Phương pháp thực nghiệm

Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phương pháp thực nghiệm

Cơ sở xây dựng mô hình vật lý

Mô hình vật lý sông là một trong những phương pháp thông qua thí nghiệm để nghiên cứu quy luật diễn biến lòng sông. Qua mô hình vật lý sông có thể đo trực tiếp các yếu tố cần nghiên cứu.

Mô hình vật lý sông có thể là mô hình không biến dạng và mô hình biến dạng, gồm 2 loại: mô hình lòng cứng (cố định) và mô hình lòng động:

+ Mô hình sông lòng cứng là mô hình sông mà lòng dẫn của nó không bị biến dạng dưới tác dụng của dòng chảy, được ứng dụng chủ yếu để nghiên cứu cấu trúc động lực của dòng chảy nhằm đánh giá các kiểu dòng chảy có thể xảy ra và các ảnh hưởng của chúng đến lòng sông trong tự nhiên.

+ Mô hình sông lòng động là mô hình mà lòng sông có thể bị biến dạng dưới tác dụng của dòng chảy, được ứng dụng để nghiên cứu định tính và định lượng quá

trình diễn biến lòng sông và kết cấu nội bộ của dòng chảy.

Các mô hình sông thường có kích thước bé hơn sông thiên nhiên nên còn được gọi là mô hình có tỉ lệ thu nhỏ. Mô hình tỉ lệ thu nhỏ được xây dựng dựa trên cơ sở lý luận tương tự giữa mô hình và nguyên hình (sông thực). Điều kiện tương tự thủy động lực giữa nguyên hình và mô hình đòi hỏi tỷ số của tất cả các loại lực tác dụng lên hiện tượng phải bằng nhau. Nhưng trên thực tế thì không thể đồng thời thỏa mãn được các tỷ lệ về lực khối lượng (số Froude), áp lực (số Euler) và lực nhớt (số

Reynolds) cũng như không thể thực hiện được sự cân bằng giữa tỷ số tất cả các lực tác dụng trong mô hình và nguyên hình. Do đó, các điều kiện tương tự được ưu tiên với một loại lực nào đấy tác dụng chủ yếu lên dòng chảy đang nghiên cứu [2].

Nghiên cứu này tập trung vào tìm hiểu cấu trúc dòng, do đó mô hình sông lòng cứng được lựa chọn để xây dựng với điều kiện được ưu tiên là tương tự về số Froude và giữ Reynolds trên 500 để đảm bảo điều kiện chảy rối trong mô hình thu nhỏ [18].

Bên cạnh đó, cùng với điều kiện không gian phòng thí nghiệm, mô hình được lựa chọn xây dựng với tỉ lệ ngang là 1:500 và tỉ lệ đứng 1:100.

Mô hình tỷ lệ thu nhỏ trong nghiên cứu này được xây dựng dựa vào tiêu chuẩn đồng dạng về số Froude theo công thức:

𝐹𝑟 = 𝑉𝑡ℎự𝑐

√𝑔𝐻𝑡ℎự𝑐 = 𝑉𝑚ô ℎ𝑖𝑛ℎ

√𝑔𝐻𝑚ô ℎ𝑖𝑛ℎ (2.1)

với Vthực , Vmô hình lần lượt là vận tốc dòng chảy của sông thực và vận tốc dòng chảy mô hình thu nhỏ, Hthực , Hmô hình lần lượt là độ sâu dòng chảy của sông thực và mô hình thu nhỏ.

Ngoài ra, dòng chảy trong mô hình thu nhỏ cũng phải thoả mãn số Reynolds trong miền chảy rối giống dòng chảy thực tế trên sông. Số Reynolds được tính theo vận tốc trung bình V và độ sâu trung bình T:

T=A/B (2.2)

𝑅𝑒 = 𝑉. 𝑇

ν (2.3)

với A là diện tích mặt cắt ướt; B là bề rộng mặt thoáng và ν là độ nhớt động học.

Xây dựng mô hình thu nhỏ đoạn sông cong Thanh Đa

Mô hình thu nhỏ được xây dựng dựa trên số liệu đo đạc địa hình từng mặt cắt năm 2011. Đoạn sông Thanh Đa được sử dụng trong nghiên cứu có chiều rộng khoảng 250m, chiều dài khoảng 2000m, độ sâu trung bình khoảng 13m, có nơi sâu nhất đến 24m phân bố ngay tại đoạn cong. Vị trí các mặt cắt được đánh số như trong Hình 2.1:

Hình 2.1. Vị trí các mặt cắt.

