Nghiên cứu chế độ thuỷ lực dòng xiết ba chiều trên mũi phun có xét đến hàm khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI




PHẠM NGUYÊN HÙNG





NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC DÒNG XIẾT BA CHIỀU
TRÊN MŨI PHUN CÓ XÉT ĐẾN HÀM KHÍ





Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Mã số: 62-58-40-01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIỄN SĨ KỸ THUẬT




HÀ NỘI, 2008

Công trình này được hoàn thành tại Bộ môn Thuỷ công
Khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ lợi

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Nguyễn Chiến

Phản biện 1: GS. TS. Trần Đình Hợi, Viện Khoa học Thuỷ lợi

Phản biện 2: GS. TS. Nguyễn Xuân Đặng, Đại học Xây dựng

Phản biện 3: GS. TS. Nguyễn Thế Hùng, Đại học Đà Nẵng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp
Nhà nước họp
tại Trường Đại học Thuỷ lợi
Vào hồi giờ ngày tháng năm




Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia
và Thư viện Trường Đại học Thuỷ lợi

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Nguyễn Chiến, Phạm Nguyên Hùng (2007). Tính toán thuỷ lực điều
khiển dòng xiết bằng mũi phun phát tán có xét đến hàm khí. Tạp chí
Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn số 18/2007.
2. Nguyễn Chiến, Phạm Nguyên Hùng (2007). Tính toán sự phân bố của
hàm lượng không khí trong dòng chảy hở trên các công trình tháo

nước. Tạp chí KHKT Thuỷ lợi và Môi trường số 18.
3. Phạm Nguyên Hùng (2000). Khả năng ứng dụng bài toán điều khiển
dòng xiết bằng kết cấu có đáy cong hai hướng trong xây dung công
trình xả cột nước cao. Tạp chí Điện lực số 6, tháng 06/2000.
4. Phạm Nguyên Hùng (2008). Nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực
điều khiển dòng xiết trên mũi phun phát tán. Tạp chí Nông nghiệp và
Phát triển Nông thôn số 5/2008.


1

Më ®Çu

1. Tính cấp thiết của đề tài
Mặc dù lý thuyết tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều đã được
khởi thảo từ mấy chục năm qua, nhưng việc triển khai áp dụng vẫn
còn nhiều hạn chế do những khó khăn về mặt toán học. Ngoài ra ảnh
hưởng của hàm khí trong dòng chảy có độ xiết cao trên các kết cấu
điều khiển chưa được xem xét đầy đủ làm cho các kết quả tính toán có
thể sai lệch so với thực tế cũng làm hạn chế khả năng áp dụng phương
pháp này.
Vì vậy, việc nghiên cứu bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có
xét đến hàm khí và thiết lập chương trình tính toán tương ứng nhằm
tạo điều kiện so sánh được nhiều phương án kết cấu để tìm lời giải tối
ưu trong thiết kế các công trình tháo có cột nước cao hiện nay là rất
cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là mở rộng phương pháp tính
toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết ba chiều cho trường hợp dòng chảy
có hàm khí, xác định ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số hình

dạng của kết cấu điều khiển cũng như các đặc trưng thuỷ lực của dòng
chảy và thiết lập chương trình tính toán tương ứng để có thể dễ dàng
áp dụng trong thực tế.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận đề xuất các phương trình cơ bản.
- Giải hệ phương trình bằng phương pháp số và thiết lập chương
trình tính toán tương ứng.
- Kiểm chứng các kết quả tính toán bằng thí nghiệm mô hình vật lý.
4. Phạm vi nghiên cứu
Xuất phát từ những yêu cầu về khoa học và thực tiễn cần được
giải quyết cũng như điều kiện về thời gian cho phép mà luận án chỉ
tập trung nghiên cứu đối với bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều trên
mũi phun phát tán cuối dốc nước khi dòng chảy trên đó có lưu tốc cao,
độ xiết lớn (Fr = 30÷100).

2

5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
a) Ý nghĩa khoa học:
Bằng phương pháp số kết hợp với thí nghiệm mô hình để kiểm
chứng, luận án đã giải được bài toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết ba
chiều trên mũi phun phát tán có xét hàm khí để tìm hình dạng mặt đáy
mũi phun thiết kế cũng như các thông số thuỷ lực của dòng chảy trên
đó thoả mãn các điều kiện biên đã cho, làm cơ sở cho việc thiết kế hợp
lý mũi phun của công trình tháo nước.
b) Ý nghĩa thực tiễn :
Luận án đã đưa ra được lời giải bằng phương pháp số cho bài toán
thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí trên mũi phun phát tán
được đặt ra trong thực tế thiết kế các công trình tháo có cột nước cao.
Chương trình FLOW 3D giải bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều

có xét hàm khí lập được trong luận án có giao diện thân thiện và tiện sử
dụng trong thực tế, cho phép người thiết kế dễ dàng tính toán cho nhiều
phương án mũi phun khác nhau để so sánh chọn phương án tối ưu thoả
mãn các điều kiện an toàn và kinh tế trong thiết kế công trình tháo nước.
6. Bố cục của luận án
Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, 5 chương, phần kết
luận-kiến nghị, tài liệu tham khảo và các phụ lục.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DÒNG XIẾT
VÀ TÍNH TOÁN HÀM KHÍ TRONG DÒNG XIẾT

1.1. Các yêu cầu và phương pháp điều khiển dòng xiết
Khi bố trí các đường tháo nước trong các điều kiện địa hình, địa
chất bất lợi thì buộc phải chia nó ra các đoạn có hình dạng hình học
khác nhau mà sự nối tiếp của chúng cần được tính toán cặn kẽ để tránh
các hậu quả bất lợi. Các vấn đề phải giải quyết của ĐKDX là thu hẹp
hay mở rộng dòng chảy trên mặt bằng, đổi hướng chảy, phát tán dòng
chảy ở hạ lưu.

