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 (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ VIỆT HÀ NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CƠNG THỨC TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CĨ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng Mã số chuyên ngành: 62 – 44 - 22 - 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Hồ Việt Hùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Hoàng Tư An Phản biện 1: GS.TS Phạm Ngọc Qúy Phản biện 2: GS.TS Đinh Văn Ưu Phản biện 3: TS Nguyễn Thành Đôn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc … … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nối tiếp tiêu sau cơng trình tháo vấn đề vừa kinh điển, vừa thời Đó nội dung khơng thể thiếu tính tốn thủy lực cơng trình thủy giải vấn đề phịng xói hạ lưu cơng trình Sự nối tiếp dịng chảy dốc nước lòng dẫn hạ lưu đa dạng phức tạp Các cơng trình nối tiếp tiêu liên quan mật thiết với tượng nước nhảy Nối tiếp chảy đáy thường gặp cơng trình tháo nước thông qua tượng nước nhảy không ngập (sau gọi tắt nước nhảy) Nước nhảy lịng dẫn nói chung lịng dẫn phi lăng trụ nói riêng nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu phương pháp lý thuyết, bán thực nghiệm thực nghiệm Các kết nghiên cứu ứng dụng từ lâu đến tượng nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu rộng sâu Trong ứng dụng thực hành khác nhau, việc sử dụng lịng dẫn mở rộng dần giảm chiều dài nước nhảy gia tăng kiểm sốt vị trí nước nhảy Với trường hợp này, mặt cắt ngang biến đổi, đa số tính tốn thuỷ lực thuộc tốn khơng gian Trong cơng trình nghiên cứu tốn khơng gian này, nhiều tác giả nghiên cứu thay đổi đặc trưng thuỷ lực dòng tia dọc theo dòng chảy theo phương đứng với giả thiết phân bố vận tốc tọa độ z theo phương ngang Giải pháp đưa tốn khơng gian đa chiều toán hai chiều đứng Phương pháp giải toán hai chiều đứng trường hợp tương tự giải toán điều kiện phẳng Do đó, tác giả chọn vấn đề xác định đặc trưng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ, mặt cắt ngang hình chữ nhật cuối dốc nước lý thuyết lớp biên dòng tia chảy rối phát triển nội dung kinh điển điều kiện thường gặp thực tế, chưa giải triệt để Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng lý thuyết lớp biên dòng tia chảy rối để nghiên cứu nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ nhằm đạt mục tiêu: Thiết lập công thức giải tích để tính tốn đặc trưng nước nhảy (chiều sâu dịng chảy, chiều dài khu xốy, chiều dài nước nhảy, phân bố vận tốc điểm) lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc, đáy đáy thay đổi độ dốc; Làm rõ khác chiều dài khu xoáy mặt nước nhảy chiều dài toàn nước nhảy để lập sở tính tốn chiều dài bể tiêu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu tượng nước nhảy không ngập lịng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần có đáy dốc thuận, đáy đáy thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang lịng dẫn hình chữ nhật; Phạm vi nghiên cứu học chất lỏng Nội dung nghiên cứu Khái qt cơng trình nghiên cứu có giới Việt Nam tượng nước nhảy; Nghiên cứu lý thuyết lớp biên dịng tia chảy rối phương trình thủy lực dòng chảy hai chiều để sử dụng luận án; Thiết lập cơng thức tính tốn số đặc trưng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ, mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần với đáy dốc thuận, đáy bằng, đáy có độ dốc thay đổi; Kiểm chứng công thức vừa thiết lập với cơng trình nghiên cứu có; Thí nghiệm mơ hình vật lý thủy lực để kiểm chứng đánh giá độ phù hợp công thức lý thuyết Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5.1 Cách tiếp cận Tổng hợp, phân tích cơng trình khoa học có nước nhảy có nước giới