Nghiên cứu đặc trưng thủy động lực học của dòng biến lượng không ổn định trong máng tràn bên

Luận án phân tích đặc trưng thủy động lực học của dõng biến lượng không ổn định trong máng tràn bên, cung cấp kiến thức chuyên sâu cho nghiên cứu.

Trường đại học

Trường Đại Học Thủy Lợi

Chuyên ngành

Thủy Lợi

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận Án

2023

141
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁNG TRÀN BÊN VÀ DÒNG BIẾN LƯỢNG

1.1. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG CHẢY

1.2. MÁNG TRÀN BÊN

1.2.1. Đặc điểm công trình máng tràn bên

1.2.2. Một số công trình hồ chứa áp dụng hình thức máng tràn bên tháo lũ

1.2.2.1. Các công trình trên thế giới
1.2.2.2. Các công trình trong nước

2. CHƯƠNG 2: HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DÒNG BIẾN LƯỢNG MỘT CHIỀU KHÔNG ỔN ĐỊNH

3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÒNG BIẾN LƯỢNG TRONG MÁNG TRÀN BÊN

4. CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ĐƯỜNG MẶT NƯỚC TRONG MÁNG TRÀN BÊN

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghiên cứu về thủy động lực học của dòng chảy không ổn định trong máng tràn là một lĩnh vực quan trọng trong thiết kế và vận hành các công trình thủy lợi. Máng tràn ngang, với vai trò là công trình tháo lũ, được áp dụng trong các hồ chứa khi không có điều kiện địa hình phù hợp cho tràn dọc. Dòng chảy trong máng tràn bên thường được coi là dòng biến lượng (SVF) ổn định, nhưng thực tế lại là dòng chảy không ổn định với lưu lượng thay đổi dọc theo chiều dòng chính. Sự phức tạp của dòng chảy này đến từ việc không khí liên tục bị cuốn vào dòng chảy, tạo ra sự xáo trộn mạnh mẽ, ảnh hưởng đến chế độ thủy lực và làm cho việc mô phỏng toán học trở nên khó khăn. Do đó, việc nghiên cứu và tính toán các đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy trong máng tràn bên là cần thiết để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong thiết kế công trình.

II. Đặc trưng dòng chảy không ổn định

Dòng chảy không ổn định trong máng tràn bên có những đặc điểm riêng biệt. Đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy này bao gồm sự thay đổi lưu lượng và áp suất theo thời gian, dẫn đến các hiện tượng như dòng xoắn ba chiều (3D) và dòng xoắn thứ cấp. Các yếu tố thủy lực có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, và sự gia nhập của dòng chảy bên vào dòng chính tạo ra những biến đổi phức tạp trong chế độ thủy lực. Việc áp dụng các phương trình động lực học như phương trình Saint Venant 1D để mô phỏng dòng chảy không ổn định là một thách thức lớn, vì các phương trình này chưa hoàn toàn phù hợp với các điều kiện thực tế. Do đó, cần thiết phải phát triển các mô hình toán học mới để cải thiện độ chính xác trong tính toán.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để phân tích và mô phỏng dòng chảy không ổn định trong máng tràn bên. Phương pháp phân tích lý thuyết giúp tổng hợp và đánh giá các nghiên cứu trước đó, trong khi phương pháp phân tích thứ nguyên được áp dụng để xây dựng các công thức thực nghiệm từ số liệu thực đo. Phương pháp giải tích và giải số cũng được sử dụng để thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến của SVF không ổn định 1D. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm là cần thiết để xác định các đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy, từ đó cung cấp công cụ tính toán chính xác hơn cho các công trình thủy lợi.

IV. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ làm phong phú thêm lý thuyết về thủy động lực học mà còn cung cấp các công cụ tính toán chính xác hơn cho thiết kế máng tràn bên. Việc xác định các hệ số phân bố lưu tốc và chiều sâu dòng chảy trong máng tràn sẽ giúp cải thiện quy mô công trình, đảm bảo tính hiệu quả và an toàn trong vận hành. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi, từ đó nâng cao khả năng quản lý và sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần Mở đầu, Kết luận và Phụ lục, nội dung chính của luận án đƣợc trình bày trong 04 chƣơng, bao gồm: - Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu về máng tràn bên và dòng biến lƣợng - Chƣơng 2. Hệ phƣơng trình vi phân dòng biến lƣợng một chiều không ổn định - Chƣơng 3. Phân tích kết quả thực nghiệm xác định một số đặc trƣng thủy động lực học của dòng biến lƣợng trong máng tràn bên - Chƣơng 4.