3

Nhiệm vụ của ĐKDX là tìm các biện pháp công trình để làm biến
dạng dòng xiết một cách hợp lý cho phù hợp với các điều kiện tại chỗ,
loại bỏ hoặc hạn chế các hiện tượng thuỷ lực bất lợi.
ĐKDX có thể thực hiện được bằng các phương pháp khác nhau:
a) Bằng các tường bên khi đáy lòng dẫn phẳng;
b) Bằng đáy cong khi các tường bên không đóng vai trò chủ
động trong điều khiển;
c) Bằng đáy và tường bên cong;

d) Bằng các bề mặt có đặt nhám nhân tạo hay vật cản cục bộ.
1.2. Tổng quan về phương pháp tính toán ĐKDX trên mũi phun
1.2.1. Các bài toán thuỷ lực về ĐKDX
1. Bài toán thuận: Cho trước đường biên của lòng dẫn, yêu cầu
tìm quy luật phân bố các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy trên đó
(lưu tốc, áp suất, chiều sâu, hình dáng đường dòng, ).
Nổi tiếng nhất theo hướng này là các công trình của
O.V.Golybeva và các cộng sự, F.I.Frankel, A.P.Frolov, K.Voronhetx,
I.A.Serencov và các nhà khoa học khác.
2. Bài toán ngược: Cho trước một số thông số quan trọng nhất của
dòng chảy, yêu cầu tìm hình dạng bề mặt lòng dẫn.
Tiếp cận lời giải bài toán ngược của điều khiển dòng xiết đã được
đề cập trong các công trình của N.E.Conđrachiev và được phát triển
tiếp theo trong các công trình của A.G.Tranhisvili, A.D.Gambarian,
A.M.Tujinkin, B.J.Emtxev, L.I.Vưxôtxki, A.A.Turxunov, …
1.2.2. Giải bài toán điều khiển dòng xiết trên mũi phun
1. Mũi phun thông thường
Loại mũi phun cổ điển nhất và ngày nay vẫn được áp dụng phổ
biến là mũi phun liên tục có dạng hình trụ trên mặt bằng. Đối với loại
này, do không có sự mở rộng hay thu hẹp trên mặt bằng nên trong tính
toán lấy lưu lượng đơn vị q tại vị trí luồng nước rơi xuống hạ lưu cũng
bằng lưu lượng đơn vị tại mặt cắt cuối mũi phun. Việc tính toán điều
khiển quy về việc xác định trị số góc hắt tối ưu β
k
.
2. Các mũi phun dạng đặc biệt

4

Trong nhiều trường hợp, khi lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng

chảy ở cuối dốc nước là lớn thì việc sử dụng mũi phun hình trụ thông
thường sẽ gặp bất lợi là hố xói sâu sau mũi phun có khả năng đe doạ
an toàn của công trình. Để đạt được hiệu quả điều khiển cao hơn, cần
phải làm các dạng mũi phun đặc biệt mà tác động điều khiển dòng
chảy được thực hiện ở cả tường bên và đáy, như : mũi phun phát tán,
mũi phun xoắn, máng phun thu hẹp dần hoặc mũi phun dạng hình
nêm,
ë các nước phương Tây, khi thiết kế các mũi phun dạng đặc biệt
này đều chủ yếu sử dụng phương pháp thực nghiệm hay nói cách khác
hình dạng hợp lý của mũi phun được tìm kiếm bằng con đường thí
nghiệm mô hình.
Cách tiếp cận lời giải bài toán điều khiển dòng xiết của các nhà
khoa học Liên Xô trước đây và Liên bang Nga ngày nay có khác với
các nhà nghiên cứu ở phương Tây. Trong những năm 30÷50 của thế
kỷ trước, các nhà khoa học Xô Viết đã có nhiều cố gắng trong việc
khởi thảo lý thuyết điều khiển dòng xiết và phương pháp tính toán các
kết cấu tương ứng.
Năm 1938, N. E. Conđrachiev đề nghị sử dụng các mũi phun có
tác dụng làm giảm đột ngột chiều sâu hố xói so với các mũi phun
thông thường. Từ sự phân tích đặc điểm chuyển động của dòng xiết
trên mặt cong, N.E.Conđrachiev đã thiết lập được phương trình vi
phân của dòng chảy uốn cong không gian và đề nghị phương pháp gần
đúng tính toán mũi phun phát tán. Các kết cấu tương tự của mũi phun
phát tán cũng đã được A.G.Tranhisvili nghiên cứu, chính ông đưa ra ý
tưởng chính xác hoá phương pháp tính toán các mũi phun này.
A.M.Tujilkin cũng đề nghị mặt cắt ngang đáy mũi phun phát tán
có biên là cung tròn, nhưng với tính toán để mặt tự do của dòng xiết
cạnh tường biên của mũi phun thoả mãn phương trình của
N.E.Conđrachiev. Tiếp theo, phương pháp này được mở rộng cho các
mặt cắt ngang dạng bất kỳ.

Cho đến những năm 60 của thế kỷ trước, về cơ bản các phương
pháp tính toán mũi phun phát tán đã được hoàn thiện. Năm 1968, một

5

công trình nghiên cứu đầy đủ và có hệ thống về tính toán thuỷ lực các
kết cấu điều khiển dòng xiết đã được L.I.Vưxôtxki công bố. Tại đây
đã trình bày các cơ sở thiết lập hệ phương trình cơ bản của dòng xiết
3 chiều bao gồm: Phương trình chuyển động (2-3), phương trình phân
bố áp suất trong dòng chảy cong không gian (2-20), phương trình liên
tục (2-25) và phương trình Becnuli (2-28).
1.3.3. Xét đến hàm khí trong bài toán điều khiển dòng xiết
Dòng chảy xiết có lưu tốc cao thường có khả năng tự hàm khí, tức
là không khí xâm nhập vào dòng chảy từ phía mặt tự do. Trong dòng
chảy hàm khí, yếu tố khối lượng riêng hay mật độ chất lỏng chuyển
động (ρ
hk
) là thay đổi. Tuy nhiên, việc xét sự thay đổi của tỷ số này
dọc theo đường dòng, cũng như theo chiều sâu là chưa được đề cập
đến. Trong chương trình tính toán mà L.I.Vưxôtxki và các cộng sự
công bố đều chưa xét đến ảnh hưởng của hàm khí, do đó có thể có sai
khác đáng kể, đặc biệt là khi dòng chảy trên mũi phun có độ xiết cao
(trị số Fr lớn). Điều này cho thấy sự cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu
để hoàn thiện phương pháp tính toán điều khiển dòng xiết có xét đến
hàm khí.
1.3.4. Về ứng dụng các bài toán ĐKDX ở Việt Nam
ë Việt Nam, từ năm 1998 đến nay đã có một số công trình nghiên
cứu ứng dụng các bài toán điều khiển dòng xiết 2 chiều (Nguyễn Thế
Điện -1998, Lê Hữu Số-1999, Vũ Hữu Hải -2004, ), 3 chiều (Phạm
Nguyên Hùng-2000, Nguyễn Trung Việt -2001, Đỗ Tuấn Anh-

2006, ). Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở phương án so
sánh và tính phổ cập của các chương trình tính toán chưa cao.
1.4. Về tính toán hàm khí trong dòng chảy hở
Việc tính toán hàm khí trong dòng chảy hở là cần thiết cho việc
xác định chiều cao thành lòng dẫn, toạ độ đáy cong 2 chiều của các
mũi phun để điều khiển dòng xiết, chiều dài phóng xa của tia dòng và
chiều sâu hố xói sau mũi phun,
Những thành tựu chính trong nghiên cứu hàm khí của dòng chảy
hở đã đạt được vào những năm 60÷70 của thế kỷ trước bởi các nhà

