BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ VIỆT HÀ

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN
MỘT SỐ THÔNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY
TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CÓ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THỊ VIỆT HÀ

NGHIÊN CỨU XÁC LẬP CÔNG THỨC TÍNH TOÁN
MỘT SỐ THÔNG SỐ NƯỚC NHẢY ĐÁY
TRÊN KÊNH DỐC THUẬN CÓ LÒNG DẪN MỞ RỘNG DẦN

Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng
Mã số: 62 – 44 - 22 - 01

quá trình học tập và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Giao thông
Vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả.
Tác giả trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp
nhiều ý kiến sát thực để luận án này thành công.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn của mình đối với gia đình, bạn bè đã động viên và tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án.
Với những kết quả đạt được của luận án, tác giả hy vọng những đóng góp của mình sẽ
là cơ sở khoa học phục vụ cho nghiên cứu tính toán thủy lực trong thiết kế, xây dựng và
quản lý vận hành công trình thủy lợi.
Tính toán nước nhảy không ngập trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần là vấn đề khá
phức tạp. Do đó kết quả nghiên cứu của luận án khó tránh khỏi hạn chế. Tác giả rất
mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học để tiếp tục nâng cao và
hoàn thiện công trình nghiên cứu này.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ...........................x
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................1

2.



Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước ................................6

1.2

Một số phương pháp và kết quả nghiên cứu ....................................................7

1.2.1

Bài toán phẳng.............................................................................................7

1.2.1

Bài toán không gian hữu hạn ....................................................................14

1.3

Kết luận chương 1 ..........................................................................................15

CHƯƠNG 2
THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH TÍNH ĐẶC TRƯNG CỦA
NƯỚC NHẢY TRONG LÒNG DẪN MẶT CẮT NGANG HÌNH CHỮ NHẬT MỞ
RỘNG DẦN, ĐÁY DỐC THUẬN VÀ ĐÁY BẰNG ..................................................18
2.1

Đặt vấn đề chương 2 ......................................................................................18

2.2

Lý thuyết cơ bản [35] [36] [37] [38] ..............................................................18


Đặt vấn đề chương 3 ......................................................................................47

3.2

So sánh các công thức mới thiết lập với công thức đã có ..............................47

3.2.1

Nước nhảy trong lòng dẫn đáy bằng phi lăng trụ mở rộng dần ................47

3.2.2

Nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc ..............................................48

3.2.3

Nhận xét chung .........................................................................................50

3.3
Mô hình vật lý thí nghiệm hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ
mở rộng dần, đáy dốc thuận ......................................................................................51
3.3.1

Mô tả thí nghiệm .......................................................................................51

3.3.2

Kiểm định thiết bị đo đạc thí nghiệm ........................................................52


CHƯƠNG 4
PHÂN TÍCH CÔNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG
NGHIÊN CỨU MỚI .....................................................................................................74
4.1

Phân tích kết quả tính toán .............................................................................74

4.1.1

Mối quan hệ giữa chiều dài khu xoáy và chiều dài nước nhảy .................74

4.1.2 Ảnh hưởng của độ dốc đáy, góc mở lòng dẫn, số Fr12 và hệ số hình dạng
mặt cắt trước nước nhảy đến đặc trưng hình học của nước nhảy ..........................75
4.2

Đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn mở rộng dần thay đổi độ dốc ........81

4.2.1

Chiều sâu tương đối nước nhảy tại vị trí lòng dẫn có độ dốc thay đổi .....82

4.2.2

Chiều sâu tương đối của nước nhảy tại vị trí cuối khu xoáy ....................84

4.2.3

Chiều sâu tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy ................................86

4.2.4

Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu năng sau dốc nước ......................................................................6
Hình 1.2 Sơ đồ nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc [14] .................................11
Hình 2.1 Sơ đồ dòng tia trong không gian bán giới hạn [36] ........................................18
Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng của dòng chảy .......................................................................20
Hình 2.3 Sơ đồ bài toán nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc ..22
Hình 3.1 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong trường hợp tg  0,03;   0,04; i  0 ........47
Hình 3.2 Quan hệ 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,15;   0,0434 .................49
Hình 3.3 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,05;   0,037 ...........50
Hình 3.4 Hình ảnh bọt khí trong nước nhảy ..................................................................51
Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm trên mô hình vật lý mô phỏng nước nhảy ..........................51
Hình 3.6 Sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo chiều sâu, vận tốc điểm dòng chảy .................55
z
u  un
Hình 3.7 Biểu đồ
theo
với i  0,156 , trường hợp 2. ................................58
h
um  un
Hình 3.8 Biểu đồ

z
u  un
theo
với i  0,156 , trường hợp 3. ................................58
h
um  un

Hình 3.9 Biểu đồ

z

Hình 3.13 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  33,78;   0,045; i  0,156 ....................67
h1

Hình 3.14 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  42, 2;   0,04; i  0,156 .......................67
h1

Hình 3.15 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  22,03;   0,049; i  0,036 ...................68
h1

Hình 3.16 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  46,96;   0,037; i  0,036 ...................68
h1

Hình 3.17 Quan hệ giữa  h và

x
với Fr12  24, 42;   0,033; i  0,0 .......................69
h1


Hình 4.5 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  0 . ..........77
h1 '

Hình 4.6 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với Fr12 , trường hợp i  0,13 . ..........................78
h1 '

Hình 4.7 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với Fr12 , trường hợp 0  i  0,13 ......................78
h1 '

Hình 4.8 Mối quan hệ giữa

lx
và  x với Fr12 , trường hợp i  0 . ...............................79
h1 '

Hình 4.9 Mối quan hệ giữa giữa

lx
và  x với  trường hợp i  0,13 . ......................79
h1 '



u  un
với i  0,156 , trường hợp 2 ................................56
um  un

Bảng 3.4 Quy luật phân bố

u  un
với i  0,156 , trường hợp 3 ................................57
um  un

Bảng 3.5 Quy luật phân bố

u  un
với i = 0,036, trường hợp 1 ..................................59
um  un

Bảng 3.6 Quy luật phân bố

u  un
với i = 0,036, trường hợp 4 ..................................60
um  un

Bảng 3.7 Quy luật phân bố

u  un
với i  0 , trường hợp 1 .......................................62
um  un

Bảng 3.8 Quy luật phân bố

h1 '
V1

Bảng 3.14 Phân bố

um
u
x
và n theo
với i  0,036 , trường hợp 1 ...........................71
V1
h1 '
V1

Bảng 3.15 Phân bố

um
u
x
và n theo
với i  0,036 , trường hợp 5 ...........................72
V1
h1 '
V1

Bảng 3.16 Phân bố

um
u
x


ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
1.

Các từ viết tắt

b :

Bề rộng dòng chảy tại vị trí bất kỳ

bx :

Bề rộng dòng chảy cuối khu xoáy

b1 :

Bề rộng dòng chảy trước nước nhảy

b2 :

Bề rộng dòng chảy cuối nước nhảy

Fx :

Thành phần lực khối đơn vị theo các phương Ox

Fy :


h2’ :

Chiều sâu dòng chảy cuối nước nhảy theo phương vuông góc với lòng dẫn

hc :

Chiều sâu trọng tâm mặt cắt theo phương đứng

h’ :

Chiều sâu dòng chảy tại vị trí bất kỳ theo phương vuông góc với lòng dẫn

h :

Chiều sâu dòng chảy tại vị trí bất kỳ theo phương đứng

hk :

Chiều sâu dòng chảy phân giới

hnt :

Chiều sâu dòng chảy tại vị trí thay đổi độ dốc

i :

Độ dốc của lòng dẫn

lx :