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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS. TS Hồ Việt Hùng
2. GS. TS Hoàng Tư An

HÀ NỘI, NĂM 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Chữ ký

Lê Thị Việt Hà

i


LỜI CÁM ƠN
Luận án “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” đã được hoàn thành tại trường Đại
học Thủy lợi với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học; cùng sự
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của các cơ quan, đơn vị, đồng nghiệp, gia đình, bạn
bè.
Tác giả vô cùng biết ơn tập thể thầy hướng dẫn là Giáo sư - Tiến sĩ Hoàng Tư An và
Phó giáo sư - Tiến sĩ Hồ Việt Hùng đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn tác giả trong

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.


Mục tiêu nghiên cứu.........................................................................................2

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................2

4.

Nội dung nghiên cứu ........................................................................................2

5.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ......................................................3

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3

7.

Cấu trúc của luận án .........................................................................................4

TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ LƯU CÔNG
TRÌNH…………………………….................................................................................5
1.1

Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước................................5

1.2


Một số phương pháp và kết quả nghiên cứu ....................................................6

1.2.1

Bài toán phẳng.............................................................................................6

1.2.2

Bài toán không gian hữu hạn ....................................................................18

1.3

Một số kết quả nghiên cứu khác ....................................................................20

1.4

Vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu ...............................................................21

1.5

Kết luận chương 1 ..........................................................................................21

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 ..................................................23
2.1

Đặt vấn đề chương 2 ......................................................................................23

2.2


Lý thuyết cơ bản [40] [41] [42] [43] ..............................................................23

2.3

Thiết lập các công thức ..................................................................................26

2.3.1

Giả thiết .....................................................................................................26

2.3.2 Sự thay đổi chiều sâu tương đối dòng chảy dọc theo chiều dài tương đối
khu xoáy và chiều dài tương đối nước nhảy..........................................................27
2.3.3 Hình dạng mặt thoáng trung bình và chiều dài tương đối khu xoáy mặt
trong lòng dẫn dốc
..........................................................................................................34
3


2.3.4 Quy luật thay đổi vận tốc điểm tương đối ở đáy và vận tốc điểm tương đối
ở mặt trong khu xoáy của nước nhảy ....................................................................47
2.3.5
2.4

Trường hợp riêng: lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy bằng..............50

Kết luận chương 2 ..........................................................................................51
KIỂM ĐỊNH CÔNG THỨC LÝ THUYẾT MỚI ..............................53

3.1


Đặt vấn đề chương 3 ......................................................................................53

3.2

So sánh các công thức mới thiết lập với công thức đã có ..............................53

3.2.1

Nước nhảy trong lòng dẫn đáy bằng phi lăng trụ mở rộng dần ................53

3.2.2

Nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc..............................................55

3.3
Mô hình vật lý thí nghiệm hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ
mở rộng dần, đáy dốc thuận ......................................................................................57
3.3.1

Mô tả thí nghiệm .......................................................................................57

3.3.2

Kiểm định thiết bị đo đạc thí nghiệm........................................................58

3.4

Kiểm định công thức lý thuyết mới ...............................................................60


3.4.1

Kiểm chứng giả thiết phân bố vận tốc điểm .............................................60

3.4.2

Kiểm chứng chiều sâu tương đối và chiều dài tương đối khu xoáy..........70

3.4.3

Đường mặt nước trung bình trong khu xoáy.............................................72

4


3.4.4

Kiểm chứng phân bố vận tốc điểm tương đối

um un
;
dọc theo chiều dài
V1 V
1

khu xoáy ................................................................................................................76
3.5

Kết luận chương 3 ..........................................................................................79


PHÂN TÍCH CÔNG THỨC MỚI THIẾT LẬP VÀ MỞ RỘNG
NGHIÊN CỨU MỚI .....................................................................................................81
4.1

Phân tích kết quả tính toán .............................................................................81

4.1.1

Mối quan hệ giữa chiều dài khu xoáy và chiều dài nước nhảy.................81

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..........................82
4.2
Thiết lập công thức tính toán các đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn mở
rộng dần thay đổi độ dốc ...........................................................................................88
4.2.1

Chiều sâu tương đối nước nhảy tại vị trí lòng dẫn có độ dốc thay đổi .....89

4.2.2

Chiều sâu tương đối của nước nhảy tại vị trí cuối khu xoáy ....................90

4.2.3

Chiều sâu tương đối của dòng chảy cuối nước nhảy ................................92

4.2.4

Chiều dài tương đối khu xoáy, chiều dài tương đối nước nhảy ................92


5


4.3
Mô hình vật lý thí nghiệm hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ
mở rộng dần, đáy thay đổi độ dốc .............................................................................92
4.4
Kết quả kiểm định công thức giải tích thông qua số liệu thí nghiệm trên mô
hình vật lý ..................................................................................................................93
4.5

Kết luận chương 4 ..........................................................................................95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................96
1.

Kết quả đạt được của luận án .........................................................................96

2.

Những đóng góp mới của luận án ..................................................................96

3.

Tồn tại và kiến nghị........................................................................................97

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................100
PHỤ LỤC ....................................................................................................................103



DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu năng sau dốc nước ......................................................................5
Hình 1.2 Sơ đồ nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc [14] .................................12
Hình 1.3 Nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ, đáy dốc của GS. TS Hoàng Tư An [6] .14
Hình 2.1 Sơ đồ dòng tia trong không gian bán giới hạn [41] ........................................23
Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng của dòng chảy ...................................................................... .25
Hình 2.3 Sơ đồ bài toán nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần đáy dốc ..27
Hình 3.1 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong trường hợp tg  0, 03;   0, 04; i  0
........54
Hình 3.2 Quan hệ 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0,15;   0, 0434
.................56
Hình 3.3 Quan hệ giữa 2 với Fr12 trong lòng dẫn lăng trụ i  0, 05;   0, 037
...........56
Hình 3.4 Sơ đồ thí nghiệm trên mô hình vật lý mô phỏng nước nhảy ..........................57
Hình 3.5 Sơ đồ bố trí mặt cắt, điểm đo chiều sâu, vận tốc điểm dòng chảy .................61
u  un
theo
với i  0,156 , trường hợp 2.
Hình 3.6 Biểu đồ
z
u 
h
Hình 3.7 Biểu đồ m
................................64 với i  0,156 , trường hợp 3.
un
theo
z ................................64 với i  0, 036 , trường hợp
Hình 3.8 Biểu đồ u  un

Hình 3.9 Biểu đồ um 
un
u  un
um 
un
u  un

h
theo
z
h

1.................................. .65
với i  0, 036 , trường hợp 4.................................. .67

theo
z
h

um 
un
Hình 3.10 Biểu đồ

u  un

um 
Hình 3.11 Biểu đồ un
u  un
um 
un


theo với i  0 , trường hợp 1 ........................................67
z
h
theo
z
h

x

với i  0 , trường hợp 5 .......................................67
2


Hình 3.12 Quan hệ giữah và
với Fr1
h
1

x
và
với Fr12
h
1
Hình 3.13 Quan hệ giữa h
x
và
với Fr12
Hình 3.14 Quan hệ giữa 
h1

h

Hình 3.15 Quan hệ giữa  và
h

Hình 3.16 Quan hệ giữa 

h

và

 33, 78;   0, 045; i  0,156
.................... 73
 42, 2;   0, 04; i  0,156
.......................73

 22, 03;   0, 049; i  0, 036
x
với Fr 2 ................... 74
1
h1

x
với
2
Fr1  46, 96;   0, 037; i  0, 036
h1
................... 74
 24, 42;   0, 033; i  0, 0
.......................75



Hình 3.17 Quan hệ giữa h và
Hình 4.1 Mối quan hệ giữa
Hình 4.2 Mối quan hệ

lx
và  x với độ dốc lòng dẫn, trường hợp i  0,13 .
h1 ' ...... 82

lx
và  x với độ dốc lòng dẫn, trường hợp 0  i 
h1 '
0,13 . ..........83

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa
Hình 4.4 Mối quan hệ

x
với Fr12  60, 83;   0, 033; i  0, 0
h1
....................... 75

lx
h1 '

và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  0,13 . ......83

lx
và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp 0  i 

h1 '
0,13 ..........84

Hình 4.5 Mối quan hệ giữa

lx

Hình 4.7 Mối quan hệ giữa

lx

và  x với góc mở lòng dẫn, trường hợp i  . .......... 84

h1 ' 0
l
Hình 4.6 Mối quan hệ giữa x và  x với Fr12 , trường hợp i  0,13 . .......................... 85
h1 '
h1 '

và  x với Fr12 , trường hợp 0  i  0,13 ......................85

2
Hình 4.8 Mối quan hệ giữa lx và  x với Fr1 , trường hợp i  0 . ............................... 86
h1 '

Hình 4.9 Mối quan hệ giữa giữa

lx
h1 '


