báo cáo thực tập tốt nghiệp Giới thiệu phòng thí nghiệm LCIS - ESISAR

Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE Lời c m n Em xin gửi lời cảm n chơn thƠnh tới thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến vƠ thầy Laurent LÈFEVRE – Giáo s phịng thí nghiệm LCIS, anh chị đồng nghiệp LCIS đư tạo điều kiện tốt để em hoƠn thƠnh tập Trải qua khoảng thời gian thực tập LCIS em đư học đ ợc nhiều điều từ ng ời từ kiến thức chuyên ngƠnh tới cách giao tiếp vƠ tác phong mơi tr ờng cơng nghiệp Em đư có c hội mang kiến thức đ ợc học tr ờng ứng dụng thực tế, điều giúp em thấy đ ợc cần phải thay đổi số yếu tố lý thuyết nh nƠo tr ớc đ a chúng thực tế Bên cạnh kiến thức, em đ ợc chia sẻ kinh nghiệm sống, cách lƠm việc với ng ời nhiều độ tuổi khác vƠ định h ớng công việc t ng lai NgoƠi việc tuơn thủ quy tắc phịng thí nghiệm LCIS đư giúp em trở nên nhanh nhẹn vƠ lƠm việc nguyên tắc h n Thực việc thực tập phịng thí nghiệm LCIS lƠ b ớc đệm, tảng tốt để em thực tốt cơng việc lƠ lƠm luận văn tốt nghiệp, đồng thời em có tự tin định gửi hồ s xin việc công ty thuộc chuyên ngƠnh Valence, ngƠy 09 tháng 03 năm 2017 Tr SVTH: Tr ng Quang Lộc ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE M CL C CH NG 1: Giới thiệu phịng thí nghiệm LCIS - ESISAR Tổng quan Các h ớng phát triển phịng thí nghiệm LCIS CH NG 2: Báo cáo trình thực tập : Hệ thống kênh thủy lợi Yêu cầu, nhiệm vụ thực tập tốt nghiệp Tổng quan hệ thống kênh thủy lợi 2.1 Định nghĩa 2.2 Vai trò hệ thống thủy lợi 2.3 Tình hình thủy lợi Việt Nam Giới thiệu hệ thống kênh LCIS 10 3.1 Giới thiệu 10 3.2 Thiết lập ph Ph ng trình tốn cho hệ thống kênh LCIS 11 ng pháp Lattice Boltzman 12 4.1 Giới thiệu ph ng pháp Lattice Boltzman 12 Mô kênh LCIS ph ng pháp Lattice Boltzman 15 5.1 Mô đoạn sông giới hạn van (Reach) 15 5.2 Mô thƠnh phần kết nối hệ thống kênh 17 a Đập n ớc (gate, vanne) 17 b Đập trƠn (spillway) 18 c B m thủy lực: 18 d Cấu trúc kết hợp đập n ớc vƠ đập trƠn (Mixed) 19 Mô matlab áp dụng ph ng pháp Lattice Boltzman 19 6.1 Thiết kế thƠnh phần matlab 19 6.2 Xơy dựng mơ hình kênh LCIS matlab 21 6.3 Kết mô thu đ ợc: 23 H ớng phát triển 26 TƠi Liệu Tham Khảo 27 SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Phịng thí nghiêm LCIS tr ờng ESISAR Hình 1-2 Sinh viên LCIS Hình 2-1 Hệ thống t ới cơy trồng Hình 2-2 NhƠ máy thủy điện S n La .8 Hình 2-3 Hạn hán thiếu n ớc .9 Hình 2-4 Hệ thống kênh phịng thí nghiệm LCIS 10 Hình 2-5 S đồ kênh LCIS .10 Hình 2-6 Một đoạn sơng 11 Hình 2-7 Một điểm l ới Boltzman 15 Hình 2-8 Đập n ớc (Gate) .17 Hình 2-9 Mơ hình đập n ớc 19 Hình 2-10 Mơ hình b m 20 Hình 2-11 Mơ hình kết hợp 20 Hình 2-12 Mơ hình đoạn sông 21 Hình 2-13 Mơ hình kênh LCIS 