Mô hình dòng chảy ba chiều: Lý thuyết, kiểm chuẩn và ứng dụng mô phỏng đập tràn kiểu xi phông

Bài viết giới thiệu mô hình dòng chảy ba chiều (Flow - 3D) và ứng dụng mô phỏng đập tràn kiểu xi phông để tháo nước hồ chứa. Lý thuyết sử dụng và các ứng dụng chủ yếu của mô hình trong lĩnh vực công trình thủy được trình bày.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY MƠ HÌNH DỊNG CHẢY BA CHIỀU: LÝ THUYẾT, KIỂM CHUẨN VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG ĐẬP TRÀN KIỂU XI PHÔNG FLOW-3D MODEL: THEORY, VERIFICATION AND APPLICATION TO SIMULATE SIPHON SPILLWAYS PHẠM VĂN KHƠI1*, VŨ VĂN NGHI2 Khoa Cơng trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Khoa Cơng trình giao thơng, Trường Đại học Giao thơng vận tải TP Hồ Chí Minh *Email liên hệ: khoipv.ctt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo giới thiệu mơ hình dịng chảy ba chiều (Flow - 3D) ứng dụng mô đập tràn kiểu xi phông để tháo nước hồ chứa Lý thuyết sử dụng ứng dụng chủ yếu mơ hình lĩnh vực cơng trình thủy trình bày Kết thí nghiệm vật lí kiểm chuẩn mơ hình cho thấy mơ hình dịng chảy ba chiều mơ tốt cho cơng trình đập tràn kiểu xi phơng Từ đó, mơ hình sử dụng để mơ hoạt động thực tế đập tràn xi phông Hadong Kết mô thể rõ tượng đặc trưng áp suất âm ống xi phông xuất làm cho ống xi phông làm việc Mơ hình dịng chảy ba chiều kết cấu đập tràn kiểu xi phơng ứng dụng rộng rãi tính tốn thủy lực cơng trình Việt Nam Từ khóa: Mơ hình dịng chảy ba chiều, đập tràn kiểu xi phơng, tính tốn động lực học chất lỏng, kiểm chuẩn mơ hình, hệ phương trình Navier Stokes Abstract This paper introduces the Flow - 3D model and simulations of siphon spillways in reservoirs The model theory and model applications in hydraulics are presented The physical experiment to verify the Flow - 3D model shows that the model works well for the case of siphon spillways Consequently, the model is used to simulate the Hadong siphon spillway The research results show the outstanding characteristic of the siphon spillways that the negative pressure occurring in the siphon makes it working The Flow - 3D model and the siphon spillways can be applied to investigate hydraulics in Vietnam Giới thiệu Mơ hình dịng chảy ba chiều thuộc họ phần mềm khoa học dịng chảy (Flow Science) cơng ty Flow Science (Mỹ) phát triển Hiện nay, mơ hình dịng chảy ba chiều ứng dụng rộng rãi để mô hầu hết lĩnh vực khoa học kỹ thuật hàng khơng, khí, xây dựng cơng trình thủy,… Trên giới, lĩnh vực tính tốn thủy lực cơng trình, mơ hình dịng chảy ba chiều sử dụng để mơ sóng [1, 2], mơ hình dịng chảy qua đập tràn [3, 4] Tại Việt Nam, mô hình dịng chảy ba chiều dần sử dụng rộng rãi tính tốn mơ dịng chảy qua đập tràn [5, 6], bậc nước [7] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu tính tốn dịng chảy tháo lũ qua đập tràn kiểu xi phông sử dụng mô hình vật lý mô hình dòng chảy ba chiều Đập tràn kiểu xi phông loại đập tràn sử dụng rộng rãi giới [8-11] với ưu điểm giảm bề rộng thân đập, từ giảm khối lượng cơng trình đập, tiết kiệm chi phí xây dựng Tại Việt Nam, đập tràn xi phơng sử dụng thiếu tính tốn chi tiết khó khăn vấn đề cơng nghệ thi cơng lắp đặt Theo tìm hiểu nhóm tác giả, đập tràn xi phơng Việt Nam xây dựng