Luận án tiến sĩ: Đặc trưng thủy động lực học của dòng nối tiếp hỗn hợp mặt đáy ngập 3 xoáy sau ...

• Tác giả: Nguyễn Quốc Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Nghị
• Trường học: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu một số đặc trưng thủy động lực học của dòng nối tiếp hỗn hợp mặt - đáy - ngập 3 xoáy sau bậc thụt
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU NỐI TIẾP, TIÊU NĂNG
• 1.1. Khái niệm chung về nước nhảy, nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu công trình tháo
• 1.2. Nối tiếp ở hạ lưu công trình tháo
• 1.3. Tiêu năng ở hạ lưu công trình tháo
• 1.4. Các phương pháp nghiên cứu thuỷ lực hạ lưu công trình tháo
• 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu bằng giải tích
• 1.4.3. Phương pháp nghiên cứu bằng mô hình số trị
• 1.5. Nối tiếp bằng dòng đa xoáy ở hạ lưu bậc thụt nhỏ - Bồn tiêu năng
• 1.6. Nước nhảy mặt, mặt đáy hỗn hợp và nối tiếp, tiêu năng sau bậc thụt có góc hất nhỏ hơn 150
• 1.6.1. Khái quát về nước nhảy mặt
• 1.6.2. Các dạng nối tiếp chảy mặt
• 1.6.3. Quan hệ cơ bản của nối tiếp hạ lưu bằng nước nhảy mặt
• 1.6.4. Độ sâu giới hạn hình thành nước nhảy mặt sau bậc thụt
• 1.6.5. Độ cao bậc thụt nhỏ nhất để hình thành nước nhảy mặt
• 1.6.6. Đặc trưng mặt tự do của nước nhảy mặt
• 1.6.7. Đặc trưng nội bộ của dòng chảy mặt
• 1.6.8. Ứng dụng tiêu năng dòng mặt ở Việt Nam
• 1.7. 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)
• 1.7.1. Các dạng nối tiếp dòng chảy phễu
• 1.7.2. Tiêu năng dòng chảy phễu
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. 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
• 2.1. Cơ sở lý thuyết tương tự và mô hình hóa
• 2.2. Lý thuyết thứ nguyên
• 2.3. Định lý hàm số π
• 2.4. Lập phương trình nghiên cứu thực nghiệm
• 2.5. 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)
• 2.6. Xác định các kịch bản thí nghiệm
• 2.7. Xác định hàm toán mô tả hệ
• 2.8. Các thông số đánh giá độ phù hợp của mô hình hồi quy
• 2.9. Phân tích tương quan
• 2.10. Mô hình thí nghiệm
• 2.11. Bố trí mặt cắt, vị trí, thiết bị đo
• 2.12. Đánh giá sai số thí nghiệm mô hình
• 2.13. Các điều kiện giới hạn mô hình
• 2.14. Điều kiện áp dụng trong thực tế
• 2.15. Quy trình thí nghiệm
• 2.16. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐẶC TRƯNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT – ĐÁY – NGẬP 3 XOÁY SAU BẬC THỤT
• 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)
• 3.2. 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
• 3.3. Dòng chảy phễu và trạng thái giới hạn
• 3.4. Tương quan của độ sâu giới hạn và các biến thực nghiệm
• 3.5. Độ sâu dòng chảy nhỏ nhất và lớn nhất hình thành dòng chảy phễu
• 3.6. Đặc trưng hình dạng của dòng chảy phễu
• 3.7. Chiều cao nước vồng
• 3.8. Chiều dài xoáy cuộn
• 3.9. Phân bố lưu tốc, cấu trúc dòng chảy phễu
• 3.10. Phân bố lưu tốc trung bình theo chiều dài dòng chảy
• 3.11. Phân bố lưu tốc đáy theo chiều dòng chảy
• 3.12. Sự suy giảm lưu tốc của dòng chảy phễu
• 3.13. Sự tiêu hao năng lượng của dòng chảy phễu
• 3.14. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN LỰA CHỌN KẾT CẤU MŨI HẤT TẠO DÒNG NỐI TIẾP HỖN HỢP MẶT – ĐÁY – NGẬP 3 XOÁY
• 4.1. Lựa chọn kết cấu tiêu năng dòng chảy phễu
• 4.2. Điều kiện hình thành dòng chảy phễu
• 4.3. Lựa chọn chiều cao bậc thụt
• 4.4. Lựa chọn bán kính mũi hất
• 4.5. Lựa chọn góc hất theo điều kiện lưu tốc đáy lớn nhất
• 4.6. Điều kiện áp dụng các công thức thực nghiệm
• 4.7. Quy trình tính toán lựa chọn kết cấu tiêu năng dòng chảy phễu
• 4.7.1. Xác định các thông số công trình
• 4.7.2. Tính toán các thông số đặc trưng dòng chảy
• 4.7.3. Xác định bán kính mũi hất (R)
• 4.7.4. Xác định chiều cao đáy mũi hất (a0)
• 4.7.5. Xác định chiều cao bậc thụt (a)
• 4.7.6. Tính toán chiều sâu hạ lưu giới hạn (hmin và hmax)
• 4.7.7. Xác định chiều cao nước vồng và chiều dài khu xoáy dòng chảy phễu
• 4.7.8. Xác định lưu tốc dòng chảy sau bậc thụt
• 4.7.9. Xác định hiệu quả tiêu năng
• 4.7.10. Tính toán ứng dụng đối với tràn xả lũ Bản Mồng
• 4.8. Giới thiệu chung
• 4.9. Xác định các thông số công trình nối tiếp tiêu năng dòng chảy phễu
• 4.10. Xác định các đặc trưng nối tiếp tiêu năng dòng chảy phễu sau tràn Bản Mồng
• 4.11. 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
• 4.12. 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
• 4.13. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.