0017 = 0.086 1 Hình 3.16 Quan hệ giữa g, và > với Fre =24,42: = 0,033; ¡ =0,0 75

ñ

Hình 3.17 Quan hệ giữa 9, và == với Fr 038;7=0,0

Hình 4.1 Mỗi quan hệ giữa h và với độ đốc long dẫn, trường hợp ¡ >0,13

Hình 43 Mối quan h với gốc mở lông din, tưởng hợp > 0,13 Hình 4.4 Mối quan hệ

h 1 ›

Hình 4.5 Mỗi quan hệ giữa —~ và 1, với góc mở lòng dẫn, trường hợp í =0

Hình 4.6 Mỗi quan hệ giữa h và n, với Fr, trường hop í >0113

Hình 47 Môi quan hộ giữa 25 và với Fe tường hợp 0<Í 2013

hi,

Hình 4.8 Mỗi quan hệ giữa —+ và ở, với F7”, trường hợp ỉ =0

Hình 4.9 Mối quan hệ giữa giữa ? à ty với £ trường hợp i >0,13.

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 1.1 Quan hg gida Fr? với 1= trong ting dẫn ting trụ đáy bằng 1

Bảng 3.1 Bang quan bệ giữa n: với Frié trường hợp 16 = 0,03; = 0,04, =0 54

Bảng 3.2 Bang quan hệ giữa 7, và Fr? trong lòng din lãng trụ đáy đốc 5

Bảng 3.3 Quy luật phân bổ với ¡ =0,156, trường hợp 2 62

Bảng 3.4 Quy luật phân bổ “2 với ¡7~0,156, trường hợp 3 63 Bảng 3.5 Quy luật phân bố 0086, tường hợp | 6 Bảng 3.6 Quy lu phân bố 0086, trường hợp 4 ó6

Băng 3.7 Quy luật phân bồ “== với ¡ =0, trường hợp 1 68 Bảng 3.8 Quy luật phân bổ -” —”= với ¡ =0, trường hợp 5 69

Bảng 3.9 Quan hệ giữa 7,;l,/, với số Fr? trong lòng din phi lăng try mở rộng din

» trường hợp 2

Bảng 4.1 Mỗi quan hệ giữa ? ứng với 3 độ dốc tính toán

Bảng 42 Quan hệ giữa nạ với Fr?

Bảng 4.3 Quan hệ giữa my với Fr?Bing 4.4 Quan hệ giữa ne với Fr?

Bảng 4.5 Quan hệ giữa lof by; L/h với Fe

B rộng dòng chảy cuối khu xoáy

Bề rộng dòng chảy trước nước nhảy: Bề rng ding chảy cuỗi nước nhảy

Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Ox

“hành phin lực khối đơn vị theo các phương Oy “Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Oz Số Froude của đồng chấy

“Chiều siu đồng chảy trước nước nhảy theo phương thẳng đứng,

“Chiều sâu dòng chảy trước nước nhảy theo phương vuông góc với lòng din u siu ding chảy cuối khu xoáy theo phương thẳng đứng

a siu dòng chảy cuối khu xoáy phương vuông góc với ling dẫn

âu đồng chảy cuối nước nhảy theo phương thẳng đứng

“Chiều sâu dòng chảy cuỗi nước nhây theo phương vuông góc với lòng dẫn

Chiu sâu trọng tâm mặt cắt theo phương đứng

“Chiều sâu ding chảy tạ vị tí bắt ky theo phương vuông góc với lòng dẫn

Chiều sâu dòng chảy tại vị tri bất kỳ theo phương đứng.

aa sâu đồng chảy phân giới

Chiễu sâu dòng chảy tại vị trí thay đổi độ đốc

Độ đốc của lòng dẫn

Chiều dai khu xoáyChiễu đãi nước nhảy

“Chiều đãi nước nhảy trong long din lãng trụ, dy bằng,

“Chiều dai khu xoáy của nước nhảy trên đoạn kênh dốc trong lòng dẫn thay đổi độ

CChigu dai khu xoáy của nước nhảy trên đoạn kênh diy bing trong lòng dẫn thay

đổi độ dố‹

a1 dai bễ tiêu năng

Phương đứng của ding chảyPhương ngang dòng chảyHoành độ dọc theo dòng chây

Ap suất trong đồng chảy Áp lực thủy tĩnh

Lưu lượng đơn vị

Lưu lượng dong chảy

Van tốc di

‘Van tốc điểm lớn nhất ngược chỉ

lớn nhất thuận theo chiề đồng chayu dòng chay

‘Vain tốc điểm lớn nhất theo chiều dòng chảy tai mặt cắt thay đổi độ dốc.

‘Van tốc điểm trung bình theo phương ngang,

Vận tốc điểm chiếu lên trục Ox

Van tốc điểm chiếu lên trục Oy

Vận tốc điểm chiếu lên trục Ox

Mach động vận tốc điểm theo phương Ox:

Van tốc rung bình mặt cắt

‘Vain tốc điểm trung bình theo phương đứng Mach động vận tốc điểm theo phương Oz

Ứng suit pháp tuyến

Ứng suất tiếp tuyển

Thời gian

Khối lượng riêng của nước

“Chiều day lớp biên sát thành.

“Góc mở của lòng dẫn

“Chiều sâu tương đối của dong chảy:

“Chiều sâu tương đổi của đồng chảy cuối khu xoáy“Chiều sâu tương đối của dng chảy cuối nước nhây“Chiều cao tương đối của cao độ z

Chiều sâu tương đối của đồng chiy tạ vị

fir: ‘BE rng tương đối của dòng chảy cubi nước nhảy Bs BỀ rồng tương đổi của đồng chay tại vị tí bắt kỳ

"Hệ số hình dạng của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.

