Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải hải phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn

Tínhcấp thiết củaluận án

Công tác dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải của nước ta, hầu hếtđược thực hiện bởi hoa tiêu bắt buộc Việc tính toán thời gian dẫn tàu trêntuyến luồng hàng hải để cập cầu cảng phục vụ công tác xếp, dỡ hàng hóa haydẫn tàu đến khu neo đậu phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong thực tiễn hàng hảiđể đảm bảo điều động tàu cập cầu hay neo đậu an toàn, nguyên tắc chung làcập ngược nước (cập cầu ngược với chiều dòng chảy) Vì vậy, một trongnhững yếu tố quan trọng là tính toán thuỷ triều hay còn gọi dòng triều (dòngchảy do thủy triều gây ra và có tính chất tuần hoàn), bởi vì thuỷ triều lên hayrút sẽ tạo ra dòng chảy ảnh hưởng trực tiếp đến công tác dẫn tàu trên tuyếnluồnghànghải,đặcbiệtthờiđiểmtàuđếnkhu vựcđiềuđộngcập cầu.

Hiện nay, hoa tiêu và thuyền trưởng dẫn tàu trên các tuyến luồng hànghải của ViệtNam đều dùng bảng thuỷ triều (gồm 3t ậ p ) [ 4 7 ] d o

T r u n g t â m Hải văn thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam (Bộ Tài nguyên và Môitrường) ấn hành hoặc dùng bảng thủy triều Anh do Văn phòng thủy đạc Anhxuất bản [62], mỗi năm một bộ và hàng năm đều thay đổi Như vậy, số liệucông bố trong bảng thủy triều đều được biết trước Tuy nhiên, việc dùng bảngthuỷ triều xuất hiện những nhược điểm là: Bảng thuỷ triều chỉ cho biết thờigian và độ cao nước lớn và nước ròng trong một ngày tại một khu vực địa lý,nghĩa là mang tính tức thời Mặt khác, ngay cảm ộ t s ố t u y ế n l u ồ n g h à n g h ả i đãt r a n g b ị p h ầ n m ề m c ó c h ứ c n ă n g h i ể n t h ị m ự c t h ủ y t r i ề u , n h ư n g c ũ n g mang tính chấttứcthời vàhiểnthịtạimộtkhuvựcđịa lý nhấtđịnh.

Vì vậy, việc dự đoán thuỷ triều tại các thời điểm khác (không được ghitrong bảng thuỷ triều) cần phải tính toán nội suy Việc này ít nhiều dẫn đếnsuy giảm độ chính xác, không có tính liên tục và không trực quan, gây khókhănchohoatiêuvàthuyềntrưởngtrongquátrìnhdẫntàu,đặcbiệtkhidẫ n tàuhànhtrìnhtrongtuyếnluồnghànghải,vàđâychínhlàđiểmhạnchếlớnnhất.

Trên các bình đồ hay còn gọi hải đồ cảng (Habour chart), kể cả hải đồđiện tử của khu vực hàng hải, đặc biệt là tuyến luồng hàng hải chưa thể hiệnhướngvàtốcđộdòngchảymangtínhliêntục[29],[42],[46],

[75].Nếucóthểhiệnđượchướngvàtốcđộdòngchảythìchỉmộtsốcảngđóng, bởivìởđó không có sự lên xuống của thủy triều, việc thể hiện này suy cho cùng cũngkhông có ý nghĩa gì trong việc dẫn tàu ra vào luồng đến cảng nơi đó Hải đồđiện tử của một số khu vực tuyến luồng hàng hải có thể tích hợp chức năngdòngtri ều k h u v ự c , nhưngcũngd ừn g ở mứcđ ộ h i ể n th ị dưới d ạ n g s ố l i ệ u theo bảng thủy triều hay dạng đường cong thủy triều Như vậy, nếu tồn tại thìtrườnghợpnàycũngphảinộisuygầnđúnghướng vàtốc độ dòngtriều.

Xuất phát từ cơ sở lý luận trên, nhằm từng bước khắc phục nhược điểmnày, góp phần dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu sinh(NCS) mộtm ặ t k ế t h ừ a s ố l i ệ u c ủ a b ả n g t h ủ y t r i ề u

[ 4 7 ] v à s ố l i ệ u c ủ a c á c trạm quan trắc mực thủy triều trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng [45], mặtkhác, với số liệu khảo sát, đo đạc thực tế tại thực địa của khu vực nghiên cứu[34], kết hợp ứng dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) với Fluent -Ansys, để tính toán mô phỏng và sử dụng kỹ thuật xây dựng bản đồ khu vực,đểđ ư a r a b ả n đ ồ d ò n g c h ả y ( d ò n g t r i ề u ) T r ê n b ả n đ ồ d ò n g c h ả y h i ể n t h ị tường minh và liên tục hướng, tốc độ dòng chảy tại từng thời điểm của mỗingày và các ngày trong năm của khu vực khảo sát nghiên cứu, cụ thể là khuvực tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đây chính là lý do để NCS lựa chọn,nghiên cứu và thực hiện đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng thửnghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tácdẫn tàuantoàn”.

Việc nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện khảo sát, đo đạc trực tiếptại thực địa trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng [34], kết hợp khảo sát thuthậpbộdữliệuđođạccủacáctrạmđomựcthủytriềuởtrênđoạnluồngcủa tuyến luồng hàng hải Hải Phòng (gồm các trạm: Arroyo, Sông Cấm và LạchHuyện) do Tổng Công ty Bảo đảm An toàn hàng hải Miền Bắc quản lý [45].Đây chính làhệ thống quan trắc và cung cấp thông tinm ự c t h ủ y t r i ề u t h e o thời gian thực mang tính tức thời tạituyếnl u ồ n g H ả i

P h ò n g , n h ằ m b ả o đ ả m an toànhànghảivà hoa tiêu hànghải. Điều quan trọng là NCS đã kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu trong đềtài luận án tiến sĩ với vấn đề nghiên cứu của đề tài Khoa học - Công nghệ cấpBộ Giao thông vận tải, mà NCS là thành viên thực hiện chính đề tài, là đồngtác giả viết cácchương của sách chuyên khảo(làm ộ t d ạ n g s ả n p h ẩ m k h o a họccủađềtàiKhoahọc-CôngnghệcấpBộGiaothông vậntải),cụ thể:

38: “Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy phục vụ công tácdẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải - Thực hiện thí điểm trên tuyếnluồng Hải Phòng”, mã số: DT183035 do PGS TS Phạm Kỳ Quang -

Chủnhiệm đề tài, NCS là thành viên thực hiện chính, cùng một số thành viên khácthamgia;

- Sách chuyên khảo10:“Ứng dụng CFD xây dựng bản đồ dòngỨng dụng CFD xây dựng bản đồ dòng chảytuyến luồng hàng hải” Nhà xuất bản Hàng hải, ISBN: 978-604-937-217-

9,02/2020, PGS TS TTr Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy (Chủ biên), NCSlàtác giảthựchiện chính,cùngmột sốtácgiảkhácthamgia.

Mặt khác, NCS là thành viên tham gia một số đề tài Khoa học -CôngnghệcấpBộGiaothôngvận tảikhác [25],[37],[39].

Mụctiêunghiên cứu củaluậnán

Xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hảiHảiPhòngphục vụcôngtácdẫntàuantoàn.

Đốitượngvàphạmvinghiên cứucủaluậnán

Sự thay đổi vận tốc và hướng của dòng chảy do hiện tượng thủy triềugâyra(dòngtriều)trêntuyến luồnghàng hải Hải Phòngtheothời gianthực.

- Phạmvinghiên cứu: Đưa ra dạng mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng,trên cơ sở thiết lập mô hình nghiên cứu, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys đểtính toán mô phỏng dòng chảy theo giờ và theo ngày Từ đó nghiên cứu xâydựng thửnghiệmbảnđồdòngchảytrong365ngày.

Việcnghiêncứuthựcnghiệm kếthợp vớikhảosát,đođ ạ c t h ự c t ế ngoài thực địa tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng và sử dụng số liệu theobảng thủy triều Việt Nam kết hợp số liệu tổng hợp tại các trạmđo mực thủytriều,sẽđưarasốliệuđầuvàolàvậntốcdòngchảy(Vdc)chínhxác,tincậyv à bám sát điều kiện biên, phục vụ xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồnghànghảiHảiPhòngsátvớithựctế.

Giới hạn không xét đến các vấn đề: Nguyên lý xây dựng bản đồ hànghải, nguyên nhân gây ra thủy triều và độ trễ thủy triều, các yếu tố ảnh hưởngđến thủy triều, hiện tượng biến đổi bất thường và cục bộ của điều kiện khítượng thủy văn trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, như: Lũ lụt, sóng,gió,mưa cục bộ,ngăndòng,hạnhán,… làmthayđổicục bộ dòngtriều.

Phươngpháp nghiêncứu củaluận án

Phươngphápnghiêncứu:Lýthuyết kếthợp với thựcnghiệm,cụthể:

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, về tuyến luồnghàng hải Hải Phòng, nghiên cứu cơ sở khoa học về động lực học dòng chảytrong tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu tính toán thủy triều trong hàng hải, cơsở khoa học chia các đoạn luồng trên tuyến luồng Hải Phòng để tính toán môphỏng, xây dựng mô hình nghiên cứu bám sát thực tế, mô hình toán,lựa chọnvà ứng dụng CFD với Fluent - Ansys tính toán mô phỏng dòng chảy tuyếnluồng HảiPhòngtheothờigianthực.

Nghiên cứu đề xuất mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải HảiPhòngphục vụcôngtácdẫntàuantoàn.

Thực hiện khảo sát, đo đạc dòng chảy thực tế ngoài thực địa tại cácđoạn của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đây là dòng chảy thực tế đã tínhđếnc á c đ i ề u k i ệ n ả n h h ư ở n g k h á c , đ ồ n g t h ờ i k ế t h ợ p s ố l i ệ u t ừ b ả n g t h ủ y triều và số liệu đo đạc của các trạmđo mực thủy triều trên các đoạn luồng,đểđưaradữliệuđầuvàolàvậntốcdòngchảy(Vdc)chínhxácvàtincậy,phụcvụx âydựngbảnđồ dòngchảytuyếnluồnghànghải HảiPhòngsát thựctế.

Ýnghĩakhoahọcvàthực tiễn của luậnán

- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học trong tuyến luồng hànghải và bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải, để xây dựng mô hình nghiêncứu bám sát thực tiễn, phục vụ tính toán mô phỏng bằng CFD với Fluent -Ansys Kết quả đạt được đã góp phần hoàn thiện một bước cơ sở lý luận liênquan đến vấn đề nghiên cứu và có đóng góp nhất định cho khoa học chuyênngành hànghải;

- Thiếtlậpcơ sởkhoahọc vàcácbướccơ bảnxâydựngthử nghiệmb ản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải, ứng dụng thử nghiệm tại tuyến luồnghàng hải Hải Phòng Từ cơ sở lý luận này có thể mở rộng áp dụng cho cáctuyến luồng hànghảikhác phụcvụ công tác dẫn tàuan toàn. Ýnghĩathực tiễn:

- Đã kết hợp chặt chẽ cơ sở khoa học lý thuyết đặc thù liên quan đếnkhoa học chuyên ngành hàng hải với thực tiễn hàng hải Xây dựng bộ dữ liệuvề dòng chảy trên các đoạn luồng của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng,kếthợp với đo đạc thực địa tại từng khu vực khảo sát, phục vụ xây dựng bản đồdòng chảy và tính đến từng bước hoàn thiện công nghệ tính khả thi trong tíchhợp vớihảiđồđiệntửtại khuvựckhảosát.

- Xây dựng bản đồ dòng chảy trên đó thể hiện hướng, vận tốc dòngchảy trực quan, tường minh và mang tính liên tục trên tuyến luồng hàng hảiHải Phòng theo từng giờ, từng ngày trong năm khảo sát Việc sử dụng bản đồdòngchảy bước đầu thay thế bảng thuỷ triều, giúp hoa tiêu,thuyềnt r ư ở n g dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải an toàn, đặc biệt khi tàu thay đổi hướngchuyển động trên một số điểm có nguy cơ mất an toàn cao,khúc cua gấp, cóthể theo dõi liên tục hướng, tốc độ dòng chảy theo từng giờ trong ngày mộtcách liên tục, chính xác và tường minh Vấn đề này có ý nghĩa thực tiễn, đónggóp nhấtđịnhchochuyênngành khoa họchànghải.

Những điểmđónggóp mới củaluậnán

- Đềx u ấ t p h â n c h i a t u y ế n l u ồ n g t h à n h c á c đ o ạ n l u ồ n g p h ù h ợ p t í n h chất và đặc thù của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Xây dựng quy trìnhchung ứng dụng CFD với Fluent- A n s y s t í n h t o á n m ô p h ỏ n g d ò n g c h ả y tuyếnluồnghànghải,đồngthờiá p d ụ n g c h o đ ố i t ư ợ n g c ụ t h ể l à t í n h toán môphỏng dòngchảytuyến luồnghàng hảiHảiPhòng.

( kxd).Đ ặ c b i ệ t p h ư ơ n g p h á p x á c đ ị n h đ i ề u k i ệ n b i ê n làv ậ n t ố c d ò n g c h ả y ( V dc) đãt í n h đ ế n h a i h ệ s ố h i ệ u c h ỉ n h t h ự c nghiệmklhvà kdc.

- Đưa ra mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, thểhiệnchitiếthướngvàt ố c đ ộ d ò n g c h ả y l i ê n t ụ c t h e o t h ờ i g i a n t h ự c , phụcvụ côngtácdẫntàuantoàn.

Kếtcấucủaluậnán

Tổngquan vềvấn đềnghiêncứu củaluận án

Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu, tìm tòi tài liệu và phân tích cụ thể lĩnhvực nghiên cứu của luận án với các công trình đã công bố liên quan ở trongnướcvàthếgiới,cóthểkể đến một số côngtrìnhtiêu biểusau:

Trên thế giới, đặc biệt là hãng sản xuất Admiralty chart and publications(Vương quốc Anh) đã sản xuất các loại bản đồ, hải đồ, ấn phẩm hàng hải, phục vụ công tác hàng hải, công tác dẫn tàu phát triển rất rực rỡ và được sửdụng rộng rãi trên thế giới[58], [75] Trên các hải đồ giấy do Anh sản xuất(British Admiralty chart-BA chart) cũng không xuất hiện hướng và tốc độdòng chảy liên tục, nếu có cũng chỉ xuất hiện tức thời hướng dòng chảy tạimột điểm hay khu vực nào đó của hải đồ, hoặc xuất hiện một số điểm đánhdấu thủytriềuvà đượcgiảithíchởphíagóc củahảiđồ.

Cụ thể, các hải đồ do Anh sản xuất liên quan đến khu vực Hải Phòng,như: BA chart № 1965, 3875, 3881 và ngay cả bình đồ (hải đồ cảng - Habourchart) Hải PhòngBA chart № 3882[ 5 8 ] ,trên đó không xuất hiện hướng vàtốc độ dòng chảy của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Ấn phẩm hàng hải củaAnh số 30, tập 1 (BA China Sea Pilot, Vol 1, NP 30) cũng chỉ giải thích thủytriều,dòngtriềukhuvực liênquan của HảiPhòng[58].

Các hãng sản xuất của Mỹ, Úc, Nga, cũng sản xuất hải đồ, bản đồ,ấnphẩm hàng hải, sử dụng riêng cho vùng lãnh thổ, khu thủy nội địa của mình.Trong các ấn phẩm hàng hải đã có bản đồ dòng chảy trên các bề mặt đạidươngthếgiới[74],[75].Bảnđồnàygiúpchothuyềntrưởng,sĩquanhànghải có cách nhìn tổng quan và tham khảo về hệ thống dòng chảy trên thế giới,một phần giúp íchtrongcôngtáchànghải,đặcbiệt làhànghảikhí tượng.

Ngoài ra, một số công trình công bố liên quan sử dụng phương pháp sốtínhtoán mô phỏngdòng triều tạiVịnh BắcBộ[60],[63],[64],…:

- Năm1998,Manh,D.V,andYanagi.T.“Athreedimensionalnumericalmo deloftideandtidalcurrentintheGulfofTongking”.OceanographicLiterature

- Năm 1999, Fang G Kwok, Y K, Yu K, and Zhu Y.

“Numericalsimulation of principal tidal constituents in the South China Sea,

- Năm 2000, Manh D V and Yanagi T “A study on residual flow intheGulf ofTongking”.Journalof oceanography,56(1): 59-68.

- Năm 2014,Minh N N, Patrick M, Florent L, Sylvain O, Gildas. C,Damien A, and Van Uu D “Tidal characteristics of the gulf of

Ngoài ra, còn nhiều nhà khoa học, chuyên gia nước ngoài có công trìnhkhoa học, tài liệu khoa học công bố liên quan đến ứng dụng CFD với Fluent -Ansys để tính toán mô phòng động lực học dòng chảy trong những điều kiệnvàmôitrườngkhác nhau,như[56],[57],[59],[61],[71].

Việc xuất bản hải đồ hàng hải do Quân chủng Hải quân thực hiện trêncác vùng biển của Việt Nam Tuy nhiên, số liệu đo đạc, dữ liệu được thamkhảo từ dữ liệu hải đồ Anh Trên hải đồ giấy hay ngay cả bình đồ, chẳng hạntrên tờ bình đồ I-25-022 - Lối vào cảng Hải Phòng(hình 1.1),tờ bình đồ I- 25-031 - Từ Lạch Huyện đến Hòn Dấu(hình 1.3) cập nhật tháng 9/2020 [42],không thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy liên tục, nếu có xuất hiện thì cũngchỉ mang tính tức thời hướng dòng chảy tại một điểm hay khu vực nào đó củabình đồ.

Tương tự các tờ bình đồ khác do Quân chủng Hải quân thực hiện cũngkhôngthểhiệnhướngvà tốc độdòng chảyliêntục[29].

Hiện nay Tổng công ty Bảo đảm an toàn hàng hải Miền Bắc và Tổngcông ty Bảo đảm an toàn hàng hải Miền Nam, đang xây dựng các hải đồ điệntử cho các khu vực của Việt Nam, trong đó có khu vực Hải Phòng[46].Trêncác hải đồ điện tử khu vực tuyến luồng Hải Phòng đều không thể hiện chi tiếthướngvàtốcđộdòngchảytạicácthờiđiểmkhácnhautrongngày.Cụth ể,thứ tự các đoạn luồng trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng từ cảng chính raphao số 0, phục vụ công tác dẫn tàu, được mô tả dưới dạng hải đồ điện tử theohình 1.5đếnhình1.10.

Hình 1.5 Đoạn luồng Vật Cách - Sông Cấm - Phà

Hình1.6 Minh họaphóng tomộtkhuvựctrên đoạnluồng VậtCách -Sông Cấm-PhàRừngcủatuyếnluồng hànghải HảiPhòng

Hình 1.7 Đoạn luồng Bạch Đằng - Hà Nam - Nam

Bạch Đằng-HàNam-NamTriệu củatuyến luồng hàng hải HảiPhòng

Hình1.9 Đoạn luồngLạchHuyện trênhảiđồVN4HP003

Hình 1.10 Minh họa phóng to một khu vực trên đoạn luồng Lạch Huyện củatuyến luồnghànghảiHải Phòng Phân tích các số liệu về dòng chảy từ hình 1.5 đến hình 1.10, đặc biệt làcác hình ảnh minh họa phóng to cho một khu vực trên đoạn luồng (hình 1.6,hình 1.8 và hình 1.10), nhận xét rằng: Trên hải đồ điện tử tuyến luồng HảiPhòng do Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc xây dựng, cậpnhật và bổ sung 9/2020[46], như:VN4HP003, VN4HP005, VN4HP007 đềukhôngthểhiệnhướngvàtốc độdòngchảytrên tuyếnluồnghànghải.

Trong nước: Tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Trường Đại họcKhoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc Gia Hà Nội, Trường Đại học Báchkhoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh,TrườngĐạihọcThủylợi,ViệnKhoahọcThủylợiViệtNam,… mộtsốtácgiảnghiêncứuvà côngbố mộtsố vấnđềliênquan:

- Các tác giả thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, như: GS. TS.Lương Công Nhớ, PGS TS Phạm Kỳ Quang, PGS TS Nguyễn Cảnh Sơn,TS Bùi Văn Cường, Nguyễn Sỹ Kiêm, TS Vũ Văn Duy, TS Nguyễn TháiDương, đã có công trình khoa học, tài liệu khoa học công bố kết quả về thờitiếtbiểnvàhảidươnghọc,thủytriềuvàtínhtoánthủytriềutronghànghả i, động lực học dòng chảy bao, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toánmô phỏng dòng chảy ảnh hưởng đến ổn định tàu, xâm thực bánh lái, quỹ đạochuyểnđộngtàuthủytrêntuyến luồnghànghải,…

- Các tác giả thuộc Trường Đại học Giao thông vận tải thành phố HồChí Minh, như: PGS TS Nguyễn Xuân Phương, PGS TS Nguyễn PhùngHưng, TS Cổ Tấn Anh Vũ, TS Nguyễn Thành Nhật Lai,… đã có các côngtrình khoa học công bố một số kết quả về tính toán thủy triều trong hàng hải,ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng dòng chảy ảnhhưởngđ ế n x â m t h ự c c h â n v ị t , b á n h l á i t à u t h ủ y , t í n h t o á n m ô p h ỏ n g d ò n g chảybaoquanhtàu thủy,dòngchảykhu vực neođậu,

- Các tác giả thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, như [20]: GS.TSKH Vũ Duy Quang, GS TS Nguyễn Thế Mịch, PGS TS Lương NgọcLợi, PGS TS Lê Quang, PGS TS Trương Việt Anh, PGS TS Phạm ThịThanhH ư ơ n g , P G S T S N g ô V ă n H ệ , … đ ã c ô n g b ố k ế t q u ả v à t í n h t o á n động lực học dòng chảy, thủy khí động lực học, vấn đề xác định lực cản tàu,ứng dụng CFD để tính toán mô phỏng tác động dòng chảy các bài toán máythủylực cánhdẫnnhưbơm,tua bin,chânvịt tàuthủy,…

- Các tác giả Trường Đại học Khoa học tự nhiên thuộc Đại học QuốcGia Hà Nội, như: GS TS Đinh Văn Ưu, GS TS Trần Tân Tiến, GS. TS.Phan Văn Tân, PGS TS Phạm Văn Huấn, Phan Văn Vỵ, TS Nguyễn ThanhSơn,… đã công bố kết quả liên quan đến cơ sở hải dương học, tính toán tronghải dương, động lực học biển, tính toán thủy văn, phương pháp tính toán thủytriều,dòngchảy,thống kêtrongkhítượng,…

- Tác giả Trần Văn Chung và Bùi Hồng Long, có các công trình khoahọc công bố kết quả nghiên cứu liên quan đến tính toán dòng chảy trên tạp chíkhoahọcchuyên ngànhhoặc trongkỷyếu hội nghịquốctế,như[22],[49]:

Năm 2007, “Một số kết quả tính toán dòng triều bằng mô hình ba chiều(3D)cho Vịnh BắcBộ”.Tạp chí KhoahọcvàCông nghệBiển,7(4),tr.10-26.

Năm 2015, “Một số kết quả tính toán dòng chảy trong Vịnh Bắc

Bộbằng mô hình ba chiều phi tuyến” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; tập15,số4,tr.320-333. a) b)

Hình1.11Minhhọakếtquảtínhtoán mô phỏng: a)Lưới chiadạng tamgiác; b) Phânbốtrườngdòng chảytổnghợp trênmặt biển Vịnh Bắcbộ

Hầu hết trong các công trình khoa học công bố của hai tác giả đã sửdụngphươngpháp phần tửhữuhạn, bằngmôhình bachiều(3D)đểm ô phỏng hệ thống dòng chảy trong một số khu vực, trong đó có Vịnh Bắc Bộ.Các kết quả tính toán cho thấy sự phân bố của dòng chảy gió và dòng chảytổng hợp (dòng chảy do gió, triều và mật độ) theo không gian và thời gian cótínhđếnyếutốmùa và theođộsâu.

Tổngquanvềtuyến luồnghànghải HảiPhòng

Hải Phòng là thành phố trọng điểm kinh tế phía Bắc là cửa ngõ quốc tếthông ra biển của vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc.Khu vực cảng biển HảiPhòng là một trong ba khu vực cảng biển lớn nhất Việt Nam, là đầu mối lưuthônghànghóachínhcủakhu vựcmiềnBắcbằngđườngbiển[24],[43].

Trong quy hoạch hệ thống cảng biển của Việt Nam đến năm 2020 tầmnhìn đến năm 2030 [43], cảng biển Hải Phòng là hệ thống cảng tổng hợp quốcgiavàcửangõquốctế.CảngcửangõquốctếLạchHuyệnđượcquyhoạ ch xây dựng là khu bến cảng thương mại cho tàu trọng tải lớn, tiếp nhận tàu chởcontainerloại4000-6000TEU,tàuchởhàngtổnghợptừ50.000DWTđến 80.000 DWT Cảng Lạch Huyện giữ vai trò quan trọng trong hệ thống cảngbiểnViệtNam.Đâylàcảngtổnghợpđápứngnhucầuxếpdỡhànghoávậnt ải bằng đường biển ngày càng tăng của các tỉnh, thành phố, khu công nghiệp,khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, đặc biệt là vùng tam giác kinh tế Hà Nội - HảiPhòng - Quảng Ninh và nhu cầu hàng hoá quá cảnh của các tỉnh phía NamTrung Quốc. Trong thời gian tới, cảng Lạch Huyện tăng cường chức năngtrung chuyển containerchokhu vựcphíaBắcvàkhuvựcĐôngNamÁ.

Luồng Hải Phòng gồm các đoạn chính: Lạch Huyện, Hà Nam, BạchĐằng, Sông Cấm, Vật Cách, Phà Rừng và Nam Triệu, nổi bật với một số đặcđiểmcơ bản[51],[75]:

- Nhiều khúc cong, khúc cua gấp, nhiều nhánh sông, khu vực nông cạncụcbộ.Hệthốngluồng ra,vàocảng Hải Phòng chưađượccải tạođồngbộ.

- Luồng Nam Triệu thường xuyên bị sa bồi, nên tàu biển ra, vào cảngchủ yếutậptrungqualuồng Lạch Huyện,kênh HàNam.

- Đây là đoạn luồng hẹp, được thiết kế một chiều với rất nhiều khu vực,có giới hạn tốc độ8 hải lý/giờvà mậtđộ tàu thuyềntập trung vàot h ờ i g i a n giờ nước lớn trong ngày, dẫn tới tổ chức thực hiện điều tiết tàu thuyền ra, vàocảng gặprất nhiềukhókhănvàluôntiềmẩnnguycơmất an toàn.

- Tuyến luồng Hải Phòng là luồng một chiều,c ó g a t r á n h v ớ i đ ộ s â u của luồng còn hạn chế và bề ngang luồng chạy tàu hẹp, nhiều nơi không thểtránh,vượtnhauđược. Đối với đoạn luồng Lạch Huyện, mật độ tàu ra vào cảng Hải Phòng chủyếu, trung bình mỗi ngày khoảng 70 lượt tàu biển ra vào Số lượt tàu vàphương tiện thủy nội địa hoạt động tại khu vực cảng biển Hải Phòng rất lớn,năm 2019 gần 20.000 lượt tàu biển Bảng 1.1 mô tả các thông số thiết kế củatuyến luồng HảiPhòng [24],[51],[75]:

Thôngsốluồngthiếtkế Bán kínhco ng nhỏnhất

HảiPhòng 72.1 ĐoạnLạchHuyện 17.7 100 -7,2 0/1 ĐoạnkênhHàNam 5.9 80 -7,0 1/7 1300 ĐoạnBạchĐằng 8.8 80 -7,0 0/1 1050 Đoạn Sông Cấm 10.6 80 -5,5 0/1 925 ĐoạnVậtCách 9.7 60 tựnhiên

Vùng quaytrở tàu hạ lưu cảng Cấm R 0m -5,5 0/1

Hệthốngphaobáo hiệuhànghải trêntoàntuyếnluồng hànghảiHảiP hòngmôtảtrongbảng1.2 [24],[75].

Số lượng phaobáohiệucác loại(chiếc)

Hình 1.12 minh họa về sơ đồ bố trí hệ thống phao, báo hiệu hàng hảicủađoạnluồngNamTriệuvàLạchHuyệntrêntuyếnluồngHảiPhòng.

Hình 1.12 Sơ đồ bố trí hệ thống phao, báo hiệu hàng hải của đoạn luồng

NamTriệuvà LạchHuyện trêntuyếnluồng HảiPhòng Theo thống kê, tổng hợp và phân tích tình hình tai nạn hàng hải tronggiaiđoạntừ2015-

2019,trêncơsởcácsốliệutừbáocáotainạnhànghảicủa Cục Hàng hải Việt Nam trong các năm và báo cáo số liệu tai nạn hàng hảitại vùng nước cảng biển Hải Phòng của Cảng vụ Hàng hải Hải Phòng [24],[27], [75],được môtả theobảng1.3.

Bảng 1.3 Số liệu thống kê loại tai nạn và số vụ tai nạn hàng hải tại vùng nướccảng biểnHảiPhòng

Trên các đoạn luồng của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng đặt các trạmquantrắc mực thủytriều,cụthể [45],[75]:

8 4 : φ = 20 0 49 ’ 54 ’’ N; λ = 106 0 49 ’ 16 ’’ E, đặt trên đoạn luồng Bạch Đằng,khu vựcgiao nhau của sông Cấm và sông Bạch Đằng Trạm Arroyo bắt đầu hoạt độngtừ 10/2013, tuy nhiên do sự cố tai nạn hàng hải vào tháng 5/2018 và tạm thờingừng hoạt động, hiện tại trạm đang tích cực sửa chữa, hồi phục và dự kiếncuốinăm2020hoạtđộngtrởlại.

- Trạm Lạch Huyện lắp đặt tại tiêu C, thuộc chập CD, tọa độ theo hệWGS-84: φ= 2 0 0 49 ’ 19 ’’ N; λ = 106 0 54 ’ 28 ’’ E, trên đoạn luồng Lạch Huyện -Hà Nam,gần khu vực giao nhau của các tuyến luồng sông Cấm, Nam Triệu,Cái Tráp và kênh Hà Nam của sông Cấm.T r ạ m L ạ c h H u y ệ n b ắ t đ ầ u h o ạ t động từtháng9/2018đếnnay.

- Trạm Sông Cấm lắp đặt trên đèn Tây Vàng Chấu, tọa độ theo hệWGS-84: φ = 20 0 52 ’ 43 ’’ N; λ = 106 0 42 ’ 16 ’’ E, trên đoạn luồng Sông Cấm,khuvực giao nhau của sông Cấm và sông Ruột Lợn Trạm Sông Cấm bắt đầu hoạtđộngcùng với trạm LạchH u y ệ n , t ừ t h á n g 9 / 2 0 1 8

T u y n h i ê n t h á n g 1 0 / 2 0 1 9 bị sự cố hư hỏng thiết bị, đang chờ thiết bị để sửa chữa và khôi phục hoạtđộng.Vìvậy,số liệumựcthủytriềucủatrạmnàychỉcóđến24/10/2019.

Các trạm quan trắc cung cấp thông tin chính xác tức thời về mực thủytriều với tần suất trung bình 10 phút/lần, ngoài ra cung cấp sức gió và hướnggió đếntrungtâmđiềukhiển.

Ngoài ra, mực thủy triều tại Hòn Dấu được dự báo hàng năm, đây chínhlà giá trị thủy triều dự báo tại Hòn Dấu, giá trị được nhập vào từ bảng thủytriềutươngứngtheonăm.

Tínhc h ấ t t h u ầ n n h ấ t h a y g ọ i l à n h ậ t t r i ề u , đ i ể n h ì n h l à k h u v ự c đ ả o Hòn Dấu [47] Hầu hết số ngày trong tháng (khoảng 25 ngày) thủy triều lênxuốngm ộ t l ầ n t r o n g n g à y Đ ộ l ớ n t r i ề u v ù n g n à y t h u ộ c l o ạ i t r i ề u l ớ n n h ấ t

Việt Nam, trung bình những ngày nước cường nhất 3 - 4 m Thời kỳ nướccườngthường xảy ra từ 2 - 3 ngày sau ngày Mặt trăng có độ xích vĩ lớn nhất,mực nước lên xuống nhanh, có thể đạt 0,5 m/giờ Thời kỳ nước kém thườngxảy ra từ 2 - 3 ngày, sau ngày Mặt trăng qua mặt phẳng xích đạo, mực nướclên xuống ít, có thời điểm gần như nước đứng Trong những ngày này thườngxuấthiệnhailần nướclớn hailầnnướcròngtrong ngày[17],[47],[75].

Vùng Quảng Ninh và lân cận Hải Phòng, trong một tháng có khoảng 1 -

3 ngàycóhai lần nước lớn,hailầnnướcròng.

Vùng Ninh Bình, Thái Bình và Bắc Thanh Hóa, tính chất nhật triều đãkémthuầnnhất,trongmộtthángcókhoảng5-

7ngàycóhailầnnướclớn,hai lần nước ròng Vùng Nam Thanh Hóa trở vào hàng tháng trung bình có từ8-

12 ngàycó hailầnnướclớn,hailầnnước ròng. Độ lớn thủy triều giảm dần từ Bắc vào Nam Trong ngày nước cườngđường biến thiên mực nước tại các địa điểm vùng này khá giống nhau. Thờigian triều dâng và thời gian triều rút chênh lệch nhau ít ở vùng Quảng Ninh vàHòn Dấu.

Thủy triều ngoài khơi phía Bắc đảo Bạch Long Vĩ mang đặc tính nhậttriều, gần giống đặc tính thủy triềutạiHòn Dấu,HònGai và CửaÔng.T ừ phíaN a m đ ả o B ạ c h L o n g V ĩ t r ở x u ố n g p h í a c ử a V ị n h B ắ c B ộ , t h ủ y t r i ề u mang những đặc tính và độ lớn tương tự như thủy triều ở dải ven biển, từ nhậttriềuđến bán nhật triều khôngđềuvới cườngđộgiảmdần từBắcvào Nam.

Thủy triều vùng ngoài khơi Đông Bắc và Đông của Vịnh Bắc Bộ tươngtựnhưthủytriều ởdảiven biểncủa miềnNamTrungQuốc.

Thủy triều khu vực dự án mang đặc trưng điển hình của chế độ thủytriềuve nb ờv ịn h B ắ c b ộ đ ó l àc h ế đ ộ n h ậ t tri ều t ư ơ n g đố i t h u ầ n k h i ế t v ớ i biên độ dao động lớn Thông thường trong ngày xuất hiện một đỉnh triều vàmộtchântriều.Mộtthángcó2kỳnướclớnvớibiênđộdaođộngmựcnướctừ2-4 m,mỗikỳkéo dài12 -13ngày. Ở thời kỳ nước kém tính chất nhật triều giảm đi rõ rệt, ngược lại tínhchấtbánnhật triềutănglên,trongngàyxuấthiện2đỉnhtriềuvà2chântriều.

PhânchiatuyếnluồnghànghảiHảiPhòngthànhcácđoạnluồngphụcvụ tínhtoán mô phỏng

Trên cơ sở tổng quan tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, nghiên cứu bìnhđồ liên quan tuyến luồng hàng hải Hải Phòng số VN4HP003, VN4HP005,VN4HP007, VN4HP008 của Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải MiềnBắc, các bình đồI-25-022, I-25-031của Bộ Tư lệnh Hải quân, hồ sơ quyhoạch khu vực cảng biển Hải Phòng của Cảng vụ hàng hải Hải Phòng và cáctài liệu liên quan Mặt khác, để phù hợp với tính chất và đặc thù tuyến luồnghàng hải Hải Phòng với nội dung giải quyết trong các chương tiếp theo, kếthợp nghiên cứu khảo sát thực tế tại thực địa trên tuyến luồng hàng hải HảiPhòng doNCS thực hiện,cósựthamgia củanhómnghiêncứu.

NCS thực hiện phân chia tuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành 10đoạn luồng phục vụ tính toán mô phỏng, theo số thứ tự từ cảng chính HảiPhòngđếnphaođầuluồng (phaosố 0)[10],[38],cụthểmô tảtrongbảng1.4.

Bảng1.4Tổnghợpvị trívàthôngsố thiếtkếcủa10 đoạnluồng

Vị trí điểm đầu và điểmcuốicủamỗiđoạnluồn g

Chiều rộngmặt thoáng/ chiềurộngtuyếnluồ ng

- Vịtríđiểmđầuvàđiểmcuốimỗiđoạnluồng,giớihạntừkmđiểm đầu đến km điểm tiếp theo, km điểm tiếp theo của đoạn đầu là đầu vào củađoạnsauvàtiếptục chođủ10đoạnluồng;

Từ kết quả trong bảng 1.4, thực hiện mô tả chi tiết hình ảnh 10 đoạnluồngtheohình 1.13đếnhình 1.22,trên đóchỉ rõ cácđiềukiệnbiên,như:

Hình1.13Môtả chitiếtđoạn1từkm44+400đếnkm43+200

Hình1.14Mô tả chitiếtđoạn2từkmkm43+200 đếnkm40+200

Hình 1.15Mô tả chitiếtđoạn3 từkm40+200 đếnkm38+800

Hình 1.16Mô tả chitiếtđoạn4từkm38+800đếnkm33+800

Hình 1.17Môtả chitiếtđoạn5từkm33+800đếnkm30+200

Hình 1.18Mô tả chi tiếtđoạn6từkm30+200 đếnkm26+600

Hình 1.19Môtả chitiếtđoạn7từkm26+600đếnkm24+600

Hình 1.20Mô tả chitiếtđoạn8từkm24+600đếnkm20+200

Hình 1.21Môtả chi tiếtđoạn9từkm20+200 đếnkm15+800

Hình 1.22 Mô tả chi tiết đoạn 10 từ km 15+800 đến km

- Đối với các đoạn luồng số 1, 2, 4, 6, 7, 10: Các điều kiện biên về mặtthoáng đoạn luồng, hai mép đoạn luồng, độ sâu, tim luồng, tương đối ổnđịnh, không có sự biến đổi nhiều, không có sự ảnh hưởng của dòng chảy khác(từ các nhánh sông, khúc cong, khúc cua, dòng chảy xiết hay xoáy cục bộ,…),vì vậy, việc đo đạc thực tế tại thực địa và việc tính toán mô phỏng tương đốithuận lợi.

- Đối với các đoạn còn lại (đoạn 3, 5, 8 và 9): Do tính chất và đặc điểmcủa đoạn luồng, có chứa các khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải [23],[34],[38],[39],cụthể: Đối với đoạn luồng số 3 (hình 1.23): Có chứa khu vực giao nhau củasông Cấm và sông Ruột Lợn Đây là khu vực hẹp, nhiều bãi bồi gần cửa sôngRuột Lợn, một bên là hệ thống cầu cảng chính Hải Phòng Độ sâu của luồngrất hẹp, hai bên mép so với tim luồng, độ sâu biến đổi phức tạp và hạn chế.Hơn nữa, tàu thuyền nhỏ, phương tiện thủy, thường xuyên chạy cắt ngang từsông Ruột Lợn vào sông Cấm và ngược lại Rất dễ gây nguy cơ va chạm vớitàu thủy đang nằm trong cầu cảng, hoặc bị mắc cạn phía bờ sôngRuột Lợn.Trên đoạn luồng cóđặt trạmquantrắcđomực thủytriềuSông Cấm. a) b) Hình1.23 Khuvựctiềmẩnmấtan toàn hànghảitrênđoạn luồng số3: a) Từ bình đồ số VN4HP007; b) Mô phỏng hình ảnh bám sát điều kiện biênĐốivớiđoạnluồngsố5(h ì n h 1.24):Cóchứakhuvựcgiaonhauc ủa sông Cấm và sông Bạch Đằng Đây là khu vực có nhiều bãi bồi phía gần cửasông Bạch Đằng Mật độ tàu và phương tiện thủy hoạt động dày đặc, tính chấttham gia giao thông thủy phức tạp, phương tiện thủy đổi hướng, cắt hướngthường xuyên xảy ra và không tuân thủ quy tắc nghiêm túc [23], [24], [38],[68]. a) b)

Hình 1.24 Khuvựctiềmẩnmất antoàn hànghảitrênđoạn luồng số5: a) Từbìnhđồsố VN4HP005;b)Môphỏnghìnhảnhbámsát điềukiện biên.

Vậnt ố c d ò n g c h ả y t ừ 2 k n o t s đ ế n g ầ n 3 k n o t s K h i t h ủ y t r i ề u d â n g , luôncóxuhướngđẩyhướngchuyểnđộngcủatàusangphíabờT h ủ y Nguyên Vì vậy, nguy cơ mắc cạn và đâm va khá cao tại khu vực này. Trênđoạnluồngnàycóđặttrạmquan trắc đomựcthủytriềuArroyo. a) b)

Hình 1.25 Khuvựctiềmẩnmất antoàn hànghảitrênđoạn luồng số8: a) Từbìnhđồsố VN4HP005;b)Môphỏng hình ảnhbámsát điều kiện biên. Đối với đoạn luồng số 8 (hình 1.25): Có chứa khu vực Bạch Đằng, giaonhau của các tuyến luồng sông Cấm, Nam Triệu, Cái Tráp và kênh Hà Namcủa sông Cấm Nhiều khu vực nông cạn phía đảo Đình Vũ và cửa sông BạchĐằng.Trên đoạnluồng cóđặttrạmquantrắcđomựcthủytriềuLạch Huyện.

Khu vực này có mật độ tàu, phương tiện tham gia giao thông đông đúc vàphức tạp Nhiều phương tiện thủy hoạt động không đúng tuyến luồng quyđịnh, thường xuyên cắt ngang để vào kênh Cái Tráp (đặc biệt đoạn phao

30 -32) Hơn nữa, đây là khu vực dòng chảy siết, tính chất dòng chảy không ổnđịnh,cónhiều khuneo đậu,khu vựcgatránh,bến phà hoạt động,…

- Đoạn luồng số 9 (hình 1.26): Có chứa khu vực giao nhau của kênhHàNam, kênh Cái Tráp và đường thủy nội địa đến Quảng Ninh (qua CáiBầu).Rất nhiều tàu nội địa, sà lan và phương tiện thủy, đi vào kênh Cái Tráp,cắtngang luồng(đặcbiệttạikhuvựccủa các cặp phao19-21-23). a) b) Hình1.26Khuvựctiềmẩnmấtantoàn hànghảitrênđoạn luồngsố9: a) Từ bình đồ số VN4HP003; b) Mô phỏng hình ảnh bám sát điều kiện biênNhiềut à u bi ển trọ ng t ả i lớ nq u a đ o ạ n l u ồ n g L ạ c h H u y ệ n , d ò n g c h ả y khá mạnh vận tốc gần 3 knots và không ổn định, mật độ giao thông dày đặc,đan xen tàu thủy và phương tiện thủy nội địa ra, vào kênh Cái Tráp và kênhHàNam,tăng nguycơmấtantoàn tàuthuyền khihànhtrình quakhuvực.

Giớihạnvấn đềnghiên cứu củaluận án

Giớihạnvấnđềnghiên cứu củaluận án tậptrungvào cácvấnđềsau:

- Tổng quan tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đặc biệt việc phân chiatuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành 10 đoạn luồng bám sát điều kiện biêncủa mỗi đoạn luồng, phục vụ thuận lợi cho công tác khảo sát, tính toán và môphỏng Trong đó phân tích và đánh giá cụ thể các khu vực tiềm ẩn nguy cơ tainạn hànghải trênmỗiđoạn luồngkhảosát;

- Xây dựng mô hình nghiên cứu, cơ sở toán học và lựa chọn ứng dụngCFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng hướng và vận tốc dòng chảytrên các đoạn được phân chia, trong đó tập trung các đoạn luồng có chứa khuvực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng vàcụ thểthựchiệntrênđoạnluồngsố8;

- Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trực tiếp bằng việc khảo sát,đo đạc thực tế ngoài thực địa tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, kết hợp sửdụng số liệu từ bảng thủy triều Việt Nam, lịch thủy triều Anh[62] và bộ sốliệu các trạm quan trắc đo mựcthủy triềuc ủ a L ạ c h H u y ệ n ,

A r r o y o , S ô n g Cấm Thực hiện cụ thể bộ số liệu của trạm Lạch Huyện để xây dựng bản đồdòngchảycho năm2020;

- Xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy trong 365 ngày (dưới dạngmẫu bản đồ dòng chảy) tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, góp phần dẫn tàu antoàn, thể hiện trực quan và tường minh vận tốc và hướng của dòng chảy theogiờvàtheongàycủa nămkhảosát;

- Dòng chảy trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng trong luận án chính làdòngt r i ề u ( d o h i ệ n t ư ợ n g t h ủ y t r i ề u g â y r a ) k h ô n g x é t đ ế n c á c h i ệ n t ư ợ n g biến đổi bất thường và cục bộ của điều kiện khí tượng thủy văn trên tuyếnluồnghànghải H ả i P h ò n g , nh ư:L ũ l ụ t , són g, gi ó, m ư a c ụ c b ộ , ngăn d ò n g , hạnhán,độtrễthủytriều,… làmthayđổicục bộdòngtriều.

Kếtluận chương1

Chương 1 đã tập trung nghiên cứu tổng quan vấn đề nghiên cứu và đạtđượckếtquả cơ bảnsau:

- Phân tích và đánh giá chi tiết tổng quan về tình hình nghiên cứu ởtrongnướcvàthếgiới củ a cáccông trìnhliên q ua n đếnluận ánm à nghi êncứu sinh thực hiện Từ đó rút ra kết luận rằng: Vấn đề nghiên cứu của luận ánmang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học, đóng góp thực tiễn khoa học chuyênngành hàng hải và không trùng lặp với các công trình nghiên cứu đã công bốtrongnướcvàquốctế;

- Phân tích và đánh giá tổng quan về tuyến luồng hàng hải HảiPhòng,gồm: Đặc điểm chung tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, đặc điểm khí tượngthủy văn hàng hải khu vực tuyến luồng Hải Phòng, hệ thống phao tiêu,báohiệu hàng hải tuyến luồng Hải Phòng, phân tích tình hình tai nạn hàng hải trêntuyến luồngHảiPhòng;

- Thực hiện phân chia tuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành 10 đoạnluồng phục vụ khảo sát đo đạc và tính toán mô phỏng Các đoạn luồng đượcphân chia bám sát điều kiện biên, phù hợp với tính chất và đặc thù của tuyếnluồngh à n g h ả i H ả i P h ò n g Đ ồ n g t h ờ i p h â n t í c h v à đ á n h g i á đ ặ c đ i ể m c ủ a từng đoạn luồng này Trên cơ sở này, phân tích và chỉ rõ bốn khu vực tiềm ẩnnguycơtainạn hànghảitrên cácđoạnkhảosát củatuyếnluồngHảiPhòng.

- Giớihạn cụthểphạmvinghiên cứutrong luận án.

Từ kết quả đạt được trong chương 1, chương 2 sẽ thực hiện cơ sở lýluận về động lực học dòng chảy và tính toán dòng chảy theo phương pháphàng hải Chương 3 thực hiện chương trình tính toán mô phỏng dòng chảy vớigiá trị đầu vào là vận tốc bám sát điều kiện biên, giá trị này có được trên cơ sởkếtquản g h i ê n c ứ u t h ự c n g h i ệ m tạit h ự c địakết h ợ p vớ i g i á trịt r o n g bả ngthủy triều Việt Nam Chương 4 xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyếnluồngHảiPhòngtrêncơsởkếtquảđạtđượctrongcácchươngtrướcđó.

SỞ LÝ LUẬN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY, ẢNHHƯỞNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẾN SỰC H U Y Ể N Đ Ộ N G C Ủ A

Cơsởlýluậnđộnglực họcdòngchảytuyếnluồnghànghải

Tuyếnl u ồ n g hà ng h ả i n ó i c hu ng v à tu yế n l u ồ n g h à n g hả i H ả i P h ò n g nói riêng là một dạng đặc trưng nổi bật của kênh hở, dòng chảy trong tuyếnluồng hàng hải cũng là một dạng đặc trưng dòng chảy trong kênh hở là dòngkhông áp, tức là không chịu ảnh hưởng của áp suất, do có mặt thoáng tiếp xúcvớikhôngkhí.Tuynhiên,hầuhếtdòngchảytrongcáctuyếnluồnghànghảil à dòngtriều,tức làdòng chảydothủytriềutạo nên. Để phân biệt hai trạng thái chảy tầng và chảy rối trong kênh hở haytrong tuyến luồng hàng hải dựa vào số Râynôn (ký hiệu là Re) Chảy tầng làkhi chất lỏng chảy thành từng tầng lớp riêng biệt, còn dòng chảy rối thì chấtlỏng chảy không tuân theo một trật tự nào, vì thế việc mô tả dòng rối là rấtphứct ạ p T h ự c t ế p h ầ n l ớ n c á c d ò n g c h ả y k h ả o s á t t r o n g c á c t u y ế n l u ồ n g hànghảilàdòngrối [1],[13].

Khi 500 < Re< 2320 là dòng chảy chuyển tiếp;Khi Re> 2320là dòngchảyrối.

Fr=1làdòng tớihạn(Critical flow);

MộtsốhìnhảnhdòngchảyvớibướcnhảythủylựctươngứngvớicácsốFr khác nhautheohình2.1 a) b) c) d) e)Hình 2.1 Mộtsốhìnhảnhdòng chảytrongluồngứngvới giátrịsốFroude: a)Fr= 1 ÷1,7;b) Fr= 1,7÷2,5;c)Fr= 2,5÷4,5;d) Fr= 4,5 ÷9,0;e)Fr> 9,0

Dòng chảy trong tuyến luồng hàng hải có thể tồn tại dòng chảy ổn địnhđềuhoặcdòngchảyổnđịnhkhôngđều,cụthể[4],[6]:

Xét về động lực học đối với dòng chảy ổn định đều trong tuyến luồnghàng hải khi lực cản và trọng lực cân bằng nhau, nghĩa là thỏa mãn đồng thờiđiềukiện:

Xét về mặt động lực học, đối với dòng chảy không đều trong tuyếnluồng hàng hải (các thông số về độ sâu, độ mái dốc của các đoạn luồng theobảng 1.1), khi lực cản và trọng lực không cân bằng nhau, nghĩa là một trongnhữngđiềukiệnsauđâyđược thỏa mãn:

+Có kích thướcvà hình dạngmặtcắt, hoặcmột trong haiy ế u t ố đ ó thayđổidọctheodòngchảy.

+Có công trìnhluồng,như: Đậptràn haybậcnước,

Nghiêncứudòngchảy không đều hay còn gọi là đườngmặtn ư ớ c khôngđều,cần chúýquyluậtthayđổicủachiềusâudọctheodòng chảy.

Thôngt h ư ờ n g đ ố i v ớ i m ỗ i t u y ế n l u ồ n g h à n g h ả i , c ụ t h ể t u y ế n l u ồ n g Hải Phòng, thì sự biến đổi của dòng triều là nhật triều thuần khiết, trong 1tháng khoảng 25 ngày có 1 lần nước lớn và 1 lần nước ròng, độ lớn triềuở đâythuộcloại lớn,khoảng3m- 4mvàothờikỳtriềucường.

Mặt khác, tuyến luồng hàng hải có kích thước và hình dạng mặt cắtkhông đều, thay đổi dọc theo dòng chảy nên dòng chảy trên các tuyến luồnghàng hải là ổn định không đều Hiện nay, các thông số về vận tốc và hướngdòng chảy trên tuyến luồng hàng hải có được thông qua sự nội suy từ dữ liệucủa bảng thủy triều Việt Nam, hay số liệu đo tức thời trạm đo mực thủy triều,dođókếtquảthiếu chính xác,khôngtrựcquanvàkhôngcó tínhliên tục.

Dòngchảyổnđịnhđềutrongtuyếnluồnghàng hải a) b) Hình2.2Minhhọahình ảnhdạngtuyến luồnghànghảikhảosát

Dòng chảy ổn định đều chỉ có thể xảy ra trong các kênh lăng trụ (mặtcắt ngang không đổi) và khi tổn thất năng lượng dọc theo dòng chảy cân bằngvới độ giảm thế năng do độ dốc đáy kênh tạo ra Các điều kiện này chỉ xảy ratrong kênhnhântạohaytuyến luồnghànghảinhântạo.

Xét trường hợp hình ảnh tuyến luồng hàng hải theo hình 2.2, trong đó:Từhình2.2a:

P-chuviướt,A-diệntíchmặtcắtngangtuyếnluồng,Rh- bánkínhthủylực,b0-chiềurộngcủaluồng.

- Ứngsuấttiếpτtheotheophươngx:Lớnnhấttạiđáyluồngvàgiảmdầnlê n mặt thoáng;

- Gradienvậntốc dV: Thểhiệngiátrịlớnnhấtởđáyluồngvàgiảm dy dầntới mặt thoáng luồng hànghải.

Hình 2.3 Biểu diễn mức năng lượng cho đoạn luồngViếtphương trìnhBecnoulli chohai điểm1 và2,nhận được: p V 2 p V 2

2g (2.7) Ởđâyviệctínhto án đãgiả địnhprofilvậntố clàđồngđ ều trêntoàn mặt cắtngangcủađoạnluồng(coichấtlỏng làlýtưởng).

Dòng chảy thực trong tuyến luồng hàng hải là dòng chảy rối và khôngđều, chất lỏng có tính nhớt Ảnh hưởng của đáy và bờ tức là ảnh hưởng củakíchthướcvàhình dạngmặt cắttuyến luồngđángkểtớiprofilvậntốc.

Hình 2.4 mô tả những phần tử lỏng ở sát đáy có vận tốc biến thiên lớndần, ngoài ra do chất liệu đáy là tự nhiên sẽ tồn tại điểm chảy xoáy do dòngchảy va vào các mô cản Điều này dẫn tới năng lượng của dòng chảy bị tổnthất theo quãng đường di chuyển của dòng chảy Ảnh hưởng của bờ tới dòngchảy trong tuyến luồng cũng tương tự như ảnh hưởng của đáy Ngoài ra ảnhhưởng của hình dạng dòng chảy (uốn cong, giao nhau của nhiều dòng chảy,cácvậtcản,…) cũnglàmnănglượngdòngchảybị thayđổi [8],[10],[67].

Mộtsốphươngtrìnhmôtảchuyển độngvà nănglượng dòngc h ả y trongtuyếnluồnghànghải[2],[6],[13]:

-Phươngtrình Navier-Stokes (viếtởdạngvéctơvàhình chiếu) d V 1

Trongđó: ui- thành phần vận tốc theo 3 phương x, y, z;P-ápsuất;

là ba thành phần hình chiếu tương ứng lên ox, oy, oz;V1-vận tốc trungbình tại mặtcắt 1-1;

V2- vận tốc trung bình tại mặt cắt 2- 2;g- gia tốctrọngtrường;

F  x,y,z - l ự c k h ố i đ ơ n v ị v à b a t h à n h p h ầ n h ì n h c h i ế u t ư ơ n g ứnglênhệtọađộ oxyz; h12-tổnthấtnănglượngcủadòngchảytừ mặtcắt 1-1đến2-2;

 u p - áp suất của chất lỏng;div -toántử: div  V     v  (2.13)

Tínhtoánthủytriềutronghànghải

- Do cơ quan Thuỷ văn Vương quốc Anh xuất bản hàng năm Đây làmột tài liệu quan trọng dùng để dự đoán thủy triều cho các cảng trên thế giới.Lịch được chia thành các tập (khu vực hay vùng) bao phủ hầu hết các cảngtrên thế giới,cụthể:

Tập 1A: Vương quốc Anh ( Từ Kênh Anh đến sông

Tập 2: Bắc Đại Tây Dương và vùng Bắc cực.Tập3:ẤnĐộDương.

Dương.Tập 5: Biển Đông và

Tập8: Đông NamĐại TâyDương,TâyPhivàĐịa TrungHải.

-Nội dung cơbảncủa mỗi tập,gồmbaphần chínhsau:

PhầnII:Lượnghiệu chỉnhthời gian và độ cao củac ả n g p h ụ s o v ớ i cảng chính.

Phần III: Hằng số điều hoà tính độ cao thủy triều.PhầnIIIa: Hằngsố điềuhòatínhtoán dòngtriều.

-Mộtsố khái niệmdùng trong lịchthủytriều Anh:

Cảng chính (Standard port) là cảng có quy luật biến đổi thủy triều đặctrưngchomộtnhómcảngthuộcmộtkhuvựcđịalý.Cảngchínhđượckh ảosátkỹvàdựtínhthủytriềulậpthànhbảngthuộcphầnItronglịchthủytriều.

Cảng phụ (Secondary port) là các cảng có quy luật biến đổi thủy triều,gần giống cảng chính tương ứng trong vùng Cảng phụ dự tính thủy triềuthôngquacảngchínhcủanó,lượng hiệuchỉnh cho ởphần II lịchthủytriều.

Thời gian áp dụng trong lịch thủy triều Anh là giờ chuẩn (Standardtime) dùng cho từng địa phương, đó chính là giờ múi (Time zone) áp dụng chotừng cảng Trong lịch thủy triều, giờ múi áp dụng cho cảng chính cho ở phần Icòn cảng phụ cho ở phần II Khi tính toán thủy triều cho cảng nào đó, phảikiểm tra xem giờ múi được áp dụng thực tế tại đó có đúng với múi cho tronglịch thủy triều không ? Nếu có sự không thống nhất đối với múi giờ tại cảngchính hay cảng phụ so với giờ thực tế thì phải hiệu chỉnh Thực chất là phảiđảm bảo giờ sử dụng dự đoán thủy triều trong lịch phải là giờ đang áp dụngngoài thực tế Giờ chuẩn tại các địa phương có thể tham khảo danh mục tínhiệu vô tuyến ALRS (Admiralty List of Radio Signals

- Volume 2 - NP 282) tuchỉnh theophần IVtrongthôngbáohànghải hàngtuần. Độcaothủytriều trongbảngtính bằng mét so vớisố "0"hải đồAnh.

Mỗi cảng chính có một họ đường cong để tính toán độ cao thủy triều tạithời điểm giữa nước lớn nước ròng Gồm hai đường cong, đường liền nét(Spring curve) tương ứng với sự biến đổi thủy triều trung bình thời kỳ sócvọng Đường đứt nét (Neap curve) tương ứng với biến đổi thủy triều trungbìnht h ờ i k ỳ trựct h ế H o ặ c c h ỉ c ó m ộ t h ọ đ ườ ng c o n g đ ể t í n h t o á n đ ộc a o thủy triều tại thời điểm giữa nước lớn nước ròng Gồm ba đường cong dạnghàm (cosin) tương ứngsự biến đổi thủy triều có biên độ thời gian là 5 giờ, 6giờ và7giờ.

-Bảng thủy triều Việt Nam cho kết quả dự tính giờ và độ cao nước lớn,nước ròng cùng với độ cao mực nước lớn từng giờ đối với các cảng chính vàcác tài liệu suy ra các đặc trưng thủy triều tại các điểm phụ ở biển hoặc vùnghạlưucácsông.

Tập I: Hòn Dấu, Hòn Gai, Cửa Ông, Cửa Hội, Cửa Gianh, Cửa Việt.TậpI I : Đ à N ẵ n g , Q u y N h ơ n , N h a T r a n g , V ũ n g T à u , c ả n g

TậpIII:HồngKông,KomPongSom,Singapore,BăngCốc.

Bảngchính:Độcaomựcnướclớntừnggiờ;giờvàđộcaonướclớn,n ướcròngtạicác cảngchínhtrongtập.

Bảng phụloại1:Bảngtra độcaothủytriều tạimộtsốcảngphụtheođộcaodựtính tạicảngchính.

Bảngphụ loại2:Bảnghiệu chỉnhgiờchocảngphụ sovới cảngchính.

Thể hiệnsự biến đổi củam ự c n ư ớ c b i ể n d ư ớ i t á c đ ộ n g c ủ a l ự c t ạ o triều có dạng đường cong biến đổi phức tạp được triển khai thành sóng đơngiản đều đặn và đường cong thể hiện sóng đơn giản đó có tính chất của mộtdao độngđiều hòađơn giản biểudiễn dưới dạng [5],[9],[12],[17],[47]: r

H- biênđộtrungbìnhcủasóngphụthuộcvàođiềukiệnđịalývàkhôngđổivớimộtvịtríđ ã chọn; f- hệsốsuygiảmphụthuộcvàođiềukiệnthiênvănvàđượctínhtheoquyluậtchuyể n động của các thiênthể; q- vậntốcgóccủasóngtriều(khôngphụthuộcvàođiềukiệnđịalývàkhôngthayđổi đốivớimỗisóng); t-giờmặt trời trung bình;

(v 0 u)- đượcc o i l à đ ố i s ố t h i ê n v ă n b a n đ ầ u , t í n h t h e o q u i l u ậ t chuyển độngcủacácthiênthểvàtính từ00giờngàyquantrắcđầutiên; g-gócvịcủasóngtriều, phụ thuộcvào điều kiện địalý vàkhông đổi với mộtđịađiểmđãchọn. Ảnh hưởng của điều kiện địa lý địa phương của điểm khảosátđ ư ợ c đưa vào bằng các hiệu đính cho biên độ và pha của mỗi sóng triều Như vậy,biểu thứccủa độcaomựcnướcthực đo sẽ cód ạ n g t ổ n g c ủ a n h ữ n g s ó n g điềuhòađơngiảndạng:

Trongđó: A0- độ cao mực nước trung bình;i-sóngtriềuthứi.

Tóm lại: H và g là hai giá trị xác định dựa trên cơ sở chỉnh lý các quantrắcdaođộngmựcnướcbiểnvàkhôngđổivớimộtđịađiểmđãchọn(cóthểlà tr ạ m ) đ ư ợ c g ọ i l à h ằ n g số điềuhòa t h ủ y triều.Để t í n h h ằn g số đi ều hòat hủytriềuHvà gthìcầnxácđịnhgiá trịRvà n n n n n

Tínhtoánthủytriều bằngphương pháphằngsốđiềuhòa Độcaothủytriều theo phươngphápphântíchđiềuhòa: hZ 0   f 1 1 H 1 cos  q 1 t (v 0  u) 1  g 1  

"1"-chỉsốsóngthànhphầnvớichukỳ1ngày;"2" - chỉ số sóng thành phần với chu kỳ 1/2 ngày;"m"-chỉ số sóng thànhphầnthủytriều nướcnông;

"k"-chỉ số sóngthànhphầnthủytriều domặt trăng;

"s"-chỉ số sóngthànhphầnvới chu kỳdài(1/2năm,1 năm, ).

Theo công thức trên, nếu tính đầy đủ cần 93 sóng thành phần do 93thiên thể giảđịnhtác độnggâynênthủytriều, nhưvậy:

Ri= fix Hi- biên độ dao động sóng triều thành phần (i) do thiên thể (i)gâyra;

(vo+ u)i(tính bằng giờ) - khoảng thời gian tính từ khi thiên thể đi quathiênkinhtuyếnthượng ngườiquansát(tạivịtríquantrắcthủytriềut ừ00đến 00giờngàytínhthủytriềuđầutiên; g (tính bằng giờ) - khoảng thời gian tính từ khi thiên thể đi qua thiênkinh tuyến thượng người quan sát đến thời điểm xuất hiện nước lớn nhất củasóng thànhphầnđangxét; hằngsố f,H, g cótronglịchthủytriều Anh.

Thựctếchỉcầnsửdụng8-11sóngthànhphầntínhđộcaothủytriềulà thỏa mãn yêu cầu về độ chính xác trong hàng hải Sóng nhật triều và bánnhậttriềulàsóngchính.Thôngthườngquantrắcsốliệucủatámsóngchính vàtínhtoánthêmsóngnướcnôngnếucó.

Hằng số điều hòa thủy triều của các sóng cơ bản được tính toán bằngcách quan trắc dao động của mực nước biển từng giờ trong vòng 15 hay 30ngày liên tục Khi quan trắc trong 30 ngày thì xác định được 11 sóng thànhphần Quan trắc trong 15 ngày thì xác định được sáu sóng thành phần là

Từ(2.19) cóthểviếtdạngtổng quát: Đặt:fH= Rvà hZ 0   fHcos  qt(v 0  u)g 

(2.20) hZ 0   Rcos(qt) h Z 0    R(cosqtcos sinqtsin)  hZ 0  AcosqtBsinqt (2.21)

Trongđó: HệsốA =Rcosζ vàB=Rsinζ,tínhbằngphươngphápb ì n h phương trung bình. Tương ứng với thời điểm ‘t’ tính được giá trị độ cao thủytriều Tuy nhiên, phương pháp tính toán phức tạp, thường áp dụng lập bảngthủytriều.

Năm 1936, các nhà khoa học Anh đề xuất phương pháp phân tích điềuhòa đơn giản gọi là phương pháp hoa tiêu Phương pháp này dự tính độ caothủy triều bằng cách phân tích điều hòa các sóng chính, gồm:M2là thànhphầns ó n g b á n n h ậ t t r i ề u c h ủ y ế u d o M ặ t t r ă n g ; S2làt h à n h p h ầ n s ó n g b á n nhật triều chủ yếu do Mặt trời; K1thành phần nhật triều hỗn hợp do Mặt trăngvà Mặt trời; O1là thành phần nhật triều chủ yếu do Mặt trời, thời gian quantrắctừmộtđếnhaingày,độchínhxáckhoảng0,1m.

Côngthứctính độcao thủytriều: hZ 0  H s2 F 2 cos  q 2 t(f 2 g s2 )  H k1 F 1 cos  q 1 t(f 1  g k2 )  (2.22) Đặt: H s2 F 2  R 2 ; f 2  g s2  r 2 ;( f 1  g k1 ) r 1 ,nhậnđược: hZ 0  R 2 cos( q 2 tr 2 )R 1 cos( q 1 tr 1 ) hZ 0  R 2 co s r 2 cos q 2 tR 2 sin r 2 sin q 2 tR 1 cos r 1 cos q 1 tR 1 sin r 1 sin q 1 t (2.23) Phương pháp hoa tiêu chỉ tính những hằng số điều hòa thủy triều củadao động mực nước biển xa bờ, khi không có điều kiện quan trắc trong vòng15 hay 30 ngày Dự tính thủy triều ven bờ, thường dùng phương pháp phântíchđiềuhòavớidãyquantrắctừ15đến 30ngày.

Thực hành tính toán thủy triều bằng phương pháp hằng số điều hòađơngiản[5],[17],[47],[62].

Một số cảng, do tính phức tạp của hiện tượng thủy triều, không thể sửdụng các bảng thủy triều sẵn có để dự tính thủy triều Phương pháp hằng sốđiều hòa đơn giản, giúp sỹ quan hàng hải tính được thủy triều vào bất kỳ thờiđiểmnàochotrước.

Sử dụng phương pháp này có thể thuận tiện khi tính toán thủy triều vàogiờ lẻ, nhất là hiện nay có sự trợ giúp của máy tính Tuy nhiên, phương phápnày sẽ cho kết quả không chính xác như dự đoán thủy triều cho cảng chính ởphần I, vì các giá trị đó được tổng hợp từ gần 100 sóng thành phần, phươngpháp hằng số điều hòa đơn giản chỉ tổng hợp của một số sóng chính có tínhthêm sóng thành phần do nước nông Tính toán bằng phương pháp này cầnthêmmột sốbảngphụkhácngoài cáchằng sốđiều hòa choởphầnIII.

Phần III: Số hiệu chỉnh theo mùa, giá trị hằng số điều hoà "g", "h" chotừngsóngkhácnhau;hiệuchỉnhnướcnông chosóng1/4,1/6(f4, F4,f6,F6).

Bảng VI(hoặcphần III)đ ể có mực nướctrungbìnhML(Z0).

Bảng VII: Giá trị góc vị A do ảnh hưởng của điều kiện địa lý và hệ sốsuygiảmFdoảnhhưởngcủa điềukiệnthiênvăn.

Lựac h ọ n p h ư ơ n g p h á p t í n h t o á n m ô p h ỏ n g d ò n g c h ả y t r ê n t u y ế n l

CFDđượcviếttắttừcụmtừtiếngAnh“ComputationalFluidDynamics”, có nghĩa là tính toán động lực học dòng chảy, với sự trợ giúp máytính, là một ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán đặc tính của dòng chấtlưu CFD thực hiện trên nền tảng các mô hình tính toán số kết hợp với thànhtựu của công nghệ thông tin, để giải các hệ phương trình toán học liên quan[10],[73].

Trong những năm trở lại đây, đặc biệt trong cuộc cách mạng côngnghiệp 4.0, với sự phát triển của CFD đã giải quyết nhiều bài toán khoa họcchuyêns â u , b à i t o á n h ó c b ú a l i ê n q u a n đ ế n n h i ề u l ĩ n h v ự c k h o a h ọ c c ô n g nghệ của đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học ứng dụng, trong đó cólĩnhvực khoa họchànghải.

Thựctiễn,triểnkhaithựcnghiệm,CFDthểhiện ưuđiểmvà hạnchế: ƯuđiểmcủaCFD:

- Tiết kiệm thời gian và chi phí đầu tư nghiên cứu, nghiên cứu sâu bảnchất tính toán mô phỏng trong điều kiện mà thực nghiệm gặp khó khăn hoặcthậm chí không thể tiến hành được, nhằm tìm kiếm trường hợp tối ưu. Khichưa có hỗ trợ của máy tính, sản phẩm thường phải qua nhiều lần làm thửnghiệm Mỗi lần làm thử nghiệm là đầu tư thời gian và tốn kém chi phí. Làmviệc trong môi trường mô phỏng có thể đánh giá bước đầu về mô hình, thiếtkế,chếtạo, đểđưaracácphương ánhiệu chỉnhtrướckhilàmthựcnghiệm.