để tiêu thoát nước hồ chứa Bàu Nhum [12] từ thời Pháp thuộc, xây dựng lại năm 1963 (đập bị vỡ năm 1962) nâng cấp năm 2009 (Hình 1) Đập tràn có ống xi phơng, đường kính ống 0,3m, lưu lượng xả lớn 1m3/s hạn chế Keywords: Flow-3D model, siphon spillways, computational fluid dynamics, model verification, Navier - Stokes equations Hình Đập tràn xi phông Bàu Nhum, Quảng Trị SỐ 67 (8-2021) 73 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Với mục tiêu bổ sung tính tốn thực tế cho công trình đập tràn kiểu xi phông điều kiện Việt Nam, nhóm tác giả giới thiệu sử dụng mơ hình dịng chảy ba chiều kiểm chuẩn mơ hình thí nghiệm vật lí Mơ hình dòng chảy ba chiều áp dụng để mô làm việc đập tràn xi phơng Hadong, Hàn Quốc (Hình 2), qua thấy tính ứng dụng thực tế mơ hình Đập tràn Hadong sử dụng ống xi phơng với đường kính ống 2,7m, lưu lượng xả lớn 490m3/s Hình Đập tràn xi phơng Hadong, Hàn Quốc Mơ hình dịng chảy ba chiều 2.1 Hệ phương trình chủ đạo Mơ hình dịng chảy ba chiều số mơ hình tính tốn động lực học chất lỏng (Computational fluid dynamics - CFD) sử dụng phổ biến Hệ phương trình chủ đạo [13] hệ phương trình Navier - Stokes với ba phương trình động lượng (1) - (3) phương trình liên tục (4) sau: u  t  Ay v  u u u  uA  vA R  wA   (1)  x  y z VF  x y z  xVF p  x  Gx  f x  bx  RSOR VF (u  u w   u s ) Ay uv  v v v  uAx  vAy R  wAz    VF  x y z  xVF R  p     R   G y  f y  by  SOR (v  vw   vs )   x  VF v t  ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI (2) VF   t  z   x (  uAx )  R (  wAz )    uAx x  y (  vAy ) ( 4)  RDIF  RSOR Trong đó:  khối lượng riêng chất lỏng; VF tỷ lệ phần thể tích bị chìm; u, v, w thành phần vận tốc theo phương x, y, z; Ax, Ay, Az tỷ lệ phần diện tích bị chìm theo phương x, y, z; RSOR thành phần nguồn khối lượng; RDIF thành phần khuếch tán rối; Gx, Gy, Gz gia tốc trọng trường theo phương x, y, z; fx, fy, fz gia tốc nhớt theo phương x, y, z; bx, by, bz thành phần lực cản vật thể rỗng theo phương x, y, z; uw, vw, ww vận tốc thành phần nguồn; us, vs, ws vận tốc chất lỏng bề mặt thành phần nguồn; là hệ số chuyển đổi hình học vật thể hệ tọa độ đề hệ tọa độ cầu; R hệ số chuyển đổi dùng hệ tọa độ cầu hệ tọa độ đề Ngoài ra, tính tốn dịng chảy rối, mơ hình tính tốn tổn thất lượng giải hai phương trình k hoặc hai phương trình k -  Theo đó, hai phương trình k - với ưu điểm tính tốn xác với toán tương tác dòng chảy qua đập tràn [5, 6] sử dụng nghiên cứu 2.2 Ứng dụng chủ yếu mơ hình Mơ hình dịng chảy ba chiều mơ hầu hết tượng vật lí tự nhiên, bao gồm dòng chảy chất lỏng nén (compressible fluid) dịng chảy chất lỏng khơng nén (incompressible fluid) Mơ hình mơ tốt pha rắn - lỏng - khí, từ mơ làm việc đồng thời kết cấu cơng trình (rắn) với dịng chảy (lỏng) khơng khí Một ưu điểm mơ hình mơ khơng gian chiều [14-16] (tính tốn theo phương x, y z) nên tính xác cao mơ hình dịng chảy chiều [17, 18] Tuy nhiên, mơ hình tính tốn chiều nên tiêu tốn nhiều tài nguyên thời gian mô lâu mơ hình chiều Kiểm chuẩn mơ hình dịng chảy ba chiều  w w w   uAx  vAy R  wAz  t VF  x y z  w  74 p  z  Gz  f z  bz  RSOR VF ( w  ww   ws ) (3) 3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động đập tràn xi phơng thí nghiệm kiểm chuẩn Hình mô tả cấu