Bài tập lớn thí nghiệm mô hình thủy lực

Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

BÀI TẬP MÔN HỌC

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THỦY LỰC
PHẦN 1

TÀI LIỆU CƠ BẢN VÀ YÊU CẦU TÍNH TOÁN
I. TÀI LIỆU CƠ BẢN

Đề bài: ĐỀ SỐ II-1
1. Tài liệu về công trình:
Một cống lấy nước 3 cửa, mỗi cửa rộng b=8m, dùng van cung bán kính R. Mố
trụ dày d, dài L, đầu trụ bán kính r. Sau ngưỡng tràn có bể tiêu năng (chiều sâu bể là
db, chiều dài bể là Lb). Tiếp đó đến sân sau thứ 2 có chiều dài L 2. Kênh hạ lưu có mái
m=2; bề rộng đáy b=25m. Mực nước thượng lưu max cao trình +12,0m.
Sơ đồ cho như hình vẽ sau:

2. Tài liệu về phòng Thí nghiệm:
- Phòng thí nghiệm rộng: bxl = 15x20 (m).
- Lưu lượng cấp nước lớn nhất của trạm bơm: 80 l/s.
II. YÊU CẦU TÍNH TOÁN

1. Thiết lập phương trình chung nhất, trong đó có sử dụng phương pháp
Buckingham để lập sêri thí nghiệm: Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài sân sau
thứ 2 (L2) tới chiều sâu hố xói (Tx).
2. Chọn tỷ lệ mô hình để tiến hành thí nghiệm.

Học viên:

– Lớp:

1


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

PHẦN 2

NỘI DUNG TÍNH TOÁN
I. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUNG NHẤT
1. Cơ sở lý thuyết BucKingham
Mọi quan hệ vật lý giữa các đại lượng thứ nguyên đều có thể biểu diễn và viết
như quan hệ giữa các đại lượng không thứ nguyên. Theo lý thuyết Buckingham là: có
thể biểu diễn các đại lượng biến đổi a 1, a2, a3, ... an, mô tả hiện tượng thủy động lực
học cần nghiên cứu trong một phiến hàm:
f(a1, a2, a3 ... an) = 0

(2.1)

Quan hệ (2.1) biểu diễn mối liên hệ của n đại lượng biến đổi độc lập với n thứ
nguyên tương ứng.
Quan hệ (2.1) có thể biểu diễn dưới một dạng khác của các biến không thứ
nguyên Π1, Π2, Π3, ... với Π1, Π2, Π3, ... được thiết lập từ các đại luợng a1, a2, a3, ... an.
Tổng số các biến không thứ nguyên sẽ ít hơn tổng số các đại lượng vật lý biến đổi.
Nghĩa là chúng ta có một phiếm hàm khác:
f( Π1, Π2, Π3 , ... ) = 0

(2.2)

Nếu quan hệ miêu tả hiện tượng thủy lực câng nghiên cứu có n đại lượng biến

đổi độc lập a1, a2, a3, ... an mà thứ nguyên tương ứng là A1, A2, A3, … An và với việc lựa
chọn r thứ nguyên cơ bản thì chúng ta có (n-r) biến không thứ nguyên Π1, Π2, Π3, ...
Πn-r . Nghĩa là ở quan hệ (2.1) có n đại lượng biến đổi thì ở (2.2) có (n-r) biến không
thứ nguyên.
Khảo sát quan hệ (2.2) về thực chất giống nhau như khảo sát quan hệ (2.1) nhưng
tổng số biến giảm đi, cũng có nghĩa là số thí nghiệm giảm đi. Tổng các thứ nguyên cơ
bản r càng gần với tổng đại lượng biến đổi n thì giải bài toán sẽ đơn giản hơn. Thường
thì r ≤ m, với m là số thứ nguyên cơ bản lớn nhất có thể chọn được, thường m =3. Ba
đại lượng cơ bản đó là:
+ Độ dài có thứ nguyên [L];
+ Khối lượng có thứ nguyên [M];
+ Thời gian có thứ nguyên là [T].
Mỗi biến Π1, Π2, Π3, ... Πn-r là tích của các đại lượng biến đổi với số mũ nào đó
để tích đó trở thành không thứ nguyên. Mỗi biến Πi cần có (r+1) đại lượng biến đổi.
Khi chọn các đại lượng biến đổi trong mỗi Πi cần thỏa mãn 2 điều kiện:

