+ Đoạn cong thứ nhất: R = 5B = 600 cm; + Đoạn cong thứ hai: R = 4B = 480 cm; + Đoạn cong thứ ba: R = 3B = 360 cm.
Như vậy, mơ hình dài tổng cộng 38 m. Hình 23 thể hiện bản vẽ mặt bằng của mơ hình. Đây là mơ hình thủy lực máng cong đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam.
các thí nghiệm mơ hình với nhiều trường hợp khác nhau. Trong khuôn khổ của nghiên cứu này, chỉ xét ở khúc sông cong đầu tiên và chỉ xét hai trường hợp (một trường hợp khơng có tấm hướng dịng và một trường hợp có tấm hướng dịng) để kiểm nghiệm với mơ hình tốn thủy lực ba chiều đã xây dựng. Hai trường hợp này đều có lưu lượng thí nghiệm là Q = 20 l/s.
Trong trường hợp có tấm hướng dịng:
- Các tấm hướng dịng được bố trí tại các vị trí 2T, 3T, 4T, 5T, 6T như trong hình 24.
Hình 24. Mặt bằng mơ hình tại khúc sơng cong thứ nhất
- Mỗi tấm hướng dịng có cấu tạo như trong hình 25, đặt nghiêng so với bờ (trong trường hợp này α = 1350, θ = 600
). Bề dầy tấm hướng dịng H = 20 cm, có một khoảng trống kể từ cạnh dưới của tấm hướng dịng và đáy mơ hình (độ mở tấm hướng dịng) a = 0.2 H = 4 cm.
Hình 25. Cấu tạo tấm hướng dịng
Hình 26 biểu thị mặt bằng lưới tính tốn bằng mơ hình thủy động lực ba chiều và vị trí các tấm hướng dịng. Kích thước của lưới tính theo chiều dịng chảy, chiều ngang và chiều thẳng đứng tương ứng là 86, 60, 12.
Hình 26. Mặt bằng lưới tính và vị trí các cơng trình.
3.2.2. Kết quả kiểm nghiệm
Hình 27 biểu thị so sánh các giá trị mực nước giữa kết quả thí nghiệm vật lý và kết quả mơ phỏng bằng mơ hình thủy động lực ba chiều trong trường hợp có bố trí cơng trình. Ta có thể thấy kết quả so sánh về mực nước này là khá phù hợp với nhau.
Hình 28 biểu thị so sánh phân bố vận tốc (Uave = u2 + v2) mơ phỏng bằng mơ hình thủy động lực ba chiều trong trường hợp có cơng trình và trường hợp khơng có cơng trình. Qua đó ta có thể thấy, trong trường hợp khơng có cơng trình vận tốc tại bờ ngoài cao hơn dọc theo đoạn sông cong, điều này phù hợp với các nghiên cứu về đoạn sơng cong. Trong trường hợp có cơng trình, vận tốc ở bờ trong cao hơn so với bờ ngồi. Điều này là do hướng dịng chảy bị chuyển sang bờ trong do tác động của các công trình.
a) Mặt cắt 2 (i = 31) b) Mặt cắt 3 (i = 41)
c) Mặt cắt 4 (i = 51) d) Mặt cắt 5 (i = 61)
e) Mặt cắt 6 (i = 71) f) Mặt cắt 7(i = 86)
Hình 27. So sánh mực nước giữa thí nghiệm và mơ phỏng
a) Mặt cắt 2T (i=36) b) Mặt cắt 3T (i=46)
c) Mặt cắt 5T (i=66) d) Mặt cắt 6T (i=76)
Open = Khơng có cơng trình, Cal. = Có cơng trình, (B) = đáy, (M) = giữa, (S) = mặt
Hình 28. So sánh phân bố vận tốc (Uave = u2 + v2) trong trường hợp có cơng trình và khơng có cơng trình
Hình 29 thể hiện sự so sánh về sự phân bố vận tốc (Uave = u2 + v2) giữa thí nghiệm vật lý và kết quả mơ phỏng bằng mơ hình thủy động lực ba chiều trong trường hợp có cơng trình. Qua đó có thể thấy rằng:
- Vận tốc ở bờ trong là cao hơn do tác động hướng dịng của cơng trình - Vận tốc tại tầng đáy của bờ ngoài (đường màu xanh nước biển) cao hơn so với tầng giữa và tầng mặt của phía bờ ngồi (đường màu nâu và đường màu xanh lá cây).
