4.3.1.1. Bố trớ thuỷ trực đo lưu tốc trờn mặt cắt ngang.
Đo lưu tốc dựng để tớnh lưu lượng nước nờn độ chớnh xỏc của tài liệu này phụ thuộc chủ yếu vào số thuỷ trực trờn mặt cắt ngang, phụ thuộc vào độ rộng sụng, dũng
Cỏc trạm mới cần cú nhiều thuỷ trực vỡ chưa nắm bắt được quy luật phõn bố lưu tốc trờn mặt cắt ngang (thuỷ trực đầy đủ). Khi bố trớ cỏc thuỷ trực đảm bảo cỏc yờu cầu sau: Thuỷ trực trờn dũng chớnh dày hơn dũng phụ, nếu ở bói cú dũng chảy độc lập nờn bố trớ thuỷ trực ở đú. Những chỗở cỏc mặt cắt cú cỏc ranh giới địa hỡnh cũng cần cú thuỷ trực. Khi biết được phõn bố lưu tốc trờn mặt cắt thỡ cần số lượng thuỷ trực ớt hơn gọi là cỏc thuỷ trực cơ bản.
Một số yờu cầu cụ thể khi bố trớ thuỷ trực:
- Tại chủ lưu bố trớ thuỷ trực dày hơn bói và hai bờ. Nếu bờ dốc thỡ cỏch bờ20 - 50 cm cần cú một đường thuỷ trực. Nếu cú sự lờn xuống đột ngột và ở cỏc ranh giới cũng cần cú một đường thuỷ trực ( thực tế cỏc đường thuỷ trực cơ bản bố trớ sao cho tương đối đều nhau )
- Khi cần thay đổi là gặp cỏc trường hợp xúi, bồi làm địa hỡnh biến đổi lớn. Khoảng cỏch từ mộp đến đường bờ gần nhất vượt quỏ 10% độ rộng sõu, cần cú một đường thuỷ trực cơ bản ở 3/10 khoảng cỏch trờn kể từ bờ. Khi nước xuống thuỷ trực gần bờ khụng đo được cần bố trớ thờm một thuỷ trực cỏch mộp nước cỡ 5% dộ rụng sụng .
Thuỷ trực đại biểu phải đảm bảo cỏc yờu cầu sau:
- Sai số đo lưu lượng trờn thuỷ trực đại biểu và thuỷ trực cơ bản khụng vượt quỏ sai số cho phộp Vmc≈Vdb.
- Vị trớ thuỷ trực đại biểu bố trớ gần chủ lưu.
4.3.2 Xỏc định số điểm đo trờn một thuỷ trực
Sốđiểm đo trờn một thuỷ trực phụ thuộc vào độ sõu và sự phõn bố lưu tốc theo chiều sõu, sự biến đổi cỏc yếu tố thuỷ lực trong thời gian đo cũng như yờu cầu tài liệu đo.
4.3.2.1 Đối với vựng sụng khụng ảnh hưởng triều
Cú cỏc loại chếđộđo 5, 3, 2, 1điểm.
Đo 5 điểm với độ sõu h>3 m cú phõn bố vận tốc phức tạp người ta đo 5 điểm ở mặt và cỏc độ sõu 0,2h,0,6h, 0,8 h cỏch mặt nước và điểm đỏy.
Đo 3 điểm hoặc 2 điểm khi h<3 m, cú quy luật phõn bố vận tốc rừ ràng h = f (v) với sai số lưu tốc đo 5 điểm và 2 điểm phải nhỏ hơn 3 %, thỡ với đo 2 điểm là cỏc điểm 0,2 h, 0,8 h cũn đo 3 điểm: 0,2 h, 0,6 h , 0,8 h .
Đo 1 điểm khi h < 1 m cú vị trớ điểm đo là 0,6 h.
4.3.2.2 Đối với vựng sụng cú ảnh hưởng triều
Vựng này cú trạng thỏi chảy ổn định, biến đổi nhanh, cú cỏc yếu tố thuỷ lực thay đổi khỏ lớn trong thời gian đo lưu tốc tại một thuỷ trực. Nếu dựng nhiều mỏy đo lưu tốc thỡ tốn kộm nờn người ta dựng cỏc phương phỏp sau:
- Phương phỏp đo 6 điểm (hai lượt lờn và xuống) gồm cỏc điểm: mặt, 0,8 h, 0,4 h, 0,6, 0,8, đỏy, 0,8 h, 0,6h, 0,4h, mặt.