Chọn phương pháp nghiên cứu vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo cho phù hợp với vấn đề cần quan tâm 5.2 Các phương pháp sử dụng luận án Phương pháp nghiên cứu tổng quan; Phương pháp so sánh; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm qua mô hình vật lý Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Các kết nghiên cứu có nối tiếp nước chảy đáy nói chung nối tiếp nước nhảy chân cơng trình tháo nước kiểu dốc nước đưa cơng thức lý thuyết tính chiều sâu sau nước nhảy, đặc trưng khác chủ yếu nghiên cứu xác định thực nghiệm Còn luận án ứng dụng lý thuyết lớp biên dịng chảy rối để nghiên cứu thiết lập cơng thức tính tốn dặc trưng nước nhảy (chiều sâu dịng chảy, chiều dài khu xốy, chiều dài nước nhảy, phân bố vận tốc điểm) lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật, đáy dốc, đáy đáy thay đổi độ dốc Sau có cơng thức lý thuyết tác giả so sánh với công thức tác giả khác đặc biệt thí nghiệm kiểm chứng mơ hình vật lý Kết so sánh kiểm chứng cho thấy công thức hồn tồn tin cậy Vì luận án có ý nghĩa khoa học Động lực học chất lỏng 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết luận án có giá trị độ tin cậy cao, góp phần làm rõ thêm đặc trưng đường mặt nước khu xốy, chiều sâu dịng chảy khu xoáy, chiều dài khu xoáy, chiều sâu nước nhảy, chiều dài nước nhảy, quy luật phân bố lưu tốc mặt lưu tốc đáy khu xoáy cho trường hợp lòng dẫn phi lăng trụ, đáy dốc thuận Việc tìm cơng thức giải tích cho phép mở rộng phạm vy ứng dụng toán, tính tốn cách tồn diện tin cậy kết cấu cơng trình tiêu sau cơng trình tháo nước kiểu dốc nước Đây làm sở cho ứng dụng thực tiễn sử dụng lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần dốc thuận làm cơng trình tiêu Những đóng góp luận án - Thiết lập công thức (2.64; 2.71; 2.83) để tính đường mặt nước trung bình khu xốy mặt nước nhảy, cơng thức (2.65; 2.72; 2.84) để tính chiều sâu chiều dài nước nhảy, cơng thức (2.79; 2.86) để tính quy luật phân bố vận tốc điểm đáy dọc theo chiều dài dịng chảy khu xốy mặt Các cơng thức áp dụng cho kênh phi lăng trụ có độ dốc thuận đáy bằng, mặt cắt ngang hình chữ nhật Bên cạnh việc so sánh với kết trước đây, tiến hành kiểm chứng công thức giải tích thơng qua thí nghiệm mơ hình vật lý tượng nước nhảy với độ dốc độ mở lòng dẫn khác - Tác giả luận án có khảo sát biến đổi khu xoáy khu nước nhảy, đặc biệt chiều sâu chiều dài tương đối dòng chảy cuối khu xốy đại lượng hệ số hình dạng dịng chảy mặt cắt trước nước nhảy, góc mở lòng dẫn, số Froude, độ dốc lòng dẫn biến đổi - Thiết lập cơng thức: (4.2) tính chiều sâu dịng chảy vị trí thay đổi độ dốc, (4.8) tính chiều sâu dịng chảy vị trí cuối khu xốy, (4.9) tính chiều sâu dịng chảy cuối nước nhảy Các công thức áp dụng cho lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang hình chữ nhật Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị; luận án trình bày chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan tượng nước nhảy hạ lưu cơng trình Chương 2: Thiết lập cơng thức giải tích tính đặc trưng nước nhảy lịng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần, đáy đốc thuận đáy Chương 3: Kiểm định công thức lý thuyết Chương 4: Phân tích kết tính tốn mở rộng nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH 1.1 Nước nhảy hạ lưu cơng trình tháo nước kiểu dốc nước Cơng trình tháo nước kiểu dốc nước thường có bể tiêu cuối dốc Trong trường hợp này, nước nhảy nằm hồn tồn thân dốc nước, nằm hoàn toàn bể tiêu nằm dốc nước bể tiêu 1.2 Một số phương pháp kết nghiên cứu 1.2.1 1.2.1.1 Bài tốn phẳng Phương pháp kết hợp phương trình động lượng dòng chảy chiều thực nghiệm Trong lòng dẫn lăng trụ đáy bằng Chiều sâu sau nước nhảy tìm nhờ phương