Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 1 docx

1.2 Tính tương tự giữa khuyếch tán phân tử và khuyếch tán rối 1.2.1 Khuyếch tán rối Những phân tử tạo ra một chất lỏng thường luôn luôn chuyển động và sự chuyển động này tăng theo nhiệ

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Những trạng thái phát tán tiêu biểu

'Phát tán' một chất hoà tan thể hiện sự pha loãng của nó thông qua xáo trộn với chất lỏng bao quanh Đối với một khối lượng vật chất đã cho, xáo trộn làm tăng thêm thể tích bị chiếm chỗ và như vậy phát sinh sự giảm nồng độ Trong môi trường tự nhiên, phát tán xảy ra do những hiệu ứng kết hợp của chuyển động rối và chuyển động phân tử, chúng được hỗ trợ bởi những quá trình làm tăng thể tích bị chiếm chỗ và do đó làm tăng diện tích tiếp xúc mà qua đó xáo trộn có thể thực hiện

Thuật ngữ 'phát tán' đôi khi áp dụng đối với việc lan truyền các chất không thể trộn lẫn, những chất mà không trải qua bất kỳ sự pha loãng nào Điều này có thể bị hiểu sai và phải có sự phân biệt cẩn thận giữa lan truyền phát tán trong đó không có pha loãng và lan truyền phát tán trong đó xáo trộn làm giảm nồng độ của vật chất Điều nhấn mạnh của quyển sách này là phát tán, trong đó sự xáo trộn và sự pha loãng xảy ra Nhiều khái niệm được thảo luận cũng thích hợp đối với lan truyền vật chất không hoà tan - ví

dụ, sự tách dần chất lơ lửng cá biệt hoặc những động vật riêng lẻ trong quần thể phù du

Những quá trình phát tán có tầm quan trọng cơ bản đối với đời sống trong biển

Ví dụ, amôniắc do cá bài tiết sẽ độc đối với cuộc sống dưới nước nếu nó không được pha loãng và xáo trộn với nước xung quanh Những chất dinh dưỡng phát sinh từ sự thối rữa những sinh vật chết tại đáy biển sẽ không sẵn có cho sinh vật phù du nếu không có sự xáo trộn thẳng đứng để phát tán những chất dinh dưỡng đó trong toàn bộ cột nước

Thỉnh thoảng, những quá trình phát tán không đủ để bảo đảm sự pha loãng thích hợp, và trong trường hợp của những chất dinh dưỡng, một kết tập có thể dẫn đến sự tăng trưởng quá mức của tảo phù du, sinh ra một sự 'nở hoa' Một vài hoa tảo rất độc đối với cá

và khi tảo chết đi, chúng tạo thành các lớp phủ trên đáy biển có thể làm ngạt những động vật sống ở đó Nếu xáo trộn qua lại của nước ngọt với nước mặn trong các cửa sông mạnh, thì có sự thay đổi dần dần của độ mặn dọc theo chiều dài cửa sông và khi cá di chuyển lên thượng lưu hoặc xuống hạ lưu chúng có thể dần dần thích nghi với những độ mặn khác nhau Tuy nhiên, nếu xáo trộn không đủ để làm dung hoà sự thay đổi từ nước ngọt đến nước mặn, thì một mặt phân cách mật độ rõ rệt có thể hình thành, và những loài chưa thích nghi ngay với thay đổi quá lớn về độ mặn có thể chết nếu chúng di chuyển vào sâu hoặc được mang qua mặt phân cách này

Trên đây là những ví dụ về những quá trình tự nhiên đã tồn tại từ khi đời sống phát triển trong biển Trong nhiều thế kỷ con người đã sử dụng khả năng phát tán của biển và cửa sông để làm loãng và thải đi những phế thải Việc ứng dụng này nói chung là

tốt nhưng với sự tăng trưởng dân cư và nền công nghiệp liên đới, khả năng phát tán

của nhiều cửa sông và một số vùng ven bờ đã quá tải, dẫn đến sự tác động đến cuộc sống

dưới nước và rủi ro đối với vấn đề sức khỏe con người Bởi vậy, điều này có tầm quan

trọng rất lớn để hiểu các chất thải trở nên được phát tán trong biển và cửa sông như thế

nào, và để có thể định lượng được mức độ pha loãng dưới những điều kiện khác nhau

Những nhà vật lý biển cố gắng thực hiện nhiệm vụ này bằng cách sử dụng các mô hình

toán học để mô tả những hệ thống phức tạp này trên máy tính, và áp dụng những quan

trắc hiện trường để kiểm tra tính hợp lý những dự đoán của họ Nhiều nhà sinh vật học

quan tâm đến những vấn đề như sự phát tán trứng cá, phân bố những chất dinh dưỡng

phát ra từ những con sông hoặc sự lan truyền các đốm loang phù du chứa đựng ấu trùng

của hệ động vật Những nhà hóa học biển có thể cần đánh giá sự phát tán của các hạt mịn

mang kim loại bám theo Như vậy, có mối quan tâm đáng kể để hiểu biết những nguyên

nhân của phát tán và để định lượng hiệu ứng của nó lên lan truyền những chất tự nhiên

và do con người tạo ra

Quyển sách này nhằm mục đích mô tả nhận thức hiện nay về những quá trình

phát tán trong môi trường biển bằng các khái niệm tương đối đơn giản với hy vọng rằng

nó sẽ có ích đối với các nhà hải dương học và những nhà khoa học từ những chuyên ngành

khác Một mục tiêu bổ sung của quyển sách là tập hợp các nghiên cứu lại với nhau, để

vừa thể hiện những bước quan trọng trong việc hiểu biết những quá trình phát tán, vừa

mô tả những kết quả thực nghiệm đặc biệt hữu ích Hy vọng rằng danh mục các sách

tham khảo đưa ra trong quyển sách cũng có giá trị đối với những nhà nghiên cứu đang

tìm kiếm những thông tin cơ bản Để bảo đảm rằng những khía cạnh phát tán có thể được

đề cập với đầy đủ chi tiết, quyển sách này chỉ xét sự phát tán những chất hoà tan và các

chất lơ lửng mịn; để có thông tin về sự phát tán của dầu hoặc động lực các trầm tích thô,

người đọc cần phải tham chiếu đến các tài liệu đã xuất bản khác (ví dụ Dyer, 1986a)

Trong suốt quyển sách này, điều nhấn mạnh dựa trên sự hiểu biết các quá trình

vật lý Tất nhiên toán học phải được trình bày để xác định những cơ chế này, nhưng phải

khẳng định rằng việc mô tả sẽ có những giả thiết đặt ra và ý nghĩa của kết quả phải thật

rõ đối với người đọc không nắm nhiều về toán học

1.2 Tính tương tự giữa khuyếch tán phân tử và khuyếch tán rối

1.2.1 Khuyếch tán rối

Những phân tử tạo ra một chất lỏng thường luôn luôn chuyển động và sự chuyển

động này tăng theo nhiệt độ bởi vì tác động của các phân tử phụ thuộc vào năng lượng

nhiệt sẵn có Chuyển động phân tử như vậy có thể gây ra sự xáo trộn qua lại dần dần của

chất hoà tan với dung môi bao quanh Như vậy, nếu một giọt mực nhỏ vào trong một chén

nước để đứng yên trong một thời gian dài, thì dần dần mực khuếch tán trong toàn bộ thể

tích dưới tác động của chuyển động phân tử và cuối cùng trở nên pha loãng đều Sự dịch

chuyển của mực đạt được là do những phân tử của mực va chạm ngẫu nhiên với những

phân tử nước để sao cho, qua một diện tích bất kỳ đã cho nào trong nước cũng có sự trao

đổi những phân tử của cả nước lẫn mực

Có hai chỉ tiêu để chuyển động phân tử được coi như một quá trình ‘khuếch tán’ Thứ nhất, số lượng những phân tử mực chuyển động theo cách đi qua tiết diện phải bằng

số lượng những phân tử nước chuyển động theo hướng ngược lại, giả thiết các phân tử mực và nước có cùng kích cỡ Nếu có sự không cân bằng về số lượng này, thì quá trình bao gồm một sự trôi thuần tuý của nước qua tiết diện và quá trình đó được gọi là ‘bình lưu’

Hình 1.1 Vận chuyển khuếch tán qua một mặt cắt ngang do chuyển động phân tử

Thứ hai, phải có một nồng độ cao hơn của những phân tử mực trên một phía này của tiết diện so với phía kia Do vậy, để cho khuyếch tán xảy ra, số lượng những phân tử mực trong một thể tích đơn vị phải thay đổi theo khoảng cách, tạo ra một 'gradient' nồng

độ - nếu thiếu gradient này, những chuyển động ngẫu nhiên sẽ không có bất kỳ hiệu ứng nào lên sự phân bố toàn diện của những phân tử mực (hình 1.1)

Mối quan hệ giữa suất vận chuyển khuếch tán và gradient nồng độ có thể biểu thị

dưới dạng

y

c A

Qmol







trong đó Qmol là vận chuyển thực của khối lượng (những phân tử mực trong ví dụ này), A- diện tích mặt cắt ngang mà qua đó vận chuyển khuếch tán đang xảy ra, và c/y là gradient nồng độ theo hướng y Trong suốt quyển sách này, hướng x được lấy làm thành phần cơ bản của dòng chảy trong một mặt phẳng nằm ngang và hướng y là vuông góc với

nó trên cùng mặt phẳng đó; z là hướng của thành phần thẳng đứng và chiều dương hướng xuống dưới Tác động khuếch tán trong phương trình (1.1) được định lượng bởi hệ số  Dấu trừ chỉ rằng quá trình phải chuyển tải khối lượng từ khu vực nồng độ cao hơn đến thấp hơn và không thể có theo hướng ngược lại Quá trình vận chuyển này gọi là 'khuyếch tán phân tử '

Một cách khác làm cho mực lan truyền đồng nhất trong cả chén là khuấy nó Thời gian đạt được điều này chỉ là một vài giây so với vài giờ nếu cái chén đơn giản được để

đứng yên Quá trình 'khuyếch tán' nhanh này là do sự hình thành của nhiều xoáy không

đều hoặc 'những xoáy rối' do tác động khuấy, và mặc dầu xáo trộn phân tử vẫn có mặt,

Để định lượng mức độ vận chuyển khối lượng do rối gây ra, tốt nhất là phác hoạ một sự tương tự với cách tiếp cận vận chuyển phân tử Nếu những xoáy rối riêng lẻ có thể coi như những phần tử riêng biệt giống như những phân tử, thì chuyển động rối qua một tiết diện trong chất lỏng sẽ trao đổi những phần tử của chất với những phần tử của nước Một lần nữa ở đây, để cơ chế này có thể được xem xét như khuếch tán, thể tích của chất

được mang đi theo cách đó phải bằng thể tích của nước được mang đến theo hướng ngược lại

Chuyển động được xác định bởi hệ số 'khuyếch tán rối', hoặc 'độ khuếch tán rối' K, bằng cách sử dụng một phương trình tương tự như phương trình đối với phân tử Suất vận chuyển vật chất Qturb do chuyển động rối bằng

y

c A K







với Ky là hệ số khuếch tán theo hướng y Vì nồng độ tại bất kỳ điểm nào trong chất lỏng rối sẽ biến động đáng kể theo thời gian, nồng độ c là một trị số bình quân trong thời gian

được chọn nào đó và Qturb là suất trung bình trong thời gian ấy

Hệ số khuyếch tán phân tử  có thể coi như một thuộc tính của chất lỏng và lấy không đổi tại một nhiệt độ cố định Tuy nhiên, những xoáy rối riêng lẻ không phải là những phần tử riêng biệt như những phân tử và chúng có xu hướng thay đổi hình dạng liên tục và vỡ ra thành các phần tử nhỏ hơn Do vậy, hệ số khuyếch rối Ky không phải là một thuộc tính của chất lỏng - giá trị của nó phụ thuộc vào cường độ và kích thước của những xoáy trong chuyển động rối, và có thể biến đổi từ phần này đến phần khác của chất lỏng Điều này cho thấy khó đánh giá độ lớn của Ky đối với bất kỳ trạng thái riêng biệt nào và việc xác định nó thông thường phụ thuộc vào những khảo sát thực nghiệm Nói chung, hệ số khuyếch tán rối vào khoảng một nghìn lần lớn hơn hệ số khuyếch tán phân tử

1.2.2 Độ nhớt rối

Vì những chuyển động rối quan trọng hơn chuyển động phân tử rất nhiều trong việc phát tán một chất, có một nhu cầu cần biết các xoáy rối được phát sinh như thế nào

và có thể định lượng mức độ phát sinh rối ra sao Để pha loãng một giọt mực khắp toàn bộ thể tích của một cái cốc bằng việc khuấy, nước trong cốc được đặt vào chuyển động quay tròn Thật ra hầu hết năng lượng khuấy được sử dụng để làm cho nước từ đứng yên đạt

đến vận tốc quay; một khi hoàn lưu đạt đến một vận tốc quay ổn định, chỉ cần một năng lượng đủ đòi hỏi để đền bù cho năng lượng tổn thất do ma sát tại thành cái cốc Nước tại chính mép của thành cốc thực sự đứng yên do ma sát và một sự khác biệt vận tốc dễ nhận

ra giữa tâm cốc và thành cốc Chính gradient vận tốc, hoặc 'độ trượt', cùng với gradient vận tốc cục bộ do việc khuấy tạo ra, làm phát sinh những xoáy rối Trạng thái này rất phức tạp bởi vì những xoáy này làm trơn đi những khác biệt về vận tốc và như vậy dung hoà những gradient sinh ra chúng

Một khi dòng chảy ổn định phát triển trong cái cốc được khuấy, năng lượng dành cho tác động khuấy được dùng để thắng ma sát của nước gần thành cốc; đối với nước, độ nhớt tương đối thấp và hầu hết năng lượng biến đổi để phát sinh những xoáy rối, và cuối

cùng tiêu tán năng lượng của chúng thành nhiệt Sự trượt vận tốc ở trạng thái ổn định có dạng bảo đảm rằng tất cả năng lượng đầu vào đã được sử dụng cho việc tạo ra những xoáy rối và không có chuyển động tại chính thành cốc - vận tốc bằng không này tại bề mặt thành cốc thể hiện giống như sự bám bụi trên cánh của cái quạt máy Tại một vị trí bất

kỳ trong nước, tổn thất năng lượng do ma sát nội là một số đo của công được thực hiện để thắng lực cản trong chất lỏng rối Lực cản này được xác định như lực tác động trên một diện tích nhỏ trong một mặt phẳng tiếp tuyến với hướng của chuyển động trung bình; lực này gọi là 'ứng suất tiếp tuyến’ hay 'ứng suất trượt’ và được biểu thị bằng ký hiệu 

Độ lớn của ứng suất trượt phụ thuộc vào mức độ truyền động lượng qua tiết diện,

và cùng với việc truyền khối lượng, thường phác hoạ một sự tương tự như sức cản phân

tử, phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng Về mặt khái niệm, chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử tạo nên sự trao đổi động lượng giữa các khu vực dòng chảy nhanh hơn và chậm hơn ở trạng thái cân bằng, số lượng các phân tử được chuyển từ khu vực chất lỏng nhanh hơn đến khu vực chất lỏng chậm hơn cũng bằng số lượng chuyển từ khu vực chất lỏng chậm hơn đến khu vực chất lỏng nhanh hơn, do vậy sự khác biệt vận tốc xác định nên sự trao đổi động lượng Sự trao đổi lẫn nhau của những phân tử làm cho chất lỏng

đang chuyển động nhanh hơn bị chậm lại, mà trên thực tế có nghĩa là dòng chảy đang cảm nhận sức cản nào đó lên chuyển động về phía trước của nó Bằng cách tương tự, sự trao đổi lẫn nhau của các xoáy giữa những khu vực nhanh hơn và chậm hơn của dòng chảy tạo nên sự truyền động lượng, làm cho chuyển động nhanh hơn bị chậm lại do lực cản (tức là ứng suất trượt)

ứng suất trượt phân tử mol liên quan với gradient vận tốc u/z theo độ dày dòng chảy bằng hệ số nhớt phân tử  của chất, theo quan hệ đưa ra sau đây

z

u

mol







 

Dấu trừ chỉ ra rằng sức cản là dương đối với dòng chảy liên quan đến gradient vận tốc âm, tức là dòng động lượng bằng mol thể hiện sự vận chuyển từ dòng chảy nhanh hơn

đến dòng chảy chậm hơn

Trong dòng chảy rối việc truyền động lượng được biểu thị qua hệ số 'nhớt rối' N Như với khuyếch tán rối, các xoáy lang thang có thể coi như những khối chất lỏng tương

tự như những phân tử Tuy nhiên, ngoài việc truyền bởi sự trao đổi qua lại giữa những xoáy chuyển động chậm hơn và nhanh hơn, động lượng cũng có thể truyền bằng áp suất Như vậy N là một hàm số của cả trao đổi các xoáy lan truyền với những vận tốc khác nhau lẫn quá trình truyền áp suất

Có thể xem xét sự trao đổi động lượng bởi áp suất bằng cách tương tự như đường

đi của những quả bóng bi-a Xem điều gì xảy ra khi một quả bóng bi-a húc vào mép một dãy bóng nó vừa mới chạm đến; quả bóng trở nên đứng yên và động lượng của nó được truyền vào dãy bóng để cho quả bóng tại mép cuối của dãy bóng chuyển động ra xa với

động lượng như ban đầu Con lắc Newton, trong đó những quả cầu được treo trên một hàng, thực hiện trên cùng nguyên lý đó

Mặc dầu một xoáy không thể coi như một quả bóng bi-a, khái niệm truyền động lượng cho một xoáy kề bên bằng áp lực và cứ như vậy cho đến những xoáy ở xa hơn là rất

có ích Một khi động lượng có thể truyền theo cách như vậy, sự chuyển động của một xoáy cùng động lượng vào trong một khu vực dòng chảy đang lan truyền với vận tốc khác là không cơ bản đối với sự trao đổi động lượng Điều này có nghĩa là trong những khu vực xáo trộn tương đối chậm, ví dụ như trong nước phân tầng, suất truyền động lượng có thể lớn hơn suất truyền một thuộc tính như khối lượng, nó đòi hỏi sự trao đổi lẫn nhau của những xoáy để việc truyền động lượng xảy ra (mục 3.5.1) Khái niệm này được hỗ trợ bằng các thực nghiệm trong những vùng nước tự nhiên, mà khẳng định rằng những hệ số khuyếch tán rối và nhớt rối theo hướng thẳng đứng giảmđi khi sự phân tầng tăng lên, với những giá trị Kz giảm nhanh hơn các giá trị Nz

Bằng cách tiếp cận tương tự như phương trình (1.3) đối với ứng suất trượt phân tử, ứng suất trượt rối (tức là lực cản trên đơn vị diện tích) bằng biểu thức

z

u

N z

zx







 

với zx là ứng suất trượt trên một mặt phẳng tác động theo phương x và vuông góc với trục

z , và  là mật độ của chất lỏng Những biểu thức tương đương có thể phát biểu đối với ứng suất trượt vuông góc với các hướng x và y, nhưng trong môi trường biển hướng thẳng

đứng là nổi bật nhất bởi vì ma sát đáy có tác động lớn đối với gradient vận tốc Vì vận tốc tại một điểm trong chất lỏng rối dao động liên tục, u là vận tốc trung bình theo một khoảng thời gian được chọn nào đó Vì với khuếch tán rối, trị số Nz không phải là một thuộc tính không đổi của chất lỏng mà phụ thuộc vào trạng thái chuyển động rối, độ lớn của nhớt rối không thể tự chọn đối với một dòng chảy rối cho trước mà phải xác định từ những quan trắc

1.2.3 Những điều kiện để chuyển từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối

Những dòng chảy trong đó các lớp của dòng chất lỏng làm thành những đường song song không bao giờ cắt nhau được gọi là 'theo lớp' bởi vì vận tốc được xem như chuyển động trong những lớp, hoặc 'tầng' Vận tốc của những phần tử chất lỏng không nhất thiết là như nhau dọc theo những lớp kề cận, và đối với một vật cản trơn những

đường dòng chảy này đi theo những đường đồng mức bao quanh vật thể

Một trạng thái rất khác xuất hiện trong dòng chảy rối, bởi vì những đường do các phần tử chất lỏng vạch ra là không song song và có thể cắt nhau và quấn vào nhau một cách lộn xộn Mặc dầu dòng chảy chuyển động, nói về trung bình là theo một hướng, sự nhiễu động liên tục và không dự đoán được của vận tốc tại một điểm có những hệ quả quan trọng Những nhiễu động này có thể rất hiển nhiên và khó đo được, nhưng vì chúng

có thể có hiệu ứng đáng kể lên đường đi của một hạt riêng lẻ trong chất lỏng, chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát tán và tách ra của hạt

Được biết vào giữa thế kỷ thứ mười tám, dòng chảy rối và dòng chảy tầng đã thể hiện cho hai loại dòng chảy khác biệt Vào thời gian đó, đã thấy rằng các kết quả thí nghiệm trong lòng dẫn hở và trong đường ống là rất khác nhau theo dòng chảy rối và tầng, nhưng không có sự đánh giá nào về cách thức mà độ nhớt ảnh hưởng đến trạng thái

chất lỏng Tuy nhiên, chính các khảo sát thực nghiệm của Osbome Reynolds (1842-1912), giáo sư về công trình tại Trường đại học Manchester, đã dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về những điều kiện thích hợp cho một loại dòng chảy cụ thể

Thiết bị thí nghiệm được Reynolds sử dụng để khảo sát sự quá độ từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối gồm một ống thuỷ tinh được đặt nằm ngang, loe ra tại một đầu,

được gắn khít vào thành của một thùng nước (hình 1.2 (a)) Lượng nước thoát ra từ thùng qua ống này được kiểm soát bởi một van tại lối thông ra (không chỉ ra trên hình) Một chất màu hoà tan, chứa trong bình nhỏ, được phun ra thành một tia nhỏ tại đầu loe của ống, tạo thành một sợi nhỏ dọc theo trục tâm của ống Reynolds quan trắc sự thích ứng của sợi nhỏ này theo các lưu lượng khác nhau chảy ra từ thùng (Reynolds, 1884) Ông chỉ

ra rằng khi lưu lượng tăng, sợi màu nhỏ bắt đầu dao động, cho đến khi dòng chảy đạt đến mức mà chất màu bỗng nhiên được xáo trộn hầu như hoàn toàn với nước trong cái ống (hình 1.2 ( b))

Hình 1.2 Thí nghiệm Reynolds để nghiên cứu sự quá độ dòng chảy;

a) thiết bị sử dụng, (b) sự phá vỡ sợi màu với việc tăng lưu lượng

Sử dụng lý luận về thứ nguyên, có thể xác định một con số đặc trưng cho dòng chảy tầng Trong chất lỏng có mật độ đồng nhất, chỉ có ba loại lực điều khiển chuyển

động: gia tốc khối (hoặc quán tính) của dòng chảy, lực ma sát và gradient áp suất

Vì những lực này cân bằng nhau, chỉ cần xét hai trong số chúng để đặc trưng cho chuyển

động - số Reynolds sử dụng các lực ma sát và quán tính

Giả thiết rằng u là vận tốc tham chiếu và l là chiều dài đặc trưng bất kỳ Khối lượng có thể biểu thị bằng tích số của mật độ và thể tích nên ta có l3 và gia tốc là u2/l để nhận được lực quán tính l2u2 Lực ma sát có thể biểu thị bằng tích số của ứng suất trượt

u/l và diện tích l2

để có được lu Số Reynolds do đó lấy bằng tỷ lệ của lực quán tính đối với lực ma sát ở dạng







lu

u l

2 2

Thông thường thay / bằng 'độ nhớt động học'  và như vậy Rel = lu/ Trong nước ngọt tại 27o

C,  có giá trị là 1,15 x 10-6 m2s-1

Quãng đường (chiều dài) đặc trưng thường lấy bằng khoảng cách dọc theo dòng chảy kể từ gốc, như đầu loe ra của cái ống trong những thí nghiệm nguyên bản của Reynolds Tuy nhiên, trong ống tròn ta quy ước lấy đường kính d làm quãng đường đặc trưng trong số Reynolds Red, Reynolds cho thấy độ lớn của Red là yếu tố chính để xác định

sự chuyển dòng chảy từ trạng thái tầng sang trạng thái rối; những đánh giá bằng thực nghiệm chỉ ra rằng dòng chảy chuyển sang rối xảy ra khi Red nằm giữa 2500 và 4000 Nghiên cứu dòng chảy trong ống cũng khảo sát được sự chuyển từ trạng thái rối sang trạng thái tầng (Massey, 1989: tr.142 ) Nhận thấy rằng giá trị Red mà tại đó dòng chảy trở lại trạng thái tầng thì dễ xác định hơn nhiều so với sự chuyển từ dòng chảy tầng đến dòng chảy rối; nói chung giá trị này khoảng 2000 Khi nghiên cứu thực nghiệm trong những bể chứa ở phòng thí nghiệm và trong môi trường biển, tốt hơn cả là sử dụng độ sâu

h của chất lỏng làm quy mô chiều dài trong số Reynolds (tức là Re = hu/)

Mức độ mà những xoáy trong dòng chảy trợ giúp cho phát tán phụ thuộc vào sức mạnh tác động khuấy của rối và được định lượng ở dạng 'cường độ rối' Đại lượng này

được xác định bằng cách sử dụng những kết quả đo đạc vận tốc trong trường rối Đặc tính của một dòng chảy rối là những nhiễu động nhanh của vận tốc xuất hiện tại bất kỳ vị trí nào (hình 1.3) Bởi vậy, vận tốc u tại bất kỳ thời điểm nào đó được biểu thị như tổng của giá trị trung bình um trong cả thời đoạn cộng với chênh lệch vận tốc u' so với giá trị trung bình Như vậy vận tốc tức thời, ví dụ theo hướng x có thể viết là

u = um + u ' (1.6) Theo định nghĩa, giá trị bình quân của u' trong cả thời đoạn dùng để xác định um

là bằng không, và để xác định độ lớn của những nhiễu động rối, sử dụng giá trị căn bậc hai trung bình các bình phương của u' Cường độ rối do những nhiễu động vận tốc theo hướng x được biểu thị bằng căn bậc hai trung bình các bình phương của thành phần rối ở dạng

2

'

u

trong đó gạch ngang trên biểu thị giá trị trung bình của các độ lệch vận tốc bình phương theo thời gian Trong nhiều tình huống thực tế, người ta quan tâm so sánh cường độ rối với dòng chảy trung bình bằng việc sử dụng tỷ số ilx/um khi nói đến những kết quả nghiên

cứu thực nghiệm Một khi dòng chảy trở nên rối, việc tăng vận tốc dòng chảy làm tăng thêm cường độ của trường rối, như khi tăng vận tốc khuấy để xáo trộn mực trong cốc Như vậy, vì Re là một hàm số của dòng chảy trung bình, cường độ rối tăng theo số Reynolds Vậy là mức độ phát tán một chất do rối phụ thuộc vào vận tốc của dòng chảy

trung bình

Hình 1.3 Vận tốc u tại bất kỳ thời điểm nào được tạo ra từ một giá trị u m trung bình trong khoảng lấy trung

bình, và chênh lệch tức thời u’ từ giá trị trung bình 1.2.4 Hiệu ứng của quá độ đối với phân bố vận tốc

Trong ví dụ về việc khuấy cái cốc chứa giọt mực, vận tốc của máy khuấy có thể

điều chỉnh cho đến khi độ quay của nước đạt đến một giá trị ổn định mà tại đó suất năng lượng đưa vào chỉ cần cân bằng với mức độ tổn thất do ma sát Tại giai đoạn này một cường độ rối tương đối ổn định liên quan đến gradient vận tốc trong cốc Dòng chảy tầng

và dòng chảy rối ổn định trong ống cũng liên quan đến thay đổi vận tốc theo hướng ngang, như được minh họa trong hình 1.4 Trong dòng chảy tầng phân bố vận tốc có dạng parabôn và có một biến đổi đáng kể về vận tốc tại khu vực trung tâm của ống Tuy nhiên, trong dòng chảy rối vận tốc tại khu vực trung tâm không thể hiện sự biến đổi rõ ràng đến như vậy, và do đó gradient vận tốc tại thành ống lớn hơn nhiều so với dòng chảy tầng

Dòng chảy trong môi trường biển dao động với tính tuần hoàn liên quan đến thủy triều Thông thường, dòng triều tăng đến một vận tốc tối đa và sau đó chậm lại trong một chu kỳ khoảng 6 giờ trước khi lặp lại sự thay đổi vận tốc hầu như theo hướng ngược lại với một chu kỳ tương tự Trong đa số các cửa sông và những vùng ven bờ, dòng triều này tương ứng với những số Reynolds bảo đảm rằng nước ở trạng thái rối trong hầu hết thời gian, và sự biến đổi vận tốc dòng chảy theo khoảng cách kể từ đáy biển, hoặc 'sự trượt vận tốc' lớn nhất ngay tại khu vực lân cận đáy Những thay đổi đáng kể trong dòng chảy cũng

có thể nhận thấy gần đường bờ

Một đặc tính đặc trưng của các cửa sông và vùng ven bờ là mức độ phân tầng có thể tồn tại do nước có mật độ thấp chồng lên nước có mật độ cao hơn Những chênh lệch

về mật độ có thể xảy ra bởi sự làm nóng lớp nước gần mặt do mặt trời hoặc bởi sự lan truyền của nước tương đối ngọt vào nước có độ mặn cao hơn Nồng độ muối hay 'độ mặn' của nước biển có ảnh hưởng chủ yếu đến mật độ nước Trong biển hở cách xa bờ, độ mặn tiêu biểu là 35 g trên 1 kg của nước - được viết là 35 phần nghìn (ppt), nhưng thời gian gần đây đơn vị được biểu thị là đơn vị độ mặn thực hành (psu), hoặc cách khác, không sử dụng những thứ nguyên Trong quyển sách này đơn vị độ mặn không đưa ra, nó được hiểu là ppt Tại mặt phân cách giữa tầng nước mặt có độ mặn ít hơn và tầng nước sâu hơn

có độ mặn cao hơn, xáo trộn thẳng đứng có thể tạo ra sự quá độ dần dần hoặc gọi là gradient độ mặn thẳng đứng; gradient này gọi là 'nêm mặn' Tương tự, xáo trộn có thể phát sinh trong một khu vực có nhiệt độ biến đổi dần dần, hoặc là 'nêm nhiệt', giữa hai lớp có nhiệt độ khác nhau Vì mật độ của nước biển bị ảnh hưởng bởi độ mặn và nhiệt độ, những gradient thẳng đứng về mật độ liên quan đến các nêm mặn và nêm nhiệt này; những gradient mật độ này được gọi là 'nêm mật độ'

Trong những điều kiện phân tầng ổn định những xoáy cần nhiều năng lượng hơn

để chuyển động thẳng đứng từ một lớp có mật độ lớn hơn đến lớp có mật độ thấp hơn, hoặc ngược lại Công này chỉ có thể thực hiện với năng lượng bị tiêu hao do chuyển động trung bình và, thậm chí với mức độ phân tầng mật độ rất nhỏ, những nhiễu động thẳng

đứng trong chuyển động rối sẽ giảm Như vậy, dưới những điều kiện phân tầng dòng chảy

có xu hướng ổn định với việc chuyển động trong những lớp song song và phân bố vận tốc thẳng đứng có dạng điển hình của trạng thái tầng hơn là trạng thái rối; mặc dầu sự biến

đổi lớn nhất của vận tốc vẫn xuất hiện gần đáy, một gradient vận tốc nhận thấy được

cũng xuất hiện cao hơn trên cột nước, đặc biệt trong khu vực lân cận nêm mật độ ảnh

hưởng của phân tầng lên chuyển động rối và phân bố vận tốc có những hệ quả quan trọng

đối với sự phát tán trong biển

Hình 1.4 Phân bố vận tốc trong ống có dòng chảy rối và tầng

Phân tầng mật độ không gây tác động trực tiếp lên những nhiễu động ngang nhưng có những hiệu ứng gián tiếp đã được quan trắc (mục 3.5.1) Ví dụ, có xu hướng là phân tầng trong môi trường biển làm giảm những nhiễu động ngang trong chuyển động