Hai module dòng rối và trộn khí của mô hình thủy động lực học Flow 3D được sử dụng để mô phỏng dòng chảy qua cụm công trình tràn xả lũ, hố xói kênh dẫn hạ lưu Tà Rục – Khánh Hòa. Các đặc trưng thủy lực của dòng chảy như mực nước, lưu tốc, được tính toán so sánh với số liệu thực đo. Chiều dài dòng phun được xem xét bằng cả công thức kinh nghiệm, kết quả tính từ Flow 3D rồi so sánh với thực nghiệm và chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình toán cho kết quả hợp lý hơn.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ TÀ RỤC - KHÁNH HỊA BẰNG MƠ HÌNH DỊNG RỐI KẾT HỢP TRỘN KHÍ Lê Thị Thu Hiền1, Dương Hồi Đức2, Đinh Hải Đăng2, Nguyễn Đức Phú3 Tóm tắt: Hai module dịng rối trộn khí mơ hình thủy động lực học Flow 3D sử dụng để mơ dịng chảy qua cụm cơng trình tràn xả lũ, hố xói kênh dẫn hạ lưu Tà Rục – Khánh Hòa Các đặc trưng thủy lực dòng chảy mực nước, lưu tốc, tính tốn so sánh với số liệu thực đo Chiều dài dòng phun xem xét công thức kinh nghiệm, kết tính từ Flow 3D so sánh với thực nghiệm việc sử dụng mơ hình toán cho kết hợp lý Ba phương án góc hắt mũi phun tràn xả lũ xem xét, lựa chọn thông qua đánh giá chiều dài dòng phun, phân bố vận tốc, áp suất dòng chảy hố xói nhằm khẳng định việc cần thiết phải kể tới tính chất tự trộn khí dịng chảy có vận tốc lớn cơng trình phức tạp Từ khóa: Flow-3D, tràn xả lũ, hố xói, đặc tính thủy lực ĐẶT VẤN ĐỀ * An tồn đập cơng trình phụ trợ tràn xả lũ, cống, v.v… ln đóng vai trị quan trọng quản lý lưu vực, hồ chứa Việt nam Sự hư hỏng dạng cơng trình dẫn tới thiệt hại, hậu khó lường người vật chất hạ lưu cơng trình sóng lũ vỡ đập gây nên Vì vậy, việc nghiên cứu đặc tính thủy lực dịng chảy qua cơng trình ứng với cấp làm việc khác ln cần xem xét Mơ hình tốn, từ lâu coi công cụ hữu hiệu mơ tốn thủy động lực học Đặc biệt, với phát triển công nghệ thông tin, phần mềm tính thủy lực đời có khả mơ dịng chảy có độ xác lớn có kể tới tính rối, tính nhớt chất lỏng, kể tới tương tác pha lỏng với pha rắn hay tượng trộn khí Gần đây, Flow 3D coi công cụ hữu hiệu nghiên cứu toán thủy lực phức tạp Flow 3D mơ dịng chảy dạng chiều dựa mơ hình tốn RANs để giải hệ phương trình Navier-Stokes, bao gồm mơ hình dịng rối, trộn khí để bắt tượng tự trộn khí dịng chảy qua tràn, dốc nước, bể tiêu Kumcu, (2016) Demeke nnk (2019) Bộ môn Thủy lực - Trường Đại học Thủy lợi Sinh viên lớp 59C1 - Trường Đại học Thủy lợi Công ty TNHH MTV QLCT Thủy lợi Đalak sử dụng mơ hình Flow 3D mơ dịng chảy qua hệ thống cơng trình tràn xả lũ, kênh dẫn hạ lưu, Salmasi nnk (2018) lại dùng mơ hình Fluent kết hợp thực nghiệm nghiên cứu dòng chảy qua bậc nước Đặc điểm thủy lực dòng chảy bậc như: mực nước, vận tốc, vị trí điểm phân tách phần khơng trộn khí trộn khí, (interception point) phân tích kỹ F.A Bombardelli et al, (2011), K Morovati et al (2017), Z Dong et al, (2019) Tuy nhiên, theo hiểu biết tác giả phân tích