trình biến thiên động lượng viết theo chiều dòng chảy với số giả thiết định; Chiều dài nước nhảy xác định thực nghiệm chủ yếu bên cạnh công thức lý thuyết M A Mikhaliev, …; Bằng tài liệu thí nghiệm, M T Ivankov đưa biểu thức xác định vận tốc điểm lớn theo chiều dòng chảy um vị trí x bất kỳ, khu vực nước nhảy lòng dẫn lăng trụ, đáy Trong lịng dẫn lăng trụ đáy dốc G N Kơxiacơva tìm phương trình quan hệ hai độ sâu trước sau nước nhảy dạng không thứ nguyên dựa vào việc viết phương trình động lượng dòng chảy chiều Tác giả B A Bakhmeteff đưa cơng thức thực nghiệm với trường hợp lịng dẫn có độ dốc i  0, 07 6,5  Fr12  40 Ngoài Rajaratman dựa theo tài liệu thí nghiệm kiến nghị cơng thức riêng Với lịng dẫn có độ dốc nghịch I A Snegirev tìm cơng thức tính tốn số thông số nước nhảy với điều kiện i  0, l2 / hk  30 , với hk chiều sâu dòng chảy phân giới 1.2.1.2 Phương pháp sóng gián đoạn Các kết nghiên cứu tính tốn độ sâu sau nước nhảy tốn phẳng, khơng tìm chiều dài thông số khác nước nhảy 1.2.1.3 Phương pháp lớp biên dịng tia rối Lời giải giải tích Theo GS TS Hồng Tư An, nước nhảy lịng dẫn lăng trụ, mặt cắt ngang hình chữ nhật, đáy dốc đáy nghiên cứu dựa vào lý thuyết lớp biên dòng tia chảy rối Lời giải số Phương pháp số nghiên cứu nhiều đặc trưng nước nhảy sâu vào kết cấu nội nước nhảy lại phức tạp 1.2.1.4 Phương pháp hoàn toàn thực nghiệm Từ kết thí nghiệm, Trịnh Cơng Vấn ranh giới nước nhảy mặt sóng nước nhảy đáy ngập Lưu Như Phú, Nguyễn Văn Toàn nghiên cứu độ sâu nước nhảy tự cống có mặt cắt ngang phía chữ nhật, phía nửa tròn khu vực nước chảy bán áp 1.2.2 Bài tốn khơng gian hữu hạn Lịng dẫn mở rộng dần Một số tác giả thiết lập cơng thức tính độ sâu liên hiệp sau nước nhảy trường hợp lòng dẫn đáy mở rộng dần, cịn chiều dài nước nhảy xác định theo cơng thức thực nghiệm Lòng dẫn thu hẹp dần Nước nhảy kênh chữ nhật thu hẹp dần đáy tính theo cơng thức A B Sepsencơ Lịng dẫn lăng trụ có độ dốc thay đổi Chiều cao nước nhảy lịng dẫn lăng trụ vị trí đáy lòng dẫn thay đổi độ dốc chiều dài nước nhảy phần kênh dốc xác định nhờ cơng thức giải tích Hồng Tư An 1.3 Kết luận chương Một vấn đề chưa nghiên cứu đến nối tiếp nước nhảy đáy kênh dốc có mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần Phương pháp nghiên cứu sử dụng lý thuyết lớp biên dòng tia chảy rối với thí nghiệm mơ hình Luận án xây dựng cơng thức giải tích để nghiên cứu tượng nối tiếp nước nhảy lòng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần có độ dốc khơng đổi độ dốc thay đổi Các đặc trưng nước nhảy tiến hành nghiên cứu gồm: Độ sâu cuối khu xoáy mặt; Độ sâu liên hiệp nước nhảy; Chiều dài khu xoáy mặt chiều dài nước nhảy; Quy luật phân bố vận tốc điểm lớn dọc đáy lòng dẫn mặt khu xoáy; Chiều sâu nước nhảy vị trí độ dốc lịng dẫn thay đổi Các đặc trưng nghiên cứu cho trường hợp nối tiếp nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, độ dốc lớn độ dốc thay đổi Đồng thời tiến hành phân tích, so sánh kết thu từ nghiên cứu lý thuyết với kết có từ trước Với kết nghiên cứu mình, tác giả hy vọng có cơng thức tổng qt tính tốn số đặc trưng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc Các công thức kiểm chứng kết thí nghiệm mơ hình thủy lực CHƯƠNG THIẾT LẬP CÁC CƠNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC NHẢY TRONG LỊNG DẪN MẶT CẮT NGANG HÌNH CHỮ NHẬT MỞ RỘNG DẦN ĐÁY DỐC THUẬN VÀ ĐÁY BẰNG 2.1 Lý thuyết Các phương trình sau sử dụng chương này: Phân bố vận tốc điểm khu vực nước nhảy tuân theo Schlichting (2.1); Hệ phương trình Reynolds viết cho dịng chảy rối khơng gian hữu hạn hai chiều đứng (2.1); Phương trình liên tục khơng gian hữu hạn hai chiều đứng (2.5); Tích phân Karman khơng gian hữu hạn hai chiều đứng có mặt