van Rijn Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo hà nội 2004... Quyển sách “Các nguyên lý của dòng chảy
Trang 1trường đại học khoa học tự nhiên
Leo C van Rijn
Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt
trong sông, cửa sông, biển và đại dương
Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo
hà nội 2004
Trang 5Lời người dịch
Leo C van Rijn là một nhà khoa học người Hà Lan, chuyên gia về các lĩnh vực thuỷ
động lực và vận chuyển trầm tích Ông giảng dạy ở Hà Lan, tham gia giảng dạy và nghiên cứu tại nhiều viện nổi tiếng trên thế giới Quyển sách “Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương” được ông biên soạn làm giáo trình giảng dạy trong một năm tại Trường đại học Utrecht và được Nhà xuất bản AQUA ấn hành lần đầu tiên vào năm 1989, tái bản vào năm 1994 không có sửa đổi Sách chủ yếu đề cập đến những nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng trong sông, cửa sông, biển và đại dương Cuốn sách này có thể chia làm ba phần chính: cơ chất lỏng ứng dụng, sóng dài và sóng ngắn; ngoài ra phần phụ lục đề cập đến các phương pháp toán học dùng trong cơ chất lỏng
Những chương đầu tiên trình bày các nguyên lý cơ bản về thủy tĩnh học, động học
và động lực học chất lỏng, mô tả những phương trình của Euler, Bernoulli, Navier-Stokes và Reynolds, giải thích các hiện tượng dòng chảy dưới phân giới và trên phân giới, dòng chảy trơn và nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy, dòng thế, dòng thay đổi chậm và nhanh, dòng chảy cong và các lực sinh dòng chảy Phần tiếp theo mô tả chi tiết những hiện tượng sóng dài như sóng tiến, sóng đứng, sóng tịnh tiến, sóng lũ, sóng triều, sóng do mật độ và sóng dâng do bão Phần cuối giải thích các hiện tượng nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ, sóng đổ, lớp biên sóng, dòng chảy dọc bờ trong đới sóng
đổ, sóng ngẫu nhiên
Quyển sách viết dễ hiểu, các hình vẽ minh hoạ sinh động cùng nhiều ví dụ có thể
sử dụng như các bài tập Vì vậy nó sẽ rất có ích đối với sinh viên ngành thuỷ văn, hải dương học và các ngành liên quan như môi trường, thuỷ lợi, giao thông thuỷ, xây dựng công trình thuỷ
Người dịch cố gắng bám sát nội dung cuốn sách, nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Người dịch cám ơn Khoa Khí tượng-Thuỷ văn-Hải dương học và PGS TS Phạm Văn Huấn về những ý kiến đóng góp để cuốn sách được hoàn thiện hơn
Trang 6Mục lục
Lời nói đầu 13
Lời cảm ơn 14 Chương 1 Mở đầu 15 1.1 Nền tảng lịch sử 15
1.2 Các định nghĩa 16
1.3 Các loại dòng chảy 17
1.4 Ký hiệu và đơn vị 19
Chương2 Những thuộc tính của chất lỏng 20 2.1 Mở đầu 20
2.2 Mật độ 21
2.3 Tính nhớt 22
2.4 Tính chịu nén hoặc đàn hồi 24
2.5 Sức căng mặt ngoài 25
chương 3 Thuỷ tĩnh học 28
3.1 Mở đầu 29
3.2 Tính đẳng hướng 29
3.3 áp suất thuỷ tĩnh 30
3.4 Các mặt cong 31
3.5 Độ nổi 31
Chương 4 Động học chất lỏng 32 4.1 Mở đầu 33
4 2 Đường dòng và dòng nguyên tố 33
4.3 Hàm dòng 34
4.4 Gia tốc 35
4.5 Biến dạng 36
Dịch chyển: 36
Quay: 36
Trang 7Biến dạng tuyến tính: 37
Biến dạng góc: 38
4.6 Xoáy 38
chương5 Động lực học chất lỏng 39 5.1 Mở đầu 39
5.2 Phương trình liên tục (cân bằng khối lượng) 39
5.2.1 Thể tích điều khiển 39
