Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY ỔN ĐỊNH ĐỀU TRONG KÊNH
VỚI KHỐI VẬT CẢN PHÂN BỐ ĐỀU
Trần Dũng Tiến
Trường Đại học Thủy lợi, email: tientd@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU
Dòng chảy ổn định đều trong kênh hở đã Nghiên cứu lý thuyết và mô hình vật lý.
được nghiên cứu từ lâu và các công thức lý Dòng chảy trên kênh hở với các khối vật
thuyết góp phần quan trọng trong việc thiết cản được thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm
Thủy lực – Trường Đại học Thủy lợi. Các
kế, xây dựng hệ thống kênh dẫn trong lĩnh
khối vật cản hình trụ tròn, với đường kính D
vực kỹ thuật thủy lợi. = 42mm, được bố trí đều trên kênh theo
Trong các sông ngòi tự nhiên và các kênh hướng dòng chảy và hướng ngang với
dẫn luôn tồn tại hệ thảm thực vật, cây ngập khoảng cách ax = ay = 100mm. Kênh dẫn có
nước và sự xuất hiện của các khối vật cản tự bề rộng 30cm và chiều dài 12m, độ dốc có
nhiên hoặc do con người bố trí… Điều này thể thay đổi từ 0 đến 2%.
làm thay đổi sức kháng thủy lực và các đặc
tính thủy lực của dòng chảy. Do đó, làm giảm
khả năng tiêu thoát và trầm trọng vấn đề ngập Đường MN trung bình
úng. Việc dự báo dòng chảy trong điều kiện
này là một thách thức với những kỹ sư thủy
lợi và nhà quản lý hệ thống.
Sự xuất hiện của các khối vật cản lớn trong
dòng tự nhiên làm xuất hiện các dạng lực cản Hình 1. Dòng chảy trong kênh dẫn
khác nhau. Ngoài trọng lực theo phương Khi chiều dài kênh bố trí khối vật cản đủ
dòng chảy, lực cản nhám thì lực cản hình dài, dòng chảy trong kênh có thể giả định là
dạng đóng vai trò rất lớn trong quá trình thiết ổn định, đều (Hình 1). Độ sâu dòng chảy (h)
lập hình thái dòng chảy. Lực cản nhám đã được lấy trung bình theo thời gian và không
được nghiên cứu từ lâu và có nhiều công thức gian. Với dòng chảy ổn định đều, thành phần
thực nghiệm cho từng trường trường hợp cụ trọng lực theo phương dòng chảy, FTL sẽ cân
thể. Tuy nhiên các nghiên cứu về lực cản bằng với lực cản nhám FC f và lực cản hình
hình dạng còn hạn chế. dạng (lực cản áp suất) FCD .
Trong nghiên cứu này, tác giả đưa ra khái FCD FC f FTL (1)
niệm cơ bản, hướng tiếp cận về dòng chảy ổn Để nghiên cứu mối tương quan giữa các
định đều trong kênh với mố nhám lớn phân lực tác dụng này, tác giả phân chia dòng chảy
bố đều. Bên cạnh đó, tác giả cóđề xuất công trong kênh thành các khối chất lỏng tương tự
thức để ước tính lực cản hình dạng trong nhau, Hình 2. Mỗi vùng nghiên cứu có kích
trường hợp nghiên cứu. thước ax, ay.
353
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
Với trường hợp đáy kênh thường, hệ số
nhám Manning ‘n’ được lựa chọn n = 0.01.
Hình 2. Bố trí các khối vật cản trong kênh
Cân bằng lực cho khối chất lỏng :
1 1
CD DhV 2 C f AV 2 hAS0 (2)
2 2
Trong đó - ρ, γ : Khối lượng riêng, trọng Hình 3. Hệ số Manning (đáy thường)
lượng riêng của chất lỏng ; CD : Hệ số sức
Trường hợp đáy nhám:
cản hình dạng ; Cf : Hệ số sức cản nhám ; S0 :
Độ dốc đáy kênh ; V : vận tốc trung bình
dòng chảy
A : Diện tích vùng nghiên cứu, không tính
khối vật cản phân bố:
A ax a y D 2 (3)
4
Mật độ phân bố của các mố nhám, C, được
định nghĩa theo công thức C = D2/(axay).
