Bài giảng thủy lực công trình - Chương 9

Trong thực tiễn tính toán thuỷ lợi, thuỷ điện, ta thường gặp vấn đề chuyển động không ổn định (KOĐ) trong sông thiên nhiên và kênh nhân tạo. Ví dụ: Lúc dòng chảy mặt chảy vào sông thay đổi, đặc biệt vào mùa lũ, thì dòng chảy trong sông trở thành dòng chảy không ổn định. Lúc các cống lấy nước, âu thuyền dẫn nước vào hay tháo nước ra, lúc đê đập bị vỡ thì dòng chảy ở thượng hạ lưu sông cũng trở thành không ổn định. Trong quá trình vận hành của trạm thuỷ điện, do phụ tải tăng giảm đột ngột,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng thủy lực công trình - Chương 9 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi CHƯƠNG 9 CHUYỂN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH (KOĐ) TRONG LÒNG DẪN HỞ *** §9.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG LÒNG DẪN HỞ §9.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CƠ BẢN CỦA DÒNG KOĐ THAY ĐỔI CHẬM §9.3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI Bài giảng thủy lực công trình Trang 139 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi CHƯƠNG 9 CHUYỂN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG LÒNG DẪN HỞ Unsteady flow in open channel §9.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG LÒNG DẪN HỞ - Trong thực tiễn tính toán thuỷ lợi, thuỷ điện, ta thường gặp vấn đề chuyển động không ổn định (KOĐ) trong sông thiên nhiên và kênh nhân tạo. Ví dụ: Lúc dòng chảy mặt chảy vào sông thay đổi, đặc biệt vào mùa lũ, thì dòng chảy trong sông trở thành dòng chảy không ổn định. Lúc các cống lấy nước, âu thuyền dẫn nước vào hay tháo nước ra, lúc đê đập bị vỡ thì dòng chảy ở thượng hạ lưu sông cũng trở thành không ổn định. Trong quá trình vận hành của trạm thuỷ điện, do phụ tải tăng giảm đột ngột, lưu lượng chảy vào turbin thay đổi cũng sinh ra dòng không ổn định trong kênh dẫn hay trong sông ở hạ lưu. Dòng chảy trong các đoạn sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều cũng là dòng chảy không ổn định. Tóm lại: Chuyển động KOĐ là chuyển động mà các yếu tố thuỷ lực tại một điểm như: lưu tốc, lưu lượng, độ sâu, mặt cắt ướt đều thay đổi theo thời gian; tức v = v(x,t), ω = ω(x , t ) , ... - Có những trường hợp chuyển động không ổn định là thay đổi chậm như: Sự truyền đỉnh lũ trong sông; dòng không ổn định sinh ra do chế độ điều tiết ngày ở kênh dẫn của trạm thuỷ điện; dòng chảy trong các đoạn sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều,.... - Trong các trường hợp đó, đường mặt nước tức thời có dạng sóng, có độ cong rất bé, độ dài của sóng L bằng hàng trăm hàng nghìn lần độ cao của sóng h, tức L ≈ (100 ÷ 1000 ).h - Nhưng trong một vài trường hợp khác, trong một khoảng cách ngắn, độ sâu mực nước lại thay đổi rất rõ rệt. Ngay tại một mặt cắt, trong một thời gian tương đối ngắn lưu lượng cũng thay đổi tương đối nhiều, độ dốc mặt nước trong kênh dẫn cũng thay đổi đột ngột. Ví dụ như sóng do vỡ đập; sóng thần,.. Trong các trường hợp này, chuyển động không ổn định thuộc loại thay đổi gấp tức L ≈ (1 ÷ 20).h - Do dòng không ổn định trong lòng dẫn hở có quan hệ với hiện tượng sóng nên người ta cũng gọi chuyển động không ổn định là chuyển động sóng. - Chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi chậm còn gọi là sóng liên tục. - Chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi nhanh (gấp) còn gọi là sóng gián đoạn. Nhưng sóng chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở khác với sóng ngoài biển hay trong hồ do gió sinh ra. Trong trường hợp sóng trong kênh hở có khả năng vận chuyển một lưu lượng nước lớn. Sóng biển hầu như không có khả năng đó, mà chỉ là hiện tượng dao động tại chỗ của chất điểm nước. Bài giảng thủy lực công trình Trang 140 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi Thân sóng Vị trí mặt tự do ban đầu Đầu sóng Mặt tự do Đầu sóng ban đầu (b) (a) Vị trí mặt tự do ban đầu Vị trí mặt tự do ban đầu Biên sóng Biên sóng (c) (d) Hình 1 Sóng truyền theo dòng chảy gọi là sóng thuận (Hình 1 a,b), trường hợp ngược lại gọi là sóng nghịch (hình 1 c,d). Sóng có đặc tính nâng cao mực nước gọi là sóng dương (hình 1 a,c), ngược lại nếu làm hạ thấp mực nước gọi là sóng âm (hình 1 b,d) Sóng dương cũng như sóng âm đều có thể là sóng thuận hay sóng nghịch. Tất cả các sóng đều có hai phần: Đầu sóng và thân sóng (hình 1a). Đầu sóng chuyển động dọc theo dòng chảy với tốc độ sóng, và gây ra một sự thay đổi rất đột ngột trong dòng chảy, còn ở phạm vi thân sóng các yếu tố thuỷ lực thay đổi chậm. Lúc lòng dẫn có sự thay đổi đột ngột về hình dạng và kích thước mặt cắt ngang, thì tại đó sẽ sinh ra hiện tượng sóng phản xạ. Sóng tiếp tục chuyển động theo phương ban đầu gọi là sóng khúc xạ và sóng khác quay ngược lại gọi là sóng phản xạ. Trong trường hợp sóng gặp một tường thẳng đứng thì chỉ có sóng phản xạ thuần tuý . Ngoài ra còn có sóng đổi hướng, đó là sóng sinh ra lúc lưu lượng ở tuyến đầu đang thay đôỉ theo hướng nào đó, thì sau một thời gian ngắn, lưu lượng ấy lại thay đổi hướng ngược lại. Sóng lũ thuộc loại sóng đổi hướng. Cuối cùng lúc chế độ chảy thay đổi liên tiếp theo các hướng khác nhau thì chuyển động không ổn định đó gọi là sóng phức tạp. Ví dụ dòng chảy thay đổi trong điều tiết ngày ở trạm thủy điện, dòng chảy trong các đoạn sông ở gần biển. Bài giảng thủy lực công trình Trang 141 Khoa Xáy Dựng Thủy lợi - Thủy điện Bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Thủy Lợi §9.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CƠ BẢN CỦA DÒNG KOĐ THAY ĐỔI CHẬM Quy luật cơ bản của chuyển động không ổn định bao gồm các mối quan hệ cơ bản nói lên tính liên tục và sự chuyển động của dòng nước. Ta có: Phương trình liên tục ∂ω ∂Q + =q (9.1) ∂t ...