2 Cácthuậtngữ

* Chiều đài khu xoáy” là phần chigu di tinh từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt

cuối khu xoây mặt của nước nhảy, trong khu vực này vận tốc ding chay tân theo quyluật Schlichting

* Chiều dài nước nhảy” là phần chiều dài cuối nước nhây,

h từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt

“Chiều cao tương đối của dồng chảy” là tỷ số giữa chiều cao của điểm dang xét với

chiều sâu đồng chảy tai vị tí xem xét

“Chiều s tương đối cia đồng chay” là tỷ số gia chiều sâu dng chảy tại vịt đang

xét với chiều sâu dong chay tại mặt cắt trước nước nhảy.

Chiều dài tương đối củn ding chiy” là tỷ số giữa chiễu dit dòng chủy tại vị tí đang xét với chiều sâu đồng chảy tai mặt cắt trước nước nhày

“Chiều rộng tương đối của dong chảy” là ty số giữa chiều rộng dòng chảy tại vị trí dang xế với chiều rộng đồng chảy tại mặt cất trước nước nhảy

“Van tốc điểm tương đối” là tỷ số giữa vận tốc điểm của đồng chảy tại vị trí dang xét

với vận tốc trung bình của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.

“HỆ số hình dang của đồng chảy” làtỷ số giữa chiều sâu với chiều rộng của đồng chảy

tại vị trí đang

MỞ DAU

1 Tính cấp thiết của để tài

Nồi tiếp và tiêu năng sau công trình tháo là vin đề vừa kinh điễn, vừa thời sự Đó là n

dung không thể thiêu rong tính toán thủy lực công tình thủy vã cũng la giải quyết vẫn

đề phòng xói ở hạ lưu công trình Sự nồi tiếp đồng chảy giữa đốc nước và lòng dẫn hạ

lu tắt do dạng và phức tp Các công trình nỗi tiếp và tiêu năng này liên quan mật thiết

với hiện tượng nước nhảy Nỗi iếp chảy day 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 nhày trong ling dẫn nói chung và long dẫn phi lang try nồi 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 vin 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 dẫn có.

thé giảm chiều dai nước nhày và gia tăng kiểm soát vị tí nước nhảy Với trường hop

này, do mặt cắt ngang biến đổi, đa số các tính toán thuỷ lực thuộc về bai toán không,

giam Trong các công trình nghiền cứu về bài toán không gian này, nhiu tác giả đã

nghiên cứu sự thay đổi các đặc trưng thuỷ lực của dòng ta dạc theo đồng chảy và theo

phương đứng với giả tiết sự phân bé vén tốc tại tọa độz bắt kỹ theo phương ngang là

như nhau, Giải pháp này đưa bài toán không gian da chiều về bài toán hai chiều đứng.

Phuong pháp giải bài toán hai chiều đúng trong trường hợp này cũng tương tự như giải

bi toán trong điều kiện phẳng

Do đó, tác giả chọn vấn để xác định các đặc trưng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật, ở cui đốc nước bằng lý thuyết lớp biển của

dong tia chảy rồi là phát triển những nội dung kinh điền trong những điều kiện thường

gặp trong thực tế, nhưng chưa được giải quyết tiệt để

2 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dung lý thuyết lớp biên của đồng tia chay rồi để nghiên cứu nước nhảy trong long dẫn phi lăng trụ nhằm đạt các mục tiêu sau:

= _ Thiết lập công thức giải tích để tinh toán các đặc trưng của nước nhảy (chiều sâu ding

chảy trong khu vực nước nhây, chiều dai khu xoáy, chiều dài nước nhảy, phân bổ vận

tốc đitrong khu xoáy) trong lòng dẫn phi lãng trụ mở rộng dẫn, diy đốc hoặc đầyinh chữ nhật

bằng và diy thay đổi độ dốc, mat cắt ngang lòng dẫn

~_ Lâm rõ sự khác nhau giữa chiều dài khu xoáy mặt của nước nhày và chiều dai toàn

bộ nước nhảy để làm cơ sở tính toán chiều dài bé tiêu năng.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

~_ Đối tượng nghiên cứu là hiện tượng nước nhay không ngập trong lòng dẫn phi lãng trụ mỡ rộng din cổ diy dốc thuận, day bing và đây thay đổi độ dốc, mặt cất ngang lòng dẫn hình chữ nhật;

+ Phạm vi nghiên cứu là cơ học chất lng.4 Nội dung nghiên cứu

~_ Khái quát các công trình nghiên cứu đã có trên thể giới và ở Việt Nam về hiện tượng

nước nhảy:

~_ Nghiên cứu lý thuyết lớp biên của đồng tia chay rối và các phương trình cơ bản của

thủy lực đồng chảy hai chiều dé sử dung trong luận án;

= Thiết ip các công thức tinh toán một số đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn phi

lang trụ mở rộng din với đáy dốc thuận, diy bằng, đáy có độ dốc thay đỏi, 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 phủ hợp của công.

thức vừa được thiết lập trong luận án

5, Cách tiếp cả va phương pháp nại

$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 thé giới Lựa chọn phương pháp nghiên

cứu vừa mang nh kế thừa, vừa mang tísing tạo sao cho phủ hợp với vin đề cần quan

5.2 Các phương pháp sử dụng trong luận án

~_ Phương pháp tổng hợp: phân tích, thông kê, kế thừa có chọn lọc các tai liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đổ tìm ra những vẫn để khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được dé cập một cách day đủ Tiến hành tinh toán, so sánh két guả tính theo công thức kiến nghị của luân án với các công thức khắc.

= Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ket hợp với thực nghiên: luận ân đã ứng dạng lý

trưng của nước nhây Sau đấy thực hiện thí nghiệm mô hình vật ý v hiện trợng nước

thuy của đồng chảy rồi dé nghiên cứu tiết lập công thức tinh toán các đặc

nhảy với các phương án khác nhau dé đánh giá độ tin cậy mà công thức giải ích của

Tuân án đã thiết lập

6 ¥ nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa Khoa học

“Các kết quả nghiên cứu đã có v8 nỗi iếp bằng nước chảy đầy nồi chung và ni tig bằng nước nhảy ở chân công trình tháo nước kiểu đốc nước mới đưa ra được các công thức lý thuyết inh chiều sâu sau nước nhảy, còn các đặc trưng khác chủ yếu được nghiên cứu

và xác định bằng thực nghiêm Còn luận án đã ứng dung lý thuyết lớp biên của dong

“chảy rồi để nghiên cứu thiết lập công thức tính toán các đặc trưng của nước nhảy (chiề sâu của đồng chảy, chiều dài khu xoáy, chiều di nước nhủy, phân bổ vận tốc điểm) trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng din, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật, đáy đốc,

đây bằng và đây thay đổi độ dốc Sau khi có được các công thức lý thuyết tic giả đã so

mô hình vật lý Kết quả so sánh và kiểm chứng cho thấy các công thức mới hoàn toàn.có thé tin cậy được Vì vậy luận án có ý nụja khoa học Động lực học chất long.

62 Ýnghĩa thực tiễn

Kết quả của luận án có giá tị và độ tin cây cao, gop phần làm rõ thêm các đặc trưng về đường mặt nước trong khu xoáy, chiều sâu dòng chảy khu xoáy, chiều dai khu xoáy, chiều sâu nước nhảy, chiều đãi nước nhảy, quy luật phân bổ lưu tốc mặt và lưu tốc đáy

trong khu xoáy cho các trường hợp lòng dẫn phi ing trụ, đáy đốc thuận Việc tim ra các

công thức giải ích này cho phép mở rộng phạm vy ứng dụng của bài (oán, tinh toán một

cách toàn diện và tin cậy hơn các kết ấu công trình tiêu năng sau công trình tháo nước kiểu đốc nước Đây có thé làm cơ sở cho những ứng dung thực tiễn và sit dung lòng phí lăng trụ ma rộng dn và đốc thuận âm công tình tiêu năng

7 Chu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, phin kế luận và kiến ngh, luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hin tượng nước nhảy ở hạ lưu công trình.

Chương 2: Thiết lập các công thức giải ch tính đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng din, đấy đốc thuận và đáy bằng

Chương 3: Kiểm định công thức lý thuyết mới

Chương 4: Phân ích kết quả tính ton và mở rộng nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHAY Ở HẠ

LƯU CÔNG TRÌNH

êu dốc nước

1-1 Nước nhảy ở hạ lưu công trình thio nước

“Công trình thấy gi có tính chất đặc biệt và cần thiết trong việc điều tết đồng chay để

phát huy lợi ich phục vụ cơn người Một trong những hạng mục quan trọng của cụm

công trình thủy lợi là công tinh tiêu năng nhằm tiêu hao năng lượng thừa của dng 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 đốc nước.

"Đường tri thio nước kiễu dốc nước bao gồm một đập trân định rộng hoặc thực dung, đoạn đốc nước và bể tiêu năng ở cuối dốc Sơ đỏ dòng chảy được mô tả sơ lược như trên

hình 1.1

` ` “Ẩố Hea

fn 1.1 Sơ đồ bé tiêu năng sau đốc nước.

Như vậy, việc tính toán chế độ thủy lực liên quan đến tiêu năng bằng hình thức nước

nhấy sau đốc nước cần được quan tâm Nước nhày có thé nằm hoàn toàn trên thân d

nước, nằm hoàn toàn ở bé tiêu năng hoặc nằm giữa dốc nước và bổ tiêu năng, không giống như hiện trong nỗi tiếp sau dp trần thực dụng

Dưới đây sẽ tổng hợp một số phương pháp và kết quả nghiên cứu vỀ nước nhảy từ trước

lãng trụ và nước nhảy trong lòng dẫn phi ling trụ.

1.2 Mật số phương pháp và kết quả nghiên cứu

"Đã có rit nhiều công tinh nghiên cứu trên thể giới và Việt Nam v hiện tượng nước

nhảy như hiện tượng nước nhảy không ngập không ấp, nước nhảy trong khu vực chảy

‘qué độ từ không dp sang có áp, nước nhày trên kênh đáy nhám, Ngoài ra còn rất nhiều

các kết quả nghiên cứu của nhiều nhà thấy lực khác mã bản luận án này không th trí: dẫn hết được.

Dưới đây sẽ tổng hợp một số phương pháp và kết quả nghiên cứu về nước nhảy từ trước.

cđến thời diễm hiện tại1.2.1 Bài toán phẳng.

1.2.1.1 Phương pháp kết hợp giữa phương trình động lượng của dòng chảy một chiều

và thực nghiệm

= Trong lòng dẫn ling trụ đầy bằng + Chiều sâu sau nước nhảy h,

Phương tình tính chiều sâu sau nước nhày tìm được nhờ sử dụng phương trình biến

thiên động lượng hay là định luật Jean-Baptiste Le Rond DAlembert (1752) [1](DAlambert) của đồng chảy một chiều ổn định viết theo chiều đồng chảy với một số giả thiết nhất định Dẫn đầu các nhà nghiên cứu về nước nhảy phải nói đến tác giả Bélanger (1828) [2]

trong đó:

Q-— lưu lượng dang chấy,

gia the tong trường:

A: độ sâu trọng tâm mặt cắt wéS: din tich mgt edt ust;

@,: hệ số sửa chữa động lượng

Khi lòng n số mặt cất ngang là hình chữ nhật, phương nh (1,1) cổ nghiệm là

hẹ chigu sâu đồng chảy phân giới:

ae: hệ số sửa chữa động năng:

q lưu lượng đơn vị:

bis chiều sâu đồng chay ti mat ct tse nước ny: hạ: chiều sâu dòng chảy tại mat cắt sau nước nhảy;

= h : chiều sâu tương đối của dong chảy cuối nước nhảy trong lòng dẫn lang trụ đáy

Fes số Froude ti mặt cất rước nước iy.

Ngoài ra nước nhảy được nghiên cứu rt chi tết trong phòng thí nghiệm Các tải liệu thí

nghiệm nói chung phù hợp với công thức Bélanger [2] do 46 công thức của ông được.

xuất hiện trong haw hết các tà liệu thủy lực viết về nước nhảy như “Hydraulies of Open

Channels” [3], “Open channel hydraulics” [4], “Disiparea energiei si disipatori de

energie [5], “Thay lực công tỉnh” [6], "Nỗi tiếp và iu năng ở hạ lưu công tin thio

nước” [7] Tuy nhiên thí nghiệm trong điều kiện Fri? <3 , với Fri? là số Froude (1862)

I8] tại mặt cắt trước nước nhảy, lại cho kết quả nằm ngoài đường cong biểu diễn của.

sông thúc Belanger, lúc này theo M BTrée - To - U- Xếp (1963) 9] nước nhảy có dang

Bên cạnh dé cần phải đề cập đến những công trình nghiên cứu của các tc giả khác như:

mặt cắt ban đầu trước nước nhảy nhỏ hơn R, chiều sâu dòng chảy ti mặt cắt sau nước

nhâylớn hơn R, tiết điện ngang mặt cắt gồm hai phần (phần dưới tiết diện chữ nhật có,

bề rộng 2R, chiều cao R; phần trên tết điện nữa trồn bán kính R) [I0] Tác giả đã thụ

nhận được phương tình đưới dạng không thử nguyên thể hiện mối quan hệ giữa

A, (4 ì sah này cũ: í nhiễm mô

sai số nhỏ hơn 1,6%, Đồng thờ tác giả cũng đưa ra được điều kiện để xay ra hiện tượng

nước nhảy tự do trong trường hợp lòng dẫn đưa ra

Nguyễn Dinh Bảo (2013) khiinh toán nước nhảy đấy hoàn chỉnh tác giả đã đưa vào

thành phần lực ma sắt diy của kích thước bổ tiêu năng phụ [11], Các bước tết lập

phương trình tương tự như Bélanger nhưng có thêm thành phần phan lực Rs Thành phần phân lực này được tính toán dựa vào công thức kinh nghiệm thu được trên mô hình thínghiệm đặc chủng và hàng loạt các mô hình riêng của tác giả.

+ Chiều dai nước nhảy Í,

“Chiều đài nước nhảy là một đại lượng quan trọng Tuy nhiên đến nay việc xác định chính xắc chiều đài nước nhảy còn hết sức khó khăn do cách xác định vi trí của chiều sâu sau

nước nhảy hạ rit khác nhau Do đồ các công thức tinh toán chiđài nước nhảy thường,

được xác định bằng thực ng! là chủ yếu, cụ thể như:a

sâu tương đối tại mặt cắt sau nước dài nước nhảy tương đối phụ thuộc vào chié

Ngoài một số công thức thực nghiệm tinh chiều dai nước nhảy còn có công thức lý: thuyết của M.A Mikhaliev (1971) [17

mí L+2Fi” +r,)0|1+2Pt) =D

(tare yi2ry c5 2n,-1) (110)

‘Theo công thức nay thì chiều dài nước nhảy tương đối phụ thuộc vio số Froude của Ang chảy tại mặt eft tước nước nhảy và chiều sâu tương; i mặt cắt sau nước nhảy

“Các công thức thực nghiệm và lý thuyết trên chỉ áp dụng cho điều kiện 10 Cònvới sự biển đổi của số En rộng hơn từ 3 đến 400 có công thức kiến nghị của tác giả

Aivadian (1984) [18]

l any

“Trong công thức này chiều dài nước nhảy tương đối phụ thuộc vào số Froude của đồng

chảy tại mặt cắt trước nước nhảy và chigu sâu tương đối tại mặt cắt sau nước nhảy.

“Trong tt cả các kết quả nghiên cứu chiều di nước nhảy trên đây đều xét đến yêu tổ ảnh hưởng của các đại lượng như chiều sâu đồng chảy trước nước nhảy ñ, và chu siu su nước nhảy h,, giá trị Fr’, nhưng chưa xét đến hệ số hình dạng của mặt cắt trước nước.

h hes sno đãi a

nhây &= `, với bị là bE rộng của mắt cắt ngang lòng dẫn tai mật cắt trước nước nhảy

‘Bing thời với mỗi một công thức tinh chiều dai tương đổi của nước nhảy + khác nhau

sẽ dẫn đến kết quả tính toán khác nhau, điều này được thể hiện ở ví dụ tính toán trong bảng 1.1 Từ bảng 1.16 thể nhận thấy sự sai khác giữa các kết quả tỉnh toán tang theo

dao động từ 31% đến 44%,

10

Bảng 1.1 Quan hệ giữa Fri? với £ trong lòng dẫn lãng tru day bằng

++ Phân bổ vận tbe diém trong khu vực nước nhây:

‘Van đề phân bố vận tốc điểm có ý nghĩa trong nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn Bằng.

tài liệu thí nghiệm, M T Ivankov [6] đã đưa ra biểu thức xác định vận tốc điểm lớn nhất

theo chiều dong chây tp tại vị trí x bất kỳ, trong khu vực nước nhảy trên long dẫn lãng trụ đấy bằng

~_ Trong lòng dẫn ling trụ đầy đốc:

inh 1.2 Sơ 43 nước nhấy trong lông dẫn lăng tr, đây dốc [14]

Trong hình vẽ trên

4°: Chênh lệch chiềusâugiữa mặthoáng trước va sau nước nhày theo phương thẳng đứng:

hà": Chiểu sâu dong chảy trước nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn tại

mặt cất trước nước nhảy;

hy’: Chiều sâu dong chảy trước nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn tại

mặt cắt sau nước nhảy:

Vir Van tốc trng binh ding chảy tai mặt cắt trước nước nhày:

Vz: Vận tốc trungbù dng chy ti mặt cất su nước ni

bị - Chiều di nước nhảy:

Ø: Góc của lòng dẫn tạo với phương nằm ngang;

“rên kênh có độ đốc lớn, ảnh hưởng của trọng lực không thể bỏ qua Vi hình dang

mặt thoảng trong khu vực nước nhảy khó xác định chính xác, nên các tác giả đã có.

những gi hit khác nhau kh tính trọng lượng của khối nước trong khu vực nước nhảy B, A Bakhmeteff (1932) [3] đã đưa ra công thức thực nghiệm với trường hợp lòng dẫn số độ đắc ï<007 và 6.5< Fr? 40

Bu sâu tương đối cuối nước nhảy;

ko: Hệ số kinh nghiệm, &, = (Fr

Ngoài ra Rajaratman [19] dựa theo tải liệu thí nghiệm cũng kiến nghị công thức riêng

tính chiều su liên hiệp sau nước nhày phụ thuộc vào góc dốc của lòng dẫn và số Froude

của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.

os ft +85136r,

V6i lòng dẫn có độ đốc nghịch, I A Snegirev (1960) [20] cũng tìm được các công thúc:

tinh toán một số thông số của nước nhảy với điều kiện 7< 0.2 và 430, với he là chiều sâu dong chảy phân giới (, là chiều đãi nước nhảy theo phương ngang,

ana-2) |

1„=10<20 | q19Aya thy Ii

trong đó av: chigu cao nước nhảy khi ¡ =0.

Đối với trường hợp nước nhảy trong kênh chữ nhật có độ dốc đấy 1<1/3 có thể ding

công thức kinh nghiệm của G N Kôxiacôva (1975) [14]

158 3)t-tasijer+ tates) 15)

Cai tgn công thức kinh nghiệm của G, N Kôgiacôva, G KInsep 21] đơa ra công thức tính nước nhảy trên kênh có độ đốc thuận:

+h ki t6

(1+ 3,75i)] (16)

hy

1.2.1.2 Phương pháp sóng giản đoạn

‘Theo Cornelis B.Vreugdenhil (1989) [22], khi nghiên cứu lý thuyết về nước nhảy còn.

có thể coi như là tích phân của một chuyển động của chất lòng kh tổ thất năng lượng xây ra do sự đốt nóng chất lỏng đó và tạo ra gián đoạn bé.

Sit dạng lý thuyết vé sóng nước nông, ác tie giả như J.J Stokes (1992) [23], Nguyễn Cảnh Cầm (1998) [24] đã dùng các điều kiện gián đoạn của dong chảy khi mặt gián

đoạn tức thai dĩ chuyỂn dọc theo đông chiy để nghiền cứu nước nhày ở dang di động

(không ổn định) và đã thiết lập được phương trình tính chiều sâu sau nước nhảy trên kênh lãng trụ đầy bing,

Kết quả nghiên cứu của J.J Stokes li lời giải đơn giản nhất của lý thuyết ống gián đoạn.

Những kết qua nghiên cứu khác có thé tìm thấy trong cuồn Thủy lực tính toán của M B.

Abbott (1998) [25] Các kết quả nghiên cứu đó cũng chỉ mới xét đến chiều sâu sau nước

nhiy của bài toán phẳng, không tim được chiễ đãi và các thông số khác cia nước nháy.

1.2.1.3 Phương pháp lip bien đồng ta rồi

‘Theo GS TS Hoàng Tư An [6], hiện tượng nước nhảy trong long dẫn lãng trụ đáy dốc và đấy bằng đã được nghiên cứu dựa vào lý thuyết lớp biên của dòng tia chiy rồi Sơ để

bài toán như hình 1.9.

Hình 1.3 Nước nhiy trong lông dẫn lãng tr, đấy dốc của GS Hoàng Tư An[6]

Tùy theo từng giá trị của độ dốc lòng dẫn, các kết quả nghiên cứu của tác giả như sau.

Phuong trình chiều sâu dòng chảy biến đổi theo chiều dai nước nhảy trong khu xoáy:

vs: uu té lớn nhất ngược chiều ding chảy tong khu vực nước nhảy:

nok chiễu sâu tương đối của dòng chảy tại vị tri bit ki trong khu xoáy.

Phương trinh đường trung bình của mặt thoáng h=/(x) và chiều đài dòng chay khu

xoáy được chia thành các trường hợp sau:Khi ¿=ig0>013

Khi 0</<013:

Khi =A, thi 9, =9, =" và x1, với hy I: chiều sâu là chiều dai dòng chảy tại vị trí

ết thúc khu xoáy của nước nhảy.

Khi ah ¡>0 thi m= ST? và xe.

Khi thì nana Fe và x=,

“Cũng ed phải nói thêm ring, phương pháp lớp biên của đồng ta rồi còn có thé ding để

nghiên cứu một vải hiện tượng khác của ding chảy sau công trình như xói cục bộ ở hạ

lưu công trình thủy lợi, sự hình thành sóng mặt, biện tượng tách dong ở đáy lòng dẫn

trong khu vục nước nhảy đã được để cập tong các công tinh khoa học như "Thủy lực công trình” [6], "Một số vin để hủy lực hạ lưu các công trình tháo nước vùng đồng bằng va ven biển" [26]

16

túc giả Nguyễn

KẾ thừa các phương pháp nghiên cứu đã có về nước nhiy và lớp

Van Đăng (1989) |27] đã để nghị phương pháp * lệ thức tích phân năng lượng”

(ATTPNL) Dựa theo lý thuyết lớp biên, nghiên cứu dòng chảy rồi trong nước nhảy qua

mô hình đồng chảy Reynolds — Bussinesgue , để xác định các đặc trưng trung bình thời

gian trong nước nhảy phẳng.

Ngoài ra còn có nghiên cứu của Nguyễn Thành Đôn (2013) [28] đã sử dụng mô hình số.

8 tính toán đặc trưng nối tiếp chảy đáy trong lòng dẫn kiểu phi lãng trụ.

Phương pháp số có thể nghiên cứu được nhiễu đặc trưng của nước nhãy và đi sâu được vào kết cấu nội bộ trong nước nhảy nhưng lại quá phức tạp

1.2.1.4 Phương pháp hoàn toàn thực nghiệm

Nghiên cứu trên mô hình vật lý chiếm ưu thể trong thủ lực công trình và được sử dụng

rộng rai để xây đựng các công thie thực nghiệm, kiểm tra kết quả lý thuyết, kim định

thiếtkstim các hình thức công trình thích hợp cho cá tủa công trình.bai toán cụ thểthủy lợi, v v Các kết quả nghiên cứu này có rất nhiều, có thể kể đến một sổ côitrình gin đây ở nước ta như của Trịnh Công Van (2003) [29], Nguyễn Văn Toàn, TrinĐình Hợi, Hoàng Văn Quý (2013) [30],

“Từ kết quả thí nghiệm, tác giả Trịnh Công Vấn [29] đãchỉra rằng, khi n, >(0.83 +0,88)

thì xây ra hiện tượng nước nhảy mặt sống: khi 7, < (0,83 +0,85) thì xảy ra hiện tượng.

nước nhảy ngập Như vậy với kết quả thí nghiệm của mình tác giả đã chỉ ra được ranh

giới giữa nước nhảy mặt sóng và nước nhảy đáy ngập chứ chưa đi sâu vào nghiên cứu.

các đặc trưng của nước nhảy.

Nguyễn Văn Toàn, Trần Đình Hi, Hoàng Văn Quý đã nghiên cứu hiện tượng nude nhảy có áp trong đường him có mặt cắt ngang như trường hợp của Lưu Như Phú và Nguyễn Văn Toàn Thông qua kết quả thí nghiệm về nước nhảy trong điều kién ding chảy én định, độ mở cửa van nhỏ, chiều sâu trước nước nhảy nhỏ hơn R, chiều sâu đồng.

chảy sau nước nhày lồn hơn 2R Từ đấy ác giả đề ra công thức tính chigu sâu liên hiệp

1.3.2 Bài toán không gian hữu hạn

1.2.2.1 Lòng dẫn mở rộng dan

Tay theo góc m của lông dẫn ở hạ ưu là ớn hay bé mà nước nhảy có thể bám sắt vào thành bên hay bị tach đồng Ở đây chỉ để cập đến vẫn để góc mở lòng dẫn nhỏ dé không

phát sinh hiện trợng tích đồng.

F 1 Picalov (1954), gitinh dang trung bình của mặt thoáng trong khu vực nước

nhảy thay đổi không theo quy luật bậc nhất [31] và đã đưa ra được công thức tính chiều

sâu liên hiệp sau nước nhảy Ở đây tác giả cũng đã sử dụng phương trình biễn thiên động,

lượng của đỏng chảy một chiều cho khối chat lỏng giữa hai mặt cắt trước và sau nước nhày, mặt cắt ngang hình chữ nhật ChiỀu dit nước nhảy trong kênh mở rộng din, đầy bằng /; tìm được bằng thực nghiệm Với giả thiết hình dạng mặt thoáng trung bình

trong khu xoáy mặt có dang một đường cong bậc m > 1

orn 1 >

T + p8, +3)=- bn B.-D = 6F et +(113/,) đại

Tạp th 08,+9)=2n(8 9 )

Trong đó:

bi: Chiều ring mặtcất rước nude nhảy;bạc Chidu rộng mặt cắt sau nước nhảy;

By: bề rộng tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy.

.O.F Vaxiliép (1956) [32] cũng đưa ra công thức tính chiều sâu liên hiệp của nước nhảy với giả thiết mặt cắt trước và sau nước nhảy lả hình cung tròn còn chiểu dai nước nháy

tính theo công thức thực nghiệm:

at, 7 a, (0) 2 hệ +n, +h.”

