CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NHẢY ĐÁY 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1 Dòng chảy ổn định không đều Đó là dòng chảy mà các yếu tố thủy lực không phụ thuộc vào thời gian, nhưng biến đổi dọc theo chiều dòng chảy [16][82]. 1 Trong thiết kế công trình, dòng 2 E EGL chảy ổn định không đều được áp dụng V 1 2 V 2 V2 2 e 1 2g 2g 2g cho phân tích và tính toán đối với E1 y2 e2 E2 dòng chảy hở, như dòng chảy trong y1 y V V2 V1 kênh hở, dòng chảy qua đập tràn đập z1 Z Z2 MÆt chuÈn tràn, dòng chảy qua cống … 1 2 1.2 Năng lượng đơn vị dòng chảy Hình 1.1 Mặt cắt nghiên cứu chuyển Trong dòng chảy, tổng năng động của dòng chảy lượng của một đơn vị trọng lượng chất lỏng được xác định bằng tổng các cột nước của mặt cắt so với mặt chuẩn (Hình 1. Năng lượng đơn vị dòng chảy (E) được xác định tại 1 mặt cắt thể hiện như sau[22][27]: V 2 E = Z+ y+ (1.3 Năng lượng đơn vị của mặt cắt = f(y) y Đó là năng lượng của một đơn vị T trọng lượng chất lỏng của dòng chảy tại yc một mặt cắt nhất định tính đối với mặt D/2 C Q = const chuẩn nằm ngang đi qua điểm thấp nhất yc e của mặt cắt đó [27][82]. Năng lượng đơn e min vị mặt cắt (e) tại một vị trí được thể hiện Hình 1.2 Đường quá trình năng lượng như sau (Hình 1.1): đơn vị mặt cắt Q 2 e= y+ (1.4 Độ sâu phân giới Với một lưu lượng đã cho và tại một mặt cắt xác định, độ sâu làm cho năng lượng đơn vị của mặt cắt có trị số nhỏ nhất được gọi là độ sâu phân giới (yc) [82].
Tại độ sâu phân giới yc có (Hình 1.3) thấy yc chỉ phụ thuộc lưu lượng dòng chảy (Q) và diện tích mặt cắt ướt (A). Độ sâu phân giới được sử dụng để đánh giá trạng thái dòng chảy (chảy xiết, chảy êm), xác định sự xuất hiện của nước nhảy và là một yếu tố trong tính toán các đặc trưng hình học khác của nước nhảy. Công thức tổng quát xác định độ sâu phân giới [82]: Q 2 A 3c = (1.5 Số Froude Số Froude được đề xuất bởi William Froude (năm 1870). Số Froude là đại lượng không thứ nguyên và được xác định như sau [45][82]: V FrD = (1.D Đối với kênh có mặt cắt ngang hình chữ nhật, thì độ sâu thủy lực (D) và độ sâu dòng chảy (y) như nhau (D = y), với kênh chữ nhật thì số Froude được thể hiện: V Fr = (1.y Lưu ý: Trong một số tài liệu ở Việt Nam, số Froude được tính theo V2, do đó cần chú ý về sự phù hợp của số Froude trong công thức và điều kiện áp dụng.2 Hiện tượng nước nhảy 1.1 Khái quát về nước nhảy Khi dòng chảy thay đổi từ trạng thái chảy xiết (y < yc) sang trạng thái chảy êm (y > yc), hay mực nước nhanh chóng thay đổi từ mực nước thấp sang mực nước cao trong một khoảng cách ngắn, khi đó sẽ dẫn đến sự thay đổi đột ngột của đường mặt nước với sự chuyển động rối có mạch động lớn và năng lượng dòng chảy bị tiêu hao -8- mạnh, hiện tượng này gọi là “Nước nhảy”.