22 Hình 2-14 Giai đoạn đầu 23 Hình 2-15 Kết thúc mơ 24 Hình 2-16 Giai đoạn đầu 25 Hình 2-17 Kết thúc mô 25 DANH SÁCH B NG Bảng 2-1 Các thông số hệ thống kênh LCIS 11 SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE CH NG 1: Giới thiệu phịng thí nghiệm LCIS - ESISAR Tổng quan LCIS (Le Laboratoire de Conception et d’Intégration de Systèmes) đ ợc thƠnh lập vƠo tháng 10 năm 1996 Valence, thƠnh phố lớn Pháp LCIS phịng thí nghiệm trực thuộc tr ờng ESISAR – lƠ tr ờng khối tr ờng kỹ s kỹ thuật Grenoble INP vƠ lƠ phịng nghiên cứu thí nghiệm tr ờng đại học vùng Valence Phịng thí nghiệm bao gồm h n sáu m viên i ng ời, gần nửa số họ lƠ giảng Hình 1-1 Phịng thí nghiêm LCIS tr ờng ESISAR Các h ớng phát triển phịng thí nghiệm LCIS Các hoạt động nghiên cứu LCIS chủ yếu h ớng tới hệ thống nhúng (Embedded system) vƠ giao tiếp mạng (Communication network) Các chủ đề nghiên cứu liên quan đến đặc điểm kỹ thuật, mơ hình, thiết kế, truyền thơng, xác nhận vƠ chẩn đốn hệ thống nƠy Các hoạt động nƠy đồng với chuyên gia đƠo tạo ESISAR với chuyên ngƠnh khác đ ợc đại diện giảng viên từ ESISAR vƠ IUT of Valence H ớng phát triển phịng thí nghiệm LCIS lƠ đề xuất ph ng pháp vƠ mơ hình mới, phát triển cơng cụ, th ờng đ ợc áp dụng cho môi tr ờng công nghiệp SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE Hằng năm phịng thí nghiệm LCIS đ ợc tổ chức lớn công nhận nghiên cứu sinh viên vƠ giảng viên LCIS nh IFAC, MED,… vƠ nhận đ ợc nhiều thƠnh tích thi kỹ thuật Pháp Hình 1-2 Sinh viên LCIS SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE CH NG 2: Báo cáo trình thực tập : Hệ thống kênh thủy lợi Yêu cầu, nhiệm v thực tập tốt nghiệp - Tìm hiểu tổng quan hệ thống kênh thủy lợi vƠ mơ hình kênh LCIS - Tìm hiểu ph ng pháp Lattice Boltzman - Mơ mơ hình kênh ph ng pháp Lattice Boltzman - Đặt c sở cho đề tƠi Luận văn tốt nghiệp Tổng quan hệ thống kênh thủy l i 2.1 Định nghĩa Hệ thống thủy lợi lƠ hệ thống vận chuyển vƠ kiểm soát l ợng n ớc cung cấp cho cơy trồng thời gian đặn để tăng sản l ợng tạo điều kiện thích hợp để phát triển hệ thống trồng trọt bị thiếu n ớc gơy thiếu hụt l ợng m a, thoát n ớc mức giảm n ớc, đặc biệt lƠ khu vực khô cằn Khi xơy dựng cơng trình thuỷ lợi để t ới, tiêu cho cơy trồng hay cấp n ớc cho nhu cầu dùng n ớc, hệ thống kênh m ng đóng vai trị quan trọng việc thực nhiệm vụ dẫn n ớc, phát huy tổng hợp hiệu đầu t cơng trình (Hình 2-1) Hệ thống thủy lợi lƠ yếu tố quan trọng việc sử dụng n ớc sinh hoạt ngày, sản phẩm công nghiệp, vƠ đặc biệt nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi) năm cung cấp cho 40% sản phẩm nơng nghiệp [1] Hình 2-1 Hệ thống t ới cơy trồng SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE 2.2 Vai trò hệ thống thủy lợi Hệ thống thủy lợi đ ợc sử dụng để hỗ trợ trồng trọt nơng nghiệp, trì cảnh quan, vƠ tái phủ xanh mảnh đất bị xáo trộn vùng khô hạn vƠ thời điểm m a không đủ NgoƠi ra, việc t ới tiêu có số ứng dụng khác sản xuất cơy trồng, bao gồm việc bảo vệ cơy trồng chống lại s ng giá, ngăn chặn phát triển cỏ dại cánh đồng vƠ ngăn ngừa củng cố đất Ng ợc lại, nông nghiệp dựa vƠo l ợng m a trực tiếp đ ợc gọi lƠ đất canh tác m a đất khô [2] Hệ thống thủy lợi đ ợc sử dụng để ngăn chặn bụi, xử lý n ớc thải, vƠ khai thác mỏ Thủy lợi th ờng đ ợc nghiên cứu với hệ thống n ớc, lƠ việc loại bỏ tự nhiên nhơn tạo n ớc mặt vƠ n ớc mặt d ới mặt đất từ khu vực định 2.3 Tình hình thủy lợi Việt Nam Theo số liệu nhất, năm 2017, đến n ớc ta có 75 hệ thống thủy lợi lớn, 800 hồ đập loại lớn vƠ vừa, h n 3.500 hố có dung tích triệu m3 n ớc vƠ đập cao 10 m, h n 5.000 cống t ới- tiêu lớn, 10.000 trạm b m lớn vƠ vừa với tổng công suất b m 24,8 triệu m3/h, nhiều cơng trình thủy lợi vừa vƠ nhỏ Các hệ thống có tổng lực t ới trực tiếp cho 3,45 triệu ha, tạo nguồn cấp n ớc cho 1,13 triệu ha, tiêu cho 1,4 triệu ha, ngăn mặn cho 0,87 triệu vƠ cải tạo chua phèn cho 1,6 triệu đất canh tác nơng nghiệp [2] Diện tích lúa, rau mƠu vƠ cơy công nghiệp ngắn ngƠy đ ợc t ới không ngừng tăng lên qua thời kì Chính nhờ thủy lợi phát triển góp phần giúp kinh tế phát triển, đặc biệt lƠ lĩnh vực nông nghiệp phát triển, đ a Việt Nam thƠnh quốc gia xuất lúa gạo hƠng đầu giới vƠ số loại nơng sản khác Hệ thống thủy lợi cịn kéo theo việc phát triển nhƠ máy thủy điện Việt Nam Tổng công suất thủy điện Việt Nam lý thuyết vƠo khoảng 35.000MW, 60% tập trung miền Bắc, 27% phơn bố miền Trung vƠ 13% thuộc khu vực miền Nam.[3] Đến năm 2013, tổng số dự án thủy điện đư đ a vƠo vận hƠnh lƠ 268, với tổng công suất 14.240,5 MW Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% tổng SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE sản xuất điện Cho đến dự án thủy điện lớn có cơng suất 100MW hầu nh đư đ ợc khai thác hết.[3] Một số nhƠ máy thủy điện lớn Việt Nam có cơng suất lớn (> 1000MW) nh S n La (Hình 2-2), Hịa Bình, Lai Châu… Hình 2-2 NhƠ máy thủy điện S n La Tuy nhiên, nhiều vấn đề mƠ hệ thống thủy lợi Việt Nam: + Các cơng trình phịng chống vƠ giảm nhẹ thiên tai, đư đầu t xây dựng nhiều hồ chứa th ợng nguồn kết hợp hệ thống đê d ới hạ du nh ng hệ thống đê biển, đê sông vƠ cống d ới đê nhiều bất cập, phần lớn đê ch a đủ mặt cắt thiết kế, chống lũ đầu vụ vƠ cuối vụ, vụ (miền Trung), cống d ới đê h hỏng vƠ hoƠnh triệt nhiều + Việc kiểm soát vƠ quản lý thủy lợi theo cách truyền thống nhiều hạn chế nh hiệu suất vận chuyện n ớc đến ng ời sử dụng thấp, cung cấp n ớc