Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương

1 trường đại học khoa học tự nhiên Leo C. van Rijn Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương Biên dịch: Nguyễn Thọ Sáo hà nội 2004 2 3 4 5 Lời người dịch Leo C. van Rijn là một nhà khoa học người Hà Lan, chuyên gia về các lĩnh vực thuỷ động lực và vận chuyển trầm tích. Ông giảng dạy ở Hà Lan, tham gia giảng dạy và nghiên cứu tại nhiều viện nổi tiếng trên thế giới. Quyển sách “Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương” được ông biên soạn làm giáo trình giảng dạy trong một năm tại Trường đại học Utrecht và được Nhà xuất bản AQUA ấn hành lần đầu tiên vào năm 1989, tái bản vào năm 1994 không có sửa đổi. Sách chủ yếu đề cập đến những nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng trong sông, cửa sông, biển và đại dương. Cuốn sách này có thể chia làm ba phần chính: cơ chất lỏng ứng dụng, sóng dài và sóng ngắn; ngoài ra phần phụ lục đề cập đến các phương pháp toán học dùng trong cơ chất lỏng. Những chương đầu tiên trình bày các nguyên lý cơ bản về thủy tĩnh học, động học và động lực học chất lỏng, mô tả những phương trình của Euler, Bernoulli, Navier- Stokes và Reynolds, giải thích các hiện tượng dòng chảy dưới phân giới và trên phân giới, dòng chảy trơn và nhám, dòng chảy lớp biên và sức cản dòng chảy, dòng thế, dòng thay đổi chậm và nhanh, dòng chảy cong và các lực sinh dòng chảy. Phần tiếp theo mô tả chi tiết những hiện tượng sóng dài như sóng tiến, sóng đứng, sóng tịnh tiến, sóng lũ, sóng triều, sóng do mật độ và sóng dâng do bão. Phần cuối giải thích các hiện tượng nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ, sóng đổ, lớp biên sóng, dòng chảy dọc bờ trong đới sóng đổ, sóng ngẫu nhiên. Quyển sách viết dễ hiểu, các hình vẽ minh hoạ sinh động cùng nhiều ví dụ có thể sử dụng như các bài tập. Vì vậy nó sẽ rất có ích đối với sinh viên ngành thuỷ văn, hải dương học và các ngành liên quan như môi trường, thuỷ lợi, giao thông thuỷ, xây dựng công trình thuỷ. Người dịch cố gắng bám sát nội dung cuốn sách, nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Người dịch cám ơn Khoa Khí tượng-Thuỷ văn-Hải dương học và PGS TS Phạm Văn Huấn về những ý kiến đóng góp để cuốn sách được hoàn thiện hơn. Nguyễn Thọ Sáo 6 Mục lục Lời nói đầu......................................................................................................... 13 Lời cảm ơn 14 Chương 1. Mở đầu 15 1.1. Nền tảng lịch sử ......................................................................................... 15 1.2. Các định nghĩa........................................................................................... 16 1.3. Các loại dòng chảy ..................................................................................... 17 1.4. Ký hiệu và đơn vị........................................................................................ 19 Chương 2. Những thuộc tính của chất lỏng 20 2.1. Mở đầu....................................................................................................... 20 2.2. Mật độ........................................................................................................ 21 2.3. Tính nhớt ................................................................................................... 22 2.4. Tính chịu nén hoặc đàn hồi ........................................................................ 24 2.5. Sức căng mặt ngoài .................................................................................... 25 chương 3. Thuỷ tĩnh học .................................................................................. 28 3.1. Mở đầu....................................................................................................... 29 3.2. Tính đẳng hướng........................................................................................ 29 3.3. áp suất thuỷ tĩnh ....................................................................................... 30 3.4. Các mặt cong.............................................................................................. 31 3.5. Độ nổi......................................................................................................... 31 Chương 4. Động học chất lỏng 32 4.1. Mở đầu....................................................................................................... 33 4. 2. Đường dòng và dòng nguyên tố.................................................................. 33 4.3. Hàm dòng .................................................................................................. 34 4.4. Gia tốc........................................................................................................ 35 4.5. Biến dạng................................................................................................... 36 Dịch chyển:........................................................................................................ 36 Quay: .................................................................................................................. 36 7 Biến dạng tuyến tính:....................................................................................... 37 Biến dạng góc:................................................................................................... 38 4.6. Xoáy........................................................................................................... 38 chương 5. Động lực học chất lỏng 39 5.1. Mở đầu....................................................................................................... 39 5.2. Phương trình liên tục (cân bằng khối lượng)............................................... 39 5.2.1 Thể tích điều khiển.................................................................................. 39 5.2.1 Dòng nguyên tố ........................................................................................ 41 5.2.3 Dòng chảy không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở..................... 41 5.3. Cân bằng động lượng ................................................................................. 43 5.3.1. Định luật thứ hai của Newton............................................................... 43 5.3.2. Động lượng và năng lượng đi qua một mặt cắt ................................... 43 5.3.3. ứng dụng.................................................................................................. 44 5.4. Phương trình chuyển động.......................................................................... 45 5.4.1. Các lực tác động lên những phần tử chất lỏng.................................... 45 5.4.2. Phương trình Euler................................................................................. 