đờ nhụ đơn
Hỡnh 2.4 là sơ đồ nhiễu xạ sau một đờ nhụ đơn, giả thiết độ sõu trong và ngoài đờ khụng đổi. Súng tại đầu đờ cú độ cao H S0, hướng súng 00’, tạo với trục OX một gúc θ0. Tại 1 điểm bất kỳ Q trong vựng che chắn của đờ (toạ độ cực (r, θ)), hệ số
nhiễu xạ k0 là tỉ số giữa chiều cao súng tại Q(HSQ) và chiều cao súng ban đầu HS0.
k0= HSQ
H
(2.18)
r
3
LS
Lấy vớ dụ đờ nhụ đơn trong Hỡnh 2.4 là đờ mỏ i nghiờng, trong vựng che chắn của nú (vựng giữa hướng súng 00’ và trục đờ OX), cụng thức tớnh hệ số nhiễu xạ là:
kQ = − 3 e 4 2 (θ0 − θ ) −3 3 r (θ + e LS + θ ) (2.19)
Đú cũng là một hàm siờu việt, viết thành phương trỡnh hằng số tỷ lệ như sau: λkQ = 1; λ r = λl = λLS; λ θ0 = 1; λ θ0 = λθ (2.20) Cú nghĩa là muốn cho hằng số tỷ lệ chiều cao súng trong vựng che chắn λHSQ
bằng hằng số tỷ lệ chiều cao súng tới ngoài đờ λHS0, yờu cầu λkQ = 1. Để làm được điều đú, hằng số tỷ lệ chiều dài súng cần bằng hằng số tỷ lệ kớch thước theo chiều nằm ngang. Ngoài ra, cũn yờu cầu súng tới cú hướng khụng đổi.
c) Tương tự phản xạ:
Súng gặp đờ tường đứng sẽ phỏt sinh phản xạ (Hỡnh 2.5). Phương trỡnh mặt súng của súng tới và súng phản xạ là:
ρ = a sin (kx + σt) = a sink (x + ct) (2.21)
Trong đú:ρ-độ cao của chất điểm bềmặt nước; a- biờnđộ; k- số súng,
k = 2π ; σ- tần số súng; σ LS = 2 π . TS
Súng tới và súng phản xạ chồng lờn nhau thành súng đứng. Cỏc phương trỡnh hằng số tỷ lệ như sau: λρ 1;= λα λl λL S 1 =; λC λt λLS 1= hoặc λt 1= λTS (2.22) Trong đú: λρ λα
1=biểu thị hằng số tỷ lệ về độ cao của 1 điểm bất kỳ phải bằng
số tỷ lệ về biờn độ dao động; λt λT
S
1=biểu thị bằng số tỷ lệ thời gian bằng số tỷ lệ
chu kỳ súng; λC λt λLS
1
λC λTS λLS 1=biểu thị quan hệ giữa hằng số tỷ lệ tốc độ truyền
súng, hằng số tỷ lệ chiều dài súng và hằng số tỷ lệ chu kỳ súng hoặc hằng số tỷ lệ thời gian. Vỡ vậy, yờu cầu cú tớnh thực chất đối với tương tự phản xạ súng là λ LS = λl.
Hỡnh 2.5. Súng phản xạ trước tường đứng
(a) Thay đổi bề mặt tự do ; (b) Quỹ tớch chất điểm bề mặt
d) Tương tự súng vỡ: Súng vỡ cú quan hệ nhiều với sự biến hoỏ của độ dốc
súng HS/LS. Để cú tương tự súng vỡ thỡ độ dốc súng phải tương tự, tức là:
λHS = λLS = λh (2.23)
Do trong mụ hỡnh khú đạt được chuẩn xỏc sức căng bề mặt và độ nhỏm đỏy, nờn tương tự súng vỡ cũng chỉ là gần đỳng.
Túm lại: Để cú được tương tự về cỏc yếu tố súng, mụ hỡnh cần làm chớnh thỏi,
hướng súng ban đầu của mụ hỡnh phải giống với nguyờn hỡnh, hằng số tỷ lệ chiều dài súng và chiều cao súng nờn giống nhau, tuõn thủ định luật tương tự Froude.