6

khoa học Liên Xô như Ixatrencô N.B., Vôinhitr-Xianogienxki T.G.,
Troitxki V.P., Xacvarelidze V.V., Boropcov V.X., Xlixki X.M., và các
nhà khoa học Mỹ như Campbell F.B., Guyton B., Straub G., Anderson
G., Sharma H.R.,v.v Tuy nhiên, vì vấn đề hàm khí của dòng chảy
nói chung và dòng chảy hở nói riêng là rất phức tạp, nên việc nghiên
cứu nó vẫn còn tiếp diễn cho đến ngày nay.
X.M.Xlixki đã tổng hợp các số liệu thí nghiệm và đo đạc hiện
trường về giới hạn bắt đầu hàm khí và đưa ra giới hạn dòng chảy bắt
đầu hàm khí như sau:

λ
ψ
/cos38,0
=
>
gh
FrFr
(1-20)

λψ
/cos38,0 gRVV
gh
=>
(1-21)
G. Straub và G. Anderson bằng thực nghiệm đã chỉ ra sự khác
nhau về quy luật phân số hàm khí trong hai miền khí-nước và nước-
khí như sau:
- Độ tập trung trong miền khí S ở miền khí-nước tại cao độ y* bất
kỳ tính từ mặt phân chia:

∫
∞
−=
−
−
*
*])
*
(
2
1
exp[
2
1
)1(2
1
2
y

dy
y
S
S
p
σ
πσ
(1-24)
- Độ tập trung trong miền khí S ở miền nước-khí:

K
yhp
y
hp
SS )(
2/
−
=
(1-25)
1.5. Kết luận chương 1
1. Dòng chảy lưu tốc cao xuất hiện trên các công trình tháo có cột
nước cao, lưu lượng lớn. Trong việc nghiên cứu tương tác giữa dòng
chảy lưu tốc cao với các bộ phận công trình và lòng dẫn hạ lưu còn
tồn tại những vấn đề chưa được giải quyết thấu đáo như khí thực, hàm
khí, phương pháp điều khiển dòng xiết.
2. Các kết cấu để điều khiển dòng xiết rất đa dạng. Trong luận án
này tập trung nghiên cứu loại mũi phun phát tán đặt cuối dốc nước.
Đây là loại mũi phun có đáy cong hai chiều và tường bên cong, có thể
đạt được hiệu quả cao về phân tán dòng chảy theo phương ngang làm
giảm lưu lượng đơn vị, giảm chiều sâu hố xói.

7

3. Cho đến nay, ở các nước phương Tây, khi thiết kế các dạng
mũi phun đặc biệt cuối dốc nước thường chỉ sử dụng phương pháp thí
nghiệm mô hình, do đó tốn nhiều thời gian và kinh phí.
4. Lý thuyết về tính toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết đã được
các nhà khoa học Xô Viết khởi thảo từ những năm 30÷50 và hoàn
thiện vào những năm 70 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, vẫn còn có
những tồn tại như khối lượng tính toán lớn, chương trình tính toán ít
được phổ cập, ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thuỷ lực và
hình dạng đường biên của kết cấu điều khiển dòng xiết chưa được
xem xét đầy đủ.
5. Ở Việt Nam trong thời gian gần đây, việc giải các bài toán điều
khiển dòng xiết đã được quan tâm nghiên cứu. Một số chương trình
tính toán đã được lập nhưng mức độ tiện dụng và tính phổ biến chưa
cao. Ngoài ra, các lời giải phần lớn chưa được kiểm chứng bằng thí
nghiệm mô hình, chỉ mới dừng lại ở mức “phương án so sánh”.
6. Bài toán hàm khí của dòng chảy hở đã được nhiều nhà khoa
học phương Tây và Liên Xô trước đây quan tâm nghiên cứu. Công
thức tính toán phân bố độ hàm khí trong dòng chảy được xác định từ
kết quả đo đạc thực nghiệm. Việc tính toán theo các công thức này
khá rườm rà, và cũng chưa có chương trình tính toán nào được công
bố.
7. Từ những phân tích ở trên, luận án tập trung nghiên cứu biện
pháp điều khiển dòng xiết bằng các mũi phun có đáy cong hai chiều
đặt cuối dốc nước, với các nhiệm vụ cụ thể như sau:
- Lập hệ phương trình vi phân cơ bản của dòng xiết ba chiều có
xét đến hàm khí.
- Lập thuật toán và chương trình tính toán thuỷ lực dòng xiết ba

chiều để xác định toạ độ đáy của thiết bị điều khiển (mũi phun phát
tán) và các thông số của dòng chảy trên đó.
- Ứng dụng tính toán cho công trình thực tế, chỉ ra được ảnh
hưởng của các thông số khác nhau đến hiệu quả điều khiển dòng xiết
có xét đến hàm khí.

8

- Nghiên cứu kiểm chứng các kết quả tính toán bằng thí nghiệm
mô hình thuỷ lực.

Chương 2
PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA DÒNG XIẾT
CONG BA CHIỀU CÓ XÉT ĐẾN HÀM KHÍ

2.1. Các phương trình cơ bản của dòng xiết ba chiều không xét
hàm khí
2.1.1. Phương trình vi phân mặt tự do
Theo L.I.Vưxôtxki, phương trình vi phân mặt tự do của dòng
chảy cong không gian trong hệ toạ độ trụ trực giao sy
1
z (hình 2.1) như
sau:
( )














+−−π
+






∂
∂
+
∂
∂
−
∂
∂
=
∂
∂
β=
∂
∂
ms00

2
2
2
2
2
hzz2
1
s
z
1
s
z
ds
yd
ds
dy
s
z
y
z
tg
s
z

(2-3)
Để thuận lợi cho việc tính toán, đưa miền tích phân về một miền chữ
nhật. Nếu chiều dài s của mặt bằng một đường dòng bất kỳ tính từ trục y
được biểu thị qua chiều dài s
*
của đường dòng đã biết (nếu là đường dòng

biên thì là s
k
): s = s (s
*
, n) (2-6)
Chuyển sang các biến mới là s
k
và n, phương trình mặt tự do sẽ có
dạng:

( )





















∏
+
∂∂+
∂
∂
+
∂
∂
−
∂
∂
=
∂
∂
1
/
.
2
2
2
k
k
k
k
szF
s
z
D
s

z
C
s
z
BA
n
z
(2-7)