nhiều thời gian, dẫn đến thời tiết thay đổi gơy tình trạng n ớc hay hạn hán (Hình 2-3) SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE Hình 2-3 Hạn hán thiếu n ớc Kết luận: Cần có ph ng pháp quản lý thủy lợi khác để tháo vƠ thoát l ợng n ớc lớn cần thiết, giảm thiểu l ợng n ớc trình vận chuyển vƠ đồng thời việc đ a n ớc đền n i sử dụng cần phải đáp ứng kịp thời SVTH: Tr ng Quang Lộc Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE Giới thiệu hệ thống kênh LCIS 3.1 Giới thiệu Hệ thống kênh phịng thí nghiệm LCIS lƠ hệ thống thủy lợi đ n giản vƠ thu nhỏ, mơ tả t ng đối xác hoạt động đoạn sông với hệ thống thủy lợi gồm ống dẫn n ớc, đập trƠn, b m n ớc, đập n ớc, hệ thống thoát n ớc Mơ hình nƠy tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng ph ng pháp đư nghiên cứu thủy lợi, l u l ợng dòng chảy, mực n ớc dơng đóng đập Hình 2-4 Hệ thống kênh phịng thí nghiệm LCIS Hình 2-5 S đồ kênh LCIS SVTH: Tr ng Quang Lộc 10 Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE nƠy di chuyển đến điểm mạng l ới vƠ thiết lập vận tốc điểm Ph ng trình giai đoạn nƠy lƠ: Giai đoạn va chạm: fiout(x,t) = fiin(x,t) + Ωi(fin) (4.1) Giai đoạn lan truyền : vi.∆t,t+∆t) = fi (x,t) (4.2) in Trong : Ωi(f ) lƠ biểu thị cho thay đổi mật độ xảy q trình va chạm Thơng th ờng giá trị Ωi(fin) đ ợc xác định theo mơ hình Bhatnagar-Grossfiin(x+ out Krook [5] q Ωi f in = (fi − fiin ) τ Với: τ lƠ thời gian phục hồi vƠ fi q lƠ hƠm phơn bố cục (equilibrium distribution function), lƠ mật độ phần tử có Ωi(fi chạm Từ ph q = , tức lƠ t ợng va ng trình (4.1), (4.2) (4.3), ta có: fi x + vi Δt, t + Δt = fi x, t + τ ng trình hàm phân bố cân 4.2 Hệ ph (4.3) Áp dụng khai triển Taylor cho ph fi q x, t − fi x, t ng trình vế trái ph (4.4) ng trình (4.4) đến bậc 2: fi x + vi Δt, t + Δt = fi + Δ + �Δ �Δ � Với fi = fi(x,t) � fi + Δ + �Δ � fi (4.5) Suy : Δ + �Δ � fi + Δ + Áp dụng khai triển Chapman-Enskog [6] cho � = = � q fi = (fi − fiin ) , τ � + (4.6) fi: (4.7) (4.8) fi = fi + fi + fi (4.9) Với lƠ hệ số Knuden khai triển Chapman-Enskog Thay ph ng trình khai triển Chapman – Enskog vƠo ph Δ Khai triển ph SVTH: Tr + + �Δ � + �Δ � fi + fi + fi + fi + ng trình (4.10), ta có ph ng Quang Lộc fi fi q ng trình (4.6): + = (fi − fiin ) τ ng trình bậc : Δ + 13 Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE q fi = fi (4.11) Mà ta có tổng mật độ phần tử l u chất lại vị trí x chiều cao cột chất lỏng (Bảo toƠn khối l ợng): Từ đó, kết hợp ph ∑ fi = ℎ � ng trình (4.9), ta có: ∑ fi = ∑ fi + ∑ fi + � � � � � ∑ fi = ∑ fi = ℎ bậc ⟹ bậc � ∑ fi = { Nên: ∑ fi = bậc � ∑ fi � q ∑ fi � ϵ ϵ ϵ =ℎ Vận tốc trung bình u khối thể tích chất lỏng vị trí x: Nhân vi vƠo (4.9), t = ∑� � i ∑� i