Khi buộc phải làm mụ hỡnh biến thỏi, tương tự của cỏc yếu tố súng khụng thể được thỏa món đồng thời. Khi lấy hằng số tương tự chiều dài súng bằng hằng số tương tự trờn mặt phẳng nằm ngang, tương tự nhiễu xạ và phản xạ mới cú thể bảo đảm, nhưng sẽ ảnh hưởng đến tương tự của tốc độ súng, khỳc xạ và tương tự súng vỡ. Ngoài ra, chiều dài súng mụ hỡnh tương đối ngắn, độ khú chế tạo mỏy tạo súng sẽ lớn, súng tạo ra khụng ổn định. Ngược lại, nếu lấy hằng số tỷ lệ chiều dài súng bằng hằng số tỷ lệ theo phương thẳng đứng, thỡ hiệu quả sẽ ngược lại. Khi sử dụng mụ hỡnh biến thỏi, dộ dốc súng trong mụ hỡnh khụng thể vượt quỏ 1/7. Nếu khụng, súng sẽ vỡ, thường chỉ cú thể đạt khoảng 1/10. Nờn hạn chế hệ số biến thỏi trong khoảng bằng 2.
2.3.2. Mụ phỏng tương tự cỏc giỏ trị trờn mụ hỡnh, chọn tỉ lệ mụ hỡnh
Việc chọn tỷ lệ mụ hỡnh phụ thuộc vào cỏc điều kiện cụ thể ở nguyờn hỡnh, yếu tố súng và khả năng đỏp ứng của hệ thống thiết bị thớ nghiệm.
Căn cứ vào cỏc số liệu đo đạc khảo sỏt thực địa và khả năng đỏp ứng của hệ thống thiết bị thớ nghiệm (mỏng tạo súng Flanders), quỏ trỡnh động lực do súng tỏc động vào cụng trỡnh được mụ phỏng trờn mỏng súng bằng mụ hỡnh chớnh thỏi, việc mụ phỏng tương tự cỏc thụng số về đơn vị độ dài, thời gian, tần số, trọng lượng, diện tớch vv… được thiết lập theo tiờu chuẩn Froude [20], (xe m [86]).
Tỉ lệ mụ hỡnh lựa chọn λL = λh = a = 20 (Phự hợp với điều kiện thực tế, và khả năng mụ phỏng của thiết bị); trong đú λ L, λh là tỉ lệ hỡnh học theo phương ngang và phương đứng.
Tỉ lệ của cỏc đại lượng vật lý dẫn xuất dựng trong thớ nghiệm theo tỉ lệ mụ hỡnh được thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Cỏc giỏ trị tỷ lệ mụ hỡnh - nguyờn hỡnh
Cỏc đại lượng Tỉ lệ mụ
hỡnh/nguyờn hỡnh nghiờn cứu (tỷ lệ 1/20)Thực tế khu vực
Tỷ lệ độ dài, độ cao súng (m) λ L = λh = a 20 Tỷ lệ thời gian, chu kỳ (s) λT = λL = a 4,472
Tỷ lệ tần số (Hz) λ f = λ1 T= 1a 0,2236 Tỷ lệ trọng lượng (kg) λP = λ3 = a3 L 8000 Tỷ lệ diện tớch (m2) λ = λ2 = a2 s L 400 Tỷ lệ thể tớch (m3) λP = λ3 = a3 L 8000
Đơn vị đo ỏp lực mBar λ p = a 20
Lưu lượng (m3/s ) λ =λ2. 5 = a2.5
q L 1788,854
Vận tốc λv = ηL = a 4,472
2.3.3. Giới thiệu hệ thống mỏng súng Flanders
2.3.3.1. Mỏng súng và mỏy tạo súng
Mỏng súng cú chiều dài 40m, rộng 2m, cao 1,8m (xem Hỡnh 2.6).
Mỏy tạo súng kiểu Piston hoạt động bằng truyền động điện - thủy lực, bảng súng cú kớch thước 1,98m(W) x 2m(H). Mỏy tạo súng cú khả năng tạo được cỏc
súng đều (Sine), súng khụng đều với cỏc dạng phổ: Pierson Moskowitz, Jonswap. Mỏy tạo súng cú thể tạo được Hs = 1,5c m ữ 30c m, T = 0,5sec ữ 5sec trờn mụ
hỡnh.
Hỡnh 2.6. Tổng quan hệ thống mỏng súng Flanders Hỡnh 2.7. Đầu đo Golf-3B
2.3.3.2. Thiết bị thu thập dữ liệu - Đầu đo súng Model Golf-3B
Đầu đo Model Golf-3B sử dụng được cả trong mụi trường nước mặn và nước ngọt. Kớch thước nhỏ, dải tần rộng (lờn tới 1200mm), phản ứng nhanh (thời gian phản ứng 55ms). Kết cấu đầu đo súng cơ bản gồm 2 phần: Khung cảm biến là 1 khung giữa 2 hộp và nú là điện cực thứ 2. Điện cực thứ nhất là 1 dõy thộp khụng gỉ, nú được căng giữa 2 hộp (xe m Hỡnh 2.7). Việc trang bị "Hộp kớn” cho Golf-3B để phự hợp và tiện dụng khi sử dụng trong bể nước.
2.3.3.3. Kết nối hệ thống
Toàn bộ hệ thống thớ nghiệm được kết nối với nhau thành một thể thống nhất, tất cả cỏc bước từ vận hành, thu thập và xử lý số liệu được điều khiển tự động bằng cỏc phần mềm chuyờn dụng đó được cài đặt sẵn trong mỏy tớnh đặt tại cabin điều khiển. Sơ đồ kết nối và điều khiển mỏy tạo súng như trong hỡnh 2.8.
2.3.4. Cỏc điều kiện biờn về số liệu địa hỡnh, thủy hải văn
2.3.4.1. Số liệu địa hỡnh:
Mặt cắt bói và đờ biển được lấy tại khu vực cuối Hải Triều - Hải Hậu - Nam Định (xe m Hỡnh 2.9).
Hỡnh 2.9. Mặt cắt bói ven biển Hải Hậu - Nam Định được mụ phỏng Cỏc thụng số cơ bản của mặt cắt như sau: Cỏc thụng số cơ bản của mặt cắt như sau:
Cao trỡnh đỉnh đờ thực tế: +5,0m ; Chiều rộng đỉnh đờ: 5,0m Chiều rộng chõn đờ: 32,0m Độ dốc mỏi đờ: M biển=4, Mđồng=2,5
Mặt bói nghiờn cứu từ chõn đờ tại cao trỡnh +0,62m trải dài 400m ra biển, nơi cú cao trỡnh -3,2m.
2.3.4.2. Tổng hợp cỏc thụng số súng và mực nước dựng trong thớ nghiệm
Luận ỏn đó phõn tớch, lựa chọn cỏc cấp mực nước, súng thớ nghiệm dựa vào cỏc tài liệu thu thập, cỏc đề tài, dự ỏn đó nghiờn cứu trước đõy đối với vựng biển Hải Hậu (xem [4], [5]), [7], [14], [30], [43], [44], [47], (xe m [56]). Căn cứ vào những mục đớch cần đạt được, khả năng đỏp ứng của hệ thống thớ nghiệm mỏng tạo súng Flanders đó đưa ra cỏc thụng số về mực nước và súng như sau:
1. Cỏc cấp mực nước thớ nghiệm: Cỏc cấp mực nước đưa vào thớ nghiệm
được thể hiện trong bảng 2.2, tựy vào mỗi phương ỏn và mục đớch nghiờn cứu cần đạt được sẽ lựa chọn cấp mực nước tương ứng.
Bảng 2.2. Tổ hợp cỏc cấp mực nước thớ nghiệmS TT Trường hợp S TT Trường hợp Nguyờn hỡnh Mụ hỡnh (Tỷ lệ: 1/20) MN5% (m) Nước dõng (m) Mực nước tổng cộng (m) MN5% (m) Nước dõng (m) Mực nước tổng cộng (m) 1 Triều kiệt - - 1,20 - - 0,060 2 Triều trung bỡnh - - 1,86 - - 0,093 3 Cấp 8 2,20 0,42 2,62 0,110 0,021 0,131 4 Cấp 9 2,20 0,80 3,00 0,110 0,040 0,150 5 Cấp 10 2,20 1,30 3,50 0,110 0,065 0,175 6 Cấp 11 2,20 1,47 3,67 0,110 0,074 0,184 7 Cấp 12 2,20 1,80 4,00 0,110 0,090 0,200
2. Tổ hợp cỏc cấp súng thớ nghiệm: Tựy theo từng mục đớch nghiờn cứu của mỗi phương ỏn sẽ lựa chọn độ cao và chu kỳ súng phự hợp ở trong Bảng 2.3 để làm đầu vào thớ nghiệm. Phổ tạo súng đưa vào thớ nghiệm thuộc loại phổ Jonhswap.