9

Trong đó: A, B, C, D, F là các hệ số thay đổi mà dạng của chúng
phụ thuộc vào cách đưa vào tham số n. Công thức cụ thể để xác định A,
B, C, D, F sẽ nhận được sau khi cho mặt bằng dường dòng biên y
k
= y
k
(s
k
).
Sau khi cụ thể hoá điều kiện (2-6) và cho y
k
= y
k
(s
k
), cuối cùng
tích phân trực tiếp phương trình vi phân (2-7) theo n, ta được:
dn
s

z
F
s
z
D
s
z
C
s
z
BAzz
k
k
k
k
n
n



























Π
+








∂
∂
+
∂
∂
+
∂

∂
−
∂
∂
+=
∫
1
2
2
2
*
*

(2-10)
Trong đó: z
*
= z
*
(s
*
)
n=n*
là hàm bất kỳ của s
*
, phải thoả mãn các
điều kiện biên từ việc mô tả mặt cắt dọc của đường dòng biên.
2.2.2. Phương trình phân bố áp suất
Phương trình phân bố áp suất trong dòng chảy cong không gian:

∫







⋅
++








∂
∂
−+=
z
z
dz
g
tgT
gR
v
g
v
s
gghpp

0
22
0
sin
2
cos
β
ββρρ
(2-20)
2.2.3. Phương trình liên tục
Phương trình liên tục đối với tia dòng cong không gian:

2222
1111
12
coscos
coscos
.
bv
bv
hh
δαβ
δαβ
δδ
=
(2-25)
2.2.4. Phương trình Bec-nu-li
ms
h
g

vp
z
g
vp
z +++=++
22
2
22
2
2
11
1
γγ
(2-28)
Trong đó p
1
, p
2
có tính đến lực li tâm do độ cong của đường dòng.
2.3. Thiết lập phương trình của dòng xiết ba chiều có xét hàm khí
2.3.1. Các giả thiết bổ sung
1- Dòng chảy 2 pha (nước+khí) được thay thế bằng một hỗn hợp
tương đương nào đó có mật độ biến đổi mà để phân tích chuyển động
của nó có thể áp dụng phương pháp của L. Ơ Le.

10
2- Ảnh hưởng của phần trên mặt của dòng hàm khí lên các lớp
dòng chảy phía dưới sẽ được tính đến ở dạng một trị số không đổi nào
đó bổ sung cho áp lực khí trời, nghĩa là sẽ coi rằng trên bề mặt phân
chia (không khí và nước) sẽ chịu tác dụng của áp suất gần bằng p

o
= p
a

+ ∆p = const, trong đó ∆p xét đến ảnh hưởng của lớp bên trên mặt
phân chia (lớp khí-nước).
3- Theo giả thiết 2, biên giới phần trên và phần giữa của dòng
hàm khí có thể coi là mặt tự do qui ước của dòng hàm khí. Các đường
dòng mặt tự do được giả thiết là nằm trên mặt tự do qui ước.
2.3.2. Các phương trình của dòng xiết ba chiều có xét hàm khí
Với dòng chảy có hàm khí, ρ
hk
là một đại lượng thay đổi theo vị
trí của điểm xét. Theo đó, các phương trình đã viết cho dòng chảy
không hàm khí nếu có chứa đại lượng mật độ chất lỏng (ρ) thì cần có
sự điều chỉnh tương ứng. Kết hợp với các định nghĩa về độ tập trung
khí, độ tập trung nước và quan hệ giữa các đại lượng, qua các biến đổi
cần thiết dẫn ra được các phương trình như dưới đây.
2.3.2.1. Phương trình phân bố áp suất trong dòng chảy

∫






⋅
++









∂
∂
−−∆+=
z
z
dz
g
tgT
gR
v
g
v
s
gSppp
0
22
0
sin
2
cos)1(
β
ββρ
(2-35)

2.3.2.2. Phương trình liên tục
Hh
S
S
h
1
1
1
2
1
2
δδ
−
−
=
, (2-40)
2.4. Kết luận chương 2
1. Dòng xiết ba chiều có những đặc điểm khác biệt so với dòng
xiết hai chiều như: qui luật phân bố áp suất trong dòng chảy không
tuân theo qui luật thuỷ tĩnh; thành phần lưu tốc và gia tốc theo hướng
pháp tuyến với trục dòng chảy là đáng kể và không thể bỏ qua trong
tính toán.
2. Tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều trong trường hợp không
có hàm hàm khí có thể thực hiện được trên cơ sở các phương trình
sau: Phương trình vi tích phân mặt tự do (2-10); Phương trình phân bố
áp suất trong dòng chảy (2-20); Phương trình liên tục (2-25); Phương

11
trình Becnuli (2-28).
3. Trường hợp dòng chảy có xét đến hàm khí, trên cơ sở các giả

thiết bổ sung về dòng chảy tương đương có mật độ biến đổi và về mặt
tự do qui ước, luận án đã viết được phương trình (2-35) về phân bố áp
suất trong dòng chảy hàm khí và phương trình (2-40) biểu thị tính liên
tục của dòng chảy hàm khí. Các phương trình này kết hợp với phương
trình (2-10) và (2-28) thành một hệ khép kín có thể giải được để xác
định các thông số của dòng chảy có xét hàm khí và hình dạng đường
biên của kết cấu điều khiển.

Chương 3
THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THUỶ LỰC
DÒNG XIẾT CONG BA CHIỀU CÓ XÉT ĐẾN HÀM KHÍ

3.1. Thuật toán tính hàm khí trong dòng chảy hở
Thuật toán tính phân bố hàm khí trong dòng chảy hở bao gồm:
- Xác định vị trí bắt đầu xuất hiện xâm nhập khí vào dòng chảy.
Điều kiện bắt đầu có hàm khí khi Fr >Fr
gh
(1-20) hoặc V>V
gh
(1-21).
- Tính toán chi tiết mức độ hàm khí trong dòng chảy tại mặt cắt
bắt kỳ có hiện tượng hàm khí (tức là xác định quan hệ S~h):
+ Mật độ hàm khí trong miền khí- nước (h > hp):

*
2
1
)1(21
2
*

2
1
dyeSS
y
p
∫






−
Π
−−=
σ
σ
(3-12)
+ Mật độ hàm khí trong miền nước-khí (h<h
p
):


















−−
=
hp
h
K
P
eSS
1
(3-13)
- Tính toán đưa ra bức tranh chung về sự hàm khí trên toàn bộ dốc
nước, mũi phun.
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến phân bố hàm khí
trong dòng xiết 3 chiều
3.2.1. Đặt vấn đề
Đối với dòng xiết 3 chiều, qui luật thay đổi độ hàm khí trong đó
không những phụ thuộc chiều sâu của lớp dòng chảy đang xét (đặc

