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:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

2. PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN CỨU

Dòng chảy ổn định đều trong kênh hở đã
được nghiên cứu từ lâu và các cơng thức lý
thuyết góp phần quan trọng trong việc thiết
kế, xây dựng hệ thống kênh dẫn trong lĩnh
vực kỹ thuật thủy lợi.

Nghiên cứu lý thuyết và mơ hình vật lý.
Dịng chảy trên kênh hở với các khối vật
cản được thí nghiệm tại Phịng Thí nghiệm
Thủy lực – Trường Đại học Thủy lợi. Các
khối vật cản hình trụ trịn, với đường kính D
= 42mm, được bố trí đều trên kênh theo
hướng dịng chảy và hướng ngang với
khoảng cách ax = ay = 100mm. Kênh dẫn có
bề rộng 30cm và chiều dài 12m, độ dốc có
thể thay đổi từ 0 đến 2%.

Trong các sơng ngịi tự nhiên và các kênh
dẫn luôn tồn tại hệ thảm thực vật, cây ngập
nước và sự xuất hiện của các khối vật cản tự

nhiên hoặc do con người bố trí… Điều này
làm thay đổi sức kháng thủy lực và các đặc
tính thủy lực của dịng chảy. Do đó, làm giảm
khả năng tiêu thoát và trầm trọng vấn đề ngập
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
khác nhau. Ngoài trọng lực theo phương
dịng chảy, lực cản nhám thì lực cản hình
dạng đóng vai trị rất lớn trong q trình thiết
lập hình thái dịng chảy. Lực cản nhám đã
được nghiên cứu từ lâu và có nhiều cơng thức
thực nghiệm cho từng trường trường hợp cụ
thể. Tuy nhiên các nghiên cứu về lực cản
hình dạng cịn hạn chế.
Trong nghiên cứu này, tác giả đưa ra khái
niệm cơ bản, hướng tiếp cận về dòng chảy ổn
định đều trong kênh với mố nhám lớn phân
bố đều. Bên cạnh đó, tác giả cóđề xuất cơng
thức để ước tính lực cản hình dạng trong
trường hợp nghiên cứu.

Đường MN trung bình

Hình 1. Dịng chảy trong kênh dẫn
Khi chiều dài kênh bố trí khối vật cản đủ
dài, dịng chảy trong kênh có thể giả định là
ổn định, đều (Hình 1). Độ sâu dịng chảy (h)

được lấy trung bình theo thời gian và khơng
gian. Với dịng chảy ổn định đều, thành phần
trọng lực theo phương dòng chảy, FTL sẽ cân
bằng với lực cản nhám FC f và lực cản hình
dạng (lực cản áp suất) FCD .
FCD  FC f  FTL

(1)

Để nghiên cứu mối tương quan giữa các
lực tác dụng này, tác giả phân chia dòng chảy
trong kênh thành các khối chất lỏng tương tự
nhau, Hình 2. Mỗi vùng nghiên cứu có kích
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
lượng riêng của chất lỏng ; CD : Hệ số sức
cản hình dạng ; Cf : Hệ số sức cản nhám ; S0 :
Độ dốc đáy kênh ; V : vận tốc trung bình
dịng chảy
A : Diện tích vùng nghiên cứu, khơng 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).
2S
CDCh*
 C f  02
(4)
  
Fr

C
1


 4 
Ở đây :
- h* = h/D: độ sâu tham chiếu;
V2
- Fr 2 

: hệ số Froude.
gh
Hai trường hợp đáy kênh được thí
nghiệm : (1) - đáy kênh thường bằng tấm
PVC và (2) - đáy kênh nhám với các viên đá
cuội có kích thước, ks = 2.5cm,phân bố khắp
bề mặt đáy kênh. Mực nước trên kênh được
đo đạc khi khơng 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

E4

17.6

1

1.8-5.6

Đáy nhám

E5

17.6


1.5

1.8-5.6

Đáy nhám

E6

17.6

2

1.2-5.6

Đáy nhám

Hình 3. Hệ số Manning (đáy thường)
Trường hợp đáy nhám:

Hình 4. Hệ số Manning (đáy nhám)
Hệ số manning được lựa chọn:
n = -0.065*(htb/ks)+0.0494
(5)
Mối tương quan giữa hệ số sức cản nhám
Cf và hệ số Manning n.
2 g.n 2 .h
Cf 
(6)
Rh4 / 3

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Hình 5. Mối liên hệ giữa hệ số sức cản
hình dạng và độ sâu tham chiếu h*
Từ kết quả thực nghiệm, tác giả tiến hành
thiết lập mối tương quan giữa hệ số CDvới
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
CD cho cả hai trường hợp: đáy kênh thường
và đáy kênh nhám.
2.682
h
CD  37.086 *  
(7)
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 khơng 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
cản được phân bố đồng đều trong lịng dẫn

thì lực cản hình dạng có ý nghĩa lớn so với
sức cản nhám. Hình 6, thể hiện mối tương
quan giữa tỉ lưu tham chiếu q* trong trường
hợp đáy kênh bình thường: a) có tính đến Cf
và b) khơng tính đến Cf.

Hình 6. So sánh Kết quả thực đo
và lý thuyết – đáy kênh thường
Hình 7, thể hiện mối tương quan giữa tỉ
lưu tham chiếu q* trong trường hợp đáy
kênh nhám: a) có tính đến Cf và b) khơng
tính đến Cf.
Hình 6a và 7a cho thấy tương quan giữa
lưu lượng tính tốn theo cơng thức (4), (6) và
(7) và lưu lượng đo đạc là rất tốt, sai số nằm
trong phạm vi 10%. Khi không đưa hệ số sức
cản nhám Cf vào tính tốn thì lưu lượng tính
tốn có xu hướng thiên nhỏ so với số liệu đo
đạc (Hình 6b; 7b). Với trường hợp đáy kênh

nhám thì việc đưa vào tính tốn lực ma sát
nhám mang đến kết quả kết quả tốt hơn với
trường hợp đáy kênh thường (Hình 6a và 7a).
Điều này cho thấy ma sát nhám có vai trị lớn
hơn trong trường hợp đáy nhám.

Hình 7. So sánh Kết quả thực đo
và lý thuyết – đáy kênh nhám
4. KẾT LUẬN


Để nghiên cứu dòng chảy trên kênh có mố
nhám phân bố đều, tác giả đơn giản hóa với
bài tốn dịng 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 khơng đưa Cf
vào tính tốn. Tuy nhiên, trong trường hợp
lưu lượng lớn thì trường kết quả cho thấy:
Với trường hợp đáy kênh thường thì lưu
lượng tính tốn theo cơng thức có xu hướng
thiên lớn so với số liệu thực đo.
Do số liệu thực nghiệm còn hạn chế nên
kết quả chưa mang tính tổng quát cao và thể
hiện đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Larinier, M. (1998). "Upstream and
downstream fish passage experience in
France." Fish Migration and Fish Bypasses:
127-145.
[2] Tran Dung Tien (2018). “A study of the
average flow in open channel with baffle
blocks distributed uniformly." HIC 2018.

355