Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương mở đầu ppt

1 trờng đại học khoa học tự nhiên Leo C. van Rijn Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dơng Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo hà nội 2004 2 3 4 5 Lời ngời dịch Leo C. van Rijn là một nhà khoa học ngời Hà Lan, chuyên gia về các lĩnh vực thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích. Ông giảng dạy ở Hà Lan, tham gia giảng dạy và nghiên cứu tại nhiều viện nổi tiếng trên thế giới. Quyển sách Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dơng đợc ông biên soạn làm giáo trình giảng dạy trong một năm tại Trờng đại học Utrecht và đợc Nhà xuất bản AQUA ấn hành lần đầu tiên vào năm 1989, tái bản vào năm 1994 không có sửa đổi. Sách chủ yếu đề cập đến những nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng trong sông, cửa sông, biển và đại dơng. Cuốn sách này có thể chia làm ba phần chính: cơ chất lỏng ứng dụng, sóng dài và sóng ngắn; ngoài ra phần phụ lục đề cập đến các phơng pháp toán học dùng trong cơ chất lỏng. Những chơng đầu tiên trình bày các nguyên lý cơ bản về thủy tĩnh học, động học và động lực học chất lỏng, mô tả những phơng trình của Euler, Bernoulli, Navier- Stokes và Reynolds, giải thích các hiện tợng dòng chảy dới phân giới và trên phân giới, dòng chảy trơn và nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy, dòng thế, dòng thay đổi chậm và nhanh, dòng chảy cong và các lực sinh dòng chảy. Phần tiếp theo mô tả chi tiết những hiện tợng sóng dài nh sóng tiến, sóng đứng, sóng tịnh tiến, sóng lũ, sóng triều, sóng do mật độ và sóng dâng do bão. Phần cuối giải thích các hiện tợng nớc nông, khúc xạ, nhiễu xạ, sóng đổ, lớp biên sóng, dòng chảy dọc bờ trong đới sóng đổ, sóng ngẫu nhiên. Quyển sách viết dễ hiểu, các hình vẽ minh hoạ sinh động cùng nhiều ví dụ có thể sử dụng nh các bài tập. Vì vậy nó sẽ rất có ích đối với sinh viên ngành thuỷ văn, hải dơng học và các ngành liên quan nh môi trờng, thuỷ lợi, giao thông thuỷ, xây dựng công trình thuỷ. Ngời dịch cố gắng bám sát nội dung cuốn sách, nhng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Ngời dịch cám ơn Khoa Khí tợng-Thuỷ văn-Hải dơng học và PGS TS Phạm Văn Huấn về những ý kiến đóng góp để cuốn sách đợc hoàn thiện hơn. Nguyễn Thọ Sáo 6 Mục lục Lời nói đầu 13 Lời cảm ơn 14 Chơng 1. Mở đầu 15 1.1. Nền tảng lịch sử 15 1.2. Các định nghĩa 16 1.3. Các loại dòng chảy 17 1.4. Ký hiệu và đơn vị 19 Chơng 2. Những thuộc tính của chất lỏng 20 2.1. Mở đầu 20 2.2. Mật độ 21 2.3. Tính nhớt 22 2.4. Tính chịu nén hoặc đàn hồi 24 2.5. Sức căng mặt ngoài 25 chơng 3. Thuỷ tĩnh học 28 3.1. Mở đầu 29 3.2. Tính đẳng hớng 29 3.3. áp suất thuỷ tĩnh 30 3.4. Các mặt cong 31 3.5. Độ nổi 31 Chơng 4. Động học chất lỏng 32 4.1. Mở đầu 33 4. 