Mô hình toán học về dòng chảy hở một chiều suy rộng

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH PHÚC HẬU MƠ HÌNH TỐN HỌC VỀ DỊNG CHẢY HỞ MỘT CHIỀU SUY RỘNG Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH PHƯC HẬU MƠ HÌNH TỐN HỌC VỀ DÕNG CHẢY HỞ MỘT CHIỀU SUY RỘNG Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Hùng GS.TS Trần Thục ĐÀ NẴNG – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, có tính chƣa đƣợc cơng bố cơng trình nào, khơng chép dƣới hình thức từ nguồn Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc thực trích dẫn đầy đủ ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án ii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Những đóng góp luận án Chƣơng TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY HỞ MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢI SỐ 1.1 Một số thành tựu nghiên cứu dịng chảy chiều sơng 1.1.1 Phƣơng trình dịng chảy chiều 1.1.2 Phân loại dòng chảy 1.1.3 Các nghiên cứu dòng chảy chiều 1.1.4 Giải phƣơng trình Saint-Venant phƣơng pháp sai phân 11 1.1.5 Phƣơng pháp thể tích hữu hạn giải hệ phƣơng trình SaintVenant 18 1.1.6 Phƣơng pháp đặc trƣng giải phƣơng trình Saint-Venant 21 1.1.7 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn giải phƣơng trình SaintVenant 23 1.2 Kết luận chƣơng .31 1.2.1 Những thành đạt đƣợc 31 1.2.2 Những tồn phƣơng hƣớng nghiên cứu 31 Chƣơng MƠ HÌNH TỐN DÕNG CHẢY HỞ MỘT CHIỀU SUY RỘNG KHI CÓ KỂ ĐẾN VẬN TỐC CHIỀU ĐỨNG Ở ĐÁY LÒNG DẪN 34 2.1 Mơ hình rối chiều dài xáo trộn .34 2.2 Cơ sở lý luận giả thiết 35 iii 2.3 Thiết lập phƣơng trình chiều suy rộng 36 2.4 Biến đổi hệ phƣơng trình vi phân dạng vectơ 58 2.5 Rời rạc theo thời gian 60 2.6 Rời rạc theo không gian .60 2.7 Phƣơng trình ma trận phần tử 65 2.8 Phƣơng trình ma trận tổng thể 65 2.9 Lập trình ngơn ngữ Fortran 90 67 2.10 Kết luận chƣơng 70 Chƣơng THÍ NGHIỆM BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ 71 3.1 Mơ tả sơ máng kính thí nghiệm 71 3.2 Đập lƣờng đo lƣu lƣợng tổng .71 3.3 Máng lƣờng đo lƣu lƣợng phần dòng chảy kênh hở 73 3.4 Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm 74 3.5 Chọn bố trí vị trí đo sâu 75 3.6 Bơm cấp lƣu lƣợng tổng từ bể chứa tuần hoàn 75 3.7 Khống chế lƣu lƣợng vào đƣờng hầm, đo lƣu lƣợng dịng 76 3.8 Đo chiều sâu lƣu tốc dòng chảy mặt cắt 76 3.9 Phân tích sai số phép đo chiều sâu lƣu tốc 78 3.10 Kết Luận chƣơng .83 Chƣơng KIỂM CHỨNG THUẬT TỐN VÀ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH 84 4.1 Các liệu đầu vào 84 4.2 Kết tính tốn mơ hình tốn, so sánh với thực đo mơ hình vật lý .86 4.3 So sánh trƣờng hợp có vận tốc đứng khơng có vận tốc đứng 89 4.4 Giới thiệu HEC-RAS .92 4.5 Mô tả toán đƣợc thiết lập HEC-RAS 94 4.6 Giới thiệu ANSYS Fluent .96 iv 4.7 Mơ tả tốn đƣợc thiết lập ANSYS Fluent 98 4.8 So sánh chƣơng trình tính TG1D, HEC-RAS, ANSYS Fluent với kết thực đo mơ hình vật lý 103 4.9 Kết luận chƣơng 107 Kết luận kiến nghị 108 Danh mục cơng trình khoa học đƣợc cơng bố tác giả Tài liệu tham khảo Phụ lục v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ Hình 1.1 Đƣờng mặt nƣớc dịng khơng Trang Hình 1.2 Sơ đồ sai phân Crank-Nicholson 11 Hình 1.3 Sơ đồ sai phân ẩn bốn điểm Preissmann 14 Hình 1.4 Lƣợc đồ sai phân Abbott Ionescu 15 Hình 1.5 Sơ đồ thể tích hữu hạn 20 Hình 1.6 Hƣớng tốc độ đặc trƣng λ 21 Hình 1.7 Đƣờng đặc trƣng dòng chảy xiết (Fr>1) chảy êm (Fr