- Sự phù hợp giữa kết quả số và thực nghiệm không thực sự được thỏa mãn.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U av e (m /s ) distance (m) Open (B) Open (M) Open (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s) distance (m) Open (B) Open (M) Open (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U av e (m /s ) distance (m) Open (B) Open (M) Open (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s) distance (m) Open (B) Open (M) Open (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S)
a) Mặt cắt 2 (i=31) b) Mặt cắt 2T (i=36)
c) Mặt cắt 3 (i=41) d) Mặt cắt 3T (i=46)
e) Mặt cắt 4T (i=56) f) Mặt cắt 6 (i=71)
Hình 29. So sánh về sự phân bố vận tốc tốc (Uave = u2 + v2)
giữa thí nghiệm vật lý và mơ phỏng bằng mơ hình trong trường hợp có cơng trình Qua Hình 30 thể hiện mặt bằng các véc-tơ vận tốc ở trên mặt và dưới đáy (được mô phỏng bằng mơ hình) ta thấy rằng nước gần đáy chảy dọc theo hướng
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s) distance (m) Exp. (B) Exp. (M) Exp. (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s) distance (m) Exp. (B) Exp. (M) Exp. (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s ) distance (m) Exp. (B) Exp. (M) Exp. (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s ) distance (m) Exp. (B) Exp. (M) Exp. (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s) distance (m) Exp. (B) Exp. (M) Exp. (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 U a v e ( m / s) distance (m) Exp. (B) Exp. (M) Exp. (S) Cal. (B) Cal. (M) Cal. (S)
lòng dẫn, còn hướng dịng chảy tại lớp trên mặt thì thay đổi, hướng tới bờ trong do tác động của các cơng trình. Như vậy ảnh hưởng của các cơng trình đã được tái hiện lại bằng mơ hình thủy động lực ba chiều.
Các véc-tơ vận tốc ở trên mặt
Các véc-tơ vận tốc ở dưới đáy
Hình 30. Mặt bằng các véc-tơ vận tốc ở trên mặt và dưới đáy
Mặc dầu mới chỉ là những bước thử nghiệm ban đầu, song những kết quả trên đây cho thấy khả năng phát triển và ứng dụng mơ hình 3 chiều cho mơ phỏng trường dòng chảy xung quanh kè mỏ hàn và ở đoạn sông cong.
KẾT LUẬN
Những nội dung cơ bản đã thực hiện được trong nghiên cứu này gồm có: - Tìm hiểu và tổng quan lại tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về mơ hình thủy động lực ba chiều mơ phỏng trường dịng chảy xung quanh các cơng trình thủy lực phức tạp và trong đoạn sông cong. Từ đó cho thấy hiện vẫn chưa có mơ hình thủy động lực 3 chiều thể hiện được tính phức tạp của dịng chảy xung quanh cơng trình và có tính ứng dụng đối với các cơng trình dạng kè mỏ hàn ngập và kè hoàn lưu, đặc biệt là khi các cơng trình này được đặt ở vị trí các đoạn sơng cong.
- Nghiên cứu tìm hiểu chi tiết về mơ hình thủy thạch động lực ba chiều của Hosoda và nnk. Trên cơ sở đó chỉnh sửa lại mã nguồn mơ hình để có thể ứng dụng cho trường hợp kè chảy ngập và kè hồn lưu, có khả năng phù hợp hơn đối với điều kiện thực tế ở Việt Nam.
