Một số nghiên cứu tiêu biểu về dòng biến lượng và máng tràn bên
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TIÊU BIỂU VỀ DÒNG BIẾN LƯỢNG
VÀ MÁNG TRÀN BÊN
Hoàng Nam Bình
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Đường tràn ngang là loại công trình tháo lũ tiêu biểu của loại đập vật liệu địa phương
khi địa hình nhỏ hẹp không thể bố trí loại tràn dọc. Loại công trình thủy lực máng tràn bên của
đường tràn ngang trong công trình hồ chứa nước đã được các nhà thủy lực học quan tâm nghiên
cứu từ những năm đầu của thế kỷ XX. Dòng chảy trong máng tràn bên là bài toán tiêu biểu cho
dòng chảy có lưu lượng thay đổi dọc theo chiều dòng chính. Công trình đập Hoover trên sông
Colorado trên biên giới bang Nevada và Arizona - Mỹ được biết đến là công trình đầu tiên ứng
dụng loại đập tràn ngang dựa trên kết quả của dự án nghiên cứu thử nghiệm lớn vào giữa những
năm 30 của thế kỷ XX. Bài báo sẽ điểm lại những công trình khoa học đáng chú ý trong nước và
thế giới về việc nghiên cứu loại công trình thủy lực này cũng như phương trình dòng biến lượng
có lưu lượng tăng dần dọc theo chiều dòng chảy chính. Những thông tin trong bài báo sẽ là tài
liệu tham khảo cho các nhà khoa học nghiên cứu về hiện tượng thủy lực thú vị này.
Từ khoá: Máng tràn bên, Dòng biến lượng, Đập tràn ngang.
Summary: Side-channel spillway is representative types of earth or rockfill dams to discharge
floods instead of frontal-weir when terrains are narrow. The side-channels have been being studied
since the early years of the twentieth century. Flow in side-channel is a typical hydraulics for
spatially varied flow with increasing discharge. Hoover dam in the Colorado river on the Nevada
and Arizona border (USA) is known as the first side-channel spillway in the world base on the
results of a large test project in the mid 1930s. This article will review some remarkable study of
hydraulic structures and spatially varied flow. Some information in this paper will be a reference
for studying this exciting hydraulics phenomenon.
Keywords: Side-channel, Spatially varied flow, Side weir.
1. GIỚI THIỆU *
tràn ngang thường có mặt cắt ngang hình chữ
nhật hoặc hình thang (hình 5, hình 6, hình 7).
Trong thực tế, hệ thống máng thu nước mưa
Đáy máng theo phương dòng chảy có thể thẳng
trên mái nhà (hình 1), máng thoát nước tràn của
hoặc cong với độ dốc nào đó phù hợp với tính
bể bơi (hình 2) hay rãnh biên (hình 3), rãnh
toán thủy lực. Ưu điểm của máng tràn bên là
đỉnh, mương cắt dốc (hìn 4) là ứng dụng của
vận tốc dòng chảy nhỏ ở khu vực đầu vào máng,
máng tràn bên có lưu lượng tăng dần dọc theo
mực nước trong hồ tăng không đáng kể khi lưu
chiều dài của máng.
lượng xả lớn, phụ thuộc vào cấu trúc và hình
Các công trình thủy lợi đầu mối thường áp dụng
dạng máng. Năng lượng được tiêu tán tốt hơn,
hình thức tràn ngang khi gặp địa hình dốc, hẹp
cột nước đầu kênh chuyển tiếp lớn hơn so với
ở khu vực xây dựng công trình, sườn núi không
tràn dọc với cùng lưu lượng đơn vị, giảm nguy
có vị trí thích hợp để bố trí tràn dọc hay các hình
cơ xói. Nhược điểm là mực nước hồ tăng đột
thức tháo lũ khác. Máng tràn bên của đường
Ngày nhận bài: 20/9/2018
Ngày duyệt đăng: 28/11/2018
Ngày thông qua phản biện: 11/11/2018
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
1
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
biến khi dòng chảy trong máng chuyển trạng lan truyền xuống máng liền kề hoặc kênh tháo.
thái từ tự do sang chảy ngập và dòng xoáy sẽ
Hình 1. Máng thu nước mưa trên mái nhà
Hình 2. Máng thu nước tràn của bể bơi
Hình 3. Rãnh biên thoát nước ven đường
Hình 4. Kênh tiêu cắt dốc
Hình 5. Mặt cắt ngang dòng chảy trong máng bên hình chữ nhật và hình thang
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
2
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Hình 6. Đường tràn ngang và máng bên
hồ Đa My, tỉnh Bình Thuận
Hình 7. Đường tràn ngang và máng bên
đập Hoover, Mỹ
n là hằng số). Phương trình động lượng thể hiện
mối quan hệ giữa chiều sâu dòng chảy, lưu tốc và
lưu lượng trong máng như sau:
2. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
TRÊN THẾ GIỚI
Dòng chảy không ổn định và dòng chảy biến đổi
gấp trong lòng dẫn hở là những hiện tượng thủy lực
đã được nghiên cứu từ thế kỷ XVIII. Dòng biến
lượng là một dạng riêng của vật thể chuyển động có
khối lượng thay đổi. Các nhà cơ học đặt ra những
cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu hiện tượng này
từ cuốithế kỷ XIX đầu thế kỷ XX.
dh v dv qv2
(1)
dx g dx gQ
trong đó: g - gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2.
Lời giải của phương trình (1) được tìm bằng
phương pháp cộng từng bước, bắt đầu từ điều
kiện biên và dòng chảy ở hạ lưu máng bên là dòng
chảy êm. Trong trường hợp dòng chảy đoạn đầu
kênh nối tiếp máng bên là dòng chảy xiết, Hinds
(1926) giả thiết gần đúng chiều sâu dòng chảy tại
đó là chiều sâu phân giới. Các thí nghiệm thường
quan sát thấy hiện tượng không khí bị cuốn vào
dòng chảy làm tăng sự xáo trộn bề mặt tới gần
cuối hạ lưu máng tràn bên. Các đặc trưng cấu trúc
dòng xoắn trong máng tràn bên phụ thuộc dòng
gia nhập. Các dòng xoáy đó được gọi là dòng
xoắn ốc.
Hinds J. được biết đến là tác giả đầu tiên trên thế
giới nghiên cứu chế độ thủy lực trong máng tràn
bên và được công bố năm 1926. Theo đó, chế độ
thủy lực trong máng tràn bên là dòng biến lượng
có lưu lượng tăng dần dọc theo máng, phụ thuộc
vào lưu lượng gia nhập ở cạnh bên.
Julian Hinds sinh ngày22/12/1881 tại Warrenton,
bang Alabama, Mỹ và mất ngày 15/7/1977 tại
Santa Barbara, bang California, Mỹ. Quá trình
làm việc, Hinds đã đạt nhiều giải thưởng và là tác
giả hoặc đồng tác giả nhiều bài báo và sách về
công trình đập, thí nghiệm thủy lực công trình
[17].
Henry Favre sinh ngày 10/6/1901 tại Genève,
Thụy Sĩ và mất ngày 30/5/1966 tại Zurich, Thụy
Sĩ. Favre lần đầu nghiên cứu về dòng biến lượng
năm 1933 [9], trong đó phương trình cơ bản của
dòng ổn định trong kênh thu nhận được từ
phương trình năng lượng và phương trình động
lượng. Sau đó Favre tiến hành nghiên cứu chi tiết
cho trường hợp dòng chảy có lưu lượng tăng dần
dọc theo kênh dẫn. Các giải pháp và luận giải chặt
chẽ hơn nghiên cứu ban đầu của Hinds (1926).
Favre đã đưa ra được giải pháp nghiên cứu khá
chính xác đối với chất lỏng lý tưởng trong kênh
dẫn mặt cắt hình chữ nhật, được kiểm chứng bằng
các kết quả thí nghiệm và phù hợp với lý thuyết.
Nghiên cứu ban đầu của Hinds (1926) cho thấy,
tổn thất năng lượng dòng chảy trong máng có thể
xác định bằng phương trình động lượng, phụ
thuộc vào lưu lượng gia nhập ở cạnh bên. Đối với
những dòng chảy dạng này, Hinds giả định rằng
lưu lượng tăng tuyến tính dọc theo chiều dài
máng, Q = qx (với q là lưu lượng đơn vị và x là
tọa độ dọc theo máng). Tại vị trí đầu máng (x = 0)
thì lưu lượng Q = 0, tức là cạnh đầu máng không
có dòng chảy. Hinds cũng tiếp tục giả định vận
tốc dòng chảy bình quân dọc theo máng có mối
quan hệ với tọa độ dọc máng là v = axn (với a và
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
3
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Phương trình dòng biến lượng được bổ sung thêm máng tràn bên của đập Boulder Canyon. Các thí
thành phần tổn thất năng lượng tỷ lệ thuận với lưu nghiệm chủ yếu thực hiện đo đạc quan trắc đường
tốc cục bộ, hướng dòng chảy gia nhập ở cạnh bên mặt nước trong máng tràn bên có mặt cắt hình
và tỷ lệ giữa lưu lượng gia nhập với lưu lượng thang và so sánh với kết quả tính toán từ phương
trong máng bên tại vị trí gia nhập [8].
trình động lượng
(1). Tác giả đã đưa ra
nhận định rằng sẽ xuất hiện dòng xoắn mạnh ba
chiều khi lưu lượng xả qua tràn nhỏ do chênh lệch
cao trình đỉnh tràn ngang với đáy máng tràn bên
[8].
Năm1934, Meyer - Peter và Favre đã áp dụng các
kết quả nghiên cứu trước đó cho máng tràn bên
của đập Boulder, nay là đập Hoover trên sông
Colorado (Hình). Các kết quả nghiên cứu cho
thấy mức độ phù hợp giữa lý thuyết và thực Cho đến nay, công trình nghiên cứu về thủy lực
nghiệm là tương đối tốt.
máng bên được trích dẫn nhiều nhất là công trình
nghiên cứu của tác giả Camp (1940). Thomas
Ringgold Camp sinh ngày 05/11/1895 tại San
Antonio, bang Taxas, Mỹ và mất ngày
15/11/1971 tại Boston, bang Massachusetts, Mỹ
[18]. Nghiên cứu dòng chảy trong máng tràn bên,
Camp cũng sử dụng phương trình động lượng với
việc đơn giản hóa thành phần ma sát và máng có
mặt cắt lăng trụ với chiều rộng đáy không đổi.
Mặt cắt máng bên được nghiên cứu cho cả dạng
hình chữ nhật và khác hình chữ nhật. Phương
trình nhận được nghiệm đóng có dạng một đẳng
thức tích phân. Thành phần ma sát được xác định
từ thực nghiệm khi nghiên cứu bằng dòng ổn
định. Kết quả nghiên cứu của Camp đã giúp giải
quyết được bài toán của trạm xử lý nước thải,
chẳng hạn như việc thiết kế hệ thống lọc cặn nước
thải [8].
Cũng trong năm 1934, tác giả Beij đã công bố kết
quả nghiên cứu của mình. Karl Hilding Beij sinh
ngày 10/11/1893 tại Hartford, bang Connecticut,
Mỹ và mất ngày 26/02/1986 tại Franklin, bang
New Hampshire, Mỹ[18]. Beij đã nghiên cứu chế
độ thủy lực trong máng thu nước mưa trên mái
nhà và kết luận rằng đây là trường hợp ứng dụng
đặc biệt của máng tràn bên. Hình dạng mặt cắt
máng thu nước mưa được xem xét với ba dạng cơ
bản là nửa hình tròn, hình tam giác và hình chữ
nhật. Phương trình xác định đường mặt nước
được thiết lập dựa trên phương trình động lượng
tương tự Hinds (1926). Ngoài ra, Beij bước đầu
nghiên cứu chế độ thủy lực chuyển tiếp từ máng
tràn bên sang đoạn kênh nối tiếp. Beij thiết lập
trạng thái chảy trong đoạn kênh nối tiếp là dòng
chảy xiết. Quan sát chi tiết thí nghiệm, nhận thấy
chiều sâu dòng chảy lớn nhất xảy ra trên đoạn đầu
kênh nối tiếp, giá trị lần lượt là [2]:
Những năm đầu thập niên 40 của thế kỷ XX, các
nhà khoa học thủy lực ở Châu Âu đã nghiên cứu
bổ sung về lý thuyết và thực nghiệm cho dòng
3hk
đối với kênh có mặt cắt hình chữ nhật; và chảy trong máng tràn bên. Giulio De Marchi là
một nhà khoa học về thủy lực ở Châu Âu nổitiếng
3 5
2
trong lĩnh vực nghiên cứu thủy lực máng tràn bên.
Giulio De Marchi sinh ngày 06/8/1890 tại
hk
đối với kênh có mặt cắt hình tam giác,
trong đó: hk - chiều sâu phân giới.
Canneto Pavese, Ý và mất ngày 15/3/1972 tại
Milano, Ý [18]. De Marchi, G. (1941) đã áp dụng
phương trình động lượng cho dòng biến lượng để
xác định đường mặt nước trong máng tràn bên ở
trạng thái chảy êm, chảy xiết và trạng thái chảy
xiết - êm thông qua nước nhảy. Tác giả đã nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm dạng đường mặt
nước trên kênh lăng trụ mặt cắt hình chữ nhật.
Từ nghiên cứu thực nghiệm, Beij đã xác định
được khả năng tháo của máng thu nước mưa trên
mái nhà và đã viết chỉ dẫn thiết kế máng thu nước
mưa.
John Chatfield Page sinh ngày 12/10/1887 tại
Syracuse, bang Nebraska, Mỹ và mất ngày
23/3/1955 tại Denver, bang Colorado, Mỹ [18].
Với vai trò chủ nhiệm dự án Boulder Canyon của
Cục Khai hoang Mỹ, John C. Page đã thực hiện
nhiều dự án điều tra khảo sát thủy lực công trình
đập, trong đó có dự án nghiên cứu chế độ thủy lực
Duilio Citrini là nhà khoa học kế cận các nghiên
cứu của De Marchi. Duilio Citrini sinh ngày
26/4/1913 tại Milano, Ý và mất ngày 06/01/2006
[18]. Citrini (1942) đã nghiên cứu chi tiết dòng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
4
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
f v2
chảy trong máng bên khi có lưu lượng gia nhập
tăng dần dọc theo máng. Tác giả đã bổ sung tham
số vào phương trình đường mặt nước. Tham số
đó phụ thuộc vào chiều rộng kênh và số Froude.
Cũng theo nghiên cứu của tác giả, dòng chảy phía
thượng lưu máng bên ở trạng thái êm có chiều sâu
lớn nhất khi mặt cắt là hình tam giác và nhỏ nhất
khi mặt cắt là hình chữ nhật. Citrini (1948) đã
nghiên cứu chi tiết hơn về hiện tượng nước nhảy,
tổn thất năng lượng trong máng bên và ảnh hưởng
của hướng dòng chảy gia nhập tới dạng đường
mặt nước.
S
thủy lực là
. Như vậy, từ phương trình
f
h 2g
(2) nhận được hệ phương trình (3):
f v2
h 2g
2q2x
gb2h2
S
0
0
(3)
q2x2
1
0
gb2h3
Trong hệ phương trình (3), hệ số ma sát f được
xác định theo kết quả thí nghiệm của Beij (1934).
