Nghiên cứu Đặc trưng Hình học Nước nhảy Đáy trong Lòng dẫn Lăng trụ Mặt cắt Ngang Hình thang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA NƯỚC NHẢY ĐÁY TRONG LÒNG DẪN LĂNG TRỤ MẶT CẮT NGANG HÌNH THANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MINH NGỌC NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA NƯỚC NHẢY ĐÁY TRONG LÒNG DẪN LĂNG TRỤ MẶT CẮT NGANG HÌNH THANG Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9-58-02-02 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Hoàng Tư An 2.TS Phạm Hồng Cường HÀ NỘI, NĂM 2022 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. Hà Nội, ngày 01 tháng 08 năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Minh Ngọc i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn tới GS.TS Hoàng Tư An và PGS.TS Phạm Hồng Cường đã chỉ dẫn và đồng hành cùng tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện luận án.

Tác giả xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học và cán bộ Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển, Khoa Kỹ thuật hạ tầng và môi trường Đô Thị, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã tạo điều kiện về thiết kế và vận hành hệ thống thí nghiệm, hỗ trợ nhân lực và thời gian cho tác giả tập trung học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả Nguyễn Minh Ngọc ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH.ix DANH MỤC BẢNG BIỂU.xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.xiv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN.xv MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của luận án. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.1 Cách tiếp cận của luận án.2 Các phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.1 Ý nghĩa khoa học.2 Ý nghĩa thực tiễn. Những điểm mới của luận án. Cấu trúc của luận án.6 CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NHẢY ĐÁY.1 Các khái niệm cơ bản.1 Dòng chảy ổn định không đều.2 Năng lượng đơn vị dòng chảy.3 Năng lượng đơn vị của mặt cắt.4 Độ sâu phân giới.2 Hiện tượng nước nhảy.1 Khái quát về nước nhảy.2 Cấu trúc nước nhảy đáy trong kênh hình thang.3 Phân loại nước nhảy.4 Các nghiên cứu về nước nhảy trên thế giới và ở Việt Nam.1 Nghiên cứu nước nhảy trên thế giới.1 Nhận diện về nước nhảy. Độ sâu phân giới dòng chảy ổn định không đều trong kênh hình thang.

