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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THỊ VIỆT HÀ NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CĨ LỊNG DẪN MỞ RỘNG DẦN Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng Mã số: 62 – 44 - 22 - 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Hồ Việt Hùng GS TS Hoàng Tư An HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Lê Thị Việt Hà i LỜI CÁM ƠN Luận án “Nghiên cứu xác lập công thức tính tốn số thơng số nước nhảy đáy kênh dốc thuận có lòng dẫn mở rộng dần” hoàn thành trường Đại học Thủy lợi với giúp đỡ tận tình thầy giáo, nhà khoa học; giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi quan, đơn vị, đồng nghiệp, gia đình, bạn bè Tác giả vơ biết ơn tập thể thầy hướng dẫn Giáo sư - Tiến sĩ Hồng Tư An Phó giáo sư - Tiến sĩ Hồ Việt Hùng tận tình giảng dạy hướng dẫn tác giả trình học tập hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Giao thông Vận tải tạo điều kiện giúp đỡ tác giả Tác giả trân trọng cảm ơn nhà khoa học đồng nghiệp giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến sát thực để luận án thành cơng Tác giả bày tỏ lòng biết ơn gia đình, bạn bè động viên tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án Với kết đạt luận án, tác giả hy vọng đóng góp sở khoa học phục vụ cho nghiên cứu tính tốn thủy lực thiết kế, xây dựng quản lý vận hành công trình thủy lợi Tính tốn nước nhảy khơng ngập lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần vấn đề phức tạp Do kết nghiên cứu luận án khó tránh khỏi hạn chế Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu nhà khoa học để tiếp tục nâng cao hồn thiện cơng trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận án TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ LƯU CƠNG TRÌNH…………………………… .5 1.1 Nước nhảy hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước 1.2 Một số phương pháp kết nghiên cứu 1.2.1 Bài toán phẳng 1.2.2 Bài tốn khơng gian hữu hạn 18 1.3 Một số kết nghiên cứu khác 20 1.4 Vấn đề đặt hướng nghiên cứu .21 1.5 Kết luận chương 21 THIẾT LẬP 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 23 2.1 Đặt vấn đề chương 23 2.2 Lý thuyết [40] [41] [42] [43] 23 2.3 Thiết lập công thức 26 2.3.1 Giả thiết .26 2.3.2 Sự thay đổi chiều sâu tương đối dòng chảy dọc theo chiều dài tương đối khu xoáy chiều dài tương đối nước nhảy 27 2.3.3 Hình dạng mặt thống trung bình chiều dài tương đối khu xốy mặt lòng dẫn dốc 34 2.3.4 Quy luật thay đổi vận tốc điểm tương đối đáy vận tốc điểm tương đối mặt khu xoáy nước nhảy 47 2.3.5 2.4 Trường hợp riêng: lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy 50 Kết luận chương 51 KIỂM ĐỊNH CÔNG THỨC LÝ THUYẾT