I. Giới thiệu và tính cấp thiết
Nghiên cứu tập trung vào đặc trưng thủy động lực học của dòng nối tiếp hỗn hợp mặt đáy ngập 3 xoáy sau bậc thụt, một hiện tượng phức tạp nhưng có ý nghĩa lớn trong việc tiêu hao năng lượng và ổn định lòng dẫn. Các công trình tháo nước đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thủy lợi và thủy điện, đặc biệt là kết cấu tiêu năng và nối tiếp thượng hạ lưu. Dòng chảy phễu (dòng nối tiếp hỗn hợp mặt đáy ngập 3 xoáy) là một dạng nối tiếp ít được nghiên cứu, đặc biệt với bậc thụt có góc hất lớn hơn 25 độ và chiều cao tương đối lớn. Nghiên cứu này nhằm làm rõ điều kiện hình thành và các đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy phễu, góp phần hoàn thiện lý luận và tính toán tiêu năng.
1.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu nhằm xác định điều kiện hình thành và các đặc trưng thủy động lực học cơ bản của dòng chảy phễu, bao gồm kích thước hình học các khu xoáy và phân bố vận tốc. Từ đó, đề xuất các kết cấu bậc thụt phù hợp để tạo ra và ổn định dòng chảy phễu sau công trình tháo.
1.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào dòng chảy phễu trong điều kiện dòng chảy không đều biến đổi dần, số Froude từ 1.35 đến 4.5, và bậc thụt có tỷ lệ chiều cao bậc thụt so với chiều cao đập từ 0.14 đến 0.46. Góc hất của mũi bậc thụt dao động từ 25 đến 51 độ.
II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy động lực học và phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định các thông số hình học và đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy phễu. Phương pháp phân tích thứ nguyên được áp dụng để thiết lập các quan hệ thực nghiệm, trong khi các phần mềm chuyên dụng hỗ trợ xử lý số liệu thí nghiệm.
2.1. Phương pháp thực nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành trên mô hình vật lý để nghiên cứu sự chuyển đổi các dạng nối tiếp dòng chảy sau bậc thụt. Các thông số như độ sâu dòng chảy, kích thước khu xoáy, và phân bố lưu tốc được đo đạc và phân tích chi tiết.
2.2. Phân tích thứ nguyên
Phương pháp Buckingham được sử dụng để xác định các chuỗi thí nghiệm và thiết lập các quan hệ không thứ nguyên, giúp đơn giản hóa việc phân tích và mô phỏng các hiện tượng thủy động lực học phức tạp.
III. Kết quả nghiên cứu
Nghiên cứu đã xác định được các đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy phễu, bao gồm kích thước các khu xoáy, phân bố lưu tốc đáy lớn nhất, và mức độ tiêu hao năng lượng. Các kết quả này được sử dụng để đề xuất quy trình tính toán lựa chọn kết cấu bậc thụt phù hợp.
3.1. Đặc trưng hình học của dòng chảy phễu
Nghiên cứu chỉ ra rằng dòng chảy phễu có các khu xoáy với kích thước lớn theo cả phương đứng và phương ngang. Chiều cao nước vồng và chiều dài xoáy cuộn được xác định là các thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả tiêu năng.
3.2. Phân bố lưu tốc và tiêu hao năng lượng
Phân bố lưu tốc đáy lớn nhất và sự suy giảm lưu tốc của dòng chảy phễu được phân tích chi tiết. Kết quả cho thấy dòng chảy phễu có khả năng tiêu hao năng lượng hiệu quả, giúp ổn định lòng dẫn hạ lưu.
IV. Ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu đề xuất quy trình tính toán lựa chọn kết cấu bậc thụt để tạo ra và ổn định dòng chảy phễu sau công trình tháo. Các kết quả được áp dụng thử nghiệm tại tràn Bản Mồng, cho thấy hiệu quả trong việc tiêu năng và bảo vệ lòng dẫn hạ lưu.
4.1. Quy trình tính toán
Quy trình bao gồm việc xác định các thông số công trình như chiều cao bậc thụt, bán kính mũi hất, và góc hất. Các công thức thực nghiệm được sử dụng để tính toán các đặc trưng dòng chảy và hiệu quả tiêu năng.
4.2. Áp dụng tại tràn Bản Mồng
Kết quả tính toán và thí nghiệm tại tràn Bản Mồng cho thấy dòng chảy phễu có khả năng tiêu năng hiệu quả hơn so với các phương pháp tiêu năng đáy truyền thống, đồng thời giảm thiểu tác động xói lở lòng dẫn hạ lưu.