Học viên:

– Lớp:

2


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

+ Một là đại lượng biến đổi được trùng lặp ở các Πi phải chứa đựng đủ r thứ
nguyên cơ bản đã chọn.
+ Hai là các thứ nguyên cơ bản không tự tạo nên các biến không thứ nguyên.
Trong trường hợp r = m = 3, muốn thỏa mãn hai điều kiện trên thì trong (m+1) =
4 đại lượng biến đổi của mỗi Πi sẽ có 3 đại lượng được lặp lại với số mũ x i, yi, zi. Đại

lượng biến đổi thứ tư ở mỗi Πi một khác với số mũ là pi (thường số mũ của đại lượng
thứ tư này là pi = ± 1), để tất cả n đại lượng biến đổi đều có mặt trong (2.2). Nghĩa là:
∏1 = a1x1.a2y1.a3z1.a4p1
∏2 = a1x2.a2y2.a3z2.a4p2
∏3 = a1x3.a2y3.a3z3.a4p3

(2.3)

……………………….
∏n-3 = a1xn-3.a2yn-3.a3zn-3.a4pn-3
Biến không thứ nguyên ∏ là một số đơn giảm, vì vậy số mũ của 3 thừa số đầu x i,
yi, zi phải được xác định sao cho thỏa mãn điều kiện đó. Số mũ xi, yi, zi của các Πi khác
nhau sẽ khác nhau và thỏa mãn xi + yi + zi + pi = 0.
Tiến hành làm phép tính cân bằng thứ nguyên ta tìm được các đại lượng Πi để
tìm các sêri thí nghiệm nhằm giải quyết yêu cầu bài toán.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài sân sau thứ 2 tới chiều sâu hố xói
Hố xói sau sân thứ 2 của cống lấy nước phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau:
2.1 Các yếu tố công trình.
- Chiều cao ngưỡng tràn.
- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van.
- Chiều dài toàn bộ đoạn gia cố (Lv).
- Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng.
- Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu.
- Hình dạng và kích thước mố trụ.
- Hình dạng mặt tràn.
- Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp.
- Độ dốc lòng dẫn.
2.2 Các yếu tố dòng chảy.
- Khối lượng riêng của nước và hệ số nhớt động học.
Học viên:

– Lớp:

3


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

- Lưu tốc trung bình mặt cắt.
- Sự phân bố lưu tốc biểu thị qua hệ số Coirllis α.
- Mức độ chảy rối của dòng chảy.
- Mực nước thượng hạ lưu.
- Lưu lượng đơn vị.
- Hàm lượng bùn cát.
2.3 Các yếu tố đất nền:
- Khối lượng riêng của đất nền.
- Hình dạng kích thước hạt.
- Đường cong cấp phối hạt.
- Các yếu tố cơ lý khác của đất nền.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của mái nghiêng cửa ra của bể tiêu năng tới kích
thước hố xói ở hạ lưu (Lx, Tx) có rất nhiều yếu tố. Trong phạm vi bài tập chỉ trình bày
một số yếu tố chính cơ bản như sau:
+ Vận tốc v :

- Thứ nguyên [L/T]

+ Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy ω:

- Thứ nguyên [L2]

+ Khối lượng riêng của nước ρ:

- Thứ nguyên [M/L3]

+ Cột nước hạ lưu hh :

- Thứ nguyên [L]

+ Chiều đoạn gia cố Lv:

- Thứ nguyên [L]

+ Chiều sâu bể db:

- Thứ nguyên [L]

+ Lưu lượng Q:

- Thứ nguyên [L3/T]

