Phân tích sự vận chuyển bùn cát lơ lửng dưới tác động của sóng và dòng chảy trong vùng nước cạn

TÓM TẮT LUẬN ÁN CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 1.3 PHẠM VI CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN 2.2.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BAÛN 2.2.1 Sóng, dòng chảy bùn cát 2.2.2 Tính nhớt lực ma sát 2.3.TRONG TRƯỜNG HP CHỈ CÓ DÒNG CHẢY .8 2.3.1 Giới thiệu chung công thức 2.3.2.Hệ số ma sát ñaùy: .9 2.4.TRONG TRƯỜNG HP CHỈ COÙ SOÙNG 10 2.4.1 Giới thiệu chung công thức 10 2.4.2.Hệ số ma sát vận tốc dòng chảy 10 2.4.3 Xác định hệ số ma sát sóng: 12 2.4.4 Xác định chiều dày lớp biên sóng 13 2.5.TRONG TRƯỜNG HP CÓ SÓNG VÀ DÒNG CHẢY 14 2.5.1.Giới thiệu chung .14 2.5.2 Tính toán hệ số ma sát sóng trường hợp sóng dòng chảy kết hợp .16 2.5.3 Nhận xét: 17 2.6.TƯƠNG TÁC GIỮA DÒNG CHẢY VÀ BÙN CÁT .18 2.6.1.Caùc khái niệm công thức 18 2.6.2.Khởi đầu chuyển động .19 2.6.3.Tham soá Shields hiệu chỉnh: 21 2.6.4.Hiệu chỉnh Shields tới hạn: .22 2.6.5.Tổng quan đáy nhám đáy gợn sóng: .23 2.6.6.Khái niệm ma sát (skin friction): .24 2.6.7.Xác định hình dạng đáy sóng cát: 25 2.6.8.Độ nhám đáy chuyển động: .26 2.7 SỰ VẬN CHUYỂN CÁT ĐÁY 26 2.8 SỰ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG 28 2.8.1.Giới thiệu chung: 28 2.8.2 Vận tốc lắng bùn caùt: .28 2.8.3 Xác định độ tập trung tham chiếu bùn cát lơ lửng 29 2.8.4 Phân bố tập trung bùn cát lơ lửng: .30 2.8.5.Vận chuyển bùn cát lơ lửng: 31 CHƯƠNG III GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN 3.1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 34 3.2 CAÙC GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH .34 3.2.1 Xác định vận tốc dòng chảy yếu tố liên quan .34 3.2.2 Xaùc định tổng lưu lượng bùn cát lơ lửng 35 3.2.3 Chương trình sơ đồ khối tính toán 35 CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 4.1.GIỚI THIỆU CHUNG 42 4.2.TÍNH TOÁN PHÂN BỐ VẬN TỐC 42 4.2.1 Số liệu đầu vào: .42 4.2.2 Kết tính toán phân bố vận tốc sóng dòng chảy kết hợp uc & ứng suất tiếp lớn nhất:(Trường hợp dòng ổn định có u cr=0.65m/s taïi zcr=5m) .43 4.2.3 nhận xét kết .57 4.3 TÍNH TOÁN TỔNG LƯU LƯNG BÙN CÁT LƠ LỬNG 58 4.3.1.Số liệu đầu vào 58 4.3.2 Kết tính toán 58 4.3.3 Nhận xét kết tính toán .83 CHƯƠNG V ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TOÁN 5.1 NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN: 84 5.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN 84 5.3 KẾT QUẢ SO SÁNH GIỮA CÔNG THỨC ĐỀ NGHỊ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 87 CHƯƠNG VI KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 42 TÓM TẮT LUẬN ÁN Nghiên cứu chế độ thủy lực bùn cát vùng sông ven biển nội dung quan trọng cần thiết nghiên cứu qui hoạch thiết kế luồng, công trình biển, đáng giá tác động môi trường … đặc biệt nước ta với 3.260 km bờ biển nhiều sông lớn Luận án thu thập tài liệu nghiên cứu liên quan gần đây, thiết lập giải thuật tính toán lưu lượng bùn cát lơ lửng trường hợp có tương tác kết hợp sóng dòng chảy Chương trình thiết lập ứng dụng để tính toán cho nhiều tổ hợp chiều cao sóng, vận tốc dòng chảy hướng chúng, kết phân tích đánh giá Dựa lý thuyết phân tích thứ nguyên, bước đầu xây dựng công thức xấp xỉ đơn giản để tính toán lưu lượng bùn cát kết cho phù hợp GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Nghiên cứu hình thái vùng ven biển khoa học nghiên cứu trình động lực ảnh hưởng đến địa mạo, trạng thái vùng ven biển nói cách khác ngành khoa học nghiên cứu, đánh giá định lượng tượng làm thay đổi hình thái vùng ven biển, giải thích lực gây tượng Nghiên cứu chuyển động bùn cát phần quan trọng động lực học sông, biển nghiên cứu chi tiết phạm vi vi mô, giúp làm sáng tỏ nhiều chế làm chuyển động bùn cát Trong vòng thập kỷ gần đây, với phát triển mạnh mẽ công cụ tính toán, nhiều nỗ lực lónh vực động lực học vùng ven bờ tập trung vào nghiên cứu tương tác thủy động sóng dòng chảy Các chế vận chuyển bùn cát dòng chảy đầu tư nghiên cứu song song nhằm làm sáng tỏ mối tương quan sóng – dòng chảy – bùn cát 1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục đích luận văn nghiên cứu chi tiết nguyên lý chất vận chuyển bùn cát lơ lửng ven bờ tác dụng kết hợp sóng dòng chảy, lập chương trình tính toán lưu lượng bùn cát lơ lửng, ứng dụng chương trình để tính toán nhiều trường hợp khác để xác định mối tương quan sóng, dòng chảy, hướng lan truyền sóng ảnh hưởng đến lưu lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng 1.3 PHẠM VI CỦA LUẬN ÁN Chỉ nghiên cứu cho trường hợp sóng không vỡ, vùng nước cạn có đáy phẳng GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN β : Độ dốc đáy (độ) βw : Độ dốc đáy theo hướng sóng lan truyền δ wc : Chiều dày lớp biên trường hợp sóng dòng chảy kết hợp λ : Chiều cao sóng cát đáy µ : Tỷ lệ ứng suất tiếp dòng chảy ( τ c ) ứng suất tiếp cực đại ( τ wm ) µb : Tham số độ dốc đáy ν : Hệ số nhớt động học νt : Hệ số nhớt rối ρ : Khối lượng riêng nước ρs : Khối lượng riêng bùn cát τb : Ứng suất tiếp đáy τc : Ứng suất tiếp dòng chảy τ cr : Ứng suất tiếp tới hạn đáy cho bước đầu khởi động(bùn cát) τm : Ứng suất tiếp lớn đáy trường hợp sóng dòng chảy kết hợp τw : Ứng suất tiếp đáy trường hợp có sóng τ wm : Ứng suất tiếp đáy lớn trường hợp có sóng ϕ : Góc lệch pha vận tốc q đạo sóng gần đáy ϕs : Góc ma sát nghó bùn cát ϕm : Góc ma sát bùn cát GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM ψ : Tham số Shields ψ cr : Tham số Shields tới hạn ψ cr , β : Tham số Shields tới hạn cho dòng chảy - over a sloping bottom ψ C' : Tham số Shields bản(on current skin friction shear stress) ψ m' : Tham số Sheilds ma sát ngoài( skin friction) ω : Tần số góc sóng c : Nồng độ tập trung bùn cát lơ lửng c : Nồng độ trung bình bùn cát lơ lửng cR : Nồng độ tham chiếu trung bình Cb : Nồng độ tập trung bùn cát đáy D : Đường kính hạt bùn cát fc : Hệ số ma sát dòng chảy đơn fcw : Hệ số ma sát sóng trường hợp có dòng chảy h : Chiều sâu nước q sS : Lưu lượng bùn cát lơ lửng trung bình theo hướng dòng chảy q sSw : Lưu lượng bùn cát lơ lửng trung bình theo hướng sóng u* : Vận tốc tiếp uc : Vận tốc bình quân sóng dòng chảy kết hợp u*cr : Vận tốc tiếp tới hạn u*m : Vận tốc tiếp lớn trường hợp sóng dòng chảy kết hợp u*wm : Vận tốc tiếp lớn sóng GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM ucr : Vận tốc dòng chảy đơn điểm zcr 2.2.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Các nghiên cứu chuyển động bùn cát tác động kết hợp hợp sóng dòng chảy phạm vi rộng, với điều kiện cho phép thời gian hạn hẹp nên luận án trình bày khái niệm công thức có liên quan đến việc tính toán lưu lượng bùn cát lơ lửng (chủ yếu nghiên cứu Madsen trình bày Coastal Enginerring Manual (2002), Part III, chapter Sediment transport outside the surf zone) Các vấn đề trình bày sử dụng cho trường hợp sóng không vỡ 2.2.1 Sóng, dòng chảy bùn cát Vùng ven biển nơi diển tương tác trực tiếp môi trường biển đất liền Biển môi trường luôn bị xáo trộn, dao động nhiều tác nhân khác phân biệt trước tiên tượng sóng, thủy triều dòng chảy biển (hải lưu) Tùy theo nguyên nhân tính chất chuyển động phân biệt nhiều dạng chuyển động chi tiết Các chuyển động tối đa môi trường biển đối tượng nghiên cứu ngành động lực học biển nhiều ngành khác có liên quan thủy hải văn, khí tượng, môi