Hệ phương trình được ứng dụng để khảo sát
đường mặt nước trong máng bên. Theo kết quả
nghiên cứu thực nghiệm của Keulegan G. H.
(1952) thì hệ phương trình (3) cho kết quả tương
đối phù hợp khi chiều sâu dòng chảy trong máng
rất nhỏ.
Garbis H. Keulegan được biết đến là một nhà
khoa học về toán học và thủy lực học, tiểu sử và
các công trình khoa học tiêu biểu của tác giả được
giới thiệu trong Tuyển tập các nhà khoa học về
thủy lực ở Châu Âu giai đoạn 1800 - 2000 [9].
Keulegan sinh ngày 12/7/1890 tại Armenia (Thổ
Nhĩ Kỳ) và mất ngày 28/7/1989 tại Vicksburg,
bang Mississippi, Mỹ. Keulegan là người đầu tiên
ứng dụng phương pháp tìm điểm suy biến từ
phương trình vi phân khảo sát đường mặt nước
trong máng bên trên cơ sở phương pháp của De
Marchi. Theo nghiên cứu của Keulegan G. H.
(1952), phương trình mô phỏng đường mặt nước
trong máng tràn bên lăng trụ mặt cắt hình chữ
nhật có dạng: [11]
Li W. H. cũng nghiên cứu dòng chảy một chiều
trong máng tràn bên bằng phương trình động
lượng. Wen Hsiung Li sinh ngày 05/11/1918 tại
tỉnh Sin Hiu, Trung Quốc và mất ngày 13/9/2002
tạiHartford, bang Connecticut, Mỹ[18]. Li W. H.
đặc biệt quan tâm nghiên cứu ảnh hưởng của độ
dốc đáy máng và phân loại chúng theo số Froude
S0L
và tỷ số
, trong đó L là chiều dài đường tràn
hTW
Q Q
ngang, S0 là độ dốc đáy máng và hTW là chiều sâu
dòng chảy cuối máng tràn bên. Hình dạng mắt cắt
máng được nghiên cứu là hình chữ nhật và một số
dạng mặt cắt hình thang. Tác giả cũng nghiên cứu
dòng chảy trong máng ở cả hai trạng thái êm và
xiết. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy ảnh
hưởng của độ nhám mái máng bên là không đáng
kể, do đó có thể bỏ qua ảnh hưởng của chúng tới
chế độ thủy lực trong máng [14].
S0 Sf 2
gA2
x
dh
1 Fr2
dx
2q2 x
(2)
S0 Sf
gb2h2
q2x2
gb2h3
1
Sassoli đã thực hiện một dự án thí nghiệm nghiên
cứu dạng đường mặt nước trong máng tràn bên
của đường tràn ngang. Franco Sassoli sinh ngày
15/5/1923 tại Pisa, Ý [9]. Sassoli tiến hành thí
nghiệm trên máng bên có chiều dài 10m, chiều
rộng 0,5m, mặt cắt hình chữ nhật, trong đó 2,5m
đầu máng có lưu lượng gia nhập cạnh bên. Độ dốc
đáy máng được thiết kế 10 cấp từ S0 = 0,05 đến
S0 = 0,15. Lưu tốc trong máng bên được đo bằng
ống Pito để từ đó xác định hệ số hiệu chỉnh động
lượng. Dạng mặt nước trên mặt cắt ngang được
trong đó:
S0 - độ dốc đáy máng bên;
Sf - độ dốc ma sát (độ dốc thủy lực).
b- chiều rộng đáy máng bên(b là hằng số vì máng
có dạng lăng trụ);
q - lưu lượng trên một đơn vị chiều dài máng bên.
Tại điểm suy biến, dòng chảy ở trạng thái chảy
phân giới(Fr2 = 1), khiđó cả tử số và mẫu số cùng
tiến tới "0". Cũng tại điểm suy biến này thì độ dốc
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
5
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
mô phỏng toán học bằng cách bổ sung thêm lưới nên chỉ dừng ở việc tham chiếu lại từ tác giả khác.
tính một chiều [15].
Konovalov I. M. (1937) đã công bố nghiên cứu về
Chow V. T. là một nhà khoa học nổi tiếng trong
lĩnh vực thủy lực, thủy văn. Ven Te Chow sinh
ngày 07/10/1919 tại Hàng Châu, Trung Quốc và
mất ngày 30/7/1981 tại Champaign, bang Illinois,
Mỹ [18]. Chow V. T. đã xây dựng phương trình
chuyển động cho dòng ổn định có lưu lượng thay
đổi dọc đường trong kênh hở và ứng dụng cho các
đập tràn ngang tháo lũ. Trong khi thiết lập phương
trình chuyển động, tác giả đã cho rằng, dòng chảy
phụ chảy vuông góc vào dòng chính. Vấn đề khảo
sát các phương trình rất phức tạp, không dễ dàng
như khi khảo sát dòng chảy trong kênh lăng trụ
chảy ổn định với lưu lượng không đổi. Chow V. T.
gọi dòng chảy như vậy là dòng chảy thay đổi theo
không gian [4].
dòng biến lượng trong cuốn Dòng chảy có lưu
lượng thay đổi (Движение жидкости с
переменным расходом). Theo đó, phương trình
khảo sát đường mặt nước trong máng được thiết
lập dựa trên nguyên lý năng lượng. Phương trình
thu nhận được là tổ hợp sự biến đổi của cột nước
lưu tốc trung bình mặt cắt và tỷ lệ giữa cột nước
lưu tốc trung bình đoạn tính toán với chiều dài
đoạntính toán. Phương trình của Konovalov có xét
đến ảnh hưởng của hướng dòng chảy gia nhập hay
phân tán. Phương trình có dạng: [1] [13]
Q dQ Q2 A
S0 Sf k0
gA2
gA3
dx
x
dh
dx
(6)
1 Fr2
Áp dụng nguyên lý động lượng và năng
lượng, Chow V. T. đã thiết lập được phương
trình vi phân đường mặt nước trong máng tràn
bên có lưu lượng tăng dần theo chiều dài
máng. Các phương trình nhận được lần lượt là
trong đó:
k0 - hệ số, k0 = 1 + n0;
- hệ số hiệu chỉnh động năng;
(4) và
(5) [4]:
n0 - tỷ số giữa hình chiếu của lưu tốc toàn phần
của khối gia nhập hoặc phân tán lên phương
chuyển động vlx và vận tốc của dòng chủ v. Nếu
khối gia nhập hoặc phân tán chuyển động thẳng
góc với dòng chủ thì vlx = 0 và n0 = 0.
Qq
gA2
S0 Sf 2
dh
dx
(4)
(5)
Q2
gA2
1
h
3. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
TRONG NƯỚC
Qq
gA2
S0 Sf
dh
dx
GS. Nguyễn Văn Cung nguyên hiệu trưởng
Trường Đại học Thủy lợi thời kỳ 1974 - 1981.
Giáo sư sinh ngày 15/9/1930 tại xã Bùi Xá,
huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh và mất năm 1981
tại Hà Nội. GS. Nguyễn Văn Cung (1964) đã
xây dựng phương trình động lực cho dòng chảy
ổn định có lưu lượng thay đổi dọc dòng chảy
chính. Gia tốc của dòng phụ tác động lên dòng
chảy chính được tác giả tìm ra nhờ nguyên lý
bảo toàn động lượng. Các kết quả nghiên cứu
đó đưa đến phương trình động lực đối với dòng
chất lỏng lý tưởng. Phương trình có dạng:
Q2
gA2
1
h
Phương trình (4) của Chow V. T. cũng giống
phương trình (2) của Keulegan G. H, trong đó
A
là chiều sâu trong bình trong máng và B
h
B
là chiều rộng mặt thoáng. Các ký hiệu khác như
đã biết ở trên.
Các nhà khoa học về thủy lực ở Liên Xô (cũ) như
Konovalov I. M., Malisevski N. G., Milovitov A.
IA., Nenko IA. G., Gaxanov G. T. ... cũng có
những công trình nghiên cứu về dòng biến lượng
và máng tràn bên [1] [13]. Tuy nhiên, do chưa
được tiếp cận với các tài liệu gốc của các tác giả
v vlx
gQ
p
v2
2g
z
dQ hf const (7)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
6
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
GS. TS. Hoàng Tư An nguyên giảng viên bộ thủy lực cho đường tràn ngang, máng tràn bên
môn Thủy lực, trường Đại học Thủy lợi (1965 - tháo lũ ở các hồ chứa, các hệ thống dẫn nước có
2006). Giáo sư sinh ngày 20/4/1941 tại xã Nhân đường tràn bên và các hệ thống tiêu nước vùng
Thành, huyện Yên Thành, tỉnh Nghệ An. Năm triều...
1987, khi nghiên cứu về dòng chảy trên hệ
4. KẾT LUẬN
thống kênh dẫn trạm thủy điện nhỏ kiểu đường
Hiện nay, việc thiết kế thủy lực máng tràn bên
dẫn hở, GS. TS. Hoàng Tư An và cs. đã phối
của đường tràn ngang đã được trình bày trong
hợp với Công ty Điện lực Sông Đà phát triển
các sổ tay tính toán thiết kế công trình thủy lợi
các ý tưởng của GS. Nguyễn Văn Cung và các
trong và ngoài nước. Hiện tượng dòng biến
nhà khoa học khác để mở rộng bài toán dòng
lượng trong máng tràn bên tuy bắt đầu nghiên
không ổn định có lưu lượng thay đổi dọc theo
cứu từ những thập niên đầu của thế kỷ XX,
dòng chính.
muộn hơn so với nghiên cứu các dạng chuyển
Phương trình cơ bản của chuyển động ổn định có
động khác của chất lỏng, nhưng đến khoảng
lưu lượng thay đổi dọc đường dẫn khi có dòng gia
nhập hoặc phân tán có dạng như sau [1]:
giữa thế kỷ XX, lý thuyết về hiện tượng thủy
lực này đã gần như được hoàn thiện. Vì có sự
1
g
v2
2g
p
gia nhập dòng chảy liên tục dọc theo chiều dài
máng bên nên tổn thất năng lượng trong dòng
chảy khá lớn, do đó phương trình năng lượng
không mô phỏng được hiện tượng mà phải sử
dụng phương trình động lượng. Dựa vào
1 n0
vdQ
z hf const (8)
A
Các đại lượng trong phương trình (7) và (8)
như sau:
n0 - tỷ số giữa hình chiếu của vận tốc toàn phần phương trình động lượng và điều kiện biên,
của khối gia nhập hoặc phân tán lên phương đường mặt nước trong máng được xác định.
chuyển động vlx và vận tốc của dòng chủ v, Phương pháp nghiên cứu dần được hoàn thiện
vlx
khi Keulegan G. H. lần đầu tiên sử dụng
phương pháp phân tích suy biến phương trình
vi phân dòng biến lượng của De Marchi. Bài
báo đã trình bày các công trình nghiên cứu thủy
lực máng tràn bên của đường tràn ngang ở công
trình đầu mối hồ chứa nước trong và ngoài
nước. Đây là một hiện tượng thủy lực thú vị, đó
là dòng biến lượng có lưu lượng tăng dần dọc
theo chiều dài máng bên. Các nhà khoa học thủy
lực hàng đầu thế giới nghiên cứu hiện tượng
thủy lực này đến từ các quốc gia mạnh về khoa
học và công nghệ như Mỹ, Nga, Ý và các nhà
khoa học Liên Xô (cũ). Trong tương lai, có thể
sẽ có những nghiên cứu bổ sung, chi tiết hơn,
nhằm hoàn thiện những tồn tại mà bản thân
phương trình dòng biến lượng chưa giải quyết
được.