chi tiết đặc điểm thủy lực dòng phun từ tràn xả lũ tương tác với dòng chảy kênh dẫn hạ lưu chưa phân tích kỹ Đặc biệt, việc lựa chọn góc hắt mũi phun kích thước hố xói hầu hết cơng trình thủy lợi Việt Nam chủ yếu xác định thực nghiệm hay cơng thức kinh nghiệm mà chưa có tính tốn mơ hình tốn ba chiều xác định đặc điểm thủy lực phần dòng chảy sau tràn Vì báo này, tác giả sử dụng mơ hình dịng rối kết hợp trộn khí để mơ dịng chảy qua cụm cơng trình tràn xả lũ, hố xói, kênh hạ lưu Tà Rục Khánh Hịa Những phân tích chi tiết đặc điểm thủy lực dòng phun tương tác với dòng chảy sau tràn vận tốc, áp suất, tính ổn định dịng chảy thơng qua tỷ lệ trộn khí nhằm lựa chọn góc phun hợp lý tràn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) 25 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mô hình thủy động lực Flow 3D dựa phương pháp thể tích hữu hạn giải hệ phương trình bảo tồn khối lượng động lượng NavierStokes chiều Với dòng chảy trộn khí, phương trình liên tục viết sau: m m u m m t (1) (1) Trong m um tương ứng khối lượng riêng trung bình vận tốc trung bình Số hạng thứ ba bên vế trái gọi rối khuếch tán hoạt động dịng rối sinh khối lượng riêng khơng số Phương trình động lượng dịng chảy trộn khí mơ tả sau: mum m u m u m P m g τ t với P áp suất, tensor ứng suất Reynolds, um g véc tơ lưu tốc vec tơ gia tốc trọng trường Các bọt khí vào bề mặt dịng chảy dịng chảy có xáo trộn mãnh liệt lực gây dao động dòng chảy cho rối, xoáy (biểu thị lực Ft) lớn lực cân Fd sinh trọng lực sức căng bề mặt Vì vậy, thể tích khí vào dịng chảy V xác định phương trình tốn học sau: 1/ Ft Fd k A nêu Ft Fd V air s w nêu Ft Fd đó: Ft wk ; Fd w gn LT (2) (2) (3) sur (4) LT Với LT chiều dài dòng rối; w khối lượng riêng nước; gn thành phần gia tốc trọng trường vng góc với bề mặt dịng chảy; sur hệ số sức căng bề mặt Trong nhiều mơ hình dịng rối Flow 3D mơ hình phương trình k, hai phương trình k- hay Renormalization Group (RNG) mơ hình RNG coi hữu hiệu mơ đặc tính dịng chảy qua cơng trình thủy lợi đập tràn, dốc nước (Kumcu, 2016) Vì vậy, báo mơ hình dòng rối RNG sử dụng TRÀN XẢ LŨ TÀ RỤC – KHÁNH HỊA Bảng Thơng số tràn xả lũ, hố xói, kênh hạ lưu Tà Rục - Khánh Hịa Hạng mục cơng trình Cao trình ngưỡng tràn Bề rộng tràn nước (n×b) Chiều dài, chiều rộng dốc nước mặt cắt hình chữ nhật Hệ số nhám n; độ dốc dốc nước Cao trình mũi phun góc hắt 20o Cao trình đáy hố xói Kích thước hố xói mặt cắt hình thang Cao trình đáy kênh hạ lưu, bề rộng kênh 26 Thơng số +48.5 m 3×8m 100m; 28m 0.017; 12% +35.5m +13.8m 20m×32.3m(35.6m) +22.0m; 54m KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) Tràn xả lũ hồ chứa Tà Rục thuộc tỉnh Khánh Hòa Hồ chứa nước Tà Rục xây dựng đáp ứng nhu cầu cấp nước sinh hoạt cho nhân dân nhu cầu sử dụng nước ngành kinh tế khu vực, thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội, góp phần xóa đói giảm nghèo, phát triển vành đai kinh tế Vân Phong khu du lịch Nha Trang Cam Ranh Các thông số cụm cơng trình mơ tả Bảng Mơ hình thí nghiệm vật lý tràn xả lũ Tà Rục, tỉnh Khánh Hòa xây dựng Phịng thí nghiệm Thủy lực tổng hợp, Trường Đại học Thủy lợi, (Hình 1) Dịng chảy qua tràn chủ yếu phụ thuộc vào gia tốc trọng trường nên mơ hình xây dựng theo tiêu chuẩn Froude Các giá trị thực đo mơ hình nhân với tỷ lệ mơ hình để kích thước ngun hình, sau so sánh với kết tương ứng mơ hình tốn, (Báo cáo kết thí nghiệm thủy lực tràn xả lũ Tà Rục, 2009) Hai trường hợp thí nghiệm lấy để so sánh với kết Flow 3D mơ tả Bảng Hình Mơ hình thí nghiệm tràn Tà Rục Bảng Các trường hợp tính tốn mơ hình vật lý mơ hình tốn Trường hợp Lưu lượng Q (m3/s) 996 779 Tần suất P(%) 0.2 1.0 Cao trình mực nước thượng lưu ZTL (m) 55.96 55.04 Mơ hình Flow-3D verson 11 sử dụng để mơ dịng chảy qua tràn Tà Rục ngun hình Dùng AutoCAD-3D mơ cơng trình, sau xuất file dạng stl đưa vào Flow 3D (Hình 2) Các block tràn xả lũ Tà Rục chia sau: Block gồm tràn dốc nước chia thành lưới có kích thước 0.5m×0.5m×0.5m; Block hố xói chia thành lưới có kích thước 0.75m×0.75m×0.75m; Block kênh dẫn hạ lưu chia thành lưới có kích thước 1m×1m×1m Biên toán theo phương: X: Biên block Specified pressure với Fluid elevation mực nước thượng lưu ZTL biên block Outflow; Y: Wall; Z: Biên Wall, biên Specified pressure với Fluid fraction lấy Điều kiện ban đầu toán thiết lập vào Bảng Cao trình mực nước hạ lưu, ZHL (m) 26.04 25.76 Hình Mơ hình cụm cơng trình Tà Rục Flow 3D KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 So sánh với số liệu thực đo Các đặc trưng thủy lực dòng chảy qua tràn xả lũ Tà Rục nghiên cứu báo Nguyễn Văn Tài nnk, (2017) mơ hình tốn hai chiều dựa phương trình nước nơng Ảnh hưởng trụ pin hình thành sóng xiên dốc nhìn thấy kết tính Flow 3D, (hình 3) phù hợp với kết thí nghiệm lẫn thực tế KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) 27 Hình Hình ảnh 3D dịng chảy qua tràn xuống hố xói kênh dẫn hạ lưu (từ trái qua: Hình ảnh thực tế, thí nghiệm mơ hình tốn) Ngồi ra, để kiểm tra độ tin cậy mơ hình Flow 3D mơ dòng chảy qua tràn, số liệu cao độ mực nước tính tốn 10 điểm đo tim tràn so sánh với số liệu thực nghiệm Bảng Ở đây, hệ số Nash dùng để đánh giá kết tính theo mơ hình tốn so với mơ hình vật lý Cơng thức tính hệ số Nash xác định theo phương trình (5): N X E 1 tt X tdi i 1 N X tdi X td (5) i 1 X tt X td tương ứng mực nước, lưu tốc tính tốn thực đo vị trí nghiên cứu; i số giá trị tính tốn thực đo điểm thứ i; N số giá trị chuỗi nghiên cứu Nhìn chung, sai số mơ hình tốn mơ hình vật lý khoảng 1-5% Những sai khác phần nhiều ảnh hưởng kích thước lưới tính tốn Kích thước lưới có cấu trúc 0.5m tràn nên điểm lấy kết theo phương pháp số gần sát với số liệu thực đo Hệ số Nash mực nước, vận tốc trường hợp khơng trộn khí 0.95806 0.9341; trường hợp có kể trộn khí, hai hệ số 0.95836 0.93275 Vì