tạo đập tràn xi phông điển hình sử dụng thí nghiệm kiểm chuẩn Khi mực nước thượng lưu cao ngưỡng tràn đập (điểm A), nước chảy tràn thông thường ống xi phơng đẩy nước khơng khí ống ngồi làm xuất chân khơng ống xi phơng để kéo SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY nước thượng lưu lên chảy ngập ống xi phông Trạng thái gọi trạng thái xi phông làm việc Khi mực nước thượng lưu thấp ngưỡng tràn, để xi phông làm việc, ống mồi sử dụng Khi mực nước thượng lưu cao ngưỡng tràn ống mồi (điểm B), nước chảy tràn thông thường qua ống mồi để vào ống xi phông chảy xuống hạ lưu Tương tự, sau thời gian, chân không ống xi phông xuất kéo nước thượng lưu lên chảy qua ngưỡng tràn đập chảy ngập ống xi phông Xi phông lại vào trạng thái làm việc Trên Hình 3, D đường kính ống xi phông, H độ chênh mực nước thượng lưu - hạ lưu Đập tràn tháo nước mực nước thượng lưu nằm khoảng ngưỡng tràn đập ống mồi KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Đường kính ống xi phông (D) 10cm, độ chênh mực nước thượng lưu - hạ lưu lớn 75cm (mực nước thượng lưu ngập hoàn toàn ống xi phông) nhỏ 45cm (mực nước thượng lưu ngưỡng tràn ống mồi) Thí nghiệm tiến hành thay đổi 10 giá trị điều kiện đầu vào độ chênh mực nước thượng - hạ lưu từ nhỏ (45cm) đến lớn (75cm), ống xi phông trạng thái làm việc đo lưu lượng tràn ống cửa hạ lưu cho trường hợp Kết so sánh mơ hình dịng chảy ba chiều mơ hình vật lí thể Hình 3.2 Kết thí nghiệm kiểm chuẩn Hình So sánh kết mơ dịng chảy ba chiều kết thí nghiệm vật lí Hình Cấu tạo đập tràn xi phơng điển hình Như thể Hình 5, ống xi phông trạng thái làm việc, giá trị lưu lượng tăng từ 56,46m3/h đến 72,74m3/h độ chênh mực nước tăng tương ứng từ 45cm đến 75cm kết đo từ mơ hình vật lí Đối với mơ hình dịng chảy ba chiều, kết mơ lưu lượng có xu hướng tăng từ 56,93m3/h đến 73,44m3/h độ chênh mực nước tăng tương ứng từ 45cm đến 75cm Kết cho thấy mơ hình dịng chảy ba chiều mơ tốt so với mơ hình vật lí với độ sai khác lớn 2,81% độ chênh mực nước tương ứng 55cm Ứng dụng mơ hình dịng chảy ba chiều mô xả lũ hồ chứa đập tràn xi phơng Hình Mặt kết cấu xi phơng thí nghiệm kiểm chuẩn Để tiến hành kiểm chuẩn mơ hình dịng chảy ba chiều cho kết cấu đập tràn kiểu xi phơng, nhóm tác giả tiến hành xây dựng mơ hình vật lí mơ hình mơ dịng chảy ba chiều với thơng số kích thước điều kiện đầu vào Mơ hình vật lí thí nghiệm kiểm chuẩn đập tràn xi phơng thực phịng thí nghiệm Viện nghiên cứu Nơng nghiệp Hàn Quốc, thành phố Ansan, tỉnh Gyeonggi, Hàn Quốc thể Hình SỐ 67 (8-2021) Mơ hình dịng chảy ba chiều ứng dụng mơ dịng chảy cho đập tràn xi phơng Hadong, Hàn Quốc (Hình 2) Kết cấu đập tràn xi phơng thiết lập mơ hình dịng chảy ba chiều thể Hình Đường kính ống xi phơng 2,7m, chiều dài ống xi phông 44,128m, đường kính ống mồi 0,8m, chiều dài ống mồi 11,13m Độ chênh mực nước thượng lưu - hạ lưu tính tốn 8,2m (mực nước thượng lưu nằm khoảng ngưỡng tràn đập ống mồi Hình a) 75 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Hình Kết cấu đập tràn xi phơng Hadong mơ hình dịng chảy ba chiều a) t=0s b) t = 50 s c) t = 100 s ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình (a, b, c, d) thể kết mô đập tràn xi phông mặt cắt dọc cơng trình thời điểm t=0s, 50s, 