12
trưng bởi σ
h
), mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như độ mở rộng
của dòng chảy trên mặt bằng (σ

b
) và mức độ xiết của dòng chảy (trị số Fr).
Vì vậy, cần thiết phải tính toán cho các dòng xiết 3 chiều có các đặc trưng
hình học và thuỷ lực khác nhau để có thể khái quát hết mức độ phụ thuộc của
phân bố hàm khí vào các đặc trưng này nhằm đưa ra qui trình tính toán thích
hợp.
3.2.2. Sơ đồ tính toán, kết quả tính toán và nhận xét
Tính toán phân bố hàm khí trên dốc nước cho công trình Hồ chứa
nước Tả Trạch, tỉnh Thừa Thiên Huế. Mục đích tính toán nhằm làm rõ
quan hệ S = f(Fr, σ
h
, σ
b
). Một số kết quả tính toán quan hệ S∼Fr, σ
h
thể
hiện trên hình 3.5÷3.7, quan hệ S∼Fr, σ
b
thể hiện trên hình 3.8÷3.9.
Từ các kết quả tính toán rút ra một số nhận xét:
1) Trị số của S giảm rất nhanh theo chiều sâu dòng chảy. Với các
dòng chảy có trị số Fr không lớn thì vùng hàm khí chỉ tập trung ở gần
mặt thoáng. Khi trị số Fr tăng, vùng hàm khí có xu hướng mở rộng về
phía đáy lòng dẫn.
2) Với các trị số lớn (khoảng Fr>60) thì sự thay đổi của S dọc
theo chiều dài đường dòng trong phạm vi mũi phun là không đáng kể.
Khi đó ứng với mỗi trị số σ
b
, quan hệ S∼σ
h

tại các mặt cắt trên mũi
phun có thể lấy gần đúng theo mặt cắt cuối dốc nước (đầu mũi phun).
Với các trị số Fr<60 thì dạng của biều đồ S∼σ
h
thay đổi rõ rệt theo trị
số Fr.
3) øng với mỗi trị số Fr xác định thì sự thay đổi của S dọc theo
đường dòng và chiều sâu rất ít phụ thuộc vào σ
b
(đường quan hệ S∼σ
b

gần như nằm ngang).
3.3. Thuật toán tính thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm
khí
Tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí có thể
thực hiện được trên cơ sở phương trình vi tích phân mặt tự do (2-10),
phương trình phân bố áp suất (2-35), phương trình liên tục (2-40) và
phương trình Becnuli (2-28). Tóm tắt phương pháp và trình tự tính
toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí như sau:

13
1) Tính toán thuỷ lực dốc nước để xác định các thông số thuỷ lực tại
mặt cắt cuối dốc (đầu vào mũi phun): h
o
, v, Fr.
2) Tính toán các đặc trưng hàm khí tại mặt cắt cuối dốc.
3) Tính toán toạ độ mặt thoáng, toạ độ mặt đáy mũi phun và các đặc
trưng thuỷ lực của dòng chảy trên mũi phun. Khi giải các phương
trình (2-35), (2-40), đặc trưng phân bố hàm khí tại các mặt cắt được

lấy theo mặt cắt cuối dốc nước.
4) Tính chiều dài phun xa, chiều dài vết làn nước rơi, chiều sâu hố xói.
3.5. Chương trình tính toán
Trên cơ sở thuật toán tính thuỷ lực dòng xiết cong ba chiều, tác
giả đã lập chương trình tính toán FLOW 3D được viết bằng ngôn ngữ
lập trình hiện đại Visual Studio, chạy trong môi trường Windows có
giao diện dễ sử dụng và có khả năng phổ cập cao. Việc kiểm chứng
bằng thí nghiệm mô hình thuỷ lực cho thấy chương trình có độ chính
xác đạt yêu cầu kỹ thuật và có thể sử dụng để tính toán trong thực tế.
3.6. Kết luận chương 3
1. Khi tính toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết ba chiều đối với
trường hợp dòng chảy có xét đến hàm khí sử dụng hệ các phương
trình (2-10), (2-28), (2-35), (2-40).
2. Về ảnh hưởng của các yếu tố đến phân bố hàm khí trong dòng
xiết đều:
- Trị số của S giảm rất nhanh theo chiều sâu dòng chảy. Với các
dòng chảy có trị số Fr không lớn thì vùng hàm khí chỉ tập trung ở gần
mặt thoáng. Khi trị số Fr tăng, vùng hàm khí có xu hướng mở rộng về
phía đáy lòng dẫn.
- Với các trị số Fr>60 thì sự thay đổi của S dọc theo chiều dài
đường dòng trong phạm vi mũi phun là không đáng kể. Với các trị số
Fr<60 thì dạng của biều đồ S∼σ
h
thay đổi rõ rệt hơn theo trị số Fr.
- Ứng với mỗi trị số Fr xác định thì sự thay đổi của S dọc theo
đường dòng và chiều sâu rất ít phụ thuộc vào σ
b
(đường quan hệ S∼σ
b

gần như nằm ngang).
3. Khi tính toán dòng chảy có xét đến hàm khí với độ xiết cao trên
mũi phun phát tán thì có thể coi các đặc trưng phân bố độ tập trung

14
khí (S) không thay đổi dọc theo đường dòng và có thể sử dụng dạng
biểu đồ phân bố S∼σ
h
tại mặt cắt cuối dốc (đầu vào mũi phun) cho các
mặt cắt khác trên toàn mũi phun.
4. ¸p dụng chương trình FLOW 3D có thể nhanh chóng tìm ra lời
giải kỹ thuật cho nhiều phương án kết cấu điều khiển dòng xiết khác
nhau, từ đó tiến hành so sánh kinh tế để tìm ra phương án công trình
tối ưu.


Chương 4
NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG XIẾT BA CHIỀU
TRÊN MŨI PHUN PHÁT TÁN BẰNG MÔ HÌNH SỐ

4.1. Sơ đồ tính toán
Việc nghiên cứu được tiến hành theo sơ đồ một phương án so
sánh của đường tràn công trình đầu mối thuỷ điện XêKaMan 3 (hình
4.1).
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của mũi
phun đến các đặc trưng dòng chảy trên đó
4.2.1. Quy luật biến đổi của các thông số tính toán trên mũi phun
- Trong khoảng 1/2 chiều dài đoạn đầu thì đường biên hình học của
mũi phun không thay đổi nhiều so với dốc nước, phần còn lại của chiều dài
mũi phun mở rộng nhanh và đạt được góc loe tại cuối mũi phun 2α

kk
= 90°.
- Độ sâu dòng chảy giảm dần dọc theo chiều dài mũi phun, nhưng
trong mặt cắt ngang thì phân bố khá đều, đến gần sát biên thì giảm.
- Độ cong của đường mặt nước tại các mặt cắt ngang càng về cuối
càng tăng.
- Vận tốc tăng dần theo chiều dọc và đạt giá trị lớn nhất tại vị trí thấp
nhất của mặt cắt dọc, sau đó giảm dần về cuối. Trong mặt cắt ngang vận
tốc phân bố khá đều ở khoảng giữa và giảm dần ở khu vực sát biên.
- Sự biến thiên của số Fr theo phương dọc và phương ngang gần giống
như sự biến thiên của vận tốc.

15
- Áp suất không tuân theo qui luật thuỷ tĩnh, trị số cột nước áp lực tại
một điểm lớn hơn chiều sâu dòng chảy tại điểm đó. Theo chiều dọc áp suất
tăng nhanh và giảm dần ở gần cuối mũi phun. Theo phương ngang chúng
tăng dần vào giữa , ở khu sát biên giá trị giảm hẳn.
4.2.2. Ảnh hưởng của các thông số hình học của mũi phun
Kết quả xem bảng 4.2 ÷ 4.5.
4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thuỷ lực
Một số kết quả tính toán thể hiện trên hình 4.23, 4.28 và 4.38. Từ kết
quả tính toán cho phương án mũi phun phát tán của đường tràn XêKaMan3
với trị số Frut trên mũi phun trong khoảng Fr=40
÷
60 cho thấy, so với
trường hợp không xét hàm khí thì:
- Cao độ đáy mũi phun yêu cầu thấp hơn, trị số hạ thấp nhiều nhất
ở đoạn đầu và giảm dần theo chiều dài mũi phun. Mức độ hạ thấp tỷ lệ
với độ xiết của dòng chảy (số Frút).
- Độ sâu dòng chảy lớn hơn, chiều cao thành lòng dẫn yêu cầu

tăng lên khoảng (5
÷
6 )%.
- Áp suất thuỷ động tại đáy mũi phun giảm trong khoảng
(8
÷
10)%. Điều này cần được lưu ý khi tính toán kiểm tra khả năng
khí thực tại đáy mũi phun.
- Chiều dài phóng xa và chiều sâu hố xói: Do dòng chảy có hàm
khí nên tia dòng phóng xuống hạ lưu có độ xốp cao hơn, bề mặt chịu
ma sát với không khí lớn hơn, mức độ phân rã của dòng chảy tăng lên,
làm giảm chiều dài phóng xa L
r
và chiều sâu hố xói giảm.
4.5. Kết luận chương 4
1. Dòng chảy trên mũi phun phát tán được thiết kế theo phương
pháp đã nêu có sự phân bố khá hợp lý với độ sâu và lưu tốc tương đối
đồng đều trên từng mặt cắt ngang. Trên mặt cắt ngang, đường mặt
nước đạt vị trí cao nhất ở trục đối xứng của dốc nước và thấp dần về
hai bên thành bờ. Độ cong hướng ngang của đáy và đường mặt nước
tăng dần theo chiều dòng chảy và đạt trị số lớn nhất ở mặt cắt cuối
mũi phun.
2. Áp suất thuỷ động trong dòng chảy trên mũi phun không tuân
theo quy luật thuỷ tĩnh mà phụ thuộc nhiều vào độ cong theo phương

16
dọc mũi phun. Nói chung, cột nước áp lực tại các điểm trong dòng
chảy trên mũi phun phát tán có trị số lớn hơn so với chiều sâu dòng
chảy tương ứng do ảnh hưởng của lực li tâm theo phương dọc và
phương ngang.

3. Việc tăng độ mở của mũi phun trên mặt bằng lên λ>2 thường
làm tăng nhanh chiều dài yêu cầu của mũi phun, trong khi hiệu quả
đạt được về giảm xói hạ lưu là không tương xứng.
4. Mức độ mở rộng trên mặt bằng của mũi phun gia tăng mạnh
nhất ở đoạn cuối của nó. Vì vậy, với một trị số λ xác định, việc giảm
trị số góc mở rộng trên mặt bằng xuống α
kk
<45° sẽ làm cho chiều dài
mũi phun tăng nhanh, dẫn đến tăng khối lượng công trình.
5. Độ dốc tại mặt cắt đầu của mũi phun phải lấy bằng độ dốc của
dốc nước (i). Với dốc nước đủ dài thì trị số của i sẽ quyết định mức
độ chảy xiết ở cuối dốc, tức đầu mũi phun. Còn với một mức độ chảy
xiết (trị số Fr) ở mặt cắt đầu xác định thì hình dạng và kích thước trên
mặt bằng của mũi phun không phụ thuộc vào độ dốc i; cao độ đáy
mũi phun giảm khi i tăng. Ngoài ra mức độ ảnh hưởng của độ dốc i
đối với chiều dài phun xa, chiều sâu hố xói là không nhiều.
6. Trị số của góc hắt β
kk
không ảnh hưởng đến hình dạng và kích
thước của mũi phun trên mặt bằng, nó chỉ ảnh hưởng đáng kể đến độ
cong theo phương dọc ở đoạn cuối mũi phun. Khi β
kk
<30° thì sự phụ
thuộc của chiều dài phun xa L
r
, chiều dài vết nước rơi ở đáy hạ lưu L
v

và chiều sâu hố xói d
x

vào β
kk
là không nhiều; nhưng khi β
kk
> 30°
thì ảnh hưởng của nó đến các trị số L
r
, L
v
, d
x
là đáng kể.
7. Khi dòng chảy ở mặt cắt đầu mũi phun có độ xiết cao (trị số
Fr>30) thì cần thiết phải xét đến hàm khí trong bài toán điều khiển
dòng xiết, khi đó sẽ cho kết quả:
- Cao độ đáy mũi phun yêu cầu thấp hơn;
- Chiều cao thành lòng dẫn yêu cầu lớn hơn;
- Áp suất thuỷ động tại đáy mũi phun giảm;
- Độ phun xa và chiều dài vết nước rơi ở hạ lưu của dòng phun
giảm; hiệu quả giảm chiều sâu hố xói là không rõ ràng.

17
8. Việc sử dụng thuật toán và chương trình tính toán nêu trong
luận án cho phép nhanh chóng đạt được kết quả tính toán, tạo điều
kiện so sánh được nhiều phương án bố trí mũi phun trong thiết kế để
chọn ra giải pháp công trình hợp lý nhất. Thí nghiệm mô hình thuỷ
lực được thực hiện cho phương án chọn, để chuẩn xác hoá các thông
số thuỷ lực trên đó, cũng như đưa ra các điều chỉnh khi cần thiết.

