Chương 8 : Dòng chảy ổn định không đều trong kênh hở
Chương 8
DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH KHÔNG ĐỀU
TRONG KÊNH HỞ
8.1 Những khái niệm cơ bản
8.1.1. Khái niệm :
- Dòng chảy ổn định : là dòng chảy mà tại mặt cắt bất kỳ các yếu tố thủy lực là
không đổi.
- Dòng chảy đều : là dòng chảy thỏa mãn đồng thời 4 điều kiện : Q, ω, n, i = const.
- Dòng chảy không đều : khi i ≤ 0 thì dòng chảy không đều xuất hiện do lực cản và
trọng lực không cân bằng nhau. Khi i > 0 : dòng chảy không đều xuất hiện là do sự biế
n
đổi hình dạng và kích thước lòng dẫn (Vì các yếu tố như chướng ngại vật (đập tràn, cửa
cống) hoặc bậc độ dốc thay đổi)

Hình 8 - 1: Một số dạng dòng chảy không đều
- Mục đích nghiên cứu dòng chảy ổn định là tìm ra sự biến đổi độ sâu dòng chảy h
= h(l). Từ đó tìm ra các yếu tố của mặt cắt.
8.1.2. Kênh lăng trụ và kênh không lăng trụ :
- Kênh lăng trụ là kênh có hình dạng và kích thước mặt cắt không đổi dọc theo
chiều dài
Trong kênh lăng trụ, mặt cắt ướt chỉ phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy :
()
h
ωω
=
hay
dl
dh
dh
d

b
1
b
2
II-III-I
b2
b1
h
1
h
2

Hình 8 - 3: Kênh không lăng trụ
- Kênh không lăng trụ : là kênh có hình dạng, kích thước mặt cắt lòng dẫn thay đổi
dọc theo chiều dài dòng chảy.
- Trong kênh không lăng trụ, mặt cắt ướt không những thay đổ theo độ sâu của kênh
mà còn thay đổi theo cả chiều dài dòng chảy.
()
dl
dh
lldl
d
lh .,
∂
∂
+
∂
∂
=→=
ωωω

γ
++=
(8-3)
Trên một đoạn dòng chảy thay đổi dần, xét 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 :
Tại mặt cắt 1-1, xét một điểm bất kỳ và điểm A
1
là điểm thấp nhất trên mặt cắt đó,
vì năng lượng đơn vị là như nhau đối với mọi điểm trên mặt cắt, do đó ta cóa biểu thức :
8-2

Chương 8 : Dòng chảy ổn định không đều trong kênh hở
g
V
ha
g
VP
zE
2
.
2
2
11
11
2
111
11
αα
γ
++=++=
(8-4)

zE
2
.
2
2
22
22
2
222
22
αα
γ
++=++=
và
g
V
h
2
2
22
22
α
+=∋

Vậy trên dòng chảy thay đổi dần, tại một mặt cắt bất kỳ ta có :
g
V
h
2
2

∋

mà :
J
dl
dE
−=
;
i
dl
da
−=

Vậy :
JiiJ
d
l
d
−=+−=
∋
(8-8)
Khi i > J : ∋ tăng theo dòng chảy
Khi i < J : ∋ giảm theo dòng chảy
Khi i = J : ∋ không đổi.
8.3 Độ sâu phân giới
8.3.1. Định nghĩa :
Xét phương trình (8-7) :
)(
2
2

thÕ
®éng

h

kHình 8 - 5: Đồ thị biểu thị hệ năng lượng và độ sâu
Dòng chảy là ổn định nên Q = const. ω là hàm của độ sâu nên ∋ cũng là hàm độ sâu.
Năng lượng đơn vị của mặt cắt có thể được phân tích làm 2 thành phần : thành phần
thế năng và thành phần động năng.
dth
∋+=∋∋

Trong đó :
,
h
th
=∋
2
2
2
ω
α
g
Q
d
=∋


k
g
Q
h
ω
α
+=∋
(8-9)
Với một lưu lượng đã cho, tại một mặt cắt xác định, độ sâu nào làm cho năng lượng
đơn vị của mặt cắt ấy có giá trị nhỏ nhất gọi là độ sâu phân giới.
8.3.2. Cách xác định độ sâu phân giới
a. Cách 1 :
Căn cứ vào định nghĩa độ sâu phân giới, ta vẽ đường quan hệ
)(hf=∋
sau đó tìm
giá trị h ứng với ∋min sẽ được h
k
.
b. Cách 2 :
Từ công thức :
2
2
2
ω
α
g
Q
h +=∋

8-4

+=
∋
ω
α
ω
ω
α
ω
α
B
g
Q
dh
d
g
Q
g
Q
h
dh
d
dh
d
(8-10)
Vì
B
dh
d
=
ω

→
23
33
3
2
.
.
.
bh
B
hb
Bg
Q
k
k
===
ω
α
→
2
2
2
3
.
.
q
g
bg
Q
h

2
.dg
Q
k
α
ξ
=

d - đường kính mặt cắt.
c. Mặt cắt tam giác :
mg
Q
h
k
.
2
2
α
=
(8-14)
d. Mặt cắt Parabol :
- Trong trường hợp thông số P = 15 - 20
()
()
1.1225.0
122.0
==
==
α
α