cắt ngang (2.6) 2.2 2.2.1 Thiết lập cơng thức giải tích tính đặc trưng nước nhảy lịng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần, đáy đốc thuận đáy Giả thiết (1) Dịng tia bị ngập nửa khơng gian có đáy khơng thấm nước, lịng dẫn mở rộng dần với góc mở nhỏ khơng đổi (2.7); (2) Khơng xét đến ảnh hưởng hàm khí khu vực nước nhảy; (3) Lưu lượng không thay đổi theo thời gian, chuyển động ổn định (2.8); (4) Đáy lòng dẫn nhẵn lý tưởng (2.9); (5) Mặt cắt ngang dòng chảy hình chữ nhật (2.10); (6) Lực khối trọng lực, lòng dẫn dốc thuận (2.11); (7) Dòng chảy hai chiều đứng, đại lượng đặc trưng vật lý theo phương ngang trung bình hóa; (8) Trong khơng gian hữu hạn mở rộng dần dịng chảy có phân bố vận tốc điểm theo Schlichting (2.1); (9) Áp suất chất lỏng phân bố theo quy luật thủy tĩnh (2.12) 2.2.2 Sự thay đổi độ sâu dòng chảy theo chiều dài khu xốy nước nhảy Phương trình (2.6) với điều kiện ban đầu toán: x  0; h '  h1 '; b  b1 ; V1  u  const với mo  (2.20) un vận tốc điểm lớn đáy tính theo cơng thức sau: um um  V1 h1 ' b1 0, 45bh ' 1  1, 22mo  (2.19) Giả thiết độ sâu h’ biến đổi theo hình dạng: h '  h1 ' x / k1 (2.23) Hệ số k1 , lấy theo công thức: k1   3i  2i (1  2i) (2.26) Tiếp theo đặt: F  V2 ;  Fr  gh '  b  xtg   b   b1 b1  h' h  h   h1 ' h1    h1 '  b1  (2.28) Fr12 (1  ik1  ) ; G (1  ik1 )  (1  ik1 )  (2.30) phương trình có dạng không thứ nguyên: h   2 F  G h  2 m F     1, 56 (1, 32mo  0,852mo  1) m  1  1, 22mo   (2.31) 2.2.4 Quy luật thay đổi vận tốc điểm tương đối cực đại đáy vận tốc điểm tương đối mặt khu xoáy nước nhảy Vận tốc điểm tương đối đáy um / V1 theo độ sâu tương đối  h tìm sau:  um 1, 337h   2 F  G  h   2, 674   1  V1 h   F  (2.79) Phương trình biến đổi vận tốc điểm tương đối mặt un / V1 theo độ sâu tương đối  h : un  V1 2.2.5  0, 45 1, 337h 2 F  G  h   2, 674  F 0, 55h (2.80) Trường hợp riêng: lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy Với nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy i  , hệ phương trình tính tốn đặc trưng nước nhảy trường hợp riêng phương trình (2.70) (2.71) Đặt: 2k1 tg  ; B3  0,  A3     C  1,18D2  k1tg    (2.82) Phương trình đường mặt nước trung bình khu xốy (2.83): A3 h  1  B3 h  1  C3 ln  Eo  h  Eo  1 Eo  h x  Eo ln  0, 45 h1 ' Eo   Eo  h  Eo  1 Chiều sâu tương đối chiều dài tương đối cuối khu xoáy (2.84):   Eo   x  Eo  1 Eo   x l A    B    C ln  Eo ln  0, 45 x    3 x  x  h1 ' Eo   Eo   x  Eo  1  Fr     F  G   3,12 F  0; F  ; G  ; E   F  o o x o o o o o  x  2 Chiều sâu tương đối chiều dài tương đối cuối nước nhảy (2.85) : 11   Eo  2  Eo  1 E  l  0, 45  A3 2  1  B3 2  1  C3 ln o 2  Eo ln h1 '  Eo   Eo  2  Eo  1    2 F  G   F  o o o  Quy luật phân bố vận tốc điểm tương đối đáy theo chiều dài dòng chảy khu xoáy: um  V1 h    1, 337h 2 Fo  Go  h   2, 674   1  Fo   (2.86) Quy luật phân bố vận tốc điểm tương đối mặt theo chiều dài dịng chảy khu xốy: un  V1 2.3  0, 45 1, 337h 2 Fo  Go  h   2, 674  Fo 0, 55h (2.87) Kết luận chương Dựa lý thuyết học chất lỏng, với số giả thiết, tác giả luận án tiến hành thiết lập cơng thức tính tốn số đặc trưng nước nhảy lòng dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật, mở rộng dần, đáy dốc thuận Cụ thể: Phương trình chiều sâu tương đối dịng chảy cuối khu xốy sau nước nhảy (2.31); Phương trình đường mặt nước trung bình khu xốy (2.64), (2.71), (2.83); Phương trình tính tốn chiều dài tương đối cuối khu xoáy mặt (2.65), (2.72), (2.84); Phương trình tính tốn chiều dài tương đối cuối nước nhảy (2.66), (2.73), (2.85); Phương trình phân bố vận tốc điểm đáy (2.79), (2.86) vận tốc điểm mặt (2.80), (2.87) dọc theo chiều dài khu xoáy CHƯƠNG 3.1 3.1.1 KIỂM ĐỊNH CÔNG THỨC LÝ THUYẾT MỚI So sánh công thức thiết lập với công thức có Nước nhảy lịng dẫn đáy phi lăng trụ mở rộng dần Tác giả luận án tiến hành so sánh kết tính tốn chiều sâu sau nước nhảy theo cơng thức có với cơng thức thiết lập (2.85) Có thể nhận thấy kết tính chiều sâu tương đối sau nước nhảy  phương pháp khác 12 Tuy nhiên sai số nhỏ 5%, hay công thức kiến nghị (2.85) phù hợp với nghiên cứu giới Việt Nam 3.1.2 Nước nhảy lòng dẫn lăng trụ đáy dốc 11 10 P.K Tsveskov F I Picalov Razvan 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Hình 3.1 Quan hệ 2 với Fr12 với tg  0, 03;   0, 04; i  Khi i  0,13 , so sánh công thức (2.66) với công thức G K Intsep Hồng Tư An Cịn với  i  0,13 , so sánh công thức (2.73) với công thức B A Bakhmeteff, Kơxiacơva Hồng Tư An Kết so sánh thể hình 3.2 hình 3.3 Từ hình 3.2 nhận thấy với i  0,13 kết tính tốn 18 2 16 14 12 nhảy Tuy nhiên với Fr1  45 sai khác chấp nhận Với trường hợp  i  0,13 , kết tính tốn chiều thức kiến nghị (2.73) phù hợp với công thức nghiên cứu từ trước với sai số tính tốn nhỏ 5% Fr12 20 25 30 35 40 45 50 55 60 i  0,15;   0, 0434 10 sâu tương đối sau nước nhảy  từ cơng Hồng Tư An Luận Án Hình 3.2 Quan hệ 2 Fr12 với cơng thức Hoàng Tư An Luận án sai khác so với công thức kinh nghiệm 14 2 Intsep, số Fr12 tăng sai số 12 lớn xuất hàm khí nước G K Intsep 10 chiều sâu tương đối sau nước nhảy  từ 3.1.3 Fr12 B A Bakhmeteff G.N Kôxiacôva Hoàng Tư An Luận Án Fr12 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Hình 3.3 Quan hệ 2 Fr12 với i  0, 05;   0, 037 Nhận xét chung Cơng thức tính tốn thiết lập cho kết chiều sâu tương đối dịng chảy cuối nước nhảy phù hợp với cơng thức tác giả khác Khi số Fr12 13 tăng khoảng cách sai số cơng thức luận án công thức kinh nghiệm tăng Ngun nhân lịng dẫn có độ dốc lớn độ hàm khí nước nhảy dịng chảy lớn Trong đó, để thành lập công thức mới, tác giả luận án không tính đến ảnh hưởng hàm khí, giả thiết (2) 3.2 3.2.1 Mơ hình vật lý thí nghiệm tượng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy dốc thuận Mơ tả thí nghiệm Mơ hình vật lý thí nghiệm dùng kính hữu làm lịng dẫn, khe van, cửa phai Lòng dẫn thiết kế mở rộng dần, đỡ khung sắt; lòng dẫn có cửa van dạng phai điều chỉnh độ mở tùy ý Máng lăng trụ gạch xây trát vữa xi măng; cuối có cửa van dạng phai Tác giả thí nghiệm với độ dốc lịng dẫn 0,156; 0,036; 0,0; số Fr12 thay đổi khoảng 20 đến 65 3.2.2 Kiểm định thiết bị sử dụng đo đạc thí nghiệm Mơ hình thiết bị đo đạt tiêu chuẩn để thí nghiệm 14 Kiểm định công thức lý thuyết 3.3 Kiểm chứng giả thiết phân bố vận tốc điểm 3.3.1 Dựa vào tính tốn số liệu thí nghiệm, tác giả nhận thấy việc luận án giả thiết phân bố vận tốc điểm dòng chảy tuân theo quy luật Schlichting phù hợp (u-un)/(um-un) 1,0 0,8 0,6 0,4 Lý thuyết Thí nghiệm 0,2 0,0 z/h 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Hình 3.6 Biểu đồ  u  un  /  um  un  theo z/h với i = 0,156, trường hợp 3.3.2 Kiểm chứng chiều sâu chiều dài dịng chảy cuối khu xốy Bảng 3.9 Quan hệ x, lx/h1 với số Fr12 lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần i  0,156 Trường hợp Q (m /s) 0,012 0,012 0,012 b1 (m) 0,347 0,012 0,305 0,008 0,335 0,011 0,360 0,008 0,320 h1' (m) 0,015 0,346 0,015 0,355 0,014 0,015 0,011 0,012 0,010 Fr12 30,51 33,78 42,21 51,34 52,25 54,58 61,23  0,045 0,045 0,040 0,049 0,031 0,034 0,032 LT 35,10 36,38 42,70 35,13 45,94 43,54 48,97 TN SS (%) 37,00 38,27 45,00 36,60 47,00 45,50 51,00 5,42 5,20 5,39 4,17 2,31 4,50 4,15 LT 11,05 11,40 11,54 11,11 13,62 13,26 12,53 14,07 13,29 15,11 11,87 13,59 13,49 3,21 -3,76 -2,70 -5,32 -3,39 1,46 15,48 2,50 lx/h1' x TN SS (%) 15 Các đặc trưng nước nhảy chiều sâu tương đối, chiều dài tương đối khu xoáy  x ; lx / h1 ' chịu ảnh hưởng thơng số  Vì thông