vậy, khơng có khác biệt nhiều kết tính theo mơ hình có trộn khí khơng trộn khí tràn dốc nước Bảng Cao độ mực nước, vận tốc tính tốn thực đo Q=996m3/s Điểm đo Tọa độ x(m) Cao độ đáy z(m) zMH (m) zthực đo (m) V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 3.87 7.06 8.82 10.27 13.55 30.73 47.54 76.95 89.94 98.29 48.50 47.00 46.04 45.40 44.24 40.76 38.76 35.72 34.36 35.52 52.64 50.92 49.52 48.68 46.96 43.76 40.80 37.56 36.04 37.24 Có khí 54.004 52.502 51.502 50.256 48.502 43.000 41.342 37.900 36.390 37.582 4.2 Lựa chọn góc hắt mũi phun hợp lý mơ hình dịng rối kết hợp trộn khí 28 zMH(m) Khơng khí 54.003 52.502 51.503 50.253 48.500 43.001 41.342 37.831 36.390 37.505 Vthực đo (m/s) 8.21 8.99 9.60 10.20 11.18 14.01 15.69 16.52 17.33 18.00 VMH(m/s ) VMH (m/s) Có khí Khơng khí 8.414 9.694 10.051 10.552 11.743 15.540 16.389 18.180 18.500 18.418 8.428 9.690 10.038 10.539 11.740 15.565 16.415 18.210 18.510 18.363 Để thiết kế hố xói cần tính tốn với nhiều cấp lưu lượng khác để vẽ đường bao hố xói KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) Với cấp lưu lượng cần xác định thơng số hình học như: chiều sâu hố xói dx, chiều dài phóng xa Lp Chiều sâu hố xói dx đại lượng quan trọng thiết kế hố xói Tuy nhiên, không đầy đủ tài liệu địa chất khu vực Tà Rục nên tác giả không xem xét tới giá trị Ba phương án góc hắt mũi phun o 10o; 20o 30o tính tốn với cấp lưu lượng Bảng cấp lưu lượng nhỏ Q = 500 m3/s nhằm lựa chọn góc hắt hợp lý cho cơng trình Bên cạnh đó, tác giả phân tích làm rõ cần thiết phải sử dụng thêm mơ hình trộn khí tính tốn loại tốn Nguyễn Cảnh Cầm nnk, (2006) coi quĩ đạo dòng phun quĩ đạo dòng tia chiều dài phóng xa Lp xác định theo phương trình: V cos o2 tg o g Z g với tgo m 2V coso2 (6) với V vận tốc dịng chảy mũi phun Hình Quĩ đạo dòng phun Mặt khác, theo Phạm Ngọc Quý, (2006), xem xét đến hàm khí dịng chảy, cơng thức tính chiều dài phóng xa lại tính theo: Zo L p K a Z m sin 2 o 1 1 2 Zo Zm sin o đó: Ka: Hệ số hàm khí phụ thuộc vào số Froude đầu mũi phun Fm, (khi Fm 35, Ka = 0.8-0.9), trường hợp góc hắt số Froude đầu mũi phun nhỏ 35 nên Ka = 1.0; : Hệ số lưu tốc tràn dốc nước; Zo: Cột nước tồn phần có tính đến lưu tốc tới gần so với mực nước hạ lưu; Zm: Khoảng cách tính từ đầu mũi phun đến mặt nước hạ lưu, (hình 4) Bảng cho kết vận tốc mũi phun, chiều dài dòng phun Lp theo lý thuyết mơ hình tốn có kể trộn khí khơng kể trộn khí ứng với góc hắt khác lưu lượng Qmax=996 m3/s Lp (7) Cơng thức (5) cho chiều dài dịng phun tính nhỏ nhiều so với kết mơ hình tốn Khi o = 20o, Lp = 34.28m nhỏ kết thực nghiệm chiều dài phóng xa khoảng từ 36 m đến 43 m Công thức (6) cho kết hợp lý Với lưu lượng Q = 500 m3/s 799 m3/s ta có kết luận tương tự Chiều dài dịng phun tăng góc hắt tăng có kể tới tính trộn khí cho kết nhỏ khơng trộn khí Vì vậy, ngồi sử dụng cơng thức kinh nghiệm cần phải kiểm tra lại theo mơ hình tốn để