MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của luận án Nước nhảy là một hiện tượng thuỷ lực của dòng chảy hở, hiện tượng này được áp dụng rất nhiều trong thực tế, như tiêu năng dòng chảy sau công trình, xáo trộn khí vào nước, thiết kế bể nén bùn ở hệ thống xử lý nước thải, áp dụng trong tính toán thiết kế cống, cầu… Nghiên cứu về nước nhảy là một vấn đề kinh điển, có lịch sử từ hàng trăm năm trước, người phát hiện hiện tượng nước nhảy đầu tiên là Leonardo da Vinci (1452- 1519), sau đó Bidone (năm 1818-1819) đã mô tả kỹ hơn hiện tượng này. Bélanger (năm 1828) đã xây dựng được công thức tính độ sâu liên hiệp nước nhảy trên kênh có mặt cắt ngang hình chữ nhật và đánh dấu bước khởi đầu về phân tích hiện tượng nước nhảy. Nghiên cứu nước nhảy trên thế giới rất đa dạng, từ nghiên cứu lý thuyết đến thực nghiệm và kết qủa cho ra rất nhiều các công thức lý thuyết, công thức bán thực nghiệm và công thức thực nghiệm với các đặc trưng tính toán khác nhau. Ở Việt Nam, cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu và ứng dụng về nước nhảy, như nghiên cứu của Hoàng Tư An (2005) về nước nhảy đáy, Nguyễn Văn Đăng (1998) về quá trình nước nhảy nối tiếp chảy đáy; Nguyễn Văn Cung về nước nhảy sóng; Lê Thị Việt Hà (luận án tiến sĩ, 2018) về nước nhảy trong kênh dốc mở rộng… các nghiên cứu đã khai thác các đặc trưng cơ bản của nước nhảy trong các điều kiện khác nhau, từ đó đã có những áp dụng thực tế mang lại hiệu quả và lợi ích thiết thực.
Phân tích cho thấy, nghiên cứu về nước nhảy trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình thang cân vẫn còn tương đối ít, công thức còn hạn chế và nhiều công thức hiện có vẫn chưa phù hợp trong tính toán (do tính chất đa dạng về mái dốc kênh, độ dốc lòng dẫn và các đặc trưng xoáy rối phức tạp). Mặt khác, nước nhảy trên lòng dẫn hình thang cân chủ yếu được nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng nước nhảy cũng chưa được xem xét đầy đủ bằng các phương trình lý thuyết, như các nghiên cứu thực nghiệm về nước nhảy của Samir Kateb (Luận án tiến sĩ, 2014) đối với kênh đáy dốc có mặt cắt ngang hình thang (mô hình thực nghiệm có đáy b = 20cm và mái dốc kênh 76,2o), nghiên cứu nước nhảy nối tiếp kênh hình thang (trên kênh có chiều rộng đáy b = 20cm, mái dốc 73o) với kênh chữ nhật -1- của SIAD Rafik (luận án tiến sĩ, 2018), hay nghiên cứu phân bố trường vận tốc trong nước nhảy trên kênh hình thang (mặt cắt ngang có đáy rộng b = 20cm) của Nobarian B. (2019)… đều dựa trên phân tích thực nghiệm về mối tương quan giữa các đặc trưng thủy lực của nước nhảy, mà chưa xây dựng được các tổ hợp bao gồm các yếu tố nghiên cứu gắn liền với cơ sở lý thuyết. Trong thực tế, tiêu năng sau công trình đối với lòng dẫn có mặt cắt ngang hình thang cũng đã được triển khai ở một số công trình thực tế, như công trình tiêu năng sau đập tràn của Thuỷ điện Hồi Xuân (Thanh Hoá, 2005), đập tràn Nà Sản (Sơn La, 2018)…, nhưng các phương án tính toán, thiết kế đều dựa trên các công thức tính cho mặt cắt ngang chữ nhật, sau đó sử dụng thí nghiệm mô hình để điều chỉnh thiết kế kỹ thuật, điều này dẫn đến giữa tính toán ban đầu và thiết kế sau thí nghiệm có những sai lệch nhất định.
Bên cạnh đó, các công thức áp dụng cho tính toán các đặc trưng thủy động của nước nhảy trong kênh có mặt cắt hình thang vẫn còn hạn chế và chưa đảm bảo sự phù hợp khi áp dụng thực tế, đặc biệt bất lợi khi thiết kế công trình mà không có thí nghiệm mô hình để điều chỉnh thiết kế kỹ thuật. Điều này cho thấy việc nghiên cứu lý thuyết và kết hợp với thực nghiệm về nước nhảy trên kênh hình thang cân là một bài toán thiết thực. Do vậy “Nghiên cứu đặc trưng hình học của nước nhảy đáy trong kênh lăng trụ mặt cắt ngang hình thang” mang nhiều ý nghĩa khoa học và là cơ sở cho áp dụng các đặc trưng nước nhảy trong tính toán thiết kế các công trình thủy lợi, công trình xử lý nước và thiết kế các công trình dân sinh khác. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu được định hướng theo các tiêu chí sau: + Xác định các đặc trưng hình học của nước nhảy, như độ sâu dòng chảy trước và sau khu xoáy, chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy trong kênh hình thang.