2. Đờng dòng và dòng nguyên tố 33 4.3. Hàm dòng 34 4.4. Gia tốc 35 4.5. Biến dạng 36 Dịch chyển: 36 Quay: 36 7 Biến dạng tuyến tính: 37 Biến dạng góc: 38 4.6. Xoáy 38 chơng 5. Động lực học chất lỏng 39 5.1. Mở đầu 39 5.2. Phơng trình liên tục (cân bằng khối lợng) 39 5.2.1 Thể tích điều khiển 39 5.2.1 Dòng nguyên tố 41 5.2.3 Dòng chảy không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở 41 5.3. Cân bằng động lợng 43 5.3.1. Định luật thứ hai của Newton 43 5.3.2. Động lợng và năng lợng đi qua một mặt cắt 43 5.3.3. ứng dụng 44 5.4. Phơng trình chuyển động 45 5.4.1. Các lực tác động lên những phần tử chất lỏng 45 5.4.2. Phơng trình Euler 47 5.4.3. Phơng trình Bernoulli 48 5.4.4. Phơng trình Navier-Stokes 59 5.4.5. Phơng trình Reynolds 60 Chơng 6. Dòng chảy ổn định đều 68 6.1. Mở đầu 68 6.2. Các lực chất lỏng và ứng suất trợt 69 6.3. Phân bố vận tốc trong lớp biên dòng chảy phân tầng 70 6.3.1. Mở đầu 70 6.3.2. Phân bố vận tốc 71 6.4. Phân bố vận tốc trong lớp biên rối 72 6.4.1. Đáy trơn và nhám 72 6.4.2. Lớp con rối lôgarit 74 6.4.3. Lớp con nhớt 78 6.4.4. Lớp con quá độ 78 6.4.5. Lớp con phía ngoài 78 6.4.6. Phân bố tổng quát của vận tốc đối với dòng chảy trơn và nhám 79 6.4.7. Phân bố vận tốc theo hớng ngang (dòng thứ cấp) 83 6.5. Các công thức sức cản dòng chảy 84 6.5.1. Công thức Chezy 84 6.5.2. Hệ số Chezy 84 8 6.5.3. Công thức Manning 86 6.5.4. Mặt cắt ngang phức tạp 87 6.5.5. Các ví dụ 88 6.6. Dòng chảy trên phân giới và dới phân giới 90 6.6.1. Vận tốc lan truyền của một sóng nguyên tố 90 6.6.2. Dòng chảy phân giới và độ sâu phân giới 92 chơng 7. Dòng chảy ổn định không đều 95 7.1. Mở đầu 95 7.2. Dòng thế 95 7.2.1. Mở đầu 95 7.2.2. Dòng thế hai chiều 96 7.2.3. Lới dòng (lới thuỷ động lực) 97 7.2.4. ứng dụng 99 7.3. Dòng chảy rối biến đổi dần 100 7.3.1. Mở đầu 100 7.3.2. Phơng trình Belanger 101 7.3.3. Phân loại những đờng cong mặt nớc 102 7.3.4. Tính toán giải tích những đờng cong mặt nớc 111 7.3.5. Tính toán đờng cong mặt nớc bằng phơng pháp số 115 7.4. Dòng chảy rối biến đổi nhanh 117 7.4.1. Mở đầu 117 7.4.2. Phơng trình Carnot cho dòng chảy giảm tốc 117 7.4.3. Nớc nhảy thủy lực 119 7.4.4. Dòng chảy trong ống 122 7.4.5. Đập tràn đỉnh rộng 123 7.4.6. Đập tràn đỉnh hẹp 125 7.4.7. Đập tràn thành mỏng 126 7.4.8. Công trình mở dới nớc 128 7.4.9. Phân bố vận tốc trong dòng biến đổi nhanh 128 7.5. Dòng chảy cong 131 7.6. Các lực chất lỏng tác động lên vật thể 134 7.6.1. Mở đầu 134 7.6.2. Lực cản 135 7.6.3. Lực nâng 138 7.6.4. Các ví dụ 138 Chơng 8. Dòng không ổn định: sóng dài trên mặt tự do 141 8.1. Mở đầu 141 8.2. Những phơng trình cơ bản 141 9 8.2.1. Phơng trình liên tục và chuyển động 141 8.2.2. Phân tích (đánh giá) bậc đại lợng 144 8.2.3. Đặc tính của những sóng dài 146 8.3. Sóng tiến 146 8.3.1. Phơng trình cơ bản 146 8.3.2. Những hiện tợng ảnh hởng đến sự lan truyền sóng 149 8.4. Sóng đứng 152 8.4.1 Thuỷ vực hở 152 8.4.2 Thuỷ vực kín 156 8.5. Những sóng tịnh tiến 157 8.6. Sóng lũ trong sông 161 8.6.1. Mô hình sóng động lực 163 8.6.2. Mô hình sóng khuếch tán 163 8.6.3. Mô hình sóng động học 164 8.6.4. Mối quan hệ độ sâu - lu lợng 167 8.7. Sóng thuỷ triều 168 8.7.1. Mở đầu 168 8.7.2. Lực tạo triều 170 8.7.3. Phân tích và dự đoán thủy triều 172 8.7.4. Sóng điều hoà và phân loại thủy triều 174 8.7.5. Lực Coriolis 177 8.7.6. Thủy triều trong đại dơng 180 8.7.7. Thủy triều trong biển 184 8.7.8. Thủy triều trong cửa sông 187 8.9. Dòng mật độ trong cửa sông 194 8.9.1. Các kiểu phân tầng 195 8.8.2. Các phơng trình cơ bản 197 8.8.3. Dòng trao đổi 200 8.8.4. Những sóng nội dài 201 8.9. Dòng chảy gió và nớc dâng trong biển và đại dơng 201 8.9.1. Dòng chảy gió 201 8.9.2. Sự dâng mực nớc do gió thổi vào bờ (nớc dâng do bão) 205 8.9.3. Biến đổi mực nớc do gió thổi dọc bờ 207 8.9.4. Biến đổi mực nớc bởi gió thổi xiên một góc 209 8.9.5. Nớc trồi và nớc sụt gần bờ 209 8.9.6. Hoàn lu đại dơng 210 Chơng 9. Dòng không ổn định: sóng ngắn trên mặt 212 9.1. Mở đầu 212 10 9.2. Lý thuyết sóng tuyến tính và phi tuyến 213 9.2.1. Phơng trình Bernoulli cho dòng không ổn định 213 9.2.2. Lý thuyết sóng tuyến tính biên độ nhỏ 214 9.2.3. Lý thuyết sóng biên độ nhỏ phi tuyến 217 9.2.4. Các hiệu ứng phi tuyến: vận chuyển khối lợng trong sóng không đổ 218 9.2.5. Các hiệu ứng phi tuyến: vận chuyển khối lợng trong sóng đổ 222 9.3. Các thuộc tính sóng tuyến tính 223 9.3.1. Mở đầu 223 9.3.2. Quan hệ phân tán 225 9.3.3. Vận tốc hạt chất lỏng 230 9.3.4. Dịch chuyển hạt chất lỏng 232 9.3.5. áp suất chất lỏng 233 9.3.6. Sóng đứng 234 9.4. Lớp biên sóng 235 9.4.1. Bề dày lớp biên 235 9.4.2. Phân bố vận tốc 236 9.4.3. ứng suất trợt và ma sát tại đáy 238 9.4.4. Sóng chồng lên dòng chảy 239 9.5. Năng lợng sóng và sự truyền năng lợng 242 9.5.1. Thế năng và động năng 242 9.5.2. Truyền năng lợng và thông lợng 244 9.5.3. Vận tốc nhóm sóng 244 9.5.4. Vận tốc front sóng 245 9.6. Phản xạ sóng 248 9.7. Sóng nớc nông 248 9.7.1. Cân bằng dòng năng lợng 249 9.7.2. ảnh hởng của ma sát đáy 250 9.7.3. ảnh hởng của dòng chảy 251 9.8. Khúc xạ sóng 253 9.8.1. Định nghĩa 253 9.8.2. Chu kỳ sóng không đổi 254 9.8.3. Phơng trình khúc xạ và phơng trình dòng năng lợng 255 9.8.4. Đờng đẳng sâu song song với bờ thẳng 256 9.8.5. Đờng đẳng sâu biến đổi dần dần 258 9.8.6. Bẫy sóng 261 9.8.7. Sóng rìa 262 9.9. Nhiễu xạ sóng 263 9.10. Sóng đổ 264 [...]... nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy Chương 7 trình bày dòng ổn định không đều trong sông, đưa ra các thông tin về dòng thế, dòng thay đổi chậm và nhanh, dòng chảy cong và các lực tạo dòng chảy (lực cản và lực nâng) Hai chương cuối cùng là chương 8 và 9 đề cập đến dòng không ổn định liên quan đến những sóng mặt dài và ngắn Chương 8 mô tả chi tiết những hiện tượng sóng dài như sóng tiến, sóng. .. phương trình dòng chảy được tuyến tính hoá 324 TàI liệu tham khảo 12 328 Lời nói đầu Quyển sách này trình bày bài giảng trong một năm về dòng chảy chất lỏng và những sóng mặt cho những nhà địa lý tự nhiên tại Trường đại học Utrecht ở Hà Lan Quyển sách chủ yếu đề cập đến những nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng trong sông, cửa sông, biển và đại dương Những chương đầu tiên là 2, 3 và 4 bao... sóng đứng, sóng tịnh tiến, sóng lũ trong sông, sóng thủy triều, sóng do mật độ và sóng dâng do bão Chương 9 giới thiệu những thuộc tính cơ bản của sóng ngắn ở đây giải thích các hiện tượng như nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ và sóng đổ Hiện tượng lớp biên sóng và hiệu ứng của nó lên dòng chảy cũng được trình bày Sự phát sinh dòng chảy dọc bờ trong đới sóng đổ được mô tả Cuối cùng, giải thích những sóng ngẫu... tính chất lỏng, thủy tĩnh học và động học Chương 5 về động lực học chất lỏng, mô tả những phương trình động lượng của Euler, Bernoulli, Navier-Stokes và cuối cùng là Reynolds, người trình bày một phương pháp lấy trung bình thời gian liên quan đến dòng chảy rối Chương 6 đề cập đến dòng ổn định đều trong sông ở đây giải thích các hiện tượng như dòng chảy dưới phân giới và trên phân giới, dòng chảy trơn và. .. chuyển trầm tích và hình thái học Cả hai lĩnh vực sẽ được mô tả rất rộng trong một quyển sách sau này: "Những nguyên lý của vận chuyển trầm tích và hình thái học trong sông, cửa sông, biển và đại dương" Tác giả hy vọng rằng quyển sách này sẽ phục vụ như một công cụ hữu ích cho những sinh viên và những người đã tốt nghiệp về công trình dân dụng, các khoa học trái đất, địa lý tự nhiên và hải dương học Leo... hạn độ cao sóng trên đáy nằm ngang 264 Giới hạn độ cao sóng trên đáy nghiêng 265 Biến đổi sóng trong vùng sóng đổ 271 Sóng leo trong vùng sóng vỗ bờ 271 9.11 Biến đổi mực nước do sóng (nước dâng và nước rút) 271 9.11.1 Mở đầu 271 9.11.2 ứng suất phát xạ 272 9.11.3 Nước rút do sóng trong sóng không đổ 274 9.11.4 Nước dâng do sóng trong sóng đổ ... trưởng sóng 291 9.13.6 Độ cao và hướng sóng ưu thế 293 9.13.7 Đo đạc độ cao sóng 295 Phụ lục 296 Phụ lục A: Các công thức 296 Cơ bản 296 Dòng chảy sông 296 Những sóng mặt dài 298 Những sóng mặt ngắn 298 Phụ lục B : Toán học dùng trong cơ học chất lỏng 301 1 Các đạo hàm 301 2 Những đại lượng vô hướng và. .. 276 9.11.5 Những sóng dài bị chặn và nhịp sóng đổ 277 9.12 Dòng chảy dọc bờ do sóng 278 9.12.1 Mở đầu 278 9.12.2 Bên ngoài vùng sóng đổ 278 9.12.3 Bên trong vùng sóng đổ 279 9.13 Sóng ngẫu nhiên 283 9.13.1 Mở đầu 283 9.13.2 Sóng đặc trưng 283 9.13.3 Phân bố Rayleigh độ cao sóng 284 9.13.4 Phổ sóng 287... thúc với các phụ lục về những công thức cơ bản, toán học, rối và những phương pháp giải các phương trình dòng chảy yêu cầu có kiến thức cơ bản về toán học (đặc biệt là phương trình vi phân) để hiểu các dẫn xuất những phương trình liên tục và chuyển động xuất hiện suốt nội dung Để khích lệ kí ức người đọc, các thông tin quan trọng nhất của toán học đối với cơ học chất lỏng được giới thiệu trong Phụ... phức và vectơ 307 Phụ lục C: Rối 309 1 Mở đầu 309 2 Nguồn gốc của rối 309 3 Các loại rối 309 4 Cường độ và năng lượng rối 310 5 Những quy mô chiều dài rối 311 11 6 Cấu trúc của những lớp biên rối 313 7 ứng suất rối và mô hình hóa nó 314 Phụ lục D: Phương pháp đặc trưng giải phương trình dòng chảy 318 Cách . 1 trờng đại học khoa học tự nhiên Leo C. van Rijn Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dơng Biên. chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dơng đợc ông biên soạn làm giáo trình giảng dạy trong một năm tại Trờng đại học Utrecht và đợc Nhà xuất bản AQUA ấn hành lần đầu. nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy, dòng thế, dòng thay đổi chậm và nhanh, dòng chảy cong và các lực sinh dòng chảy. Phần tiếp theo mô tả chi tiết những hiện tợng sóng dài nh sóng