số  thay đổi nên quan hệ x ~ Fr ; lx / h1 ' ~ Fr đồ thị mà 2 biểu diễn qua bảng thống kê ví dụ bảng 3.9 Trong bảng 3.9 chữ viết tắt giải thích sau LT: Lý thuyết; TN: Thí nghiệm; SS: Sai số Từ bảng nhận thấy sai số lý thuyết thí nghiệm khoảng 3% Như vậy, cơng thức tính tốn thiết lập phù hợp với chuỗi số liệu thí nghiệm 3.3.3 Đường mặt nước trung bình khu xốy Dựa vào số liệu tính tốn từ (2.65), (2.72); (2.84) số liệu thí nghiệm, tác giả vẽ đồ thị để so sánh hình 3.12 Từ nhận thấy mối quan hệ h  h '/ h1 '  h / h1 x / h1 công thức thí nghiệm phù hợp giá trị xu biến đổi 3.3.4 Kiểm chứng phân bố vận tốc điểm um dọc theo chiều dài khu xoáy So sánh kết đo vận tốc điểm đáy dọc theo chiều dịng chảy kết tính tốn theo (2.79), (2.86) thể bảng 3.12 cho thấy có sai số, chấp nhận 3.4 Kết luận chương Từ hình vẽ, bảng biểu so sánh kết tính tốn theo cơng thức số liệu thí nghiệm nhận thấy hai chuỗi số liệu phù hợp với sai số cho phép 16 Bảng 3.12 Phân bố um / V1 un / V1 theo x / h1 ' với i  0, 036 , trường hợp h x/h1' 0,00 3,80 6,67 10,33 13,33 15,60 20,00 26,67 26,67 um/V1 LT TN LT TN 1,00 2,13 1,00 1,000 0,980 0,900 0,779 0,706 0,520 0,360 1,000 2,49 4,00 4,36 5,33 6,00 un/V1 SS (%) 0,920 -2,2 0,684 3,1 0,349 3,1 LT 1,000 -0,161 -0,204 -0,202 -0,183 -0,106 -0,016 TN SS (%) -0,210 -3,08 -0,192 -4,92 -0,015 5,19 7,36 7,60 CHƯƠNG PHÂN TÍCH CƠNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG NGHIÊN CỨU 4.1 Phân tích kết tính tốn 4.1.1 Mối quan hệ chiều dài khu xốy chiều dài nước nhảy Cơng thức tính tốn chiều dài bể tiêu năng: lbtn  lr   ' l2 (4.1) Bảng 4.1 Mối quan hệ lx / l2 ứng với độ dốc tính tốn TT (1) Fr12 (2) 24,42 29,28 36,56 44,62 60,83 i=0  (3) 0,03 0,05 0,05 0,05 0,03 lx/l2 (4) 0,82 0,83 0,83 0,84 0,85 Fr12 (5) 22,02 30,36 35,49 46,96 56,24 i = 0,036  (6) 0,05 0,04 0,03 0,04 0,04 17 lx/l2 (7) 0,82 0,84 0,84 0,85 0,85 Fr12 (8) 30,51 42,20 52,25 54,58 61,23 i = 0,156  (9) 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 lx/l2 (10) 0,90 0,90 0,92 0,90 0,89 Trong lr chiều dài nước rơi sau tràn, l2 chiều dài nước nhảy Tùy theo tác giả mà hệ số ' khác Dựa vào cơng thức tính tốn chiều dài khu xốy chiều dài nước nhảy thiết lập chương cho kết thể bảng 4.1 Có thể thấy: i  lx  (0,82  0,85)l2 ; i  0, 036 lx  (0,82  0,85)l2 ; i  0,156 lx  (0,89  0,92)l2 hay công thức tác giả luận án phản ánh khác biệt chiều dài khu xoáy chiều dài nước nhảy 4.1.2 Ảnh hưởng độ dốc đáy, góc mở lịng dẫn, số Fr12 hệ số hình dạng mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học nước nhảy Từ cơng thức kiến nghị tiến hành tính tốn vẽ đồ thị hình 4.1, hình 4.4, hình 4.8, hình 4.9 Từ đồ thị nhận thấy lx / h1 '  x tăng i Fr12 tăng; lx / h1 '  x giảm tg  tăng tg = 0,0438; Fr12 = 30;  = 0,0447 lx/h1'; x 45 35 Chiều dài tương đối cuối khu xoáy Chiều sâu tương đối cuối khu xoáy 25 15 i 0,13 0,14 0,15 0,16 Hình 4.1 Mối quan hệ lx / h1 ' lx/h1'; x 45 0,17 0,18 0,19 0,2  x với độ dốc lòng dẫn, 0,21 i  0,13 i = 0,03; Fr12 = 35;  = 0,0333 35 Chiều dài tương đối cuối khu xoáy 25 Chiều sâu tương đối cuối khu xoáy 15 0,02 0,04 Hình 4.4 Mối quan hệ lx / h1 ' 18 0,06 x tg 0,08 với góc mở lòng dẫn lx/h1'; x 55 45 tg = 0,04;  = 0,0333 35 Chiều dài tương đối cuối khu xoáy Chiều sâu tương đối cuối khu xoáy 25 15 Fr12 20 25 30 35 40 Hình 4.8 Mối quan hệ lx / h1 ' 45 x 50 60 với Fr , i  45 lx/h1'; x 35 i 0,156; Fr12 = 30; tg = 0,0438 Chiều dài tương đối cuối khu xoáy Chiều sâu tương đối cuối khu xoáy 25 15 0,03 0,06 0,09 Hình 4.9 Mối quan hệ lx / h1 ' 4.2 55 0,12 x  0,15 với  Đặc trưng nước nhảy lòng dẫn mở rộng dần thay đổi độ dốc Nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy thay đổi độ dốc chia làm hai phần: phần nằm lòng dẫn dốc phần