Hiện tượng nước nhảy được quan sát thấy ở sau cánh cửa cống điều tiết nước, chân đập tràn hoặc nơi độ dốc kênh (i > ic) đột ngột chuyển sang Hình 1.3 Quá trình nước nhảy trong kênh dạng phẳng hơn (i < ic) [37][82]. Như vậy: “Nước nhảy là sự mở rộng đột ngột của dòng chảy từ độ sâu nhỏ hơn độ sâu phân giới sang độ sâu lớn hơn độ sâu phân giới” [1][82]. Đặc điểm phân biệt của nước nhảy với dòng chảy ổn định không đều, là do sự tồn tại của “Khu xoáy”, đây là khu vực có dòng chảy ngược chiều so với hướng vận tốc dòng chính và tạo thành khu vực “xoáy” [1]. Khả năng tiêu năng của nước nhảy phụ thuộc vào đặc điểm và cấu tạo của khu xoáy.2 Cấu trúc nước nhảy đáy trong kênh hình thang Nước nhảy có thể được phân thành nhiều dạng, như nước nhảy phẳng (nước nhảy trên kênh chữ nhật) hoặc nước nhảy không gian (khi mặt cắt dòng chảy biến đổi hoặc độ dốc đáy khác không).
Còn nước nhảy trên kênh hình thang đáy bằng là loại nước nhảy “bán không gian”, vì cấu trúc nước nhảy ngoài biến đổi dọc theo chiều dòng chảy, còn biến đổi theo phương ngang trên bề mặt mái dốc, tức là các phần tử chất lỏng chuyển động trên mái dốc trong khu vực nước nhảy theo 3 phương của hệ trục Oxyz (Hình 1.4), còn theo chiều lòng dẫn chỉ phụ thuộc theo phương x [58]. z x 5 y 7 5 6 2 4 3 4 1 Höôùng doøng chaûy maët Höôùng doøng chaûy ñaùy Hình 1.4 Cấu tạo các thành phần dòng chảy của nước nhảy trên lòng dẫn có mặt ngang hình thang [58] -9- Từ sơ đồ Hình 1.4, cho thấy cấu trúc dòng chảy của hiện tượng nước nhảy trên lòng dẫn có mặt cắt ngang hình thang được mô tả như sau [30][58]: + Khu vực có vận tốc lớn, đây là khu vực dòng chảy trước nước nhảy. + Khu vực , có các dòng chảy chuyển động từ dưới lên và tạo ra khu vực dòng chảy phân tán mạnh. + Khu vực , các dòng tia ở đáy do tác dụng quán tính nên tạo thành hệ thống đường dòng tách đáy và tạo thành một khu “xoáy” ở đáy.
+ Khu vực , phần dòng chảy ở trên bề mặt chuyển động ngược về phía thượng lưu và tạo thành khu “xoáy” cả ở dòng chảy chính và khu vực hình nêm ở mái dốc tạo thành khu vực nước nhảy. + Khu vực , phần dòng chính của dòng chảy vẫn tiếp tục chuyển động về phía hạ lưu. + Khu vực , phần đáy dòng chảy chuyển động dọc theo các mái dốc và khu vực dòng cuộn ở đáy tạo thành khu chuyển động từ dưới lên. + Khu vực hạ lưu , dòng chảy không tham gia vào khu xoáy cuộn nhưng lại có ảnh hưởng trực tiếp đến đuôi nước nhảy.
Fr1 = 6,85 A B y1 cm Hình 1.5 Sơ đồ phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt cắt dọc của nước nhảy [58] .6 Cấu trúc dòng chảy xoáy trong nước nhảy ở thành bên của kênh hình thang với 3 loại mái dốc theo mô hình Flow 3D [29] - 10 - Như vậy, nước nhảy trên kênh hình thang cân, ngoài dòng xoáy cuộn trên bề mặt dòng chảy chính (tương tự nước nhảy phẳng), còn có các dòng xoáy cuộn trên bề mặt các mái dốc kênh, các dòng chảy đáy và mặt đan xen lẫn nhau, tạo nên quá trình xáo trộn phức tạp ở khu vực “xoáy cuộn” của nước nhảy. Các nghiên cứu của Wanoscheck R. (1992)[30], Bahador Fatehi Nobarian và cộng sự (2019)[29] đã biểu thị đầy đủ về đặc trưng nội bộ dòng chảy và mô phỏng quá trình biến đổi trường vận tốc trong khu xoáy, nhưng các nghiên cứu về xác định đặc trưng hình học nước nhảy vẫn còn nhiều vấn đề cần mở rộng với các phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Đối với cấu trúc nước nhảy trên kênh có mặt cắt ngang chữ nhật, sẽ không xuất hiện dòng chảy xoáy trên bề mặt mái dốc, các đặc tính dòng xoáy cuộn và dòng chảy 2 pha (khí và lỏng) trên bề mặt dòng chính tương tự như trên kênh hình thang.