+ Đất nền bao gồm các yếu tố:
- Dung trọng γ:

- Thứ nguyên [M/L3]

- Đường kính hạt dh:

- Thứ nguyên[L]

Các yếu tố trên được viết như sau:

Q = f0(v, ω, ρ, hh, Lv, db ,γ, dh, Lx,Tx)
Hay:
F(Q, v, ω, ρ, hh, Lv, db, γ, dh, Lx,Tx) = 0

(2.4)

Để xác định Πi tương ứng ta chọn các thông số cơ bản là: ω, v, ρ; các thứ
nguyên cơ bản là: [L], [M], [T].
Học viên:

– Lớp:

4


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

Bài toán có số ẩn n = 11, r = 3, vậy số hàm i = n-r = 11-3 = 8.
Lập hàm:

F (Π1, Π2, … Π8)

Để xác định Πi tương ứng ta viết như sau:
Π1 = ωx1. ρy1.vz1.hh
Π2 = ωx2. ρy2.vz2.Lv
Π3 = ωx3. ρy3.vz3.db
Π4 = ωx4. ρy4.vz4. γ

(2.5)

Π5 = ωx5. ρy5.vz5.dh
Π6 = ωx6. ρy6.vz6.Lx
Π7 = ωx7. ρy7.vz7.Tx
Π8 = ωx8. ρy8.vz8.Q
Phân tích thứ nguyên của các đại lượng trong (2.5) ta có:
Π1 = [L2]x1. [M/L3]y1.[ L/T]z1.[L]
Π2 = [L2]x2. [M/L3]y2.[ L/T]z2.[L]
Π3 = [L2]x3. [M/L3]y3.[ L/T]z3.[L]
Π4 = [L2]x4. [M/L3]y4.[ L/T]z4.[M/L3]

(2.6)

Π5 = [L2]x5. [M/L3]y5.[ L/T]z5.[L]
Π6 = [L2]x6. [M/L3]y6.[ L/T]z6.[L]
Π7 = [L2]x7. [M/L3]y7.[ L/T]z7.[L]
Π8 = [L2]x8. [M/L3]y8.[ L/T]z8.[L3/T]
Khai triển phương trình (2.6) thành:
Π1 = L 2x1-3y1+z1+1. T -z1. M y1
Π2 = L 2x2-3y2+z2+1. T -z2. M y2
Π3 = L 2x3-3y3+z3+1. T –z3. M y3
Π4 = L 2x4-3y4+z4-3. T -z4. M y4+1

(2.7)

Π5 = L 2x5-3y5+z5+1. T -z5. M y5
Π6 = L 2x6-3y6+z6+1. T -z6. M y6
Π7 = L 2x7-3y7+z7+1. T -z7. M y7

Học viên:

– Lớp:

5


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

Π8 = L 2x8-3y8+z8+3. T -z8-1. M y8
Cân bằng thứ nguyên của các Πi ta có các hệ phương trình:

⇒ x1 = -1/2;

y1 = 0; z1 = 0

(a)

⇒ x2 = -1/2;

y2 = 0; z2 = 0

(b)

⇒ x3 = -1/2;

y3 = 0; z3 = 0

(c)

⇒ x4 = 0;

(d)

⇒ x5 = -1/2;

y5 = 0; z5 = 0

(e)

⇒ x6 = -1/2;

y6 = 0; z6 = 0

(f)

⇒ x7 = -1/2;

y7 = 0; z7 = 0

(g)

⇒ x8 = -1;

Học viên:

y4 = -1; z4 = 0

– Lớp:

y8 = 0; z8 = -1

(h)

6


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

Thay các trị số mũ vừa tính được vào (2.5) ta có:
Π1 = ω-1/2. ρ0.v0.hh = hh/ω1/2;
Π2 = ω-1/2. ρ0.v0.Lv = Lv/ω1/2;
Π3 = ω-1/2. ρ0.v0. db = db/ω1/2;
Π4 = ω0. ρ-1.v0. γ = γ/ρ;

(2.8)