Với tỉ lệ mô hình thu nhỏ theo phương ngang λl = 500 và theo phương đứng λH

= 500, cùng với các kích thước thực tế của đoạn sông này, kênh mô hình vật lý tương ứng có các kích thước như sau:

Chiều dài kênh mô hình: 𝑙𝑚ô ℎì𝑛ℎ = 2000

500 = 4 𝑚 Chiều rộng kênh mô hình: 𝐵𝑚ô ℎì𝑛ℎ = 250

500 = 0,5 𝑚 Các tỉ lệ khác của mô hình cũng được xác định [2]:

Tỉ lệ vận tốc: 𝜆𝑉 = √𝜆𝐻 = √100 = 10

Tỉ lệ lưu lượng: 𝜆𝑄 = 𝜆𝑉𝜆𝐻𝜆𝑙 = 10.100.500 = 500000

Đáy mô hình được xây dựng cố định bằng xi măng. Đáy mô hình được định hình trước bằng các khung nhựa gia công bằng máy cắt CNC theo kích thước đã được tính toán thu nhỏ. Sau đó đặt từng mặt cắt khung theo hình dáng của đoạn kênh. Cuối cùng kênh được xây dựng theo biên dạng khung đã tạo.

Hình 2.2 là kết quả của mô hình sau khi được xây dựng trong phòng thí nghiệm:

Hình 2.2. Mô hình thủy lực thu nhỏ trong phòng thí nghiệm.

Sử dụng mô hình vật lý để đo đạc các thông số địa hình, mực nước và vận tốc dòng chảy phục vụ cho việc thiết lập và hiệu chỉnh mô hình số.

Thiết lập thí nghiệm

Các thí nghiệm được thiết lập như Hình 2.3, trong đó, các thiết bị thí nghiệm bao gồm: Lưu lượng kế và biến tần; Bơm; Thước đo sâu; Bể chứa bùn; Tấm ổn định dòng; Thanh trượt đứng; Thanh trượt ngang; ADV và PIV.

Hình 2.3. Thiết lập thí nghiệm.

1. Lưu lượng kế và biến tần; 2. Bơm; 3. Thước đo sâu; 4. Bể chứa bùn;

5. Tấm ổn định dòng; 6. Thanh trượt đứng; 7. Thanh trượt ngang; 8. ADV Mực nước trong kênh mô hình được điều chỉnh nhờ bơm ở phía đầu kênh và đập tràn ở cuối kênh. Nước được bơm từ hồ chứa ngầm trong phòng thí nghiệm, qua 3 tấm ổn định dòng cho dòng chảy ổn định và không tạo sóng. Nước sau khi qua khỏi đập tràn, sẽ tuần hoàn vào hồ chứa.

Hệ thống điều chỉnh lưu lượng được thể hiện như Hình 2.4. Lưu lượng nước trong kênh sẽ được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tốc độ bơm bằng Biến tần.

Lưu lượng kế được sử dụng là lưu lượng kế cơ dạng phao.

1

2

3

8 5 4

7 6

Mực nước trong kênh được điều chỉnh bằng đập tràn ở cuối kênh (Hình 2.5).

Thanh trượt ngang và thanh trượt đứng được sử dụng để di chuyển các vị trí đo đạc cần thiết.

Hình 2.4. Hệ thống bơm và lưu lượng kế Hình 2.5. Đập tràn cuối kênh

Các phương pháp đo đạc thực nghiệm Đo độ sâu

Sau khi xây dựng mô hình xong, đáy của mô hình được đo đạc lại nhằm phục vụ cho mô phỏng. Mực nước cũng được đo bằng thước đo độ sâu với sai số trên thước 0,01mm như trên Hình 2.6. Thước đo độ sâu được đặt trên thanh trượt ngang để có thể di chuyển đến từng vị trí đo đạc cần thiết. Độ sâu được đo tại từng mặt cắt. Đối với địa hình đáy kênh, mỗi vị trí đo đạc được di chuyển cách nhau 1cm để có thể thu được địa hình đáy mịn. Mực nước trên từng mặt cắt cũng được đo đạc nhưng khoảng cách mỗi điểm đo cách nhau 4cm. Độ sâu đáy và mặt nước được đo tại từng mặt cắt được đánh dấu như Hình 2.1.

Hình 2.6. Thước đo độ sâu.

Phương pháp PIV

Để thu thập số liệu vận tốc bề mặt dòng chảy nhằm phục vụ cho việc hiệu chỉnh mô hình số, phương pháp thí nghiệm được sử dụng là phương pháp PIV (Partilce Image Velocimetry). Hệ thống PIV trên lý thuyết được mô tả như Hình 2.7. Hệ thống PIV cho thí nghiệm được thiết lập như Hình 2.8.

