Tính toán sự phân bố của hàm lượng không khí trong dòng chảy hở trên các công trình tháo nước

 

TÍNH TOÁN SỰ PHÂN BỐ CỦA HÀM LƯỢNG KHÔNG KHÍ TRONG

DÒNG CHẢY HỞ TRÊN CÁC CÔNG TRÌNH THÁO NƯỚC

PGS. TS. Nguyễn Chiến, ThS. Phạm Nguyên Hùng

                Tính toán phân bố hàm khí trong dòng chảy hở là cơ sở để xác định hợp lý chiều cao thành lòng dẫn, kiểm tra khí thực ở đáy và thành bên lòng dẫn, tính toán độ phóng xa của tia dòng sau mũi phun....Trong bài giới thiệu cơ sở thiết lập công thức phân bố độ hàm khí trong dòng chảy. Một chương trình tính toán tương ứng đã được lập và sử dụng trong ví dụ ở cuối bài. Phương pháp và chương trình đã nêu được đề nghị áp dụng tính toán cho các dòng chảy hở có lưu tốc lớn.

                Hiện nay chúng ta đang xây dựng nhiều công trình thuỷ lợi, thuỷ điện với các công trình tháo nước có quy mô lớn, cột nước cao, lưu tốc trên mặt tràn dốc nước đạt tới trên 30 m/s. Với các dòng chảy hở có lưu tốc lớn sẽ có hiện tượng tự hàm khí, tức là không khí tự động xâm nhập vào dòng chảy qua mặt thoáng. Dòng chảy với mức độ hàm khí cao có thể gây ra những ảnh hưởng khác nhau đối với công trình như làm mực nước dâng cao, tràn ra khỏi lòng dẫn; làm giảm tầm phóng của các tia phóng xa sau mũi phun, do đó kéo hố xói lại gần chân công trình. Ngoài ra, sự duy trì một hàm lượng không khí nhất định ở lớp dòng chảy sát thành lại có tác dụng giảm khả năng phá hoại thành lòng dẫn do khí thực. Vì vậy trong tính toán thiết kế các công trình tháo nước, việc xác định bức tranh phân bố hàm khí trong dòng chảy để đánh giá đúng đắn các ảnh hưởng của nó đến sự làm việc an toàn của công trình là rất cần thiết.

GIỚI HẠN BẮT ĐẦU HÀM KHÍ

                Điều kiện bắt buộc để không khí xâm nhập vào dòng nước là khi giới hạn của lớp biên rối chạm đến mặt thoáng. Quá trình hàm khí cũng chịu ảnh hưởng của: mạch động lưu tốc dòng nước, lưu tốc có khả năng phá vỡ các sóng nhỏ xuất hiện trên mặt thoáng, trọng lực tác dụng lên các bọt khí do dòng nước cuốn vào và lên giọt nước trong không khí, lực căng mặt ngoài ngăn cản sự phá vỡ mặt thoáng, độ thô thuỷ lực của bọt (tốc độ nổi lên của bọt trong nước tĩnh).

                Số lượng lớn các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng hàm khí nêu trên đã gây khó khăn cho việc đưa ra một tiêu chuẫn xác định sự bắt đầu hàm khí (tiêu chuẩn bắt đầu hàm khí) với yêu cầu phản ánh được ảnh hưởng của các yếu tố một cách đủ tin cậy. Do vị trí mà các nhiễu rối thoát ra trên mặt thoáng phụ thuộc vào chiều sâu dòng chảy, còn sự phá vỡ các sóng trên mặt thoáng lại diễn ra do lực tác dụng từ phía môi trường nước nên tiêu chuẩn bắt đầu hàm khí cần phải chứa đại lượng chiều sâu dòng chảy và bình phương lưu tốc của dòng chảy. Số Frút (Fr) là một đại lượng tổ hợp của hai đại lượng này.

                Từ một số lớn các tiêu chuẩn thực nghiệm về bắt đầu hàm khí do N.B.Ixatrenco thực hiện khi độ nhám tương đối của lòng dẫn Δ tđ=Δ /R=0 ÷ 0,1 và độ hạ thấp mực nước bằng 3,5m, ông đã nhận được trị số Frút và lưu tốc phân giới tương ứng với lúc bắt đầu hàm khí như sau:

 

Trong đó: R: Bán kính thuỷ lực của dòng chảy không hàm khí; Δ : độ nhám tuyệt đối. Khi sử dụng công thức (1) và (2) có thể lấy tb Δ = Δ_tb
Biểu thức thực nghiệm dựa trên số liệu thí nghiệm trong phòng và ngoài trời do V. C. Boropcop nhận được là:

Frk / cosψ = 0,7 /λ (3)

Trong đó: ψ là góc nghiêng của đáy lòng dẫn; λ hệ số sức cản dọc đường. Tác giả Voinhit-Xianogenxki đã nhận được biểu thức tính toán qua con đường lí luận, có sử dụng tài liệu

trong đó C là hệ số Sêdi.

                Biểu thức này cho phép chỉ ra ảnh hưởng của sức căng bề mặt đến sự phát sinh hàm khí thông qua số Vêbe: We = ρRV ² /σ , ở đây σ là hệ số sức căng mặt ngoài trên hình 1.

Hình 1: ảnh hưởng của sức căng bề mặt (số We) đến trị số Fr tương ứng khi bắt đầu hàm khí.

Hình 2: Tổng hợp các tài liệu thí nghiệm về sự bắt đầu hàm khí. Số liệu của các tác giả khác nhau.

                Biểu thức (5) được thể hiện ở dạng biểu đồ. Trên hình 1, ở vùng A, khi C=10 và Fr/cosψ ≤ 10, với mọi trị số của lgWe sẽ không phát sinh hàm khí. ở vùng B hàm khí phát sinh khi C ≥ 100. Miền tự động mô hình về ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài đến quá trình hàm khí tương ứng với trị số We≅ 104. Trên hình 2 cho thấy so sánh các số liệu thí nghiệm và đo đạc hiện trường về sự bắt đầu hàm khí với các đường cong Fr/cosψ =f(1/λ ).

                Sự phân tán của các điểm cho thấy việc đánh giá sự bắt đầu hàm khí bằng con đường thí nghiệm là chưa đủ hoàn thiện, và khó mà chọn được một biểu thức tính toán tin cậy nhất. Vì vậy đã đề nghị phương trình đường thẳng phân chia miền các điểm thí nghiệm thành vùng hàm khí (I) và vùng không hàm khí (II).

                Khi Fr=V²/gR ≤ FrK và V ≤VK thì hàm khí sẽ không xảy ra. Vị trí bắt đầu hàm khí xác định bởi giao của đường cong biểu thị quan hệ lưu tốc và chiều sâu xây dựng theo (7) với đường cong lưu tốc tính toán V~L. Sau khi vẽ đường mặt nước trên mặt dốc nước hoặc tràn, với lưu tốc V đã xác định, sẽ tìm được vị trí bắt đầu hàm khí.

 

(Bài đã được báo cáo trong "Hội nghị khoa học công nghệ Nông nghiệp 2006-2007 các tỉnh phía Bắc" tổ chức tại Hà Nội cuối năm 2007")

Hãy bấm vào đây để xem tòan văn PDF.

(www.vncold.vn)