Như vậy, khả năng rối của nước nhảy trên kênh chữ nhật sẽ nhỏ hơn kênh hình thang, dẫn tới khả năng tiêu năng sẽ thấp hơn so với kênh hình thang. Các đặc trưng hình học cơ bản của nước nhảy (Hình 1.3) bao gồm: + Độ sâu phân giới (yc); + Độ sâu trước nước nhảy (y1): Độ sâu dòng chảy ở vị trí bắt đầu nước nhảy, vị trí này đã được thống nhất trong nhiều nghiên cứu khác nhau [1]; + Độ sâu dòng chảy sau khu xoáy (yr): Độ sâu tại vị trí kết thúc của khu xoáy, độ sâu này được xác định dựa vào quan sát thực nghiệm và đặc trưng phân bố lưu tốc trên mặt cắt ngang (ví dụ như điểm A ở Hình 1. + Độ sâu liên hiệp của nước nhảy (y2): Độ sâu tại vị trí kết thúc khu xoáy, mà ở đó đặc trưng về lưu tốc trở nên ổn định (ví dụ như điểm B ở Hình 1. Vị trí này rất khó xác định, thường dựa vào đặc trưng của đường mặt nước và sự ổn định của dòng chảy.
+ Chiều dài khu xoáy của nước nhảy (Lr): Khoảng cách từ chân nước nhảy đến vị trí kết thúc khu xoáy ở độ sâu yr. + Chiều dài nước nhảy (hay chiều dài tuyệt đối của nước nhảy, Lj): Khoảng cách từ chân nước nhảy đến vị trí độ sâu liên hiệp (y2) của nước nhảy.3 Phân loại nước nhảy Có nhiều phương pháp phân loại nước nhảy khác nhau, mỗi phương pháp đều có đặc điểm riêng về nghiên cứu và đánh giá nước nhảy. Một số phương pháp phân loại nước nhảy được thể hiện như sau: + Phân loại theo hình dạng của nước nhảy; + Phân loại theo tỷ số sau và trước nước nhảy (y2 y1 ) ; + Phân loại dựa vào số Froude trước nước nhảy. Trong nghiên cứu ở đây, sử dụng phương pháp phân loại nước nhảy thường dùng theo số Froude trước nước nhảy.
Các loại nước nhảy được mô tả như sau [82]: + Nước nhảy sóng: Mặt nước có dạng hình sóng. + Nước nhảy yếu: Mặt nước phát triển các xoáy cuộn nhỏ, mặt nước hạ lưu tương đối phẳng, vận tốc dòng chảy gần ổn định, tổn thất năng lượng nhỏ. + Nước nhảy dao động: Tia nước đi từ đáy lên bề mặt và dao động trở đi trở lại không có chu kỳ cố định, tạo sóng lớn và gây phá hoại lên bờ kênh. + Nước nhảy ổn định: Ở hạ lưu, điểm đầu xoáy cuộn nơi có vận tốc cao, tia nước có xu hướng thẳng hàng tại cùng một mặt cắt.
Nước nhảy có sự cân bằng năng lượng và hiệu suất tốt nhất. + Nước nhảy mạnh: Vận tốc tia nước lớn, liên tục tạo ra xoáy trên bề mặt nước nhảy, tạo ra sóng ở hạ lưu, có hiệu quả tiêu hao năng lượng lớn. Nước nhảy được tổng hợp và phân loại theo số Froude tại Bảng 1.1 như sau: Bảng 1.1 Bảng tổng hợp phân loại nước nhảy Bradley, Peterka (1957) Chanson (2004) [23], Hiệu Montes (1998) [74] [19], Hager (1992) [30] V.7 sóng <5 xoáy Dao 1.5 yếu 5 ÷ 15 động Chuyển 2.5 dao động 15 ÷ 45 tiếp - 12 - Bradley, Peterka (1957) Chanson (2004) [23], Hiệu Montes (1998) [74] [19], Hager (1992) [30] V.0 ổn định 45 ÷ 70 Không ổn Tiêu > 9.