2 (2) ome 26-2.) + `

‘enh 26 woh, (22) 15 3 trong đó:

26: góc md của lòng kênh tính bằng radian

tị, rạ: bán kính mặt cắt đầu và mặt cắt cuối nước nhảy:

“Chiều dai nước nhay tinh theo công thức thực nghiệm:

i" (1.23)

P.K Toveskov (1964) [16], mặt thoáng trung bình trong khu xoáy mặt thay đối theo quy

luật bậc nhất, phương trình chiều sâu sau nước nhảy tìm được nhờ phương trình biến

thiên động lượng của dòng chảy một chiều Chiều dài nước nhây trong lòng dẫn me

rộng din đấy bằng tính theo công thức thực nghiệm;

Dumitra Dumitrescu và Emest Razvan (1975) [5] đã dua vào lý thuyết lớp biên củadong tia rối để thiết lập công thức tính chiều sâu liên hiệp sau nước nhảy trong trường

hop lòng dẫn đáy bing mo rộng dẫn

“Tác giả NguyVain Mao (1977) |33] với quan niệm giao tuyển mật nước với thành bênlà đường cong, bỏ qua ma sit lòng dẫn, sử dụng phương trình bi thiên năng lượng của

sóng dừng đã đưa ra phươngnước nhảy ở lòng dẫn chữ nl diy bằng mỡ rộng

1.2.2.3 Lòng dẫn lang tru có độ dốc thay đổi

Khi xây dựng công trình thường gặp hiện tượng nối tiếp đồng chảy ở chân các dốc nước,

nơi kênh dẫn chuyển tiếp từ đoạn có độ dốc lần hơn độ dốc phân giới sang đoạn kênh.

số độ đốc ¡nhỏ hơn độ dốc phân giới Đoạn kênh thứ hai có thể có độ dốc thuận hoặc

p bằng nước nhảy dốc nghịch hoặc có đây bằng Trong du kiện 46, hiện tượng nối

thường có ba dang chính: nước nhảy hoàn toàn trên dốc nước có¡ > i, hoàn toàn ở rên

đoạn kênh thứ hai có độ dốc i < ix, ở giữa hai đoạn kênh đó Dạng nỗi tiếp bằng nước.

nhảy giữa hai đoạn lòng dẫn gọi là nước nhảy rên kênh có độ đốc diy thay đổi [35 I6]Trong trường hợp này nước nhảy được chia Lim hai phần Phần thứ nhất ở trên đoạn

F lớn, phin thứ hai của nước nhảy trên phía sau đốc Dựa vào kết quả nghiên

cứu của tác giả Hoàng Từ An [6], chiều cao nước nhảy trong lòng dẫn lãng tụ tại vị tí

diy lòng dẫn thay đổi độ dốc và chiều dai nước nhảy phần trên kênh đốc đã được xác

định nhờ các công thức giải úch.

1.3 Mộtsố kết quả nghiên cứu khác

"Ngoài nhàng kết quả nghiên cứu được để cập ở mục 1.2 thì hiện nay hiện tượng nước

nhảy tiếp tục được nghiên cứu sâu bơn Có thể kể đến những công trình khoa học sau

= Nước nhảy trong long dẫn dốc, mặt cắt ngang hình tam giác [36] Tác giả đã thiết lập

công thức lý thuyết và kiểm chứng qua thí nghiệm với 6 độ dốc lòng dẫn khác nhau

= Nước nhây trong lòng dẫn mở rộng din với các góc ma khác nhau, mặt cắt ngang

hình chữ nhật [37] Tác gid sử dụng phương trình động lượng, phương trình liên tục,

phương trinh bảo toàn năng lượng đẻ thiễt lập công thức tính toán và kiểm nghiệm

‘qua các thí nghiệm thủy lực với các góc ma lòng dẫn lòng din 5; 12,5; 15; 22.5 và

= Nước nhảy trong lồng dẫn mở rộng đột ngột, đấy bằng, mặt cắt ngang hình chữ nhật,

sau nước nhảy có tường vách ngăn hoặc không có vách ngăn được nghiên cứu dựa.

20

trên số li thí nghiệm, từ đấy tim ra mỗi quan hộ tỷ lệ chiều sâu trước và sau nước nhảy (hơn): tỷ lệ iữa năng lượng đơn vị cia mặt cắt sau nước nhây với mặt cắt

trước nước nhảy (E./E); tỷ lệ giữa chiều dài cuối nước nhày với chiều sân dòng chảytrước nước nhảy [38]

= Nước nhảy trong lòng din mg rộng dẫn, diy bing, nhấm, mặt cắt ngang hình chữ

nhật [39] Bài báo trình bày kết quả của một nghiên cứu thực nghiệm dé nghiên cứu.nh hưởng của các thông số hình học và thủy lực lê sự phân tin năng lượng và vị trí

của nước nhảy, với sự thay đổi chiều cao của các mé nhám và mở rộng của lòng dẫn.

1.4 Vin đề đặt ra và hướng nghiên cứu

Dựa vào những tổng hợp ở mục 1.2 và mục 1.3 nhận thấy một trong những vấn đề chưa Auge nghiên cứu đến là nỗi tiếp bằng nước nhảy day trên kênh dốc có mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dẫn Do vậy luận án sẽ xây dựng các công thức giải tích để nghiên cứu hiện trợng nỗi tiếp bằng nước nhày trong lòng dẫn mặt cất ngang hình chữ nhật mở rộng dẫn có độ đốc không đôi và độ dốc thay đôi Các đặc trưng của nước nhảy được tiến hình nghiên cứu gồm:

= Chiều sâu cuối khu xoáy mat;

= Chiều sâu liên hiệp của nước nhảy;

~_ Chiều dai khu xoáy mặt và chiều dài nước nhảy;

~ Quy luật phân bố vận tốc điểm lớn nhất doe đáy lòng dẫn và trên mặt khu xoáy; = _ Chiều sau trong nước nhảy tại vi tri độ đốc lòng dẫn thay đổi

Với phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp tổng hop và phương pháp

nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm 1.5 Kết luận chương

Nối tiếp hạ lưu bằng nước nhảy đã được nghiên cứu từ rất lâu, nhưng cho đến nay còa rất nhiều vấn ễ chưa được giải quyết Cụ thể