trường … Để nghiên cứu ảnh hưởng tượng đến chuyển động bùn cát, người ta thường sơ đồ hóa thành hai loại là: • Chuyển động sóng • Chuyển động dòng chảy Chuyển động sóng dao động nhanh sóng gây Còn dòng chảy bao gồm tất dòng triều, hải lưu, dòng chảy sông xem ổn định chu kỳ sóng GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM Đất liền tiếp xúc với biển thông qua bờ đáy Dưới tác động sóng dòng chảy vật liệu cấu thành bờ hay đáy bị bong tróc pha trộn với môi trường nước thành loại vật liệu gọi bùn cát Sóng biển tác động trực tiếp, mạnh nhanh lên bờ công trình ven bờ, dòng chảy sóng đáy làm làm bùn cát đáy dễ xáo trộn, dễ bị bốc khỏi đáy dễ dịch chuyển nơi khác Các dòng chảy biển thường có vận tốc không lớn nên ảnh hưởng mặt lực học đến công trình biển không lớn Tuy nhiên, dòng chảy có tác động quan trọng đến chuyển động bùn cát dòng chảy vận chuyển nơi khác lượng bùn cát bị sóng bào xói khỏi đáy biển Cấu trúc lớp biên rối chia làm 03 thành phần sau : Lớp nhớt (ở sát đáy) Lớp tạo rối Lớp bên Hình 1: Cấu trúc lớp biên rối biểu đồ vận tốc GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 2.2.2 Tính nhớt lực ma sát Các chuyển động môi trường nước sóng dòng chảy tác động lên đáy thông qua phần tiếp xúc trực tiếp với đáy, xét mặt vận chuyển bùn cát, bồi xói lòng dẫn phần dòng chảy gần sát đáy phần quan trọng Tác động qua lại đáy dòng chảy, đối ứng với lực ma sát ứng suất tiếp dòng chảy tác dụng lên mặt đáy nói theo cách khác khả lôi theo, kéo theo dòng chảy phân tố vật chất lòng dẫn Ứng suất tiếp đáy môi trường dòng chảy tính nhớt (viscosity) Do tính dính nhớt phân tố chất lỏng, có tượng lôi kéo lại lớp ta gọi tượng ma sát nội, ma sát hay ma sát nhớt, lớp chảy nhanh có khuynh hướng lôi lớp chảy chậm theo ngược lại τ = ρν ∂u ∂z Trong τ : ứng suất tiếp ρ : Khối lượng riêng chất lỏng ν : Hệ số nhớt động học u : Vận tốc theo phương ngang (2.1) Những mô hình dòng chảy lớp biên rối phát triển cách chọn số ν t (gọi hệ số nhớt rối) lớn giá trị mà phản ảnh cấu trúc xoáy kết hợp với dòng chảy rối Đây giả thiết từ quan niệm mô hình độ nhớt rối cho ứng suất tiếp rối biểu diễn biểu thức sau: τ = ρvt ∂u ∂z (2.2) Trong hệ số nhớt rối tính sau : vt = κ u* z GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM (2.3) τ Với κ biết số von Karman u* =  b ρ    1/ gọi vận tốc tiếp τb ứng suất tiếp đáy (z=0) Từ thực nghiệm xác định số Von Karman’s có giá trị 0.4 2.3.TRONG TRƯỜNG HP CHỈ CÓ DÒNG CHẢY 2.3.1 Giới thiệu chung công thức Thông thường động lực gây dòng chảy trọng lực, thể qua chênh lệch mực nước hay độ dốc mặt nước Động lực dòng chảy chênh lệch khối lượng riêng hay gradient khối lượng riêng, chênh lệch khối lượng riêng lại độ mặn nhiệt độ gây … Dòng chảy vùng nước cạn xem dòng chảy ổn định tức thời ng suất tiếp đáy dòng chảy tạo τc, phân bố vận tốc dòng chảy theo chiều sâu biểu diễn biểu thức sau: uc = u*c z ln κ z0 (2.4) Trong u*c = (τc/ρ)1/2 biểu thị vận tốc tiếp dòng chảy Biểu thức biểu thị phân bố Logarithmic vận tốc theo z0 , giá trị z tương ứng với vận tốc Khi thiết lập qui quật phân bố vận tốc dạng Logarithmic lớp biên rối ta xét đến hệ số nhớt rối ν t Thực tế gần thành rắn, mạch động phân tố bị hạn chế bỏi thành rắn, độ nhớt rối giảm không đồng thời tính dính dòng chảy thực, lưu tốc gần thành rắn giảm bé không thành rắn Trường hợp thành trơn, sát thành rắn hình thành lớp mỏng chảy tầng, lớp mỏng chảy tầng ma sát rối ν t bỏ qua, ma sát nhớt lực dính phân tử gây GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 121 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 122 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 123 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 124 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 125 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 126 TRƯỜNG HP CHIỀU SÂU NƯỚC h=14.0m & 16.0m GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 127 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 128 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 129 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 130 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 131 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 132 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 133 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 134 CHƯƠNG VI KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 6.1 KẾT LUẬN Trong phạm vi luận án thực vấn đề sau : - Tiến hành thu thập tài liệu nghiên cứu liên quan gần vận chuyển bùn cát lơ lửng tác động sóng dòng chảy - Thiết lập giải thuật lập chương trình tính toán - Phân tích xác định qui luật vận chuyển bùn cát lơ lửng nhiều tổ hợp tính toán khác - Thiết lập sơ công thức xấp xỉ tính toán lưu lượng bùn cát lơ lửng trường hợp sóng dòng chảy kết hợp - Kiểm tra so sánh kết tính toán từ công thức đề nghị so với kết tính toán từ lý thuyết, kết cho phù hợp với qui luật sai biệt lớn 6.2 KIẾN NGHỊ Trên sở kết tính toán nhiều trường hợp tổ hợp khác nhằm xác định quy luật biến đổi lưu lượng bùn cát lơ lửng Chủ yếu phạm vi luận án nghiên cứu biến thiên lưu lượng bùn cát lơ lửng theo 03 đại lượng : Chiều cao sóng Hs, góc hướng sóng dòng chảy ϕ wc vận tốc Ucr Trong bước nghiên cứu kiến nghị sau: - Tính toán cho trường hợp : Đường kính hạt D, khối lượng riêng ρ s độ nhớt ν biến đổi đại lượng( H s ,ϕ wc , U cr ) để phân tích xác định qui luật bùn cát lơ lửng - Thiết lập công thức xấp xỉ tổng quát với dạng hợp lý xác GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO Coastal Enginerring Manual (2002), Prat III, chapter Sediment transport out side the surf zone Madsen 1991 Bài giảng : Động Lực Học Hình Thái Ven Biển – T.S Trần Thu Tâm Madsen, O S 1991 “Mechanics of Cohesionless Sediment Transport in Coastal Waters,” Proceedings, Coastal Sediments ’91, American Society of Civil Engineers, Vol 1, pp 15–27 Madsen 1992 Madsen, O S 1992 “Spectral Wave-Current Bottom Boundary Layer Flows,” Abstracts, Twenty-Third International Coastal Engineering Conference, American Society of Civil Engineers, pp 197–198 Madsen 1993 Madsen, O.S 1993 “Sediment Transport Outside the Surf Zone,” unpublished Technical Report, U.S Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS Madsen and Grant 1976 Madsen, O S., and Grant, W D 1976 “Quantitative Description of Sediment Transport by Waves,” Proceedings, Fifteenth International Coastal Engineering Conference, American Society of Civil Engineers, Vol 2, pp 1093–1112 Trowbridge and Madsen 1984 Trowbridge, J H., and Madsen, O S 1984 “Turbulent Wave Boundary Layers,” Journal of Geophysical Research, Vol 89, No C5, pp 7989–8007 GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM ... loại là: • Chuyển động sóng • Chuyển động dòng chảy Chuyển động sóng dao động nhanh sóng gây Còn dòng chảy bao gồm tất dòng triều, hải lưu, dòng chảy sông xem ổn định chu kỳ sóng GVHD : TS TRƯƠNG... chung: Phân bố bùn cát lơ lửng nước bị chi phối vận tốc lắng(độ thô thủy lực) bùn cát wf hệ số khuếch tán bùn cát ν s nồng độ tập trung bùn cát lơ lửng c Giả sử hòa trộn chất lỏng bùn cát xem... vực động lực học vùng ven bờ tập trung vào nghiên cứu tương tác thủy động sóng dòng chảy Các chế vận chuyển bùn cát dòng chảy đầu tư nghiên cứu song song nhằm làm sáng tỏ mối tương quan sóng – dòng