5.2.1 Dòng nguyên tố 41
5.2.3 Dòng chảy không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở 41
5.3 Cân bằng động lượng 43
5.3.1 Định luật thứ hai của Newton 43
5.3.2 Động lượng và năng lượng đi qua một mặt cắt 43
5.3.3 ứng dụng 44
5.4 Phương trình chuyển động 45
5.4.1 Các lực tác động lên những phần tử chất lỏng 45
5.4.2 Phương trình Euler 47
5.4.3 Phương trình Bernoulli 48
5.4.4 Phương trình Navier-Stokes 59
5.4.5 Phương trình Reynolds 60
Chương 6 Dòng chảy ổn định đều 68 6.1 Mở đầu 68
6.2 Các lực chất lỏng và ứng suất trượt 69
6.3 Phân bố vận tốc trong lớp biên dòng chảy phân tầng 70
6.3.1 Mở đầu 70
6.3.2 Phân bố vận tốc 71
6.4 Phân bố vận tốc trong lớp biên rối 72
6.4.1 Đáy trơn và nhám 72
6.4.2 Lớp con rối lôgarit 74
6.4.3 Lớp con nhớt 78
6.4.4 Lớp con quá độ 78
6.4.5 Lớp con phía ngoài 78
6.4.6 Phân bố tổng quát của vận tốc đối với dòng chảy trơn và nhám 79
6.4.7 Phân bố vận tốc theo hướng ngang (dòng thứ cấp) 83
6.5 Các công thức sức cản dòng chảy 84
6.5.1 Công thức Chezy 84
6.5.2 Hệ số Chezy 84
Trang 86.5.3 Công thức Manning 86
6.5.4 Mặt cắt ngang phức tạp 87
6.5.5 Các ví dụ 88
6.6 Dòng chảy trên phân giới và dưới phân giới 90
6.6.1 Vận tốc lan truyền của một sóng nguyên tố 90
6.6.2 Dòng chảy phân giới và độ sâu phân giới 92
chương7 Dòng chảy ổn định không đều 95 7.1 Mở đầu 95
7.2 Dòng thế 95
7.2.1 Mở đầu 95
7.2.2 Dòng thế hai chiều 96
7.2.3 Lưới dòng (lưới thuỷ động lực) 97
7.2.4 ứng dụng 99
7.3 Dòng chảy rối biến đổi dần 100
7.3.1 Mở đầu 100
7.3.2 Phương trình Belanger 101
7.3.3 Phân loại những đường cong mặt nước 102
7.3.4 Tính toán giải tích những đường cong mặt nước 111
7.3.5 Tính toán đường cong mặt nước bằng phương pháp số 115
7.4 Dòng chảy rối biến đổi nhanh 117
7.4.1 Mở đầu 117
7.4.2 Phương trình Carnot cho dòng chảy giảm tốc 117
7.4.3 Nước nhảy thủy lực 119
7.4.4 Dòng chảy trong ống 122
7.4.5 Đập tràn đỉnh rộng 123
7.4.6 Đập tràn đỉnh hẹp 125
7.4.7 Đập tràn thành mỏng 126
7.4.8 Công trình mở dưới nước 128
7.4.9 Phân bố vận tốc trong dòng biến đổi nhanh 128
7.5 Dòng chảy cong 131
7.6 Các lực chất lỏng tác động lên vật thể 134
7.6.1 Mở đầu 134
7.6.2 Lực cản 135
7.6.3 Lực nâng 138
7.6.4 Các ví dụ 138
Chương 8 Dòng không ổn định: sóng dài trên mặt tự do 141
8.1 Mở đầu 141
8.2 Những phương trình cơ bản 141
Trang 98.2.1 Phương trình liên tục và chuyển động 141
8.2.2 Phân tích (đánh giá) bậc đại lượng 144
8.2.3 Đặc tính của những sóng dài 146
8.3 Sóng tiến 146
8.3.1 Phương trình cơ bản 146
8.3.2 Những hiện tượng ảnh hưởng đến sự lan truyền sóng 149
8.4 Sóng đứng 152
8.4.1 Thuỷ vực hở 152
8.4.2 Thuỷ vực kín 156
8.5 Những sóng tịnh tiến 157
8.6 Sóng lũ trong sông 161
8.6.1 Mô hình sóng động lực 163
8.6.2 Mô hình sóng khuếch tán 163
8.6.3 Mô hình sóng động học 164
8.6.4 Mối quan hệ độ sâu - lưu lượng 167
8.7 Sóng thuỷ triều 168
8.7.1 Mở đầu 168
8.7.2 Lực tạo triều 170
8.7.3 Phân tích và dự đoán thủy triều 172
8.7.4 Sóng điều hoà và phân loại thủy triều 174
8.7.5 Lực Coriolis 177
8.7.6 Thủy triều trong đại dương 180
8.7.7 Thủy triều trong biển 184
8.7.8 Thủy triều trong cửa sông 187
8.9 Dòng mật độ trong cửa sông 194
8.9.1 Các kiểu phân tầng 195
8.8.2 Các phương trình cơ bản 197
8.8.3 Dòng trao đổi 200
8.8.4 Những sóng nội dài 201
8.9 Dòng chảy gió và nước dâng trong biển và đại dương 201
8.9.1 Dòng chảy gió 201
8.9.2 Sự dâng mực nước do gió thổi vào bờ (nước dâng do bão) 205
8.9.3 Biến đổi mực nước do gió thổi dọc bờ 207
8.9.4 Biến đổi mực nước bởi gió thổi xiên một góc 209
8.9.5 Nước trồi và nước sụt gần bờ 209
8.9.6 Hoàn lưu đại dương 210
Chương 9 Dòng không ổn định: sóng ngắn trên mặt 212 9.1 Mở đầu 212
Trang 109.2 Lý thuyết sóng tuyến tính và phi tuyến 213
9.2.1 Phương trình Bernoulli cho dòng không ổn định 213
9.2.2 Lý thuyết sóng tuyến tính biên độ nhỏ 214
9.2.3 Lý thuyết sóng biên độ nhỏ phi tuyến 217
9.2.4 Các hiệu ứng phi tuyến: vận chuyển khối lượng trong sóng không đổ 218
9.2.5 Các hiệu ứng phi tuyến: vận chuyển khối lượng trong sóng đổ 222
9.3 Các thuộc tính sóng tuyến tính 223
9.3.1 Mở đầu 223
9.3.2 Quan hệ phân tán 225
9.3.3 Vận tốc hạt chất lỏng 230
9.3.4 Dịch chuyển hạt chất lỏng 232
9.3.5 áp suất chất lỏng 233
9.3.6 Sóng đứng 234
9.4 Lớp biên sóng 235
9.4.1 Bề dày lớp biên 235
9.4.2 Phân bố vận tốc 236
9.4.3 ứng suất trượt và ma sát tại đáy 238
9.4.4 Sóng chồng lên dòng chảy 239
9.5 Năng lượng sóng và sự truyền năng lượng 242
9.5.1 Thế năng và động năng 242
9.5.2 Truyền năng lượng và thông lượng 244
9.5.3 Vận tốc nhóm sóng 244
9.5.4 Vận tốc front sóng 245
9.6 Phản xạ sóng 248
9.7 Sóng nước nông 248
9.7.1 Cân bằng dòng năng lượng 249
9.7.2 ảnh hưởng của ma sát đáy 250
9.7.3 ảnh hưởng của dòng chảy 251
9.8 Khúc xạ sóng 253
9.8.1 Định nghĩa 253
9.8.2 Chu kỳ sóng không đổi 254
9.8.3 Phương trình khúc xạ và phương trình dòng năng lượng 255
9.8.4 Đường đẳng sâu song song với bờ thẳng 256
9.8.5 Đường đẳng sâu biến đổi dần dần 258
9.8.6 Bẫy sóng 261
9.8.7 Sóng rìa 262
9.9 Nhiễu xạ sóng 263
9.10 Sóng đổ 264
Trang 119.10.1 Giới hạn độ dốc 264
9.10.2 Giới hạn độ cao sóng trên đáy nằm ngang 264
9.10.3 Giới hạn độ cao sóng trên đáy nghiêng 265
9.10.4 Biến đổi sóng trong vùng sóng đổ 271
9.10.5 Sóng leo trong vùng sóng vỗ bờ 271
9.11 Biến đổi mực nước do sóng (nước dâng và nước rút) 271
9.11.1 Mở đầu 271
9.11.2 ứng suất phát xạ 272
9.11.3 Nước rút do sóng trong sóng không đổ 274
9.11.4 Nước dâng do sóng trong sóng đổ 276
9.11.5 Những sóng dài bị chặn và nhịp sóng đổ 277
9.12 Dòng chảy dọc bờ do sóng 278
9.12.1 Mở đầu 278
9.12.2 Bên ngoài vùng sóng đổ 278
9.12.3 Bên trong vùng sóng đổ 279
9.13 Sóng ngẫu nhiên 283
9.13.1 Mở đầu 283
9.13.2 Sóng đặc trưng 283
9.13.3 Phân bố Rayleigh độ cao sóng 284
9.13.4 Phổ sóng 287
9.13.5 Sự tăng trưởng sóng 291
9.13.6 Độ cao và hướng sóng ưu thế 293
9.13.7 Đo đạc độ cao sóng 295
Phụ lục 296 Phụ lục A: Các công thức 296
Cơ bản 296
Dòng chảy sông 296
Những sóng mặt dài 298
Những sóng mặt ngắn 298
Phụ lục B : Toán học dùng trong cơ học chất lỏng 301
1 Các đạo hàm 301
2 Những đại lượng vô hướng và vectơ 304
3 Số phức và vectơ 307
Phụ lục C: Rối 309
1 Mở đầu 309
2 Nguồn gốc của rối 309
3 Các loại rối 309
4 Cường độ và năng lượng rối 310
5 Những quy mô chiều dài rối 311
Trang 126 Cấu trúc của những lớp biên rối 313
7 ứng suất rối và mô hình hóa nó 314
Phụ lục D: Phương pháp đặc trưng giải phương trình dòng chảy 318
Cách tiếp cận băng số 320
Phụ lục E: Phương pháp giải tích cho những phương trình dòng chảy được tuyến tính hoá 324
Trang 13Lời nói đầu
Quyển sách này trình bày bài giảng trong một năm về dòng chảy chất lỏng và những sóng mặt cho những nhà địa lý tự nhiên tại Trường đại học Utrecht ở Hà Lan Quyển sách chủ yếu đề cập đến những nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng trong sông, cửa sông, biển và đại dương
Những chương đầu tiên là 2, 3 và 4 bao trùm những lĩnh vực về thuộc tính chất lỏng, thủy tĩnh học và động học Chương 5 về động lực học chất lỏng, mô tả những phương trình động lượng của Euler, Bernoulli, Navier-Stokes và cuối cùng là Reynolds, người trình bày một phương pháp lấy trung bình thời gian liên quan đến dòng chảy rối Chương 6 đề cập đến dòng ổn định đều trong sông ở đây giải thích các hiện tượng như dòng chảy dưới phân giới và trên phân giới, dòng chảy trơn và nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy Chương 7 trình bày dòng ổn định không đều trong sông, đưa
ra các thông tin về dòng thế, dòng thay đổi chậm và nhanh, dòng chảy cong và các lực tạo dòng chảy (lực cản và lực nâng) Hai chương cuối cùng là chương 8 và 9 đề cập đến dòng không ổn định liên quan đến những sóng mặt dài và ngắn Chương 8 mô tả chi tiết những hiện tượng sóng dài như sóng tiến, sóng đứng, sóng tịnh tiến, sóng lũ trong sông, sóng thủy triều, sóng do mật độ và sóng dâng do bão Chương 9 giới thiệu những thuộc tính cơ bản của sóng ngắn ở đây giải thích các hiện tượng như nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ và sóng đổ Hiện tượng lớp biên sóng và hiệu ứng của nó lên dòng chảy cũng được trình bày Sự phát sinh dòng chảy dọc bờ trong đới sóng đổ được mô tả Cuối cùng, giải thích những sóng ngẫu nhiên Quyển sách kết thúc với các phụ lục về những công thức cơ bản, toán học, rối và những phương pháp giải các phương trình dòng chảy yêu cầu có kiến thức cơ bản về toán học (đặc biệt là phương trình vi phân) để hiểu các dẫn xuất những phương trình liên tục và chuyển động xuất hiện suốt nội dung Để khích lệ kí ức người đọc, các thông tin quan trọng nhất của toán học đối với cơ học chất lỏng được giới thiệu trong Phụ lục B
Quyển sách được viết với quan điểm về vận chuyển trầm tích và hình thái học Cả hai lĩnh vực sẽ được mô tả rất rộng trong một quyển sách sau này: "Những nguyên lý của vận chuyển trầm tích và hình thái học trong sông, cửa sông, biển và đại dương" Tác giả hy vọng rằng quyển sách này sẽ phục vụ như một công cụ hữu ích cho những sinh viên và những người đã tốt nghiệp về công trình dân dụng, các khoa học trái đất, địa lý tự nhiên và hải dương học
Leo C van Rijn
Trang 14Lời cảm ơn
Tác giả cảm ơn Bộ môn Địa lý tự nhiên, Trường đại học Utrecht đã cung cấp kinh phí để các cô M Tiemeijer, D Koekoek can vẽ hình và để các cô K van Erkel và H Bijma đánh máy bản thảo
Cảm ơn TS H de Vriend, Delft Hydraulics đã có những nhận xét chi tiết về bản thảo
Tôi cũng cảm ơn những người đã cho phép dùng lại những hình vẽ: TS M Vries và
ông C Verspuy ở Trường Đại học Kỹ thuật Delft, ông R Thabet ở Delft Hydraulics, Hội
Kỹ sư Công trình Mỹ, Nhà xuất bản MacMillan, Pitman và Longman