~_ Dựa trên cơ sở của phương tỉnh động lượng của ding một chiều các kết quả nghiên

phân bổ vận tốc điểm trong khu vục nước nhảy mà mới thiết lập được công thức tỉnh

chiều sâu liên higp sau nước nhảy, còn các đặc trưng khác phải tim bằng thực nghiệm.= Các kết quả nghiền cứu nỗi tiếp bằng nước nhiy theo phương pháp lớp biên của ding

tia rối cho phép xác định được bằng ý thuyết nhiều đặc trưng của nước nhảy như chiều sâu, chiều dải khu xoáy mặt và toàn bộ nước nhảy, quy luật thay đổi vận tốc

điểm dọc theo chiều dai khu xoáy mặt của vận tốc điểm cực đại theo chiều đồng chảy

s,, ân tốc điểm eye đại ngược chiêu đồng chây 4,

= Nước nhày trên kênh có độ dốc chưa được nghiễn cứu nhiễu và cúc kết quả nghiền

cứu không giống nhau do các công thúc chủ yêu là kinh nghiệm: chỉ có duy nhất công

thức của M A Mikhaliev [17] và các công thức của Hoang Tư An [6| là công thức lý

= Nước nhây trong điều kiện không gian mỡ rộng dẫn và mở rộng đột ngột là vẫn để

cute kỳ phức tạp do liên quan nhiều đến các điều kiện không gian của cúc công tinh

cụ thể Vì vậy, những bai toán nối tiếp trong điều kiện không gian rất có ý nghĩa thực.

tiễn, nhưng lại khó giải quyết

Dựa vào những kết luận trên, Luận án tiến hành nghiên cứu hiện tượng nồi tiếp bằng

nước nhảy trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng din có độ dốc không Abi và độ đốc thay đổi nhằm góp phần nào vào các công trình khoa học nghiên cứu về

hiện tượng nước nháy.

CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH ĐẶC

TRUNG CUA NƯỚC NHAY TRONG LONG DAN MAT CAT NGANG

HINH CHỮ NHẬT MỞ RONG DAN, DAY DOC THUẬN VA DAY BANG

2.1 Đặt vấn dé chu ng2

Bài toán nước nháy trong lòng dẫn phí lăng trụ mặt cắt ngang hình chữ nhật, mở rộng

din, diy đốc được nghiên cứu theo hướng xây đựng các công thức giải tích Các công

thức giải tíh này sẽ được thiết lập dựa trên việc kết hợp giữa lý thuyết lớp biên của

đồng tia chảy rối với ee phương trinh cơ bản cia thủy lực 2⁄2 Lý thuyết cơ bản [40] [41] 42] [43]

"Để thiết lập được các công thức giải tích tinh đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn

số mặt cắt ngang hình chữ nhật, mở rộng dẫn đầy đốc thuận và đấy bằng cần sử dụng

các công thức cơ bản sau:

~ Phân bổ vận tốc điểm trong khu vực nước nhảy tuân theo Schlichting (1969) [41]

/0)~0.45055

Vin tốc điểm rung bình theo phương ngang tạ tọa độ (x,z) bắt kỷ: tig: Vận tốc điểm lớn nhất ngược chiều đồng chấy;

tạ? Vận tốc điểm lớn nhất thuận theo chiễu ding chảy;

tự: Chiểu cao tường đối của cao độ:

8.: Chiều dây lớp biên của dong tia rỗi sit day lòng dẫn;

‘Theo Prandl (1952) [44], lớp biên li khu vực ma ở đó phân bé vận tốc điểm dòng chảy

6 dang không đều Ngoài khu vực dé vận tốc điểm phân bổ gin như đều và được gọi

là lõi thé của dong chảy Như vịnhững khu vực đồng chảy sau vật cản hay là những

dòng chảy sau công trình vận tốc điểm thay đối liên tục, khu vực nước nhảy, thi cũng

được gợi là lớp biên [6] Nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình vật lý đã chứng

minh rằng những dong chảy sau vật cản và nước nhảy có quy luật tương đồng với lớp biến và gọi là lớp biên đồng tia [17] Phân 66 vận tốc điểm theo phương đứng ti toa độ

x tuân theo quy luật (2.1),

- Hệ phương trình Reynolds(1903) [40] xiết cho dòng chảy rồi trong không gian hữu

“Trong công thức trên các đại lượng có nghĩa như sau:

w Van tốc diém trung bin theo phương đứng;

ww Mạch động ốc điểm theo phương Ox và Oz;

z

FF: Lựekhổi đơn vị chiếu lênphương Ox vi Oz: P Ap suất chat long;

B Bề rộng dòng chảy được thé hiện theo so dé hình 2.2 sau:

Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng của đồng chay

Pp Khối lượng riêng của nước.

~ Phương tỉnh liên tục trong không gian hữu han hai chiều đứng được vit theo Lê Văn

Dựa trên những lý thuyết cơ bản đã được để cập ở phần tn, su đây tác giả luân án sẽ tiến hành nghiên cứu một số đặc trưng nỗi tgp bằng nước nhảy trên lòng dẫn phi lãng trụ đốc thuận, mở rộng dẫn.

23° Thiếlập các công thức

2.3.1 Giá thiết

Mộtđặc trưng của nước nhảy trên kênh đốc, mở rộng dần, mặt cắt ngang hình chữ.

nhật, được tính toán dựa vào các giả thiết sau:

(1) Đông tia bị ngập ở nữa không gian trên có day không thắm nước, ding chảy không,

tách khỏi thành lòng dẫn, lòng dẫn mở rộng din vớisóc không đồi

2ð~comer en

(2) Không xét đến ảnh hưởng của im ki trong khu vực nước nhảy;(3) Lưu lượng không thay đổi theo thời gian, chuyển động ồn định: