Nghiên cứu mô hình truyền sóng dựa trên hệ phương trình boussinesq không tuyến tính của kirby

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐĂNG KHOA NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG DỰA TRÊN HỆ PHƯƠNG TRÌNH BOUSSINESQ KHÔNG TUYẾN TÍNH CỦA KIRBY Chun ngành : Xây Dựng Công Trình Biển LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS.TRẦN THU TÂM Ký tên …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét : Ký tên …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét : Ký tên …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng … năm 2008 LỜI GIỚI THIỆU ************* Sóng biển tượng lý tự nhiên phức tạp tác động trực tiếp đến biến đổi hình thái bờ biển bồi lắng xói lở , thay đổi đáy biển theo thời gian phụ thuộc vào tác động lan truyền sóng vùng ấy, Sóng có tác động trực tiếp đến kết cấu chịu lực công trình ven biển đê, cảng công trình ven biển … Chính nên lan truyền sóng biển nội dung nghiên cứu quan tâm cho nhà khoa học toàn giới nước ta.Vì phân tích nghiên cứu đánh giá ứng dụng mô hình mô lan truyền sóng biển từ vùng xa vào bờ, mô tả diễn biến đường bờ biển tái tạo lan truyền sóng dạng số học , Sự nghiên cứu tác động sóng biển cho công trình ven biển cần thiết giúp thiết kế, thi công , bảo trì sửa chữa công trình ven biển cách khoa học Ngày nay, nhờ công cụ máy tính mô lan truyền sóng biển phân tích số học cách khả thi, áp dụng số liệu tính toán để giải vấn đề khảo sát sóng, thay dần cho đo đạc thực tế tốn khoảng thời gian dài để rút số liệu cụ thể áp dụng cho tính toán.Vì vậy, Luận văn nhằm nghiên cứu mô hình truyền sóng dựa hệ phương trình không tuyến tính Boussinesq Kirby cộng áp dụng vào số ví dụ thí nghiệm , sau áp dụng thử nghiệm vào số vùng biển Việt Nam để rút nhận xét, đánh giá khả ứng dụng thực tế mô hình áp dụng mô hình tính toán vào số vùng biển nước ta LỜI CẢM ƠN ************** Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giúp đỡ tận tình trình nghiên cứu này, đặc biệt thầy Trần Thu Tâm hết lòng giúp đỡ em suốt thời gian qua Và em xin chân thàn cảm ơn thầy cô môn Cảng Công Trình Biển tận t dìu dắt em năm học hỏi định hướng nghiên cứu cho em Em xin cảm ơn công lao dưỡng dục cha mẹ lời động viên bạn bè cho em vững bước đường học vấn Em xin cảm ơn Tổ quốc Việt Nam cho em sống hoà bình tự tạo điều kiện cho em học tập lao động TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ********** A- Khảo sát tổng quan mô hình truyền sóng B- Nghiên cứu phương pháp triển khai áp dụng mô hình Boussinesq Kirby C- Khảo sát, điều chỉnh để đưa mô hình Kirby vào hoạt động - Kiểm tra lại vận hành mô hình cho số ví dụ Kirby D- p dụng cho trường hợp thực tế vùng biển Việt Nam vùng cửa sông Định An E- Đánh giá nhận xét kết nghiên cứu, khả triển khai áp dụng - Lý lịch trích ngang: Họ tên: NGUYỄN ĐĂNG KHOA Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1982 Nơi sinh: LONG AN Địa liên lạc: 56/37 QUOÁC LỘ 1, F2, TX TÂN AN LONG AN Q TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 2000 đến 2005 , Sinh Viên trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoá 2000 - Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Từ năm 2005 đến nay, Học Viên Cao Học Khoá 2005 trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - Chuyên ngành Xây dựng Công Trình Biển Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2005 đến 2006 công tác công ty Cổ Phần đầu tư xây dựng COTEC -320 Đường 3/2 Quận 10 Tp Hồ Chí Minh - Chức Vụ : Cán kỹ thuật Từ năm 2006 đến công tác Viện nghiên cứu kiến trúc - Trung Tâm Kiến Trúc Miền Nam - 14, Kỳ Đồng, Quận 3, Tp Hồ Chí Minh - Chức Vụ : Cán kỹ thuaät ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Đăng Khoa Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 25 / 02 / 1982 Nơi sinh : Long An Chuyên ngành : Xây dựng Cơng trình biển Khố (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG DỰA TRÊN HỆ PHƯƠNG TRÌNH BOUSSINESQ KHÔNG TUYẾN TÍNH CỦA KIRBY VÀ CỘNG SỰ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: -Khảo sát tổng quan mô hình truyền sóng - Nghiên cứu phương pháp triển khai áp dụng mô hình Boussinesq Kirby - Khảo sát điều chỉnh để đưa mô hình Kirby vào hoạt động - Kiểm tra số ví dụ Kirby -p dụng tính toán cho số vùng biển Việt Nam - Nhận xét đánh giá khả áp dụng , triển khai thực tế 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/09/2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vò): GVC TS Trần Thu Tâm Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) MỤC LỤC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN SÓNG DỰA TRÊN HỆ PHƯƠNG TRÌNH BOUSSINESQ KHÔNG TUYẾN TÍNH CỦA KIRBY Chương I : TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH SÓNG I.1 - GIỚI THIỆU CHUNG : I.2- GIỚI THIỆU NGUYÊN LÝ MỘT SỐ MÔ HÌNH : I.2.1/ Mô hình theo nguyên lý khúc xạ theo phương pháp thủ công : .1 I.2.2/ Các mô hình theo nguyên lý khúc xạ : I.2.3/ Các mô hình sóng kết hợp khúc xạ nhiễu xa ï: I.2.4/ Các mô hình khúc xạ nhiễu xạ cải tiến : I.2.5/ Mô hình truyền sóng nước caïn : I.3 / PHẠM VI CỦA LUẬN VĂN : Chương II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH FUNWAVE 2D II.1/ Phương trình Boussinesq : .8 II.2- Khai triển phương trình không gian hai chiều: .10 II.3 - Điều kiện biên cho phần phát sinh nguồn tạo sóng : .14 II.4 - Điều kiện biên phía đường bờ : .16 II.5 – Phân tích hàm Sóng Vỡ : 18 II.6 - Sự hiệu chỉnh tượng rối: 19 Chương III : GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP SỐ HÓA MÔ HÌNH FUNWAVE CỦA KIRBY III.1 Sơ đồ sai phân hữu hạn : 21 III.1.1 Sai phân theo thời gian : 22 III 1.2 Sai phân theo không gian: 25 III.2 Giải pháp cho điều kiện biên : 26 III.2.1 Biên Tường (Biên cứng): 26 III.2.2 Điều kiện cho biên hấp thụ : .27 III.3 Bộ lọc số (Xử lý nhiễu xạ số) : 28 Chương IV : CẤU TẠO MÔ HÌNH SỐ CỦA FUNWAVE IV.1 Sơ đồ giải thuật lập trình FUNWAVE2D : 31 IV.2 Cách nhập số liệu đầu vào : 34 IV.2.1 Số liệu đầu vaøo file funwave2d.data : .34 IV.2.2 Nhập liệu vào file địa hình đáy f1n .37 IV.3 Đưa vào số liệu file điều kiện ban đầu cho cao độ mặt thoáng: .38 V.4 Các số liệu đầu ra: .39 IV.5 Chương trình xử lý kết : .39 IV.6 Phương pháp vẽ đồ thò : 40 Chương V - MỘT SỐ VÍ DỤ KIỂM TRA VẬN HÀNH CHƯƠNG TRÌNH FUNWAVE V.A VÍ DỤ LAN TRUYỀN SÓNG TRÊN VÙNG BIỂN CỦA BERKHOFF (1982) : V.A.1 : Giới thiệu mô hình Berkhoff: .42 V.A.2 Kết thử nghiệm lại : .44 V.A.3 So sánh kết chạy thử với kết tác giả số mặt cắt: V.A.4 Kết luận cho mô hình: 55 V.B - VÍ DỤ LAN TRUYỀN SÓNG BIỂN CỦA CHAWLA (1996) : V.B.I - MÔ HÌNH LAN TRUYỀN SÓNG KHÔNG VỢ : V.B.I.1 Giới thiệu mô hình Chawla: 56 V.B.I.2 Phân tích kết mô hình số: 58 VIA.3 So sánh kết mô hình số với tác giả : 59 VIA.4 Kết luận mô hình số : 66 V.B.2 - MÔ HÌNH LAN TRUYỀN SÓNG VỢ : V.B.2.1 Giới thiệu mô hình lan truyền sóng vỡ Chawla: 67 V.B.2.2 Phân tích kết mô hình số: .68 V.B.2.3 -So sánh kết mô hình số với tác giả : 71 V.B.2.4 Kết luận mô hình số : 74 CHƯƠNG VI - ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO VÙNG BIỂN ĐỊNH AN VI.1 ÁP DỤNG MÔ HÌNH FUNWAVE MÔ PHỎNG SÓNG CHO VÙNG CỬA BIỂN ĐỊNH AN : a Giới thiệu chung : 75 b – Số liệu thu thập : .76 VI.2 Số liệu địa hình : 76 VI.3 Xác định miền tính toán : .77 VI.4 Số liệu tính toán đầu vào: 80 VI.4 Thiết lập mô hình số : .81 VI.5 Kết đạt mô hình FUNWAVE: 83 VI.6 Nhận xét kết : 90 VI.7 MIỀN TÍNH TOÁN SÓNG TAÏI DA4 : 91 VI.8 MIỀN TÍNH TOÁN SÓNG TẠI DA2, DA3 : 96 VI.9 Nhận xét kết : 100 CHƯƠNG VII - ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT MÔ HÌNH FUNWAVE CỦA KIRBY VÀ CỘNG SỰ TRONG VẤN ĐỀ ÁP DỤNG VÀO THỰC TẾ VII - NHẬN XÉT CHUNG : 101 VII – ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THỰC TẾ : 102 * CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO : 103 HEÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Hình VI.19 : Đây kết xuất từ hình chương trình hoạt động Các số liệu đầu vào thể phần hình, lần lọc lấy số liệu 50 bước Trang 93 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Hình VI.20 : Kết xuất hình mặt thoáng bước thời gian 3001 a- Tại điểm thứ tư DA4 (x,y) = 185 , 75 ; ( 9.25 km, 3,75 km ) ta có cao độ mực nước theo mặt cắt dọc x biên độ theo thời gian sau: Hình VI.21 : Cao độ mặt thoáng lúc thời gian 3001 mặt cắt dọc nút j=40 Trang 94 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Hình VI.22 : Biên độ dao động điểm DA4 suốt trình lan truyền sóng Ta thấy khoảng thời gian 1500 trở sau biên độ dao động bắt đầu ổn định Nên để lấy xác kết cho biên độ dao động vào thời điểm 3001 hợp lý Hình VI.23 : Biên độ dao động điểm DA4 trình lan truyền sóng phóng lớn Trang 95 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Hình VI.31 : Trong hình mô tả biên độ sóng mặt cắt dọc theo chiều truyền sóng qua trục DA4 thời điểm bước thời gian 3000 Trong đường màu xanh mặt sóng, đường màu đỏ địa hình theo mặt cắt ta lấy biên độ mặt thoáng toạ độ DA4 lúc t = 3001 0,45 m VI.8 MIỀN TÍNH TOÁN SÓNG TẠI DA2, DA3 : Ta xét miền tính toán dãy hình chữ nhật cho miền có chứa điểm DA2,DA3, lưới tính toán chia x  y  10m số nút theo phương x 801, số nút theo phương y 201 Được thể hình sau: Trang 96 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Hình VI.24 : Bình đồ số hóa phân nhỏ qua hai điểm