Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng mô hình thủy động lực ba chiều tính toán trường dòng chảy xung quanh các công trình thủy lực phức tạp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Đức Hạnh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY XUNG QUANH CÁC CƠNG TRÌNH THỦY LỰC PHỨC TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Đức Hạnh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY XUNG QUANH CÁC CƠNG TRÌNH THỦY LỰC PHỨC TẠP Chun ngành: Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN KIÊN DŨNG Hà Nội – Năm 2013 z MỤC LỤC Chương - TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trường dịng chảy ba chiều xung quanh cơng trình thủy lực 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trường dịng chảy ba chiều đoạn sông cong 14 Chương – XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY XUNG QUANH CƠNG TRÌNH THỦY LỰC PHỨC TẠP 18 2.1 Hệ phương trình triển khai 18 2.2 Thuật toán phương pháp giải 24 2.2.1 Mơ hình ngun gốc Hosoda .24 2.2.2 Chỉnh sửa mơ hình để chạy với trường hợp kè hoàn lưu kè chảy ngập 30 2.2.2 Sơ đồ khối mơ hình 31 2.2.3 Chương trình tính tốn 32 Chương – MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH VỚI CÁC CƠNG TRÌNH THỦY LỰC PHỨC TẠP .43 3.1 Thử nghiệm mơ hình với thí nghiệm đoạn sơng thẳng có cơng trình .43 3.1.1 Thử nghiệm với thí nghiệm số .43 3.1.2 Thử nghiệm với thí nghiệm vật lý Tominaga 47 3.2 Thử nghiệm mơ hình với thí nghiệm vật lý đoạn sơng cong có cơng trình .55 3.2.1 Thí nghiệm vật lý 55 z 3.2.2 Kết kiểm nghiệm 57 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 66 z DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Mơ tả thí nghiệm Munita Shimizu (1994) mặt (hình có tính minh họa khơng xác tỷ lệ) 26 Hình Minh họa lưới tính tốn sử dụng mơ hình 27 Hình Trường vận tốc theo mặt cắt dọc A-A thượng lưu kè mỏ hàn 28 Hình Trường vận tốc mặt cắt ngang B-B 28 Hình Trường vận tốc mặt cắt ngang C-C 28 Hình So sánh lưu tốc tính tốn thực đo mặt cắt ngang a- Mặt B-B b- Mặt C-C c- Mặt D-D 29 Hình Sơ đồ khối mơ hình thủy động lực ba chiều 31 Hình Mơ tả kênh cơng trình thực nghiệm số 43 Hình Véc tơ vận tốc mặt cắt dọc mũi kè (a) thân kè (b) 44 Hình 10 Véc tơ vận tốc mặt ngang độ sâu (a) thân kè (b) mặt nước 44 Hình 11 Véc tơ vận tốc mặt cắt dọc (a) mũi kè (b) thân kè 45 Hình 12 Véc tơ vận tốc mặt ngang độ sâu (a) thân kè (b) mặt ngang sát đỉnh kè .45 Hình 13 Véc tơ vận tốc mặt cắt dọc mũi kè (a) thân kè (b) 46 Hình 14 Véc tơ vận tốc mặt ngang độ sâu (a) thân kè (b) mặt ngang sát đỉnh kè .46 Hình 15 Các thiết đặt mơ hình thí nghiệm 47 Hình 16 Lưới tính tốn: a) Nhìn theo mặt (x-y) b) Nhìn theo mặt bên (x-z) .48 Hình 17 Trường véc tơ vận tốc mặt cắt Y Trái: kết đo đạc, Phải: kết mô 49 z Hình 18 Trường véc tơ vận tốc mặt Z Trái: kết đo đạc; Phải: kết mô 50 Hình 19 Trường véc tơ vận tốc mặt Y Trái: kết đo đạc; Phải: kết mô 51 Hình 20 Trường véc tơ vận tốc mặt Z Trái: kết đo đạc; Phải: kết mô 52 Hình 21 Phân bố vận tốc Ux Trái: phân bố thẳng đứng x=0.06m, y=0.025m; Phải: phân bố hướng ngang x=0.06, z= d/2 53 Hình 22 Phân bố theo phương thẳng đứng vận tốc Uz x=-0.01, y=0.025 (trái) phân bố theo phương ngang vận tốc Uy x=-0.01, z=d/2 (phải) .54 Hình 23 Mặt mơ hình thí nghiệm vật lý 55 Hình 24 Mặt mơ hình khúc sơng cong thứ 56 Hình 25 Cấu tạo hướng dòng 56 Hình 26 Mặt lưới tính vị trí cơng trình 57 Hình 27 So sánh mực nước thí nghiệm mơ trường hợp có cơng trình