thuộc lòng dẫn đáy 4.2.1 Chiều sâu tương đối nước nhảy vị trí lịng dẫn có độ dốc thay đổi Chiều sâu tương đối nước nhảy vị trí lịng dẫn có độ dốc thay đổi tính sau: Hình 4.13 Sơ đồ nước nhảy lịng dẫn có độ dốc đáy thay đổi 19     2 F  G   2 F  nt nt nt nt mnt nt  nt  ik1  nt Fr12  ; Gnt   Fnt  (1  ik1 )  nt (1  ik1 )  nt  h b   nt ;   nt nt  nt h1 b1 Trong phương trình (4.2) hệ số động lượng mặt cắt nối tiếp (4.2) mnt tính tốn theo (4.4)  1, 32mont  0,852mont   m  1, 56 1  1, 22mont    1,818 m   0,818  ont 1, 3325nt  1  2nt Fnt  Gnt  nt   2, 665  F  (4.4) Bảng 4.2 Quan hệ nt với Fr12 nt TT Fr12 Tính tốn Đo đạc 22,69 7,01 32,90 9,57 9,57 44,05 10,81 10,8 54,50 10,1 10,04 59,24 10,45 10,4 69,65 11,04 10,97 Sai số % -0,143 0,000 -0,093 -0,598 -0,481 -0,638 Kết hợp giải hệ phương trình (4.2) với hệ phương trình (4.4) tính chiều sâu tương đối mặt cắt nối tiếp thay đổi độ dốc Kết tính tốn kiểm chứng qua mơ hình vật lý thí nghiệm thủy lực, thể bảng 4.2 Bảng 4.2 cho thấy sai số kết tính tốn số liệu thí nghiệm dao động từ -0,14% đến -0,64%, công thức đề xuất hoàn toàn đảm bảo độ tin cậy 4.2.2 Chiều sâu tương đối nước nhảy vị trí cuối khu xốy Độ sâu cuối khu xốy tìm nhờ tích phân Karman, theo phương trình (4.8): 20  i1 k1  x nt  1   Fr1 cos  2  1    2  Fr1 cos       x m  x x x2     bx  x b1 (4.8) Công thức (4.8) kiểm chứng qua thí nghiệm, kết thể bảng 4.3 Từ bảng 4.3 nhận thấy sai số tính tốn thực đo trường hợp nhỏ 5%, Bảng 4.3 Quan hệ x với Fr12 x TT Fr12 22,69 32,90 44,05 54,50 59,24 69,65 Tính tốn 7,7 9,96 11,44 11,89 12,24 13,11 Đo đạc 7,95 10,45 12 11,91 12,5 13,47 Sai số % -3,14 -4,69 -4,67 -0,17 -2,12 -2,64 Chiều sâu tương đối dòng chảy cuối nước nhảy 4.2.3 i1 k1  nt  1   Fr1 cos    c  2 c   Fr1 cos   22 0 (4.9) Kết tính tốn theo cơng thức (4.9) so sánh với thí nghiệm bảng 4.4 c TT Fr12 Tính tốn Đo đạc Sai số % 4.2.4 Bảng 4.4 Quan hệ c với Fr12 22,69 32,90 44,05 54,50 7,81 10,08 11,51 12,03 8,2 10,98 12,73 12,13 59,24 12,26 13,5 69,65 13,18 13,8 -4,76 -9,22 -4,49 -8,15 -9,58 -0,82 Chiều dài khu xoáy, chiều dài nước nhảy Chiều dài nước nhảy lòng dẫn mở rộng dần đáy có độ dốc thay đổi chia làm phần bản: Chiều dài nước nhảy lòng dẫn độ dốc i1; Chiều dài 21 khu xốy lịng dẫn có độ dốc i2; Chiều dài từ mặt cắt cuối khu xốy đến mặt cắt cuối nước nhảy lịng dẫn có độ dốc i2 Đối với đoạn đoạn dịng chảy, luận án chưa tìm cơng thức tính tốn nên nêu kết đo đạc từ thí nghiệm bảng 4.5 Bảng 4.5 Quan hệ lnt/h1; lx/h1; lc/h1 với Fr12 TT Fr12 lnt/h1 lx/h1 lc/h1 4.3 22,69 32,90 44,05 54,50 59,24 69,65 26,14 36 36 27,27 36,6 36 33,29 46 46 47,73 50 56 40,43 50 56 54,54 66,6 66 Kết luận chương Tác giả luận án tiến hành phân tích mối quan hệ chiều dài tương đối khu xoáy chiều dài tương đối nước nhảy, phân tích ảnh hưởng độ dốc đáy góc mở lịng dẫn, số Fr12, hệ số hình dạng mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học nước nhảy Bên cạnh đó, chương tác giả luận án mở rộng toán nước nhảy dốc nước có lịng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần để nghiên cứu đặc trưng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần có độ dốc thay đổi Kết thu sau kiểm chứng qua thí nghiệm mơ hình cơng thức tính tốn chiều sâu dịng chảy nước nhảy vị trí thay đổi độ dốc chiều dài dịng chảy tính từ mặt cắt bắt đầu xuất nước nhảy đến mặt cắt chỗ thay đổi độ dốc KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt luận án 1.1 Nghiên cứu tổng quan Luận án tìm hiểu chun sâu cơng trình nghiên cứu giới Việt Nam vấn đề sau đây: 22 - Nước nhảy xảy lòng dẫn đáy lăng trụ, đáy mở rộng dần, đáy mở rộng đột ngột, đáy thu hẹp dần; - Các phương pháp nghiên cứu nước nhảy bao gồm phương pháp giải tích sử dụng phương trình