Đánh giá phần mềm thủy lực ba chiều để mô phỏng dòng chảy xung quang công trình kè trên sông WAAL, hà lan

Mặc dù phát triển trên hai phương pháp khác nhau, mô hình số và thí nghiệm, họ đã cho kết quả là khá tương tự [7], [8]; điều đã đóng góp đáng kể cho sự hiểu biết các đặc trưng của dòng c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN QUANG BÌNH

ĐÁNH GIÁ PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU

ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY XUNG QUANH CÔNG TRÌNH KÈ

TRÊN SÔNG WAAL, HÀ LAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy

Mã số: 60.58.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thống

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Thế Hùng

Phản biện 2: TS Vũ Huy Công

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Kỹ thuật, Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy, họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 08 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện, Trường Đại học Bách

khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Chế độ dòng chảy trong sông ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế của các vùng Tuy nhiên dưới áp lực phát triển kinh tế, con người đã tác động rất lớn đến các dòng sông bằng các biện pháp skhác nhau; điều này đã gây ra nhiều hiện tượng tiêu cực như xói lở

bờ và diễn biến đáy sông [1] Việc xác định và duy trì sự ổn định lòng sông là rất cần thiết và để tạo thuận lợi cho các phương tiện tham gia giao thông thủy, phòng tránh các thiệt hại có thể xảy ra Bằng biện pháp công trình như xây dựng kè mỏ hàn, kè hướng dòng

sẽ giúp chuyển hướng dòng chảy, thay đổi các quá trình vận chuyển trầm tích và cải thiện môi trường sinh thái [2], [3]

Khi công trình được xây dựng lên sẽ tạo ra dòng chảy phức tạp hơn với nhiều dòng thứ cấp và xoáy, sự phức tạp của trường dòng chảy dẫn đến khó khăn trong việc xác định sự tương tác giữa dòng chảy và xói xung quanh công trình [4] Những vấn đề này đã được nghiên cứu nhiều từ lý thuyết, thí nghiệm hoặc mô hình, những hiểu biết vẫn không đủ để có thể mô tả chính xác các hiện tượng ở khu vực kè Năm 2005, Uijttewaal nghiên cứu các mô hình dòng chảy xung quanh kè với hình dạng thực nghiệm khác nhau Nhằm tìm thiết

kế thay thế hiệu quả, trong ý nghĩa vật lý, kinh tế và sinh thái cho kè tiêu chuẩn trong những con sông lớn của châu Âu [2] Yeo, 2005 thực hiện 69 thí nghiệm để viết ra một hướng dẫn thiết kế tại Hàn Quốc và kiểm tra các khu vực phân chia ở hạ lưu của một kè dưới sự thay đổi khác nhau của chiều dài và góc thiết lập [5] Năm 2011, Shahrokhi và Sarveram mô phỏng dòng chảy 3D xung quanh một kè,

sử dụng mô hình rối để nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc kè về chiều dài và chiều rộng [6] Mặc dù phát triển trên hai phương pháp khác nhau, mô hình số và thí nghiệm, họ đã cho kết quả là khá tương

tự [7], [8]; điều đã đóng góp đáng kể cho sự hiểu biết các đặc trưng của dòng chảy, sự tương tác giữa dòng chảy và hình thái ở các khu vực kè và trong thiết kế các công trình chỉnh trị Tuy nhiên, thí nghiệm và mô hình hóa có tính đặc thù riêng vừa lợi thế và bất lợi

Thí nghiệm những gì được thực hiện thông qua mô hình vật lý được

sử dụng để áp dụng cho việc thiết kế công trình xây dựng lớn [9] Hiện nay, phương pháp này đã được chứng minh hiệu quả trong các nhánh sông có hình dạng đơn giản, nơi chế độ thủy động lực học không phức tạp Trong trường hợp các vị trí phức tạp như các nút giao, thay đổi lớn về địa hình hoặc các khu vực nông, phương pháp này dường như không thích hợp để mô phỏng đặc tính dòng chảy Hơn nữa, chi phí của mô hình vật lý cũng là một hạn chế lớn, đặc biệt là với các công trình vừa và nhỏ [10], [11] Ngược lại, ngày nay với sự phát triển của toán học và hệ thống máy tính, mô hình số được xem như là một công cụ thuận lợi, hiệu suất cao, linh hoạt và chi phí thấp cho việc phân tích các đặc điểm thủy động lực học ở các khu vực kè [12] Tuy nhiên mô hình số vẫn không tránh khỏi phụ thuộc vào dữ liệu thí nghiệm để hiệu chuẩn và kiểm định Do đó, một sự kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô phỏng số trên máy tính thường được sử dụng trong nghiên cứu Cả thí nghiệm trên

mô hình thu nhỏ và mô phỏng số được tiến hành đồng thời để xem xét kết quả [13]

