Nghiên cứu chế độ thuỷ lực dòng xiết ba chiều trên mũi phun có xét đến hàm khí

Nghiên cứu chế độ thuỷ lực dòng xiết ba chiều trên mũi phun có xét đến hàm khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM NGUYÊN HÙNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THUỶ LỰC DÒNG XIẾT BA CHIỀU

TRÊN MŨI PHUN CÓ XÉT ĐẾN HÀM KHÍ

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ

Mã số: 62-58-40-01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIỄN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2008

Công trình này được hoàn thành tại Bộ môn Thuỷ công Khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ lợi

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS Nguyễn Chiến

Phản biện 1: GS TS Trần Đình Hợi, Viện Khoa học Thuỷ lợi

Phản biện 2: GS TS Nguyễn Xuân Đặng, Đại học Xây dựng

Phản biện 3: GS TS Nguyễn Thế Hùng, Đại học Đà Nẵng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp

Nhà nước họp tại Trường Đại học Thuỷ lợi Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia

và Thư viện Trường Đại học Thuỷ lợi

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1 Nguyễn Chiến, Phạm Nguyên Hùng (2007) Tính toán thuỷ lực điều khi ển dòng xiết bằng mũi phun phát tán có xét đến hàm khí Tạp chí

Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn số 18/2007

2 Nguyễn Chiến, Phạm Nguyên Hùng (2007) Tính toán sự phân bố của hàm l ượng không khí trong dòng chảy hở trên các công trình tháo

n ước Tạp chí KHKT Thuỷ lợi và Môi trường số 18

3 Phạm Nguyên Hùng (2000) Khả năng ứng dụng bài toán điều khiển dòng xi ết bằng kết cấu có đáy cong hai hướng trong xây dung công trình x ả cột nước cao Tạp chí Điện lực số 6, tháng 06/2000

4 Phạm Nguyên Hùng (2008) Nghiên cứu thí nghiệm mô hình thuỷ lực điều khiển dòng xiết trên mũi phun phát tán Tạp chí Nông nghiệp và

Phát triển Nông thôn số 5/2008

Më ®Çu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Mặc dù lý thuyết tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều đã được khởi thảo từ mấy chục năm qua, nhưng việc triển khai áp dụng vẫn còn nhiều hạn chế do những khó khăn về mặt toán học Ngoài ra ảnh hưởng của hàm khí trong dòng chảy có độ xiết cao trên các kết cấu điều khiển chưa được xem xét đầy đủ làm cho các kết quả tính toán có thể sai lệch so với thực tế cũng làm hạn chế khả năng áp dụng phương pháp này

Vì vậy, việc nghiên cứu bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí và thiết lập chương trình tính toán tương ứng nhằm tạo điều kiện so sánh được nhiều phương án kết cấu để tìm lời giải tối

ưu trong thiết kế các công trình tháo có cột nước cao hiện nay là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là mở rộng phương pháp tính toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết ba chiều cho trường hợp dòng chảy

có hàm khí, xác định ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số hình dạng của kết cấu điều khiển cũng như các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy và thiết lập chương trình tính toán tương ứng để có thể dễ dàng

áp dụng trong thực tế

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận đề xuất các phương trình cơ bản

- Giải hệ phương trình bằng phương pháp số và thiết lập chương trình tính toán tương ứng

- Kiểm chứng các kết quả tính toán bằng thí nghiệm mô hình vật lý

4 Phạm vi nghiên cứu

Xuất phát từ những yêu cầu về khoa học và thực tiễn cần được giải quyết cũng như điều kiện về thời gian cho phép mà luận án chỉ tập trung nghiên cứu đối với bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều trên mũi phun phát tán cuối dốc nước khi dòng chảy trên đó có lưu tốc cao,

độ xiết lớn (Fr = 30÷100)

5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a) Ý nghĩa khoa học:

Bằng phương pháp số kết hợp với thí nghiệm mô hình để kiểm chứng, luận án đã giải được bài toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết ba chiều trên mũi phun phát tán có xét hàm khí để tìm hình dạng mặt đáy mũi phun thiết kế cũng như các thông số thuỷ lực của dòng chảy trên

đó thoả mãn các điều kiện biên đã cho, làm cơ sở cho việc thiết kế hợp

lý mũi phun của công trình tháo nước

b) Ý nghĩa thực tiễn :

Luận án đã đưa ra được lời giải bằng phương pháp số cho bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí trên mũi phun phát tán được đặt ra trong thực tế thiết kế các công trình tháo có cột nước cao Chương trình FLOW 3D giải bài toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều

có xét hàm khí lập được trong luận án có giao diện thân thiện và tiện sử dụng trong thực tế, cho phép người thiết kế dễ dàng tính toán cho nhiều phương án mũi phun khác nhau để so sánh chọn phương án tối ưu thoả mãn các điều kiện an toàn và kinh tế trong thiết kế công trình tháo nước

6 Bố cục của luận án

Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, 5 chương, phần kết luận-kiến nghị, tài liệu tham khảo và các phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DÒNG XIẾT