mặt cắt 58 Hình 28 So sánh phân bố vận tốc (Uave = u2 + v2) trường hợp có cơng trình khơng có cơng trình .59 Hình 29 So sánh phân bố vận tốc tốc (Uave = u2 + v2) thí nghiệm vật lý mơ mơ hình trường hợp có cơng trình 60 Hình 30 Mặt véc-tơ vận tốc mặt đáy 61 z MỞ ĐẦU Giao thông đường thủy hệ thống sơng Việt Nam đóng vai trị quan trọng việc vận chuyển hàng hóa miền đồng Tuy nhiên giao thông thủy lại phụ thuộc nhiều vào lưu lượng dòng chảy, độ sâu dịng chảy địa hình đáy sơng Việc xác định luồng hệ thống sơng lớn cần thiết để tạo thuận lợi cho phương tiện tham gia giao thơng thủy, phịng tránh tai nạn thiệt hại xảy cần phải trì ổn định luồng Để làm điều đó, thực tiễn có số cơng trình kè mỏ hàn, kè hướng dịng nhằm mục đích điều khiển dịng chảy số vị trí làm thay đổi q trình vận chuyển trầm tích dịng chảy sơng theo hướng tạo luồng ổn định bồi lấp luồng phụ nhằm tăng độ sâu dòng chảy mùa kiệt phục vụ giao thông thủy thuận lợi Mặt khác, nhằm mục đích bảo vệ bờ khu vực trọng điểm xói lở người ta thường sử dụng loại cơng trình kè lát mái, đập mỏ hàn, nhằm mục đích bảo vệ chân trụ cầu dạng cơng trình thường gặp mố trụ cầu có hình dạng gần giống đập mỏ hàn Để mơ tả loại cơng trình có cấu trúc tương tự vậy, thủy lực cơng trình thường dùng cụm từ cơng trình kè mỏ hàn tương tự (spur-dike-like structures) Tuy nhiên, nguyên nhân thường gặp gây nên phá hoại cơng trình tượng xói cục mức chân cơng trình, việc dự báo diễn biến bồi xói sau có cơng trình tính tốn độ sâu xói cực đại vơ cần thiết quan trọng phục vụ mục tiêu thiết kế an tồn cơng trình Việc dự báo xác diễn biến bồi xói xung quanh cơng trình thủy lực vừa có ý nghĩa thiết yếu việc giảm nhẹ tai biến, nâng cao tính an tồn cho cơng trình vừa có ý nghĩa mặt sinh thái nhằm mục tiêu thiết kế tối ưu cơng trình thủy lực sông Trong thực tế thiết kế xây dựng cơng trình chỉnh trị sơng Việt Nam nói riêng giới nói chung, việc nghiên cứu diễn biến bồi xói sau cơng trình vào hoạt động thường dựa vào cơng thức kinh nghiệm, bán kinh nghiệm mơ hình vật lý Trong điều kiện dịng chảy thay đổi, có quy luật đơn giản, khúc sơng đơn giản nhìn chung phương pháp có hiệu tốt Tuy nhiên, đoạn sơng phức tạp, có giao thoa dịng chảy tính chất bất thường, bất quy tắc địa hình đáy sơng, bãi sơng bờ sơng việc sử dụng biện pháp khơng thể mơ tả hết tính chất z diễn biến dịng chảy, từ dẫn đến sai số tính tốn dự báo q trình bồi, xói sau có cơng trình Trong thập kỷ gần đây, vấn đề liên quan đến xói cục xung quanh cơng trình thủy lực sơng nghiên cứu chủ yếu việc xây dựng mơ hình vật lý (Nagata cộng sự, 2005) [43] kè mỏ hàn, chân đế trụ cầu, trụ cầu… Hướng tiếp cận sử dụng mơ hình vật lý thường gặp phải nhiều khó khăn Xu hướng nghiên cứu thường sử dụng mơ hình số trị để mơ Để khẳng định khả ứng dụng mơ hình số trị, mơ hình cần kiểm nghiệm trước tiên với kết thí nghiệm vật lý Nhằm mục đích nghiên cứu, mơ đánh giá q trình bồi xói xung quanh cơng trình thủy lực sơng trụ cầu, kè đập, mỏ hàn,… phải mơ trường dịng chảy xung quanh cơng trình thủy lực Chính luận văn này, với tên đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình thủy động lực ba chiều mơ trường dịng chảy xung quanh cơng trình thủy lực phức tạp”, tập trung vào nghiên cứu tìm hiểu mơ hình số trị ba chiều xây dựng GS Hosoda cộng [20], từ thay đổi lại mã nguồn chương trình gốc để làm cho chương trình gốc mơ tả với trường hợp xuất thực tiễn Việt Nam Mô hình kiểm nghiệm lại với số kết thí nghiệm Bố cục luận văn bao gồm: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu mô hình ba chiều tính tốn trường dịng chảy Chương 2: Xây dựng mơ hình thủy động lực ba chiều tính tốn trường dịng chảy xung quanh cơng trình thủy lực phức tạp Chương 3: Một số kết thử nghiệm mơ hình Kết luận Tài liệu tham khảo z Chương - TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trường dịng chảy ba chiều xung quanh cơng trình thủy lực Để nghiên cứu, đánh giá q trình bồi xói xung quanh cơng trình thủy lực sơng trụ cầu, kè đập, mỏ hàn,… phải nghiên cứu, tính tốn trường dịng chảy xung quanh cơng trình thủy lực Hiện nay, mơ hình tốn mơ hình vật lý hai phương pháp quan trọng nghiên cứu trường thủy động lực xung quanh công trình thủy lực Trong thập kỷ gần đây, vấn đề liên quan đến xói cục xung quanh cơng trình thủy lực sơng nghiên cứu chủ yếu việc xây dựng mơ hình vật lý (Nagata cộng sự, 2005) [43] kè mỏ hàn, chân đế trụ cầu, trụ cầu… Các nghiên cứu chân đế trụ cầu kè mỏ hàn xem tương tự thơng thường chúng có hình dáng gần giống Các khảo sát trở ngại việc tiếp cận sử dụng mơ hình vật lý nhiều nhà thủy lực đề cập đến nghiên cứu Garde cộng (1961) [15]; Laursen (1963) [32]; Gill (1972) [19]; Rajaratnam Nwachukwu (1983a,b) [50,51]; Melville (1992) [36]; Kwan Melville (1994) [29]; Lim (1997) [33]; Rahman cộng (1998) [49]; Kuhnle cộng (1999) [28] Dựa kết thí nghiệm thu được, nhà nghiên cứu khảo cứu tính chất, đặc trưng dịng chảy để từ đưa số cơng thức ước tính độ sâu xói cục cách sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên tiếp cận giải tích Tiêu biểu theo hướng có nghiên cứu Garde cộng (1961), Melville (1992) (phân tích thứ nguyên) Lausen (1963), Lim (1997), Rahman cộng (1998) (phân tích giải tích) z Các nghiên cứu cụ thể chi tiết tượng xuất xung quanh trụ cầu phân thành loại sau: a) Nghiên cứu cấu trúc dòng chảy xung quanh trụ cầu (ví dụ Melville 1975 [35]; Melville Raudkivi 1977 [39]; Dey cộng 1995 [11]; Ahmed Rajaratnam 1998) [4] b) Nghiên cứu thơng số liên quan đến đặc tính dịng chảy dịng trầm tích (ví dụ như: Breuser cộng 1977 [6]; Raudkivi Ettema 1977 [53], 1985 [54]; Raudkivi 1986 [52]; Melville Sutherland 1988) [41] c) Nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính trụ cầu đến độ sâu xói lớn (ví dụ như: Elliot Baker 1985 [12]; Melville Raudkivi 1996 [40]; Ettema cộng 1998) [13] d) Ước tính độ sâu xói lớn (ví dụ như: Laursen 1963 [32]; Breuser cộng 1977 [6]; Jain 1981 [24]; hầu hết tác giả nhắc đến mục b) c) trên) e) Nghiên cứu thay đổi theo thời gian hình dạng hố xói độ sâu xói (ví dụ như: Tsujimoto Motohashi 1988; Dargahi 1990 [9]; Yammaz Altinbilek 1991; Kothyari cộng 1992 [27]; Melville Chiew 1999) [38] Một danh mục nhiều nghiên cứu liệt kê tầm quan trọng vấn đề xói lở cục sau cơng trình, tất đến kết luận rằng, cách tiếp cận lý thuyết hay thực nghiệm, cấu trúc dòng chảy xung quanh cơng trình phức tạp hình dạng hố xói cục phụ thuộc nhiều vào ảnh hưởng dòng chảy, đặc trưng bùn cát, kết cấu đáy hình dạng cơng trình Tổng quan chi tiết nghiên cứu tìm thấy cơng trình Breuser nnk (1977) Dey (1997) [10] Ngày nay, động lực học chất lỏng tính tốn trở thành cơng cụ hữu hiệu phân tích thiết kế cơng trình thủy lực song hành với quan trắc thực địa thí nghiệm phịng Dẫu có bước tiến dài có 10 z Thí nghiệm Mơ Hình 20 Trường véc tơ vận tốc mặt Z Trái: kết đo đạc; Phải: kết mô 52 z SD2: Z2 (X = cm) Ux (cm/s) SD2: Y2 (X = cm) -5 Cal Obs -5 10 15 20 10 15 20 10 Y (cm) 10 Z (cm) -10 -10 25 Cal Obs 25 Ux (cm/s) SD4: Z2 (X = cm) Ux (cm/s) -10 -5 -10 SD4: Y2 (X = cm) -5 Cal Obs 10 15 20 10 15 10 Y (cm) Z (cm) 10 20 25 Cal Obs 25 Ux (cm/s) SD6: Z2 (X = cm) Ux (cm/s) SD6: Y2 (X = cm) -10 -5 -10 Y (cm) Z (cm) 10 Cal Obs 10 15 20 -5 5 10 10 15 20 Cal Obs 25 Ux (cm/s) Hình 21 Phân bố vận tốc Ux Trái: phân bố thẳng đứng x=0.06m, y=0.025m; Phải: phân bố hướng ngang x=0.06, z= d/2 53 z 25 SD2: Z2 (X = -1 cm) -4 SD2: Y2 (X = -1 cm) -4 -2 -2 Cal Obs Uz (cm/s) 6 10 Y (cm) Z (cm) 10 Uy (cm/s) Cal Obs SD4: Z2 (X = -1 cm) -4 SD4: Y2 (X = -1 cm) -2 Obs Uz (cm/s) Uy (cm/s) Cal Obs SD6: Z2(X = -1 cm) Uy (cm/s) -4 Y (cm) -4 0 10 Cal Y (cm) Z (cm) 10 -2 -2 8 10 10 12 Cal Obs Hình 22 Phân bố theo phương thẳng đứng vận tốc Uz x=-0.01, y=0.025 (trái) phân bố theo phương ngang vận tốc Uy x=-0.01, z=d/2 (phải) 54 z 14 Tất đặc trưng cấu trúc dịng chảy mơ phù hợp với kết đo đạc Tominaga nnk (2000) Điều khẳng định khả mơ hình số xây dựng mơ đặc tính ba chiều dịng chảy xung quanh kè chảy ngập 3.2 Thử nghiệm mơ hình với thí nghiệm vật lý đoạn sơng cong có cơng trình 3.2.1 Thí nghiệm vật lý Trong nghiên cứu tiến hành tính tốn thử nghiệm mơ hình động lực học dịng chảy ba chiều với kết thí nghiệm vật lý tiến hành khuôn khổ nội dung đề tài KC.08.14/06-10 GS.TS Lương Phương Hậu chủ trì thực [1] Máng thí nghiệm thiết kế với chiều rộng B = 120 cm, chiều cao 50 cm Mơ hình thiết kế thí nghiệm liên hồn với khúc cong nối tiếp nhau, đoạn độ dài 5B = 600 cm, khúc cong cung trịn với góc tâm 600 Hình 23 Mặt mơ hình thí nghiệm vật lý + Đoạn cong thứ nhất: R = 5B = 600 cm; + Đoạn cong thứ hai: R = 4B = 480 cm; + Đoạn cong thứ ba: R = 3B = 360 cm Như vậy, mơ hình dài tổng cộng 38 m Hình 23 thể vẽ mặt mơ hình Đây mơ hình thủy lực máng cong thực Việt Nam Trong nội dung thực đề tài KC.08.09-06/10, tiến hành nhiều 55 z thí nghiệm mơ hình với nhiều trường hợp khác Trong khuôn khổ nghiên cứu này, xét khúc sông cong xét hai trường hợp (một trường hợp khơng có hướng dịng trường hợp có hướng dịng) để kiểm nghiệm với mơ hình tốn thủy lực ba chiều xây dựng Hai trường hợp có lưu lượng thí nghiệm Q = 20 l/s Trong trường hợp có hướng dịng: - Các hướng dịng bố trí vị trí 2T, 3T, 4T, 5T, 6T hình 24 Hình 24 Mặt mơ hình khúc sơng cong thứ - Mỗi hướng dịng có cấu tạo hình 25, đặt nghiêng so với bờ (trong trường hợp α = 1350, θ = 600) Bề dầy hướng dịng H = 20 cm, có khoảng trống kể từ cạnh hướng dịng đáy mơ hình (độ mở hướng dịng) a = 0.2 H = cm θ Hình 25 Cấu tạo hướng dịng 56 z Hình 26 biểu thị mặt lưới tính tốn mơ hình thủy động lực ba chiều vị trí hướng dịng Kích thước lưới tính theo chiều dịng chảy, chiều ngang chiều thẳng đứng tương ứng 86, 60, 12 Hình 26 Mặt lưới tính vị trí cơng trình 3.2.2 Kết kiểm nghiệm Hình 27 biểu thị so sánh giá trị mực nước kết thí nghiệm vật lý kết mô mô hình thủy động lực ba chiều trường hợp có bố trí cơng trình Ta thấy kết so sánh mực nước phù hợp với Hình 28 biểu thị so sánh phân bố vận tốc (Uave = u2 + v ) mô mơ hình thủy động lực ba chiều trường hợp có cơng trình trường hợp khơng có cơng trình Qua ta thấy, trường hợp khơng có cơng trình vận tốc bờ ngồi cao dọc theo đoạn sông cong, điều phù hợp với nghiên cứu đoạn sông cong Trong trường hợp có cơng trình, vận tốc bờ cao so với bờ Điều hướng dòng chảy bị chuyển sang bờ tác động cơng trình 57 z a) Mặt cắt (i = 31) b) Mặt cắt (i = 41) c) Mặt cắt (i = 51) d) Mặt cắt (i = 61) e) Mặt cắt (i = 71) f) Mặt cắt 7(i = 86) Hình 27 So sánh mực nước thí nghiệm mơ trường hợp có cơng trình mặt cắt 58 z 0.35 0.45 0.4 0.3 Uave (m/s) 0.25 Open (B) 0.2 Open (M) 0.15 Open (S) Cal (B) 0.1 0.05 Uave (m/s) 0.35 0.3 Open (B) 0.25 Open (M) 0.2 Open (S) 0.15 Cal (B) Cal (M) 0.1 Cal (M) Cal (S) 0.05 Cal (S) 0 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 0.5 0.7 distance (m) 1.1 1.3 b) Mặt cắt 3T (i=46) a) Mặt cắt 2T (i=36) 0.5 0.5 0.45 0.45 0.4 0.35 Open (B) 0.3 Open (M) 0.25 Open (S) 0.2 Cal (B) 0.15 Uave (m/s) 0.4 Uave (m/s) 0.9 distance (m) 0.35 Open (B) 0.3 Open (M) 0.25 Open (S) 0.2 Cal (B) 0.15 0.1 Cal (M) 0.1 Cal (M) 0.05 Cal (S) 0.05 Cal (S) 0 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 0.5 distance (m) 0.7 0.9 1.1 1.3 distance (m) c) Mặt cắt 5T (i=66) d) Mặt cắt 6T (i=76) Open = Khơng có cơng trình, Cal = Có cơng trình, (B) = đáy, (M) = giữa, (S) = mặt Hình 28 So sánh phân bố vận tốc (Uave = u2 + v ) trường hợp có cơng trình khơng có cơng trình Hình 29 thể so sánh phân bố vận tốc (Uave = u2 + v ) thí nghiệm vật lý kết mơ mơ hình thủy động lực ba chiều trường hợp có cơng trình Qua thấy rằng: - Vận tốc bờ cao tác động hướng dịng cơng trình - Vận tốc tầng đáy bờ (đường màu xanh nước biển) cao so với tầng tầng mặt phía bờ ngồi (đường màu nâu đường màu xanh cây) - Sự phù hợp kết số thực nghiệm không thực thỏa mãn 59 z 0.35 0.25 0.30 Exp (B) 0.20 Exp (M) 0.15 Exp (S) Cal (B) 0.10 Uave (m/s) Uave (m/s) 0.30 Cal (M) 0.05 0.25 Exp (B) 0.20 Exp (M) 0.15 Exp (S) Cal (B) 0.10 Cal (M) 0.05 Cal (S) Cal (S) 0.00 0.00 0.5 0.7 0.9 1.1 0.5 1.3 0.7 0.9 0.40 0.45 0.35 0.40 0.35 Exp (B) 0.25 Exp (M) 0.20 Exp (S) 0.15 Cal (B) Uave (m/s) 0.30 Uave (m/s) 1.3 b) Mặt cắt 2T (i=36) a) Mặt cắt (i=31) 0.30 Exp (B) 0.25 Exp (M) 0.20 Exp (S) 0.15 Cal (B) 0.10 Cal (M) 0.10 Cal (M) 0.05 Cal (S) 0.05 Cal (S) 0.00 0.00 0.5 0.7 0.9 1.1 0.5 1.3 0.7 0.9 1.1 1.3 distance (m) distance (m) c) Mặt cắt (i=41) d) Mặt cắt 3T (i=46) 0.45 0.50 0.40 0.45 0.40 0.35 0.35 Exp (B) 0.30 Exp (B) 0.25 Exp (M) 0.20 Exp (S) 0.15 Cal (B) 0.10 Cal (M) 0.10 Cal (M) 0.05 Cal (S) 0.05 Cal (S) Uave (m/s) Uave (m/s) 1.1 distance (m) distance (m) 0.30 Exp (M) 0.25 Exp (S) 0.20 Cal (B) 0.15 0.00 0.00 0.5 0.7 0.9 1.1 0.5 1.3 0.7 0.9 1.1 1.3 distance (m) distance (m) e) Mặt cắt 4T (i=56) f) Mặt cắt (i=71) Hình 29 So sánh phân bố vận tốc tốc (Uave = u2 + v ) thí nghiệm vật lý mơ mơ hình trường hợp có cơng trình Qua Hình 30 thể mặt véc-tơ vận tốc mặt đáy (được mô mơ hình) ta thấy nước gần đáy chảy dọc theo hướng 60 z lòng dẫn, hướng dòng chảy lớp mặt thay đổi, hướng tới bờ tác động cơng trình Như ảnh hưởng cơng trình tái lại mơ hình thủy động lực ba chiều Các véc-tơ vận tốc mặt Các véc-tơ vận tốc đáy Hình 30 Mặt véc-tơ vận tốc mặt đáy Mặc dầu bước thử nghiệm ban đầu, song kết cho thấy khả phát triển ứng dụng mơ hình chiều cho mơ trường dòng chảy xung quanh kè mỏ hàn đoạn sông cong 61 z KẾT LUẬN Những nội dung thực nghiên cứu gồm có: - Tìm hiểu tổng quan lại tình hình nghiên cứu ngồi nước mơ hình thủy động lực ba chiều mơ trường dịng chảy xung quanh cơng trình thủy lực phức tạp đoạn sơng cong Từ cho thấy chưa có mơ hình thủy động lực chiều thể tính phức tạp dịng chảy xung quanh cơng trình có tính ứng dụng cơng trình dạng kè mỏ hàn ngập kè hồn lưu, đặc biệt cơng trình đặt vị trí đoạn sơng cong - Nghiên cứu tìm hiểu chi tiết mơ hình thủy thạch động lực ba chiều Hosoda nnk Trên sở chỉnh sửa lại mã nguồn mơ hình để ứng dụng cho trường hợp kè chảy ngập kè hồn lưu, có khả phù hợp điều kiện thực tế Việt Nam - Kiểm nghiệm mơ hình xây dựng với thí nghiệm đoạn sơng thẳng có cơng trình: (1) Thí nghiệm số cơng trình kè hồn lưu vng góc với bờ; (2) Thí nghiệm vật lý Tominaga nnk (2000) hai kè (chảy ngập không ngập) bố trí liên tiếp Kết cho thấy mơ hình mơ lại cách phù hợp đặc tính ba chiều dịng chảy có tác động cơng trình - Kiểm nghiệm mơ hình xây dựng với thí nghiệm vật lý đoạn sơng cong: (1) Đoạn sơng cong khơng có cơng trình, (2) Đoạn sơng cong có bố trí cơng trình hướng dịng Kết kiểm nghiệm cho thấy mơ hình xây dựng mặt định tính tái lại tượng dòng chảy nhiên phù hợp mặt định lượng thí nghiệm mơ chưa thực thỏa mãn Cần có nghiên cứu, cải thiện mơ hình 62 z TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Lương Phương Hậu (2010), Nghiên cứu giải pháp khoa học, công nghệ cho hệ thống cơng trình chỉnh trị sơng đoạn trọng điểm vùng đồng Bắc Bộ Nam Bộ, Báo cáo tổng kết đề tài KC08.14/06-10 GS Lương Phương Hậu chủ trì, Hà Nội Nguyễn Thọ Sáo (2008), Động lực học chất lỏng tính tốn, Giáo trình biên dịch, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội Phạm Văn Tiến (2012), Ứng dụng mô hình (VNU/MDEC) tính tốn chế độ thủy động lực vận chuyển trầm tích vùng cửa sơng ven biển Hải Phòng, Luận văn thạc sĩ khoa học ngành Thủy văn học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội Tiếng Anh Ahmed, F., and Rajaratnam, N (1998) “Flow around bridge piers”, J Hydraul Eng., 124(3), 288–300 Bosch, G., and Rodi, W (1998) “Simulation of vortex shedding past a square cylinder with different turbulence models”, Int J Numer Methods Fluids, 28, 601–616 Breusers, H N C., Nicollet, G., and Shen, H W (1977) “Local scour around cylindrical piers.” J Hydraul Res., 15(3), pp 211–252 Brookes, A., Knight, S S., and Shields, F D., Jr (1996) “Habitat enhancement” River channel restoration, A Brookes and F D Shields, Jr., eds., Wiley, Chichester, U.K., pp 103–126 Chrisohoides, A., Sotiropoulos, F., and Sturm, T W (2003) “Coherent structures in flat-bed abutment flow: Computational fluid dynamics simulations and experiments.” J Hydraul Eng., 129(3), pp 177–186 Dargahi, B (1990) “Controlling mechanism of local scouring.” J Hydraul Eng., 116(10), pp 1197–1214 10 Dey, S (1997) “Local scour at piers, Part I: A review of developments of research.” Int J Sediment Res., 12(2), pp 23–46 11 Dey, S., Bose, S K., and Sastry, G L N (1995) “Clear water scour at circular piers: A model.” J Hydraul Eng., 121(12), pp 869–876 12 Elliott, K R., and Baker, C J (1985) “Effect of pier spacing on scour around bridge piers.” J Hydraul Eng., 111(7), pp 1105–1109 13 Ettema, R., Mostafa, E A., Melville, B W., and Yassin, A A (1998) “Local scour at skewed piers.” J Hydraul Eng., 124(7), pp 756–759 63 z 14 Franke, R., and Rodi, W (1993) “Calculation of vortex shedding past a square cylinder with various turbulence models.” Selected Papers from the 8th Int Symp on Turbulent Shear Flows, Munich, Germany, September 9–11, 1991, F Durst, et al., eds., Springer-Verlag, Berlin, pp 189–204 15 Garde, R J., Subramanya, K., and Nambudripad, K D (1961) “Study of scour around spur-dikes.” J Hydraul Div., Am Soc Civ Eng., 87 (6), pp 23–37 16 Gatski, T B., and Speziale, C G (1993) “On explicit algebraic stress models for complex turbulent flows.” J Fluid Mech., 254, pp 59–78 17 Ge, L., and Sotiropoulos, F (2005) “3D unsteady RANS modeling of complex hydraulic engineering flows I: Numerical model.” J Hydraul Eng., 131(9), pp 800–808 18 Ge, L., Lee, S O., Sotiropoulos, F., and Sturm, T (2005) “3D unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling of complex hydraulic engineering flows II: Model validation and flow physics.” J Hydraul Eng., 131(9), pp 809–820 19 Gill, M A (1972) “Erosion of sand beds around spur dikes.” J Hydraul Div., Am Soc Civ Eng., 98(9), 1587–1602 20 Hosoda, T., Sakurai, T., Kimura, I., and Muramoto, Y (1999) “3-D computations of compound open channel flows with horizontal vortices and secondary currents by means of non-linear k-epsilon model.” J Hydrosci Hydr Eng., 17(2), 87–96 21 Jia, Y., and Wang, S S Y (1993) “3D numerical simulation of flow near a spur dike.” Proc., 1st Int Conf on Hydro-Sci and -Engineering, Washington, D.C., 2150–2156 22 Jia, Y., and Wang, S S Y (1996) “A modeling approach to predict local scour around spur dike-like structures.” Proc., 6th Federal Interagency Sedimentation Conf., Las Vegas, Nev., II-90–97 23 Jia, Y., and Wang, S S Y (1999) “Numerical model for channel flow and morphological change studies.” J Hydraul Eng., 125(9), 924–933 24 Jain, S C (1981) “Maximum clear-water scour around circular piers.” J Hydraul Div., Am Soc Civ Eng., 107(5), 611–626 25 Kimura, I., and Hosoda, T (2003) “A non-linear k- model with realizability for prediction of flows around bluff bodies.” Int J Numer Methods Fluids, 42, 813–837 26 Kimura, I., Hosoda, T., Onda, S., and Tominaga, A (2004) “3D numerical analysis of unsteady flow structures around inclined spur dikes by means of a non-linear k-_ model.” Shallow Flows, Jirka and Uijttewaal, eds., Selected Papers of the International Symposium on Shallow Flows, 16–18 June 2003, Delft, The Netherlands, Taylor & Francis Group, London, 651–660 64 z 27 Kothyari, U C., Garde, R J., and Raju, K G R (1992) “Temporal variation of scour around circular bridge piers.” J Hydraul Eng., 118(8), 1091–1106 28 Kuhnle, R A., Alonso, C V., and Shields, F D., Jr (1999) “Geometry of scour holes associated with 90° spur dikes.” J Hydraul Eng., 125(9), 972–978 29 Kwan, T F., and Melville, B W (1994) “Local scour and flow measurements at bridge abutments.” J Hydraul Res., 32(5), 661–673 30 Lai, Y G., Weber, L J., and Patel, V C (2003a) “Nonhydrostatic threedimensional model for hydraulic flow simulation I: Formulation and verification.” J Hydraul Eng., 129(3), 196–205 31 Lai, Y G., Weber, L J., and Patel, V C (2003b) “Nonhydrostatic threedimensional model for hydraulic flow simulation II: Validation and application.” J Hydraul Eng., 129(3), 206–214 32 Laursen, E M (1963) “An analysis of relief bridge scour.” J Hydraul Div., Am Soc Civ Eng., 89(3), 93–118 33 Lim, S Y (1997) “Equilibrium clear-water scour around an abutment.” J Hydraul Eng., 123(3), 237–243 34 Mayerle, R., Toro, F M., and Wang, S S Y (1995) “Verification of a threedimensional numerical model simulation of the flow in the vicinity of spur dikes.” J Hydraul Res., 33(2), 243–256 35 Melville, B W (1975) “Local scour at bridge site.” Rep No 117, School of Engineering, The Univ of Auckland, New Zealand 36 Melville, B W (1992) “Local scour at bridge abutments.” J Hydraul Eng., 118(4), 615–631 37 Melville, B W (1997) “Pier and abutment scour: Integrated approach.” J Hydraul Eng., 123(2), 125–136 38 Melville, B