+ Đưa ra chỉ dẫn về tính toán các kích thước hình học của hiện tượng nước nhảy để thiết kế công trình tiêu năng có áp dụng nước nhảy hoàn chỉnh trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình thang. -2- Nhiệm vụ nghiên cứu: + Giải hệ phương trình vi phân cơ bản Navier-Stokes, áp dụng kết qủa nghiên cứu để phân tích nước nhảy trong kênh hình thang cân, từ đó xác định công thức lý thuyết tính độ sâu dòng chảy trước và sau khu xoáy của nước nhảy. + Áp dụng phương trình năng lượng để xây dựng công thức bán thực nghiệm về chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy. + Thí nghiệm trên mô hình vật lý để xác định cơ sở dữ liệu, từ đó kiểm nghiệm các công thức lý thuyết và xác định các hệ số thực nghiệm trong các công thức lý thuyết, công thức bán thực nghiệm và xây dựng các công thức thực nghiệm về tính các đặc trưng hình học khu xoáy của nước nhảy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu hiện tượng nước nhảy trong kênh lăng trụ, đáy bằng, không có mở rộng trên mặt bằng. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu nước nhảy sau đập tràn mặt cắt thực dụng trong kênh lăng trụ hình thang cân có hệ số mái dốc m = 1, đáy bằng, không có mở rộng trên mặt bằng trong điều kiện nước nhảy ổn định (số FrD1 = 4,0 ÷ 9,0). Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận của luận án Tiếp cận mục tiêu nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Trong đó, xây dựng các công thức theo hướng phân tích lý thuyết, với tất cả các nguyên nhân và đặc thù tác động lên quá trình nước nhảy.
Sau đó sử dụng số liệu thực nghiệm để điều chỉnh các thông số trong công thức hoặc xây dựng công thức thực nghiệm phù hợp dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu.2 Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa: Tổng hợp tài liệu, đánh giá tổng quan các nghiên cứu liên quan ở trong nước và trên thế giới, kế thừa và sử dụng các dữ liệu có sẵn, đặc biệt là bộ dữ liệu của Wanoscheck R. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích là nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích chúng thành từng bộ phận để tìm hiểu sâu sắc về đối tượng. -3- Tổng hợp là liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích tạo ra hệ thống lý thuyết đầy đủ và sâu sắc về đối tượng nghiên cứu. Điều này thể hiện trong việc áp dụng hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình cân bằng năng lượng của dòng chảy để phân tích các đặc trưng thủy động của nước nhảy.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển - Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, sử dụng các dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh các công thức đã xây dựng. Phương pháp phân tích thống kê: Sử dụng phần mềm của MS Excel 2019 và phần mềm IBM SPSS 26 để phân tích xử lý các thông tin số liệu thực nghiệm. Sử dụng các tiêu chuẩn trong phân tích dữ liệu thống kê (như MAPE, MSE, RMSE, R2…) để đánh giá kết quả tính toán với số liệu thực đo. Phương pháp chuyên gia: Để đảm bảo độ tin cậy của các phương pháp nghiên cứu và công thức đề xuất về các đặc trưng của nước nhảy, tác giả tiếp thu ý kiến từ các cuộc hội thảo, các buổi góp ý của chuyên gia để hoàn thiện nội dung nghiên cứu.
Phương pháp phân tích thứ nguyên: Sử dụng lý thuyết Pi () của Buckingham để phân tích xác định các mối quan hệ của các đặc trưng hình học của nước nhảy và các yếu tố ảnh hưởng, để xác định được các dữ liệu cần thu thập. Phương pháp mô hình toán: Áp dụng mô hình toán dự báo các đặc trưng hình học của nước nhảy, nghiên cứu lần đầu tiên đã áp dụng mô hình Học máy “Cây quyết định” và “Rừng ngẫu nhiên” để dự báo độ sâu sau khu xoáy và chiều dài khu xoáy của nước nhảy trong kênh hình thang cân, đáy bằng có mái dốc m = 1. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học - Luận án đã giải hệ phương trình Navier-stokes để xác định công thức tính độ sâu dòng chảy trước và sau khu xoáy (y1, yr) của nước nhảy trong kênh hình thang, đồng thời phân tích được ý nghĩa và giá trị tỷ lệ hệ số động lượng khu xoáy (k). - Luận án đã xây dựng cơ sở khoa học về xác định chiều dài khu xoáy (Lr) của nước nhảy.
-4- - Luận án đã áp dụng các công cụ hiện đại của công nghệ “Học máy” vào nghiên cứu xác định các đặc trưng hình học của nước nhảy và đã đáp ứng được mục đích nghiên cứu về đặc trưng hình học của nước nhảy.2 Ý nghĩa thực tiễn - Kết qủa nghiên cứu của luận án có độ chính xác và sự tin cậy cao, đồng thời góp phần làm rõ thêm về quy luật, đặc điểm và tính chất của nước nhảy ổn định trong kênh hình thang cân. Việc xác định được các công thức lý thuyết, công thức bán thực nghiệm và công thức thực nghiệm cho các đặc trưng hình học của nước nhảy trong kênh hình thang cân đã cho phép mở rộng hơn về việc áp dụng nước nhảy. Bên cạnh đó mở ra được nhiều định hướng phát triển kế tiếp. - Luận án đã đề xuất quy trình tính các kích thước hình học của nước nhảy trong việc xác định thông số trong thiết kế công trình, phương pháp tính đảm bảo được các cơ sở khoa học và tính chính xác khi áp dụng.
Những điểm mới của luận án + Giải hệ phương trình Navier-Stokes với điều kiện nước nhảy ổn định (Fr1 = 4,0 ÷ 9,0), từ đó xây dựng được công thức lý thuyết (3.36) và giá trị tỷ lệ hệ số động lượng (k) theo (3.