Nước nhảy trên lòng dẫn có mặt cắt ngang hình chữ nhật. Nước nhảy trên lòng dẫn có mặt cắt ngang hình thang.5 Ứng dụng công nghệ “Trí tuệ nhân tạo” trong nghiên cứu nước nhảy .2 Nghiên cứu nước nhảy ở Việt Nam.1 Các nghiên cứu về nước nhảy.2 Một số công trình thực tế.5 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến đặc trưng hình học nước nhảy.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu liên hiệp nước nhảy.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài nước nhảy.6 Vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu.1 Các vấn đề cần nghiên cứu.2 Định hướng nghiên cứu.7 Kết luận Chương I.43 CHƯƠNG II – CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG NƯỚC NHẢY TRONG KÊNH LĂNG TRỤ MẶT CẮT HÌNH THANG .1 Cơ sở lý thuyết phân tích đặc trưng hình học của nước nhảy.1 Đặc điểm của nước nhảy.2 Phương trình cơ bản xác định độ sâu dòng chảy của khu xoáy.1 Phương trình vi phân cơ bản của chất lỏng chuyển động.2 Các giả thiết áp dụng cho phương trình Navier-Stokes.3 Phương trình Navier-Stokes cho dòng chất lỏng chuyển động.4 Tích phân phương trình Navier-Stokes cho nước nhảy trong kênh lăng trụ đáy bằng.3 Phương trình cơ bản xác định chiều dài khu xoáy của nước nhảy.1 Các giải thiết cơ bản.2 Phương trình xác định chiều dài dòng chảy.2 Cơ sở lý thuyết tương tự và mô hình hóa.1 Lý thuyết về phân tích thứ nguyên.1 Thứ nguyên của một đại lượng.2 Lý thuyết Pi () của Buckingham.2 Các đại lượng đầu vào và ra của nghiên cứu.3 Hiện tượng tương tự và chuẩn tương tự về kích thước mô hình vật lý.1 Hiện tượng tương tự.2 Ứng dụng định luật tương tự cho dòng chảy hở.3 Các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa các dữ liệu.1 Một số thuật toán hồi quy.2 Tiêu chuẩn kiểm nghiệm kết quả tính toán.4 Lý thuyết cơ bản về mô hình Học máy “Rừng ngẫu nghiên”.1 Khái quát chung.2Đánh giá dữ liệu của nước nhảy và sự phù hợp với thuật toán Học máy 59 2.3 Phân tích giải thuật “Học Máy” trong nghiên cứu đặc trưng nước nhảy 60 2.4 Mô hình học máy “Cây quyết định”.5 Mô hình học máy “Rừng ngẫu nhiên”.5 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu nước nhảy.1 Các đặc điểm của mô hình thí nghiệm đảm bảo điều kiện tương đồng với công trình thực tế.2 Độ sâu dòng chảy sau khu xoáy của nước nhảy.3 Chiều dài khu xoáy của nước nhảy.4 Cấu tạo mô hình thí nghiệm.1 Mục đích thí nghiệm.2 Các phép đo đạc được thực hiện.3 Cấu tạo thí nghiệm.4 Đánh giá sai số mô hình.6 Phương pháp thí nghiệm và xử lý số liệu.1 Các trường hợp nghiên cứu thí nghiệm mô hình.2 Phương pháp thí nghiệm và thu thập dữ liệu thí nghiệm.1 Phương pháp thí nghiệm.2 Dữ liệu thí nghiệm mô hình.7 Mối quan hệ thực nghiệm giữa các đặc trưng thủy động trong nước nhảy.1 Cơ sở dữ liệu phân tích đặc trưng hình học nước nhảy.2 Ảnh hưởng số Froude đến độ sâu dòng chảy sau khu xoáy.3 Các đặc trưng ảnh hưởng đến chiều dài khu xoáy.1 Ảnh hưởng tỷ lệ độ sâu trước và sau khu xoáy đến chiều dài nước nhảy .2 Quan hệ giữa chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy và số Froude 79 2.3 Quan hệ giữa chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy và số Reynolds.4 Mối quan hệ giữa chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy với năng lượng dòng chảy.8 Kết luận Chương II. 82 CHƯƠNG III – XÂY DỰNG CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA NƯỚC NHẢY TRONG KÊNH LĂNG TRỤ MẶT CẮT NGANG HÌNH THANG.1 Xây dựng công thức xác định độ sâu phân giới.1 Xây dựng công thức xác định độ sâu phân giới.2 Đánh giá về công thức xác định độ sâu phân giới.2 Xây dựng công thức xác định độ sâu dòng chảy sau khu xoáy của nước nhảy .1 Thiết lập phương trình xác định độ sâu dòng chảy sau khu xoáy trên kênh hình thang.1 Các đặc trưng của mặt cắt ngang hình thang cân.2 Xây dựng phương trình về độ sâu dòng chảy khu xoáy của nước nhảy .2 Xây dựng công thức xác định độ sâu dòng chảy sau khu xoáy của nước nhảy 90 3.3 Xác định hệ số tỷ lệ động lượng khu xoáy của nước nhảy.4 Xây dựng phương pháp xác định độ sâu sau khu xoáy của nước nhảy.5 Phân tích thực nghiệm về độ sâu sau khu xoáy của nước nhảy trên kênh mặt cắt ngang hình thang.1 Tính độ sâu dòng chảy sau khu xoáy của nước nhảy.2 Xác định công thức thực nghiệm về độ sâu dòng chảy sau khu xoáy .3 Đánh giá các công thức xác định độ sâu dòng chảy sau khu xoáy .3 Xây dựng công thức xác định chiều dài nước nhảy trong kênh lăng trụ đáy bằng có mặt cắt ngang hình thang.1 Xây dựng công thức bán thực nghiệm xác định chiều dài nước nhảy.1 Phân tích và đánh giá công thức tính chiều nước nhảy.2 Thiết lập công thức bán thực nghiệm về chiều dài khu xoáy của nước nhảy 103 3.3 Kiểm tra và đánh giá công thức.2 Xác định công thức thực nghiệm về chiều dài khu xoáy của nước nhảy .4 Xác định đặc trưng hình học nước nhảy bằng mô hình “Rừng ngẫu nhiên”.1 Xây dựng mô hình Rừng ngẫu nhiên.2 Xác định độ sâu sau khu xoáy của nước nhảy.1 Cơ sở dữ liệu trong phân tích độ sâu sau khu xoáy của nước nhảy 109 3.2 Kết quả tính toán độ sâu liên hiệp của nước nhảy theo mô hình Học máy 110 3.3 Xác định chiều dài khu xoáy của nước nhảy.1 Cơ sở dữ liệu trong phân tích chiều dài khu xoáy.2 Xác định chiều khu xoáy của nước nhảy theo mô hình Học máy.5 Quy trình tính toán xác định các đặc trưng nước nhảy trong thiết kế công trình tiêu năng.1 Cơ sở xác định các kích thước hình học của nước nhảy.2 Các bước tính độ sâu dòng chảy sau khu xoáy của nước nhảy.3 Các bước tính chiều dài khu xoáy của nước nhảy.4 Quy trình xác định các đặc trưng thủy lực cho công trình áp dụng nước nhảy 117 vii 3.6 Ứng dụng các công thức đề xuất tính toán nước nhảy sau đập tràn của hồ chứa Nà Sản – Sơn La.1 Các thông số cơ bản của công trình.2 Xác định các thông số thiết kế công trình tiêu năng.3 Tính toán thông số hình học của nước nhảy trong công trình tiêu năng sau đập tràn Nà Sản.1 Tính độ sâu sau nước nhảy.2 Tính chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy.3 Tiêu năng của công trình.7 Kết luận Chương III. 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

Các kết quả đạt được của luận án. Kiến nghị về các đóng góp của luận án. Tồn tại và hạn chế. Định hướng nghiên cứu tiếp theo.126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.127 TÀI LIỆU THAM KHẢO.136 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mặt cắt nghiên cứu chuyển động của dòng chảy.2 Đường quá trình năng lượng đơn vị mặt cắt.3 Quá trình nước nhảy trong kênh.4 Cấu tạo các thành phần dòng chảy của nước nhảy trên lòng dẫn có mặt ngang hình thang [58].5 Sơ đồ phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt cắt dọc của nước nhảy [58] .6 Cấu trúc dòng chảy xoáy trong nước nhảy ở thành bên của kênh hình thang với 3 loại mái dốc theo mô hình Flow 3D [29].7 Sơ đồ tính độ sâu phân giới khi kéo dài thành dạng tam giác.8 Biểu đồ các trường hợp tính toán độ sâu phân giới của kênh có mặt cắt ngang hình thang cân so với giá trị đúng.