Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VIẾT THANH MÔ PHỎNG SỐ DÒNG CHẢY LŨ VÀ DỰ BÁO XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ: 62.58.02.05 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Cầu - Hầm, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đức Nhiệm 2. PGS.TS. Trần Đình Nghiên Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường theo quyết định số /QĐ-ĐHGTVT ngày tháng năm của Hiệu trưởng Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Đại học Giao thông Vận tải 3 MỞ ĐẦU Lý do để chọn đề tài Nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là một lĩnh vực gần như là kinh điển của khoa học động lực học dòng sông ở cả trên thế giới và tại Việt Nam, đây là một vấn đề mang tính chất thời sự mà các kết quả nghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện. Tiếp cận hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài "Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu". Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm mô phỏng số dòng chảy 3 chiều để mô tả các đặc trưng dòng chảy khu vực xung quanh trụ cầu, bằng kết quả mô phỏng chỉ rõ nguyên nhân gây xói trụ cầu, quá trình phát triển chiều sâu xói theo thời gian, và chiều sâu xói lớn nhất tại trụ cầu, kiểm chứng kết quả mô phỏng số bằng kết quả thí nghiệm vật lý trong phòng và của các công thức bán thực nghiệm, từ đó đề ra khả năng ứng dụng mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu ở Việt Nam trong tương lai. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu cho trường hợp xói cục bộ tại trụ cầu có mặt cắt hình chữ nhật trong điều kiện dòng chảy ổn định, xói nước trong. Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm trên mô hình vật lý trên cơ sở khai thác mô hình FSUM mô phỏng dòng chảy 3 chiều có bổ sung 3 mô đun hiệu chỉnh một số tham số tính toán. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: - Đề tài đã ứng dụng thành công phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu dòng chảy và dự đoán xói cục bộ trụ cầu, đây là một lĩnh vực mang tính chất kinh điển của thế giới cho đến nay vẫn chưa hoàn thiện; 4 - Kết quả nghiên cứu của luận án mang lại những nhìn nhận một cách tổng thể và chi tiết hơn về hiện tượng xói cục bộ trụ cầu so với các phương pháp truyền thống. - Giới thiệu một mô hình số để mô phỏng số dòng chảy và dự đoán xói cục bộ trụ cầu, góp phần hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu; cung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ tham khảo khi tính toán chiều sâu đặt móng trụ cầu. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm về xói, tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu 1.1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sông sâu và hẹp ngay tại chân trụ do dòng nước tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu trúc bình thường của dòng chảy, làm tăng cục bộ ứng suất tiếp và tốc độ dòng chảy, vượt qua sức cản của hạt đất bao quanh chân trụ, xói đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạo thành hố xói cục bộ ở trụ. 1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước 1.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu Hiện nay có bốn phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu, bao gồm: Phương pháp giải tích, phương pháp mô hình vật lý, phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường và phương pháp mô phỏng số. 1.4. Đánh giá chung 1.4.1. Những thành tựu đạt được 1.4.1.1. Trên thế giới Phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu được xây dựng theo phương pháp lý thuyết phân tích thứ nguyên, lý thuyết hồi qui và sai số bình phương nhỏ nhất, lý thuyết xác suất thống kê toán học, 5 lý thuyết mô hình vật lý kết hợp với đo đạc trên mô hình vật lý hoặc tại hiện trường. Theo thống kê hiện có hơn 40 công thức đã được giới thiệu, trong có có một số công thức được một số nước áp dụng đưa vào qui chuẩn thiết kế công trình cầu. Đối với lĩnh vực nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số đã giới thiệu một số mô đun phần mềm thương mại bước đầu được áp dụng để tính xói cục bộ trụ cầu phải kể đến như CCHE-3D, FLOW-3D, FLUENT-3D, SSIIM- 3D, bước đầu đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ. 