tìm chiều dài phóng xa xác Bảng Chiều dài phóng xa dịng phun theo cơng thức thực nghiệm mơ hình tốn No Lp (thực nghiệm) Lp (Flow 3D) Theo Eq (6) Theo Eq (7) không trộn khí trộn khí 10o 30.23 30.86 41.2 40.2 20o 34.28 37.56 45.1 41.1 30o 37.87 41.1 47.6 43.8 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) 29 Hình Hình ảnh 3D dịng phun từ mũi phun vào hố xói thực nghiệm mơ hình tốn góc hắt 20o Hình Nước nhảy hố xói, góc hắt 20o khơng xét trộn khí có xét trộn khí Mặt khác, thực nghiệm với lưu lượng qua hệ thống Q = 996 m3/s, cao trình mặt thống nước hố xói dao động quanh giá trị 27.0m, (Báo cáo thí nghiệm Mơ hình vật lý Thủy lực tràn xả lũ hồ chứa nước Tà Rục, tỉnh Khánh Hòa, 2009) Hình cho thấy có kết tính từ mơ hình tốn có kể trộn khí phù hợp với thực đo hình Vì vậy, cần thiết phải sử dụng mơ hình trộn khí mơ dịng chảy có xáo trộn mạnh Vận tốc hố xói dao động khoảng từ 6.2 đến 12.5 m/s, trừ chỗ bề mặt tiếp xúc dòng phun mực nước hạ lưu, (hình 7) Giá trị phù hợp với kết thực nghiệm từ 4.8 m/s đến 12.8 m/s Tuy nhiên, xem xét biểu đồ phân bố vận tốc hố xói ta thấy, lớp nước hố xói ứng với trường hợp 10o thấp nhất, dẫn tới dòng tia chạm mặt nước hạ lưu xuyên xuống đáy nên đáy đáy hố xói vận tốc dịng phun lên tới 13 m/s, điều gây xói lở đáy Hình Phân bố vận tốc hố xói ứng với góc hắt 20o, 30o 10o Hình Tỷ lệ trộn khí hố xói ứng với góc hắt 20o, 30o 10o 30 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) Hình Phân bố áp suất hố xói ứng với góc hắt 20o, 30o 10o Mặt khác, trường hợp góc hắt 20o lại cho lớp dịng chảy sát mặt có vận tốc lớn phát triển rộng, tỷ lệ thể tích trộn khí lớn nhiều so với góc hắt 30o, (hình 8) Điều dẫn tới trường hợp góc hắt 20o làm cho dịng chảy mặt hố xói bất ổn định gây bất lợi cho bờ kênh Phân bố áp suất bể tương đồng trường hợp 20o 30o, (hình 9) Vì vậy, vào phân tích phân bố áp suất, vận tốc, độ xáo trộn dòng chảy chiều dài dịng phun góc hắt 30 độ hợp lý góc 20 độ KẾT LUẬN Việc sử dụng mơ hình tốn ba chiều kết hợp module dịng rối trộn khí cần thiết nghiên cứu dòng chảy qua cơng trình thủy lợi có xáo trộn lớn Bài báo phù hợp việc sử dụng mơ hình tốn mơ dịng chảy qua tràn xả lũ Tà Rục-Khánh Hòa với cấp lưu lượng khác so với số liệu thí nghiệm mực nước, lưu tốc Bên cạnh đó, phân tích số công thức thực nghiệm dùng để xác định chiều dài phóng xa dịng phun đề nghị nên kết hợp với tính tốn mơ hình tốn xác định đại lượng Ngồi ra, phân tích chi tiết biểu đồ phân bố lưu tốc, áp suất, tỷ lệ trộn khí hố xói giúp có lựa chọn xác góc hắt mũi phun theo quan điểm thủy lực TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Cảnh Cầm, Nguyễn Văn Cung, Lưu Công Đào, Nguyễn Như Khuê, Võ Xuân Minh, Hoàng Văn Quý, Vũ Văn Tảo, (2006) Thủy lực (Tập II) NXB Nông nghiệp Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Thu Hiền, (2017) Nghiên cứu dịng chảy dốc nước sau tràn có trụ pin mơ hình tốn kết hợp thực nghiệm Tạp chí Khoa học công nghệ Thủy lợi, ISSN-1859-4255, 40, 126-135 Phạm Ngọc Quý (2006), Giáo trình nối tiếp tiêu hạ lưu cơng trình tháo nước NXB Xây dựng Phịng thí nghiệm Thủy lực - Trường Đại học Thủy lợi, (2009) Báo cáo thí nghiệm Mơ hình vật lý Thủy lực tràn xả lũ hồ chứa nước Tà Rục, tỉnh Khánh Hòa F A Bombardelli, I Meireles, J Matos, (2011) Laboratory measuerements and multi block numerical simulations of the mean flow and turbulence in the non-areated skimming flow region of steep stepped spillways Environ Fluid Mech, 11, 263-288 G K Demeke, D H Asfaw, Y S Shiferaw (2019) 3D Hydrodynamic Modelling Enhances the Design of Tendaho Dam Spillway, Ethiopia Water 2019, 11, 82; doi:10.3390/w11010082 Z Dong, J Wang, D F Vetsch, R M Boes, G Tan, (2019) Numerical Simulation of Air–Water TwoPhase Flow on Stepped Spillways behind X-Shaped Flaring Gate Piers under Very High Unit Discharge Water, 11, 1956; doi:10.3390/w11101956 K Morovati, A Eghbalzadeh, (2017) Study of inception point, void fraction and pressure over pooled stepped spillways using Flow 3D International Journal of numerical methods for heat& fluid flow 10.1108/HFF-03-2017-0112 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) 31 Abstract: STUDYING FLOW OVER TARUC SPILLWAY BY BOTH TURBULENT AND AIR ENTRAINMENT MODULES OF FLOW 3D Two turbulent flow and air entrainment modules of Flow 3D hydrodynamic model were used to simulate the flow through the hydraulic work included the spillway, the channel chute and the erosion tank of Ta Ruc Khanh Hoa The hydraulic characteristics of the flow such as water level, velocity are well matching with the measured data Three alternatives of sneezing angle of channel chute’s toe of 10o, 20o and 30o are also considered to find out the optimal case based on the assessment of jet flow length, velocity, pressure distribution at erosion pit The necessary of the air entrainment model combined with turbulent one in simulating high flow velocity on complex hydraulic constructures was also confirmed Keywords: Flow 3D; spillway; hydraulic characteristics; air entrainment Ngày nhận bài: 30/3/2020 Ngày chấp nhận đăng: 14/7/2020 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 70 (9/2020) ... module dịng rối trộn khí cần thiết nghiên cứu dịng chảy qua cơng trình thủy lợi có xáo trộn lớn Bài báo phù hợp việc sử dụng mơ hình tốn mơ dịng chảy qua tràn xả lũ Tà Rục- Khánh Hòa với cấp lưu... 26.04 25.76 Hình Mơ hình cụm cơng trình Tà Rục Flow 3D KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 So sánh với số liệu thực đo Các đặc trưng thủy lực dòng chảy qua tràn xả lũ Tà Rục nghiên cứu báo Nguyễn Văn Tài nnk,... mơ hình RNG coi hữu hiệu mô đặc tính dịng chảy qua cơng trình thủy lợi đập tràn, dốc nước (Kumcu, 2016) Vì vậy, báo mơ hình dịng rối RNG sử dụng TRÀN XẢ LŨ TÀ RỤC – KHÁNH HỊA Bảng Thơng số tràn