- Kiểm nghiệm mơ hình đã xây dựng với thí nghiệm trong đoạn sơng thẳng có cơng trình: (1) Thí nghiệm số cơng trình kè hồn lưu vng góc với bờ; (2) Thí nghiệm vật lý của Tominaga và nnk (2000) đối với hai kè (chảy ngập hoặc khơng ngập) bố trí liên tiếp nhau. Kết quả cho thấy mơ hình đã mơ phỏng lại một cách khá phù hợp các đặc tính ba chiều của dịng chảy khi có tác động của các cơng trình.
- Kiểm nghiệm mơ hình đã xây dựng với thí nghiệm vật lý trong đoạn sơng cong: (1) Đoạn sơng cong khơng có cơng trình, (2) Đoạn sơng cong có bố trí các cơng trình hướng dịng. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy mơ hình xây dựng về mặt định tính đã tái hiện lại được các hiện tượng dòng chảy tuy nhiên sự phù hợp về mặt định lượng giữa thí nghiệm và mơ phỏng chưa thực sự được thỏa mãn. Cần có những nghiên cứu, cải thiện hơn nữa mơ hình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Lương Phương Hậu (2010), Nghiên cứu giải pháp khoa học, cơng nghệ cho hệ
thống cơng trình chỉnh trị sông trên các đoạn trọng điểm vùng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ, Báo cáo tổng kết đề tài KC08.14/06-10 do GS. Lương
Phương Hậu chủ trì, Hà Nội.
2. Nguyễn Thọ Sáo (2008), Động lực học chất lỏng tính tốn, Giáo trình biên dịch, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội.
3. Phạm Văn Tiến (2012), Ứng dụng mơ hình (VNU/MDEC) tính tốn chế độ thủy
động lực và vận chuyển trầm tích vùng cửa sơng ven biển Hải Phòng, Luận
văn thạc sĩ khoa học ngành Thủy văn học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội.
Tiếng Anh
4. Ahmed, F., and Rajaratnam, N. (1998). “Flow around bridge piers”, J. Hydraul.
Eng., 124(3), 288–300.
5. Bosch, G., and Rodi, W. (1998). “Simulation of vortex shedding past a square cylinder with different turbulence models”, Int. J. Numer. Methods Fluids,
28, 601–616.
6. Breusers, H. N. C., Nicollet, G., and Shen, H. W. (1977). “Local scour around cylindrical piers.” J. Hydraul. Res., 15(3), pp. 211–252.
7. Brookes, A., Knight, S. S., and Shields, F. D., Jr. (1996). “Habitat enhancement”. River channel restoration, A. Brookes and F. D. Shields, Jr., eds., Wiley, Chichester, U.K., pp. 103–126.
8. Chrisohoides, A., Sotiropoulos, F., and Sturm, T. W. (2003). “Coherent structures in flat-bed abutment flow: Computational fluid dynamics simulations and experiments.” J. Hydraul. Eng., 129(3), pp. 177–186.
9. Dargahi, B. (1990). “Controlling mechanism of local scouring.” J. Hydraul. Eng., 116(10), pp. 1197–1214.
10. Dey, S. (1997). “Local scour at piers, Part I: A review of developments of research.” Int. J. Sediment Res., 12(2), pp. 23–46.
11. Dey, S., Bose, S. K., and Sastry, G. L. N. (1995). “Clear water scour at circular piers: A model.” J. Hydraul. Eng., 121(12), pp. 869–876.
12. Elliott, K. R., and Baker, C. J. (1985). “Effect of pier spacing on scour around bridge piers.” J. Hydraul. Eng., 111(7), pp. 1105–1109.
13. Ettema, R., Mostafa, E. A., Melville, B. W., and Yassin, A. A. (1998). “Local scour at skewed piers.” J. Hydraul. Eng., 124(7), pp. 756–759.
14. Franke, R., and Rodi, W. (1993). “Calculation of vortex shedding past a square cylinder with various turbulence models.” Selected Papers from the 8th Int. Symp. on Turbulent Shear Flows, Munich, Germany, September 9–11, 1991, F. Durst, et al., eds., Springer-Verlag, Berlin, pp. 189–204.