MỚI 53 3.1 Đặt vấn đề chương 53 3.2 So sánh công thức thiết lập với công thức có 53 3.2.1 Nước nhảy lòng dẫn đáy phi lăng trụ mở rộng dần 53 3.2.2 Nước nhảy lòng dẫn lăng trụ đáy dốc 55 3.3 Mô hình vật lý thí nghiệm tượng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy dốc thuận 57 3.3.1 Mơ tả thí nghiệm .57 3.3.2 Kiểm định thiết bị đo đạc thí nghiệm 58 3.4 Kiểm định công thức lý thuyết .60 3.4.1 Kiểm chứng giả thiết phân bố vận tốc điểm .60 3.4.2 Kiểm chứng chiều sâu tương đối chiều dài tương đối khu xoáy 70 3.4.3 Đường mặt nước trung bình khu xoáy 72 3.4.4 Kiểm chứng phân bố vận tốc điểm tương đối um un ; dọc theo chiều dài V1 V khu xoáy 76 3.5 Kết luận chương 79 PHÂN TÍCH CƠNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG NGHIÊN CỨU MỚI .81 4.1 Phân tích kết tính tốn .81 4.1.1 Mối quan hệ chiều dài khu xoáy chiều dài nước nhảy .81 4.1.2 Ảnh hưởng độ dốc đáy, góc mở lòng dẫn, số Fr12 hệ số hình dạng mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học nước nhảy 82 4.2 Thiết lập công thức tính tốn đặc trưng nước nhảy lòng dẫn mở rộng dần thay đổi độ dốc 88 4.2.1 Chiều sâu tương đối nước nhảy vị trí lòng dẫn có độ dốc thay đổi .89 4.2.2 Chiều sâu tương đối nước nhảy vị trí cuối khu xoáy 90 4.2.3 Chiều sâu tương đối dòng chảy cuối nước nhảy 92 4.2.4 Chiều dài tương đối khu xoáy, chiều dài tương đối nước nhảy 92 4.3 Mơ hình vật lý thí nghiệm tượng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy thay đổi độ dốc .92 4.4 Kết kiểm định công thức giải tích thơng qua số liệu thí nghiệm mơ hình vật lý 93 4.5 Kết luận chương 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .96 Kết đạt luận án 96 Những đóng góp luận án 96 Tồn kiến nghị 97 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 103 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu sau dốc nước Hình 1.2 Sơ đồ nước nhảy lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc [14] 12 Hình 1.3 Nước nhảy lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc GS TS Hồng Tư An [6] 14 Hình 2.1 Sơ đồ dòng tia không gian bán giới hạn [41] 23 Hình 2.2 Sơ đồ mặt dòng chảy 25 Hình 2.3 Sơ đồ tốn nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc 27 Hình 3.1 Quan hệ 2 với Fr12 trường hợp tg  0, 03;   0, 04; i  54 Hình 3.2 Quan hệ 2 với Fr12 lòng dẫn lăng trụ i  0,15;   0, 0434 56 Hình 3.3 Quan hệ 2 với Fr12 lòng dẫn lăng trụ i  0, 05;   0, 037 56 Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm mơ hình vật lý mô nước nhảy 57 Hình 3.5 Sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo chiều sâu, vận tốc điểm dòng chảy 61 u  un theo với i  0,156 , trường hợp Hình 3.6 Biểu đồ z u  h Hình 3.7 Biểu đồ m 64 với i  0,156 , trường hợp un theo z 64 với