Chương 5

NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC
ĐIỀU KHIỂN DÒNG XIẾT TRÊN MŨI PHUN
PHÁT TÁN CÓ XÉT HÀM KHÍ

5.1. Thiết kế mô hình
Mô hình thí nghiệm là mô hình chính thái theo tiêu chuẩn Froude,
tỉ lệ λ
l
được chọn là tỉ lệ nhỏ nhất mà điều kiện phòng thí nghiệm cho
phép, thoả mãn điều kiện giá trị số Reynolds trên mô hình (Re
m
)
không bé hơn trị số giới hạn (Re
m
> Re
gh
), bảo đảm cho dòng chảy ở
mô hình là dòng chảy rối thuộc khu sức cản bình phương. Trên cơ sở
đó tỷ lệ mô hình đã được chọn λ
l
= 64.
Vật liệu làm mô hình được chọn trên cơ sở bảo đảm tương tự về
độ nhám trên các bề mặt kết cấu công trình tiếp xúc với nước tương
ứng. Xuất phát từ đó đã chọn vật liệu chế tạo các phần kết cấu mô
hình như sau: Đối với mặt bê tông rất nhẵn, chất lượng thi công cao
như mặt đập tràn, dốc nước và mũi phun: dùng kính hữu cơ; Đối với
lòng sông tự nhiên, kênh đào trong đá: dùng vữa xi măng cát mịn trát
bình thường, tùy vị trí; Đối với vật liệu thí nghiệm xói: Trong luận án
này không đặt trọng tâm về nghiên cứu xói hạ lưu mũi phun, cho nên
khi thí nghiệm chưa xét đến tương tự đầy đủ mô hình xói, mà chỉ thực

hiện cho 1 loại vật liệu cụ thể là đá dăm tương đương với đường kính
viên đá nguyên hình d≈0,5m.
5.2. Các thiết bị đo
- Địa hình và cao độ nói chung: Dùng máy thuỷ bình Ni07 để đo
cao độ và thước cây để đo khoảng cách trên mặt bằng.

18
- Phần mô hình bằng kính hữu cơ: Kiểm tra kích thước bằng
thước cây và thước cặp.
- Cao độ mặt nước nói chung, độ sâu: Dùng kết hợp máy Ni04 và
cọc mốc, thước bẹt.
- Cao độ mức nước: Mực nước sông hạ lưu ở mặt cắt khống chế
Z
h
= f(Q). Cao độ mức nước thượng lưu đập tràn mô hình và đập tràn
đo lưu lượng: Dùng ống đo áp kết hợp với bình lặng sóng.
- Lưu lượng: Được đo bằng đập tràn chữ nhật. Lưu lượng qua đập
tràn chữ nhật tính theo công thức Rehbock.
- Vận tốc: Vận tốc trung bình thời gian (
u
) và mạch động vận tốc
(u') được đo bằng thiết bị điện tử nhãn hiệu P. EMS do Hà Lan chế
tạo.
- Áp suất: Áp suất
p
và mạch động áp suất p' được đo bằng thiết
bị điện tử nhãn hiệu HYDRA do Đức chế tạo. Áp suất trung bình thời
gian
p
còn được đo bằng ống đo áp kết hợp với đo bằng thiết bị điện

tử nói trên.
5.3. Đánh giá sai số đối với kết quả đo
Sai số về lưu lượng: 2%; Sai số về áp suất: 1÷3%; Sai số về vận
tốc:2÷3%; Sai số về cao độ, mực nước: không vượt quá 0.15m thực tế.
5.4. Các sê-ri thí nghiệm và biện pháp cấp khí
- Đối với mũi phun phát tán tiến hành cho hai phương án độ dốc i =
0,3; 0,4.
- Với mỗi phương án độ dốc, thí nghiệm cho cả hai trường hợp có và
không có hàm khí, với 3 cấp lưu lượng.
- Đối với mũi phun hình trụ chỉ tiến hành cho phương án độ dốc i =
0,4 và không có hàm khí.
Để mô phỏng hiện tượng hàm khí trong dòng chảy, đã sử dụng biện
pháp bơm không khí vào trong dòng chảy đang xét. Lưu lượng không khí
bơm vào trong dòng chảy được xác định trên cơ sở tính toán mức độ hàm
khí (độ tập trung khí) trong dòng chảy. Việc cấp khí được thực hiện bằng 1
máy nén khí, thông qua hệ thống ống dẫn và 17 đầu ra của khí được gắn

19
vào đáy dốc nước (đầu mũi phun) tại mặt cắt 0-0. Lưu lượng khí được xác
định thông qua dụng cụ đo vận tốc khí.
5.5. Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm cho 2 phương án độ dốc trong trường hợp có
xét và không xét hàm khí được trình bày trên hình 5.11 ÷ hình 5.34.
5.5.1. So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán
1) Độ sâu dòng chảy đo được tại các mặt cắt trên mũi phun ở mô
hình có trị số lớn hơn so với trị số tính toán tương ứng, sai số về độ
sâu cụ thể như sau :
- Khi không xét hàm khí ∆h
max
= 4.64% với i= 0.3 và 5.84% với i=0.4.

- Khi có hàm khí ∆h
max
: = 3.87% với i=0.3 và 8.16 % với i=0.4.
Với dòng chảy có độ xiết cao, rất nhạy cảm với sự thay đổi trên
biên thì các sai số như trên là có thể chấp nhận được. Ngoài ra, mức
độ sai số nhận được là hợp quy luật : khi độ dốc lớn, mức độ chảy xiết
cao thì sai số lớn hơn; trường hợp dòng chảy có hàm khí sẽ có sai số
lớn hơn khi không có hàm khí.
2) Lưu tốc dòng chảy trong thí nghiệm đo được nhỏ hơn so với trị
số tính toán. Sai số lớn nhất về lưu tốc là 5.51% và mức độ sai số như
vậy là không lớn. Quy luật biến đổi ∆u ở các phương án thí nghiệm
cũng tương tự như ∆u đã nêu trên.
3) Áp suất đáy mũi phun: Trị số P
thí nghiệm
đo được lớn hơn so với
P
tính toán
. Điều này cũng phù hợp với sai số về độ sâu: sai số lớn nhất
∆p
max
= 8.6% là chấp nhận được. Quy luật biến đổi ∆p ở các phương
án thí nghiệm cũng giống như ∆h.
5.5.2. Về ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thủy lực trên
mũi phun
Kết quả thí nghiệm cho thấy trong các điều kiện cụ thể của công
trình đang nghiên cứu, so với trường hợp dòng chảy không hàm khí,
dòng chảy có hàm khí cho các thông số thủy lực như sau:
- Chiều sâu dòng chảy tăng khoảng từ 2
÷
11% ;

- Vận tốc dòng chảy giảm từ 0
÷
7.5%
- ¸p suất giảm từ 2
÷
7.7%

20
- Dòng chảy có độ xiết càng cao (độ dốc đáy lớn) thì mức độ
chênh lệch các thông số thủy lực càng lớn.
5.5.3. Về ảnh hưởng của hàm khí đến chiều dài phun xa và chiều sâu
hố xói
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi xét đến hàm khí, chiều dài phun xa
giảm xuống khoảng từ 5,5 ÷ 8,5%. Trong khi đó, hố xói đều hơn và chiều
sâu hố xói giảm khoảng 4,5÷7,2%.
5.6. Kết luận chương 5
1. Do việc thiết kế kết cấu tiêu năng dạng mũi phun phát tán phải
trải qua một quá trình tính toán phức tạp và áp dụng một số giả thiết
gần đúng nên cần phải tiến hành nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy
lực để kiểm chứng kết quả tính toán và đưa vào những hiệu chỉnh khi
cần thiết.
2. Kết quả quan trắc từ các sê-ri thí nghiệm cho thấy, dòng chảy 3
chiều trên mũi phun phát tán thoả mãn được các tiền đề của bài toán :
dòng chảy bám sát thành (không có tách dòng), đường mặt nước
không có đột biến tại vị trí chuyển tiếp từ dốc vào mũi phun, dòng
chảy phóng xuống hạ lưu theo hình rẻ quạt trên mặt bằng, đảm bảo
mức độ phát tán gần tương tự như tính toán.
3. Kết quả đo đạc các thông số thuỷ lực trong các sê-ri thí nghiệm
và đối chiếu với kết quả tính toán từ mô hình số (chương 4) cho thấy :
- Chiều sâu dòng chảy trong thí nghiệm hơi thiên lớn hơn so với

tính toán, nhưng sai số không vượt quá 8.5% ;
- Vận tốc dòng chảy thí nghiệm hơi thiên nhỏ so với tính toán,
nhưng sai số không vượt quá 6%.
- Áp suất thuỷ động tại đáy mũi phun theo thí nghiệm có lớn hơn
trị số tính toán với sai số không quá 5.5%.
Từ việc đối chiếu giữa số liệu đo đạc thí nghiệm và tính toán cho
thấy các kết quả tính toán theo mô hình số ở chương 4 là phù hợp với
thí nghiệm mô hình vật lý.
4. Kết quả đo đạc thí nghiệm cũng cho thấy so với dòng chảy
không hàm khí thì dòng chảy có hàm khí có độ sâu lớn hơn, vận tốc

21
nhỏ hơn, áp suất đáy nhỏ hơn, chiều dài phóng xa của tia dòng nhỏ
hơn và chiều sâu hố xói giảm xuống.

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
I. Những kết quả luận án đã đạt được
1. Bằng phân tích tổng quan các vấn đề về điều khiển dòng xiết
và tính toán hàm khí trong dòng chảy hở, luận án đã cho thấy hiệu quả
cao của các kết cấu điều khiển tạo dòng xiết cong ba chiều, đồng thời
cũng chỉ ra những tồn tại trong tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều
hiện nay là chưa xét được ảnh hưởng của hàm khí, chưa có các
chương trình tính toán hiện đại được phổ cập và cần thiết phải có các
thí nghiệm mô hình để kiểm chứng các kết quả tính toán. Từ đó luận
án đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu làm rõ các vấn đề tồn tại nêu trên.
2. Kế thừa lý luận của phương pháp tính toán thuỷ lực dòng xiết
ba chiều được khởi thảo bởi các nhà khoa học Liên Xô trước đây, trên
cơ sở bổ sung một số giả thiết mới, luận án đã viết được phương trình
phân bố áp suất (2-35) và phương trình liên tục (2-40) để cùng với các
phương trình chuyển động (2-10) và phương trình năng lượng (2-28)

lập thành một hệ khép kín để giải bài toán về dòng chảy xiết ba chiều
có xét đến hàm khí.
3. Trên cơ sở phương pháp bán thực nghiệm về xác định giới hạn
hàm khí, xác định phân bố độ hàm khí trong dòng chảy hở, luận án đã
thiết lập thuật toán và tiến hành tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của
các yếu tố khác nhau đến sự phân bố hàm khí trong dòng chảy.
4. Từ các phương trình (2-10), (2-28), (2-35), (2-40) và những nhận
xét về qui luật phân bố độ tập trung khí trong dòng chảy có độ xiết cao
trên mũi phun, luận án đã thiết lập được thuật toán và chương trình
FLOW 3D tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều trên mũi phun phát tán
có xét đến hàm khí. Chương trình được viết trên ngôn ngữ hiện đại
Csharp trong môi trường Windows, có giao diện thân thiện, dễ sử dụng
và có khả năng phổ cập cao, có thể dễ dàng xem xét được nhiều phương
án mũi phun cuối dốc nước để tìm phương án tối ưu.

22
5. Với chương trình FLOW 3D lập được, luận án đã tiến hành
nghiên cứu ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thuỷ lực điều
khiển dòng xiết. Đã xác định được rằng so với mô hình tính toán cũ
(không xét hàm khí) thì việc xét đến hàm khí ở dòng chảy xiết mạnh
trên mũi phun phát tán cho kết quả :
- Cao độ đáy mũi phun yêu cầu thấp hơn, trị số hạ thấp nhiều nhất
ở đoạn đầu và giảm dần theo chiều dài mũi phun. Mức độ hạ thấp tỷ lệ
với độ xiết của dòng chảy (số Frút).
- Chiều cao lòng dẫn yêu cầu lớn hơn.
- Áp suất thuỷ động tại đáy lòng dẫn giảm, điều này cần được lưu
ý khi tính toán kiểm tra khả năng khí thực bề mặt lòng dẫn.
6. Luận án đã tiến hành thí nghiệm mô hình thuỷ lực theo số liệu
của công trình tháo nước XêKaMan 3 với các phương án độ dốc đáy
khác nhau (i=0,3; i=0,4); độ mở rộng của mũi phun λ=2; góc loe cuối

mũi phun α
kk
= 45°

(hay 2α
kk
= 90°); góc hắt của mũi β
kk
= 30°. Từ
các kết quả thí nghiệm mô hình đã xác nhận rằng :
a) Với đáy mũi phun tính toán theo mô hình không xét đến hàm
khí :
- Khi dòng chảy trên mũi không xét đến hàm khí, kết quả thí
nghiệm về cao độ mặt nước, độ sâu dòng chảy, lưu tốc và áp suất trên
mặt đáy phù hợp với số liệu tính toán (sai số trong khoảng 6,5%).
- Khi dòng chảy trên mũi có xét đến hàm khí thì cao độ mặt nước
và chiều sâu dòng chảy tăng, áp suất ở đáy mũi phun giảm và chiều
dài phóng xa của tia dòng giảm. Điều này cho thấy khi dòng chảy trên
mũi phun có hàm khí thì việc tính toán thiết kế mũi theo mô hình
không xét đến hàm khí sẽ không đảm bảo độ chính xác cần thiết.
b) Với đáy mũi phun tính toán theo mô hình có xét hàm khí và
dòng chảy trên mũi phun là hàm khí :
- Các kết quả thí nghiệm về cao độ mặt nước, độ sâu dòng chảy,
lưu tốc và áp suất trên mặt đáy về cơ bản phù hợp với số liệu tính
toán, sai số trong phạm vi 8,6%.