Suy ra: Ph { ng tự ta có : � ∑ � fi = � ∑ � fi = � ∑� � fi ng trình bậc q ∑ � � fi bậc bậc =ℎ bậc ϵ ϵ ϵ (4.18) ph minh ta có đ ợc ph SVTH: Tr (4.16) ∑ � fi = ∑ � fi = ℎ � ng trình (4.10), t ng tự nh cách chứng ng trình: q ng Quang Lộc = �ℎ + ℎ 14 Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE Mô kênh LCIS ph ng pháp Lattice Boltzman 5.1 Mô đoạn sông giới hạn van (Reach) Đối với hệ thống kênh LCIS, chiều dƠi có giá trị lớn h n nhiều so với hai kích th ớc cịn lại nên để mơ ta xét l u l ợng dịng sơng theo trục x, nên theo ph ng pháp Lattice Boltzman, ta chọn mơ hình 1D3Q (1 dimension and velocities) Theo đó, ta chia chiều dƠi đoạn sông thƠnh điểm theo trục x, điểm bao gồm vector vận tốc v0, v1, v2 (Hình 2-7) v2 v0 v1 Hình 2-7 Một điểm l ới Boltzman Để đ n giản cho việc mô phỏng, ta chọn v1 = v, v2 = -v, v0 = Với v = Từ ph Δ� Δ ng trình mối liên hệ độ cao mực n ớc vƠ vận tốc (3.5) vƠ (3.6), ta thấy hệ thống kênh thủy lợi có chịu ảnh h ởng ngoại lực F (lực ma sát vƠ lực gơy độ dốc hệ thống) nên áp dụng mơ hình Boltzman có ngoại lực tác động: fi x + vi Δt, t + Δt = fi x, t + Trong : trình sau: τ q x, t − fi x, t + � Δ � �� F ngoại lực tác động Trong tr ờng hợp này, F =� ℎ( � � − � lƠ hệ số để xác định hệ thống thỏa mưn ph ∑ ∑ ∑ Giải ta đ ợc: = SVTH: Tr fi ng Quang Lộc , � = � � � � = ), ng (5.2) = (5.3) =� (5.4) = ,� = (5.5) 15 Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE + Tính hàm fi Từ ph q ng trình (4.15), (4.18) vƠ (4.19), ta có hệ ph ∑ fi � { Giải hệ (I) với i = 3, ta đ ợc �� SVTH: Tr f {f ∑ f q q � q = = ng Quang Lộc ∑ � � fi � q � fi q q = =ℎ− �ℎ + �ℎ + ng trình: =ℎ =ℎ �ℎ + ℎ �ℎ − ℎ ℎ ℎ + − ℎ ℎ 16 Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE 5.2 Mô thƠnh phần kết nối hệ thống kênh a Đập n ớc (gate, vanne) Một đập n ớc chế độ ngập n ớc đ ợc trình bƠy hình 2-8 L u l ợng Q qua cửa đ ợc điều chỉnh khác biệt mực n ớc th ợng l u h vƠ mực hạ l u h’, vƠ đ ợc cho ph ng trình: = � � √ � ℎ − ℎ′ (5.6) Hình 2-8 Đập n ớc (Gate) Khi có đập n ớc sơng l u l ợng tr ớc vƠ sau đập n ớc khơng thay đổi nên ta có: ℎ =f +f +f (5.7) ℎ′ = f′ + f′ + f′ = ′ ′ f ′ − f ′ Q=B.h.u=v.B.(f − f Trong : B lƠ chiều rộng tr ớc đập n ớc B’ lƠ chiều rộng sau đập n ớc Giải hệ ph ng trình (5.7), (5.8), (5.9) ta có : f = Với : k = �.�.�.√ SVTH: Tr � f + + f′ = ′ � �′ f −f � + �√ ; � = f − f′ + f ng Quang Lộc − + � (5.8) = � � √ � ℎ − ℎ′ + f′ �′ ′ f + − f′ (5.9) (5.10) + ′ � + � (5.11) 17 Báo cáo TTTN GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến thầy Larent LÈFEVRE b Đập tràn (spillway) Đập trƠn lƠ thƠnh phần hệ thống thủy lợi, dùng để xả n ớc độ cao dịng sơng cao h n chiều cao đập trƠn (Hình 2-10) � √ � ℎ − ℎ , ℎ > ℎ , ℎ