động lượng, sử dụng lý thuyết lớp biên dòng tia chảy rối; phương pháp kinh nghiệm; phương pháp số; phương pháp sóng gián đoạn 1.2 Nghiên cứu lý thuyết lý thuyết thực nghiệm - Đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết lớp biên dòng tia chảy rối, số hệ phương trình thủy lực như: Phương trình Navier – Stokes; Phương trình Reynolds; Phương trình liên tục; Tích phân Karman cho khơng gian hai chiều đứng có chiều rộng hữu hạn - Nghiên cứu số kiến thức thí nghiệm mơ hình vật lý thủy lực cơng trình trình tự thí nghiệm, kiểm định thí nghiệm - Kiểm chứng cơng thức thiết lập thơng qua cơng trình khoa học có (nước nhảy lịng dẫn lăng trụ đáy dốc, nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy bằng) nhiều kết thí nghiệm mơ hình vật lý với sơ đồ mơ hình vật lý khác Sai số kết tính tốn theo cơng thức luận án thực nghiệm phạm vi cho phép Những đóng góp luận án - Thiết lập cơng thức (2.64; 2.71; 2.83) để tính đường mặt nước trung bình khu xốy mặt nước nhảy, cơng thức (2.65; 2.72; 2.84) để tính chiều sâu chiều dài nước nhảy, cơng thức (2.79; 2.86) để tính quy luật phân bố vận tốc điểm đáy dọc theo chiều dài dịng chảy khu xốy mặt Các cơng thức áp dụng cho kênh phi lăng trụ có độ dốc thuận đáy bằng, mặt cắt ngang hình chữ nhật Bên cạnh việc so sánh với kết trước đây, tiến hành kiểm chứng công thức giải tích thơng qua thí nghiệm mơ hình vật lý tượng nước nhảy với độ dốc độ mở lòng dẫn khác - Tác giả luận án có khảo sát biến đổi khu xoáy khu nước nhảy, đặc biệt chiều sâu chiều dài tương đối dòng chảy cuối khu 23 xoáy đại lượng hệ số hình dạng dịng chảy mặt cắt trước nước nhảy, góc mở lịng dẫn, số Froude, độ dốc lịng dẫn biến đổi - Thiết lập công thức: (4.2) tính chiều sâu dịng chảy vị trí thay đổi độ dốc, (4.8) tính chiều sâu dịng chảy vị trí cuối khu xốy, (4.9) tính chiều sâu dịng chảy cuối nước nhảy Các công thức áp dụng cho lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang hình chữ nhật Tồn hướng phát triển 3.1 Những tồn Bài tốn nối tiếp nước nhảy lịng dẫn có độ dốc thay đổi thường gặp nhiều thực tế Tuy việc tính tốn phức tạp Thông thường, đại lượng biết trước lưu lượng dòng chảy Q, chiều sâu dòng chảy hạ lưu h h, bề rộng lòng dẫn mặt cắt cuối b2, bề rộng lòng dẫn mặt cắt nối tiếp bnt Do đó, để tìm thơng số nước nhảy phải tính dần Chiều sâu h cuối nước nhảy tùy vào trường hợp cụ thể (bể tiêu năng, tường tiêu hay bể tường kết hợp) có cơng thức tính tốn khác Chiều sâu dòng chảy mặt cắt trước nước nhảy h1 xác định cho từ tính giá trị h2 trùng với h2 có Do cần lập trình để tính tốn thuận lợi đặc trưng nối tiếp lòng dẫn thay đổi độ dốc biết thơng số lịng dẫn đặc trưng thủy lực dòng chảy hạ lưu Các công thức luận án thiết lập phù hợp với số liệu thí nghiệm nhiên chưa có điều kiện để áp dụng vào cơng trình cụ thể 3.2 Hướng phát triển Xây dựng cơng thức tính tốn chiều dài tồn khu xoáy mặt chiều dài nước nhảy kênh phi lăng trụ mở rộng dần có độ dốc thay đổi Mở rộng nghiên cứu cho trường hợp khác lịng dẫn thu hẹp dần, lịng dẫn có độ nhám thường độ nhám lớn, lòng dẫn phi lăng trụ có hình dạng mặt cắt ngang bất kỳ,… 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Lê Thị Việt Hà 2014, “Đặc trưng nối tiếp nước nhảy lịng dẫn phi lăng trụ có độ dốc lớn”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thủy lợi, Số 20 - 2014, trang 91-99 Lê Thị Việt Hà 2013, “Đặc trưng hình học nối tiếp nước nhảy đáy lịng dẫn mở rộng dần đáy bằng”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy lợi, Số 14 2013, trang 63-68 Lê Thị Việt Hà 2011, “Tìm hiểu quy luật phân bố lưu tốc dọc theo chiều dòng chảy kênh đáy mở rộng dần”, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Số 33 - 2011, trang 22-26