1.4.1.2. Trong nước Điển hình là các công thức tính xói theo phương pháp lý thuyết bán thực nghiệm của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục và kỹ sư Nguyễn Hữu Khải (1982), công thức của PGS.TS Trần Đình Nghiên (1999). Trong lĩnh vực nghiên cứu xói theo phương pháp mô phỏng số, theo hiểu biết của nghiên cứu sinh hiện chưa có nghiên cứu nào đề cập đến. 1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại Đã có khá nhiều công thức tính toán được đề nghị, nhưng sự phù hợp của từng loại công thức so với thực tế vẫn được tiếp tục nghiên cứu. Phương pháp mô hình toán là hướng phát triển mới hiện đại phù hợp với thực tế do xói trụ cầu được tính toán gắn với mô hình tính toán tổng thể cho cả một đoạn sông và nó khắc phục được những tồn tại của các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, do chế độ dòng chảy và cơ chế xói cục bộ vùng trụ cầu rất phức tạp nên mô phỏng toán học của những công trình đã công bố vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó, những nghiên cứu theo hướng này chưa nhiều và việc ứng dụng trong thực tế vẫn còn ở mức thử nghiệm. 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Do điều kiện về thời gian cũng như chi phí, việc tiếp cận một phần mềm mô phỏng số mang tính chất thương mại trên thế giới gặp rất nhiều khó khăn, trong luận án này nghiên cứu sinh sử dụng phần 6 mềm mô phỏng 3 chiều FSUM có hiệu chỉnh một số tham số tính toán phù hợp trong mô hình toán áp dụng cho bài toán tính xói cục bộ trụ cầu, phân tích, đánh giá, kiểm chứng so sánh kết quả tính toán với kết quả nghiên cứu mô hình vật lý thí nghiệm trong phòng. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁCH THIẾT LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN DỰ BÁO XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô hình số 2.1.1. Hệ phương trình toán học cơ bản Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) đối với dòng chảy có mặt thoáng, chất lỏng không nén được với áp suất phi thủy tĩnh kết hợp với các phương trình truyền tải- khuếch tán và phương trình biến đổi địa hình đáy. - Phương trình liên tục: (2.1) - Phương trình động lượng: (2.2) - Phương trình truyền tải-khuếch tán nồng độ các chất: (2.3) - Phương trình mô tả biến đổi đáy: (2.4) 2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên * Các điều kiện ban đầu bao gồm: - Mực nước - Vận tốc dòng chảy - Nồng độ bùn cát - Địa hình đáy * Các điều kiện biên bao gồm: - Điều kiện biên cứng - Điều kiện biên hở - Điều kiện biên mặt thoáng - Điều kiện biên tại đáy đối với phương trình động lượng 7 - Điều kiện biên tại đáy đối với phương trình nồng độ bùn cát 2.2. Phương pháp giải số đối với FSUM Hệ phương trình toán học của FSUM được giải theo phương pháp sai phân hữu hạn ẩn bán Lagrange phát triển dựa trên phương pháp được Casulli phát triển năm 1993 được rời rạc hóa qua 2 bước: - Bước 1: Rời rạc hóa hệ phương trình dựa trên giả thuyết áp suất thủy tĩnh - Bước 2: Hiệu chỉnh các thành phần vận tốc và mực nước do yếu tố phi thủy tĩnh 2.3. Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM Bao gồm các file dữ liệu lưu trữ các thông số tính toán cần thiết để chạy chương trình. 2.4. Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu trong FSUM 2.4.1. Các giả thiết 1. Kênh có hình dạng chữ nhật, có độ dốc đáy không thay đổi. 2. Dòng chảy ổn định với lưu lượng biên thượng lưu và mực nước ở hạ lưu là không thay đổi trong quá trình tính toán và lưu lượng phân bố đều trên mặt cắt ngang. 3. Hạt vật liệu đáy có kích thước đều, đồng nhất. 4. Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ, gió, sóng, độ mặn và nồng độ các chất hòa tan khác có trong môi trường lỏng. 5. Chỉ nghiên cứu bài toán trong trường hợp xói nước trong, nghĩa là không có bùn cát tại biên đầu vào và trong dòng chảy không có nồng độ bùn cát vào thời điểm ban đầu. 2.4.2. Các bước thiết lập mô hình mô phỏng xói cục bộ trụ cầu bằng phần mềm FSUM Bước 1: Nhập số liệu các thông số từ giao diện bao gồm kích thước dài, rộng, cao của máng, độ dốc dọc máng, kích thước bước lưới tính toán. Bước 2: Thiết lập lưới sai phân, mô hình trụ cầu, thiết lập các biên miền tính toán tạo ra file FLG và thiết lập số lớp thẳng đứng tạo ra file HKK. 8 Bước 3: Nhập số liệu các điều kiện biên: lưu lượng biên lối vào, mực nước biên lối ra, đường kính trung bình hạt d 50 , biên rối tạo ra các file WSS, BDR, SSC và SED. Bước 4: Nhập số liệu tham số tính toán: độ nhám Manning, hệ số khuếch tán theo phương ngang, phương thẳng đứng, hệ số nhớt rối được hiệu chỉnh phân bố theo khu vực sao cho đạt được kết quả tính tốt nhất so với số liệu thí nghiệm. Bước 5: Nhập tham số thời gian: bước thời gian, tần suất ghi kết quả tính toán, thời gian chạy mô hình. Bước 6: Chạy chương trình. Bước 7: Xuất kết quả tính toán ra file dạng ASCII để so sánh với số liệu thực đo trong phòng thí nghiệm và trình bày đồ họa bởi phần mềm đồ họa TECPLOT 10.0, GNUPLOT 4.6. 2.5. Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục bộ trụ cầu 2.5.1. Thiết lập độ nhám theo khu vực 2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết a) Tại đáy sông khu vực xung quanh trụ cầu Khi trụ cầu đặt trong sông sẽ làm xáo trộn dòng chảy so với lúc bình thường khi không có mặt trụ cầu và làm tăng độ nhám. Giá trị tăng độ nhám phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng trụ cầu, kích thước của trụ so với toàn bộ mặt cắt ngang sông, số lượng trụ, cách bố trí trụ và khoảng cách giữa các trụ. Sự ảnh hưởng của bề mặt trụ cầu đến độ nhám là một hàm số của vận tốc dòng chảy. Vận tốc dòng chảy tại khu vực trụ cầu trong phương trình động lượng phụ thuộc vào độ nhám theo khu vực, đây là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình xói trụ cầu. Cowan (1956) đề xuất công thức tính độ nhám trong điều kiện kênh đáy phẳng, mặt cắt hình chữ nhật, vật liệu đáy hạt đều: n=n b +n 0 (2.5) 9 trong đó, n b là giá trị độ nhám vật liệu đáy kênh trong điều kiện kênh thẳng, đáy phẳng; n 0 là hệ số nhám do ảnh hưởng của vật cản (trụ cầu). Bảng 2.1 và 2.2 liệt kê giá trị của độ nhám n b và n 0 tương ứng theo thống kê của Cục khảo sát địa chất Mỹ (USGS): Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám n b Vật liệu đáy Đường kính trung bình hạt (mm) Giá trị độ nhám n b Cát 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 0.012 0.017 0.020 0.022 0.023 0.025 0.026 Bê tông Đá Cát hạt thô Sỏi mịn Sỏi trung Sỏi thô - - 1-2 - 2-64 - 0.012-0.018 0.011 0.026-0.035 0.024 0.028-0.035 0.026 Bảng 2.2: Giá trị hệ số nhám n 0 Mức độ ảnh hưởng Giá trị độ nhám n 1 Mô tả Không đáng kể 0.000-0.004 Diện tích chiếm chỗ của trụ nhỏ hơn 5% so với diện tích mặt cắt ngang kênh Có ảnh hưởng 0.005-0.015 Diện tích chiếm chỗ của trụ từ 5% đến 15% so với diện tích mặt cắt ngang kênh Ảnh hưởng đáng kể 0.020-0.030 Diện tích chiếm chỗ của trụ từ 15% đến 50% so với diện tích mặt cắt ngang kênh Ảnh hưởng lớn 0.040-0.050 Diện tích chiếm chỗ của trụ lớn hơn 50% so với diện tích mặt cắt ngang kênh b) Tại bề mặt trụ cầu Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu theo kết quả nghiên cứu của Barnes (1967) được trình bày ở bảng 2.3. Bảng 2.3: Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu Bề mặt vật liệu Độ nhám, n Bê tông xi măng 0.012 Thủy tinh 0.010 Nhựa dẻo, mica 0.009 10 Thép nhẵn 0.012 Gỗ phẳng 0.012 Gỗ thô 0.013 2.5.1.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh số liệu Để thiết lập mô đun hiệu chỉnh độ nhám cục bộ, trước hết thiết lập file chứa tọa độ các điểm bao quanh trụ cầu trong sơ đồ lưới sai phân, sử dụng file có đuôi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) và sử dụng phần mềm Exel trong trong Microsoft office 2007 để thiết lập giá trị độ nhám tại từng điểm theo tọa độ (i,j) với i theo phương x và j theo phương y (hình 2.2). Hình 2.2: Thiết lập khu vực nhám cục bộ xung quanh trụ Sau khi nhập tọa độ các điểm tính toán và gán giá trị độ nhám cục bộ theo vật liệu chế tạo trụ, tiếp tục xây dựng chương trình con tính toán được kết nối với chương trình chính của FSUM đặt tên là Mô-đun1. 2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt bùn cát 2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết Khi tính tốc độ chìm lắng của phần tử hạt sử dụng giả thiết các phần tử hạt riêng rẽ lắng tự do trong trạng thái nước yên tĩnh và không bị tác động bởi các phần tử hạt xung quanh đồng thời cũng giả thiết rằng các hạt phần tử là những khối hình cầu có hệ số ma sát tương đương với hệ số ma sát của các hạt tương ứng. Thực tế khi di chuyển, các hạt mịn có thể liên kết thành một nhóm nhỏ di chuyển đồng thời dẫn đến tốc độ chìm lắng của những nhóm hạt này lớn hơn so với từng hạt rời trong cột nước. Mặt khác, tại những khu vực có [...]... hn 50 ln ng kớnh ht khụng nh hng n chiu sõu xúi Bể chứa n ớc tuần hoàn S tng th thớ nghim cú th mụ t nh trờn hỡnh 3.2: Kênh dẫn n ớc Kính Mica 1.0m Đập thành mỏng chữ nhật đo l u l ợng chảy vào kênh Cát Mô hình trụ cầu Hệ thống ống dẫn n ớc tuần hoàn Hỡnh 3.2: Túm tt s thớ nghim 3.2 Trỡnh t thớ nghim 3.2.1 Cụng tỏc chun b 3.2.2 Trỡnh t thớ nghim 3.2.2.1 Thớ nghim th nht Thớ nghim th nht c tin hnh... vi phm vi t 80-900 Quỏ trỡnh xúi mang cỏc ht bựn cỏt t phớa trc tr v phớa h lu Do s tng tc dũng chy, cỏc ht bựn cỏt c tip tc b cun i to thnh h xúi gia tng v chiu rng v chiu sõu S tỏc ng ca cun xoỏy cun trụi bựn cỏt xung quanh múng tr cu Tc di chuyn bựn cỏt t múng tr v phớa h lu ln hn tc di chuyn bựn cỏt t thng lu lp vo h xúi, v do ú h xúi phỏt trin Khi chiu sõu xúi tng, cng xoỏy hỡnh múng nga gim... toỏn (t xúi ht thụ s thnh xúi trong t dớnh), dũng chy lỳc ny khụng ỳng vi dũng chy thc t trờn sụng, hn na c tớnh xúi ca hai loi a cht ny hon ton khỏc nhau Mt 17 khỏc, mc tiờu ca cỏc thớ nghim trờn l dựng kim chng vi kt qu mụ phng s, do vy cỏc kt qu o c thu c cú tin cy s dng cho nghiờn cu ca lun ỏn 3.5 Kt lun chng III Trờn c s kt qu o c v cỏc thụng s mụ hỡnh thớ nghim, chng IV s ỏp dng phn mm s... 1.0m, dc ỏy 1/1000, tr cu n vuụng lm bng g (h s nhỏm mt n=0.012) t gia tõm khi cú kớch thc cnh 0.1m 4.1.2 Thit lp li mụ phng Trong iu kin bi toỏn ang xột, sau vi ln chy th bi toỏn, mụ hỡnh li 3 chiu dựng mụ phng c chn vi bc li u x=y=0.02m, trc z c chia thnh 10 lp tớnh toỏn vi bc li z=0.020m Cu trỳc li c thit lp vi 24.964 ụ li vuụng trong mt phng 0xy v 249.640 khi lp phng trong khụng gian 0xyz 4.1.3... gia v sau tr cu 4.2.4.3 Xúi cc b xung quanh cỏc tr cu T kt qu mụ phng ta thy quy mụ v phm vi xúi ca tr th nht luụn ln hn tr th hai iu ny cho thy s khỏ tng ng gia kt qu mụ phng vi quan sỏt thớ nghim mc dự hỡnh dng h xúi trong mụ phng cú s sai khỏc so vi kt qu thớ nghim Hỡnh 4.15: Kt qu mụ phng xúi xung quanh cỏc tr sau T=5 gi tớnh toỏn Hỡnh 4.16: So sỏnh chiu sõu xúi ln nht tớnh toỏn v chiu sõu xúi ln... dng mụ hỡnh hỡnh hc Kớch thc ca mụ hỡnh hỡnh hc trong khụng gian vt lý l mt khi hỡnh lp phng cú kớch thc di 10m, rng 1.0m, cao 1.0m, dc ỏy 1/1000 4.3.2 Thit lp hỡnh hc v li mụ phng Mụ hỡnh li ba chiu dựng mụ phng c th hin hỡnh di õy vi bc li u x=y=0.01m, trc z c chia thnh 10 lp tớnh toỏn vi bc li z=0.020m, hai tr cú kớch thc 0.03mx0.03m lm bng mica (h s nhỏm b mt n=0.009) t gia tõm mỏng vuụng gúc . pháp mô phỏng số, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài " ;Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu& quot;. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm mô phỏng số dòng chảy. một cách tổng thể và chi tiết hơn về hiện tượng xói cục bộ trụ cầu so với các phương pháp truyền thống. - Giới thiệu một mô hình số để mô phỏng số dòng chảy và dự đoán xói cục bộ trụ cầu, góp phần. sâu đặt móng trụ cầu. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm về xói, tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu 1.1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