đo DA2,DA3 Như ,áp dụng số liệu đầu vào giống trường hợp ,tương tự ta có miền lan truyền sóng vùng chứa hai điểm đo sóng DA2 DA3 sau: Xét khoảng thời gian 3001 bước tương đương 300 chu kỳ truyền sóng Mô hình cho kết sau : Hình VI.25 : Mặt thoáng thời điểm 3001.Ta thấy trìn lan truyền sóng, sóng có giá trị biên độ biến thiên theo vùng rõ rệt mà ta quan sát hình, nhóm sóng phân bố theo vùng cụ thể a- Tại điểm thứ hai có toạ ñoä DA2 (x,y) = 165 , 160 ; ( 8.25 km, km ) ta có cao độ mực nước theo mặt cắt dọc x biên độ DA2 sau: Trang 97 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Hình VI.26 : Cao độ mặt thoáng lúc thời gian 3001 mặt cắt dọc nút j=100 Hình VI.27 : Biên độ dao động điểm DA2 suốt trình lan truyền sóng Ta thấy khoảng thời gian 1100 trở sau biên độ dao động bắt đầu ổn định Nên để lấy xác kết cho biên độ dao động vào thời điểm 3001 hợp lý Hình VI.28 : Cao Biên độ dao động điểm DA2 trình lan truyền sóng phóng lớn Từ ta lấy biên độ dao động chu kỳ cuối Trang 98 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM biên độ mặt thoáng DA2 lúc t = 3001 0,64 m b - Tại điểm thứ ba DA3 (x,y) = 205 , 150 ; ( 10.25 km, 7.5 km ) ta có cao độ mực nước theo mặt cắt dọc x biên độ DA3 sau: Hình VI.29 : Biên độ dao động điểm DA3 suốt trình lan truyền sóng Ta thấy khoảng thời gian 1600 trở sau biên độ dao động bắt đầu ổn định Nên để lấy xác kết cho biên độ dao động vào thời điểm 3001 hợp lý Hình VI.30 : Cao Biên độ dao động điểm DA3 trình lan truyền sóng phóng lớn Từ ta lấy biên độ dao động chu kỳ cuối cao độ mặt thoáng DA3 lúc t = 3001 0,44 m Như kết đo kết khảo sát so sánh : Trang 99 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD :TS TRẦN THU TÂM Chiều cao sóng (m) Vị trí đo DA1 DA2 DA3 DA4 hmax tính 0.8 0.64 0.44 0.45 hmax ño 0.8 0.69 0.46 0.41 VI.9 Nhận xét kết : So sánh kết đo kết tính ta thấy sai khác hai kết không lớn Trong cách chia bước lưới phù hợp, nội suy phương trình xác hơn, bước lưới phải đảm bảo vị trí mà dao động chu kỳ thể Cần nói thêm giả định hàm nguồn sóng tới có chiều cao sóng chu kỳ sóng , trong trường hợp sóng thực đơn giản vậy, Trong sóng khơi phân tích thành tổ hợp nhiều sóng Chính mà không khảo sát vấn đề sai số kết tính kết đo Nên số liệu đo ỏi này, chì tìm tương đồng tạm thời chấp nhận mô hình tính toán số liệu thực tế Trong nghiên cứu ta áp dụng cho hướng giao thông thuận tiện theo mùa , hay đánh giá khả bồi xói luồng tàu vùng ven bờ Hay ta dựa kết tính toán lan truyền sóng mà làm sở cho tính toán thay đổi hình dáng bờ biển thay đổi địa hình đáy biển Như khả áp dụng mô hình mô lan truyền sóng theo phương trình Boussinesq Kirby khả quan, sai lệch tính toán đo không đáng kể, số liệu tin cậy cho phần ứng dụng thực tế Trang 100 HVCH : NGUYỄN ĐĂNG KHOA - 00205027 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD : TS TRẦN THU TÂM CHƯƠNG VII- ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT MÔ HÌNH FUNWAVE CỦA KIRBY VÀ CỘNG SỰ TRONG VẤN ĐỀ ÁP DỤNG VÀO THỰC TẾ **** VII - NHẬN XÉT CHUNG : Khi xét vấn đề lan truyền sóng vào vùng nước cạn với d/L