VÀ TÍNH TOÁN HÀM KHÍ TRONG DÒNG XIẾT

1.1 Các yêu cầu và phương pháp điều khiển dòng xiết

Khi bố trí các đường tháo nước trong các điều kiện địa hình, địa chất bất lợi thì buộc phải chia nó ra các đoạn có hình dạng hình học khác nhau mà sự nối tiếp của chúng cần được tính toán cặn kẽ để tránh các hậu quả bất lợi Các vấn đề phải giải quyết của ĐKDX là thu hẹp hay mở rộng dòng chảy trên mặt bằng, đổi hướng chảy, phát tán dòng chảy ở hạ lưu

Nhiệm vụ của ĐKDX là tìm các biện pháp công trình để làm biến dạng dòng xiết một cách hợp lý cho phù hợp với các điều kiện tại chỗ, loại bỏ hoặc hạn chế các hiện tượng thuỷ lực bất lợi

ĐKDX có thể thực hiện được bằng các phương pháp khác nhau: a) Bằng các tường bên khi đáy lòng dẫn phẳng;

b) Bằng đáy cong khi các tường bên không đóng vai trò chủ động trong điều khiển;

c) Bằng đáy và tường bên cong;

d) Bằng các bề mặt có đặt nhám nhân tạo hay vật cản cục bộ

1.2 Tổng quan về phương pháp tính toán ĐKDX trên mũi phun 1.2.1 Các bài toán thuỷ lực về ĐKDX

1 Bài toán thuận: Cho trước đường biên của lòng dẫn, yêu cầu tìm quy luật phân bố các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy trên đó (lưu tốc, áp suất, chiều sâu, hình dáng đường dòng, )

Nổi tiếng nhất theo hướng này là các công trình của O.V.Golybeva và các cộng sự, F.I.Frankel, A.P.Frolov, K.Voronhetx, I.A.Serencov và các nhà khoa học khác

2 Bài toán ngược: Cho trước một số thông số quan trọng nhất của dòng chảy, yêu cầu tìm hình dạng bề mặt lòng dẫn

Tiếp cận lời giải bài toán ngược của điều khiển dòng xiết đã được

đề cập trong các công trình của N.E.Conđrachiev và được phát triển tiếp theo trong các công trình của A.G.Tranhisvili, A.D.Gambarian, A.M.Tujinkin, B.J.Emtxev, L.I.Vưxôtxki, A.A.Turxunov, …

1.2.2 Giải bài toán điều khiển dòng xiết trên mũi phun

1 Mũi phun thông thường

Loại mũi phun cổ điển nhất và ngày nay vẫn được áp dụng phổ biến là mũi phun liên tục có dạng hình trụ trên mặt bằng Đối với loại này, do không có sự mở rộng hay thu hẹp trên mặt bằng nên trong tính toán lấy lưu lượng đơn vị q tại vị trí luồng nước rơi xuống hạ lưu cũng bằng lưu lượng đơn vị tại mặt cắt cuối mũi phun Việc tính toán điều khiển quy về việc xác định trị số góc hắt tối ưu βk

2 Các mũi phun dạng đặc biệt

Trong nhiều trường hợp, khi lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng chảy ở cuối dốc nước là lớn thì việc sử dụng mũi phun hình trụ thông thường sẽ gặp bất lợi là hố xói sâu sau mũi phun có khả năng đe doạ

an toàn của công trình Để đạt được hiệu quả điều khiển cao hơn, cần phải làm các dạng mũi phun đặc biệt mà tác động điều khiển dòng chảy được thực hiện ở cả tường bên và đáy, như : mũi phun phát tán, mũi phun xoắn, máng phun thu hẹp dần hoặc mũi phun dạng hình nêm,

ë các nước phương Tây, khi thiết kế các mũi phun dạng đặc biệt này đều chủ yếu sử dụng phương pháp thực nghiệm hay nói cách khác hình dạng hợp lý của mũi phun được tìm kiếm bằng con đường thí nghiệm mô hình

Cách tiếp cận lời giải bài toán điều khiển dòng xiết của các nhà khoa học Liên Xô trước đây và Liên bang Nga ngày nay có khác với các nhà nghiên cứu ở phương Tây Trong những năm 30÷50 của thế

kỷ trước, các nhà khoa học Xô Viết đã có nhiều cố gắng trong việc khởi thảo lý thuyết điều khiển dòng xiết và phương pháp tính toán các kết cấu tương ứng

Năm 1938, N E Conđrachiev đề nghị sử dụng các mũi phun có tác dụng làm giảm đột ngột chiều sâu hố xói so với các mũi phun thông thường Từ sự phân tích đặc điểm chuyển động của dòng xiết trên mặt cong, N.E.Conđrachiev đã thiết lập được phương trình vi phân của dòng chảy uốn cong không gian và đề nghị phương pháp gần đúng tính toán mũi phun phát tán Các kết cấu tương tự của mũi phun phát tán cũng đã được A.G.Tranhisvili nghiên cứu, chính ông đưa ra ý tưởng chính xác hoá phương pháp tính toán các mũi phun này

A.M.Tujilkin cũng đề nghị mặt cắt ngang đáy mũi phun phát tán

có biên là cung tròn, nhưng với tính toán để mặt tự do của dòng xiết cạnh tường biên của mũi phun thoả mãn phương trình của N.E.Conđrachiev Tiếp theo, phương pháp này được mở rộng cho các mặt cắt ngang dạng bất kỳ

Cho đến những năm 60 của thế kỷ trước, về cơ bản các phương pháp tính toán mũi phun phát tán đã được hoàn thiện Năm 1968, một

công trình nghiên cứu đầy đủ và có hệ thống về tính toán thuỷ lực các kết cấu điều khiển dòng xiết đã được L.I.Vưxôtxki công bố Tại đây

đã trình bày các cơ sở thiết lập hệ phương trình cơ bản của dòng xiết

3 chiều bao gồm: Phương trình chuyển động (2-3), phương trình phân

bố áp suất trong dòng chảy cong không gian (2-20), phương trình liên tục (2-25) và phương trình Becnuli (2-28)

1.3.3 Xét đến hàm khí trong bài toán điều khiển dòng xiết

Dòng chảy xiết có lưu tốc cao thường có khả năng tự hàm khí, tức

là không khí xâm nhập vào dòng chảy từ phía mặt tự do Trong dòng chảy hàm khí, yếu tố khối lượng riêng hay mật độ chất lỏng chuyển động (ρhk) là thay đổi Tuy nhiên, việc xét sự thay đổi của tỷ số này dọc theo đường dòng, cũng như theo chiều sâu là chưa được đề cập đến Trong chương trình tính toán mà L.I.Vưxôtxki và các cộng sự công bố đều chưa xét đến ảnh hưởng của hàm khí, do đó có thể có sai khác đáng kể, đặc biệt là khi dòng chảy trên mũi phun có độ xiết cao (trị số Fr lớn) Điều này cho thấy sự cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu

để hoàn thiện phương pháp tính toán điều khiển dòng xiết có xét đến hàm khí

1.3.4 Về ứng dụng các bài toán ĐKDX ở Việt Nam

ë Việt Nam, từ năm 1998 đến nay đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng các bài toán điều khiển dòng xiết 2 chiều (Nguyễn Thế Điện -1998, Lê Hữu Số-1999, Vũ Hữu Hải -2004, ), 3 chiều (Phạm Nguyên Hùng-2000, Nguyễn Trung Việt -2001, Đỗ Tuấn Anh-2006, ) Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở phương án so sánh và tính phổ cập của các chương trình tính toán chưa cao

1.4 Về tính toán hàm khí trong dòng chảy hở

Việc tính toán hàm khí trong dòng chảy hở là cần thiết cho việc xác định chiều cao thành lòng dẫn, toạ độ đáy cong 2 chiều của các mũi phun để điều khiển dòng xiết, chiều dài phóng xa của tia dòng và chiều sâu hố xói sau mũi phun,

Những thành tựu chính trong nghiên cứu hàm khí của dòng chảy

hở đã đạt được vào những năm 60÷70 của thế kỷ trước bởi các nhà

khoa học Liên Xô như Ixatrencô N.B., Vôinhitr-Xianogienxki T.G., Troitxki V.P., Xacvarelidze V.V., Boropcov V.X., Xlixki X.M., và các nhà khoa học Mỹ như Campbell F.B., Guyton B., Straub G., Anderson G., Sharma H.R.,v.v Tuy nhiên, vì vấn đề hàm khí của dòng chảy nói chung và dòng chảy hở nói riêng là rất phức tạp, nên việc nghiên cứu nó vẫn còn tiếp diễn cho đến ngày nay

X.M.Xlixki đã tổng hợp các số liệu thí nghiệm và đo đạc hiện trường về giới hạn bắt đầu hàm khí và đưa ra giới hạn dòng chảy bắt đầu hàm khí như sau:

Fr>Fr gh = 0 , 38 cosψ/λ (1-20)

V >V gh = 0,38gRcosψ/λ (1-21)

G Straub và G Anderson bằng thực nghiệm đã chỉ ra sự khác nhau về quy luật phân số hàm khí trong hai miền khí-nước và nước-khí như sau:

- Độ tập trung trong miền khí S ở miền khí-nước tại cao độ y* bất

1 exp[

2

1 ) 1

y hp S

2 Các kết cấu để điều khiển dòng xiết rất đa dạng Trong luận án này tập trung nghiên cứu loại mũi phun phát tán đặt cuối dốc nước Đây là loại mũi phun có đáy cong hai chiều và tường bên cong, có thể đạt được hiệu quả cao về phân tán dòng chảy theo phương ngang làm giảm lưu lượng đơn vị, giảm chiều sâu hố xói

3 Cho đến nay, ở các nước phương Tây, khi thiết kế các dạng mũi phun đặc biệt cuối dốc nước thường chỉ sử dụng phương pháp thí nghiệm mô hình, do đó tốn nhiều thời gian và kinh phí

4 Lý thuyết về tính toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết đã được các nhà khoa học Xô Viết khởi thảo từ những năm 30÷50 và hoàn thiện vào những năm 70 của thế kỷ trước Tuy nhiên, vẫn còn có những tồn tại như khối lượng tính toán lớn, chương trình tính toán ít được phổ cập, ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thuỷ lực và hình dạng đường biên của kết cấu điều khiển dòng xiết chưa được xem xét đầy đủ

5 Ở Việt Nam trong thời gian gần đây, việc giải các bài toán điều khiển dòng xiết đã được quan tâm nghiên cứu Một số chương trình tính toán đã được lập nhưng mức độ tiện dụng và tính phổ biến chưa cao Ngoài ra, các lời giải phần lớn chưa được kiểm chứng bằng thí nghiệm mô hình, chỉ mới dừng lại ở mức “phương án so sánh”

6 Bài toán hàm khí của dòng chảy hở đã được nhiều nhà khoa học phương Tây và Liên Xô trước đây quan tâm nghiên cứu Công thức tính toán phân bố độ hàm khí trong dòng chảy được xác định từ kết quả đo đạc thực nghiệm Việc tính toán theo các công thức này khá rườm rà, và cũng chưa có chương trình tính toán nào được công

bố

7 Từ những phân tích ở trên, luận án tập trung nghiên cứu biện pháp điều khiển dòng xiết bằng các mũi phun có đáy cong hai chiều đặt cuối dốc nước, với các nhiệm vụ cụ thể như sau:

- Lập hệ phương trình vi phân cơ bản của dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí

- Lập thuật toán và chương trình tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều để xác định toạ độ đáy của thiết bị điều khiển (mũi phun phát tán) và các thông số của dòng chảy trên đó

- Ứng dụng tính toán cho công trình thực tế, chỉ ra được ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến hiệu quả điều khiển dòng xiết

có xét đến hàm khí

- Nghiên cứu kiểm chứng các kết quả tính toán bằng thí nghiệm

mô hình thuỷ lực

Chương 2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA DÒNG XIẾT

2 2 2

2 2

h z z 2 1

s

z 1

s z

ds

y d ds

∂

∂ +

.

2 2

2

k

k k

k

s z F

s

z D s z

C s

z B A n

Trong đó: A, B, C, D, F là các hệ số thay đổi mà dạng của chúng phụ thuộc vào cách đưa vào tham số n Công thức cụ thể để xác định A,

B, C, D, F sẽ nhận được sau khi cho mặt bằng dường dòng biên yk = yk (sk) Sau khi cụ thể hoá điều kiện (2-6) và cho yk = yk (sk), cuối cùng tích phân trực tiếp phương trình vi phân (2-7) theo n, ta được:

dn

s

z F

s

z D s z

C s

z B A z

z

k

k k

k n

∂

∂ +

1 2 2

2.2.2 Phương trình phân bố áp suất

Phương trình phân bố áp suất trong dòng chảy cong không gian:

=

z z

dz g tg T gR

v g

v s g

2

β β

1 1 1 1 1 2

cos cos

cos cos

b v

b v

h h

δαβ

δαβδ

2.2.4 Phương trình Bec-nu-li

ms

h g

v p z g

v p

22

2 2 2 2

2 1 1 1

γ

Trong đó p1, p2 có tính đến lực li tâm do độ cong của đường dòng

2.3 Thiết lập phương trình của dòng xiết ba chiều có xét hàm khí 2.3.1 Các giả thiết bổ sung

1- Dòng chảy 2 pha (nước+khí) được thay thế bằng một hỗn hợp tương đương nào đó có mật độ biến đổi mà để phân tích chuyển động của nó có thể áp dụng phương pháp của L Ơ Le

2- Ảnh hưởng của phần trên mặt của dòng hàm khí lên các lớp dòng chảy phía dưới sẽ được tính đến ở dạng một trị số không đổi nào

đó bổ sung cho áp lực khí trời, nghĩa là sẽ coi rằng trên bề mặt phân chia (không khí và nước) sẽ chịu tác dụng của áp suất gần bằng po = pa + ∆p = const, trong đó ∆p xét đến ảnh hưởng của lớp bên trên mặt phân chia (lớp khí-nước)

3- Theo giả thiết 2, biên giới phần trên và phần giữa của dòng hàm khí có thể coi là mặt tự do qui ước của dòng hàm khí Các đường dòng mặt tự do được giả thiết là nằm trên mặt tự do qui ước

2.3.2 Các phương trình của dòng xiết ba chiều có xét hàm khí

Với dòng chảy có hàm khí, ρhk là một đại lượng thay đổi theo vị trí của điểm xét Theo đó, các phương trình đã viết cho dòng chảy không hàm khí nếu có chứa đại lượng mật độ chất lỏng (ρ) thì cần có

sự điều chỉnh tương ứng Kết hợp với các định nghĩa về độ tập trung khí, độ tập trung nước và quan hệ giữa các đại lượng, qua các biến đổi cần thiết dẫn ra được các phương trình như dưới đây

2.3.2.1 Phương trình phân bố áp suất trong dòng chảy

dz g

tg T gR

v g

v s g

S p

p

p

0

2 2

2 cos

) 1

ββ

2.3.2.2 Phương trình liên tục

H h S

S

1

1 1 2

2 Tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều trong trường hợp không

có hàm hàm khí có thể thực hiện được trên cơ sở các phương trình sau: Phương trình vi tích phân mặt tự do (2-10); Phương trình phân bố

áp suất trong dòng chảy (2-20); Phương trình liên tục (2-25); Phương

Chương 3 THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THUỶ LỰC DÒNG XIẾT CONG BA CHIỀU CÓ XÉT ĐẾN HÀM KHÍ 3.1 Thuật toán tính hàm khí trong dòng chảy hở

Thuật toán tính phân bố hàm khí trong dòng chảy hở bao gồm:

- Xác định vị trí bắt đầu xuất hiện xâm nhập khí vào dòng chảy Điều kiện bắt đầu có hàm khí khi Fr >Frgh (1-20) hoặc V>Vgh (1-21)

- Tính toán chi tiết mức độ hàm khí trong dòng chảy tại mặt cắt bắt kỳ có hiện tượng hàm khí (tức là xác định quan hệ S~h):

+ Mật độ hàm khí trong miền khí- nước (h > hp):

2

1 ) 1 ( 2 1

2

* 2 1

dy e

S S

P e S S

trưng bởi σh), mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như độ mở rộng của dòng chảy trên mặt bằng (σb) và mức độ xiết của dòng chảy (trị số Fr)

Vì vậy, cần thiết phải tính toán cho các dòng xiết 3 chiều có các đặc trưng hình học và thuỷ lực khác nhau để có thể khái quát hết mức độ phụ thuộc của phân bố hàm khí vào các đặc trưng này nhằm đưa ra qui trình tính toán thích hợp

3.2.2 Sơ đồ tính toán, kết quả tính toán và nhận xét

Tính toán phân bố hàm khí trên dốc nước cho công trình Hồ chứa nước Tả Trạch, tỉnh Thừa Thiên Huế Mục đích tính toán nhằm làm rõ quan hệ S = f(Fr, σh, σ b) Một số kết quả tính toán quan hệ S∼Fr, σ h thể hiện trên hình 3.5÷3.7, quan hệ S∼Fr, σb thể hiện trên hình 3.8÷3.9

Từ các kết quả tính toán rút ra một số nhận xét:

1) Trị số của S giảm rất nhanh theo chiều sâu dòng chảy Với các dòng chảy có trị số Fr không lớn thì vùng hàm khí chỉ tập trung ở gần mặt thoáng Khi trị số Fr tăng, vùng hàm khí có xu hướng mở rộng về phía đáy lòng dẫn

2) Với các trị số lớn (khoảng Fr>60) thì sự thay đổi của S dọc theo chiều dài đường dòng trong phạm vi mũi phun là không đáng kể Khi đó ứng với mỗi trị số σb, quan hệ S∼σh tại các mặt cắt trên mũi phun có thể lấy gần đúng theo mặt cắt cuối dốc nước (đầu mũi phun) Với các trị số Fr<60 thì dạng của biều đồ S∼σh thay đổi rõ rệt theo trị

số Fr

3) øng với mỗi trị số Fr xác định thì sự thay đổi của S dọc theo đường dòng và chiều sâu rất ít phụ thuộc vào σb (đường quan hệ S∼σb gần như nằm ngang)

3.3 Thuật toán tính thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí

Tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí có thể thực hiện được trên cơ sở phương trình vi tích phân mặt tự do (2-10), phương trình phân bố áp suất (2-35), phương trình liên tục (2-40) và phương trình Becnuli (2-28) Tóm tắt phương pháp và trình tự tính toán thuỷ lực dòng xiết ba chiều có xét đến hàm khí như sau:

1) Tính toán thuỷ lực dốc nước để xác định các thông số thuỷ lực tại mặt cắt cuối dốc (đầu vào mũi phun): ho, v, Fr

2) Tính toán các đặc trưng hàm khí tại mặt cắt cuối dốc

3) Tính toán toạ độ mặt thoáng, toạ độ mặt đáy mũi phun và các đặc trưng thuỷ lực của dòng chảy trên mũi phun Khi giải các phương trình (2-35), (2-40), đặc trưng phân bố hàm khí tại các mặt cắt được lấy theo mặt cắt cuối dốc nước

4) Tính chiều dài phun xa, chiều dài vết làn nước rơi, chiều sâu hố xói

3.5 Chương trình tính toán

Trên cơ sở thuật toán tính thuỷ lực dòng xiết cong ba chiều, tác giả đã lập chương trình tính toán FLOW 3D được viết bằng ngôn ngữ lập trình hiện đại Visual Studio, chạy trong môi trường Windows có giao diện dễ sử dụng và có khả năng phổ cập cao Việc kiểm chứng bằng thí nghiệm mô hình thuỷ lực cho thấy chương trình có độ chính xác đạt yêu cầu kỹ thuật và có thể sử dụng để tính toán trong thực tế

3.6 Kết luận chương 3

1 Khi tính toán thuỷ lực điều khiển dòng xiết ba chiều đối với trường hợp dòng chảy có xét đến hàm khí sử dụng hệ các phương trình (2-10), (2-28), (2-35), (2-40)

2 Về ảnh hưởng của các yếu tố đến phân bố hàm khí trong dòng xiết đều:

- Trị số của S giảm rất nhanh theo chiều sâu dòng chảy Với các dòng chảy có trị số Fr không lớn thì vùng hàm khí chỉ tập trung ở gần mặt thoáng Khi trị số Fr tăng, vùng hàm khí có xu hướng mở rộng về phía đáy lòng dẫn

- Với các trị số Fr>60 thì sự thay đổi của S dọc theo chiều dài đường dòng trong phạm vi mũi phun là không đáng kể Với các trị số Fr<60 thì dạng của biều đồ S∼σh thay đổi rõ rệt hơn theo trị số Fr

- Ứng với mỗi trị số Fr xác định thì sự thay đổi của S dọc theo đường dòng và chiều sâu rất ít phụ thuộc vào σb (đường quan hệ S∼σb gần như nằm ngang)

3 Khi tính toán dòng chảy có xét đến hàm khí với độ xiết cao trên mũi phun phát tán thì có thể coi các đặc trưng phân bố độ tập trung

khí (S) không thay đổi dọc theo đường dòng và có thể sử dụng dạng biểu đồ phân bố S∼σh tại mặt cắt cuối dốc (đầu vào mũi phun) cho các mặt cắt khác trên toàn mũi phun

4 ¸p dụng chương trình FLOW 3D có thể nhanh chóng tìm ra lời giải kỹ thuật cho nhiều phương án kết cấu điều khiển dòng xiết khác nhau, từ đó tiến hành so sánh kinh tế để tìm ra phương án công trình tối ưu

Chương 4 NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG XIẾT BA CHIỀU TRÊN MŨI PHUN PHÁT TÁN BẰNG MÔ HÌNH SỐ 4.1 Sơ đồ tính toán

Việc nghiên cứu được tiến hành theo sơ đồ một phương án so sánh của đường tràn công trình đầu mối thuỷ điện XêKaMan 3 (hình 4.1)

4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học của mũi phun đến các đặc trưng dòng chảy trên đó

4.2.1 Quy luật biến đổi của các thông số tính toán trên mũi phun

- Trong khoảng 1/2 chiều dài đoạn đầu thì đường biên hình học của mũi phun không thay đổi nhiều so với dốc nước, phần còn lại của chiều dài mũi phun mở rộng nhanh và đạt được góc loe tại cuối mũi phun 2αkk = 90°

- Độ sâu dòng chảy giảm dần dọc theo chiều dài mũi phun, nhưng trong mặt cắt ngang thì phân bố khá đều, đến gần sát biên thì giảm

- Độ cong của đường mặt nước tại các mặt cắt ngang càng về cuối càng tăng

- Vận tốc tăng dần theo chiều dọc và đạt giá trị lớn nhất tại vị trí thấp nhất của mặt cắt dọc, sau đó giảm dần về cuối Trong mặt cắt ngang vận tốc phân bố khá đều ở khoảng giữa và giảm dần ở khu vực sát biên

- Sự biến thiên của số Fr theo phương dọc và phương ngang gần giống như sự biến thiên của vận tốc

- Áp suất không tuân theo qui luật thuỷ tĩnh, trị số cột nước áp lực tại một điểm lớn hơn chiều sâu dòng chảy tại điểm đó Theo chiều dọc áp suất tăng nhanh và giảm dần ở gần cuối mũi phun Theo phương ngang chúng tăng dần vào giữa , ở khu sát biên giá trị giảm hẳn

4.2.2 Ảnh hưởng của các thông số hình học của mũi phun

Kết quả xem bảng 4.2 ÷ 4.5

4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thuỷ lực

Một số kết quả tính toán thể hiện trên hình 4.23, 4.28 và 4.38 Từ kết quả tính toán cho phương án mũi phun phát tán của đường tràn XêKaMan3 với trị số Frut trên mũi phun trong khoảng Fr=40÷60 cho thấy, so với trường hợp không xét hàm khí thì:

- Cao độ đáy mũi phun yêu cầu thấp hơn, trị số hạ thấp nhiều nhất

ở đoạn đầu và giảm dần theo chiều dài mũi phun Mức độ hạ thấp tỷ lệ với độ xiết của dòng chảy (số Frút)

- Độ sâu dòng chảy lớn hơn, chiều cao thành lòng dẫn yêu cầu tăng lên khoảng (5÷6 )%

- Áp suất thuỷ động tại đáy mũi phun giảm trong khoảng (8÷10)% Điều này cần được lưu ý khi tính toán kiểm tra khả năng khí thực tại đáy mũi phun

- Chiều dài phóng xa và chiều sâu hố xói: Do dòng chảy có hàm khí nên tia dòng phóng xuống hạ lưu có độ xốp cao hơn, bề mặt chịu

ma sát với không khí lớn hơn, mức độ phân rã của dòng chảy tăng lên, làm giảm chiều dài phóng xa Lr và chiều sâu hố xói giảm

4.5 Kết luận chương 4

1 Dòng chảy trên mũi phun phát tán được thiết kế theo phương pháp đã nêu có sự phân bố khá hợp lý với độ sâu và lưu tốc tương đối đồng đều trên từng mặt cắt ngang Trên mặt cắt ngang, đường mặt nước đạt vị trí cao nhất ở trục đối xứng của dốc nước và thấp dần về hai bên thành bờ Độ cong hướng ngang của đáy và đường mặt nước tăng dần theo chiều dòng chảy và đạt trị số lớn nhất ở mặt cắt cuối mũi phun

2 Áp suất thuỷ động trong dòng chảy trên mũi phun không tuân theo quy luật thuỷ tĩnh mà phụ thuộc nhiều vào độ cong theo phương

dọc mũi phun Nói chung, cột nước áp lực tại các điểm trong dòng chảy trên mũi phun phát tán có trị số lớn hơn so với chiều sâu dòng chảy tương ứng do ảnh hưởng của lực li tâm theo phương dọc và phương ngang

3 Việc tăng độ mở của mũi phun trên mặt bằng lên λ>2 thường làm tăng nhanh chiều dài yêu cầu của mũi phun, trong khi hiệu quả đạt được về giảm xói hạ lưu là không tương xứng

4 Mức độ mở rộng trên mặt bằng của mũi phun gia tăng mạnh nhất ở đoạn cuối của nó Vì vậy, với một trị số λ xác định, việc giảm trị số góc mở rộng trên mặt bằng xuống αkk<45° sẽ làm cho chiều dài mũi phun tăng nhanh, dẫn đến tăng khối lượng công trình

5 Độ dốc tại mặt cắt đầu của mũi phun phải lấy bằng độ dốc của dốc nước (i) Với dốc nước đủ dài thì trị số của i sẽ quyết định mức

độ chảy xiết ở cuối dốc, tức đầu mũi phun Còn với một mức độ chảy xiết (trị số Fr) ở mặt cắt đầu xác định thì hình dạng và kích thước trên mặt bằng của mũi phun không phụ thuộc vào độ dốc i; cao độ đáy mũi phun giảm khi i tăng Ngoài ra mức độ ảnh hưởng của độ dốc i đối với chiều dài phun xa, chiều sâu hố xói là không nhiều

6 Trị số của góc hắt βkk không ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của mũi phun trên mặt bằng, nó chỉ ảnh hưởng đáng kể đến độ cong theo phương dọc ở đoạn cuối mũi phun Khi βkk <30° thì sự phụ thuộc của chiều dài phun xa Lr, chiều dài vết nước rơi ở đáy hạ lưu Lv

và chiều sâu hố xói dx vào βkk là không nhiều; nhưng khi βkk > 30° thì ảnh hưởng của nó đến các trị số Lr, Lv, dx là đáng kể

7 Khi dòng chảy ở mặt cắt đầu mũi phun có độ xiết cao (trị số Fr>30) thì cần thiết phải xét đến hàm khí trong bài toán điều khiển dòng xiết, khi đó sẽ cho kết quả:

- Cao độ đáy mũi phun yêu cầu thấp hơn;

- Chiều cao thành lòng dẫn yêu cầu lớn hơn;

- Áp suất thuỷ động tại đáy mũi phun giảm;

- Độ phun xa và chiều dài vết nước rơi ở hạ lưu của dòng phun giảm; hiệu quả giảm chiều sâu hố xói là không rõ ràng

8 Việc sử dụng thuật toán và chương trình tính toán nêu trong luận án cho phép nhanh chóng đạt được kết quả tính toán, tạo điều kiện so sánh được nhiều phương án bố trí mũi phun trong thiết kế để chọn ra giải pháp công trình hợp lý nhất Thí nghiệm mô hình thuỷ lực được thực hiện cho phương án chọn, để chuẩn xác hoá các thông

số thuỷ lực trên đó, cũng như đưa ra các điều chỉnh khi cần thiết

Chương 5 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH THUỶ LỰC ĐIỀU KHIỂN DÒNG XIẾT TRÊN MŨI PHUN

PHÁT TÁN CÓ XÉT HÀM KHÍ 5.1 Thiết kế mô hình

Mô hình thí nghiệm là mô hình chính thái theo tiêu chuẩn Froude,

tỉ lệ λl được chọn là tỉ lệ nhỏ nhất mà điều kiện phòng thí nghiệm cho phép, thoả mãn điều kiện giá trị số Reynolds trên mô hình (Rem) không bé hơn trị số giới hạn (Rem > Regh ), bảo đảm cho dòng chảy ở

mô hình là dòng chảy rối thuộc khu sức cản bình phương Trên cơ sở

đó tỷ lệ mô hình đã được chọn λl = 64

Vật liệu làm mô hình được chọn trên cơ sở bảo đảm tương tự về

độ nhám trên các bề mặt kết cấu công trình tiếp xúc với nước tương ứng Xuất phát từ đó đã chọn vật liệu chế tạo các phần kết cấu mô hình như sau: Đối với mặt bê tông rất nhẵn, chất lượng thi công cao như mặt đập tràn, dốc nước và mũi phun: dùng kính hữu cơ; Đối với lòng sông tự nhiên, kênh đào trong đá: dùng vữa xi măng cát mịn trát bình thường, tùy vị trí; Đối với vật liệu thí nghiệm xói: Trong luận án này không đặt trọng tâm về nghiên cứu xói hạ lưu mũi phun, cho nên khi thí nghiệm chưa xét đến tương tự đầy đủ mô hình xói, mà chỉ thực hiện cho 1 loại vật liệu cụ thể là đá dăm tương đương với đường kính viên đá nguyên hình d≈0,5m

