Nghiên cứu khả năng tháo qua tràn piano khi kể đến ảnh hướng của mực nước hạ lưu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM ĐOÀN THỊ MINH YẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO KHI KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MỰC NƯỚC HẠ LƯU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM ĐOÀN THỊ MINH YẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO KHI KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MỰC NƯỚC HẠ LƯU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số : 62-58-02-02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN NGHỊ PGS.TS ĐẶNG HOÀNG THANH HÀ NỘI - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 08 tháng năm 2018 Tác giả luận án Đoàn Thị Minh Yến i LỜI CẢM ƠN Luận án thực Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Để thực luận án này, nhận bảo, giúp đỡ, động viên nhiều từ thầy hướng dẫn, đơn vị công tác, sở đào tạo, nhà khoa học người thân, bạn bè, đồng nghiệp Lời xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học GS Trần Đình Hợi, PGS.TS Đặng Hồng Thanh đặc biệt PGS.TS Lê Văn Nghị, tận tình giảng dạy, bảo, động viên, khích lệ tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, cán khoa học, Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực; Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển; Ban Tổ chức - Hành chính; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam hỗ trợ, động viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành nghiên cứu luận án Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học thuộc Bộ, Ngành, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Hội Đập lớn Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, quý thầy cô hội đồng, nhiệt tình bảo, cung cấp tài liệu, đóng góp nhiều ý kiến q báu để tơi hồn thiện luận án Đặc biệt tơi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp ủng hộ, động viên, khích lệ tơi suốt q trình nghiên cứu để tơi hồn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018 Tác giả luận án Đoàn Thị Minh Yến ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN xiii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Các đóng góp luận án Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÀN PIANO 1.1 GIỚI THIỆU VỀ TRÀN PIANO 1.1.1 Sự đời phát triển 1.1.2 Phân loại tràn 1.1.3 Thành tựu ứng dụng 1.1.4 Q trình hồn thiện cấu tạo tràn piano 12 1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO 16 1.2.1 Dòng chảy ép sát qua tràn 16 1.2.2 Tràn chảy tự – đơn vị tràn tiêu chuẩn 17 1.2.3 Tràn chảy ngập 22 1.3 CÁC CƠNG THỨC TÍNH KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO 25 1.3.1 Dạng công thức 25 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu xác định hệ số tháo tràn piano, Cd 26 1.3.3 Công thức xác định khả tháo qua tràn piano 26 iii 1.3.3.1 Tràn chảy tự 27 1.3.3.2 Tràn chảy ngập 30 1.4 LUẬN BÀN 33 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35 Chương CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO 37 2.1 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN 37 2.1.1 Đặc điểm dòng chảy qua tràn piano 37 2.1.2 Dạng công thức xác định khả tháo qua tràn piano 39 2.1.2.1 Tràn piano làm việc đập tràn thành mỏng 39 2.1.2.2 Tràn piano làm