15. Garde, R. J., Subramanya, K., and Nambudripad, K. D. (1961). “Study of scour around spur-dikes.” J. Hydraul. Div., Am. Soc. Civ. Eng., 87 (6), pp. 23–37. 16. Gatski, T. B., and Speziale, C. G. (1993). “On explicit algebraic stress models
for complex turbulent flows.” J. Fluid Mech., 254, pp. 59–78.
17. Ge, L., and Sotiropoulos, F. (2005). “3D unsteady RANS modeling of complex hydraulic engineering flows. I: Numerical model.” J. Hydraul. Eng., 131(9), pp. 800–808.
18. Ge, L., Lee, S. O., Sotiropoulos, F., and Sturm, T. (2005). “3D unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling of complex hydraulic engineering flows. II: Model validation and flow physics.” J. Hydraul. Eng., 131(9), pp. 809–820.
19. Gill, M. A. (1972). “Erosion of sand beds around spur dikes.” J. Hydraul. Div.,
Am. Soc. Civ. Eng., 98(9), 1587–1602.
20. Hosoda, T., Sakurai, T., Kimura, I., and Muramoto, Y. (1999). “3-D computations of compound open channel flows with horizontal vortices and secondary currents by means of non-linear k-epsilon model.” J. Hydrosci. Hydr. Eng., 17(2), 87–96.
21. Jia, Y., and Wang, S. S. Y. (1993). “3D numerical simulation of flow near a spur dike.” Proc., 1st Int. Conf. on Hydro-Sci. and -Engineering,
Washington, D.C., 2150–2156.
22. Jia, Y., and Wang, S. S. Y. (1996). “A modeling approach to predict local scour around spur dike-like structures.” Proc., 6th Federal Interagency Sedimentation Conf., Las Vegas, Nev., II-90–97.
23. Jia, Y., and Wang, S. S. Y. (1999). “Numerical model for channel flow and morphological change studies.” J. Hydraul. Eng., 125(9), 924–933.
24. Jain, S. C. (1981). “Maximum clear-water scour around circular piers.” J. Hydraul. Div., Am. Soc. Civ. Eng., 107(5), 611–626.
25. Kimura, I., and Hosoda, T. (2003). “A non-linear k- model with realizability for prediction of flows around bluff bodies.” Int. J. Numer. Methods Fluids, 42, 813–837.
26. Kimura, I., Hosoda, T., Onda, S., and Tominaga, A. (2004). “3D numerical analysis of unsteady flow structures around inclined spur dikes by means of a non-linear k-_ model.” Shallow Flows, Jirka and Uijttewaal, eds., Selected
Papers of the International Symposium on Shallow Flows, 16–18 June 2003,
27. Kothyari, U. C., Garde, R. J., and Raju, K. G. R. (1992). “Temporal variation of scour around circular bridge piers.” J. Hydraul. Eng., 118(8), 1091–1106. 28. Kuhnle, R. A., Alonso, C. V., and Shields, F. D., Jr. (1999). “Geometry of scour
holes associated with 90° spur dikes.” J. Hydraul. Eng., 125(9), 972–978. 29. Kwan, T. F., and Melville, B. W. (1994). “Local scour and flow measurements
at bridge abutments.” J. Hydraul. Res., 32(5), 661–673.
30. Lai, Y. G., Weber, L. J., and Patel, V. C. (2003a). “Nonhydrostatic threedimensional model for hydraulic flow simulation. I: Formulation and verification.” J. Hydraul. Eng., 129(3), 196–205.
31. Lai, Y. G., Weber, L. J., and Patel, V. C. (2003b). “Nonhydrostatic threedimensional model for hydraulic flow simulation. II: Validation and application.” J. Hydraul. Eng., 129(3), 206–214.
32. Laursen, E. M. (1963). “An analysis of relief bridge scour.” J. Hydraul. Div., Am. Soc. Civ. Eng., 89(3), 93–118.
33. Lim, S. Y. (1997). “Equilibrium clear-water scour around an abutment.” J. Hydraul. Eng., 123(3), 237–243.
34. Mayerle, R., Toro, F. M., and Wang, S. S. Y. (1995). “Verification of a three- dimensional numerical model simulation of the flow in the vicinity of spur dikes.” J. Hydraul. Res., 33(2), 243–256.
35. Melville, B. W. (1975). “Local scour at bridge site.” Rep. No. 117, School of
Engineering, The Univ. of Auckland, New Zealand.
36. Melville, B. W. (1992). “Local scour at bridge abutments.” J. Hydraul. Eng.,
118(4), 615–631.
37. Melville, B. W. (1997). “Pier and abutment scour: Integrated approach.” J. Hydraul. Eng., 123(2), 125–136.
38. Melville, B. W., and Chiew, Y. M. _1999_. “Time scale for local scour at bridge piers.” J. Hydraul. Eng., 125_1_, 59–65.
39. Melville, B. W., and Raudkivi, A. J. (1977). “Flow characteristics in local scour at bridge piers.” J. Hydraul. Res., 15(4), 373–380.
40. Melville, B. W., and Raudkivi, A. J. (1996). “Effects of foundation geometry on bridge pier scour.” J. Hydraul. Eng., 122(4), 203–209.
41. Melville, B. W., and Sutherland, A. J. (1988). “Design method for local scour at bridge piers.” J. Hydraul. Eng., 114(10), 1210–1226.
42. Michiue, M., and Hinokidani, O. (1992). “Calculation of 2-dimensional bed evolution around spur-dike.” Ann. J. Hydraul. Eng., 36, 61–66 (in Japanese).
43. Nagata N, Hosoda T, Nakato T và Muramoto Y (2005). “Three-dimensional numerical model for flow and bed deformation around river hydraulic structures”. J. of Hydraulic Engineering, 131(12), 1074-1087.
44. Olsen, N. R. B. (2003). “Three-dimensional CFD modeling of selfforming meandering channel.” J. Hydraul. Eng., 129(5), 366–372.
45. Olsen, N. R. B., and Kjellesvig, H. M. K. (1998). “Three-dimensional numerical flow modeling for estimation of maximum local scour depth.” J. Hydraul. Res., 36(4), 579–590.
46. Olsen, N. R. B., and Melaaen, M. C. (1993). “Three-dimensional calculation of scour around cylinders.” J. Hydraul. Eng., 119(9), 1048–1054.
47. Ouillon, S., and Dartus, D. (1997). “Three-dimensional computation of flow around groyne.” J. Hydraul. Eng., 123(11), 962–970.
48. Pope, S. B. (1975). “A more general effective viscosity hypothesis.” J. Fluid Mech., 72, 331–340.
49. Rahman, M. M., Nagata, N., Muramoto, Y., and Murata, H. (1998). “Effect of side slope on flow and scouring around spur-dike-like structures.” Proc., 7th
Int. Symp. on River Sedimentation, Hong Kong, China, 165–171.
50. Rajaratnam, N., and Nwachukwu, B. A. (1983a). “Flow near groin-like structures.” J. Hydraul. Eng., 109(3), 463–480.
51. Rajaratnam, N., and Nwachukwu, B. A. (1983b). “Erosion near groyne-like structures.” J. Hydraul. Res., 21(4), 277–287.
52. Raudkivi, A. J. (1986). “Functional trends of scour at bridge piers.” J. Hydraul.
Eng., 112(1), 1–13.
53. Raudkivi, A. J., and Ettema, R. (1977). “Effect of sediment gradation on clear water scour.” J. Hydraul. Div., Am. Soc. Civ. Eng., 103(10), 1209–1213. 54. Raudkivi, A. J., and Ettema, R. (1985). “Scour at cylindrical bridge piers in
armored beds.” J. Hydraul. Eng., 111(4), 713–731.
55. Richardson, J. E., and Panchang, V. G. (1998). “Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers.” J. Hydraul. Eng., 124(5), 530–540. 56. Roulund, A., Sumer, B. M., Fredsoe, J., and Michelsen, J. (1998). “3D