CDCh* 2S
C f 02 (4)
Fr
1 C Hình 4. Hệ số Manning (đáy nhám)
4
Ở đây : Hệ số manning được lựa chọn:
- h* = h/D: độ sâu tham chiếu; n = -0.065*(htb/ks)+0.0494 (5)
V2 Mối tương quan giữa hệ số sức cản nhám
- Fr 2 : hệ số Froude. Cf và hệ số Manning n.
gh
Hai trường hợp đáy kênh được thí 2 g.n 2 .h
Cf (6)
nghiệm : (1) - đáy kênh thường bằng tấm Rh4 / 3
PVC và (2) - đáy kênh nhám với các viên đá
cuội có kích thước, ks = 2.5cm,phân bố khắp 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
bề mặt đáy kênh. Mực nước trên kênh được
đo đạc khi không có mố nhám lớn để ước
tính hệ số nhám của đáy kênh.
Exp C Slope Q (l/s) Bed
E1 17.6 1 2.5-7 Đáy thường
E2 17.6 1.3 1.2-7 Đáy thường
E3 17.6 2 2.2-8.5 Đáy thường Hình 5. Mối liên hệ giữa hệ số sức cản
hình dạng và độ sâu tham chiếu h*
E4 17.6 1 1.8-5.6 Đáy nhám
E5 17.6 1.5 1.8-5.6 Đáy nhám Từ kết quả thực nghiệm, tác giả tiến hành
thiết lập mối tương quan giữa hệ số CDvới
E6 17.6 2 1.2-5.6 Đáy nhám độ sâu tham chiếu h*.
354
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
Tác giả đề xuất công thức xác định hệ số nhám thì việc đưa vào tính toán lực ma sát
CD cho cả hai trường hợp: đáy kênh thường nhám mang đến kết quả kết quả tốt hơn với
và đáy kênh nhám. trường hợp đáy kênh thường (Hình 6a và 7a).
2.682 Điều này cho thấy ma sát nhám có vai trò lớn
h
CD 37.086 * (7) hơn trong trường hợp đáy nhám.
D
Với dòng chảy ‘ổn định, đều’ trong kênh
dẫn với các khối vật cản phân bố đều thì việc
ước định được lực tác dụng chủ yếu mà ở đây
là 2 hệ số CD và Cf là một thách thức trong
nghiên cứu.
Trong kênh dẫn cổ điển, khi không xuất
hiện các vật cản có kích thước lớn. Việc quy
đổi sức cản của lòng dẫn theo hệ số Manning
mang lại kết quả tốt. Tuy nhiên, khi các vật Hình 7. So sánh Kết quả thực đo
cản được phân bố đồng đều trong lòng dẫn và lý thuyết – đáy kênh nhám
thì lực cản hình dạng có ý nghĩa lớn so với
sức cản nhám. Hình 6, thể hiện mối tương 4. KẾT LUẬN
quan giữa tỉ lưu tham chiếu q* trong trường
Để nghiên cứu dòng chảy trên kênh có mố
hợp đáy kênh bình thường: a) có tính đến Cf
nhám phân bố đều, tác giả đơn giản hóa với
và b) không tính đến Cf.
bài toán dòng chảy ổn định đều để ước tính
hệ số lức cản hình dạng CD.
Kết quả cho thấy, với đáy kênh thường và
đáy kênh nhám thì trong trường hợp có tính
đến hệ số sức cản nhám Cf đều mang đến mối
tương quan tốt hơn trường hợp không đưa Cf
vào tính toán. Tuy nhiên, trong trường hợp
lưu lượng lớn thì trường kết quả cho thấy:
Với trường hợp đáy kênh thường thì lưu
lượng tính toán theo công thức có xu hướng
Hình 6. So sánh Kết quả thực đo thiên lớn so với số liệu thực đo.
và lý thuyết – đáy kênh thường Do số liệu thực nghiệm còn hạn chế nên
kết quả chưa mang tính tổng quát cao và thể
Hình 7, thể hiện mối tương quan giữa tỉ hiện đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng.
lưu tham chiếu q* trong trường hợp đáy
kênh nhám: a) có tính đến Cf và b) không 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
tính đến Cf.
[1] Larinier, M. (1998). "Upstream and
Hình 6a và 7a cho thấy tương quan giữa
downstream fish passage experience in
lưu lượng tính toán theo công thức (4), (6) và France." Fish Migration and Fish Bypasses:
(7) và lưu lượng đo đạc là rất tốt, sai số nằm 127-145.
trong phạm vi 10%. Khi không đưa hệ số sức [2] Tran Dung Tien (2018). “A study of the
cản nhám Cf vào tính toán thì lưu lượng tính average flow in open channel with baffle
toán có xu hướng thiên nhỏ so với số liệu đo blocks distributed uniformly." HIC 2018.
đạc (Hình 6b; 7b). Với trường hợp đáy kênh
355
nguon tai.lieu . vn