5.2 Các thiết bị đo

- Địa hình và cao độ nói chung: Dùng máy thuỷ bình Ni07 để đo cao độ và thước cây để đo khoảng cách trên mặt bằng

- Phần mô hình bằng kính hữu cơ: Kiểm tra kích thước bằng thước cây và thước cặp

- Cao độ mặt nước nói chung, độ sâu: Dùng kết hợp máy Ni04 và cọc mốc, thước bẹt

- Cao độ mức nước: Mực nước sông hạ lưu ở mặt cắt khống chế

Zh = f(Q) Cao độ mức nước thượng lưu đập tràn mô hình và đập tràn

đo lưu lượng: Dùng ống đo áp kết hợp với bình lặng sóng

- Lưu lượng: Được đo bằng đập tràn chữ nhật Lưu lượng qua đập tràn chữ nhật tính theo công thức Rehbock

- Vận tốc: Vận tốc trung bình thời gian (u) và mạch động vận tốc (u') được đo bằng thiết bị điện tử nhãn hiệu P EMS do Hà Lan chế tạo

- Áp suất: Áp suất pvà mạch động áp suất p' được đo bằng thiết

bị điện tử nhãn hiệu HYDRA do Đức chế tạo Áp suất trung bình thời gian p còn được đo bằng ống đo áp kết hợp với đo bằng thiết bị điện

tử nói trên

5.3 Đánh giá sai số đối với kết quả đo

Sai số về lưu lượng: 2%; Sai số về áp suất: 1÷3%; Sai số về vận tốc:2÷3%; Sai số về cao độ, mực nước: không vượt quá 0.15m thực tế

5.4 Các sê-ri thí nghiệm và biện pháp cấp khí

- Đối với mũi phun phát tán tiến hành cho hai phương án độ dốc i = 0,3; 0,4

- Với mỗi phương án độ dốc, thí nghiệm cho cả hai trường hợp có và không có hàm khí, với 3 cấp lưu lượng

- Đối với mũi phun hình trụ chỉ tiến hành cho phương án độ dốc i = 0,4 và không có hàm khí

Để mô phỏng hiện tượng hàm khí trong dòng chảy, đã sử dụng biện pháp bơm không khí vào trong dòng chảy đang xét Lưu lượng không khí bơm vào trong dòng chảy được xác định trên cơ sở tính toán mức độ hàm khí (độ tập trung khí) trong dòng chảy Việc cấp khí được thực hiện bằng 1 máy nén khí, thông qua hệ thống ống dẫn và 17 đầu ra của khí được gắn

vào đáy dốc nước (đầu mũi phun) tại mặt cắt 0-0 Lưu lượng khí được xác định thông qua dụng cụ đo vận tốc khí

5.5 Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho 2 phương án độ dốc trong trường hợp có xét và không xét hàm khí được trình bày trên hình 5.11 ÷ hình 5.34

5.5.1 So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán

1) Độ sâu dòng chảy đo được tại các mặt cắt trên mũi phun ở mô hình có trị số lớn hơn so với trị số tính toán tương ứng, sai số về độ sâu cụ thể như sau :

- Khi không xét hàm khí ∆hmax= 4.64% với i= 0.3 và 5.84% với i=0.4

- Khi có hàm khí ∆hmax: = 3.87% với i=0.3 và 8.16 % với i=0.4 Với dòng chảy có độ xiết cao, rất nhạy cảm với sự thay đổi trên biên thì các sai số như trên là có thể chấp nhận được Ngoài ra, mức

độ sai số nhận được là hợp quy luật : khi độ dốc lớn, mức độ chảy xiết cao thì sai số lớn hơn; trường hợp dòng chảy có hàm khí sẽ có sai số lớn hơn khi không có hàm khí

2) Lưu tốc dòng chảy trong thí nghiệm đo được nhỏ hơn so với trị

số tính toán Sai số lớn nhất về lưu tốc là 5.51% và mức độ sai số như vậy là không lớn Quy luật biến đổi ∆u ở các phương án thí nghiệm cũng tương tự như ∆u đã nêu trên

3) Áp suất đáy mũi phun: Trị số Pthí nghiệm đo được lớn hơn so với

Ptính toán Điều này cũng phù hợp với sai số về độ sâu: sai số lớn nhất

∆pmax = 8.6% là chấp nhận được Quy luật biến đổi ∆p ở các phương

án thí nghiệm cũng giống như ∆h

5.5.2 Về ảnh hưởng của hàm khí đến các thông số thủy lực trên mũi phun

Kết quả thí nghiệm cho thấy trong các điều kiện cụ thể của công trình đang nghiên cứu, so với trường hợp dòng chảy không hàm khí, dòng chảy có hàm khí cho các thông số thủy lực như sau:

- Chiều sâu dòng chảy tăng khoảng từ 2÷11% ;

- Vận tốc dòng chảy giảm từ 0 ÷7.5%

- ¸p suất giảm từ 2÷7.7%