Nguyên lý cơ bản của PIV là thả những hạt nhỏ (tracer particles) trong dòng chảy và chiếu sáng vào vùng cần nghiên cứu để một thiết bị ghi hình các vị trí hạt này tại hai thời điểm rất gần nhau (thiết bị được sử dụng là máy ảnh có thể chụp được 36 hình/giây). Từ hình ảnh thu được tại 2 thời điểm liên tiếp, phân tích vết di chuyển các hạt này để tìm trường vận tốc của dòng chảy (sử dụng phần mềm MPIV) [19]. Để lấy kết quả trung bình theo thời gian, thí nghiệm trên PIV ít nhất 60 lần, ứng với 60s và 2160 hình.

Hình 2.7. Mô tả hệ thống PIV. Hình 2.8. Hệ thống PIV trong thí nghiệm.

Phương pháp PIV được lựa chọn trong thí nghiệm này bởi những ưu điểm sau:

- Không làm xáo trộn trường dòng chảy.

- Xác định được trường vận tốc bề mặt của dòng chảy.

Phương pháp ADV

Vận tốc bên trong dòng chảy được đo bằng hệ thống ADV (Ascoustic Doppler Velocimetry) của SonTeck. Hệ thống ADV bao gồm đầu dò ADV được bố trí như Hình 2.9, đầu dò này được kết nối với máy tính để cài đặt các thông số cho thiết bị và lưu trữ kết quả.

Hình 2.9. Hệ thống đo ADV.

Đầu dò ADV camera

đèn

Hạt xốp

ADV được đặt trên 2 đường ray di chuyển theo phương ngang và đứng, đo được vận tốc 3 chiều và chỉ đo cách mặt nước 6cm trở xuống (đảm bảo đầu dò ngập dưới nước). Kết quả đo được xuất ra máy tính kết nối với hệ thống đo. Vận tốc tại mỗi mặt cắt sẽ được đo rời rạc từng vị trí theo độ sâu. Các vị trí đo vận tốc trong cùng mặt cắt sẽ được tính trung bình theo thời gian và được xử lý bằng Matlab để xuất ra được phân bố vận tốc trong mặt cắt.

Để tìm ra được điều kiện đo đạc ADV đảm bảo thu dữ liệu tốt nhất, cần đo thử nghiệm nhiều lần. Trước hết, đo đạc vận tốc tại một số vị trí trong 30 phút, sau đó

tính vận tốc thu được trung bình theo từng khoảng thời gian để xác định khoảng thời gian tối ưu thu được dữ liệu ổn định. Bên cạnh đó, kết quả thu được phải đảm bảo độ nhiễu (SNR) trên 15 và độ tương quan dữ liệu (CORR) trên 70% [20]. Do đó, để đảm bảo ADV nhận được tín hiệu tốt nhất thì trộn bùn (lấy từ đáy sông thực) vào nước từ thượng nguồn. Trong tất cả các thí nghiệm, giá trị SNR nằm trong khoảng 20 – 35 và giá trị CORR nằm trong khoảng 95 – 99%.

Kết quả đo đạc và xử lý số liệu mẫu cho thấy 10 phút là khoảng thời gian tối ưu để thu được số liệu đo đạc ổn định (Hình 2.10).

Hình 2.10. Ảnh hưởng của thời gian tính trung bình lên giá trị các mẫu đo.

(u: vận tốc dọc theo phương dòng chảy; v: vận tốc theo phương ngang; w: vận tốc theo phương đứng)

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

Vận tốc (cm/s)

Thời gian đo

vận tốc tổng hợp vận tốc u

vận tốc v vận tốc w

Các trường hợp thực nghiệm

Trong luận văn này, các thí nghiệm đo PIV và ADV ứng với trường hợp lưu lượng Q = 10 m3/h, mực nước cuối kênh giữ thấp hơn đỉnh bờ 3 cm (mực nước ở mức trung bình). Các điều kiện thủy lực cho trường hợp này là: Vận tốc trung bình 5,82 cm/s; số Re = 7842,7 và số Fr = 0,057. Số Fr trong thí nghiệm này phù hợp với số Fr dòng thực tế trong sông là 0,078 (được tính từ vận tốc tối đa của đoạn sông thực); số

Re trong thí nghiệm trên 500, do đó dòng trong mô hình thủy lực thu nhỏ đảm bảo chế độ chảy rối.