Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO----------------------BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT - ĐÁY - NGẬP 3 XOÁY SAU BẬC THỤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO----------------BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT - ĐÁY - NGẬP 3 XOÁY SAU BẬC THỤT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY MÃ SỐ: 62580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ VĂN NGHỊ HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Quốc Huy i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học của luận án PGS.TS Lê Văn Nghị, Phó giám đốc Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển (Phòng TNTĐ), Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tận tình giúp đỡ, khuyến khích tôi suốt quá trình nghiên cứu luận án và cung cấp những cơ sở cần thiết để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn đến Ban Giám đốc, các phòng chức năng và đặc biệt là Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực thuộc Phòng TNTĐ cùng cộng sự (cs) đã hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thí nghiệm phục vụ luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Trung tâm Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Ban Tổ chức - Hành chính, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn đến các nhà khoa học thuộc các Bộ, Ngành, các Trường Đại học, Cao đẳng, Viện nghiên cứu trong cả nước đã tham gia góp ý, giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Thiếu tá, TS. Nguyễn Ngọc Hưng, Viện Khoa học Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng đã tìm và dịch các tài liệu tiếng Nga giúp tôi trích dẫn trong luận án này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới bố mẹ, người đã sinh thành và chịu nhiều vất vả để nuôi dưỡng tôi nên người; đặc biệt là người vợ, các em gái, các con, các cháu tôi đã luôn động viên, cổ vũ, giúp đỡ tôi về mọi mặt để tôi cố gắng, phấn đấu hoàn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật này. Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2017 Tác giả luận án Nguyễn Quốc Huy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II MỤC LỤC ................................................................................................................. III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................. VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... XII DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................ XIII MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết ......................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................2 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3 6. Kết quả đạt được .................................................................................................3 7. Các đóng góp mới của luận án ............................................................................4 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU NỐI TIẾP, TIÊU NĂNG .... 5 1.1. Khái niệm chung về nước nhảy, nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình tháo.... .........................................................................................................................5 1.1.1. Nước nhảy .....................................................................................................5 1.1.2. Nối tiếp ở hạ lưu công trình tháo ..................................................................6 1.1.3. Tiêu năng ở hạ lưu công trình tháo ...............................................................7 1.2. Các phương pháp nghiên cứu thuỷ lực hạ lưu công trình tháo .....................8 1.2.1. Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm ................................................8 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu bằng giải tích .......................................................9 1.2.3. Phương pháp nghiên cứu bằng mô hình số trị ............................................10 1.3. Nối tiếp bằng dòng đa xoáy ở hạ lưu bậc thụt nhỏ - Bồn tiêu năng ............10 1.4. Nước nhảy mặt, mặt đáy hỗn hợp và nối tiếp, tiêu năng sau bậc thụt có góc hất nhỏ hơn 150 ........................................................................................................15 iii 1.4.1. Khái quát về nước nhảy mặt .......................................................................15 1.4.2. Các dạng nối tiếp chảy mặt .........................................................................16 1.4.3. Quan hệ cơ bản của nối tiếp hạ lưu bằng nước nhảy mặt ...........................18 1.4.4. Độ sâu giới hạn hình thành nước nhảy mặt sau bậc thụt ............................19 1.4.5. Độ cao bậc thụt nhỏ nhất để hình thành nước nhảy mặt ............................23 1.4.6. Đặc trưng mặt tự do của nước nhảy mặt .....................................................24 1.4.7. Đặc trưng nội bộ của dòng chảy mặt ..........................................................26 1.4.8. Ứng dụng tiêu năng dòng mặt ở Việt Nam .................................................28 1.5. Nối tiếp và tiêu năng dòng hỗn hợp mặt – đáy – ngập 3 xoáy sau bậc thụt có góc hất lớn hơn 250 (dòng chảy phễu) ...................................................................29 1.5.1. Các dạng nối tiếp dòng chảy phễu ..............................................................29 1.5.2. Tiêu năng dòng chảy phễu ..........................................................................31 1.6. Kết luận chương 1 ............................................................................................32 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT – ĐÁY – NGẬP 3 XOÁY SAU BẬC THỤT ................................................. 