Nghiên cứu xác lập công thức tính toán một số thông số nước nhảy đáy trên kênh dốc thuận có lòng dẫn mở rộng dần (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ VIỆT HÀ

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN
MỘT SỐ THÔNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY
TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CÓ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ VIỆT HÀ

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN
MỘT SỐ THÔNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY
TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CÓ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN

Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng
Mã số: 62 – 44 - 22 - 01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS. TS Hồ Việt Hùng
2. GS. TS Hoàng Tư An

HÀ NỘI, NĂM 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực
hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Chữ ký

Lê Thị Việt Hà

i


LỜI CÁM ƠN
Luận án “Nghiên cứu xác lập công thức tính toán một số thông số nước nhảy đáy
trên kênh dốc thuận có lòng dẫn mở rộng dần” đã được hoàn thành tại trường Đại
học Thủy lợi với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học; cùng sự
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của các cơ quan, đơn vị, đồng nghiệp, gia đình, bạn
bè.
Tác giả vô cùng biết ơn tập thể thầy hướng dẫn là Giáo sư - Tiến sĩ Hoàng Tư An và
Phó giáo sư - Tiến sĩ Hồ Việt Hùng đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn tác giả trong

quá trình học tập và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Giao thông
Vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả.
Tác giả trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp
nhiều ý kiến sát thực để luận án này thành công.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn của mình đối với gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án.
Với những kết quả đạt được của luận án, tác giả hy vọng những đóng góp của mình sẽ
là cơ sở khoa học phục vụ cho nghiên cứu tính toán thủy lực trong thiết kế, xây dựng và
quản lý vận hành công trình thủy lợi.
Tính toán nước nhảy không ngập trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần là vấn đề khá
phức tạp. Do đó kết quả nghiên cứu của luận án khó tránh khỏi hạn chế. Tác giả rất
mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học để tiếp tục nâng cao và
hoàn thiện công trình nghiên cứu này.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ...........................x
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................2

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................2

4.

Nội dung nghiên cứu ........................................................................................2

5.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ......................................................3

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3

7.

Những đóng góp mới của luận án ....................................................................4

8.

Cấu trúc của luận án .........................................................................................5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ LƯU CÔNG
TRÌNH………………………………………………………………………………….6
1.1

Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước ................................6

1.2

Một số phương pháp và kết quả nghiên cứu ....................................................7

1.2.1

Bài toán phẳng.............................................................................................7

1.2.1

Bài toán không gian hữu hạn ....................................................................14

1.3

Kết luận chương 1 ..........................................................................................15

CHƯƠNG 2
THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH ĐẶC TRƯNG CỦA
NƯỚC NHẢY TRONG LÒNG DẪN MẶT CẮT NGANG HÌNH CHỮ NHẬT MỞ
RỘNG DẦN, ĐÁY DỐC THUẬN VÀ ĐÁY BẰNG ..................................................18
2.1

Đặt vấn đề chương 2 ......................................................................................18

2.2

Lý thuyết cơ bản [35] [36] [37] [38] ..............................................................18

2.3
Thiết lập các công thức giải tích tính đặc trưng nước nhảy trong lòng mặt cắt
ngang hình chữ nhật mở rộng dần, đáy dốc thuận, đáy bằng ....................................21
2.3.1

Giả thiết .....................................................................................................21

2.3.2 Sự thay đổi chiều sâu tương đối dòng chảy dọc theo chiều dài tương đối
khu xoáy và chiều dài tương đối nước nhảy..........................................................22
2.3.3 Hình dạng mặt thoáng trung bình và chiều dài tương đối khu xoáy mặt trong
lòng dẫn dốc ..........................................................................................................28

iii


2.3.4 Quy luật thay đổi vận tốc điểm tương đối ở đáy và vận tốc điểm tương đối
ở mặt trong khu xoáy của nước nhảy ....................................................................41
2.3.5
2.4

Trường hợp riêng: lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy bằng ..............44

Kết luận chương 2 ..........................................................................................46

CHƯƠNG 3

KIỂM ĐỊNH CÔNG THỨC LÝ THUYẾT MỚI ..............................47

3.1

Đặt vấn đề chương 3 ......................................................................................47

3.2

So sánh các công thức mới thiết lập với công thức đã có ..............................47

3.2.1

Nước nhảy trong lòng dẫn đáy bằng phi lăng trụ mở rộng dần ................47

3.2.2

Nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc ..............................................48

3.2.3

Nhận xét chung .........................................................................................50

3.3
Mô hình vật lý thí nghiệm hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ
mở rộng dần, đáy dốc thuận ......................................................................................51
3.3.1

Mô tả thí nghiệm .......................................................................................51

3.3.2

Kiểm định thiết bị đo đạc thí nghiệm ........................................................52

3.4

Kiểm định công thức lý thuyết mới ...............................................................54

3.4.1

Kiểm chứng giả thiết phân bố vận tốc điểm .............................................55

3.4.2

Kiểm chứng chiều sâu tương đối và chiều dài tương đối khu xoáy..........64

3.4.3

Đường mặt nước trung bình trong khu xoáy .............................................66