47 5.4.3. Phương trình Bernoulli.......................................................................... 48 5.4.4. Phương trình Navier-Stokes.................................................................. 59 5.4.5. Phương trình Reynolds .......................................................................... 60 Chương 6. Dòng chảy ổn định đều 68 6.1. Mở đầu....................................................................................................... 68 6.2. Các lực chất lỏng và ứng suất trượt ............................................................ 69 6.3. Phân bố vận tốc trong lớp biên dòng chảy phân tầng .................................. 70 6.3.1. Mở đầu...................................................................................................... 70 6.3.2. Phân bố vận tốc....................................................................................... 71 6.4. Phân bố vận tốc trong lớp biên rối .............................................................. 72 6.4.1. Đáy trơn và nhám.................................................................................... 72 6.4.2. Lớp con rối lôgarit .................................................................................. 74 6.4.3. Lớp con nhớt............................................................................................ 78 6.4.4. Lớp con quá độ ........................................................................................ 78 6.4.5. Lớp con phía ngoài ................................................................................. 78 6.4.6. Phân bố tổng quát của vận tốc đối với dòng chảy trơn và nhám...... 79 6.4.7. Phân bố vận tốc theo hướng ngang (dòng thứ cấp)............................ 83 6.5. Các công thức sức cản dòng chảy................................................................ 84 6.5.1. Công thức Chezy ..................................................................................... 84 6.5.2. Hệ số Chezy.............................................................................................. 84 8 6.5.3. Công thức Manning ................................................................................ 86 6.5.4. Mặt cắt ngang phức tạp.......................................................................... 87 6.5.5. Các ví dụ................................................................................................... 88 6.6. Dòng chảy trên phân giới và dưới phân giới................................................ 90 6.6.1. Vận tốc lan truyền của một sóng nguyên tố ........................................ 90 6.6.2. Dòng chảy phân giới và độ sâu phân giới ............................................ 92 chương 7. Dòng chảy ổn định không đều 95 7.1. Mở đầu....................................................................................................... 95 7.2. Dòng thế..................................................................................................... 95 7.2.1. Mở đầu...................................................................................................... 95 7.2.2. Dòng thế hai chiều.................................................................................. 96 7.2.3. Lưới dòng (lưới thuỷ động lực).............................................................. 97 7.2.4. ứng dụng.................................................................................................. 99 7.3. Dòng chảy rối biến đổi dần....................................................................... 100 7.3.1. Mở đầu.................................................................................................... 100 7.3.2. Phương trình Belanger......................................................................... 101 7.3.3. Phân loại những đường cong mặt nước.............................................. 102 7.3.4. Tính toán giải tích những đường cong mặt nước.............................. 111 7.3.5. Tính toán đường cong mặt nước bằng phương pháp số ................... 115 7.4. Dòng chảy rối biến đổi nhanh................................................................... 117 7.4.1. Mở đầu.................................................................................................... 117 7.4.2. Phương trình Carnot cho dòng chảy giảm tốc .................................. 117 7.4.3. Nước nhảy thủy lực............................................................................... 119 7.4.4. Dòng chảy trong ống ............................................................................ 122 7.4.5. Đập tràn đỉnh rộng ............................................................................... 123 7.4.6. Đập tràn đỉnh hẹp................................................................................. 125 7.4.7. Đập tràn thành mỏng ........................................................................... 126 7.4.8. Công trình mở dưới nước ..................................................................... 128 7.4.9. Phân bố vận tốc trong dòng biến đổi nhanh ..................................... 128 7.5. Dòng chảy cong ........................................................................................ 131 7.6. Các lực chất lỏng tác động lên vật thể....................................................... 134 7.6.1. Mở đầu.................................................................................................... 134 7.6.2. Lực cản................................................................................................... 135 7.6.3. Lực nâng................................................................................................. 138 7.6.4. Các ví dụ................................................................................................. 138 Chương 8. Dòng không ổn định: sóng dài trên mặt tự do.......................... 141 8.1. Mở đầu..................................................................................................... 141 8.2. Những phương trình cơ bản...................................................................... 141 9 8.2.1. Phương trình liên tục và chuyển động............................................... 141 8.2.2. Phân tích (đánh giá) bậc đại lượng..................................................... 144 8.2.3. Đặc tính của những sóng dài............................................................... 146 8.3. Sóng tiến.................................................................................................. 146 8.3.1. Phương trình cơ bản............................................................................. 146 8.3.2. Những hiện tượng ảnh hưởng đến sự lan truyền sóng..................... 149 8.4. Sóng đứng................................................................................................ 152 8.4.1 Thuỷ vực hở ............................................................................................ 152 8.4.2 Thuỷ vực kín........................................................................................... 156 8.5. Những sóng tịnh tiến................................................................................ 157 8.6. Sóng lũ trong sông.................................................................................... 161 8.6.1. Mô hình sóng động lực ......................................................................... 163 8.6.2. Mô hình sóng khuếch tán..................................................................... 163 8.6.3. Mô hình sóng động học......................................................................... 164 8.6.4. Mối quan hệ độ sâu - lưu lượng ........................................................... 167 8.7. Sóng thuỷ triều......................................................................................... 168 8.7.1. Mở đầu.................................................................................................... 168 8.7.2. Lực tạo triều .......................................................................................... 170 8.7.3. Phân tích và dự đoán thủy triều......................................................... 172 8.7.4. Sóng điều hoà và phân loại thủy triều............................................... 174 8.7.5. Lực Coriolis ........................................................................................... 177 8.7.6. Thủy triều trong đại dương ................................................................. 180 8.7.7. Thủy triều trong biển........................................................................... 184 8.7.8. Thủy triều trong cửa sông ................................................................... 187 8.9. Dòng mật độ trong cửa sông ..................................................................... 194 8.9.1. Các kiểu phân tầng............................................................................... 195 8.8.2. Các phương trình cơ bản...................................................................... 197 8.8.3. Dòng trao đổi......................................................................................... 200 8.8.4. Những sóng nội dài ............................................................................... 201 8.9. Dòng chảy gió và nước dâng trong biển và đại dương ............................... 201 8.9.1. Dòng chảy gió ........................................................................................ 201 8.9.2. Sự dâng mực nước do gió thổi vào bờ (nước dâng do bão)............... 205 8.9.3. Biến đổi mực nước do gió thổi dọc bờ ................................................ 207 8.9.4. Biến đổi mực nước bởi gió thổi xiên một góc .................................... 209 8.9.5. Nước trồi và nước sụt gần bờ............................................................... 209 8.9.6. Hoàn lưu đại dương .............................................................................. 210 Chương 9. Dòng không ổn định: sóng ngắn trên mặt 212 9.1. Mở đầu..................................................................................................... 212 10 9.2. Lý thuyết sóng tuyến tính và phi tuyến ..................................................... 213 9.2.1. Phương trình Bernoulli cho dòng không ổn định............................. 213 9.2.2. Lý thuyết sóng tuyến tính biên độ nhỏ .............................................. 214 9.2.3. Lý thuyết sóng biên độ nhỏ phi tuyến................................................ 217 9.2.4. Các hiệu ứng phi tuyến: vận chuyển khối lượng trong sóng không đổ ........................................................................................................................... 218 9.2.5. Các hiệu ứng phi tuyến: vận chuyển khối lượng trong sóng đổ...... 222 9.3. Các thuộc tính sóng tuyến tính ................................................................. 223 9.3.1. Mở đầu.................................................................................................... 223 9.3.2. Quan hệ phân tán.................................................................................. 225 9.3.3. Vận tốc hạt chất lỏng............................................................................ 230 9.3.4. Dịch chuyển hạt chất lỏng................................................................... 232 9.3.5. áp suất chất lỏng .................................................................................. 233 9.3.6. Sóng đứng .............................................................................................. 234 9.4. Lớp biên sóng ........................................................................................... 235 9.4.1. Bề dày lớp biên...................................................................................... 235 9.4.2. Phân bố vận tốc..................................................................................... 236 9.4.3. ứng suất trượt và ma sát tại đáy......................................................... 238 9.4.4. Sóng chồng lên dòng chảy ................................................................... 239 9.5. Năng lượng sóng và sự truyền năng lượng................................................ 242 9.5.1. Thế năng và động năng ........................................................................ 242 9.5.2. Truyền năng lượng và thông lượng .................................................... 244 9.5.3. Vận tốc nhóm sóng................................................................................ 244 9.5.4. Vận tốc front sóng................................................................................. 245 9.6. Phản xạ sóng............................................................................................ 248 9.7. Sóng nước nông........................................................................................ 248 9.7.1. Cân bằng dòng năng lượng .................................................................. 249 9.7.2. ảnh hưởng của ma sát đáy...................................................................