35 2.1. Cơ sở lý thuyết tương tự và mô hình hóa.......................................................35 2.1.1. Lý thuyết thứ nguyên ..................................................................................35 2.1.2. Định lý hàm số π .........................................................................................36 2.1.3. Mô hình hóa ................................................................................................37 2.2. Lập phương trình nghiên cứu thực nghiệm ..................................................39 2.3. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực học của dòng nối tiếp hỗn hợp mặt – đáy – ngập 3 xoáy sau bậc thụt (dòng chảy phễu) ................................................................................................................43 2.3.1. Xác định các kịch bản thí nghiệm...............................................................43 2.3.2. Xác định hàm toán mô tả hệ .......................................................................45 2.3.3. Các thông số đánh giá độ phù hợp của mô hình hồi quy ............................47 2.3.4. Phân tích tương quan ..................................................................................48 2.4. Mô hình thí nghiệm ..........................................................................................49 2.4.1. Mô hình .......................................................................................................49 iv 2.4.2. Bố trí mặt cắt, vị trí, thiết bị đo...................................................................50 2.4.3. Đánh giá sai số thí nghiệm mô hình ...........................................................53 2.4.4. Các điều kiện giới hạn mô hình ..................................................................55 2.4.5. Điều kiện áp dụng trong thực tế..................................................................56 2.4.6. Quy trình thí nghiệm ...................................................................................57 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................57 CHƯƠNG 3: ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT – ĐÁY – NGẬP 3 XOÁY SAU BẬC THỤT .............................. 58 3.1. Giới hạn trên và giới hạn dưới hình thành dòng nối tiếp hỗn hợp mặt – đáy – ngập sau bậc thụt (dòng chảy phễu) ...................................................................58 3.1.1. Sự chuyển đổi chế độ nối tiếp ở hạ lưu bậc thụt có tỷ lệ a/P=0,14÷0,46 và góc hất θ=250÷510 .................................................................................................58 3.1.2. Dòng chảy phễu và trạng thái giới hạn .......................................................60 3.1.3. Tương quan của độ sâu giới hạn và các biến thực nghiệm .........................63 3.1.4. Độ sâu dòng chảy nhỏ nhất và lớn nhất hình thành dòng chảy phễu .........65 3.2. Đặc trưng hình dạng của dòng chảy phễu .....................................................74 3.2.1. Chiều cao nước vồng ..................................................................................74 3.2.2. Chiều dài xoáy cuộn ...................................................................................82 3.3. Phân bố lưu tốc, cấu trúc dòng chảy phễu .....................................................88 3.3.1. Phân bố lưu tốc trung bình theo chiều dài dòng chảy.................................88 3.3.2. Phân bố lưu tốc đáy theo chiều dòng chảy .................................................89 3.3.3. Sự suy giảm lưu tốc của dòng chảy phễu ...................................................89 3.4. Sự tiêu hao năng lượng của dòng chảy phễu .................................................93 3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................94 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KẾT CẤU MŨI HẤT TẠO DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT – ĐÁY – NGẬP 3 XOÁY .............................. 