Mô hình số được xây dựng và phát triển dựa trên lý thuyết và phương pháp giải khác nhau Đa số các mô hình đều sử dụng ba lời giải là phương pháp sai phân hữu hạn (FD), thể tích hữu hạn (FV) và phương pháp phần tử hữu hạn (FE) Với mô phỏng dòng chảy xung quanh công trình kè, phần mềm thủy lực ba chiều (3D) thường được

sử dụng như: TELEMAC 3D, Delft 3D, FLOW 3D, FLUENT, OpenFOAM Tuy nhiên mỗi phần mềm vẫn còn nhiều khó khăn, hạn chế trong việc lựa chọn sơ đồ đối lưu, mô hình rối, lời giải số, gán điều kiện biên, thời gian mô phỏng và công cụ hỗ trợ Vì vậy cần thiết phải có kiểm tra tính chính xác của các phần mềm bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với thí nghiệm

Do vâ ̣y, đề tài “Đánh giá phần mềm thủy lực ba chiều để mô

phỏng dòng chảy xung quanh công trình kè trên sông Waal, Hà Lan” Thông qua phân tích, so sánh kết quả mô phỏng bằng hai phần

mềm đặc trưng là TELEMAC 3D, FLOW 3D với kết quả thí nghiệm của Mohamed F M Yossef và de Vriend tại phòng thí nghiệm Cơ học

chất lưu, trường Đại học Delft – Hà Lan Đây là cơ sở khoa ho ̣c để phân tích, lựa chọn phần mềm thủy lực ba chiều mô phỏng cho dòng chảy xung quanh công trình trên sông phục vụ cho công tác nghiên cứu, thiết kế, quy hoạch và quản lý

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: Phân tích và đánh giá hiệu quả hai phần mềm TELEMAC 3D, FLOW 3D

Nhiệm vụ nghiên cứu: Mô phỏng lại dòng chảy trên sông Waal (Hà Lan) thông qua số liệu và điều kiện thí nghiệm đã được Mohamed F M Yossef và de Vriend thực hiện năm 2010 bằng phần mềm TELEMAC 3D và FLOW 3D

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Đoạn sông Waal – Hà Lan;

Phạm vi nghiên cứu: Mô hình vật lý của đoạn sông Waal – Hà Lan, có bố trí công trình kè được xây dựng trong phòng thí nghiệm

Cơ học chất lưu, trường Đại học Delft – Hà Lan

4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập và phân tích số liệu, tài liệu, kết quả thí nghiệm;

Mô phỏng dòng chảy bằng phần mềm TELEMAC 3D và FLOW 3D;

Phân tích và so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm; Đánh giá thuận lợi, khó khăn và đưa ra phạm vi áp dụng của mỗi phần mềm

5 Ý nghi ̃a khoa ho ̣c và thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng phần mềm thủy lực ba chiều để nghiên cứu dòng chảy xung quanh các công trình hoặc những khu vực có sự thay đổi lớn về địa hình trong sông Áp dụng thực tế trong việc nghiên cứu, thiết kế, xây dựng và quản lý các công trình trên sông đảm bảo an toàn, hiệu quả và kinh tế

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY TRONG SÔNG 1.1 Dòng chảy một chiều

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ MÔ HÌNH THỦY LỰC 2.1 Khái niệm mô hình

2.3 Các tiêu chuẩn tương tự

2.3.1 Sự tương tự của các dòng chảy lúc ảnh hưởng của trọng lực là chủ yếu - Tiêu chuẩn Froude

2.3.2 Sự tương tự của các dòng chảy lúc ảnh hưởng của lực cản

Chương 3 - PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU

Phương pháp giải Lưới Chi phí

1 MIKE 3

Viện Thủy lực (DHI), Đan Mạch

Sai phân hữu hạn Lăng trụ Thương mại

2 FLOW 3D

Flow Science, Inc,

Mỹ

Thể tích hữu

Thương mại

4 Delft3D

Deltares, Hà Lan

Sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn

Lăng trụ

Mã nguồn mở/ Fortran, C/C ++

5 FLUENT

Fluent Europe Lt, Anh

Thể tích hữu hạn

Lăng trụ,…

Phần tử hữu hạn Lăng trụ

Mã nguồn mở/ Fortran

3.2.3 Ứng dụng

3.2.4 Phần mềm TELEMAC 3D

3.2.4.1 Phương trình với giả thiết tuân theo áp lực thủy tĩnh

3.2.4.2 Phương trình với giả thiết không tuân theo áp lực thủy tĩnh

3.2.6.1 Mô hình Constant viscosity

3.2.6.2 Mô hình Mixing length (vertical model)

Chương 4 – ĐÁNH GIÁ PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU

ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY XUNG QUANH CÔNG TRÌNH

KÈ TRÊN SÔNG WAAL, HÀ LAN 4.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