3.4.4

Kiểm chứng phân bố vận tốc điểm tương đối

um un
;
dọc theo chiều dài
V1 V1

khu xoáy ................................................................................................................70
3.5

Kết luận chương 3 ..........................................................................................73

CHƯƠNG 4
PHÂN TÍCH CÔNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG
NGHIÊN CỨU MỚI .....................................................................................................74
4.1

Phân tích kết quả tính toán .............................................................................74

4.1.1

Mối quan hệ giữa chiều dài khu xoáy và chiều dài nước nhảy .................74

4.1.2 Ảnh hưởng của độ dốc đáy, góc mở lòng dẫn, số Fr12 và hệ số hình dạng
mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học của nước nhảy ..........................75
4.2

Đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn mở rộng dần thay đổi độ dốc ........81

4.2.1

Chiều sâu tương đối nước nhảy tại vị trí lòng dẫn có độ dốc thay đổi .....82

4.2.2

Chiều sâu tương đối của nước nhảy tại vị trí cuối khu xoáy ....................84

4.2.3

Chiều sâu tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy ................................86

4.2.4

Chiều dài tương đối khu xoáy, chiều dài tương đối nước nhảy ................87
iv


4.3

Kết luận chương 4 ..........................................................................................87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................89
1.

Kết quả đạt được của luận án .........................................................................89

2.

Những đóng góp mới của luận án .................................................................89

3.

Tồn tại và hướng phát triển ............................................................................90

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................93
PHỤ LỤC ......................................................................................................................96

v


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu năng sau dốc nước ......................................................................6
Hình 1.2 Sơ đồ nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc [14] .................................11
Hình 2.1 Sơ đồ dòng tia trong không gian bán giới hạn [36] ........................................18
Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng của dòng chảy .......................................................................20
Hình 2.3 Sơ đồ bài toán nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc ..22
Hình 3.1 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong trường hợp tg  0,03;   0,04; i  0 ........47
Hình 3.2 Quan hệ 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,15;   0,0434 .................49
Hình 3.3 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,05;   0,037 ...........50
Hình 3.4 Hình ảnh bọt khí trong nước nhảy ..................................................................51
Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm trên mô hình vật lý mô phỏng nước nhảy ..........................51
Hình 3.6 Sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo chiều sâu, vận tốc điểm dòng chảy .................55
z
u  un
Hình 3.7 Biểu đồ
theo
với i  0,156 , trường hợp 2. ................................58
h
um  un
Hình 3.8 Biểu đồ

z
u  un
theo
với i  0,156 , trường hợp 3. ................................58
h
um  un

Hình 3.9 Biểu đồ

z

u  un
theo với i  0,036 , trường hợp 1 ...................................59
h
um  un

Hình 3.10 Biểu đồ

z
u  un
theo với i  0,036 , trường hợp 4 .................................61
h
um  un

Hình 3.11 Biểu đồ

z
u  un
theo với i  0 , trường hợp 1 ........................................61
h
um  un

Hình 3.12 Biểu đồ

z
u  un
theo
với i  0 , trường hợp 5 .......................................61
h
um  un

Hình 3.13 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  33,78;   0,045; i  0,156 ....................67
h1

Hình 3.14 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  42, 2;   0,04; i  0,156 .......................67
h1

Hình 3.15 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  22,03;   0,049; i  0,036 ...................68
h1

Hình 3.16 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  46,96;   0,037; i  0,036 ...................68
h1

Hình 3.17 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  24, 42;   0,033; i  0,0 .......................69
h1

vi


Hình 3.18 Quan hệ giữa  h và
Hình 4.1 Mối quan hệ giữa
Hình 4.2 Mối quan hệ

lx
và  x với độ dốc lòng dẫn, trường hợp i  0,13 . ......75
h1 '

lx
và  x với độ dốc lòng dẫn, trường hợp 0  i  0,13 . ..........76
h1 '

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa
Hình 4.4 Mối quan hệ

x
với Fr12  60,83;   0,033; i  0,0 ........................69
h1

lx
và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  0,13 . ......76
h1 '

lx
và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp 0  i  0,13 ..........77
h1 '

Hình 4.5 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  0 . ..........77
h1 '

Hình 4.6 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với Fr12 , trường hợp i  0,13 . ..........................78
h1 '

Hình 4.7 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với Fr12 , trường hợp 0  i  0,13 ......................78
h1 '

Hình 4.8 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với Fr12 , trường hợp i  0 . ...............................79
h1 '

Hình 4.9 Mối quan hệ giữa giữa

lx
và  x với  trường hợp i  0,13 . ......................79
h1 '

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa giữa

lx
và  x với  trường hợp 0  i  0,13 . ...............80
h1 '

lx
và  x với  trường hợp i  0 . .........................80
h1 '
Hình 4.12 Xói lở công trình do nước nhảy xuất hiện tại vị trí thay đổi độ dốc lòng dẫn
.......................................................................................................................................81
Hình 4.13 Sơ đồ nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần có độ dốc đáy thay
đổi. .................................................................................................................................82
Hình 4.14 Mô hình thí nghiệm vật lý lòng dẫn có đáy thay đổi độ dốc ........................83
Hình 4.11 Mối quan hệ giữa giữa