n 0
v
. Nếu khối gia nhập hoặc phân tán
chuyển động thẳng góc với dòng chủ thì vlx = 0
và n0 = 0;
dQ - sự thay đổi lưu lượng trên chiều dài đoạn
lòng dẫn dx;
A - diện tích mặt cắt ướt của dòng chủ;
z - vị năng đơn vị của một điểm đang xét tại một
mặt cắt trong dòng chủ;
p
- áp năng đơn vị của một điểm đang xét tại
một mặt cắt trong dòng chủ;
hf - cột nước tổn thất năng lượng.
Phương trình (7) và (8) cũng có xét đến ảnh
hưởng của lưu tốc dòng gia nhập hay phân tán
vlx. Ứng dụng các phương trình có thể tính toán
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
7
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
[1] Hoàng Tư An và cs. (2004), Dòng chảy không gian không ổn định trong hệ thống kênh dẫn
hở của trạm Thủy điện, Tạp chí Thủy lợi và Môi trường, số 5.
[2] Beij K. H. (1934), Flow in roof gutters, U.S. Dept. of Commerce, Bureau of Standards:
Research Paper RP644, Bureau of Standards J. Res., 12, 193–213.
[3] Camp, T. R., (1940), Lateral spillway channels, Trans. ASCE, vol. 105, p. 606-637.
[4] Chow V.T. (1969) - Spatially varied flow equations - Water resources research, University
of Illinois, Urbana, Illinois 61801, Vol. 5, No. 5, p.1124-1128;
[5] Citrini D. (1942), Canali rettangolari con portata e larghezza gradualmente variabili
(Rectangular channels with gradually-varied discharge and width). L’Energia Elettrica
19(5), 254-262; 19(6), 297-301 [in Italian].
[6] Nguyễn Văn Cung và cs. (1964), Dòng biến lượng và đập tràn ngang, Tạp chí Khoa học Kỹ
thuật, số 18;
[7] De Marchi G. (1941), Canali con portata progressivamente crescente (Channels with
progressively increasing discharge), L’Energia Elettrica, 18(6), 351–360 (in Italian).
[8] Hager W. H. (1983), Open channel hydraulics of flows with increasing discharge, Journal
of Hydraulic Research, 21:3, 177-193, DOI: 10.1080/00221688309499413.
[9] Hager W. H. (2009), Hydraulicians in Europe 1800-2000, Vol. 2, © Taylor&Francis group.
[10] Hinds, J. (1926), Side channel spillways: Hydraulic theory, economic factors, and
experimental determination of losses. Trans. ASCE, vol. 89, p. 881-939.
[11] Keulegan G. H. (1944), Spatially variable discharge over a sloping plane. Trans. AGU 6,
956-959.
[12] Keulegan G. H. (1952), Determination of critical depth in spatially variable flow, Proc. 2nd
Mid-western Conf. Fluid Mechanics, Ohio State University, 67-80.
[13] Kiselev K. G. và nnk., (1984), Sổ taytính toánthủy lực (bản dịch tiếng Việt), NXB. Nông nghiệp.
[14] Li, W. H. (1955), Open channels with non-uniform discharge. Trans. ASCE 120, 255-280.
[15] Sassoli, F. (1959), Canali collettori laterali a forte pendenza (Side-channels of large bottom
slope), L’Energia Elettrica 36(1), 26-39 [in Italian].
[16] Viện Khoa học Thủy lợi, (2005), Sổ tay Kỹ thuật thủy lợi, Phần 2 - Công trình thủy lợi, Tập
2 - B. Công trình tháo lũ, NXB. Nông nghiệp.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 52 - 2019
8
8 trang
12740
Free
Bạn đang xem tài liệu "Một số nghiên cứu tiêu biểu về dòng biến lượng và máng tràn bên", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- mot_so_nghien_cuu_tieu_bieu_ve_dong_bien_luong_va_mang_tran.pdf
