Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương

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. .. 4.2 Đường dòng tại một góc Đường dòng đặc biệt là đường dòng phân chia, tách ra hai miền dòng chảy (ví dụ, dòng chính và dòng hoàn lưu nghịch) Dòng nguyên tố là một phần tử dòng chảy được bao bọc bởi những đường dòng và như vậy chất lỏng không thể đi qua những biên của dòng nguyên tố (xem hình 4.3) Hình 4.3 Dòng nguyên tố 4.3 Hàm dòng Trong dòng chảy hai chiều những phương trình của đường dòng có thể... đó tất cả các tham số chất lỏng và dòng chảy được giả thiết không đổi trong mặt cắt ngang thẳng góc với dòng chảy Chỉ có một građien vận tốc theo hướng dòng chảy Trên thực tế, những dòng chảy một chiều không tồn tại do sự có mặt của các biên Tuy nhiên, dòng chảy trong sông thường được thể hiện như dòng chảy một chiều Dòng chảy hai chiều là dòng chảy đồng nhất trong những mặt phẳng song song, hoặc nằm... 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... Pitman và Longman 14 Chương 1 Mở đầu 1.1 Nền tảng lịch sử Cơ học chất lỏng là môn học nghiên cứu về hành vi của chất lỏng ở trạng thái đứng yên và chuyển động Ngoài những lực tác động giữa chất lỏng và những biên của nó, cần nghiên cứu những thuộc tính khác nhau của chất lỏng và các hiệu ứng của chúng lên bức tranh dòng chảy Để giải thích trạng thái chất lỏng quan sát được và để dự báo trạng thái chất lỏng, ... 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... nghiên cứu và ứng dụng những định luật cơ bản (bảo toàn khối lượng và động lượng) là rất quan trọng ở đây, chỉ xem xét những dòng chảy có mặt tự do, đó là dòng chảy trong sông, cửa sông, biển và đại dương ứng dụng của cơ học chất lỏng bắt đầu ở việc liên hệ với chuyển động của đá, giáo mác, và những mũi tên Các con tàu với những cánh buồm được sử dụng rất sớm từ các năm 3000 trước Công nguyên Những... động Trong trường hợp đó dòng chảy có trật tự và mỗi hạt chất lỏng di chuyển dọc theo một đường thẳng song song với biên cứng Thông thường, đa số dòng chảy trong lòng dẫn hở và ống khác với những dòng chảy phân tầng bởi vì chúng thể hiện một đặc tính gọi là rối Nguồn gốc của rối và sự quá độ từ dòng chảy phân tầng đến rối là điều quan trọng cơ bản trong cơ học chất lỏng Chuyển động rối của chất lỏng. .. chìm và bằng trọng lượng của chất lỏng bị chiếm chỗ (định luật Acsimet) Trong hình 3.4, lực thẳng đứng lên mặt trên 2 1 4 bằng trọng lượng của chất lỏng ở trên bề mặt đó, và lên mặt đáy 2 3 4 bằng chất lỏng ở trên bề mặt đó, thậm chí dù chất lỏng không chiếm toàn bộ thể tích đó Hình 3.4 Lực nổi tác động lên một thể tích chìm trong nước Như vậy lực thẳng đứng thực tế thể hiện trọng lượng của chất lỏng. .. bằng những số hạng của các thành phần nằm ngang và thẳng đứng Thành phần nằm ngang bằng lực tác dụng trên hình chiếu của mặt cong trong một mặt phẳng thẳng đứng (xem hình 3.3) Thành phần thẳng đứng bằng trọng lượng của chất lỏng ở trên bề mặt và đặt vào trọng tâm của chất lỏng này (xem hình 3.3) Hình 3.3 Các lực thủy tĩnh tác động lên một mặt cong 3.5 Độ nổi 31 Lực nổi là hợp lực của các lực áp suất hướng . 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. 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. thích các hiện tợng nh dòng chảy dới phân giới và trên phân giới, dòng chảy trơn và nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy. Chơng 7 trình bày dòng ổn định không đều trong sông, đa ra các