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quan hệ giữa Fr12 với

lo
trong lòng dẫn lăng trụ đáy bằng ..........................10
h1

Bảng 3.1 Bảng quan hệ giữa 2 với Fr12 trường hợp tg  0,03;   0,04; i  0 ........48
Bảng 3.2 Bảng quan hệ giữa  2 và Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc ....................49
Bảng 3.3 Quy luật phân bố

u  un
với i  0,156 , trường hợp 2 ................................56
um  un

Bảng 3.4 Quy luật phân bố

u  un
với i  0,156 , trường hợp 3 ................................57
um  un

Bảng 3.5 Quy luật phân bố

u  un
với i = 0,036, trường hợp 1 ..................................59
um  un

Bảng 3.6 Quy luật phân bố

u  un
với i = 0,036, trường hợp 4 ..................................60
um  un

Bảng 3.7 Quy luật phân bố

u  un
với i  0 , trường hợp 1 .......................................62
um  un

Bảng 3.8 Quy luật phân bố

u  un
với i  0 , trường hợp 5 ........................................63
um  un

Bảng 3.9 Quan hệ giữa  x ; lx / h1 với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần

i  0,156 ........................................................................................................................65
Bảng 3.10 Quan hệ giữa  x ; lx / h1 với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần

i  0,036 ........................................................................................................................65
Bảng 3.11 Quan hệ giữa  x ; lx / h1 với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần

i  0,0 ............................................................................................................................66
u
u
x
Bảng 3.12 Phân bố m và n theo
với i  0,156 , trường hợp 1 ...........................70
V1
h1 '
V1
Bảng 3.13 Phân bố

um
u
x
và n theo
với i  0,156 , trường hợp 2 ............................71
V1

h1 '
V1

Bảng 3.14 Phân bố

um
u
x
và n theo
với i  0,036 , trường hợp 1 ...........................71
V1
h1 '
V1

Bảng 3.15 Phân bố

um
u
x
và n theo
với i  0,036 , trường hợp 5 ...........................72
V1
h1 '
V1

Bảng 3.16 Phân bố

um
u
x

và n theo
với i  0 , trường hợp 1 ..................................72
V1
V1
h1 '

viii


Bảng 3.17 Phân bố

um
u
x
và n theo
với i  0 , trường hợp 2 .................................73
V1
h1 '
V1

Bảng 4.1 Mối quan hệ giữa

lx
ứng với 3 độ dốc tính toán ...........................................75
l2

Bảng 4.2 Quan hệ giữa nt với Fr12 ...............................................................................84
Bảng 4.3 Quan hệ giữa x với Fr12 ................................................................................86
Bảng 4.4 Quan hệ giữa c với Fr12 ................................................................................86
Bảng 4.5 Quan hệ giữa lnt/h1; lx/h1; lc/h1 với Fr12 ..........................................................87

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
1.

Các từ viết tắt

b :

Bề rộng dòng chảy tại vị trí bất kỳ

bx :

Bề rộng dòng chảy cuối khu xoáy

b1 :

Bề rộng dòng chảy trước nước nhảy

b2 :

Bề rộng dòng chảy cuối nước nhảy

Fx :

Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Ox

Fy :

Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Oy

Fz :

Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Oz

Fr2:

Số Froude của dòng chảy

h1 :

Chiều sâu dòng chảy trước nước nhảy theo phương thẳng đứng

h1’ :

Chiều sâu dòng chảy trước nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn

hx :

Chiều sâu dòng chảy cuối khu xoáy theo phương thẳng đứng

hx’ :

Chiều sâu dòng chảy cuối khu xoáy phương vuông góc với lòng dẫn

h2 :

Chiều sâu dòng chảy cuối nước nhảy theo phương thẳng đứng

h2’ :

Chiều sâu dòng chảy cuối nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn

hc :

Chiều sâu trọng tâm mặt cắt theo phương đứng

h’ :

Chiều sâu dòng chảy tại vị trí bất kỳ theo phương vuông góc với lòng dẫn

h :

Chiều sâu dòng chảy tại vị trí bất kỳ theo phương đứng

hk :

Chiều sâu dòng chảy phân giới

hnt :

Chiều sâu dòng chảy tại vị trí thay đổi độ dốc

i :

Độ dốc của lòng dẫn

lx :

Chiều dài khu xoáy

l2 :

Chiều dài nước nhảy

lo :

Chiều dài nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy bằng.

lxd :

Chiều dài khu xoáy của nước nhảy trên đoạn kênh dốc trong lòng dẫn thay đổi độ
dốc

lxb :

Chiều dài khu xoáy của nước nhảy trên đoạn kênh đáy bằng trong lòng dẫn thay
đổi độ dốc

lbtn:

Chiều dài bể tiêu năng

x


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full