Π5 = ω-1/2. ρ0.v0.dh = dh/ω1/2;
Π6 = ω-1/2. ρ0.v0.Lx = Lx/ω1/2;
Π7 = ω-1/2. ρ0.v0.Tx = Tx/ω1/2;
Π8 = ω-1. ρ0.v-1.Q = Q/ω.v;
Từ phương trình (2.4) ta có được phương trình chung nhất của sêri thí nghiệm:
F(hh/ω1/2; Lv/ω1/2; db/ω1/2; γ/ρ; dh/ω1/2; Lx/ω1/2; Tx/ω1/2; Q/ω.v) = 0

(2.10)

Như vậy: Khi nghiên cứu ảnh hưởng của mái nghiêng cửa ra của bể tiêu năng tới
kích thước hố xói ở hạ lưu, chúng ta phải xét đến quan hệ (2.10). Tuy nhiên trong thực
tế để giảm bớt khối lượng thí nghiệm ta có thể định trước một số đại lượng mà ít ảnh
hưởng đến đối tượng nghiên cứu, chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của mái
nghiêng cửa ra của bể tiêu năng (m) đến sự phát triển của hố xói (Tx, Lx).

II. CHỌN TỶ LỆ MÔ HÌNH
1. Tiêu chuẩn tương tự.
Dòng chảy qua cống là dòng chảy hở chịu tác dụng của lực trọng trường là chính,
tiêu chuẩn tương tự chọn là tiêu chuẩn Frút và cần đảm bảo mức độ rối như nhau, hệ
số lực cản Sêzi phải đồng nhất.
Nghiên cứu thí nghiệm mô hình cống thường nghiên cứu theo 2 giai đoạn:
- Giai đoạn nghiên cứu thí nghiệm lòng cứng nhằm xác định các thông số thủy
lực; sau khi tiến hành sửa đổi các kích thước hoặc kết cấu tiêu năng của công trình phù
hợp với yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế thì mới chuyển sang giai đoạn thí nghiệm thứ 2.
- Giai đoạn thí nghiệm thứ 2 là giai đoạn nghiên cứu thí nghiệm mô hình lòng
mềm; chủ yếu là để đánh giá khả năng xói lở ở vùng sân sau và lòng kênh dẫn hạ lưu.
Để đảm bảo định lượng khi nghiên cứu cần chú ý:

Học viên:

- Fr = idem

(2.11)

- Re (mô hình) ≥ Regh

(2.12)

– Lớp:

7


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

- C = idem

(2.13)

Theo tiêu chuẩn Frút các tỷ lệ cơ bản được tính theo các công thức sau:
- Tỷ lệ về độ dài hình học :

λL

- Tỷ lệ về lưu lượng

:

λQ=λL5/2

- Tỷ lệ vận tốc dòng chảy :

λv=λL1/2

- Tỷ lệ về thời gian

:

λt=λL1/2

-

:

λn=λL1/6

Tỷ lệ về độ nhám

2. Xác định phạm vi xây dựng mô hình.
2.1. Chiều cao cần thiết của mô hình:
Được xác định trên cơ sở cao trình mực nước lớn nhất thượng lưu; cao trình thấp
nhất nền hạ lưu; khoảng an toàn lưu không thượng và hạ lưu.
H = ∇max -∇min + ∆h

(2.14)

Trong đó:
∇max- cao trình mực nước lớn nhất thượng lưu cần nghiên cứu
∇min- cao trình thấp nhất nền hạ lưu
∆h- khoảng chiều cao an toàn, để bố trí thoát nước tự do sau hạ lưu.
2.2. Chiều dài cần thiết của mô hình:
Bằng tổng chiều dài các bộ phận công trình nghiên cứu; chiều dài phần thượng
lưu để bố trí thiết bị giảm sóng tạo dòng chảy lặng vào cửa công trình và nghiên cứu
ảnh hưởng của thượng lưu, cần thiết lấy thêm một khoảng gia tăng ở hạ lưu để bố trí
thiết bị điều chỉnh mực nước, thiết bị thu hồi cát khi nghiên cứu mô hình dòng động và
thoát nước hạ lưu:
L = Lthượng lưu + Lngưỡng + Lbể + Lsân sau + Lhố xói + Lkênh hạ lưu + ∆L

(2.15)

Trong đó:
Lthượng lưu - Chiều dài phần thượng lưu.
Lngưỡng - Chiều dài phần tràn.
Lbể - Chiều dài phần bể tiêu năng.
Lsân sau - Chiều dài phần sân sau.

Lhố xói - Chiều dài hố xói.
Lkênh hạ lưu - Chiều dài phần kênh dẫn hạ lưu.

Học viên:

– Lớp:

8


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

∆L - Khoảng gia tăng ở hạ lưu.
2.3. Chiều rộng cần thiết của mô hình.
Là chiều rộng lớn nhất của công trình, tương ứng với cao trình mực nước lớn
nhất thượng lưu (theo mặt cắt ướt), tăng thêm một khoảng an toàn và dùng để bố trí lối
đi lại phục vụ cho đo đạc:
B = Bmax + ∆B

(2.14)

3. Các yêu cầu khi chọn tỷ lệ mô hình.
Khi chọn tỷ lệ mô hình cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Đảm bảo tiêu chuẩn tương tự.
- Mô hình đủ diện tích để bố trí đầy đủ các bộ phận công trình đã tính toán và
theo tỷ lệ đã chọn.
- Cần phải thoả mãn các điều kiện giới hạn của tương tự cơ học:
+ Cột nước tràn trên đỉnh ngưỡng h ≥ 50mm,
+ Lưu tốc dòng chảy v ≥ 0,23m/s.
+ Chiều cao dòng chảy trên mô hình h ≥ 15mm. Khi dòng chảy dưới cửa

van thì độ mở nhỏ nhất của cửa van a ≥ 60mm, cột nước áp lực nhỏ nhất h ≥ 3,3a.
+ Bề rộng tràn nước của đập tràn trên mô hình là b 0 ≥ 60mm và chiều rộng
máng đặt mô hình là b ≥ 200mm.
- Các thiết bị đo đạc có đủ khả năng đo được các thông số (như vmax,
vmin, ...), khả năng phòng thí nghiệm có thể đáp ứng được về mặt cấp nước, trang
thiết bị, có đủ khả năng cung cấp vật liệu cho mô hình.
- Chọn tỷ lệ mô hình nhỏ nhất có thể.
4. Tính toán thiết kế mô hình.
4.1. Tính toán sơ bộ một số thông số để xác định tỷ lệ mô hình:
Để có thể tính toán tỷ lệ mô hình nghiên cứu, ngoài thông số đã cho cần phải xác
định các kích thước khác: Chiều sâu bể tiêu năng d b, chiều dài bể Lb, chiều dài sân sau
thứ hai L2, chiều sâu hố xói lớn nhất Tx, lưu lượng lớn nhất, mực nước hạ lưu...
Giả sử khi cống tháo lưu lượng lớn nhất theo yêu cầu Q max, mực nước hạ lưu ở
cao trình +2,5m, tương ứng độ sâu dòng chảy trên kênh h h = 3,0m, độ dốc đáy kênh
i=4.10-4, kênh đất có độ nhám n = 0,025, chiều rộng đáy kênh b = 60m, mái kênh m=2.
* Theo công thức dòng chảy trong kênh đều ta có:

Học viên:

– Lớp:

9


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

Q = ω.C R.i
Kết quả tính toán như bảng sau:
i

n

0,0004 0,025

m

bk
(m)

htk
(m)

w
(m2)

χ
(m)

R
(m)

2,00

60,0

3,00

198,0
0

73,42

2,70

C
Vtk
0.5
(m /s) (m/s)
47,19

1,55

Qtk
(m3/s)
306,90

Kết quả tính toán ở bảng trên, ta được Qmax = 306,9 m3/s.
* Chiều sâu dòng chảy trên sân thứ 2 có thể tính gần đúng theo công thức đập
tràn đỉnh rộng chảy ngập:


Q

hs2 = 
 σ .m.b. 2 g 
 n


2/3



306,9

= 
 0,99 * 0,37 * 60 * 2 * 9.81 

2/3

= 2,15m

Trong đó:
m - Hệ số lưu lượng, chọn m = 0,37
σn - Hệ số ngập, ứng với m = 0,37 theo Cumin có σn = 0,99
* Chiều sâu bể tiêu năng:
- Tính:
F (τ c ) =

q
4,77
=
= 0,1136
3/ 2
ϕ .E 0
0,95 * 12,5 3 / 2

Trong đó:
q - Lưu lượng đơn vị kênh dẫn hạ lưu (m2/s)
q=

Q
306,9
=
= 4,77 m 2 / s
(b + m.hs 2 ) (60 + 2 * 2,15)

ϕ - Hệ số lưu tốc ở cửa ra của bể, lấy ϕ = 0,95
E0 - Năng lượng đơn vị của dòng chảy thượng lưu so với đáy sân sau
E0 = 12 - (-0,5) = 12,5 m
Tra bảng tính thủy lực ta có: τc = 0,0260; τc” = 0,2895
Từ đây ta có: hco = Eo*τc = 12,5*0,026 = 0,33m
hco” = Eo*τc” = 12,5*0,2895 = 3,62m
- Tính chiều sâu bể lần thứ nhất: db = hco” – hs2 = 3,62 – 2,15 = 1,47m
- Tính lại Eo’= Eo + db = 12,5 + 1,47 = 13,97 m

Học viên:

– Lớp:

10


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

- Tính lại độ sâu liên hiệp, ta có:
F (τ c ) =

q
4,77
=

= 0,0962
' 3/ 2
ϕ .( E 0 )
0,95 * 13,97 3 / 2

⇒ τc = 0,022; τc” = 0,2676
Từ đây ta có:

hc1 = E’o*τc = 13,97*0,022 = 0,31m
hc1” = E’o*τc” = 13,97*0,2676 = 3,74m

- Xác định độ chênh lệch mực nước ở ngưỡng bể tiêu năng
∆Z =

q 2 
1
1
−
2
2 g  ( ϕ n .hs 2 )
σ .hc''1

(

)

2

 4,77 2 
1

1
=

−
2
 2 * 9.81  ( 0,95 * 2.15)
(1,07 * 3,74) 2



 = 0,206m



Trong đó:
σ - Hệ số ngập của nước nhảy, σ = 1,05 - 1,1, lấy σ = 1,07
- Tính lại độ sâu bể tiêu năng:
db = σ.hc1”- hs2 - ∆Z = 1,07*3,74 – 2,15 - 0,206 = 1,65 m
- Tính chiều sâu bể lần thứ hai: db = 1,65m
- Tính lại Eo’= Eo + db = 12,5 + 1,65 = 14,15 m
- Tính lại độ sâu liên hiệp, ta có:
F (τ c ) =

q
4,77
=
= 0,0943
' 3/ 2
ϕ .( E 0 )
0,95 * 14,15 3 / 2

⇒ τc = 0,0215; τc” = 0,2651
Từ đây ta có:

hc2 = E’o*τc = 14,15*0,0215 = 0,304m
hc2” = E’o*τc” = 14,15*0,2651 = 3,75m

- Xác định độ chênh lệch mực nước ở ngưỡng bể tiêu năng
∆Z =

q 2 
1
1
−
2
2 g  ( ϕ n .hs 2 )
σ .hc''2

(

)

2

 4,77 2 
1
1
=

−

2
 2 * 9.81  ( 0,95 * 2.15)
(1,07 * 3,75) 2



 = 0,206m



- Tính lại độ sâu bể tiêu năng:
db = σ.hc2”- hs2 - ∆Z = 1,07*3,75 – 2,15 - 0,206 = 1,65 m
Chọn db = 1,65 m
- Chiều dài bể tiêu năng:
Lb= 3*σ* hc2” = 3*1,07*3,75 = 12,04 m

Học viên:

– Lớp:

11


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

Chọn Lb = 13,0 m
- Chiều dài sân sau thứ hai:
L2 = k q ∆h = (10 ÷ 12) 4,77 9,5 = (38,0 ÷ 46,0)m

Trong đó:

K - Hệ số phụ thuộc vào địa chất nền lòng dẫn, với nền là cát pha, cát
mịn K = 10-12.
q - Lưu lượng đơn vị , q = 4,77 m2/s
∆h - Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu, ∆h = 12 - 2.5 = 9,5 m
Chọn L2 = 40 m
- Chiều sâu lớn nhất hố xói gần đúng coi bằng chiều sâu bể tiêu năng:
Tx = db = 1,65 m
- Chiều dài lớn nhất hố xói:
Lx = (9÷10)Tx = (14,85÷16,5)m
Chọn Lx = 16,0 m
4.2. Xác định các kích thước mô hình thí nghiệm.
+ Chiều cao cần thiết: Theo công thức (2.14)
H = ∇max - ∇min + ∆h = 12 - (- 0,5-1,65) + 0,85 =15m.
+ Chiều dài cần thiết: Theo công thức (2.15)
L = Lthượng lưu + Lngưỡng + Lbể + Lsân sau + Lhố xói + Lkênh hạ lưu + ∆L
Trong đó:
Lthượng lưu= 6*Ht = 6*12 = 72m, chọn Lthượng lưu= 70m
Lngưỡng = 5m.
Lbể = 13m.
Lsân sau= L2 = 40m.
Lhố xói = 16m,
Lkênh HL + ∆L= 26m
⇒

L = 70 + 5 + 13 + 40 + 16 + 26 = 170m

+ Chiều rộng cần thiết: Theo công thức (2.15)
- Chiều rộng phần hạ lưu là:

Học viên:

– Lớp:

12


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

B1 = bk + 2m(hh + a) = 60 + 2*2*(3+1) = 76m
Với:
bk - Bề rộng đáy kênh hạ lưu, bk = 60m.
m - Hệ số mái kênh, m = 2.
hh - Chiều sâu nước hạ lưu, hh = 3m.
a - Độ cao an toàn, a = 1m.
- Chiều rộng phần thượng lưu của cống:
B2 = 5bc+ 4d + 2bt =5*10 + 4*1,2 + 2*10 = 75m
Với:
bc - Bề rộng cửa lấy nước, bc = 10m.
d - Bề rộng mố trụ, d = 1,2m.
bt - Bề rộng tường cánh, bt = 10m.
Chọn: B = Bmax + ∆B = 76 + 9 = 85m.
4.3 Chọn tỷ lệ mô hình.
Chọn tỷ lệ mô hình theo khả năng tối đa của máy bơm cấp nước. Theo tiêu chuẩn
Fr: Tỷ lệ về lưu lượng
λQ=

Qt
= λL5/2 ⇒ λL= (Qt/Qm)2/5 = (306,9/0,1)2/5 = 24,82
Qm

Chọn λ L=25.
4.4 Kiểm tra kính thước mô hình và các điều kiện giới hạn:
- Chiều cao mô hình :

Hm= 15/25

= 0,6 m

- Chiều dài mô hình:

Lm= 170/25 = 6,8 m < [35] m

- Chiều rộng mô hình:

Bm= 85/25

= 3,4 m < [25] m

Với phòng thí nghiệm có kích thước: BxL = 25 x 35 (m) hoàn toàn có thể bố trí
mô hình thí nghiệm.
4.5 Kiểm tra điều kiện giới hạn.
+ Điều kiện số Re:

Rem ≥ Regh

- Khi tiến hành thí nghiệm theo điều kiện giới hạn để có thể bỏ qua sức căng
mặt ngoài thì cột nước trên đỉnh tràn h ≥ 50mm, tương ứng cột nước thực tế h=1,25m.

Học viên:

– Lớp:

13


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

- Lưu lượng qua đập tràn thực dụng ta tính được Q t = 306,9 m3/s, tương ứng
trong mô hình có:
Qt

Qm =

=

λ

5/ 2
L

306,9
= 98l / s
25 5 / 2

- Vận tốc trên đỉnh đập tràn:
Vt =

Qt
306,9
=

= 3,07 m 3 / s
5bt ht
5 * 10 * 2

Tương ứng trong mô hình có:
Vm =

Vt

λ

1/ 2
L

3,07
= 0,61m 3 / s
251 / 2

=

- Lấy nhiệt độ trung bình của nước trong thời gian thí nghiệm là 20 oC thì độ nhớt
động học của nước là: υ = 0,01 cm2/s
⇒ Hệ số Râynol nhỏ nhất trên mô hình được xác định:
Re m =

Vm h

υ

=

0,61 * 0,05
= 30500
0,01 * 10 −4

Mặt khác hệ số Râynol ( Regh) giới hạn của mô hình được xác định theo công
thức:
Re gh =

14.Rm
∆m ε m

=

14 * 50
1 * 0,03

= 4041,5

Trong đó:
εm: hệ số sức cản do ma sát, đối với lòng dẫn tự nhiên lấy εm = 0,03 ÷ 0,04
∆m: là độ gồ ghề của lòng dẫn khi chế tạo mô hình, trát địa hình ∆m ≈ 1,0mm;
Rm ≈ hm ứng với độ sâu nhỏ nhất trong mô hình
hm = 50mm (tương ứng với cột nước nhỏ nhất ngoài thực tế là 1,25m)
Như vậy: Rem =30500 ≥ Regh = 4.041,5
Có thể kết luận rằng chọn λL=25 để thiết kế mô hình tổng thể cho công trình
cống lấy nước (theo yêu cầu bài ra) là thỏa mãn điều kiện.
+ Điều kiện về độ nhám, chọn vật liệu mô hình: Theo tiêu chuẩn Fr:
nt

λn = n =λL1/6
m
- Đối với cống, bể tiêu năng bằng bê tông có n =0,014

Học viên:

– Lớp:

14


Nghiên cứu thực nghiệm mô hình Thủy lực

⇒ nm =

nt
= 0,0082
λ1L/ 6

⇒ Có thể chọn vật liệu là chất dẻo.
- Đối với kênh dẫn có n =0,025, tương tự như trên ta tính được nm=0,015
⇒ Có thể chọn vật liệu là vữa xi măng cát vàng.
Vậy với tỷ lệ mô hình λL = 25 hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện tương tự cũng
như việc bố trí trên mô hình và cung cấp nước cho thí nghiệm.
Từ các kết quả tính toán trên, ta thu được các thông số sơ bản của mô hình như
sau:
Lưu lượng
Tỷ lệ mô hình

mô hình

max (l/s)

25

98

Chiều cao

Chiều dài

Chiều rộng

mô hình (m)

mô hình (m)

mô hình (m)

0,60

6,8

3,4

III. KẾT LUẬN

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của mái nghiêng cửa ra của bể tiêu năng đến kích
thước hố xói của cống như đã trình bày ở trên thuộc loại mô hình không gian, tổng thể
và lòng dẫn cứng. Do điều kiện thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên ở đây tác giả
mới giả thiết một số một số trường hợp để tính toán lựa chọn mô hình, còn những phần

quan trọng khác trong thiết kế mô hình chưa có điều kiện đề cập đến.
Công việc thí nghiệm là một công việc quan trọng trong quá trình thiết kế công
trình, do đó cần phải có sự thận trọng, tỷ mỉ, chính xác, tránh sai sót. Vì thí nghiệm là
khâu cuối cùng trong công nghệ thiết kế và kết quả của nó thường được áp dụng ngay
cho các công trình thực tể và bổ sung cho các nghiên cứu cơ bản.

Học viên:

– Lớp:

15