việc đập tràn thực dụng 40 2.1.3 Phương pháp xác định hệ số tháo luận án 40 2.2 LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH 42 2.2.1 Lý thuyết tương tự để thiết lập mơ hình nghiên cứu 42 2.2.2 Tiêu chuẩn tương tự 42 2.2.3 Lý thuyết thứ nguyên, định lý hàm Pi 44 2.2.4 Quy hoạch thực nghiệm 45 2.2.4.1 Cơ sở khoa học xây dựng công thức thực nghiệm 45 2.2.4.2 Đánh giá kiểm định phù hợp cơng thức thực nghiệm 47 2.3 LẬP PHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 48 2.4 MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 53 2.4.1 Mơ hình vật lý 53 2.4.1.1 Thiết kế, xây dựng mơ hình 53 2.4.1.2 Thiết bị đo đạc 55 2.4.1.3 Sai số mơ hình 56 2.4.1.4 Điều kiện áp dụng thực tế 57 2.4.1.5 Các trường hợp thí nghiệm 58 2.4.1.6 Đánh giá phù hợp số liệu thực nghiệm 59 2.4.2 Mơ hình tốn 62 2.4.2.1 Phạm vi mơ phỏng, lưới tính tốn 62 2.4.2.2 Kiểm nghiệm, hiệu chỉnh mơ hình 63 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 64 iv Chương ĐẶC TRƯNG KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO 66 3.1 ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG HỌC, SỰ CHUYỂN ĐỔI CÁC TRẠNG THÁI VÀ NỐI TIẾP DÒNG CHẢY QUA TRÀN PIANO 66 3.1.1 Dòng chảy phím nước vào 66 3.1.2 Dòng chảy phím nước 68 3.1.3 Nối tiếp dòng chảy hạ lưu 71 3.1.4 Ảnh hưởng xoáy cuộn hạ lưu tới khả tháo qua tràn piano 75 3.2 RANH GIỚI CÁC TRẠNG THÁI CHẢY QUA TRÀN PIANO 77 3.2.1 Ranh giới “chảy đầy phím ra” 77 3.2.2 Ranh giới chảy ngập 80 3.2.3 Ranh giới ảnh hưởng đáy kênh hạ lưu 82 3.2.4 Phân tích ảnh hưởng trạng thái chảy tới khả tháo qua tràn 84 3.3 XÂY DỰNG CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO 86 3.3.1 Điều kiện, trường hợp xây dựng công thức 86 3.3.2 Công thức xác định khả tháo tràn chảy tự 88 3.3.2.1 Khi khả tháo không ảnh hưởng đáy kênh hạ lưu 88 3.3.2.2 Khi khả tháo có ảnh hưởng đáy kênh hạ lưu 92 3.3.3 Công thức xác định khả tháo tràn chảy ngập 93 3.4 Đánh giá phù hợp công thức thực nghiệm 94 3.4.1 Trường hợp chảy tự 94 3.4.2 Trường hợp chảy ngập 99 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 100 Chương LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC HỢP LÝ, TÍNH TỐN KHẢ NĂNG THÁO CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ KIỂU PHÍM PIANO 102 4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 102 4.2 CÁC BƯỚC TÍNH TỐN, LỰA CHỌN TRÀN PIANO HỢP LÝ 103 4.2.1 Lựa chọn hình thức tràn piano 103 4.2.2 Lựa chọn thông số cấu tạo tràn piano 103 4.2.3 Tính tốn xác định khả tháo qua tràn piano 107 4.2.3.1 Trường hợp chảy tự 107 v 4.2.3.2 Trường hợp chảy ngập 108 4.3 ỨNG DỤNG CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ 108 4.3.1 Ứng dụng cơng trình cột nước thấp, đáy kênh hạ lưu hạ thấp 108 4.3.1.1 Giới thiệu tính tốn thơng số cơng trình 108 4.3.1.2 Tính tốn lưu lượng tháo qua tràn Xn Minh 109 4.3.2 Ứng dụng cho cơng trình có đáy kênh hạ lưu chân phím 114 4.3.2.1 Giới thiệu cơng trình 114 4.3.2.2 Tính tốn lưu lượng 115 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119 I KẾT LUẬN 119 II TỒN TẠI VÀ HẠN CHẾ 121 III KIẾN NGHỊ 122 IV HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 122 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 Phụ lục CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG THÁO