Hình 4.10 Mối quan hệ giữa giữa

và  x với  trường hợp i  0,13 . ......................86

lx
và  x với  trường hợp 0  i  0,13 . ...............87
h1 '
lx

và  x với  trường hợp i  0 .
h1 ' ......................... 87
Hình 4.12 Xói lở công trình do nước nhảy xuất hiện tại vị trí thay đổi độ dốc lòng dẫn
....................................................................................................................................... 88
Hình 4.13 Sơ đồ nước nhảy trên lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần có độ dốc đáy thay
đổi. ............................................................................................... ..................................89
Hình 4.14 Mô hình thí nghiệm vật lý lòng dẫn có đáy thay đổi độ dốc ........................93
Hình 4.11 Mối quan hệ giữa giữa

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Quan hệ giữa Fr12 với

lo
h1

trong lòng dẫn lăng trụ đáy bằng .......................... 11

Bảng 3.1 Bảng quan hệ giữa 2 với Fr12 trường hợp tg  0, 03;   0, 04; i  0

........54
Bảng 3.2 Bảng quan hệ giữa  2 và Fr 2 trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc .................... 55
1
u  un
với i  0,156 , trường hợp 2.................................62
Bảng 3.3 Quy luật phân bố
um 
Bảng 3.4 Quy luật phân bố un

với i  0,156 , trường hợp 3.................................63

u  un

Bảng 3.5 Quy luật phân bố

um 
un
u  un

với i = 0,036, trường hợp 1

..................................65
u  un
Bảng 3.6 Quy luật phân bố m
u  un
với i = 0,036, trường hợp 4
..................................66
um  u n
Bảng 3.7 Quy luật phân bố


u  un

với i  0 , trường hợp 1 ....................................... 68

um 
un
Bảng 3.8 Quy luật phân bố

u  un

với i 1 0 , trường hợp 5

........................................ 69
um  un
Bảng 3.9 Quan hệ giữa  x ; lx /
h1

với số Fr 2 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần

i  0,156 ........................................................................................................................71
Bảng 3.10 Quan hệ giữa  x ; lx / với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần
h1
i  0,036 ........................................................................................................................71
Bảng 3.11 Quan hệ giữa  x ; lx / với số Fr12 trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần
h1
i  0,0 ............................................................................................................................72
u
u V1
Bảng 3.12 Phân bố m
và n

V1
8


theo
un
V1
V1
un
Bảng 3.14 Phân bố u
m và
V1
Bảng 3.15 Phân bố V1
un
um và
V1
Bảng 3.16 Phân bố
V1
un
và
um
V1
V1
Bảng 3.13 Phân bố

um

và

x

theo

h1 '

với i  0,156 , trường hợp 1 ........................... 76

x
với i  0,156 , trường hợp 2 ............................77
h1 '

theo x
với i  0, 036 , trường hợp 1 ...........................77
h1 '
theo
x
với i  0, 036 , trường hợp 5 ...........................78
theo h1 '
x
với i  0 , trường hợp 1 ..................................78
h1 '

9


Bảng 3.17 Phân bố

um
V1

và


un
x
theo
với i  0 , trường hợp 2 .................................79
V1
h1 '

Bảng 4.1 Mối quan hệ giữa

lx
ứng với 3 độ dốc tính toán ...........................................82
l2

Bảng 4.2 Quan hệ giữa nt với Fr12 ...............................................................................93
Bảng 4.3 Quan hệ giữa x với Fr12 ................................................................................94
Bảng 4.4 Quan hệ giữa c với Fr12 ................................................................................94
Bảng 4.5 Quan hệ giữa lnt/h1; lx/h1; lc/h1 với Fr12 ..........................................................95


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

Các từ viết tắt

b
:
bx
:b
1


:b
2
:F
x

F
y

Fz
:F
r2
h1
:h
1

’h:
x
:h
x

’:
h2
:h
2

’h:
c
:h’
:

h
:
hk
:h
n

i:
:
lx
:l
t

2

:l
o
:l
x

d

:

lx
b

:

lbt
n:


B
ề
B
ề
B
ề
B
ề
T
h
T
h
T
h
S
ố
C
h
C
h
C
h
C
h
C
h
C
h
C

h
C
h
C
h
C
h
C
h
Đ
ộ
C
h
C
h
C
h
C
h
i
C
h
i
C
h


O
z
O

y
O
x
p
:
P
:
q
:
Q
:
u
m

un
:u
mn

u
:
ux
:u
y

:u
z
:u’
:
V
:

w
:
w
’:

:

:
t:

:

*:
2
:

h:

x:

2:

:

nt:

x:

P
h

P
h
H
o
Á
p
Á
p
L
ư
L
ư
V
ậ
V
ậ
V
ậ
V
ậ
V
ậ
V
ậ
V
ậ
M
ạ
V
ậ

V
ậ
M
ạ
Ứ
n
Ứ
n
T
h
K
h
C
h
G
ó
C
h
C
h
C
h
C
h
C
h
B
ề
xi




2:

:

:
2.

B
ề
B
ề
H
ệ
Các thuật ngữ

“Chiều dài khu xoáy” là phần chiều dài tính từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt
cuối khu xoáy mặt của nước nhảy, trong khu vực này vận tốc dòng chảy tuân theo quy
luật Schlichting.
“Chiều dài nước nhảy” là phần chiều dài tính từ mặt cắt trước nước nhảy đến mặt cắt
cuối nước nhảy.
“Chiều cao tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều cao của điểm đang xét với
chiều sâu dòng chảy tại vị trí xem xét.
“Chiều sâu tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều sâu dòng chảy tại vị trí
đang xét với chiều sâu dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.
“Chiều dài tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều dài dòng chảy tại vị trí đang
xét với chiều sâu dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.
“Chiều rộng tương đối của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều rộng dòng chảy tại vị trí
đang xét với chiều rộng dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.

“Vận tốc điểm tương đối” là tỷ số giữa vận tốc điểm của dòng chảy tại vị trí đang xét
với vận tốc trung bình của dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy.
“Hệ số hình dạng của dòng chảy” là tỷ số giữa chiều sâu với chiều rộng của dòng
chảy tại vị trí đang xét.

xii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nối tiếp và tiêu năng sau công trình tháo là vấn đề vừa kinh điển, vừa thời sự. Đó là
nội dung không thể thiếu trong tính toán thủy lực công trình thủy và cũng là giải quyết
vấn đề phòng xói ở hạ lưu công trình. Sự nối tiếp dòng chảy giữa dốc nước và lòng
dẫn hạ lưu rất đa dạng và phức tạp. Các công trình nối tiếp và tiêu năng này liên quan
mật thiết với hiện tượng nước nhảy. Nối tiếp chảy đáy thường gặp trong các công trình
tháo nước thông qua hiện tượng nước nhảy không ngập (sau đây sẽ gọi tắt là nước
nhảy).
Nước nhảy trong lòng dẫn nói chung và lòng dẫn phi lăng trụ nói riêng đã được nhiều
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu bằng các phương pháp như lý thuyết, bán thực
nghiệm và thực nghiệm. Các kết quả nghiên cứu cũng được ứng dụng từ lâu nhưng đến
nay hiện tượng này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu rộng và sâu hơn
nữa. Trong các ứng dụng thực hành khác nhau, việc sử dụng lòng dẫn mở rộng dần có
thể giảm chiều dài nước nhảy và gia tăng kiểm soát vị trí nước nhảy. Với trường hợp
này, do mặt cắt ngang biến đổi, đa số các tính toán thuỷ lực thuộc về bài toán không
gian. Trong các công trình nghiên cứu về bài toán không gian này, nhiều tác giả đã
nghiên cứu sự thay đổi các đặc trưng thuỷ lực của dòng tia dọc theo dòng chảy và theo
phương đứng với giả thiết sự phân bố vận tốc tại tọa độ z bất kỳ theo phương ngang là
như nhau. Giải pháp này đưa bài toán không gian đa chiều về bài toán hai chiều đứng.
Phương pháp giải bài toán hai chiều đứng trong trường hợp này cũng tương tự như giải
bài toán trong điều kiện phẳng.

Do đó, tác giả chọn vấn đề xác định các đặc trưng nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng
trụ, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật, ở cuối dốc nước bằng lý thuyết lớp biên của
dòng tia chảy rối là phát triển những nội dung kinh điển trong những điều kiện thường
gặp trong thực tế, nhưng chưa được giải quyết triệt để.

1


2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng lý thuyết lớp biên của dòng tia chảy rối để nghiên cứu nước nhảy trong lòng
dẫn phi lăng trụ nhằm đạt các mục tiêu sau:
-

Thiết lập công thức giải tích để tính toán các đặc trưng của nước nhảy (chiều sâu
dòng chảy trong khu vực nước nhảy, chiều dài khu xoáy, chiều dài nước nhảy, phân
bố vận tốc điểm trong khu xoáy) trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, đáy dốc
hoặc đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ nhật;

- Làm rõ sự khác nhau giữa chiều dài khu xoáy mặt của nước nhảy và chiều dài toàn
bộ nước nhảy để làm cơ sở tính toán chiều dài bể tiêu năng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là hiện tượng nước nhảy không ngập trong lòng dẫn phi lăng
trụ mở rộng dần có đáy dốc thuận, đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc, mặt cắt ngang
lòng dẫn hình chữ nhật;
- Phạm vi nghiên cứu là cơ học chất lỏng.
4. Nội dung nghiên cứu
- Khái quát các công trình nghiên cứu đã có trên thế giới và ở Việt Nam về hiện tượng
nước nhảy;
- Nghiên cứu lý thuyết lớp biên của dòng tia chảy rối và các phương trình cơ bản của
thủy lực dòng chảy hai chiều để sử dụng trong luận án;

- Thiết lập các công thức tính toán một số đặc trưng của nước nhảy trong lòng dẫn phi
lăng trụ mở rộng dần với đáy dốc thuận, đáy bằng, đáy có độ dốc thay đổi, mặt cắt
ngang lòng dẫn hình chữ nhật;
- Kiểm chứng công thức vừa được thiết lập với các công trình nghiên cứu đã có;
- Thí nghiệm mô hình vật lý thủy lực để kiểm chứng và đánh giá độ phù hợp của công
thức vừa được thiết lập trong luận án.

2


5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
5.1

Cách tiếp cận

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp, phân tích các công trình khoa
học đã có về nước nhảy đã có ở trong nước và trên thế giới. Lựa chọn phương pháp
nghiên cứu vừa mang tính kế thừa, vừa mang tính sáng tạo sao cho phù hợp với vấn đề
cần quan tâm.
5.2
-

Các phương pháp sử dụng trong luận án
Phương pháp tổng hợp: phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các tài liệu, các

công trình nghiên cứu có liên quan mật thiết với luận án, từ đó tìm ra những vấn đề
khoa học mà các nghiên cứu trước chưa được đề cập một cách đầy đủ. Tiến hành
tính toán, so sánh kết quả tính theo công thức kiến nghị của luận án với các công
thức khác.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: luận án đã ứng dụng lý

thuyết lớp biên của dòng chảy rối để nghiên cứu thiết lập công thức tính toán các
đặc trưng của nước nhảy. Sau đấy thực hiện thí nghiệm mô hình vật lý về hiện
tượng nước nhảy với các phương án khác nhau để đánh giá độ tin cậy mà công thức
giải tích của luận án đã thiết lập.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
6.1 Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu đã có về nối tiếp bằng nước chảy đáy nói chung và nối tiếp
bằng nước nhảy ở chân công trình tháo nước kiểu dốc nước mới đưa ra được các công
thức lý thuyết tính chiều sâu sau nước nhảy, còn các đặc trưng khác chủ yếu được
nghiên cứu và xác định bằng thực nghiệm. Còn luận án đã ứng dụng lý thuyết lớp biên
của dòng chảy rối để nghiên cứu thiết lập công thức tính toán các đặc trưng của nước
nhảy (chiều sâu của dòng chảy, chiều dài khu xoáy, chiều dài nước nhảy, phân bố vận
tốc điểm) trong lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần, mặt cắt ngang lòng dẫn hình chữ
nhật, đáy dốc, đáy bằng và đáy thay đổi độ dốc. Sau khi có được các công thức lý
thuyết tác giả đã so sánh với các công thức của các tác giả khác và đặc biệt đã thí
nghiệm kiểm chứng trên
3


mô hình vật lý. Kết quả so sánh và kiểm chứng cho thấy các công thức mới hoàn toàn
có thể tin cậy được. Vì vậy luận án có ý nghĩa khoa học Động lực học chất lỏng.
6.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của luận án có giá trị và độ tin cậy cao, góp phần làm rõ thêm các đặc trưng về
đường mặt nước trong khu xoáy, chiều sâu dòng chảy khu xoáy, chiều dài khu xoáy,
chiều sâu nước nhảy, chiều dài nước nhảy, quy luật phân bố lưu tốc mặt và lưu tốc đáy
trong khu xoáy cho các trường hợp lòng dẫn phi lăng trụ, đáy dốc thuận. Việc tìm ra
các công thức giải tích này cho phép mở rộng phạm vy ứng dụng của bài toán, tính
toán một cách toàn diện và tin cậy hơn các kết cấu công trình tiêu năng sau công trình
tháo nước kiểu dốc nước. Đây có thể làm cơ sở cho những ứng dụng thực tiễn và sử
dụng lòng dẫn phi lăng trụ mở rộng dần và dốc thuận làm công trình tiêu năng.