100s 150s Ngồi kích thước theo phương ngang (trục x) phương đứng (trục z), thang chia màu phía hình thể giá trị áp suất tuyệt đối (đơn vị Pa) Lưu ý giá trị áp suất khí 101.300Pa Tại thời điểm t=0s (Hình 7.a), mực nước thượng lưu nằm ngưỡng tràn đập chảy ngập ống mồi Khi ống mồi hoạt động, nước chảy từ ống mồi vào ống xi phơng phía hạ lưu để đẩy nước khơng khí ống xi phơng phía hạ lưu làm dâng mực nước phía hạ lưu ống xi phơng Cùng lúc đó, chênh lệch áp suất ngồi ống ống xi phơng phía thượng lưu tạo lực để kéo nước phía thượng lưu lên chảy qua ngưỡng tràn đập thể Hình 7.b thời điểm t=50s Tiếp theo, nước vừa chảy tràn qua ngưỡng tràn vừa chảy ngập ống mồi làm mực nước thượng lưu tiếp tục dâng lên đến đỉnh xi phơng (Hình 7.c) thời điểm t=100s làm ngập hồn tồn ống xi phơng (Hình 7.d) thời điểm t=150s Lúc này, xi phơng thức trạng thái làm việc Như quan sát Hình 7.d xi phơng trạng thái làm việc, áp suất đỉnh xi phông nhỏ áp suất khí (101.300Pa), gọi áp suất âm Đây đặc trưng hoạt động ống xi phơng tn theo định luật Bernoulli tính tốn thủy lực cơng trình Vận tốc cửa ống xi phông 9,53m/s, tương ứng với lưu lượng xả đạt 54,54m3/s Kết luận d) t = 150 s Hình Mơ đập tràn xi phơng Hadong mơ hình dịng chảy ba chiều thời điểm: a) t=0s; b) t=50s; c) t=100s; d) t=150s 76 Bài báo giới thiệu mơ hình dịng chảy ba chiều ứng dụng chủ yếu mô hình lĩnh vực mơ dịng chảy Đặc biệt, nhóm tác giả tập trung vào việc mô kiểm chuẩn mơ hình cho cơng trình đập tràn kiểu xi phơng Đây kiểu đập tràn tiên tiến áp dụng phổ biến giới hạn chế Việt Nam điều kiện công nghệ thi công lắp đặt Nhóm tác giả mơ trạng thái làm việc đập tràn xi phông Hadong, Hàn Quốc để thấy thực tế hoạt động với lý thuyết tính tốn Từ đó, bổ sung độ tin cậy việc tính tốn áp dụng loại hình đập tràn kiểu xi phông việc ứng dụng tiêu thoát lũ hồ chứa tầm trung (từ triệu m3 nước đến 100 triệu m3 nước) Việt Nam Trong nghiên cứu tiếp theo, việc điều khiển lưu lượng tràn ống xi phông cần xem xét để tránh việc xả lũ với lưu lượng lớn làm ngập lụt phía hạ lưu hồ chứa Tính toán đánh giá hiệu đầu tư đập tràn kiểu xi phông đề cập bước SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Najafi-Jilani, M Z Niri, and N Naderi, Simulating three dimensional wave run-up over breakwaters covered by antifer units, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol.6, No.2, pp.297-306, Jun 2014 doi: 10.2478/IJNAOE-2013-0180 [2] M A Musa, A Y Maliki, M F Ahmad, W N Sani, O Yaakob, and K B Samo, Numerical Simulation of Wave Flow Over the Overtopping Breakwater for Energy Conversion (OBREC) Device, Procedia Engineering, Vol.194, pp 166-173, 2017 doi: 10.1016/j.proeng.2017.08.131 [3] S Dehdar-behbahani and A Parsaie, Numerical modeling of flow pattern in dam spillway’s guide wall Case study: Balaroud dam, Iran, Alexandria Engineering Journal, Vol.55, No.1, pp.467-473, Mar 2016 doi: 10.1016/j.aej.2016.01.006 [4] S Y Kumcu, Investigation of flow over spillway modeling and comparison between experimental data and CFD analysis, KSCE J Civ Eng, Vol.21, No.3, pp.994-1003, Mar 2017 doi: 10.1007/s12205-016-1257-z [5] Khánh Đ X., Nga L T T., and Hùng H V., Ứng dụng phần mềm Flow-3D tính tốn vận tốc áp suất đập tràn thực dụng