Lập trình và ứng dụng tính toán đƣờng mặt nƣớc trong máng tràn bên. 6 Chƣơng 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁNG TRÀN BÊN VÀ DÕNG BIẾN LƢỢNG 1. SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÕNG CHẢY 1. Phân loại chuyển động Sự chuyển động của dòng chảy đƣợc phân loại theo các cách khác nhau, nhƣ chuyển động chảy tầng - rối, chảy êm - xiết, chảy đều - không đều, ổn định - không ổn định, liên tục - gián đoạn, có áp - không áp, xoáy - không xoáy [3][40].

Khi dòng chảy có sự gia nhập hoặc phân tán liên tục dọc theo chiều lòng dẫn đƣợc gọi là dòng biến lƣợng (Spatially Varied Flow - SVF). Dòng chảy trong tự nhiên về bản chất là dòng không ổn định với các yếu tố thủy lực thay đổi theo thời gian và đƣợc chia thành hai loại [3][70][72]: (1) Chuyển động không ổn định biến đổi chậm nhƣ dòng chảy lũ hay dòng chảy chịu tác động của thủy triều, có các yếu tố cơ bản nhƣ lƣu tốc hay áp suất thay đổi chậm theo thời gian; (2) Chuyển động không ổn định biến đổi gấp nhƣ lũ quét hay dòng chảy sau sự cố vỡ đập, có các yếu tố cơ bản thay đổi rất nhanh theo thời gian. Dòng chảy đều là dòng chảy ổn định trong lòng dẫn nhân tạo dạng kênh dẫn lăng trụ có độ dốc đáy (S0) và độ nhám (n) không đổi [3][17][40]. Tuy nhiên, cũng có thể coi có dòng chảy đều trong những đoạn nhất định của sông thiên nhiên, khi những điều kiện trên đƣợc coi là đầy đủ ở những đoạn đó.

Công thức cơ bản áp dụng cho dòng chảy đều là công thức Chezy [17][40][70][72]: v  c RS0 (1.1) 8g trong đó: v - lƣu tốc trung bình mặt cắt, m/s; c - hệ số Chezy, m / s , c  ; f - hệ f số ma sát; g - gia tốc trọng trƣờng, g = 9,81m/s2; R - bán kính thủy lực, m. Vì dòng chảy trong lòng dẫn hở đa phần ở chế độ chảy rối khu vực hoàn toàn nhám (khu bình phƣơng sức cản) nên hệ số Chezy có thể xác định bằng các công thức Manning [40], Forchheimer [70], Pavlovski [3], Ganguillet và Kutter [40], Agroskin [17], Bazin [17]. Các công thức xác định hệ số Chezy cho thấy, nếu độ nhám của lòng dẫn càng lớn thì hệ số Chezy càng nhỏ. Hệ số nhám lòng sông có giá 7 trị khoảng 0,02  0,10, hệ số nhám bãi sông khoảng 0,03  0,18 [40].

Hệ số nhám đƣợc coi là không đổi khi độ sâu dòng chảy thay đổi, tuy nhiên ở một số sông, giá trị của hệ số này biến đổi đáng kể khi độ sâu dòng chảy thay đổi. Hệ số Chezy của lòng sông thƣờng dao động trong khoảng 40  60 m / s [17]. SVF là thuật ngữ mô tả hiện tƣợng dòng chảy ổn định hoặc không ổn định có lƣu lƣợng dọc theo chiều dòng chính thay đổi bởi sự gia nhập hoặc phân tán liên tục của dòng chảy bên. Có thể hiểu đơn giản, SVF là dòng chảy chuyển động trong lòng dẫn mà lƣu lƣợng thay đổi dọc theo chiều dòng chảy hay còn đƣợc gọi là dòng chảy có lƣu lƣợng thay đổi theo không gian [41].

Hiện tƣợng dòng biến lƣợng SVF thƣờng gặp nhiều trong kỹ thuật thủy lợi và trong công nghiệp nhƣ vận tải bằng đƣờng ống, khai thác và vận chuyển dầu khí hay đƣờng ống khí nén. Trong thủy lợi và cấp nƣớc, máng tràn ngang, kênh cắt dốc, tràn xả thừa trên kênh tƣới; dòng chảy trong ống phân phối liên tục, đƣờng ống tiêu nƣớc ngầm có đục lỗ hay đƣờng ống tƣới ngầm là trƣờng hợp dòng chảy có lƣu lƣợng thay đổi dọc theo đƣờng ống có áp [1]. Chế độ thủy lực trong máng tràn bên rất phức tạp, gây ra bởi lực tác động của dòng gia nhập vào dòng chính, tạo ra những dòng xoắn ba chiều (3D) trên quy mô lớn và những dòng xoắn thứ cấp [6][7][10][12][33][40] làm cho việc mô phỏng hiện tƣợng bằng toán học gặp nhiều khó khăn, rất khó để mô phỏng chính xác. Bằng việc sử dụng mô hình toán 3D có thể mô phỏng đƣợc chế độ thủy lực trong máng nhƣng cũng gặp nhiều khó khăn khi mô tả chi tiết cấu trúc của nó.