Bảng 2.3. Cỏc tham số súng đưa vào thớ nghiệm của luận ỏn
Nguyờn hỡnh Mụ hỡnh (Tỷ lệ: 1/20) Ghi chỳ
Độ cao H (m) Chu kỳ T
(s) Độ cao H (m) Chu kỳ T (s)
0,75 ữ 2,70 4,0 ữ 10,0 0,038 ữ 0,135 0,894 ữ 2,236 Tiờu chuẩn Froude
2.3.5. Kiểm định mụ hỡnh thớ nghiệm
2.3.5.1. Hiệu chỉnh, kiểm định đầu đo súng
Quy trỡnh kiểm định, gồm hai phương phỏp [68]:
(1) Phương phỏp chỉnh khụ: Chập dõy cảm biến với khung cảm biến tại 1 vị trớ cụ
thể, quan sỏt điện ỏp đầu ra Di chuyển điểm chập trờn dõy cảm biến 1 khoảng chớnh xỏc Kết quả là sự thay đổi điện ỏp đầu ra sẽ bằng đỳng 2 lần khoảng thấy được khi đầu đo vận hành trong mụi trường nước Điều chỉnh chiết ỏp khuyếch đại VR3 nếu cần. Lặp lại cỏc bước từ 1 4 cho cho đến khi độ nhạy chớnh xỏc gấp 2 lần độ nhạy mong muốn trong vận hành.
(2) Phương phỏp chỉnh ướt: Chỳ ý đo điện ỏp đầu ra Tăng hoặc giảm mực
nước (tăng hoặc giảm mức cơ học của giỏ đỡ đầu đo) 1 khoảng chớnh xỏc, quan sỏt thay đổi đầu ra Điều chỉnh chiết ỏp khuyếch đại VR3 nếu cần. Lặp lại cỏc bước từ 1 3 cho đến khi quan sỏt được độ nhạy mong muốn.
Cỏc đầu đo súng được bố trớ như trong hỡnh 2.10. Đầu đo W1 để đo súng đầu vào bố trớ cỏch bảng súng một khoảng d > 2,5 lần chiều dài con súng trờn mụ hỡnh,
-25-20-15-10-5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw (cm ) Series1 0 Wave1 Calibratio n -25-20-15-10-5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw (cm ) Series1 0
Wave2 calib ration
nơi mà con súng đó ổn định. Với trường hợp độ cao súng thớ nghiệm lớn nhất ngoài thực tế hs-max = 2,70m, chu kỳ súng khoảng 10s, độ dài súng thực tế λ ≈ 50m, tức độ dài súng trờn mụ hỡnh lớn nhất λm = 50/20 = 2,5m. Vậy, để đảm bảo sự ổn định của súng đầu vào ta chọn d = 8,0m trờn mụ hỡnh, tại vị trớ cú độ sõu 0,5 - 0,6m (10 ữ 12m ngoài thực địa). Cỏc thụng số súng phõn tớch tại đầu đo W1 được dựng làm cỏc thụng số súng đầu vào cho thớ nghiệm. Đầu đo W2 được bố trớ ở vị trớ giữa bói (cỏch đều cỏc đầu đo W3 và W4 về hai phớa), cỏc đầu đo W3 và W4 được bố trớ tại cỏc vị trớ trước và sau đờ ngầm giảm súng, cỏch chõn đờ một khoảng bằng 1/2 lần bước súng tới (Zelt và Skjelbreia, 1992).
Hỡnh 2.10. Mụ phỏng vị trớ đặt cỏc đầu đo súng trong mụ hỡnh thớ nghiệmSử dụng phương phỏp kiểm định ướt, cỏc đầu đo được hiệu chỉnh tuyến tớnh, Sử dụng phương phỏp kiểm định ướt, cỏc đầu đo được hiệu chỉnh tuyến tớnh, đường kiểm định của cỏc đầu đo thể hiện trong Hỡnh 2.11.
Vo lts
Vo lts
-25-20-1 5-10 -5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw ( cm) Series1 0 Wave3 Calibratio n -25-20-15-10-5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 Hw (cm ) Series1 0 Wave4 Calibratio n
Hỡnh 2.11. Cỏc biểu đồ kiểm định đầu đo
Kết quả cho thấy cỏc đầu đo đều đảm bảo độ tuyến tớnh cho phộp của nhà sản xuất và cú thể đưa vào phục vụ thớ nghiệm.
2.3.5.2. Kiểm định súng đầu vào:
Súng đo ở đầu đo W1 được phõn tớch bằng phần mềm Anasys [68], bao gồm: - Kết quả cỏc thụng số súng trong miền thời gian: H1/3, T1/3, Hmean (trung bỡnh), Tmean
(TB), Hmax, Tmax, H1/10, T1/10, Hrms (căn bậc 2), Trms (căn bậc 2).
- Kết quả cỏc thụng số súng trong miền tần số: Hm0 (g iỏ trị ước tớnh của độ cao súng cú nghĩa dựa trờn phổ), Tpeak=1/fpeak, Tm0,1 (chu kỳ TB, xỏc định bởi m0/m1). - Việc phõn tớch miền thời gian cho cỏc kết quả sau đõy: Miền thời gian của cỏc thụng số súng, hàm mật độ xỏc xuất Rayleigh, hàm phõn bố lũy tớch Rayleigh. - Việc phõn tớch miền tần số cho cỏc kết quả: miền tần số của cỏc thụng số súng,
phổ mật độ biến đổi.
Phổ súng đo tại đầu W1 với mực nước +15cm (3,0m thực địa), Hs = 0,0715m (1,43m thực tế) và chu kỳ T = 1,43s (5,84s thực tế) được đem so sỏnh kiểm định với phổ súng đo đạc thực tế tại Hải Hậu (xe m Hỡnh 2.12a và Hỡnh 2.12b).
Vo lts
Vo lts
Hỡnh 2. 12a. Phổ s úng đưa vàokiểm kiểm
định
Hỡnh 2.12b. So sỏnh phổ súng kiểm định và phổ súng thực đo tại Hải Hậu và phổ súng thực đo tại Hải Hậu
Kết quả so sỏnh cho thấy hệ thống đó tạo được súng trong phũng thớ nghiệm khỏ phự hợp với số liệu thực đo, hoàn toàn cú thể đưa hệ thống vào thớ nghiệm.
2.3.6. Cỏc phương ỏn thớ nghiệm
Luận ỏn sử dụng phương phỏp nghiờn cứu trờn mụ hỡnh vật lý nhằm để lựa chọn cỏc tham số cụng trỡnh (cụng trỡnh đờ ngầm phỏ súng) mà mụ hỡnh toỏn sẽ gặp rất nhiều khú khăn hoặc khụng thể giải quyết được, cụ thể là cỏc tham số: Cao trỡnh đỉnh đờ ngầm (∆); Bề rộng đỉnh đờ ngầm (B); Mỏi dốc đờ ngầm (m).
Cỏc kịch bản thớ nghiệm được tiến hành với những tổ hợp của cỏc cấp mực nước và súng đó lựa chọn trong cỏc bảng (2.2 và 2.3) ở trờn.
2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU TRấN Mễ HèNH TOÁN
Ứng dụng mụ hỡnh GENESIS để tớnh toỏn, dự bỏo diễn biến đường bờ biển Hải Hậu trước và sau khi cú cụng trỡnh giảm súng, tạo bồi. Ứng dụng mụ hỡnh MIKE21, STWAVE tớnh trường phõn bố năng lượng súng ven bờ và tương tỏc giữa súng và cụng trỡnh. Tớnh toỏn vận chuyển bựn cỏt, diễn biến bói biển Hải Hậu trước và sau khi cú cụng trỡnh chỉ trị.
2.4.1. Giới thiệu mụ hỡnh tớnh biến đổi đường bờ GENES IS
2.4.1.1. Cỏc giả thiết cơ bản của mụ hỡnh:
Trong mụ hỡnh GENESIS trắc diện (profile) của bờ biển khi dịch chuyển về phớa đất liền hay về phớa biển đều khụng thay đổi. Vỡ thế người ta cú thể sử dụng một đường đồng mức để mụ tả sự biến đổi hỡnh dạng và vị trớ của đường bờ, do đú GENESIS cũn gọi là mụ hỡnh “một đường” (one-line model) [10], [57].
Giới hạn dịch chuyển của trắc diện bờ (phớa biển và đất liền) phải được xỏc định rừ ràng và khụng biến đổi theo thời gian. Việc xỏc định giới hạn về phớa đất liền cú thể tiến hành được một cỏch trực tiếp nhưng đối với giới hạn về phớa biển thỡ rất khú khăn vỡ nú cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là cỏc quỏ trỡnh thuỷ động lực.
Trong tớnh toỏn suất vận chuyển bựn cỏt, GENESIS coi suất vận chuyển là một hàm của độ cao súng vỡ và hướng dọc theo bờ. Vận chuyển vuụng gúc với bờ khụng được tớnh tới trong mụ hỡnh.
Nờn ỏp dụng mụ hỡnh tớnh cho những khu vực cú quỏ trỡnh diễn biến đường bờ dài hạn để cú thể dự bỏo một cỏch rừ ràng sự biến đổi đường bờ và tỏch riờng những dịch chuyển cú tớnh ngẫu nhiờn và chu kỳ (bóo, cỏc dao động thuỷ triều).
2.4.1.2. Cỏc phương trỡnh cơ bản:
Phương trỡnh cơ bản trong mụ hỡnh GENESIS chủ yếu dựa trờn phương trỡnh bảo toàn thể tớch trầm tớch được thiết lập theo những giả thiết đó được đề cập ở trờn.