Mơ hình thủy động lực học mơ phỏng mực n−ớc và dịng chảy trong sơng và vùng cửa sơng. Các mơ phỏng dựa trên l−ới cong bao phủ tồn bộ khu vực nghiên cứu. Mơ hình này giải ph−ơng trình liên tục và bảo tồn động l−ợng (hệ ph−ơng trình Saint Venant) một cách tổng hợp và hồn tồn động học theo 2 h−ớng. Khi mơ hình đ−ợc sử dụng cho sơng, những ảnh h−ởng sau đây cĩ thể đ−a vào hệ ph−ơng trình.
Gia tốc dịng chảy
Việc sử dụng l−ới cong làm tăng thêm một số đại l−ợng trong hệ ph−ơng trình bán sai phân. Hệ ph−ơng trình đ−ợc sử dụng trong MIKE 21 C nh− sau:
Trong đĩ:
s, n Toạ độ trong hệ toạ độ cong p, q L−u l−ợng theo h−ớng s và n H Cao trình mực n−ớc h Độ sâu mực n−ớc g Gia tốc trọng tr−ờng C Hệ số Chezy Rs, Rn Bán kính cong của đ−ờng s và n
RHS Phần bên phải, mơ tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do giĩ, áp lực khơng khí
Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng đ−ợc thể hiện khi mơ phỏng hiệu ứng ReyNold. Hệ ph−ơng trình đ−ợc giải bằng kĩ thuật sai phân ẩn với các biến đ−ợc định nghĩa trên l−ới tính tốn so le (hình 4.1).
3. Dịng chảy vịng
Dịng chảy vịng là một hiện t−ợng dịng chảy thứ cấp chính trong sơng. Trong khi nĩ khơng cĩ bất cứ một ảnh h−ởng mạnh mẽ nào lên dịng chảy chung trong các sơng cĩ tỉ lệ giữa độ rộng và độ sâu lớn, thì nĩ lại cĩ một ảnh h−ởng đáng kể đến h−ớng vận chuyển bùn cát và vì thế ảnh h−ởng đến sự thay đổi về hình thái sơng. Do đĩ, việc tính tốn dịng chảy vịng đ−ợc gắn liền với việc mơ phỏng vận chuyển bùn cát khi tiến hành mơ hình hố hình thái sơng trên qui mơ lớn. Nĩ là một thành phần vơ cùng quan trọng trong quá trình phát triển xĩi vịng, xĩi hợp l−u, nghiên cứu cồn cát dạng điểm cũng nh− cồn cát di động.
Trong sơng thiên nhiên, ngồi ph−ơng chuyển động chung dọc theo lịng dẫn, nội bộ của dịng n−ớc cịn cĩ các chuyển động theo các ph−ơng khác gọi chung là dịng thứ cấp. Dịng thứ cấp dễ nhận thấy trực quan là dịng xốy trục đứng, xuất hiện tại các nơi cĩ chiều rộng lịng sơng thay đổi đột ngột. Những vùng xuất hiện dịng xốy đứng th−ờng đ−ợc gọi là khu n−ớc vật. Dịng thứ cấp xuất hiện nơi mặt cắt dọc lịng dẫn đột biến, các phần tử n−ớc chuyển động theo quỹ đạo quay quanh trục ngang, đ−ợc gọi là cuộn xốy ngang. Đây là những dịng thứ cấp địa hình, sản sinh ra do sự thay đổi cục bộ đột ngột của địa hình.
Ngồi dịng thứ cấp địa hình, cịn tồn tại một loại dịng thứ cấp theo ph−ơng ngang, trục dọc. Hình chiều của nĩ trên mặt cắt ngang là một hoặc nhiều vịng khép kín, nên th−ờng gọi là hồn l−u, hay là dịng chảy vịng. Dịng chảy vịng khơng chỉ xuất hiện ở khúc sơng cong mà cịn xuất hiện ở các đoạn sơng khác, thậm chí ở các đoạn sơng thẳng. Sơng uốn khúc khơng phải là nguyên nhân của dịng chảy vịng mà là hậu quả của nĩ. Sự uốn khúc của lịng sơng chỉ làm dịng chảy vịng mạnh lên và ổn định thêm [8]. Dịng chảy vịng kết hợp với dịng chính tạo thành dịng chảy xoắn ốc dọc theo lịng dẫn (hình 4.2).
s
R
Trong đĩ:
βs: Gĩc lệch giữa ứng suất tiếp đáy và dịng chính
h: Độ sâu dịng chảy,
Rs: Bán kính đoạn sơng cong (hay là độ cong của đ−ờng dịng)
β: Hệ số đ−ợc tính nh− sau C g κ κ α β = 22 (1− ) (4.4)
Với κ là hằng số van Karman, C là số Chezy, và α là hằng số kiểm định mơ hình. Tr−ớc khi vào khúc sơng cong, trong dịng chảy đã xuất hiện dịng chảy vịng nh−ng với c−ờng độ yếu. Sau khi vào khúc sơng cong dịng chảy vịng lớn dần lên và đạt trị số cực đại tại vùng đỉnh cong, sau đĩ lại bắt đầu giảm nhỏ. Quá trình này đ−ợc gọi là sự thích ứng của dịng chảy vịng nhằm tiến tới trạng thái cân bằng. Phạm vi thích ứng của của dịng chảy vịng (λ) phụ thuộc vào độ sâu dịng chảy và độ nhám:
g hC 2 . 1 = λ (4.5) Trong đĩ:
λ: Phạm vi trong đĩ dịng chảy vịng biến đổi để đạt trạng thái cân bằng h: Độ sâu dịng chảy
Hình 4.3 Sự trệch h−ớng của vận tốc và ứng suất tiếp do tác động của dịng chảy vịng tại khúc sơng cong.