Đo xuống, lờn 3 điểm: 0,6 h, 0,8 h, 0,6 h, 0,2 h.
Đo xuống, lờn 2 điểm: 0,2 h, 0,8 h, 0,2 h
Thời điểm lần đo là thời điểm đo tại điểm cú độ sõu lớn nhất. Đo một lần tiến hành lỳc triều xuống.
4.3.2.3. Thời gian đo liờn tục tại một điểm.
- Đối với vựng sụng khụng ảnh hưởng triều thời gian đo phải lớn hơn hoặc bằng 120 s. Nếu lưu tốc quỏ nhỏ, thời gian đo đó đủ 120 s mà chưa thu được một tớn hiệu nào thỡ cú thể kộo dài thời gian đo cho đến khi thu đủ tớn hiệu. Khi thời gian đo đó tới 5 phỳt khụng thu được tớn hiệu nào thỡ coi lưu tốc tại điểm đo bằng 0.
- Tại vựng sụng cú ảnh hưởng triều, thời gian đo tại cỏc điểm khỏc nhau trờn thuỷ trực là khỏc nhau (tại điểm gần đỏy dài hơn), nhưng để tiện cho đo đạc cú thể qui định thời gian đo tại một điểm lớn hơn hoặc bằng 60 giõy. Nếu thời gian đo vượt quỏ
120 s mà chưa thu được tớn hiệu thỡ coi lưu tốc tại điểm đú bằng 0. 4.3.2.4. Tớnh lưu tốc bỡnh quõn thuỷ trực.
Để tớnh lưu tốc bỡnh quõn thuỷ trực cú thể tớnh bằng phương phỏp đồ giải hoặc phương phỏp phõn tớch
- Phương phỏp đồ giải : Cơ sở tớnh toỏn dựa vào cụng thức: vt t v h = ∫ 0 d h (4.6) v F h tt = hay núi cỏch khỏc:
Trong đú: F - diện tớch biểu đồ phõn bố lưu tốc theo độ sõu. h - độ sõu thuỷ trực
Để vẽ biểu đồ phõn bố lưu tốc theo độ sõu ta dựng lưu tốc bỡnh quõn tại cỏc điểm đo trờn thuỷ trực ứng với độ sõu của điểm đú. ở vựng ảnh hưởng triều nếu tại điểm đo lưu tốc được đo hai lần thỡ lưu tốc của điểm đú là giỏ trị bỡnh quõn cỏc lần đo. Diện tớch F cú thể xỏc định bằng mỏy đo diện tớch hoặc tớnh gần đỳng theo phương phỏp kẻ ụ và qui về tớnh cỏc diện tớch bộ phận là diện tớch của hỡnh chữ nhật, hỡnh thang hoặc tam giỏc.
- Phương phỏp phõn tớch: Cú cỏc cụng thức tớnh khỏc nhau phụ thuộc vào số điểm đo trờn thuỷ trực. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Đo 6 điểm trờn thuỷ trực (đối với vựng sụng cú ảnh hưởng triều)
vtt = 1 vm+ v + v + v + v + d 10( 2 0 2, 2 0 4, 2 0 6, 2 0 8, v )
+ Phương phỏp đo 5 điểm (vựng sụng khụng ảnh hưởng triều):
vtt = 1 vm + v + v + v + d 10( 3 0 2, 3 0 6, 2 0 8, v ) (4.7) + Phương phỏp đo 3 điểm vtt = 1 v + v +v 4( 0 2, 2 0 6, 0 8, ) (4.8) + Phương phỏp đo 2 điểm
vtt = 1 v +v 2( 0 2, 0 8, ) (4.9) + Và đo tại 1 điểm vtt =v0 6, (4.10) Trong đú vm, v0,2, v0,4, v0,6, v0,8, vd là lưu tốc tại điểm mặt và 0,2h, 0,4h, 0,6h, 0,8h và đỏy 4.3.3. Phương phỏp đo lưu tốc
- Đo lưu tốc tại một điểm và trờn thuỷ trực: Trước tiờn phải xỏc định độ sõu tại thuỷ trực cần đo, sau đú tớnh sẵn cỏc độ sõu điểm đo cần thiết 0,2h, 0,4h, 0,6h, 0,8h.
Tại mỗi điểm đo cụng việc tiến hành như sau: Thả mỏy xuống điểm đo cần thiết.
Ghi chộp tớn hiệu và thời gian. Khi vượt quỏ 120 s thỡ kết thỳc việc đo tại điểm đú và di chuyển mỏy tới điểm đo tiếp theo.
Số nhúm tớn hiệu và thời gian đo tại mỗi điểm hoàn toàn tuõn theo qui phạm. Đo lưu tốc trờn mặt cắt ngang: gồm cỏc cụng việc sau:
- Đo sõu tại cỏc đường thuỷ trực và lần lượt đo vận tốc tại từng điểm trờn thuỷ trực.
- Đọc mực nước lỳc bắt đầu và kết thỳc đo. Nếu mực nước biến đổi nhanh thỡ khi đo tại điểm 0,6h của mỗi thuỷ trực phải đọc sốđo mực nước.
- Đo mực nước tại tuyến độ dốc, theo dừi và ghi chộp cỏc hiện tượng thời tiết lỳc đo như sức giú và hướng giú...
Phương phỏp đo lưu tốc trờn mặt cắt ngang được tiến hành tại tất cả cỏc thuỷ trực đầy đủ hoặc cơ bản. Trường hợp cần đo nhanh cho phộp giảm số lượng cỏc đường thuỷ trực dựa trờn kết quả nghiờn cứu trước sao cho sai số cú thể xảy ra là nhỏ hơn sai số cho phộp. Nếu vỡ lớ do nào đú mà tuyến chớnh khụng đo được thỡ cú thể đo tuyến phụ nhưng phải khảo sỏt trước.
4.4. CÁC DỤNG CỤĐO VẬN TỐC
4.4.1. Lưu tốc kế
4.4.1.1 Vài nột về lịch sử lưu tốc kế: Tư tưởng để sỏng chế dụng cụ là đo vận tốc dựa vào mối liờn hệ của vũng quay cỏnh quạt trờn nguyờn tắc biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng lần đầu tiờn được Lờụna dờ Vanhxi sử dụng trong cỏc cụng trỡnh của mỡnh song ụng ứng dụng nguyờn tắc này để đo vận tốc giú.
Phần lớn cỏc tài liệu đều cho rằng Vontman - nhà kỹ thuật thuỷ (người Ham bua) là người sỏng chế ra lưu tốc kế, đưa vào cụng trỡnh của ụng xuất bản vào năm 1970 " lý thuyết và sử dụng lưu tốc kế".
Song trước Vontmam người ta cũng sử dụng cỏc dụng cụ để đo vận tốc dũng chảy cũng dựa trờn nguyờn tắc đú như là lưu tốc kế. N.D Chapkin cho rằng người sỏng chếđầu tiờn ra lưu tốc chưa biết rừ, cũn Vontman là người đó chuyển cỏc lưu tốc kế cổ thành dạng tương tự như ngày nay.
Từ trước tới nay lưu tốc kế đó bước vào ứng dụng thực tiễn một cỏch chắc chắn, và là một trong cỏc dụng cụ tốt nhất và phổ biến nhất để đo đạc vận tốc dàng chảy.
4.4.1.2. Phõn loại lưu tốc kế.
Thực tế cú rất nhiều dạng và cấu trỳc lưu tốc kế khỏc nhau. Ngày nay lưu tốc kếđược phõn biệt theo nhiều dấu hiệu: hướng quay, trang bị bộ phận tớn hiệu, phương phỏp thả lưu tốc kế xuống nước vv...
Theo phương trục quay người ta phõn biệt 2 loại: loại trục quay nằm ngang và trục quay thẳng đứng. Loại thứ nhất là cú thể là cỏc mỏy GP - 21, loại thứ 2 như lưu tốc kế Prais.
Theo cấu trỳc của cỏnh quạt thỡ lưu tốc kếđược phõn ra làm 2 loại: nhúm cỏnh quạt lưỡi xẻng và nhúm cỏnh quạt lưỡi phễu. Đại đa số cỏc kiểu lưu tốc kế hiện nay cú ỏnh quạt lưới xẻng tạo ra cỗ mỏy quay, cú đường sinh dạng parabol như lưu tốc kế GP - 21,v.v.. Loại cốc quay chủ yếu được sử dụng ở Mỹ ( lưu tốc kế Prais ). Núi chung lưu tốc kế cỏnh quạt kiểu lưỡi xẻng thuận tiện và đo đạc chớnh xỏc hơn.
Theo cấu trỳc của bộ phận cảm ứng, phõn biệt ra hai loại với trị số đo vũng quay cơ học và trị số tớn hiệu điện. Hầu hết cỏc lưu tốc kế đều dựng tớn hiệu điện, ưu thế của nú khụng phải nhấc mỏy lờn khỏi mặt nước khi đọc số vũng quay. Loại mỏy dựng số đo để đọc là mỏy lưu tốc kế kiểu BMM. Ngoài cỏc dạng kể trờn cũn cú một số cơ chế tớn hiệu khỏc sử dụng cả việc lưu
ỏnh sỏng và việc ghi chộp lờn băng giấy. Những phương tiện này đó được sử dụng để đo vận tốc và hướng dũng chảy trờn biển, một vài nơi sử dụng trờn hồở dạng mỏy tự ghi.
Hỡnh 4.2 Lưu tốc kế GP-55
phương phỏp thả lưu tốc kế
Theo cú hai loại: Lưu tốc kế dựng cọc đo và cỏp. Song ngày nay tất cả cỏc loại lưu tốc kế đều chế tạo sao cho cú thể dựng cả cọc lẫn cỏp.
4.4.1.3 Cỏc bộ phận chủ yếu của lưu tốc kế : Lưu tốc kế thường được chia ra thành 4 bộ phận cơ bản:
a: Bộ phận quay và cảm ứng b: Thõn mỏy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c: Bộ phận định hướng d: Bộ phận tớn hiệu
4.4.1.4 Cơ sở lý thuyết lưu tốc kế. Cỏc thụng số và đặc trưng cơ bản. Sự làm việc của lưu tốc kế dựa trờn sự tỏc động qua lại của mỗi dũng chảy và dụng cụ. Khi đo vận tốc người ta thường sử dụng mối liờn hệ giữa số vũng quay của cỏnh quạt trong một giõy và vận tốc dũng chảy. Trong trường hợp lý tưởng khi chất lỏng khụng cú nhớt và mỏy khụng cú ma sỏt thỡ liện hệđú được biểu diễn bằng phương trỡnh sau đõy:
với v- vận tốc dũng chảy.
kg - hệ số được gọi là bước nhảy hỡnh học bằng đường đi cỏnh quạt sau một vũng quay.
1
s
n - số vũng quay
Thực tế mối liờn hệ này phức tạp hơn nhiều do cỏc lực cản cơ học và lực cản thuỷ lực. Lực cản thuỷ lực gồm:
+ Ma sỏt của nước và cỏnh quạt + Cỏc xoỏy tạo thành ở rỡa cỏnh quạt
+ Sự phỏ vỡ trường vận tốc khi thả mỏy và tạo nờn một ỏp suất tại chỗđú. Lực cản cơ học là cỏc ma sỏt của bản thõn lưu tốc kế khi mỏy hoạt động.
Bởi vậy, mối liờn hệ (4.11) đối với điều kiện thực tế phức tạp hơn nhiều, điều này rất khú xỏc định do sự khú xỏc định chớnh xỏc cỏc loại ma sỏt kể trờn.
Từ vụ số cỏc phương trỡnh bỏn thực nghiệm ta dừng lại ở phương trỡnh của M.Smith
v an= + bn2 +c (4.12)
a,b,c là cỏc tham số.
Phương trỡnh ( 4.12) phản ỏnh khỏ chớnh xỏc mối quan hệ giữa vận tốc dũng chảy và số vũng quay của cỏnh quạt trong điều kiện thực tế. Bằng đồ thị nú cú dạng một Hypecbol, với n = 0, v= c =v0 cũn gọi là vận tốc ban đầu của mỏy.
Vận tốc ban đầu của mỏy là vận tốc mà khi đú lực tỏc động của dũng lờn cỏnh quạt bằng lực cản khi đú cỏnh quạt bắt đầu quay khụng đồng đều. Tiếp theo khi vận tốc quay trở nờn đều khi đú phương trỡnh (4.12 ) cú thể viết dưới dạng:
v an= + bn2 +v
0
Với: v0 là vận tốc ban đầu của mỏy lưu tốc kế.
Khi vận tốc dũng chảy lớn, cú thể coi v0 là khụng đỏng kể so với v, khi đú : phương trỡnh (4.13) cú thể viết như sau:
v=(a+ b n k) = n (4.14)
k được gọi là bước nhảy thuỷ lực . Bước nhảy thuỷ lực lớn hơn bước nhảy hỡnh học, với một vận tốc v thỡ trong thực tế ntt <nlt
kđược xỏc định bằng phương phỏp kiểm định lưu tốc kế cũn cỏc tham số a, b được xỏc định theo cụng thức sau:
a = k (0,99 - β ) (4.15)
b = ( kβ)2 (4.16)
Với β - tham số, xỏc định theo cụng thức Dzeleznhiacov:
β =6 9, v0 + ( ,2 3v0 −0 055, )2 +0 00058, (4.17) v0 tiến tới m; v=f(n) cú dạng đường cong do vận tốc ban đầu v0 chưa vượt qua nổi lực cản ma sỏt. Khi thắng được lực ma sỏt thỡ cú dạng đường thẳng từmđến m1.
Đến một vận tốc nào đú tại m1 thỡ v=f(n) lại cú dạng đường cong gõy nờn bởi cỏc nguyờn nhõn cú thể sau đõy: Kớch thước của kờnh kiểm định; Kớch thước của cỏnh quạt lưu tốc kế và độ sõu hạ mỏy
Núi chung với v > vm1 chưa được nghiờn cứu kĩ nờn khi đo thường chỉ đo khoảng vận tốc từ mđến m1 mà thụi. Nguyờn nhõn đường cong từvđến vm1 cú thể do sự gia tăng rối ở cỏnh quạt.
4.4.1.5 Kiểm định lưu tốc kế (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kiểm định lưu tốc kế là cụng tỏc xỏc định mối liờn hệ giữa vận tốc dũng chảy và số vũng quay của cỏnh quạt trong 1 giõy bằng thực nghiệm, thỡ việc kiểm định là một tài liệu quan trọng của lưu tốc kế; thường kiểm định được tiến hành trong cỏc mương, kờnh cú điều kiện tốt hơn thực tiễn nhiều.
4.4.2 Phao
4.4.2.1 Cơ chế xỏc định vận tốc bằng phao là cho rằng vận tốc chuyển động của phao bằng vận tốc dũng chảy của nước tại chỗ phao trụi. Giả định này làm đơn giản cho việc xỏc đinh vận tốc mặc dự về lý thuyết cũng như thực nghiệm người ta đó chứng minh được rằng phao luụn trụi nhanh hơn nước chảy quanh nú. Điều này đó được Điuboa phỏt hiện năm 1786. Nguyờn nhõn gõy ra hiện tượng này là bởi sự khụng cõn bằng trọng lượng của vật trụi trờn trục chuyển động. Ta xột cỏc lực tỏc động lờn vật trụi trong nước ở trạng thỏi cõn bằng. Giả định một hệ toạ độ vuụng gúc cú gốc toạđộ tại tõm vật trụi, trục hoành là chiều động chảy song song với mặt nước. Lực đẩy Acsimet vuụng gúc với bề mặt nước và hỡnh chiếu của nú nờn trục hoành bằng 0.
G -Lực trọng trường hướng xuống dưới. Trọng lượng của vật này: G =γ.V (4.18). Với: γ là trọng lượng riờng; V - là thể tớch của vật. Hỡnh chiếu của lực G nờn trục chuyển động là Gx Gx = G.sinα α - độ nghiờng của bề mặt với mặt nằm ngang sin α = I - độ dốc của mặt nước.
Như vậy lực Gx là lực làm cho vật trụi cú gia tốc. Dưới tỏc động của nú vật càng trụi nhanh tới khi cõn bằng với lực cản R.
4.4.2.2. Cỏc loại phao
a) Phao nổi bề mặt: dựng để đo vận tốc và hướng dũng chảy mặt, được làm bằng gỗ nhẹ hỡnh trũn hoặc hỡnh chữ thập cú cắm cờ để tiện quan sỏt. Thường cú cắm một vật nặng trờn phao để tăng sựổn định. Hỡnh4.3 Sơđồ lực tỏc động lờn vật thể trụi α A Gx R v α