7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 4
chương:
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng nước nhảy ở hạ lưu công trình.
Chương 2: Thiết lập các công thức giải tích tính đặc trưng của nước nhảy trong lòng
dẫn mặt cắt ngang hình chữ nhật mở rộng dần, đáy đốc thuận và đáy bằng.
Chương 3: Kiểm định công thức lý thuyết mới.
Chương 4: Phân tích kết quả tính toán và mở rộng nghiên cứu.

4


TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG NƯỚC NHẢY Ở HẠ
LƯU CÔNG TRÌNH
1.1 Nước nhảy ở hạ lưu công trình tháo nước kiểu dốc nước
Công trình thủy lợi có tính chất đặc biệt và cần thiết trong việc điều tiết dòng chảy để
phát huy lợi ích phục vụ con người. Một trong những hạng mục quan trọng của cụm
công trình thủy lợi là công trình tiêu năng nhằm tiêu hao năng lượng thừa của dòng
chảy từ thượng lưu đổ về. Một trong số các biện pháp tiêu hao năng lượng thừa này là
sử dụng hình thức nối tiếp bằng nước nhảy sau công trình tháo nước kiểu dốc nước.
Đường tràn tháo nước kiểu dốc nước bao gồm một đập tràn đỉnh rộng hoặc thực dụng,
đoạn dốc nước và bể tiêu năng ở cuối dốc. Sơ đồ dòng chảy được mô tả sơ lược như
trên
hình 1.1.

Hình 1.1 Sơ đồ bể tiêu năng sau dốc nước
Như vậy, việc tính toán chế độ thủy lực liên quan đến tiêu năng bằng hình thức nước
nhảy sau dốc nước cần được quan tâm. Nước nhảy có thể nằm hoàn toàn trên thân dốc
nước, nằm hoàn toàn ở bể tiêu năng hoặc nằm giữa dốc nước và bể tiêu năng, không
giống như hiện tượng nối tiếp sau đập tràn thực dụng.

Dưới đây sẽ tổng hợp một số phương pháp và kết quả nghiên cứu về nước nhảy từ
trước đến thời điểm hiện tại. Có hai dạng lòng dẫn cần lưu ý, đó là nước nhảy trong
lòng dẫn
5


lăng trụ và nước nhảy trong lòng dẫn phi lăng trụ.
1.2 Một số phương pháp và kết quả nghiên cứu
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về hiện tượng nước
nhảy như hiện tượng nước nhảy không ngập không áp, nước nhảy trong khu vực chảy
quá độ từ không áp sang có áp, nước nhảy trên kênh đáy nhám,…. Ngoài ra còn rất
nhiều các kết quả nghiên cứu của nhiều nhà thủy lực khác mà bản luận án này không
thể trích dẫn hết được.
Dưới đây sẽ tổng hợp một số phương pháp và kết quả nghiên cứu về nước nhảy từ
trước đến thời điểm hiện tại.
1.2.1 Bài toán phẳng
1.2.1.1 Phương pháp kết hợp giữa phương trình động lượng của dòng chảy một chiều
và thực nghiệm
- Trong lòng dẫn lăng trụ đáy bằng
+ Chiều sâu sau nước nhảy h2 :
Phương trình tính chiều sâu sau nước nhảy tìm được nhờ sử dụng phương trình biến
thiên động lượng hay là định luật Jean-Baptiste Le Rond D'Alembert 1752 [1]
(D’Alambert) của dòng chảy một chiều ổn định viết theo chiều dòng chảy với một số
giả thiết nhất định. Dẫn đầu các nhà nghiên cứu về nước nhảy phải nói đến tác giả
Bélanger 1828 [2].

6


o1Q 2

S

trong đó:

h

gS1

Q:

lưu lượng dòng chảy;

g:

gia tốc trọng trường;

hc :

độ sâu trọng tâm mặt cắt ướt;

S:

diện tích mặt cắt ướt;

o :

hệ số sửa chữa động lượng

c1 1



S

2
 oQ
2

gS 2

7

h
c2

(1.1)
2


Khi lòng dẫn có mặt cắt ngang là hình chữ nhật, phương trình (1.1) có nghiệm là: