Luận văn thạc sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu tác động của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ đoạn sông cong trên mô hình thủy lực thu nhỏ

TÊN DE TÀI: Nghiên cứu t c động của d_ng thứ cấp lên sat lở bờ đoạn sông cong trên mô hình thủy lực thu nhỏ.. Trước vấn đề trên, nghiên cứu n y đượctiền hành nhằm tìm ra ảnh hưởng của cấ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRÀ NGUYÊN QUỲNH NGA

Chuyên ng nh: QUAN LÝ TÀI NGUYEN VA MOI TRƯỜNG

M s :60.85.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, th ng 12 năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA — ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TS Nguy nQu cÝCán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TSKH Bùi Tá Long

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

PGS.TS Nguy n Thị Bảy Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học B ch Khoa, DHQG Tp HCM ngày 25 tháng 01 năm 2016

Thành phan Hội đồng d nh gi luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguy n Văn Trung

2.PGS.TSKH Bùi Ta Long

3 PGS.TS Nguy n Thị Bay

4.TS Trần Thị Vân

5.TS Nguy n Văn Minh Man

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đ nh gi LVv_ Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đ được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA MT&TN

PGS.TS Nguy n Van Trung PGS.TS Nguy n Phước Dan

ĐẠI HỌC QUOC GIA TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIET NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Tr Nguy n Quỳnh Nga MSHV: 13261356

Ng y, th ng, năm sinh: 01/02/1991 Noi sinh: Binh Thuan Chuyên ng nh: Quản ly T inguyénv Môi trường M s :60.85.01.01

I TÊN DE TÀI: Nghiên cứu t c động của d_ng thứ cấp lên sat lở bờ đoạn sông cong

trên mô hình thủy lực thu nhỏ.

H NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm v : Nghiên cứu t c động của d ng thứ cấp lên sat lở bờ đoạn sông cong trên

mô hình thủy lực thu nhỏ.

Nội dung:

+ Tổng quan về dòng thứ cấp trên đoạn sông cong

+ Thí nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ sông S 1G n đoạn cong Thanh Đa.

+ Tính to_n thủy lực 3 chiều trên đoạn sông cong thu nhỏ

+X c định tương t c của d ng thứ cấp lên sat lở bờ sông v đ y sông

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU: 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 20/11/2015

V CAN BỘ HƯỚNG DAN: TS Nguy nQu c Y

Tp HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tênv chữ ky) (Họ tênv chữ ký)

TS Nguy n Qu c Y PGS.TS Lé Van Khoa

TRUONG KHOA MOI TRUONG VA TAI NGUYEN

(Họ tênv chữ ky)

PGS.TS Nguy n Phước Dân

LỜI CÁM ƠNTrong quá trình thực hiện luận văn, nếu không có sự hỗ trợ giúp đỡ của Quýthầy cô, anh chị và các bạn thì chỉ với nỗ lực đơn thuần của riêng ban than, chac chanluận văn n y sẽ không thé được ho nth nh như ng y hôm nay.

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân th nh đến TS Nguy n Qu c Ý, thay

d rất tận tâm và nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ và chỉ dạy em trong su t quá trình thực

hiện luận văn.

Em cũng xin c m ơn quý thay cô trong Phòng thí nghiệm Cơ lưu chất, Khoa Kỹthuật Xây dựng đ hỗ trợ về mặt kỹ thuật trong việc xây dựng mồ hình thí nghiệm vàtạo điều kiện thuận lợi cho em trong su t quá trình nghiên cứu Ngo ira em cũng xinđược cảm ơn thay cô Khoa Môi Trường và Tài nguyên đ truyền đạt cho em nhữngkiến thức hữu ích trong su t quá trình học tập và nghiên cứu

C mơn gia đình đ luôn s tc nh, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

con trong su t thời gian qua.

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn cũng như hạn chế về kiến thức, luận văncòn rất nhiều thiếu sót Mong nhận được sự góp ý sửa chữa của Quý thầy cô và cácbạn để luận văn được hoàn thiện hơn

TP HCM, tháng 12 năm 2015

Trà Nguyễn Quỳnh Nga

TÓM TẮTSông S iG n quanh b n đảo Thanh Dal khu du lịch sinh th i tiềm nang, tuynhiên gan đây thường xảy rax ilov_ sat bờ Trước vấn đề trên, nghiên cứu n y đượctiền hành nhằm tìm ra ảnh hưởng của cấu trúc dòng thứ cấp trên đoạn sông cong —

một trong những nguyên nhân gây xói lở bờ sông Hai phương ph p: thí nghiệm và

mô phỏng s trên mô hình thủy lực thu nhỏ của đoạn sông cong trên được sử d ng đểnghiên cứu t e động của dòng thứ cấp đến sat lở bờ Mô hình được xây dựng dựa trênqui luật đồng dạng về s Froude với tỉ lệ thu nhỏ bang 1:500 theo phương ngang v1:100 theo phương đứng Cao độ mực nước, vận t c bề mặt và vận t c dòng chảy 3chiều được đo đạc từ mô hình thủy lực thu nhỏ làm cơ sở dé kiểm định mô hình tinhtoán s Sau đ , mô hình s được dùng để mô phỏng c c trường hop thay đổi lưulượng và mực nước Kết quả mô phỏng cho thấy lưu lượng và mực nước có ảnh hưởngđến cau trúc dòng thứ cấp và phânb_ ứng suất đ y trên đoạn sông cong, do đ c khả

năng gây sạt lở bờ.

ABSTRACT Thanh Da peninsula which is known as a potential eco-tourism spot is surrounded by Saigon River However, recently riverbank failure occurred frequently

at this area Regarding this phenomenon, the study was conducted to determine the influence of secondary flow structure at river bend which was considered as one of the causes of bank erosion In order to investigate the impacts of secondary flow on bank failure, two methods were used including experiments and numerical simulations on a physically scaled model of Saigon River (bend section) The physical model was based on similarity law of Froude number with scale of 1:500 in horizontal and 1:100 in vertical directions, respectively Water levels, surface velocity and three-dimensional velocity of the flow were measured from the physically scaled model, which were used for the validation of numerical model The numerical model was then used to simulate the secondary flow under the changes of discharge and water level The obtained results showed that the discharge and water level affected the secondary flow structure as well as the distribution of bed shear stress at the river bend section, hence, increasing the probability of riverbank failure.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây | công trình nghiên cứu của tôi Các s liệu, thông tin,

tài liệu trích dẫn được sử d ng trong luận văn có nguồn g c rõ ràng Kết quả nghiêncứu trung thực và chưa từng được ai côngb_ trong bất cứ công trình nào khác

Người thực hiện

Trà Nguy n Quỳnh Nga

MỤC LỤC

MỤC LLỤC G1109 0 nọ TT | DANH MUC CH VỊ TT T GGẶ SG Q0 rre lil

DANH MUC HINH 0122 iv

DANH MỤC BANG BL U wiecececsssssscessssesscscececeevevscacecscsevavscececsevevacaceevavacsceceseevavaeees vi

PH NM DBD Unreeeecccccscccesssnceeeeesceceeesneeccesenneeceseeaeeeceeeaaeceeseaeeceeeaeeseseueeeseeeenneeees |

Ra 0 |

2.M c tiêu nghiÊn CỨU (<< 1 119310101119 9.0 0 3 3.D itượng v phạm vi nghiÊn CỨU - 5< <0 111193910111 1 9 0 ven 3

4 Nội dung nghiÊn CỨU - (<< + 19000101 nọ 4

5 Phương ph p nghiÊn CỨU - E191 11 91 ngờ 5

6 Ý nghĩa của để t ¡ ¿E22 E21 1115 511211111515 11 1111111111111 1101111111111 1e re 7

Chương 1.T NGQUANV D NGTH C P TREN DOAN SÔNG CONG 8

1.1 Kh iniém chung về d ng thứ cấp trong sông - - +52 2 s+s+s+escee 8

1.2 Cơ chế hình th nh d ng thứ cấp trong đoạn sông cong [2] - 9

1.3.C ct c động của d ng thứ cấp - + 25c t3 E1 1 1115111111111 re 10

1.4 Tình hình nghiên cứu trong V NgO 1 nƯỚC Ăn vree 10

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới - ¿+2 + +£2££+s+£+£z£z£szxzsee 10

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam (Ăn ng 12

Chương 2 PHƯƠNG PH P NGHIEN C_ U - 2555552 S2£s+E+ezersred 14

2.1 Phương ph p thực nghiỆm - - - << - G0019 ng re 14 2.1.1 Cơ sở xây dựng mô hình vật lý - - << << S9 ng, 14 2.1.2 Xây dựng mô hình thu nhỏ đoạn sông cong Thanh Đa 15

2.1.3 Thiết lập thí nghiệm oo cscscsescscscssescsessssssssesessssssssssseseeeeens 17

2.1.4.C c phương ph p đo đạc thực nghiỆm << *sssess2 18

2.1.5 C c trường hợp thực nghiem 2.0 cccccccessseeesessnneeeeeeseeeeeeeeeeeeessneaees 22 2.2 Phương ph pS CEÌ G0 nọ re 22

2.2.1.C ce phương ph p giải cau trúc d ng 5-5 <c+c+csEsEererererererered 22

2.2.2 Giới thiệu phan mềm Ansys Flueni - 2 2 2 2+s+£+£+£z£z£szxzescee: 24

2.2.3 Dữ liệu cho mô hình - << SE E211 11111111 111111155 111111132 25

Chương 3 K T QUA VA BAN LU N 5-5-5525 2E tt ckrtererrrrkred 28

3.1 Kiểm định mô hình tính toán s _ ¿2< 62+ EsEsEsEsEseEeexes 28

3.2 Mô phỏng và phân tich - - << 5 1139001011199 9.0 0n ng 333.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng đến cấu trúc dòng thứ cấp 353.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của mực nước đến cấu trúc dòng thứ cấp 40

3.2.3 Cau trúc dòng chảy ở đoạn kênh thang - 52 555252 s+x+zscs2 4

3.2.4 Két luận về ảnh hưởng của lưu lượng, mực nước dén cau trúc dòng thứ cap

và hiện tượng Sat 16 Đờy - - G cọ ke 45 3.3 Gidi PhAP 7 A6

3.3.1 Giải pháp công trimh oo eee eeseecesseeeeesacecescecesseecessacecssaeeeceseeeesseeeeses 47

3.3.2 Giải pháp phi công trÌnhh - - - << 5 6+ 0 1 1993011 1990 ng ng ke 50

K TLU N VÀ KI NNGH -5- 5-5252 E*E2 E33 E1 E121 12111 E1 E re, 52

1 Kết quả dat đưỢC 5-5221 1 1 1 111111151111 11 11011111 110101 1111110101701 1101 re 52

2 Han 9 52

3 Hướng phát triỂn ¿E52 SE 2193123931 121911212111 21 2111211111111 11 cxe 53

DANH MỤCC_ C CÔNG TRÌNH LIEN QUANĐ_ CÔNG BỒÔ 54

TÀI LI_U THAM KHẢO - 552522623 15 5 52521 1513151111 11111 1111111 Te re 55

Partilce Image Velocimetry — Phuong ph p đo đạc ảnh chất điểm

Reynolds Average Navier-Stokes — Mô hình sử d ng phương trình

Navier-Stokes trung bình theo thời gian băng phương ph p Reynolds

DANH MỤC HÌNH VEHình 0.1 Mộts vị trí xói lở trong đoạn sông S iG n (điểm m u đỏ là vi trí bị cảnh

D:19940010011n ỒỒ 4Ö54 2 Hình 0.2 VỊ trí đoạn Thanh Đa trên Google Earth - 5c + ss2 4 Hình 0.3 Mô hình thủy lực thu nhỏ đoạn Thanh Da trong ph ng thí nghiệm 4

Hình 1.1.D ng thứ cấp địa hình [2] - ¿22-5 2 2 5E+E+E+E££££E£E£EzEerrersrererree 8

Hình 1.2.D ng chảy v ng do mas t [2] .- - <5 <5 1111339991111 11 1 re 9

Hình 1.3 Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2] -. - 10Hình 2.1 Vi trí các mặt Cặt - k1 112121 1112191 1 111111 11111 1n ri 15

Hình 2.2 Mô hình thủy luc thu nhỏ trong phòng thí nghiệm . - - 16

Hình 2.3 Thiết lập thí nghiệm . - - + 2E EE+EEEEE2E£E#EEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrree 17Hình 2.4 Hệ th ng bơm v_ lưu lượng ké - - 2 2 252£+£+££2£E+E+E+£z£z£szxcceẻ 18

Hình 2.5 Đập tran cu 1 KÊnhh c0 0 nọ re 18 Hình 2.6 Thước đo độ sâu - 0000111110111 1 111111111110 1n nen 19 Hình 2.7 Mô tả hệ th ng PITV G0 rre 20 Hình 2.8 Hệ th ng PIV trong thí nghiỆm - - 55GB 1 re 20 Hình 2.9 Hệ th ng đo AIDV QQG G QnH rre 20

Hình 2.10 Ảnh hưởng của thời gian tính trung bình lên giá trị các mẫu do 21

Hình 2.11 Dia hình d y kênh mô hình vật lý thu nhỏ - << << <<<++2 25

Hình 2.12 Miễn tính to nv điều kiện biên của mô hình -. -cc+csse: 26Hình 3.1 Vận t c bề mặt tại mặt cắt trước đoạn cong (MC L9) «+2 28Hình 3.2 Vận t c bề mặt tại mặt cắt tại đoạn cong (MC l6) ««« 29Hình 3.3 Vận t c bề mặt tại mặt cắt sau đoạn cong (MC 12) <<<<<<+2 29Hình 3.4 So s nh trường vant cphânb trên bề mặt tại đoạn cong kênh từ c c kếtquả mô phỏng v kết quả thực nghiệm PIV - 5-5 2 + 252 +E£E+E+££E£EzEzEzrrered 31Hình 3.5 Phânb vant c trong một mặt cat ngay đoạn cong -«««- 32Hình 3.6 Phan b vant c bề mặt dòng chảy theo c c trường hợp lưu lượng 36Hình 3.7 Phan b vant c dong thứ cấp theo c c trường hợp lưu lượng tại 3 mặt cat

ngay GOAN COIØ G0 nọ re 37

Hình 3.8 Phan b ứng suất đ y theo c c trường hợp lưu lượng ngay đoạn cong .39

Hình 3.9.Phânb vant c bé mặt dòng chảy theo c c trường hợp mực nước 4IHình 3.10 Phan b vant c dòng thứ cấp theo c c trường hợp mực nước tại 3 mặtcắt ngay đoạn CONE - ¿1c S13 1 1 12111111 111511 111101151111 11 011110101111 11 011111 ke 42Hình 3.11.Phânb ứng suất đ y theo c c trường hợp mực nước ngay đoạn cong 44Hình 3.12 Cau trúc dòng chảy tại đoạn kênh thăng (MC23 và MC8) 45Hình 3.13 Công trình cắt đoạn cong Quản Xá trên sông Chu (Thanh Hóa) [28] 47Hình 3.14 Nguyên lý làm việc của kết cau đảo chiều ho n lưu [28] 48Hình 3.15 Giải pháp tong hợp chỉnh trị sông Tiền đoạn Sa Déc (Đồng Tháp) [28]48Hình 3.16 Trồng cỏ Vetiver bảo vệ bờ sông [29] - - 255 s2ccccceveerererree 49Hình 3.17 Kè kết hợp các loại vải địa kỹ thuật và bằng thực vat [29] 49Hình 3.18 Kết hợp cọc cu ván thép chân kè với cuộn băng soi đai gitr 6n dinh va phattriển thực vật [2] - cv 51119191 1 51119151 1 9 1110101111 1011201 nung: 50

DANH MỤC BANG BL U

Bảng 3.1 Sais bình phương cực tiểu vận t c bề mặt giữa các m6 hình 30

Bang 3.2 Bộ thông s tính toán cho m6 hình LLES . - «5S S255 se 33 Bang 3.3 C c trường hợp lưu lượng mô phỏng ứng với mực nước cu 1 kênh giữ ở mức 2 (sâu c ch đỉnh bờ 0,03 Mm) - - - << + 1999000109 nh 33

Bảng 3.4.C c trường hợp mô phỏng mực nước cu ¡ kênh thay đối ứng với lưu lượng

PH NMOD U

1.Dtvnd

Trong những năm gan day, tình hình sat lở bờ sông S iG ndange xu thé giatăngv di n biến ngày càng phức tạp, gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh,kinh tế Theo Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam [1], các khu vực c nguy cơ sạt lở

cao trên sông SiG nl thượng lưuv hạ lưunh kho tang vật Công an quận Bình

Thanh (dài khoảng 100m); khu vực từ bo kè Công do n đến Trại cai nghiện ma túy

phường 27, quận Binh Thạnh; khu vựch_ xói nhà thờ Lasan Mai Thôn và hạ lưu của

h xói nhà thờ Lasan Mai Thôn đến biệt thự Ly Hoàng: khu vực từ cảng container vềphía hạ lưu, phường Trường Thọ, quận Thủ Đức (có chiều dài 500m) năm trên bờ

l6mh_ xói sâu 20-25m Doan bờ tại khu vực b n dao Thanh Da thuộc phường 27,

28 - quận Bình Thạnh có chiều dài tong cộng khoảng Ikm trong những năm gần đây

bị trượt lở nghiêm trọng Đây |_ khu vực rất đông dan cư nên nh cửa và hàng quánmọc san sát nhau Có thé điểm qua mộts v trượt lở đ ng chú ý như sau:

+ Đoạn đường bờ có chiều dài khoảng 300m, cách rạch Ông Ngữ 200m về phía

hạ lưu thuộc khu ph 1 phường 28, quận Bình Thạnh, cũng đang bi sat lở voit c độ trung bình | ,8m/nam.

+ Lúc 22h30 ngày 29/06/2007 và 22h45 ngày 30/06/2007, c c dot trượt lở liên

tiếp xảy ra tại khu vực phường 26, quận Bình Thạnh đ 1 m 15 căn nh trên đường

Xô Viết Nghệ Tĩnh (địa chỉ s 801/70, 801/82, 801/82, 801/84, 801/86, 801/88 ) bị

s pxu ng sông, may mắn không có thiệt hại về người

+V_ sat lở nghiêm trọng xảy ra vào khoảng 23h ngày 24/7/2010 tại khu vực bo sông kênh Thanh Đa (một nhánh của sông Sài Gòn, thuộc phường 27, quận Bình

Thạnh, TP.HCM) 11 cănnh của người dân năm trên đường Thanh Đa, phường 27,quận Bình Thạnh bis pxu ngsôngv 12 cănnh kh c bị hư hại với nhiều mức độ

sinh c thé trong thực tế I t e động thường xuyên và có tính vỗ đập của sóng (dotàu thuyền, gi ),d ng chảy ép sát bờ, tình trạng khai thác cát trái phép gây xói sâudẫn đến sat bờ, các công trình xây dựng ven bo! m gia tăng p lực lên lên mái bờ Theo th ng kê trong nghiên cứu của Thiém Qu c Tuấn, đoạn sông Sài Gòn từcầu Bình Phước đến ng bamtiNh Bec nhiều điểm sat lở (Hình 0.1) [1] Hầu hết

c c điểm sat lở trong Hình 0.1 đều xảy ra ở đoạn sông cong

\ TA « “THANH >>; da ` tê Bái cụ số mame

i" PHU, i, ei ụ ®; X & _ 5 i hy j "4i

N ee i hip tư T⁄ằSÏ ` We QUAN 2

‘OA J QUẦN4 +4\ ưng TẾ lề Ko ¿- \

đ ¡ lớn chảy về phía bờ lỗi làm xói bờ 16m và bôi bờ lỗi [2]

Vậy, để hiểu rõ câu trúc của dòng chảy thứ cấp và ảnh hưởng của dòng thứ cấpđến vấn đề sạt lở bờ sông như thế nào, đặc biệt là đoạn cong Thanh Đa trên sông SaiGòn trong những năm gần đây sat lở bờ xảy ra thường xuyên và nghiêm trong, dé tài

“Nghiên cứu tác động của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ đoạn sông cong trên mô hìnhthủy lực thu nhỏ” được thực hiện nhằm làm rõ vẫn đề đ néu C_ thể, dé tài này sẽ

đi chỉ tiết vào nghiên cứu cau trúc dòng thứ cấp, từ đ tìm ra ảnh hưởng của dòng thứcấp lên sat lở bờ dé dự do n sat lở bờ Việc tập trung nghiên cứu về bản chất xói lở

dé hạn chế dòng thứ cấp trong dé tài này là một nội dung mới v d p ứng được tìnhhình thực tế hiện nay Bên cạnh đ việc kết hợp nghiên cứu trên cả 2 mồ hình: môphỏng dòng 3 chiều và mô hình vật lý đoạn sông cong thu nhỏ phương ph p nghiên

cứu mới, khả thi, phù hợp vít được nghiên cứu ở Việt Nam.

2.M c tiêu nghiền c u

<M c tiêu tong quát:

X c định ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên hiện tượng sạt lở bờ sông Sài Gòn

M ctiéuc thé:

(1) Tìm ra sự phan b vant c của dòng chảy trong đoạn kênh cong mô hình thu nhỏ đoạn Thanh Đa.

(2) Mô phỏng cấu trúc dòng chảy thứ cấp qua mô hình sông cong thu nhỏ ở trên

(3) Tìm ra khả năng ảnh hưởng của lưu lượng và mực nước trong kênh cong

đến cau trúc dòng thứ cấp, ứng suất đ y và van dé sat lở

3.D itu ngv phạm vỉ nghiên c u

Nghiên cứu dựa trên mô hình thủy lực m6 phỏng đoạn sông cong kênh Thanh

Đa thuộc phường 27, 28, quận Bình Thạnh (Hình 0.2) - quy mô phòng thí nghiệm (Hình 0.3).

.> CH:êP Bình Chánh

thường 13"

*

Hình 0.2 Vi trí đoạn Thanh Da trên Hình 0.3 Mô hình thuy lực thu nhỏ

Google Earth đoạn Thanh Da trong phòng thí nghiệm

4 Nội dung nghiên c u

Đề đạt được các m c tiêu đ đề ra, nội dung nghiên cứu cần được thực hiệntrong dé tài bao gồm:

Nôi dung 1: Tổng quan tình hình nghiên c u

- Tìm hiểu các nghiên cứu trong v ngo i nước liên quan đến dòng thứ cấp và

sạt lở bờ sông.

- Tìm hiểu về tình hình sat lở tại khu vực nghiên cứu đ lựa chọn (đoạn cong

sông S iG n quab n đảo Thanh Da).

- Thu thập s liệu địa hình đ y sông, s liệu thủy văn cho khu vực nghiên cứu

để ph cv tính toán xây dựng mô hình vật lý thu nhỏ

Noi dung 2: Thực nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ

- Nghiên cứu cơ sở lựa chọn mồ hình vật lý thu nhỏ.

- Lựa chọn tỉ lệ mô hình phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và xây dựng

mồ hình vật lý thu nhỏ đ (mô hình được lựa chọn là mô hình lòng cứng theo tỷ lệ

biến dạng 1:500 theo phương ngang v1:100 theo phương đứng)

- Do đạc các thông s về địa hình đ y của mô hình thu nhỏ

- Thiết kế e e phương n thí nghiệm dựa theo các tiêu chuân đồng dạng về s

Froude v đảm bao dòng chảy r i trong thực nghiệm.

- Do đạc giá trị mực nước của mô hình thu nhỏ theo c c trường hợp mực nước

khác nhau: cao, trung bình, thấp v đo mực nước cho thí nghiệm thay đổi lưu lượng

- Thí nghiệm ch p ảnh PIV (Particle Image Velocimetry) để tìm ra phânb_ vận

t c bề mặt dòng chảy thông qua phân tích kết quả thí nghiệm

- Thí nghiệm ADV (Ascoustic Doppler Velocimetry) do vận t c 3 chiều bằngsóng siêu âm tại các vi trí cần thiết trong từng mặt cắt tại đoạn kênh cong

Noi dung 3: Tinh toán s dòng chảy 3 chi u tương ng mô hình thúy luc cho đoạn sông cong thu nho

- Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mô hình toán mô phỏng cấu trúcdòng thứ cấp

- Thiết lập mô hình hình học từ các giá trị đo đạc thực nghiệm và các tìm ra cácđiều kiện tính toán phù hợp

- Chọn phương ph p giải cau trúc dòng phù hợp Các kết quả từ các mô hình sẽđược kiểm định với kết qua đo đạc từ thí nghiệm PIV v ADV

- Mô phỏng ứng với 3 trường hợp mực nước khác nhau và 3 trường hợp lưu

lượng khác nhau phù hợp với điều kiện bài toán

Noi dung 4: Xác định tương tác cua dong th c plên bờ sôngv day sông

- Phân tích kết quả sự biến thiên của lưu lượng và mực nước trong kênh ảnhhưởng đến cấu trúc dòng thứ cấp và ứng suất đ y

- Phân tích ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ sông đoạn cong Thanh Đa

thông qua mô hình thu nhỏ.

5 Phương pháp nghiên c u

Dé hoàn thành các nội dung được dé ra, một s phương ph p chính được sử

d ng trong dé tài bao gồm:

Phương ph p thu thập s liệu và tài liệu;

Phương ph p thực nghiệm;

Phương ph p mô hình to n.

Phương pháp thu thập s liệu, tài liệu

Thu thập và tổng hợp tài liệu, sách, báo, báo cáo, các nghiên cứu trong vàngo inướcc_ liên quan đến dé t i

- Thu thập tài liệu về lý thuyết mô hình toán liên quan: lý thuyết về động lực

học, thủy lực

- = Thuthậpcács liệu về động lực học trên đoạn sông thực tế dé thiết kế các thí

nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ.

Phương pháp thực nghiệm: thí nghiệm trên mô hình vật lý

Tỉ lệ mô hình vật ly thu nhỏ của đoạn sông cong quanh b n dao Thanh Da được

lựa chọn thích hợp với diện tích không gian thí nghiệm và phù hợp với chế độ thủyđộng lực học thực té của sông này

C c phương ph p thí nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ bao gồm: đo đạc địahình đ y, đo cao độ mực nước, đo trường vant c bề mặt băng PIV (Partilce ImageVelocimetry) v do vant c 3 chiều bang ADV (Ascoustic Doppler Velocimetry)

Két qua do đạc thực nghiệm trên mô hình thủy lực thu nhỏ được dùng để so

snhv hiệu chỉnh kết quả mô phỏng 3 chiều

Phương pháp mồ hình toán: mô hình toán 3 chỉ u

Trong dé tain y, phương ph p mô hình to n sẽ được sử d ng dé mô phỏng cácquá trình vật lý, quá trình chuyển động của dòng chảy trong sông bằng những phương

trình toán học là những phương trình vi phân cơ bản (phương trình liént cv phương

trình động lượng) Những phương trình n y sẽ được giải xấp xỉ bằng phương ph pthích hợp như phương ph p sai phân hữu hạn, phương ph p thể tích hữu hạn hayphương ph p phan tử hữu han, dé tính toán các thành phan dòng chảy như mực

nước, vant c, lưu lượng, tại những vi trí khác nhau trong khu vực tính toán.

Sử d ng mô hình to n dé thay được các kết quả sau:

- Qué trình hình thành dòng chảy thứ cấp trên c e đoạn sông cong

- Suphanb trường vant c trên c c đoạn sông cong.

- Su thay đổi của vận t c ứng với đoạn sông cong trong trường hợp có sự thayđổi lưu lượng và mực nước sông

Nhìn chung, phương ph p mô hình to nl phương ph p được sử d ng phổbiến dé nghiên cứu rất nhiều van dé trong lĩnh vực đời s ng Hiện nay có rất nhiều

mô hình có thể được xem xét lựa chọn để ph cv tính toán dòng chảy như mô hìnhAnsys Fluent, Mike 3D, CCHE3D Trong dé tài này sẽ ứng d ng Ansys Fluent détính toán dòng chảy 3 chiều vi ưu điểm mô hình này cho kết quả mô phỏng t t cau

trúc dòng chảy.

6 nghacuad ti

ngh a khoa học: Kết quả công viéc m dé t ¡ hướng đến sẽ góp phan hiểu rõbản chất của dòng thứ cấp, một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến sạt lở bờsông cong Tuy dòng thứ cấp đ được nghiên cứu trước đây, nhưng ở Việt Nam chưa

có nghiên cứu sâu được tiến h nh cũng như ứng d ng để giải quyết van đề xói lở đoạn

cong Thanh Đa trên sông Sài Gòn.

ngh a thực tiễn: đề t i hướng đến giải quyết van đề thực tế: xói lở bờ sông

trên những đoạn sông cong.

Bên cạnh đ , những m 1 tương quan giữa lưu lượng, mực nước và cầu trúc dongthứ cap ở đoạn sông cong sông S iG ndoan Thanh Đa có thé ph cv t tcho nhữngnghiên cứu sâu hon, v_ thuc tế hon cho c c đoạn sông khác ở Việt Nam

Chương 1.T NG QUAN VE DONG THU CAP TREN DOAN SÔNG

CONG

1.1 Khái niệm chungv d ngth c p trong sông

D ng chảy thứ cấp trong sông d ng chảy chuyển động theo c e phương kh cvới phương chính doc theo chiều 1 ng dẫn [2].C 2 loại d ng thứ cấp: d ng thứ cấp

địa hìnhv d ng chảy v ng (hay ho n lưu):

+ D ng thứ cấp địa hình xuất hiện do sự thay đối c c bộ, đột ngột của địa hình

D ng thứ cấp địa hình gồm d ng xo ytr c đứng (xuất hiện tại khu vựcc_ chiều rộng

1 ng sông thay đôi đột ngột) như Hình I.lav d ng cuộn xo y ngang (c c phan tửnước chuyền động theo quỹ đạo quay quanh tr c ngang tại nơi mặt cắt dọc đ y 1 ngdẫn thay đồi đột ngột) như Hình 1.1b

a.Xo ytr c đứng b Cuộn xo y ngang

Hình 1.1 Dong th c pđịa h nh [2].

+D ng chảy v ngl d ng thứ cấp theo phương ngang, c tr c doc, hình chiếucian lên mặt cắt ngang 1 một hoặc nhiều v ng kín.D ng chảy v nge thé đượcgây ra bởi nhiều nguyên nhân Sự phân b không đều của lưu t c trên mặt cắt ngangkhi triều lên hoặc khi triều xu ng do mas t với biên rắn, d ng chảy v nge c c dạngnhư Hình 1.2 Lực qu n tinh Coriolis cũng c thé gây ra d ng chảy v ng trên mọiđoạn sông Hay ở những đoạn sông cong, c c hạt nước chuyền động sẽ chịu t cd ng

của lực li tâm, sông c ng cong thì lực li tâm c ng lớnv dod d ng chảy v ngc ng mạnh.

Hình 1.2 Dong cháy vòng do ma s t [2].

a Phân bố vn tốc theo phương ngang

b Chay vòng k p khi trì u lên ở ngc qa sông ho ckhic s ng mữ c dâng

c Chay vòng k p khi tri u xuống ov ngc asông ho ckhic s ng nữ cha

1.2.Cơch hình th nh d ngth c p trong đoạn sông cong [2|

Khi nước chuyển động trong đoạn sông cong,n chịu t cd ng của lực li tâm

Lực li tâm 1 m ph t sinh độ d c mặt nước theo hướng ngang (Hình I.3a),dođ ph t

sinh p lực dư (chênh lệch p lực nước t cd ng v o hai bên cột nước) Nếu xét đ ivới cột nước c_ tiết diện bang một đơn vi diện tích thì p luc du Fa = Pi — P2 = yJykhông đổi theo chiều sâu (Hình 1.3b)

Luc li tâm được tính theo công thức:

_ mu?

với FLI lực litâm,m[l kh i lượng hat nước chuyển động,ul vant c chuyén dongdọc của hat nudcv Rel b n kính cong của quỹ đạo chuyển động của hạt nước Theocông thức (1.1) thi phânb theo chiều sâu của lực li tâm c dạng parabol, tương tựnhư phânb của vậnt c theo chiều sâu (Hình 1.3c)

Sơ lược cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp như sau: khi nước chảy qua nhữngđoạn sông cong, lực li tâm hướng theo phương của bán kính cong sẽ kết hợp với ápsuất du của nước, thu được lực tong hợp (hay phânb_ vant c tông hợp theo hướngngang) c phânb như Hình 1.3d, làm cho lớp nước theo phương thang đứng sẽ bịphân tách thành hai phan: phân phía trên dịch chuyển theo chiêu của lực li tâm hướng

từ bờ lỗi sang bờ lõm, lớp nước phía dưới thì di chuyển ngược lại theo chiều của ápsuất dư từ bờ 16m sang bờ lôi, hình th nh d ng chảy v ng một chiều ở trong sông

a p lực nước b p lực dư c Lực li tâm d Lực tong hop

Hình 1.3 Cơ chế gây ra dòng chay th c p ở đoạn sông cong [2]

Như vậy dòng chảy thứ cấp một chiều ở trong sông được hình thành Dòng chảythứ cấp này gây xói bờ lõm và mang vật chat của bờ lõm sang bồi đắp bên bờ lôi

những đoạn sông cong gấp khúc, bùn cát ở đ y theo d ng chảy thứ cấp dichuyền từ bờ lõm sang bờ lỗi đ i diện và lắng đọng Dòng chảy thứ cấp hướng ngangkết hợp với dòng chảy dọc làm thành dòng chảy xoan Kích thước quy mô dòng chảyxoăn không gi ng nhau Ð i với dòng chảy xoắn lớn có thé chiếm một phan lớn trongmặt cắt ngang của dòng sông và ảnh hưởng đến sự biến hình lòng sông

1.3 Cac tác động của d ngth c p

D ng thứ cấp một van dé quan trọng trong động lực học d ng sông, liên quannhiều đến việc phân tích, tính to n di n biến | ng sông, nhat! di n biến 1 ng sôngtheo phương ngang.N c_ thể gây ra hiện tượng sat lở bờ sông, uy hiếp đến sự 6n

định của hệ th ng đêv c c công trình xây dựng ven bờ sông (đặc biệt | trong mùa

lũ) hoặc c thé gây bôi lang hay x ¡ lở Dod , cần phải chú ý đến những đoạn sông

c d ng thứ cấp mạnh đếc biện ph p bảo vệ bờ hoặcc những điều chỉnh, u n nắn

kip thời.

1.4 Tình hình nghiên c utrongv ngo inudc

1.4.1 Tình hình nghiên c utrén Th giới

Trên thế giới, đ c nhiều nghiên cứu về cau trúc phức tạp của dòng chảy qua

c c đoạn sông cong, trong đ c sự góp mặt của dòng thứ cấp, gây bồi, xói và sat lở

bờ sông Có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm

về dòng thứ cấp ở đoạn kênh cong như: Jovein va cộng sự [3] d 1 m mô hình thí

nghiệm nghiên cứu cấu trúc dòng chảy trong kênh cong 90°, dai 6m, rộng 0.4m vàsâu 0,45m được làm bang plastic ran Thí nghiệm được làm với các mức lưu lượngkhác nhau Kết quả nhìn chung cho thay vant c tại đoạn cong rat lớn, vận t c lớn ởgan bờ trong va vant c nhỏ gan bờ bên ngoài Qua khỏi đoạn cong thi xu hướng vận

t c đảo ngược lại với vant c lớn nhất phânb_ gần bờ ngoài và nhỏ nhất gan bờ trong.Thí nghiệm của Abad va Garcia [4] nghiên cứu trên kênh cong Kinoshita (kênh gồm

7 đoạn cong liên t c và xen kẽ nhau, với tam | đường cong Kinoshita) Thí nghiệm

được thiết lập theo 2 chiều chảy xuôi và chảy ngược Kết quả thu được cho thấy sự

ảnh hưởng của bán kính cong và các thongs Reynolds, năng lượng nhớt r 1 có ảnh

hưởng nhiều đến vant c và sự hình thành dòng chảy thứ cấp Naji Abhari và cộng sự[5] kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình toán cho dòng thứ cấp trên kênh cong 90°

có mặt cắt ngang hình chữ nhật, đ y băng, và thành nhãn Donatella Termini [6]nghiên cứu “X i lở bờ và dòng thứ cấp trong kênh thí nghiệm u_n cong” Mô hình

thí nghiệm được thực hiện với 2 giá trị tỉ lệ rộng/sâu khác nhau Nghiên cứu này chú

ý đến sự t c động của dòng thứ cấp lên bờ sông (bao gom mức độ ôn định của bờ).Kết quả cho thấy, với tỉ lệ rộng/sâu nhỏ (B/h<10) thì dòng thứ cấp hình thành gầnmặt thoáng ở phía bờ ngoài và phát triển cho tới khi lên tới mặt thoáng rồi triệt tiêungay tại đoạn cong Với ti lệ rộng/sâu lớn (B/h>10) thì gần như không thay xuất hiệndòng thứ cấp Kết quả nghiên cứu “D ng chảy qua đoạn sông cong” của Graf vàBlanckaert [7] với m6 hình thí nghiệm Í kênhc địa hình đ y có thể xói lở được chothay dòng chảy thứ cấp là một hiện tượng đặc trưng trong kênh cong Vận t c dòngchảy tăng dân về phía bờ ngoài và đạt giá trị lớn nhất ở gần đ y Thí nghiệm trongnghiên cứu này còn cho thấy có thể giảm xói lở ở đoạn cong bang cách tạo một vùngđệm hợp lý ở bờ ngo i dé làm giảm vant c đập vào bờ ngoài gây xói lở

Tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ tập trung vào kiểm định lý thuyết về dòngthứ cap m chưa ứng d ngc_ thể trong những địa hình phức tạp trên thực tế

Một s công trình nghiên cứu dòng thứ cấp được thực hiện bằng cách kết hợp

đo đạc thực địa và mô phỏng bằng mô hình to n như nghiên cứu của Rodi [8],

Shimizu [9], Yang G Lai [10] Nghiên cứu của Sinha và cộng sự [ll] d pd ng

mô hình toán ba chiều cho một đoạn dai 4 km của sông Columbia phía ha lưu của đập

phân tích hiện trường, vừa thí nghiệm trên m6 hình vật lý thật sự t n kém Bên cạnh

đ , kết quả nghiên cứu cũng c n nhiều hạn chế như chưa mô tả đúng thực tế va chỉ

áp d ng lên kênh mô hình đơn giản.

1.4.2 Tình hình nghiên c u Việt Nam

Trong nước, trong những năm gan day, nghiên cứu về xói lở, nhất là xói lở trênnhững đoạn sông cong chủ yếu dựa vao th ng kê, khảo sát thực dia; và mồ hình toánnghiên cứu tổng hợp c ct c động

Nghiên cứu dựa vào khảo sát thực địa của Lê Ngọc Thanh và Nguy n Văn Giảng

[13] thực hiện khảo s t địa vật lý gần mặt dat dé góp phan x c định nguyên nhân sat

lở bờ sông Tiền và sông Sài Gòn Kết quả nghiên cứu n y đ cho thay cấu trúc địachất băng việc x c định các ranh giới giữa những lớp tram tích, c e lăng kính chứanước, e c đ nc t được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, góp phan quantrọng trong việc dự báo sạt lở đất và làm tiền đề cho các luận điểm vẻ tícht trầmtích vùng bờ sông Tiền và bờ sông Sài Gòn

Các nghiên cứu ứng d ng mô hình toán chủ yếu dùng mô hình dòng chảy 2chiều với m c đích ph cv cho công tác dự báo và thiết kế phương nph ngch ngxói lở Những mô hình này có nhiều ưu điểm trong tính toán bôi xói Tuy nhiên chúngkhông thể mô tả được cau trúc dòng thứ cấp theo phương ngang ở những đoạn sông

Nghiên cứu của Nguy n Thanh Hùng [14] sử d ng kết hợp khảo sát hiện trường(đo đạc địa hình, địa chất lòng sông, chế độ thuỷ lực, thuỷ văn của dòng chảy) và môhình Mike21 dé phân tích x c định nguyên nhân gây sat lở khu vực kè Xuân Canh ở

đê tả sông Du ng Kết quả của nghiên cứu cho thay nguyên nhân sat lở chủ yếu dohình thái lòng sông kết hợp với các yéu t dòng chảy và các yếut dia chất Tuynhiên, nghiên cứu này mới dừng lại ở mức phân tích từs liệu khảo s t đo đạc về địahình, thủy văn, thủy lực và dựa trên kết quả mô hình toán thủy lực để đưa rac cnguyên nhân tong hợp gây sat lở bờ Vì vậy cần có những nghiên cứu sâu dé có thể

làm sáng tỏ hơn nữa những nguyên nhân này.

Mộts_ công trình nghiên cứu về bồi xói trong sông, vùng cửa sông và ven biểnnhư: Nghiên cứu phòng ch ng xói lở bờ biển Hải Hậu, Cảnh Dương, Gò Công củaViện Khoa học Thủy lợi (đề tài KT.03.12.1991 - 1995) [15]; Dự n đo đạc giám sát

di n biến lòng dẫn, bồi đắp và sat lở bờ sông, cửa sông Đồng Nai - Sài Gòn và sông

Cửu Long năm 2006 của Ho ng Văn Huân v c ct c giả [16] Báo cáo nghiên cứu

khả thi Dự án phòng ch ng sat lở bờ sông, bờ biển Gành Hào - huyện Giá Rai, tinhBạc Liêu do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện năm 1998 [17]

Mặc dù ở nước ta có rất nhiều công trình nghiên cứu về sạt lở bờ sông, nhưngvẫn chưa có nghiên cứu đi sâu v o cau trúc dòng thứ cấp cũng như t c động của dòngthứ cấp lên sạt lở bờ bằng sự kết hợp mô hình vật lý và mô hình toán

Vì thế, việc ứng d ng một mô hình to n để nghiên cứu tính toán về cấu trúcdòng và kết hop mô hình vật ly để kiểm định c c trường hợp mô phỏng vẫn còn là

một việc can thiệt ở nước ta.

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp thực nghiệm

2.1.1.Cơ s xây dựng mô hình vật 1

Mô hình vật lý sông Ï một trong những phương ph p thông qua thí nghiệm dénghiên cứu quy luật di n biến | ng sông Qua mô hình vật lý sông c thé đo trực tiếp

c cyếut cân nghiên cứu

Mô hình vật lý sông c thé! mô hình không biến dang v mô hình biến dạng,gồm 2 loại: mô hình | ng cứng (c định)v mô hình | ng động:

+ Mô hình sông | ng cứng mô hình sông m | ng dẫn củan không bị biéndạng dưới t cd ng của d ng chảy, được ứng d ng chủ yếu để nghiên cứu cấu trúcđộng lực của d ng chảy nhằm đ nhgi c c kiểu d ngchảyc thể xảyrav c cảnhhưởng của chúng đến 1 ng sông trong tự nhiên

+ Mô hình sông 1 ng động l mô hìnhm | ng sôngc_ thé bị bién dạng dưới

t cd ng của d ng chảy, được ứng d ng để nghiên cứu định tinh v định lượng qutrình di n biến 1 ng sông v kết cấu nội bộ của d ng chảy

C cmô hình sông thường c_ kích thước bé hơn sông thiên nhiên nên c n được goil mô hinhc tỉ lệ thu nhỏ Mô hình tỉ lệ thu nhỏ được xây dựng dựa trên co sở

lý luận tương tự giữa mô hình v nguyên hình (sông thực) Điều kiện tương tự thủyđộng lực giữa nguyên hình v mô hình đ ¡ hỏi tỷ s của tất cả c c loại lực t ed nglên hiện tượng phải băng nhau Nhưng trên thực tế thì không thể đồng thời thỏa m nđược c c tỷ lệ về lực kh i lượng (s Froude), p lực (s Euler)v lực nhớt (sReynolds) cũng như không thể thực hiện được sự cân bang gitra ty s tất cả c c lực

t cd ng trong mô hình v nguyên hình Do đ , e c điều kiện tương tự được ưu tiênvới một loại luc n o đấy t ed ng chủ yếu lên d ng chảy đang nghiên cứu [2].Nghiên cứu n y tập trung v o tìm hiểu cấu trúc d ng, do d mô hình sông | ngcứng được lựa chọn để xây dựng với điều kiện được ưu tiên | tương tự vés Froude

và giữ Reynolds trên 500 dé đảm bảo điều kiện chảy r i trong mô hình thu nhỏ [18].Bên cạnh đ , cùng với điều kiện không gian phòng thí nghiệm, mô hình được lựa

chọn xây dựng với tỉ lệ ngang là 1:500 va tỉ lệ đứng 1:100.

Ngoài ra, dòng chảy trong mo hình thu nhỏ cũng phải thoả mãn s_ Reynolds

trong miễn chảy r i gi ng dòng chảy thực tế trên sông S Reynolds được tính theo

vant ctrung bình V v_ độ sâu trung bình T:

T=A/B (2.2)

Mái

Re = (2.3)

vvới AI diện tích mặt cắt ướt;BI bề rộng mặt tho ngv vl độ nhớt động học

2.1.2 Xây dựng mô hình thu nhỏ đoạn sông cong Thanh Đa

Mô hình thu nhỏ được xây dựng dựa trên s liệu đo đạc địa hình từng mặt catnăm 2011 Doan sông Thanh Da được sử d_ng trong nghiên cứu có chiêu rộng khoảng250m, chiều dài khoảng 2000m, độ sâu trung bình khoảng l3m,c nơi sâu nhất đến24m phânb_ ngay tại đoạn cong VỊ trí các mặt cắt được đ nhs như trong Hình 2.1:

15 16 _—T 17

05m

Hình 2.1 Vị trí các m t cắt

Với tỉ lệ mô hình thu nhỏ theo phương ngang 4; = 500v theo phương đứng Au

= 500, cùng véic c kích thước thực tế của đoạn sông này, kênh mô hình vật lý tương

ứng có các kích thước như sau:

Chiêu dài kênh m6 hình: Lng pinn = —— 4m

Chiêu rộng kênh mô hình: Ba pinn = x0 > 05m

Cac tỉ lệ khác cua mô hình cũng được x c định [2]:

Tỉ lệ vậnt c: Ây = Jay = V100 = 10

Tỉ lệ lưu lượng: Ag = AyAyA, = 10.100.500 = 500000

D y mô hình được xây dung c_ định băng xi mang Ð y mô hình được địnhhình trước băng các khung nhựa gia công băng máy cắt CNC theo kích thước đ đượctính toán thu nhỏ Saud đặt từng mặt cắt khung theo hình dáng của đoạn kênh Cu i

cùng kênh được xây dựng theo biên dạng khung đ tạo.

Hình 2.2 là kết quả của mô hình sau khi được xây dựng trong phòng thí nghiệm:

Sử d ng mô hình vật lý để đo đạc các thông s địa hình, mực nước và vận t cdòng chảy ph cv cho việc thiết lập và hiệu chỉnh mô hình s

2.1.3 Thi t lap th nghiém

C c thi nghiệm duoc thiét lập như Hình 2.3, trong d ,c c thiết bị thí nghiệm

bao gôm: Lưu lượng ké v_ biến tan; Bom; Thước đo sâu: Bé chứa bùn; Tắm ồn định

d ng; Thanh trượt đứng: Thanh trượt ngang; ADV v_ PIV.

Hình 2.3 Thiết 1 p thi nghiệm

1 Lưu lu ng kế và biến tan; 2 Bom; 3 Thư cdo sâu; 4 BE ch ab n;

5.7 m6n định dòng: 6 Thanh tru td ng; 7 Thanh tru tngang; 8 ADVMực nước trong kênh mô hình được điều chỉnh nhờ bơm ở phía đầu kênh vađập tràn ở cu ¡ kênh Nước được bom từ hồ chứa ngầm trong phòng thí nghiệm, qua

3 tam ôn định dòng cho dòng chảy 6n định và không tạo s ng Nước sau khi qua khỏiđập tràn, sẽ tuần hoàn vào hồ chứa

Hệ th ng điều chỉnh lưu lượng được thể hiện như Hình 2.4 Lưu lượng nướctrong kênh sẽ được điều chỉnh thông qua việc thay đổi t c độ bơm bang Biến tan.Lưu lượng kế được sử d ngl lưu lượng kế cơ dạng phao

Mực nước trong kênh được điều chỉnh băng đập tr n ở cu i kênh (Hình 2.5).Thanh trượt ngang v thanh trượt đứng được sử d ng dé di chuyển c c vị trí đođạc cần thiết

lame Qe

-%

«

Hình 2.4 Hệ thong bơm và lưu lu ng kế Hình 2.5 Ð p tràn cuối kênh

2.1.4 Các phương pháp đo đạc thực nghiệm

2.1.4.1 Do độ sau

Sau khi xây dựng mô hình xong, đ y của mô hình được đo đạc lại nhằm ph cv_ cho mô phỏng Mực nước cũng được do bằng thước đo độ sâu với sai s trên thước0,01mm như trên Hình 2.6 Thước đo độ sâu được đặt trên thanh trượt ngang dé cóthể di chuyển đến từng vị trí đo đạc cần thiết Độ sâu được đo tại từng mặt cắt Ð ivới địa hình đ y kênh, mỗi vị trí đo đạc được di chuyển c ch nhau lem để có thé thuđược địa hình đ y mịn Mực nước trên từng mặt cat cũng được do đạc nhưng khoảngcách mỗi điểm đo c ch nhau 4cm Độ sâu đ yv mặt nước được đo tại từng mặt cắtđược đ nh dẫu như Hình 2.1

Đề thu thậps liệu vậnt c bề mặt dòng chảy nhằm ph cv cho việc hiệu chỉnh

mồ hình s, phương ph p thí nghiệm được sử d ng! phương ph p PIV (Partilce

Image Velocimetry) Hệth ng PIV trên lý thuyết được mô tả như Hình 2.7 Hệth ngPIV cho thí nghiệm được thiết lập như Hình 2.8

Nguyên lý cơ bản cua PIV là thả những hạt nhỏ (tracer particles) trong dong

chảy và chiếu sáng vào vùng cần nghiên cứu để một thiết bị ghi hình các vị trí hạtnày tại hai thời điểm rất gan nhau (thiết bị được sử d ng là máy ảnh có thể ch p được

36 hình/giây) Từ hình ảnh thu được tại 2 thời điểm liên tiếp, phân tích vết di chuyêncác hạtn y dé tìm trường vant c của dòng chảy (sử d ng phần mềm MPIV) [19] Đểlây kết quả trung bình theo thời gian, thí nghiệm trên PIV ít nhất 60 lần, ứng với 60s

và 2160 hình.

Hình 2.7 Mô tả hệ thông PIV Hình 2.8 Hệ thong PIV trong thí nghiệm

Phương ph p PIV được lựa chọn trong thí nghiệm này bởi những ưu điểm sau:

- Không làm xáo trộn trường dòng chảy.

- —X cđịnh được trường vant c bề mặt của dòng chảy

2.1.4.3 Phương pháp ADV

Vận t c bên trong dòng chảy được đo băng hệ th ng ADV (Ascoustic DopplerVelocimetry) của SonTeck Hệ th ng ADV bao gồm đầu d ADV duoc b trí nhưHình 2.9, đầu dò này được kết n i với m y tinh để c i đặt các thông s cho thiết bị

v lưu trữ kết quả

Hinh 2.9 Hé thong do ADV

ADV được đặt trên 2 đường ray di chuyển theo phương ngang v đứng, do đượcvận t c 3 chiều và chỉ đo c ch mặt nước 6cm trở xu ng (đảm bảo đầu dò ngập dướinước) Kết quả đo được xuất ra máy tính kếtn ¡ với hệ th ng đo Vận t c tại mỗi mặtcắt sẽ được đo rời rạc từng vi trí theo độ sâu Các vi trí đo vant c trong cùng mặt cắt

sẽ được tính trung bình theo thời gian v duoc xử lý bang Matlab để xuất ra đượcphânb vận t c trong mặt cắt

Dé tìm ra được điều kiện đo đạc ADV dam bảo thu dữ liệu t t nhất, can đo thửnghiệm nhiều lần Trước hết, đo đạc vant c tại mộts vị trí trong 30 phút, sau đtính vant c thu được trung bình theo từng khoảng thời gian dé x c định khoảng thờigiant ï ưu thu được dữ liệu ôn định Bên cạnh d , kết quả thu được phải đảm bao độnhi u(SNR) trên 15v độ tương quan dữ liệu (CORR) trên 70% [20] Do d , dé đảmbảo ADV nhận được tín hiệu t t nhất thì trộn bùn (lẫy từ đ y sông thực) v o nước từthượng nguồn Trong tat cả các thí nghiệm, giá tri SNR năm trong khoảng 20 — 35 vagiá trị CORR năm trong khoảng 95 — 99%

Kết quả đo đạc và xử lý s liệu mẫu cho thay 10 phút là khoảng thời giant ¡ ưu

để thu được s liệu đo đạc 6n định (Hình 2.10)

2.1.5 Các trườngh p thực nghiệm

Trong luận văn n y, c c thí nghiệm đo PIV v ADV ứng với trường hợp lưu

lượng Q = 10 m*/h, mực nước cu i kênh giữ thấp hơn đỉnh bờ 3 cm (mực nước ở mứctrung bình) C c điều kiện thủy lực cho trường hợp này là: Vận t c trung bình 5,82

cm/s;s Re=7842,7 vas Fr=0,057.5 Fr trong thí nghiệm này phù hợp với s Fr

dòng thực tế trong sông là 0,078 (được tính từ van t ct 1 đa của đoạn sông thực); s

Re trong thí nghiệm trên 500, do d_ dòng trong mô hình thủy lực thu nhỏ đảm bao

chế độ chảy r i

2.2 Phương pháp s CFD

2.2.1 Các phương pháp giải c u trúc d ng

Phương ph p chính được sử d ng trong nghiên cứu n y[ phương ph p tính

to_n động luc học lưu chất CFD (Computational Fluid Dynamics) CFD giải gần đúng

c c phương trình bảo toàn kh ¡ lượng, động lượng v năng lượng của d ng lưu chất

B ito n trong nghiên cứu n y được giả định nhiệt độ của nước 1 không đổi Vì vậy,

phương trình bảo toàn năng lượng được bỏ qua.

Ngoài ra, vì dòng chảy được xét là dòng chảy r i nên c c mô hình được lựa

chọn để ph cv cho mô phỏng cau trúc dòng chảy r i Chay r i là trạng thái chuyểnđộng của dòng chất lỏng có hình dạng ngẫu nhiên và chuyển động xoáy hỗn loạn theo

3 chiều Tat cả các mô hình r i đều xuất phát từ hai phương trình co ban | phương

trình liên t cv phương trình động lượng.

Hai mô hình r i được lựa chọn: mô hình mô phỏng xoáy lớn LES (Large Eddy Simulation) và mô hình RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) sử d ng phương

trình Navier-Stokes trung bình theo thời gian bang phương ph p Reynolds

C nhiều phương ph p giaic e mô hình r i, trong đ phương ph p giải trực tiếpDNS (Direct Numerical Simulation) cho kết quả chính x c nhất Tuy nhiên DNS đ ihỏi tài nguyên máy tính lớn và thời gian tính toán nhiều Trong khi đ , mô hình LESgiải trực tiếp e e xo y lớn và mô hình hóa các xoáy nhỏ Vì vậy, mô hình LES đ i

hỏi ít t i nguyên m y tính hơn Mô hình RANS chi tập trung tính toán c c thông s

dòng chảy trung bình theo thời gian, nên có thể sử d ng lưới thô hơnv bước thờigian lớn hơn Do đ yêu cầu t ¡ nguyên m y tính thấp nhất [22]

— +; =———-— 2.5at Ox; pax; Ox; “8x;ôx, ¿3)

trong đ ,u¡l vant cth nh phan theo hướng i (¡=1,2,3):pl p suat;p 1 kh i

lượng riêng v vl độ nhớt động học; w đại lượng lọc; 1 ứng suất do ảnh hưởng

của c c cấu trúc r ic kích thước nhỏ hơn kích thước lưới — được mô phỏng bang

mô hình Smagorinsky theo c e phương trình (2.7) đến (2.9):

Trong mô hình RANS, th nh phan van t c ui duoc chia th nh 2 phan: vant c

trung bình theo thời gian Ui v_ vant c mach động 1; :

u; =U; + ul (2.10)

C c phuong trình chu đạo cua mô hình RANS:

au;

2x =0 (2.11)

Ovi Q Ễ (UU,) = Lê Ễ (avs +1) 2.12 Ot Ox; J 1 pax; Ox; _ (2.12)

trong d 1 ứng suất Reynolds được tinh theo công thức (2.13):

trong d Vv f,, được x c định từ 1 phương trình nhớtr 1 với Shệs v 3h mtao

th nh hệ khép kín Chỉ tiếtc c mô hìnhn yc thể tham khảo trong c ct ¡ liệu chuẩn

về CFD như của Wilcox [22] hoặc FerzIigerv Peric [23]

Mô hình LES pd ng cho b ito n3 chiều, dòng chảy r i không 6n định Trongkhi đ , RANS c_ thé dùng cho cả dòng chảy r i 6n định và dòng chảy r i không 6nđịnh Ð i với dòng chảy r i 6n định, các thông s dòng chảy (vận t c và áp suất) làhăng s theo thời gian Vì vậy, thành phan ô⁄ôt = 0 cho phương trình (2.12) va cácphương trinhk—ev ð Ngược lại, đ i với dòng r i không 6n định, thành phần ô⁄ôtphải được giải Nghiên cứu này xét cả 2 trường hợp cho RANS: d ng chảy r i 6nđịnhv d ng chảy r i không 6n định

2.2.2 Giới thiệu ph nm m Ansys Fluent

Ansys là một trong nhiều phần mém công nghiệp, sử d ng phương pháp Thểtích hữu hạn (FVM - Finite Volume Method) dé phan tich cac b ito nco ly, chuyén

c e phương trình vi phân, phương trình dao ham riêng từ dang giải tích về dangs ,với việc sử d ng phương ph p rời rạc hóa và gần đúng để giải [21]

Phần mềm Ansys Fluent có khả năng mô hình h ac e mô hình vật lý cho các

mô hình dòng chảy, r ¡, truyền nhiệt, và phản ứng

Nhờ ứng d ng phương ph p thé tích hữu hạn, c e b i to n kỹ thuật được môhinh h av mô phỏng to n học cho thấy thực tế trạng th i bên trong của vật thé khi

chịu mộtt c động bên ngo i.