- Có thể thực hiện mô phỏng trong những điều kiện thực, điều kiện ảo,điều kiện lý tưởng, trong những điều kiện làm việc đặc biệt, như: Siêu thanh,không trọng lực, nhiệt độ lớn, mà trong những điều kiện này không phải lúcnào con người cũng có thể tạo ra, đo đạc, giám sát được Từ đó đưa ra nhữngđánhgiáphântíchkếtquảtrongnghiêncứu.

- Hữu hiệu trong công tác tiến hành thực nghiệm, bởi vì CFD cho phépxác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những điểm trong vùng khảo sát vàmọithờiđiểmkhảosát.Trongkhiđó,khitiếnhànhthựcnghiệm,dohạnchế vềc ô n g nghệvàchi phí,mỗ i lầnt iế nhànhchỉxác địnhđượcm ộ t số d ạn g thô ngsốtạinhữngthờiđiểmnhấtđịnh.

- CFD giải quyết bài toán trên cơ sở mô hình vật lý được tạo lập, vì vậymỗi dạng bài toán chỉ phù hợp với mô hình vật lý của nó Dĩ nhiên việc chọnsai môhình vậtlýsẽdẫnđếnsailệchvềkết quảnghiêncứu.

- CFD luôn tồn tại sai số do mô hình toán, sai số khi xây dựng và chọnbàitoán,thậmchísaisốbởichínhnănglực tính toáncủa máy.

- CFD nhạy cảm với điều kiện biên, vì vậy tùy thuộc vào mục đích củangười sử dụng, việc lựa chọn điều kiện biên khi tính toán rất quan trọng vàgóp phầnquyết địnhmức độchínhxác củakếtquảtính toán.

Khi nghiên cứu ứng dụng CFD cần có cái nhìn toàn cảnh, bám sát vấnđề thực tiễn, nhằm giải quyết các bài toán kỹ thuật đặt ra Từ đó chỉ ra chongười sử dụng biết được điểm yếu, điểm mạnh của mỗi công cụ để phối hợpnhiều côngcụ chomộtbàitoánsẽmanglại hiệuquảcaohơn.

Từ nghiên cứu về CFD, NCS thực hiện xây dựng quy trình chung ứngdụng CFD đểtính toán mô phỏngtheo hình 2.6 [8], [10], [54], [55], gồm 4bướcsau:

Bước 1: Xuất phát từ bài toán thực tế, thực hiện xây dựng mô hìnhnghiên cứubámsátbàitoánthực tế. Đây là giai đoạn xây dựng mô hình nghiên cứu, nghĩa là mô hình hóabài toán thực tế, đảm bảo bám sát thực tế về điều kiện biên Mô hình nghiêncứu ngoài việc xây dựng đối tượng nghiên cứu, hoặc có thể xây dựng mô hìnhđồng dạng với thực tế theo tỷ lệ đồng dạng nào đó, hơn nữa các đặc điểmchính của bàitoán thực cũngđượcmôhìnhhóagầnvớithựctếnhất.

Xây dựng mô hình bài toán nghiên cứu bám sát với thực tế

Phân tích kết quả tính toán mô phỏng Ứng dụng CFD với Fluent - Ansys tính toán mô phỏng nhận giá trị đầu ra

Vẽ mô hình, chia lưới và đặt điều kiện biên Bài toán thực tế

Hình2.7 Quytrình chungứng dụng CFDđể tínhtoánmô phỏng

Bước2: Vẽmôhình,chialưới vàđặt điềukiệnbiên[8],[10],[11],[38]

Sau khi xây dựng mô hình nghiên cứu, tiến hành vẽ mô hình có thể sửdụng một số phần mềm chuyên dụng như: Solidwork, Inventor, Gambit,… Việc chia lưới cho môhình là vấn đề quan trọng, quyết địnhl ớ n đ ế n s a i s ố tínhtoánmôphỏng,khốilượngtínhtoáncũngnhưtốcđộtínhtoán.Cót hểlậptrìnhchialưới,sửdụngcácphầnchuyên dụngGambit,Workbench,…

T ha y đổ iđ iề u ki ện b iê n, th ôn g số th eo bà ito án c ụt hể P hâ n tí ch ,s o sá nh ,từ đ óđ èx uấ t,k iế n ng hị vớ ib ài to án th ực tế Để triển khai thực hiện, đòi hỏi có máy tính chuyên dụng công nghiệpvớicấu hìnhcao Bởi vì, cấu hìnhmáy tính sử dụng là yếut ố q u a n t r ọ n g quyết định độ mịn lưới cho phù hợp Mặt khác, độ chính xác của bài toán phụthuộcnhiềuvào vấnđềchialưới,điềukiện biên kháphứctạp củabàitoán. Bước 3:Ứng dụng CFD với Fluent- A n s y s đ ể t í n h t o á n m ô p h ỏ n g , t ừ đó chokếtquảnhậnđược tạiđầura. Đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về phương pháp số, kỹ năng sử dụng CFDđể lựa chọn được các mô hình tính toán mô phỏng phù hợp Trên cơ sở cácđiềukiệnbiêntrongbước2,ghilạinhữngbiếnquantâmmàkếtquảđầura dựđịnhnhậnđượcđểphụcvụviệc phântích và đánhgiá kếtquả.

Bước4: Kếtquảtínhtoán môphỏng cácgiá trịnhậnđược.

Phân tích cụ thể các kết quả nhận được theo đối tượng tính toán. Nhưngthểhiệnchúngnhưthếnào,đánhgiásựphùhợpvớilýthuyếtvàthựctế,t ừđó là cơ sở phân tích ảnh hưởng của các yếu tố này đối với thực tiễn chuyênngành Đồng thời có thể có những đề xuất hoặc khuyến nghị đối với khoa họcchuyên ngành, phù hợp với lĩnh vực, đối tượng nghiên cứu Trường hợp cầnthiết hoàntoàncóthểhiệuchỉnh lạikếtquảnếu cần.

Khi thay đổi bất kỳ thông số liên quan, phải thực hiện vẽ lại mô hình,chia lưới và đặt điều kiện biên cho phù hợp thực tiễn nhất Như vậy, việc thựchiệnquytrìnhbắtđầutừbước 2trởđi.

Bộ phần mềm MIKE phát triển liên tục hơn 25 năm qua của Viện Thủylực Đan Mạch (DHI), được đánh giá là bộ phần mềm mô phỏng quá trình liênquanđ ế n t h ủ y l ự c v à m ô i t r ư ờ n g h à n g đ ầ u t h ế g i ớ i [ 4 4 ] ,

[ 5 0 ] , [ 7 4 ] , [ 7 5 ] Trong lĩnh vực thủy văn - thủy lực, chuyên gia, nhà khoa học sử dụng các môdun MIKE11,MIKE21,…đểmô phỏng dòngchảycácsông,kênh,luồng,

Tínht o á n p h â n t í c h d ò n g c h ả y M I K E 2 1 c ó k h ả n ă n g đ ư a r a t r ư ờ n g dòng chảy theo thời gian và mực nước cũng như một số yếu tố khác Số liệuđầuvàolàthôngsốđịahìnhvàcácđiềukiệnbiên:Lưulượnghoặcvậntốc, mực nước theo thời gian Với kết quả đưa ra sau khi tính toán, để kiểm địnhtính đúng đắn của mô hình cần phải có số liệu thực nghiệm để so sánh, chínhvìvậykhidùngMIKE21phảicósốliệuđotạimộtvịtrínàođótrongphạmvi tính để so với kết quả của mô hình Nếu kết quả sai khác cần phải thay đổicácthôngsố được giảđịnhtrong môhình.

Phương trình cơ bản trong MIKE: Áp dụng cho chất lỏng không nénđược, trung bình theo Reynolds của phương trình Navier- S t o k e s c ù n g v ớ i cácgiảthiết Boussinesqvà áp lực thủytĩnh.

Phương pháp rời rạc hóa mô hình: Miền tính toán được rời rạc hóa sửdụng phương pháp khối lượng hữu hạn Theo chiều mặt phẳng các phần tử cóthể chia thành phần tam giác hoặc phần tử tứ giác hoặc kết hợp cả hai lại phầntử Theo chiều đứng các phần tử được chia có cấu trúc dựa theo cao trình, địahình hoặckếthợpcảhai. Phương pháp giải: Sử dụng phương pháp giải sơ đồ hiện, do vậy phảithỏa mãn điều kiện Courant - Friedrich - Lewy nhỏ hơn 1 Các hiện tượng vậtlýđượcxétđến:Hiệntượngkhôướt,quátrìnhbốchơi- mưa,ápsuấtgió-khí quyển, hiện tượng trao đổi nhiệt, các mô hình chảy rối, sức cản đáy, cácứngsuấtdosóng, cáccông trìnhthủylực,nănglượngtriều. Ưu điểmcủa MIKE:

- Giao diện dễ dùng, thân thiện, tích hợp hệ thống thông tin địa lý, nêntruyxuấtdữliệudễdàng,tríchxuấtkếtquảtrực quan,lập môhìnhnhanh;

Xâydựng mô hình nghiên cứu

3.2 SơđồquytrìnhứngdụngCFD đểtínhtoánm ô phỏng d òng chảytuyến luồng hàng hảiHải Phòng 70

1.4 Tổng hợpvịtrívàthông số thiết kếcủa10đoạn luồng 24

2.5 Phần A: Dựtínhthuỷtriều theo ngàyyêu cầu 51

Trích dẫn kết quả tổng hợp, tính toán, so sánh hệ số hiệuchỉnh mực thủy triều các trạm đo thực tế và bảng thủytriềutươngứngnămkhảosát

Trích dẫn kết quả tính toán hbtrong 1 giờ của bảng thủytriều mới xây dựng năm 2020 theo hệ số hiệu chỉnh mựcthủy triều của trạm Lạch Huyện 2019 và bảng thủy triềuViệtNamnăm2020, ngày01/01/2020

4.3 Tríchdẫnkếtquảtínhtoánvậntốcdòngchảy(Vdc)bámsátđiều kiệnbiên,ngày01/01/2020từphụlục5 99

Trích dẫn kết quả đánh giá, so sánh độ chính xác giá trịvận tốc dòng chảy theo các phương án nghiên cứu thựcnghiệmngày01/01/2020