4.1.1 Giới thiệu chung

4.1.2 Hệ thống sông Rhine

4.1.2.1 Tổng quan chung

Sông Rhine là một sông lớn và quan trọng ở Tây Âu với tổng

chiều dài 1.320 km Sông bắt nguồn từ dãy núi Anpơ và chảy qua

Thụy Sĩ, Pháp, Đức, Hà Lan

4.1.2.2 Chỉnh trị sông

4.1.3 Sông Waal

4.1.3.1 Tổng quan chung

Sông Waal là con sông nhộn nhịp nhất với chiều dài gần 80km,

lưu lượng dòng chảy trung bình 1500m3/s và là đường thủy nối cảng

Rotterdam - Hà Lan với Đức

Hình 4.1 Phân nhánh của sông Waal với các vị trí của vùng

+ Lưu lượng kiệt: Q85% = 800 m3/s

+ Lưu lượng trung bình: Q = 1600 m3/s

+ Lưu lượng lũ thiết kế: Q0.08% = 10.000 m3/s

Hình 4.2 Phạm vi tính toán

4.2.1.2 Điều kiện biên

Bảng 4.1 Điều kiện biên thủy lực

(m 3 /s)

Mực nước, h (m)

Hình 4.6 Kết quả vận tốc FLOW 3D Chảy không ngập (b) Chảy ngập một phần, (c) Chảy không ngập

Hình 4.7 Trường vận tốc tại khu vực kè số 4, trường hợp chảy

không ngập (a) Thí nghiệm; (b) TELEMAC 3D; (c) FLOW 3D

4.2.3.2 Kết quả vận tốc trên mặt cắt ngang

Xoáy chính Xoáy thứ cấp

Xoáy động

Xoáy thứ cấp Xoáy chính

Xoáy động

Hình 4.8 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy không ngập

R 2

RMS

E (m/s)

R 2

RMS

E (m/s)

R 2 RMSE (m/s) R

2

RMS

E (m/s)

4.2.3.3 Kết quả cường độ rối

Kết quả cường độ rối tại khu vực kè số 4

Hình 4.10 Cường độ rối, trường hợp chảy không ngập (a) Thí nghiệm; (b) TELEMAC 3D; (c) FLOW 3D

4.2.3.4 Kết quả ứng suất tiếp

Kết quả ứng suất tiếp trên mặt cắt ngang tại bốn vị trí khác nhau A,

B, C, D trong khu vực kè số 4

Hình 4.11 Ứng suất tiếp, trường hợp chảy ngập hoàn toàn

(b)

2 RMSE (N/m 2 ) R

2 RMSE (N/m 2 ) R

2 RMSE (N/m 2 ) R

Hình 4.12 Biểu đồ tương quan ứng suất tiếp

(a) Chảy không ngập (b) Chảy ngập một phần, (c) Chảy ngập hoàn toàn

4.2.3.5 Thời gian mô phỏng và công cụ hỗ trợ

Hình 4.13 So sánh thời gian tính toán

4.2.4 Ảnh hưởng sơ đồ đối lưu và mô hình rối

4.2.4.1 Kết quả vận tốc trên mặt bằng

Hình 4.14 Kết quả trường vận tốc (a) Thí nghiệm; (b) Đặc trưng và PML; (c) SUPG và PML; (d) Leo Postma và k – ε; (e) MURD và k – ε; (f) MURD PSI và k – ε

4.2.4.2 Kết quả vận tốc trên mặt cắt ngang

Hình 4.15 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy không ngập

(a) (b) (c)

Hình 4.16 Biểu đồ tương quan vận tốc

(a) Chảy không ngập, (b) Chảy ngập một phần, (a) Chảy ngập hoàn toàn

Hình 4.17 So sánh thời gian tính toán

4.2.5 Xác định vết dòng chảy

Hình 4 18 Vết dòng chảy theo thời gian

(a) T = 300s, (b) T = 400s, (c) T = 500s, (d) T = 600s

Vùng vận tốc lớn bắt đầu xuất hiện tại chân kè phía trước, sau

đó di chuyển dọc theo khu vực phân chia giữa sông và kè (hình 4.36) Khi đến chân kè tiếp theo dòng chảy phân chia thành hai dòng khác nhau, một dòng di chuyển sang khu vực kè kế tiếp, dòng còn lại

đi vòng vào giữa hai kè, men theo chân kè Vùng có màu đậm tương ứng với vận tốc có giá trị lớn, ngược lại vùng có màu nhạt thể hiện vận tốc bé Thang màu này thể hiện tốc độ di chuyển của nước và hạt bùn cát (nếu có) theo thời gian, đồng thời cũng thể hiện diễn biến bồi lắng giữa các khu vực kè trong sông Vùng bị xói lở lớn nhất sẽ xuất hiện tại chân kè, vị trí giao giữa khu vực kè và sông chính Ngược lại khu vực bồi lắng xuất hiện dọc theo bờ, vị trí giao giữa kè và bờ Kết quả này phù hợp với hình ảnh thực tế trên sông Waal – Hà Lan

(b) (a)

(d) (c)

kè số 3 như trong thí nghiệm

Trong tất cả 4 mặt cắt ngang, vận tốc tại vị trí thay đổi giữa kè

và lòng sông gần như xấp xỉ nhau giữa mô phỏng của hai mô hình so với thí nghiệm Trong khi đó tại khu vực bờ, có sự sai khác lớn, TELEMAC 3D có giá trị cao hơn, trong khi FLOW 3D có giá trị nhỏ hơn so với thí nghiệm Độ lệch chuẩn của TELEMAC 3D trong cả ba trường hợp chảy nhỏ hơn so với FLOW 3D

Cường độ rối trong hai mô hình bắt đầu thay đổi đáng kể tại đỉnh kè và tăng chiều rộng theo hướng hạ lưu Tính thống nhất của cường độ rối trong kết quả tại khu vực hạ lưu không có biến động đáng kể tại bốn mặt cắt A, B, C, D Cường độ rối trong trường hợp chảy không ngập phù hợp hơn so với hai trường còn lại và kết quả của phần mềm TELEMAC 3D phù hợp hơn so với thí nghiệm Kết quả ứng suất tiếp trong hai phần mềm luôn nhỏ hơn thí nghiệm, tại 4 mặt cắt và trong cả 3 trường hợp Không có thay đổi đáng kể về giá trị tại bốn mặt cắt và đồ thị khá tương tự nhau Trong

ba trường hợp, kết quả mô phỏng trong trường hợp chảy không ngập

là phù hợp hơn so với thí nghiệm Sự khác biệt lớn xuất hiện tại khu vực nơi có sự khác nhau về độ sâu giữa khu vực lòng sông và kè Độ

lệch chuẩn của TELEMAC 3D trong cả ba trường hợp chảy nhỏ hơn

mô hình rối k – ε cho kết quả phù hợp cao với thí nghiệm về sự phân

bố trường vận tốc và độ lớn Trong khi sơ đồ đặc trưng, SUPG thiết lập với mô hình rối PML sẽ giảm được nhiều về thời gian mô phỏng Dựa vào kết quả phân tích vết dòng chảy, vùng bị xói lở lớn nhất sẽ xuất hiện tại chân kè, vị trí giao giữa khu vực kè và sông chính Ngược lại khu vực bồi lắng xuất hiện dọc theo bờ, vị trí giao giữa kè và bờ

2 KIẾN NGHỊ

Xem xét thêm ảnh hưởng của hệ số nhám, sơ đồ đối lưu và mô hình rối tại bờ sông để mô phỏng đúng và cho kết quả phù hợp hơn với thí nghiệm

Thiết lập mô hình rối tại từng vị trí cụ thể, đặc biệt tại khu vực

kè, vị trí thay đổi độ cao giữa kè và đáy sông với các hệ số khác nhau

để phản ánh chính xác hơn

Đối với tính toán trong phạm vi lớn, công trình nghiên cứu có hình dạng không quá phức tạp, không đòi hỏi kết quả chính xác tại từng vị trí thì phần mềm TELEMAC sẽ phù hợp và thuận lợi hơn từ thiết lập đến sử dụng tài nguyên máy tính Ngược lại với bài toán trong phạm vi nhỏ, công trình hoặc đối tượng nghiên cứu có hình dạng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao thì phần mềm FLOW 3D sẽ

là một lựa chọn tốt