Trong thực tế thiết kế, không phải lúc nào cũng có điều kiện thực hiện thí nghiệm trên mô hình vật lý, do đó cần chấp nhận một số giả thiết để đơn giản hóa hiện tƣợng nhằm mô phỏng gần đúng bằng bài toán 1D nhƣng kết quả vẫn đạt yêu cầu và đủ độ tin cậy. MÁNG TRÀN BÊN 1. Đặc điểm công trình máng tràn bên Máng tràn bên là bộ phận chính của công trình tháo lũ đƣờng tràn ngang áp dụng ở các hồ chứa không có vị trí, địa hình phù hợp để bố trí tràn dọc hay các hình thức tháo lũ khác mà vẫn đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (Hình 1. Ngoài ra, đƣờng tràn ngang có thể áp dụng làm tràn phụ, tràn sự cố [22], thích hợp với các loại công trình lớn, vừa và nhỏ [31][33].

8 (1) Máng tràn bên; (2) Kênh tháo; (3) Công trình nối tiếp; (4) Kênh dẫn hạ lƣu; (5) Đập; (6) Cầu; (7) Ngƣỡng tràn Hình 1. Các bộ phận công trình đường tràn ngang Ƣu điểm của công trình là: (1) Bố trí ngƣỡng tràn bám theo đƣờng đồng mức, ngƣỡng tràn có thể đƣợc kéo dài mà khối lƣợng công trình tăng không đáng kể so với việc thay đổi kích thƣớc tràn dọc; (2) Cột nƣớc trên ngƣỡng tràn thấp nên có thể giảm độ cao của đập và giảm diện tích ngập lụt thƣợng lƣu; (3) Lƣu tốc đoạn đầu máng nhỏ; (4) Lƣu lƣợng xả tăng lên nhƣng cột nƣớc tràn tăng không nhiều; (5) Năng lƣợng đƣợc tiêu tán tốt hơn, cột nƣớc đầu kênh chuyển tiếp lớn hơn so với tràn dọc với cùng lƣu lƣợng đơn vị; và (6) Giảm nguy cơ xói lở [33][45][47]. Bên cạnh đó, công trình cũng có nhƣợc điểm cơ bản là: (1) Chế độ thủy lực trong máng tràn bên rất phức tạp, dòng xoắn có thể lan truyền xuống hạ lƣu ảnh hƣởng đến khả năng tháo; (2) Khi dòng chảy qua tràn chuyển trạng thái từ chảy tự do sang chảy ngập gây tăng đột biến mực nƣớc hồ [45][47]. Các hình thức tháo lũ qua đƣờng tràn ngang có thể thông qua một cạnh của tràn (Hình 1.2a); một cạnh và đầu tràn (Hình 1.2b); hai cạnh và đầu tràn (Hình 1.2c); hoặc tràn dạng máng kép (Hình 1.2d) kiểu zigzag (tràn Labyrinth) trên đỉnh tràn thực dụng hiện hữu, trong điều kiện mặt bằng xây dựng chật hẹp.

Hiện nay, tràn zigzag đã đƣợc cải tiến thành dạng tràn Piano [21][22]. Mặt cắt ngang của máng bên có nhiều dạng khác nhau, đƣợc thiết kế đối xứng hoặc không đối xứng phù hợp điều kiện địa hình hoặc yêu cầu thiết kế. Các dạng mặt cắt ngang hình chữ nhật và hình thang (Hình 1.3a, b) hoặc dạng hỗn hợp (Hình 9 1.3e) với các hệ số mái (m1, m2) là mặt cắt thƣờng gặp đối với máng tràn bên. Mặt cắt tam giác (Hình 1.3c) thƣờng áp dụng với rãnh thu nƣớc nhỏ và dạng bán nguyệt (Hình 1.3d, g) thƣờng gặp ở các máng thu nƣớc mƣa.

Các hình thức lấy nước qua tràn vào máng bên Hình 1. Các dạng mặt cắt ngang của máng bên Mặt bằng máng có dạng kênh lăng trụ (Hình 1.4a) hoặc phi lăng trụ mặt cắt mở rộng dần (Hình 1. Máng phi lăng trụ thu hẹp dần (Bđầu > Bcuối) không nên sử dụng vì làm tăng mức độ phức tạp cho chế độ thủy lực hạ lƣu máng, bởi lƣu tốc cuối máng sẽ tăng mạnh do lƣu lƣợng là lớn nhất trong khi kích thƣớc mặt cắt giảm. Với máng tràn bên lăng trụ và phi lăng trụ có cùng Bcuối, S0 và điều kiện hình học kênh chuyển tiếp thì lƣu tốc và mực nƣớc đầu máng phi lăng trụ sẽ lớn hơn với cùng lƣu lƣợng tháo.

Tuy nhiên trong thực tế, máng phi lăng trụ thƣờng đƣợc áp dụng khi kích thƣớc mặt cắt đầu máng bị hạn chế mà không làm thay đổi chế độ thủy lực từ hạ lƣu máng sang kênh chuyển tiếp. Kênh chuyển tiếp thƣờng đƣợc thiết kế dạng dốc nƣớc với mặt cắt hình chữ nhật hoặc hình thang, phổ biến ở dạng lăng trụ, nhƣng vẫn có thể có dạng phi lăng trụ phụ thuộc kết quả tính toán thủy lực và điều kiện địa hình. Trong một số trƣờng hợp, tại vị trí cuối máng đƣợc thiết kế thêm ngƣỡng (Hình 1.5b) hoặc bậc nƣớc nhằm tạo chế độ thủy lực gián đoạn giữa hạ lƣu máng với kênh chuyển tiếp. Các dạng mặt bằng của máng tràn bên 1.

Một số công trình hồ chứa áp dụng hình thức máng tràn bên tháo lũ 1. Các công trình trên thế giới Đập Hoover (Mỹ) là công trình đầu tiên trên thế giới ứng dụng đƣờng tràn ngang để tháo lũ thiết kế (QTK) trên 10.000m3/s dựa trên kết quả nghiên cứu thử nghiệm đầu những năm 30 của thế kỷ XX [45]. Công trình đƣợc xây dựng trên sông Colorado tại vị trí biên giới bang Nevada và Arizona với tên gọi ban đầu là Boulder Canyon và đƣợc đổi tên thành Hoover vào năm 1947. Đây là đƣờng tràn ngang mặt cắt thực dụng có cửa van điều tiết (Hình 1.

Đập Karahnjukar (Iceland) là đập lớn nhất châu Âu với chiều dài đập chính 730m và cao 198m. Cột nƣớc làm việc của 6 turbine khoảng 600m. Đƣờng tràn ngang có mặt cắt thực dụng không có cửa van điều tiết (Hình 1. Đập Arrowrock (Mỹ) trên sông Boise thuộc bang Idaho có đƣờng tràn ngang mặt cắt thực dụng, với 6 cửa van điều tiết (Hình 1.

Đập Burrinjuck (Australia) trên sông Murrumbidgee, bang New South Wales (Hình 1.8), tuyến tràn ngang lƣợn cong, có ngƣỡng thực dụng, không có cửa van điều tiết [69]. Đập Fort Smith (Mỹ) trên sông Frog Bayou, bang Arkansas (Hình 1.9) có đƣờng tràn ngang mặt cắt thực dụng, không có cửa van điều tiết [38]. Đập Flatiron (Mỹ) thuộc quận Larimer, bang Colorado (Hình 1.10), có đƣờng tràn ngang dạng chữ U cho phép tháo lũ qua 3 cạnh của đƣờng tràn, ngƣỡng tràn có mặt cắt thực dụng, không có cửa van điều tiết [38]. Các công trình nêu trên là những dạng công trình đƣờng tràn ngang thƣờng gặp, chủ yếu là loại đập vật liệu địa phƣơng.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài luận án "Nghiên cứu đặc trưng thủy động lực học của dòng biến lượng không ổn định trong máng tràn bên" từ Trường Đại Học Thủy Lợi năm 2023 tập trung vào việc phân tích các đặc điểm thủy động lực học của dòng chảy không ổn định trong các máng tràn. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi của dòng chảy mà còn giúp cải thiện thiết kế và quản lý các công trình thủy lợi, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giảm thiểu rủi ro trong các tình huống thiên tai.

Để mở rộng thêm kiến thức về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo các tài liệu liên quan như Đề xuất sử dụng máy bơm nước phù hợp tại Hưng Yên, nơi nghiên cứu về các giải pháp kỹ thuật trong quản lý nước, hoặc Luận văn về titan dioxide: Phương pháp điều chế bột nano, liên quan đến ứng dụng vật liệu trong các hệ thống thủy lợi. Cả hai tài liệu này đều có thể cung cấp thêm thông tin hữu ích cho những ai quan tâm đến lĩnh vực thủy lợi và công nghệ liên quan.