ds(m) Hs (m) T (s) Ghi chỳ KB1 1,5 0,8 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB2 1,5 1 6,96 a=50cm, cạnh C= 20cm KB3 1,5 1,1 6,96 a=50cm, cạnh C= 20cm KB4 1,0 0,6 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB5 1,0 0,7 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB6 1,0 0,8 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB7 1,0 0,6 5,06 a=45cm, cạnh C= 20cm KB8 1,0 0,7 6,96 a=45cm, cạnh C= 20cm KB9 1,0 0,8 5,69 a=45cm, cạnh C= 20cm KB10 1,5 0,8 5,06 a=45cm, cạnh C= 20cm KB11 1,5 1 6,96 a=45cm, cạnh C= 20cm KB12 1,5 1,1 6,96 a=45cm, cạnh C= 20cm
Bảng 2.6: Kết quả thớ nghiệm cho 12 kịch bản mỏi kố đặt mố nhụ TT Độ sõu nước chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) Umax TT Độ sõu nước chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) Umax
TN(m/s) KB1 1,5 0,8 5,06 1,12 KB2 1,5 1 6,96 1,86 KB3 1,5 1,1 6,96 2,27 KB4 1,0 0,6 5,06 1,08 KB5 1,0 0,7 5,06 1,23 KB6 1,0 0,8 5,06 1,27 KB7 1,0 0,6 5,06 1,12 KB8 1,0 0,7 6,96 1,68 KB9 1,0 0,8 5,69 1,5 KB10 1,5 0,8 5,06 1,35 KB11 1,5 1 6,96 1,78 KB12 1,5 1,1 6,96 1,90
Hỡnh 2.4: Kiểm định mụ hỡnh-Vận tốc thực đo và vận tốc tớnh toỏn trường hợp cú mố nhỏm. Bảng 2.7: Kết quả kiểm định vận tốc Umax giữa mụ hỡnh mỏng súng số và mụ hỡnh vật lý
TT Độ sõu nước chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) Hệ số nhỏm Cd Umax TT(m/s) Umax TN(m/s) KB1 1,5 0,8 5,06 2,0 1,08 1,12 KB2 1,5 1 6,96 1,0 1,96 1,86 KB3 1,5 1,1 6,96 2,1 2,15 2,27 KB4 1,0 0,6 5,06 2,3 0,81 1,08 KB5 1,0 0,7 5,06 2,3 0,94 1,23 KB6 1,0 0,8 5,06 2,3 1,08 1,27 KB7 1,0 0,6 5,06 2,4 1,06 1,12 KB8 1,0 0,7 6,96 2,3 1,64 1,68 KB9 1,0 0,8 5,69 2,3 1,61 1,5 KB10 1,5 0,8 5,06 2,3 1,45 1,35 KB11 1,5 1 6,96 2,3 1,97 1,78 KB12 1,5 1,1 6,96 2,2 1,81 1,90
Tỏc giả đó tiến hành thớ nghiệm cho trường hợp cú mố, với kịch bản biờn súng và mực nước khỏc nhau. Sau đõy là kết quả chạy mỏng súng số. Đơn vị ghi trong bảng lấy theo trị số thực tế theo biờn tớnh toỏn đề xuất.
Bảng 2.8: Kịch bản thớ nghiệm trường hợp đờ mỏi nghiờng cú mố nhỏm TT Độ sõu nước chõn TT Độ sõu nước chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) Ghi chỳ KB1 1,5 0,8 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB2 1,5 1 6,96 a=50cm, cạnh C= 20cm KB3 1,5 1,1 6,96 a=50cm, cạnh C= 20cm KB4 1,0 0,6 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB5 1,0 0,7 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm KB6 1,0 0,8 5,06 a=50cm, cạnh C= 20cm Bảng 2.9: Vận tốc theo phương ngang U và phương đứng V của tớnh toỏn TT Độ sõu nước chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) UmaxTT (m/s) Vmax
TT (m/s) KB1 1,5 0,8 5,06 1,08 0,01 KB2 1,5 1 6,96 1,96 0,21 KB3 1,5 1,1 6,96 2,15 0,14 KB4 1,0 0,6 5,06 0,81 0,04 KB5 1,0 0,7 5,06 0,94 0,01 KB6 1,0 0,8 5,06 1,08 0,01
So sỏnh hai phương ỏn khi khụng và cú đặt mố nhỏm, kết quả tớnh toỏn được thể hiện qua bảng dưới đõy:
Bảng 2.10: So sỏnh hai phương ỏn khi cú và khụng cú mố nhỏm
TT ds(m) Hs (m) T (s) Umax (m/s)
Umax mố (m/s)
Hiệu suất tiờu giảm vận tốc No (%) KB1 1,5 0,8 5,06 1,26 1,08 14,3 KB2 1,5 1 6,96 1,96 1,84 6,1 KB3 1,5 1,1 6,96 2,26 2,15 4,9 KB4 1 0,6 5,06 0,99 0,81 18,2 KB5 1 0,7 5,06 1,15 0,94 18,3 KB6 1 0,8 5,06 1,27 1,08 15.0
Hỡnh 2.5: Tỷ lệ tiờu giảm vận tốc so sỏnh khi cú và khụng cú mố nhỏm
Nhận xột:
Nhỡn vào bảng 2.9 và hỡnh 2.5 cho thấy: hiệu suất tiờu giảm vận tốc qua cỏc mố nhỏm ảnh hưởng từ 3 thụng số chiều cao súng (Hs), độ sõu nước (ds) và chu kỳ súng (T).
-Với cựng một độ sõu nước (ds) khi Hs tăng, T tăng thỡ hiệu suất tiờu giảm vận tốc No cú xu thế giảm.
- Xột về độ sõu nước ds. Khi Hs và T như nhau, độ sõu nước nhỏ cho kết quả hiệu suất tiờu giảm No cao hơn so với độ sõu nước lớn hơn (xem cựng phụ lục số 2). Điều này cú thể lý giải được là do đầu súng tiếp xỳc với mố nhỏm và khi dũng rỳt xuống từ trờn mỏi kố, chỳng đều bị chà xỏt vào mố nhỏm và sẽ tạo dũng rối, dũng quẩn khu vực xung quanh mố nhỏm, làm tiờu giảm vận tốc khi xuyờn qua khu vực đặt mố nhỏm.
- Hiệu suất No cao nhất đó đạt đến trờn 18%, trị số thấp nhất cũng trờn 4%.
Ngoài kết quả trờn, luận ỏn cũng đó tiến hành chạy mụ hỡnh toỏn với sự thay đổi chu kỳ, chiều cao súng, độ sõu nước tại chõn kố và mỏi dốc kố đó cho kết quả khỏ tương đồng với kết quả chạy mụ hỡnh vật lý. Kết quả này được trớch lục tại phụ lục số 2.
2.5 Mối quan hệ giữa cỏc tham số
Phõn tớch ảnh hưởng cỏc tham số tới vận tốc (U) bao gồm: Chu kỳ (T), chiều cao súng (Hs) Từ cỏc kết quả nghiờn cứu trờn, mối quan hệ giữa vận tốc và chiều cao súng, chu kỳ súng được thể hiện qua cỏc hỡnh vẽ 2.6 và 2.7.
Từ hỡnh thức biểu diễn cỏc mối quan hệ thụng qua hai hỡnh trờn (2.7) và (2.6) cho thấy: Vận tốc dũng chảy sỏt đỏy lớn nhất tỷ lệ thuận với chiều cao súng cú ý nghĩa và chu kỳ súng. Khi chiều cao súng cú ý nghĩa lớn và chu kỳ súng càng dài thỡ vận tốc dũng chảy do súng sỏt đỏy càng lớn. Trong đú sự gia tăng của chu kỳ nổi trội hơn so với sự ảnh hưởng của chiều cao súng tới sự gia tăng vận tốc.
(a) Ảnh hưởng của chiều cao súng Hs
Hỡnh 2.6: Quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và chiều cao súng
Hỡnh 2.7: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và chu kỳ súng
(c) Ảnh hưởng của tỷ số (ds/L)
Hỡnh 2.8: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và hàm hyperbol độ sõu tương đối sinh (2𝜋𝑑𝑠𝐿 )
Quan điểm chung của cỏc nhà khoa học là dựa vào độ sõu tương đối 𝑑𝑠
𝐿 hoặc dựa vào hàm hyperbol như hàm sinh(Kds)= sinh (2𝜋𝑑𝑠
𝐿 ) để phõn chia cỏc vựng của quỏ trỡnh vận hành của súng từ ngoài khơi vào bờ [12]. Trong đú 𝐾 = 2𝜋𝐿 là số súng.
Từ hỡnh 2.7 cho thấy: Vận tốc dũng chảy sỏt đỏy lớn nhất tỷ lệ nghịch với số súng và độ sõu tương đối. Khi số súng hoặc độ sõu tương đối càng lớn thỡ vận tốc dũng chảy do súng sỏt đỏy càng nhỏ. Mối quan hệ này cú dạng đường cong lừm, dạng hàm mũ.
Xột tỷ số giữa độ cao mố nhỏm và chiều dài súng cho thấy: Tỷ lệ (a/L) càng lớn thỡ vận tốc càng giảm, mối quan hệ cú dạng đường cong lừm. Điều này cú thể giải thớch như sau: Khi chiều cao mố nhỏm tăng lờn, đồng nghĩa với độ nhỏm tăng lờn, tăng lờn sự cản thủy lực khi dũng do súng mang tới cũng như sau khi súng lướt lờn mỏi kố rồi đổ xuống, dũng khi này đều bị ảnh hưởng ma sỏt đỏy. Kết quả tớnh toỏn được thể hiện trong hỡnh 2.9.
Hỡnh 2.9: Mối quan hệ giữa vận tốc ngang lớn nhất và hàm hyperbol chiều cao mố cosh (2𝜋𝑎𝐿 ) Theo hỡnh 2.9, vận tốc dũng chảy sỏt đỏy lớn nhất tỷ lệ nghịch với số súng và chiều cao mố. Khi số súng hoặc chiều cao mố càng lớn thỡ vận tốc dũng chảy do súng sỏt đỏy càng nhỏ. Mối quan hệ cú dạng đường cong lừm, dạng hàm số mũ.
(e) Ảnh hưởng của mỏi dốc tới vận tốc đỏy
Luận ỏn đó nghiờn cứu sự ảnh hưởng của mỏi dốc tới vận tốc đỏy cho trường hợp mỏi khụng đặt mố nhỏm. Kết quả cho thấy cú cựng chiều sõu nước, chiều cao súng và chu kỳ súng, khi mỏi càng dốc thỡ vận đỏy càng lớn. Kết quả được thể hiện trong cỏc bảng 2.11.
Bảng 2.11: Kết quả tớnh toỏn thay đổi hệ số mỏi với Hs = 0,8m và T(s) = 5,06s
TT ds(m) Hs (m) T (s) Hệ số mỏi đờ Umax(m/s) KB1 2,6 0,8 5,06 1:2 1,73 KB2 2,6 0,8 5,06 1:2,5 1,6 KB3 2,6 0,8 5,06 1:3 1,5 KB4 2,6 0,8 5,06 1:3,5 1,26 KB5 2,6 0,8 5,06 1:4 1,25 KB6 2,6 0,8 5,06 1:4,5 1,16 KB7 2,6 0,8 5,06 1:5 0,99
Từ cỏc bảng trờn, biểu diễn mối quan hệ giữa mỏi dốc và vận tốc đỏy lớn nhất cú xu thế giảm khi độ dốc mỏi giảm.
Bảng 2.12: Kết quả tớnh toỏn thay đổi hệ số mỏi với Hs = 1,0m và T(s) = 6,96s TT Độ sõu nước tại TT Độ sõu nước tại
chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) Hệ số mỏi đờ Umax (m/s) KB1 2,6 1,0 6,96 1:2 1,91 KB2 2,6 1,0 6,96 1:2,5 1,89 KB3 2,6 1,0 6,96 1:3 1,85 KB4 2,6 1,0 6,96 1:3,5 1,84 KB5 2,6 1,0 6,96 1:4 1,66 KB6 2,6 1,0 6,96 1:4,5 1,54 KB7 2,6 1,0 6,96 1:5 1,3
Bảng 2.13: Kết quả tớnh toỏn thay đổi hệ số mỏi với Hs = 1,1m và T(s) = 6,96s TT Độ sõu nước tại
chõn kố ds(m) Hs (m) T (s) Hệ số mỏi đờ Umax (m/s) KB1 2,6 1,1 6,96 1:2 2,38 KB2 2,6 1,1 6,96 1:2,5 2,34 KB3 2,6 1,1 6,96 1:3 2,28 KB4 2,6 1,1 6,96 1:3,5 2,26 KB5 2,6 1,1 6,96 1:4 2,2 KB6 2,6 1,1 6,96 1:4,5 2,06 KB7 2,6 1,1 6,96 1:5 1,61 Nhận xột:
- Khi mỏi dốc giảm xuống thỡ đồng thời vận tốc cũng giảm theo khi xột cựng một biờn súng.
- Chiều cao Hs lớn thỡ vận tốc lớn, chu kỳ càng dài thỡ vận tốc càng lớn;
- Họ bú dũng vận tốc dón xa cỏch khi độ dốc mỏi nằm trong khoảng m =3,5 đến m = 4,5.
Vận tốc ngang lớn nhất tại chõn kố phụ thuộc cơ bản vào cỏc thụng số chớnh như: Chu kỳ T, chiều cao súng Hs, độ sõu nước tại chõn kố ds, độ dốc mỏi m, độ nhụ của mố nhỏm a, độ dốc bói i, trong đú chu kỳ T cú ảnh hưởng lớn nhất, và sau đú là độ dốc mỏi m. Mỏi càng dốc thỡ vận tốc càng lớn, chờnh lệch đến 2 lần khi xột m = 2 và m = 5 (phụ lục số 2). Ngoài ra nú cũng phụ thuộc khỏ lớn vào tỷ số 𝐻𝑠
𝑑𝑠 , xột với T= 5s thỡ tỷ số 𝐻𝑠
𝑑𝑠 = 0,532 và 0,33 thỡ chờnh lệch vận tốc đến 2,0 lần.
Khi cú lắp đặt mố nhỏm thỡ vận tốc lớn nhất tại chõn kố giảm rừ rệt. Trung bỡnh khả năng tiờu giảm vận tốc cú thể đạt từ 6% đến 18% khi so sỏnh cựng điều kiện biờn thủy lực giữa cú và khụng cú mố nhỏm (phụ lục số 2).
Ngoài ra mố nhỏm cũn cú khả năng cản đỏ lăn lờn mỏi kố, gõy dũng xoỏy quẩn, hạn chế sự tập trung dũng chảy theo hướng tiến lờn của đầu súng cũng như khi dũng chảy xuống do đầu súng tan ra trờn mỏi kố.
CHƯƠNG 3: NGHIấN CỨU VẬN TỐC DềNG CHẢY DO SểNG Ở CHÂN Kẩ NễNG BẰNG Mễ HèNH VẬT Lí
3.1 Đặt vấn đề
Vận tốc dũng chảy tại chõn kố bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như điều kiện biờn thủy hải văn, điều kiện địa hỡnh và mắt cắt ngang của cụng trỡnh. Nghiờn cứu trờn mụ hỡnh vật lý với mỏng súng hiện đại với tỷ lệ thu nhỏ mụ hỡnh phự hợp để mụ phỏng súng tiến đến chõn kố và làm sỏng tỏ chế độ dũng chảy với sự ảnh hưởng của yếu tố hỡnh học tại vựng chõn kố khi cú và khụng cú mố nhỏm là rất cần thiết và sẽ được giải quyết trong chương này.
3.2 Hướng nghiờn cứu bằng mụ hỡnh vật lý
3.2.1 Quỏ trỡnh phỏt triển hướng nghiờn cứu
Việc nghiờn cứu hiện tượng tự nhiờn cú thể thụng qua nghiờn cứu lý thuyết, vận dụng cỏc định luật, định lý, nguyờn lý, nguyờn tắc để giải quyết một vấn đề nào đú. Nghiờn cứu mụ hỡnh là dạng khỏc của nghiờn cứu lý thuyết, song vận dụng lý thuyết, kiểm định lý thuyết cần cú thớ nghiệm vật lý, trường hợp này ta gọi là thớ nghiệm tiến hành trong phũng.
Sử dụng kết quả nghiờn cứu tương tự là cỏch tiếp cận sỏng tạo, điều này đó được bỏc học vật lý I.Newton đề cập đến trong tỏc phẩm mà ụng đó cụng bố năm 1686. Nhưng cho mói đến năm 1848, J.Bcrtrand mới là người đầu tiờn xỏc định tớnh chất cơ bản của hiện tượng tương tự và đề xuất phương phỏp phõn tớch thứ nguyờn. Tới năm 1870, W.Froudc tiến hành thớ nghiệm về mụ hỡnh tầu thuyền, ụng đó đề xuất số Froude nổi tiếng, chớnh việc này đó đặt nền múng cho định luật tương tự về trọng lực. Tiếp tục hướng nghiờn cứu này năm 1885, O.Reynolds là người đầu tiờn ứng dụng số Froudc tiến hành thớ nghiệm mụ hỡnh sụng Mersey,Veron–Harcourt tiến hành thớ nghiệm mụ hỡnh cửa sụng Rin. Năm 1898, H.Engcls đó xõy dựng thớ nghiệm mụ hỡnh sụng đầu tiờn ở Đức, nghiờn cứu diễn biến cửa sụng thiờn nhiờn. J.R.Freeman xõy dựng phũng thớ nghiệm thuỷ cụng đầu tiờn của cục tiờu chuẩn Mỹ. Ngày nay nhiều nước đó đi theo hướng này, xõy dựng cỏc phũng thớ nghiệm với trang thiết bị hiện đại, đó giải quyết được nhiều bài toỏn, đó đưa ra khỏ nhiều cụng thức thực nghiệm thụng qua thớ nghiệm mụ hỡnh vật lý và và mụ hỡnh toỏn kết hợp.
Về nghiờn cứu lý thuyết, L.Prandtl, G.I.Taylor và T.V.Kamian đều cú những thành tựu lớn, nổi tiếng với cỏc nghiờn cứu về dũng chảy rối và lớp biờn. Ngoài ra, F.Eisner, N.N. Pavlovski, M.V.Kirpiev và Nicuradzc... cũng cú những đúng gúp đỏng kể vào lý thuyết tương tự và kỹ thuật thực nghiệm.
- Trạm thớ nghiệm đường thuỷ của binh đoàn cụng binh Mỹ (WES); - Phũng thớ nghiệm Thuỷ cụng của Liờn Xụ cũ (VNIIG);
- Phũng thớ nghiệm thuỷ lực Quốc gia Phỏp ở Chatou; - Phũng thớ nghiệm thuỷ lực của viện DELFT (Hà Lan);
- Phũng thớ nghiờm thuỷ lợi, thuỷ điện trung ương của Ấn Độ (CWPRS).
- Cỏc phũng thớ nghiệm sụng ngũi của Trung Quốc ở Bắc Kinh, Nam Kinh, Thiờn Tõn, Vũ Hỏn, Quảng Chõu v.v...
Ở Việt Nam, phũng thớ nghiệm mụ hỡnh về cụng trỡnh thuỷ đầu tiờn và duy trỡ hoạt động gần 40 năm nay là của Viện khoa học Thuỷ lợi Việt Nam. Viện khoa học Thuỷ lợi Miền Nam, Cụng ty Tư vấn Xõy dựng Đường thủy thuộc TED1... Tiếp theo là phũng thớ nghiệm thủy lực tổng hợp- Đại học thủy lợi. Những cơ sở thớ nghiệm thuỷ lực cú quy mỏ nhỏ hơn đó cú tại trường Đại học Bỏch khoa, Đại học Xõy dựng, Viện Nghiờn cứu năng lượng Điện lực.
Phõn loại mụ hỡnh cụng trỡnh thủy:
Theo [49] mụ hỡnh phục vụ nghiờn cứu cú cỏc dạng sau: Mụ hỡnh tương tự đồng tớnh và dị tớnh.
+ Mụ hỡnh đồng tớnh: cú kớch thước và biờn thủy lực giống nguyờn hỡnh, vớ dụ mụ hỡnh thớ
nghiệm mỏng súng tràn cú tỷ lệ 1:1 tại phũng Thớ nghiệm thủy lực tổng hợp, đại học Thuỷ lợi.
+ Mụ hỡnh dị tớnh: nếu tớnh chất vật lý của chất liệu nguyờn hỡnh và mụ hỡnh khụng như nhau. Vớ dụ khi nghiờn cứu dũng thấm trong mụi trường hạt rời lấy mụi trường điện trường mụ phỏng cho trường thấm.
Mụ hỡnh vật lý cho cỏc bài toỏn đặt ra: vớ dụ cỏc cụng trỡnh lũng dẫn, xõy dựng cỏc cụng trỡnh trị thủy.
3.2.2 Lý thuyết chuyển đổi thụng số tương quan trong mụ hỡnh
3.2.2.1 Thứ nguyờn
Cơ sở lý thuyết mụ hỡnh được xỏc lập trờn cơ sở lý thuyết tương tự, chỉ khi nào cỏc điều kiện tương tự mà lý thuyết tương tự quy định thỏa món thỡ nguyờn hỡnh (NH) và mụ hỡnh (MH) tương tự mới cú thể căn cứ vào kết quả từ mụ hỡnh mà suy đoỏn kết quả tương ứng ở nguyờn hỡnh. Để mụ hỡnh tương tự với nguyờn hỡnh một cỏch hoàn toàn thỡ cần phải đầy đủ 3 đặc trưng tương tự: hỡnh học, động học và động lực học [38,[43],[49].
Thứ nguyờn là đại lượng biểu thị đơn vị đo cho đối tượng nghiờn cứu, phõn biệt cỏc chủng loại của đại lượng vật lý như độ dài, mật độ, độ dày, nhiệt độ, độ dẫn điện... Thứ nguyờn được diễn đạt bằng một ký hiệu đơn giản (chữ cỏi) và đúng mở bằng một ngoặc vuụng []. Thứ nguyờn khụng thể thay thế bằng thứ nguyờn khỏc gọi là "thứ nguyờn cơ bản" cú thể kể ra đõy như: [L] (độ dài), [M] (khối lượng) và [T] (thời gian), hoặc [F] (lực).
Trong luận ỏn sử dụng 3 thứ nguyờn đầu để phõn tớch hàm PI khi xõy dựng cụng thức. Bảng 3.1: Ký hiệu và đơn vị của của thứ nguyờn cơ bản [49]
Đại lượng vật lý Ký hiệu thường dựng Thứ nguyờn Đơn vi Ghi chỳ Thứ nguyờn cơ bản MLT Thứ nguyờn cơ bản FLT Hệ SI Chiều dài 1 [L] [L] m một
Thời gian t [T] IT] s giõy
Khối lượng m |M| [FT-/L] kg kilụgram