W., and Chiew, Y M _1999_ “Time scale for local scour at bridge piers.” J Hydraul Eng., 125_1_, 59–65 39 Melville, B W., and Raudkivi, A J (1977) “Flow characteristics in local scour at bridge piers.” J Hydraul Res., 15(4), 373–380 40 Melville, B W., and Raudkivi, A J (1996) “Effects of foundation geometry on bridge pier scour.” J Hydraul Eng., 122(4), 203–209 41 Melville, B W., and Sutherland, A J (1988) “Design method for local scour at bridge piers.” J Hydraul Eng., 114(10), 1210–1226 42 Michiue, M., and Hinokidani, O (1992) “Calculation of 2-dimensional bed evolution around spur-dike.” Ann J Hydraul Eng., 36, 61–66 (in Japanese) 65 z 43 Nagata N, Hosoda T, Nakato T Muramoto Y (2005) “Three-dimensional numerical model for flow and bed deformation around river hydraulic structures” J of Hydraulic Engineering, 131(12), 1074-1087 44 Olsen, N R B (2003) “Three-dimensional CFD modeling of selfforming meandering channel.” J Hydraul Eng., 129(5), 366–372 45 Olsen, N R B., and Kjellesvig, H M K (1998) “Three-dimensional numerical flow modeling for estimation of maximum local scour depth.” J Hydraul Res., 36(4), 579–590 46 Olsen, N R B., and Melaaen, M C (1993) “Three-dimensional calculation of scour around cylinders.” J Hydraul Eng., 119(9), 1048–1054 47 Ouillon, S., and Dartus, D (1997) “Three-dimensional computation of flow around groyne.” J Hydraul Eng., 123(11), 962–970 48 Pope, S B (1975) “A more general effective viscosity hypothesis.” J Fluid Mech., 72, 331–340 49 Rahman, M M., Nagata, N., Muramoto, Y., and Murata, H (1998) “Effect of side slope on flow and scouring around spur-dike-like structures.” Proc., 7th Int Symp on River Sedimentation, Hong Kong, China, 165–171 50 Rajaratnam, N., and Nwachukwu, B A (1983a) “Flow near groin-like structures.” J Hydraul Eng., 109(3), 463–480 51 Rajaratnam, N., and Nwachukwu, B A (1983b) “Erosion near groyne-like structures.” J Hydraul Res., 21(4), 277–287 52 Raudkivi, A J (1986) “Functional trends of scour at bridge piers.” J Hydraul Eng., 112(1), 1–13 53 Raudkivi, A J., and Ettema, R (1977) “Effect of sediment gradation on clear water scour.” J Hydraul Div., Am Soc Civ Eng., 103(10), 1209–1213 54 Raudkivi, A J., and Ettema, R (1985) “Scour at cylindrical bridge piers in armored beds.” J Hydraul Eng., 111(4), 713–731 55 Richardson, J E., and Panchang, V G (1998) “Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers.” J Hydraul Eng., 124(5), 530–540 56 Roulund, A., Sumer, B M., Fredsoe, J., and Michelsen, J (1998) “3D mathematical modelling of scour around a circular pile in current.” Proc., 7th Int Symp on River Sedimentation, Hong Kong, China, 131–137 57 Sinha, S K., Sotiropoulos, F., and Odgaard, A J (1998) “Threedimensional numerical model for flow through natural rivers.” J Hydraul Eng., 124(1), 13–24 66 z ... quan nghiên cứu mơ hình ba chiều tính tốn trường dịng chảy Chương 2: Xây dựng mơ hình thủy động lực ba chiều tính tốn trường dịng chảy xung quanh cơng trình thủy lực phức tạp Chương 3: Một số... THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY XUNG QUANH CƠNG TRÌNH THỦY LỰC PHỨC TẠP 2.1 Hệ phương trình triển khai Để mô lại trình dịng chảy vốn mang tính chất ba chiều rõ rệt đặc biệt trường. .. HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Đức Hạnh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU TÍNH TỐN TRƯỜNG DỊNG CHẢY XUNG QUANH CÁC CƠNG TRÌNH THỦY LỰC PHỨC TẠP Chuyên