96 4.1. Lựa chọn kết cấu tiêu năng dòng chảy phễu .................................................96 4.1.1. Điều kiện hình thành dòng chảy phễu ........................................................96 4.1.2. Lựa chọn chiều cao bậc thụt .......................................................................98 4.1.3. Lựa chọn bán kính mũi hất .........................................................................98 v 4.1.4. Lựa chọn góc hất theo điều kiện lưu tốc đáy lớn nhất ................................99 4.1.5. Điều kiện áp dụng các công thức thực nghiệm.........................................100 4.2. Quy trình tính toán lựa chọn kết cấu tiêu năng dòng chảy phễu ..............100 4.2.1. Xác định các thông số công trình .............................................................100 4.2.2. Tính toán các thông số đặc trưng dòng chảy ............................................102 4.2.3. Xác định bán kính mũi hất (R) .................................................................102 4.2.4. Xác định chiều cao đáy mũi hất (a0) .........................................................102 4.2.5. Xác định góc mũi hất (θ) ..........................................................................103 4.2.6. Xác định chiều cao bậc thụt (a ) ...............................................................103 4.2.7. Tính toán chiều sâu hạ lưu giới hạn (hmin và hmax) ....................................103 4.2.8. Xác định chiều cao nước vồng và chiều dài khu xoáy dòng chảy phễu ...103 4.2.9. Xác định lưu tốc dòng chảy sau bậc thụt ..................................................104 4.2.10. Xác định hiệu quả tiêu năng ...................................................................104 4.3. Tính toán ứng dụng đối với tràn xả lũ Bản Mồng ......................................104 4.3.1. Giới thiệu chung .......................................................................................104 4.3.2. Xác định các thông số công trình nối tiếp tiêu năng dòng chảy phễu ......105 4.3.3. Xác định các đặc trưng nối tiếp tiêu năng dòng chảy phễu sau tràn Bản Mồng .............................................................................................................................106 4.3.4. Tính toán so sánh khả năng xuất hiện dòng chảy phễu ở hạ lưu tràn Bản Mồng với các góc hất và công thức khác nhau ...................................................107 4.3.5. Giải pháp gia cố bảo vệ lòng dẫn hạ lưu và so sánh tiêu năng dòng chảy phễu với tiêu năng đáy của tràn Bản Mồng .................................................................110 4.4. Kết luận chương 4 ..........................................................................................111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 112 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ............................................................... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 116 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỦ YẾU VÀ TỪ VIẾT TẮT a: Chiều cao bậc thụt, là độ chênh giữa cao trình mũi hất và đáy kênh hạ lưu amin: Chiều cao bậc thụt nhỏ nhất xuất hiện nước nhảy mặt a0: Chiều cao đáy mũi hất, là độ chênh giữa cao trình đáy mũi hất và đáy kênh hạ lưu B: Tổng chiều rộng tràn nước BTCT: Bê tông cốt thép b: Chiều rộng kênh có mặt cắt chữ nhật D = R(1 − cos θ): Độ sâu của mũi hất Dòng nối tiếp hỗn hợp mặt – đáy – ngập 3 xoáy sau bậc thụt gọi tắt là Dòng chảy phễu E0: Năng lượng của dòng chảy ở thượng lưu tính với mặt chuẩn là đáy kênh hạ lưu Eh: Năng lượng của dòng chảy ở hạ lưu tính với mặt chuẩn là đáy kênh hạ lưu cs: Cộng sự Fr = V : Số Froude √gh g = 9,81𝑚/𝑠 2 : Gia tốc trọng trường HT1, HT3, HT5: Hình thức nối tiếp phóng xa, hình thức nối tiếp hỗn hợp mặt – đáy – ngập 3 xoáy (dòng chảy phễu), hình thức nối tiếp chảy đáy ngập H, H0: Cột nước trên đỉnh tràn, cột nước tràn có kể tới cột nước lưu tốc tới gần h1 , h2 : Độ sâu liên hiệp trước và sau nước nhảy đáy ha : Cột nước áp suất dưới dòng chảy sau bậc thụt, do áp suất dòng chảy cong gây ra hc : Độ sâu dòng chảy tại mặt cắt co hẹp h"c : Độ sâu liên hiệp sau nước nhảy với độ sâu hc hgh : Độ sâu phân giới trạng thái nối tiếp bằng nước nhảy sau mũi hất hh: Độ sâu dòng chảy ở hạ lưu công trình hk : Độ sâu dòng chảy phân giới (độ sâu phân giới) hmin , hmax : Độ sâu dòng chảy hạ lưu nhỏ nhất, lớn nhất xuất hiện dòng chảy phễu hv: Chiều cao nước vồng lớn nhất của dòng chảy phễu, chính là độ sâu dòng chảy liên hiệp của xoáy 2 (h22) vii KB: Kịch bản i, ik : Độ dốc đáy kênh, độ dốc phân giới của dòng chảy P: Chiều cao đập tràn tính với cao trình đáy kênh hạ lưu, P=zng-zđk Q, q: Lưu lượng và tỷ lưu lượng (lưu lượng đơn vị) qm , qtt : Lưu lượng đơn vị trong mô hình, trong nguyên hình R, R min : Bán kính cong mũi hất, Bán kính mũi hất nhỏ nhất S: Hệ số tương quan bội SS: Sai số chuẩn r: Hệ số tương quan của các đại lượng khảo sát Re, Regh , Rem : Số Reynolds, số Reynolds giới hạn, số Reynolds ở mô hình TT, TT2, TT4: Trạng thái, trạng thái giới hạn dưới, trạng thái giới hạn trên Tmin , Tmax : Độ sâu dòng chảy hạ lưu nhỏ nhất, lớn nhất trong nghiên cứu của Peterka ̅: Lưu tốc trung bình trước nước nhảy, lưu tốc trung bình thời gian V1 , V Vc : Lưu tốc tại mặt cắt co hẹp Vh : Lưu tốc kênh đáy bằng sau dòng chảy phễu zđk: Cao trình đáy kênh hạ lưu zm: Cao trình mũi hất zmin, zmax: Mực nước hạ lưu nhỏ nhất, lớn nhất xuất hiện dòng chảy phễu zng: Cao trình đỉnh ngưỡng tràn ztl, zhl: Cao trình mực nước thượng lưu, hạ lưu α: Hệ số sửa chữa động năng α0: Hệ số sửa chữa động lượng λL , λv , λa : Tỷ lệ: hình học, vận tốc, gia tốc φ: Hệ số lưu tốc ρ: Khối lượng riêng của nước : Góc hất của mũi hất, mũi bậc ν: Hệ số nhớt động học Δhgh=hmax – hmin: Giới hạn hình thành dòng chảy phễu viii