mặt cắt hình cong, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, No.61, pp.99-106, 2018 [6] L T T Hien and D H Duc, Numerical Simulation of Free Surface Flow on Spillways and Channel Chutes with Wall and Step Abutments by Coupling Turbulence and Air Entrainment Models, Water, Vol.12, No.11, p 3036, Oct 2020, doi: 10.3390/w12113036 [7] Thành N C and Phương H Đ., Tiêu hao lượng dòng chảy qua bậc nước mái đập hạ lưu, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, No.46, pp.63-70, 2014 [8] K Babaeyan-Koopaei, E M Valentine, and D A Ervine, Case Study on Hydraulic Performance of Brent Reservoir Siphon Spillway, J Hydraul Eng., Vol.128, No.6, pp 562-567, Jun 2002 doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(2002)128:6(562) [9] A Ghafourian, Hydraulic of Siphon Spillway by Physical and Computational Fluid Dynamics, p 6, 2011 SỐ 67 (8-2021) KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [10] R Tadayon and A S Ramamurthy, Discharge Coefficient for Siphon Spillways, J Irrig Drain Eng., Vol.139, No.3, pp.267-270, Mar 2013 doi: 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000542 [11] J Boatwright, Air-Regulated Siphon Spillways: Performance, Modeling, Design, and Construction, p.75 [12] N Ty Niên, Hồ chứa nước Bàu Nhum: cơng trình thủy lợi độc đáo Hội đập lớn phát triển nguồn nước Việt Nam, 2010 [13] FLOW-3D® Version 11.0.3 Users Manual 2014 [14] G Ma, J T Kirby, and F Shi, Numerical simulation of tsunami waves generated by deformable submarine landslides, Ocean Modelling, Vol.69, pp.146-165, Sep 2013 doi: 10.1016/j.ocemod.2013.07.001 [15] Giang L S and Hong T T M., 3D numerical modeling of flow and sediment transport in rivers and open channels, Sci Tech Dev J.-Sci Earth Environ., Vol.3, No.1, pp.23-36, Aug 2019, doi: 10.32508/stdjsee.v3i1.508 [16] M Zhenwei, Z Zhiyan, and Z Tao, Numerical Simulation of 3-D Flow Field of Spillway based on VOF Method, Procedia Engineering, Vol.28, pp 808-812, 2012 doi: 10.1016/j.proeng.2012.01.814 [17] J S O’Brien, P Y Julien, and W T Fullerton, Two-Dimensional Water Flood and Mudflow Simulation, Journal of Hydraulic Engineering, Vol.119, No.2, pp.244-261, Feb 1993 doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(1993)119:2(244) [18] F Shi, J T Kirby, J C Harris, J D Geiman, and S T Grilli, A high-order adaptive time-stepping TVD solver for Boussinesq modeling of breaking waves and coastal inundation, Ocean Modelling, Vol.43-44, pp.36-51, Jan 2012 doi: 10.1016/j.ocemod.2011.12.004 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 21/3/2021 30/3/2021 12/4/2021 77 ... mơ hình dịng chảy ba chiều ứng dụng chủ yếu mô hình lĩnh vực mơ dịng chảy Đặc biệt, nhóm tác giả tập trung vào việc mô kiểm chuẩn mơ hình cho cơng trình đập tràn kiểu xi phông Đây kiểu đập tràn. .. nguyên lý hoạt động đập tràn xi phơng thí nghiệm kiểm chuẩn Hình mô tả cấu tạo đập tràn xi phông điển hình sử dụng thí nghiệm kiểm chuẩn Khi mực nước thượng lưu cao ngưỡng tràn đập (điểm A), nước chảy. .. hình dịng chảy ba chiều ứng dụng mơ dịng chảy cho đập tràn xi phơng Hadong, Hàn Quốc (Hình 2) Kết cấu đập tràn xi phơng thiết lập mơ hình dịng chảy ba chiều thể Hình Đường kính ống xi phông 2,7m,