i  0, 036 , trường hợp Hình 3.8 Biểu đồ u  un Hình 3.9 Biểu đồ um  un u  un um  un u  un h theo z h 65 với i  0, 036 , trường hợp 67 theo z h um  un Hình 3.10 Biểu đồ u  un um  Hình 3.11 Biểu đồ un u  un um  un theo với i  , trường hợp 67 z h theo z h x với i  , trường hợp .67 Hình 3.12 Quan hệ giữah với Fr1 h  x với Fr12 h Hình 3.13 Quan hệ h x với Fr12 Hình 3.14 Quan hệ  h1 h Hình 3.15 Quan hệ  h Hình 3.16 Quan hệ  h  33, 78;   0, 045; i  0,156 73  42, 2;   0, 04; i  0,156 .73  22, 03;   0, 049; i  0, 036 x với Fr 74 h1 x với Fr1  46, 96;   0, 037; i  0, 036 h1 74  24, 42;   0, 033; i  0, .75 0,2 Thí nghiệm 0,1 z/h 0,0 0,0 0,2 Hình B.5 Biểu đồ quan hệ 0,4 0,6 0,8 1,0 u  un z với i  0,036 , trường hợp um  un h Bảng B.5 Quy luật phân bố vận tốc điểm mặt cắt ngang với trường hợp i  0,036 , trường hợp Q= 0,010 Lòng dẫn phiblăngh T x T / L T V z/ (u nghi ý hí h ịG h0, 0, 1,0 1,00 , iữ 52 2,6 , M 0, 0, 7, ặt 0, Đ 80, 10 80 4,4 áy , 96,1 14 ,0 M 0, 0, ặt 0, 08 15 0, G ,3 iữ 0, Đ 50, 30 23 8,0 áy 80 ,0 M 0, 0, ặt 0, 01 23 0, G ,0 iữ 0, Đ 50, 40 95 áy 0, 0, M ặt 0, G 90, 02 iữ 30 0, G 70, 10 ,7 30 iữ 0, 0, G iữ 0, 60 0, Đ áy 0, M 00, 90 01 ặt 0, 0, G iữ 0, 10 38 0, G ,4 iữ 0, G 40, 40 65 iữ 0, 0, Đ áy 0, 95 0, M ặt 0, G 00, 98 25 iữ 0, 0, 46 1G ,1 0G iữ 0, 55 0, , iữ 0, Đ 20, 73 9áy 95 51 11 ,8 ,1 M 0, 0, ặt 0, G 00, 96 19 iữ 0, 0, 53 1G ,8 1G iữ 0, 45 0, , iữ 0, Đ 20, 73 5áy 92 126 127 Fr12 = 56,24;  = 0,042; tg = 0,0438 h 12 10 Lý thuyết Thí nghiệm 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 x/h1 Hình B.6 Đường mặt nước trung bình khu xốy i  0,036 , trường hợp Bảng B.6 Phân bố vận tốc điểm đáy mặt tương đối dọc theo chiều dài khu xoáy với trường hợp i  0,036 , trường hợp T r S T T 12 x / h9 13, ,2 14 Lý Lý Thí Thí thuyế 1Sai 1, số 4, , 0, 5, 0, , 60, ,1 17 ,5 , 20 ,6 22 ,7 31 ,2 39 ,8 46 01 ,9 46 ,9 48 ,4 , , 70, , 0, 7 40, , 40, , 29 1, Lý Thí số1 -, 0- 0- - 0- 0, , -0 , 0- - , 0- 0, 00 , 128 C Số liệu tính tốn đo đạc với độ dốc i = 0,0 Bảng C.1 Quy luật phân bố vận tốc điểm mặt cắt ngang với trường hợp i = 0,0, trường hợp Q= 0,009 T T Lòng bdẫn h x L T / ý hV z/ (u í ịG h0 - 0,300 h0 t 1, iữ , , 3, 00 , , M 0, 0,010 2ặt 0,920 , , Đ 0, áy ,9 ,4 1, ,4 1, , M 0, 0,020 ặt 0, 5G 0,080 3, , iữ G 70, 0,520 iữ 0, 81 0,720 G iữ 0, ,5 Đ 4, 0,930 áy 8, , M 10, 0,002 ặt G 0, 0,075 iữ 80 0,600 6G 0, iữ G 0,, 0,900 3iữ Đ 0,970 6,5 áy , 5, M 0, 0,020 ặt G 80, 0,500 iữ 30 0,620 6G 6, , iữ G 0,, 0,710 8iữ Đ 0, 0,930 7áy (u-un)/(um-un) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Lý thuyết 0,2 Thí nghiệm 0,1 z/h 0,0 0,0 0,2 Hình C.1 Biểu đồ quan hệ 0,4 0,6 0,8 1,0 u  un z với trường hợp i  0,0 , trường hợp um  un h Fr12 = 29,28 ; 1 = 0,0495 h Lý thuyết Thí nghiệm 0 10 15 20 25 30 x/h1 Hình C.2 Đường mặt nước trung bình khu xốy i  0,0 , trường hợp Bảng C.2 Quy luật phân bố vận tốc điểm mặt cắt ngang với trường hợp i = 0,0, trường hợp Q= 0,0105 T T Lòng dẫn b mở h  = 1' h x L / ý h0 th1 , , , , , T h Vịz/ ( 1í trí0h u0,1 , 0,, 0,1 0, 0,9 , 3, 31 5, , , 0, 0 , 3 6, 8 4, , 4, 0, 70, 40, 0,0 0,5 0,9 , 3 0, 90 0,, 40, 20, 00, 80, 50, 30 0,, 0,0 0,0 0,5 0,7 0,9 0,0 0,3 0,7 0,7 0,9 , 0, 90, 80, 60, 40, 0,0 0,0 0,3 0,5 0,7 (u-un)/(um-un) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 Lý thuyết Thí nghiệm z/h 0,4 0,6 0,8 1,0 u  un z Hình C.3 Biểu đồ quan hệ với lòng dẫn đáy bằng, trường hợp um  un h h 0,2 Fr12 = 36,56; 1 = 0,05; tg = 0,0438 10 Lý thuyết 3 Thí nghiệm x/h1' 0 10 20 30 40 Hình C.4 Đường mặt nước trung bình khu xoáy i  0,0 , trường hợp Bảng C.3 Phân bố vận tốc điểm đáy mặt tương đối dọc theo chiều dài khu xoáy với trường hợp i  , trường hợp T r Sư T x T / 22 h 52 ,8 62 13, 72 82 93 03 13 ,3 15 ,6 20 ,0 26 ,6 34 ,6 34 ,6 Lý Lý Thí Thí thuyế 1 Sai số 4, 275 Lý Thí số 0, ,0 , 0,0 22 0,0 , , 05,8 ,0 60 -3 0, , , 3 , 8,6 8, -0 0, , -0 6, ,- 90 4, , Bảng C.4 Quy luật phân bố vận tốc điểm mặt cắt ngang trường hợp i = 0,0, trường hợp Q= 0,0116 T T x L / ý h t , , , 1, ,5 1, , 3, 9, , Lòng dẫn phi lăng b h1' h T h í , , , 0, 0 , 8 6, 7 , 3, 3 4, , , 9, , 6, 7, , , Vz/ (u ị h 0, M0,, 20 0, 50 Đ0, 0, 85 M0, 80, Đ0, 0, 05 0, 60 0, 87 M0, Gi90, ữa Gi70, ữa Gi60, ữa Đ0, M00, Gi80, ữa Gi70, ữa Gi50, ữa Đ0, M00, Gi90, ữa Gi70, ữa Gi60, ữa Đ0, 0, 02 0, 10 0, 30 0, 55 0, 92 0, 03 0, 20 0, 25 0, 45 0, 96 0, 01 0, 20 0, 30 0, 70 0, 90 M0, 0, Gi90, 02 0, ữa 20 Gi 0, ữa0,, 45 Gi 0, ữa Đ30 70 0, , 90 M0, 0, Gi90 05 0, ữa Gi0,, 08 0, ữa 25 0, Gi0, ữa Đ40, 65 0, 94 133 (u-un)/(um-un) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Lý thuyết 134 0,2 Thí nghiệm 0,1 z/h 0,0 0,0 0,2 Hình C.5 Biểu đồ quan hệ 0,4 0,6 0,8 1,0 u  un z với trường hợp i  0,0 , trường hợp um  un h Fr12 = 44,62; 1 = 0,05; tg = 0,0438 h 10 Lý thuyết Thí nghiệ 10 x/h1' 20 30 40 50 Hình C.6 Đường mặt nước trung bình khu xốy i  0,0 , trường hợp 134 ... 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: 62 – 44 - 22 - 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA... Thiết lập cơng thức tính tốn số đặc trưng nước nhảy lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần với đáy dốc thuận, đáy bằng, đáy có độ dốc thay đổi, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật; - Kiểm chứng công thức. .. sánh công thức thiết lập với cơng thức có 53 3.2.1 Nước nhảy lòng dẫn đáy phi lăng trụ mở rộng dần 53 3.2.2 Nước nhảy lòng dẫn lăng trụ đáy dốc 55 3.3 Mơ hình vật lý thí nghiệm tượng nước