SLIDE bài GIẢNG TỔNG hợp môn THỦY lực (đầy đủ các CHƯƠNG) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

BÀI GIẢNG THỦY LỰC CHƯƠNG DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ Các khái niệm Tính tóan dòng chảy kênh hở Xác định hệ số nhám Mặt cắt lợi mặt thủy lực CÁC KHÁI NIỆM (1/1) ° Dòng chảy kênh hở: dòng chảy chiều có mặt thoáng (áp suất khác áp suất không khí trời) ° Các thông số: ° ° ° i Đường đo áp P-P trùng với mặt thoángi => Mặt cắt ướt tính toán = mặt cắt ngang thẳng đứng Trang thái chảy: ° Chảy tầng (ReR < 560) ° Chảy rối ° Dòng chảy đều: dòng chảy mà đặc trưng (vận tốc, độ sâu, diện tích mặt cắt ngang…) không đổi dọc theo dòng chảy ° Dòng chảy xảy kênh lăng trụ có i > TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ (1/3) 2.1 Công thức Chezy ° Tính toán dòng chảy kênh, người ta thường dùng công thức Chezy: V = C Ri Hay ° ° ° ° ( ) K = AC R - module lưulượng A, R – Diện tích mặt cắt ướt chu vi ướt Các thông số: Q = AC Ri = K i C – Soá Chezy Công thức Manning 2.2 Các toán (xét kênh hình thang) ° 1/ R n Số ptrình: (cthức Chezy) Phân tích: ° ° C= Số thông số: (b, h, m, n, i, Q) h m ϕ b ⇒ Cho thông số, hỏi thông số lại (hoặc hỏi thông số phải cho thêm điều kiện nữa) TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ (2/3) a Bài toán ° Bài toán: Cho b, h, m, n Biết i hỏi Q (hoặc biết Q hỏi i) ° Thuật giải: ° ° ° Tính A, P ⇒ R Tính C ⇒ K Tính b Bài toán Q= K i ( hoặc= i Q K2 ) ° Bài toán: Cho m, n, i Q Biết b hỏi h (hoặc biết h hỏi b) ° Thuật giải: ppháp gần đúng, chẳng hạn ppháp đồ thị ° ° ° ° Tính module lưu lượng kênh Cho h vài giá trị, tính module lưu lượng tương ứng K(h) KC = Q i Vẽ đồ thị K = f(h) Dùng đồ thị xác định h cho K(h) = KC c Bài toán ° Bài toán: Cho m, n, i Q Hỏi b h, biết thêm β (=b/h) V ° Thuật giải: dùng ppháp gần đúng, chẳng hạn ppháp đồ thị TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY ĐỀU TRONG KÊNH HỞ (3/3) d Tính toán dòng chảy cống tròn ° Dùng đồ thị h/D P/Png A/Ang K/Kng h B/D V/Vng R/Rn Ghi chú: ngập => h=D ° g Các toán: ° ° thôngbiết số kênh i): mặt cắt Cho h, D, n Biết i hỏi QCác (hoặc Q hỏi h/D => K/K ng => hình tròn K => K ngh: = πD8 / n45 / = 0.3117 D8 / n Cho D, n, i, Q Hoûi => KC/Kng => h/D => h ( ) Q= K i KC = Q i XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM (1/2) 3.1 Trường hợp mặt cắt kênh đơn giản ° Phương pháp SCS (soil Conversation Service Method): ước định hệ số n cách chọn hệ số n cho kênh trường hợp tiêu chuẩn Sau tùy theo điều kiện thực tế mà hiệu chỉnh hệ số n cách cộng nhân với số hiệu chỉnh ° Phương pháp dùng bảng: hệ số n cho kênh thường gặp xác định theo kinh nghiệm thực nghiệm lập thành bảng để tra cứu ° Phương pháp dùng hình ảnh: từ kênh thực tế người ta đo đạc xác định hệ số n, sau chụp ảnh xếp thành loại Khi tính toán dựa vào hình ảnh kênh có sẵn n ước định hệ số nhám n ° Phương pháp dùng biểu đồ lưu tốc ° Phương pháp công thức thực nghiệm: ° ° ° Simons vaø Sentruk (1976): Raudkivi (1976): (x − 1)h1 = Peter (1948) Meyer n vaø 6,78(x + 0,95) ( x = U0.2 U 0.8 ) n = 0.047d1/ 1/ n = 0.013d65 1/ n = 0.038d90 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHÁM (2/2) 3.2 Trường hợp mặt cắt kênh phức tạp ° Mcắt ướt kênh chia thành nhiều phần đơn giản hệ số nhám ne toàn mặt cắt tính từ hệ số nhám phần ° Một số công thức:  N 32 P n ∑ i i   i =1  ne =   P     N 2 P n ∑ i i   i =1   ne =  P    PR5 ne = N Pi Ri5 ∑ ni i =1 23 12 A1 n 1, P1 A2 A3 n3, P3 N ne = ∑nA i =1 i i n2, P2 A MẶT CẮT LI NHẤT VỀ MẶT THỦY LỰC (1/1) ° Định nghóa: Mặt cắt lợi mặt thủy lực mặt cắt mà với lưu lượng cho trước vận tốc dòng chảy kênh đạt giá trị lớn nhất, diện tích mặt cắt ướt nhỏ ° Bài toán xác định mặt cắt lợi mặt thủy lực cách tổng quát cho dạng mặt cắt khó không thực tế ° A, P V Xét trường hợp mặt cắt hình thang Diễn biến số thông số mặt cắt theo bề rộng tương đối β cho hình ° Mặt cắt ứng với βH lợi mặt tlực ° Tại βH A P V βH °  dA =0   d β   β = β H   dP  =0  dβ  β =β H  β=b/ h Ghi chú: Mặt cắt lợi mặt tlực nghóa lợi kinh teá ( ) ⇒ β H = + m2 − m CHƯƠNG DÒNG KHÔNG ĐỀU BIẾN ĐỔI CHẬM TRONG KÊNH HỞ Các khái niệm Phương trình vi phân dòng không Mười hai dạng đường mặt nước Dựïng đường mặt nước pp sai phân hữu hạn Dòng nhập lưu 10 Phương trình (2/7) • Phân tích: – Hệ số nén đất: – Hệ số nén nước: – Biến thiên độ rỗng: α =− dV V dσ z (VI 4) dρ β= ρ dp (VI 5) ∂n ∂σ z = −(1 − n )α ∂t ∂t (VI 6) Với σz - ứng suất pháp đất mphẳng ngang; p - áp suất nước khe rỗng VI NƯỚC NGẦM Chấp nhận: ∆V = ∆Vv • Ptrình bảo toàn khối lương thành:  ∂s ∂p ∂σ z − ∇( ρu ) = nρ + nρsβ − sρα ∂t ∂t ∂t (VI 7) 76 Phương trình (3/7) • Mơi trường bão hịa, có áp: – Độ bão hòa s=1 (=const): – Biến thiên áp suất nước khe rỗng ứng suất đất: – (VI.7) thành: − ∆σ z = ∆p = γ∆H (VI 8)  ∂H − ∇( ρu ) = ρS s ∂t (VI 9) H – cột áp thấm VI NƯỚC NGẦM Ss = γ (α + nβ) 77 Phương trình (4/7) • Mơi trường bão hịa, khơng áp: – Độ bão hòa s=1 (=const): – Bỏ qua độ nén nước đất (α = β = 0) – (VI.7) thành:  ∇( u ) = • (VI 10) Mơi trường khơng bão hịa: – Bỏ qua độ nén nước đất (α = β = 0) VI NƯỚC NGẦM – (VI.7) thành:  ∂θ − ∇( u ) = ∂t (VI 11) 78 Phương trình (5/7) 3.2 Các phương trình dịng thấm: • Định luật thấm Darcy: – Thiết lập cho mơi trường nước ngầm bão hịa – Mở rộng cho mơi trường nước ngầm khơng bão hịa VI NƯỚC NGẦM • (VI.9) thành: • (VI.10) thành: • (VI.11) thành: (VI 11)  u = − k ( θ ) ∇H − ∇( ρk∇H ) = ρS s ∇( k∇H ) = ∂θ ∇[ k (θ ) ∇H ] = ∂t ∂H ∂t (bão hịa, có áp) (bão hịa, khơng áp) (khơng bão hịa) (VI 12) (VI 13) (VI 1479) Phương trình (5/7) 3.3 Các quan hệ khác: VI NƯỚC NGẦM ∀ θ = f(p) 80 Phương trình (6/7) VI NƯỚC NGẦM ∀ θ = f(p) cho loại đất 81 Phương trình (7/7) VI NƯỚC NGẦM • k = f(p) cho loại đất 82 Dòng thấm biến đổi chậm (1/4) • Giả thiết: wf – Bỏ qua tính nén nước đất (α = β = 0) Mặt bão hồ – Mơi trường thấm nhất, đẳng hướng, bão hồ • Ptrình mơ tả ∇2 H = • h hs zb (VI 15) Mặt chuẩn Điều kiện biên VI NƯỚC NGẦM – Trên mặt bão hòa (VI 16) H = hs ∂hs ∂hs ∂hs Sy = w + wf − u −v ∂t ∂x ∂y (Sy - hệ số nhả nước trọng lực, (VI 17) ) 83 Dòng thấm biến đổi chậm(2/4) – Trên mặt không thấm wf un = u.nx + v.n y + w.nz = Mặt bão hoà (VI 18) hs • zb Tích phân (VI.15) : Mặt chuẩn hs  ∂2H ∂2H ∂2H ∫z  ∂x + ∂y + ∂z b VI NƯỚC NGẦM • h  dz =  (VI 19) Quy tắc Leibnitz: h h s ∂ s ∂ϕ ∂hs ∂zb ϕ dz = dz + ϕ − ϕ ∫z ∂s z = hs z = zb ∂s z∫b ∂ s ∂s b (VI 20) 84 Dòng thấm biến đổi chậm (3/4) • Áp dụng cho (VI.19): hs  ∂2H ∂2H ∂2H ∫z  ∂x + ∂y + ∂z b h  ∂ s ∂H ∂H dz = = dz − ∫ ∂ x ∂x ∂x  zb z = hs ∂hs ∂H + ∂x ∂x z = hs ∂hs ∂H + ∂y ∂y h ∂ s ∂H ∂H + dz − ∂y z∫b ∂y ∂y • + Hay VI NƯỚC NGẦM h ∂H ∂z − z = hs ∂H ∂z z = zb ∂zb ∂x z = zb ∂zb ∂y z = zb h ∂ s ∂H ∂ s ∂H 0= dz + dz ∫ ∫ ∂x zb ∂x ∂y zb ∂y +  1  ∂hs ∂hs ∂zb ∂zb 1  u z = h + v z =h − w z = h  −  u z = z + v z=z − w z = z  s s s b b b k ∂x ∂y ∂x ∂y  k  (VI 21) 85 Dịng thấm biến đổi chậm(4/4) • Thay đk biên (VI.17) (VI.18) vào (VI.21): h • • h ∂ s ∂H ∂ s ∂H ∂hs  1 0= dz + dz +  wf − Sy  ∂x z∫b ∂x ∂y z∫b ∂y k ∂t  Giả thiết thủy tĩnh: dòng chảy biến đổi chậm, vector vận tốc gần nằm ngang (tương tự công thức Dupuit) (VI.22) thành: H = hs ( t , x, y ) S y ∂hs ∂hs  ∂  ∂hs  w f ∂  ( hs − zb )  + ( hs − zb )  + =  • Trong hệ toạk độ∂trụ t ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  k VI NƯỚC NGẦM (VI 22) S y ∂hs ∂ = k ∂t r ∂r (VI 23) ∂hs  ∂  ∂hs  wf  r ( hs − zb ) ∂r  + r ∂θ ( hs − zb ) ∂θ  + k     (VI86.24) Một số dòng thấm đơn giản (1/4) 5.1 Dòng thấm ổn định qua đập đất chữ nhật: • Giả thiết: – chảy phẳng; ổn định; wf – zb=0=const; wf=const • Ptrình: H1 2w f ∂ h =− x k • Kết tích∂phân: 2 s x=0 H2 x=L x ( L − x ) x + ( H − H ) + H12 h = k L s VI NƯỚC NGẦM wf hs 2 87 x Một số dòng thấm đơn giản (2/4) 5.2 Dịng thấm ổn định vào giếng nước: • Giả thiết: Q – chảy đối xứng trục; ổn định; – zb=0=const; wf=0 • Ptrình: VI NƯỚC NGẦM ∂  ∂hs2   r  = ∂r  ∂r  • Kết tích phân: • hs2 = h + Lưu lượng giếng h r0 V hs H r R Q ln ( r r0 ) kπ H − h2 Q = kπ ln ( R r0 ) 88 Một số dòng thấm đơn giản (3/4) 5.3 Dịng thấm ổn định vào giếng phun: • Giả thiết: Q – Tầng chứa nước nằm ngang; – Chảy đối xứng trục; ổn định • Lưu lượng đv mặt trụ r: VI NƯỚC NGẦM dhs q = kt dr • Lưu lượng giếng: dhs Q = π rq = π ktr • Lưu lượng giếng dr H −h Q = 2πkt ln ( R r0 ) t hs h r0 ⇒ hs = h + H q r R Q ln ( r r0 ) 2πkt 89 Một số dòng thấm đơn giản (4/4) 5.4 Dòng thấm qua đập hình thang: • Quy đổi tương đương đập chữ nhật: H m λ= 2mđập+ c.nhật: • Dòng thấm ( VI NƯỚC NGẦM k m1 m hs λH ) ⇒q=k a0 L H − a02 q=k 2L x hs2 = H − H − a02 ; • Dịng thấm tam giác:L V= m1 a0 m1 m1 dy a0 V y m1(a0-y) 90 ... ướt nhỏ ° Bài toán xác định mặt cắt lợi mặt thủy lực cách tổng quát cho dạng mặt cắt khó không thực tế ° A, P V Xét trường hợp mặt cắt hình thang Diễn biến số thông số mặt cắt theo bề rộng tương... CẮT LI NHẤT VỀ MẶT THỦY LỰC (1/1) ° Định nghóa: Mặt cắt lợi mặt thủy lực mặt cắt mà với lưu lượng cho trước vận tốc dòng chảy kênh đạt giá trị lớn nhất, diện tích mặt cắt ướt nhỏ ° Bài toán xác... Ngoại lực tác dụng lên thể tích kiểm soát ABCD: ° ° ° ° G – Trọng lực C C2 P1, P2 – p lực đầu T0 – Lực ma sát đáy kênh yy1C1 P1 A C1 G h’’ h’ R – Phản lực vuông góc đáy kênh B ° Phương trình biến