CỦA O MACHIELS VÀ CS Phụ lục KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KHẢ NĂNG THÁO TRÀN PIANO Phụ lục KHẢO SÁT CÁC DẠNG HÀM CỦA PHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM (3.6) KHI H0/WO>0,5 Phụ lục KẾT QUẢ TÍNH TỐN SAI SỐ CHI TIẾT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Một số cơng trình ứng dụng tràn piano 11 Phạm vi áp dụng cơng thức có tính khả tháo qua PKW 32 Các đại lượng ảnh hưởng tới khả tháo 49 Các trường hợp thí nghiệm khả tháo qua tràn 58 Tổng hợp nghiên cứu để kiểm chứng công thức luận án 59 Giá trị lưu tốc trung bình mặt cắt dòng chảy phím vào H/P=0,4 64 Giá trị lưu tốc dòng đáy hạ lưu tràn, dọc theo phím 73 Kết thí nghiệm tính tốn cột nước phân giới 82 Mức độ giảm khả tháo kênh hạ lưu PKW thấp/cao 84 Các số liệu để xây dựng kiểm nghiệm công thức 87 Hệ số hàm thực nghiệm theo 02 số liệu xây dựng công thức 90 Sai số (%) tính khả tháo theo công thức so với số liệu thực nghiệm tập xây dựng tập kiểm định 90 Bảng thơng số cơng trình 109 Kết thí nghiệm cơng trình tính tốn khả tháo qua tràn Xuân Minh chảy tự 110 Kết thí nghiệm cơng trình tính tốn khả tháo qua tràn Xn Minh chảy ngập 112 Bảng thơng số cơng trình 115 Kết thí nghiệm cơng trình tính tốn khả tháo qua PKW Ngàn Trươi chảy tự 117 Kết thí nghiệm cơng trình tính tốn khả tháo qua PKW Ngàn Trươi chảy ngập 117 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Một số kiểu tràn tuyến cong, tuyến zic zắc tiền thân PKW Các kiểu tràn piano Kết cấu tràn piano Một số cơng trình xả lũ ứng dụng tràn piano 10 Mơ hình tiêu chuẩn [34] 13 Cấu tạo tràn piano 14 Cấu tạo đơn vị tràn tràn piano 15 Hình dạng nước qua tràn piano cột nước tràn nhỏ 17 Ảnh hưởng hình thức tràn kiểu A & B [43] 19 Ảnh hưởng hệ số chiều dài tràn N=4; [43] 19 Ảnh hưởng N=L/W [36] 20 Ảnh hưởng Wi/Wo [43] 20 Quan hệ r~H/P, xét ảnh hưởng P/Wu tới khả tháo [27] 21 Ảnh hưởng H, P đến hiệu tháo Q% [35] 22 Quan hệ Cd.n ~ hn/Hn0 ứng với cấp Q, [18] 23 Quan hệ n ~ hn/Hn0, [19] 23 Cấu tạo, kết thí nghiệm hệ số ngập đập dâng Văn Phong [5] 24 PKW Ngàn Trươi, n= 0,998 hn/H = -0,17 [10] 25 Hình dạng nước qua đập tràn thành mỏng [1] 38 Sơ đồ phương pháp kiểm định công thức thực nghiệm 48 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 54 Mô hình thí nghiệm máng kính 54 Chi tiết khu vực bố trí tràn piano 54 Mặt mơ hình thí nghiệm tràn piano 55 So sánh số liệu thực nghiệm luận án với nghiên cứu khác 60 Sự phù hợp kết thí nghiệm luận án với tác giả khác 61 Sự phù hợp kết thí nghiệm n luận án với tác giả khác 61 Phạm vi mô phỏng, miền lưới tính tốn 63 viii ... hạ lưu tràn cột nước H nhỏ 72 Nối tiếp hạ lưu tràn cột nước H lớn, mực nước hạ lưu thấp/cao 72 Giá trị, phân bố lưu tốc dòng đáy hạ lưu tràn, dọc theo phím 74 Lưu hướng dòng quẩn sau tràn. .. xác định khả tháo tràn chảy tự 88 3.3.2.1 Khi khả tháo không ảnh hưởng đáy kênh hạ lưu 88 3.3.2.2 Khi khả tháo có ảnh hưởng đáy kênh hạ lưu 92 3.3.3 Công thức xác định khả tháo tràn chảy... MINH YẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THÁO QUA TRÀN PIANO KHI KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA MỰC NƯỚC HẠ LƯU Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số : 62-58-02-02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn