Chương 3 NGHIÊN CỨU NHIỄU XẠ SÓNG VÀ TẢI TRỌNG DO SÓNG XUNG KÍCH TRONG NƯỚC TÁC ĐỘNG LÊN CHƯỚNG NGẠI 55 3.1. Tương tác của sóng nổ với chướng ngại trong môi trường nước
3.4. Thiết lập chương trình và khảo sát số về tương tác sóng xung kích phẳng trong môi trường nước tác dụng lên chướng ngại, công trình có kể đến nhiễu xạ sóng
3.4.2 Thử nghiệm số với chướng ngại tấm phẳng
Với ý nghĩa thử nghiệm số của chương trình lập được áp dụng cho giải bài toán tương tác sóng nổ với chướng ngại dưới nước trên các vùng của chướng ngại. Mô hình chướng ngại như hình 3.16 với điều kiện sóng tới vuông góc với bề mặt phía trước của chướng ngại phẳng thì các bài toán cần giải là:
Tương tác giữa sóng nổ với bề mặt phía trước của chướng ngại;
Tương tác giữa sóng nổ với bề mặt trên cùng của chướng ngại;
Tương tác với bề mặt phía sau (bề mặt khuất của chướng ngại).
Thử nghiệm số áp dụng với sóng tới đơn vị và sóng xung kích từ thí nghiệm cho các bài toán trên. Khảo sát bài toán với sóng tới đơn vị và sóng tới có quy luật ( ) ( )(kPa) (thu đƣợc từ thí nghiệm thực tiễn).
Số liệu đầu vào: + Áp suất lớn nhất trên mặt sóng pmax= 1531 Kpa;
+ Tốc độ truyền sóng trong môi trường thí nghiệm a0 = 1535 m/s (thu đƣợc từ các thí nghiệm);
+ Khoảng thời gian khảo sát t = 0,0001 s;
+ Số điểm thời gian khảo sát: n= 10.
3.4.2.2. Bài toán 1: Tương tác của sóng nổ với bề m t phía trước của chướng ngại công trình (bài toán tương tác thẳng góc)
Bài toán này xét mô hình chướng ngại phẳng có chiều rộng bề mặt 0,6 m (chương trình không hạn chế chiều rộng bề mặt chướng ngại), đây là mô hình chướng ngại được sử dụng để thử nghiệm thực tế.
Góc sóng tới γ= 900, các điểm nằm trên bề mặt phẳng của mô hình chướng ngại là các điểm có tọa độ α=00, các điểm nằm ngoài bề mặt tấm phẳng là các điểm có 00 < α <900. Góc đỉnh tấm phẳng β = 2700.
Sơ đồ mô hình bài toán và các điểm khảo sát đƣợc biểu thị trên hình 3.16 và bảng 3.1.
Hình 3.16 Mô hình và các điểm khảo sát mặt trước của tấm Bảng 3.1. Tọa độ các điểm khảo sát
Điểm Tọa độ r (m) α (độ)
1 0,6 0
2 0,54 0
3 0,48 0
4 0,42 0
5 0,36 0
6 0,3 0
7 0,24 0
8 0,18 0
9 0,12 0
10 0,06 0
Thay các dữ liệu vào chương trình UNDEXLOAD được các kết quả theo bảng 3.2 và 3.3 ứng với sóng đơn vị và sóng có pmax= 1531 Kpa, τ=
0,0001s.
Bảng 3.2. Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn vị
Điểm Thời gian (x 10-6 s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 3 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 4 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 5 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 6 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 7 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 8 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 9 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,42 0,06 -0,20 10 2 1,8 1,6 1,4 1,22 0,79 0,53 0,31 0,11 -0,07 -0,25
Bảng 3.3. Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng xung kích có pmax= 1531 Kpa, τ= 0,0001 s.
Điểm
Thời gian (x 10-6 s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 2 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 3 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 4 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 5 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 6 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 7 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 8 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 612,4 306,2 0 9 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1837,2 1531 1224,8 918,6 635,5 -84,99 -307,1 10 3062 2755,8 2449,6 2143,4 1864,2 1206,9 811,3 477,9 175,0 -109,3 -381,6
Từ bảng số liệu ta có sơ đồ phân bố áp lực tổng hợp trên bề mặt chướng ngại.
Sơ đồ phân bố áp lực đƣợc thể hiện theo hình 3.17.
Sơ đồ phân bố áp lực tại các điểm trên bề mặt tấm theo hình 3.18.
Hình 3.17 Phân bố áp lực tổng hợp tại một số thời điểm trên tấm phẳng
Hình 3.18 Phân bố áp lực tổng hợp tại một số điểm trên tấm phẳng Nhận xét: Ở thời điểm ban đầu khi sóng tới đập vào bề mặt phẳng do xuất hiện sóng phản xạ làm áp lực tổng hợp tăng gấp hai, đƣợc phân bố ở tất cả các điểm trên chướng ngại và sau đó càng giảm dần theo thời gian. Các
điểm trên bề mặt tấm phẳng có quy luật phân bố lực giống nhau. Tuy nhiên sau một thời gian mới xuất hiện nhiễu xạ, gần tâm nhiễu xạ (góc chướng ngại) áp lực nhỏ nhất bằng trong sóng tới và phân bố tăng dần khi càng xa tâm nhiễu xạ. (Giá trị lớn nhất bằng hai lần sóng tới).
3.4.2.3. Bài toán 2: Tương tác của sóng nổ với bề m t phía trên của chướng ngại công trình (bài toán sóng trượt trên m t phẳng)
Bài toán này xét mô hình chướng ngại phẳng có chiều rộng bề mặt phía trên 2 m (chương trình không hạn chế chiều rộng bề mặt phía trên chướng ngại). Góc của sóng tới γ= 00, các điểm nằm trên bề mặt phẳng phía trên của mô hình chướng ngại là các điểm có tọa độ α=00, các điểm nằm ngoài bề mặt tấm phẳng là các điểm có 00 < α <1800. Góc đỉnh tấm phẳng xét ở đây là β = 1800.
Sơ đồ mô hình bài toán và các điểm khảo sát đƣợc biểu thị trên hình 3.19 và bảng 3.4.
Bảng 3.4. Tọa độ các điểm khảo sát
Điểm
Tọa độ r (m) α
(độ)
1 2 0
2 1,8 0
3 1,6 0
4 1,4 0
5 1,2 0
6 1 0
7 0,8 0
8 0,6 0
9 0,4 0
10 0,2 0
Hình 3.19. Mô hình và các điểm khảo sát mặt trên của tấm
Thay các dữ liệu đầu vào vào chương trình UNDEXLOAD ta có các kết quả theo các bảng 3.5 và 3.6 tương ứng với sóng tới đơn vị và sóng tới dạng tam giác.
Bảng 3.5. Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn vị
Điểm Thời gian (x 10-6 s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 2 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 3 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 4 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 6 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 7 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 8 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 9 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 10 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Bảng 3.6. Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng xung kích có pmax= 1531 Kpa, τ= 0,0001s.
Điểm Thời gian (x 10-6 s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 2 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 3 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 4 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 5 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 6 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 7 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 8 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 9 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0 10 1531 1377,9 1224,8 1071,7 918,6 765,5 612,4 459,3 306,2 153,1 0
Từ bảng số liệu ta có sơ đồ phân bố áp lực tổng hợp trên bề mặt chướng ngại và vùng nhiễu xạ xung quanh. Trên bề mặt phẳng của chướng ngại và cả các điểm xung quanh:
Sơ đồ phân bố áp lực giống nhau và đƣợc thể hiện theo hình 3.20.
Hình 3.20. Phân bố áp lực tại các thời điểm của bề mặt phía trên chướng ngại Tại các điểm trên bề mặt trên của chướng ngại và các điểm xung quanh, phân bố áp lực giống nhau và đƣợc thể hiện theo hình 3.21.
Hình 3.21. Phân bố áp lực tại các vị trí (điểm) ở bề mặt phía trên chướng ngại
Nhận xét: Từ kết quả khảo sát ở trên cho thấy, áp suất trên bề mặt sóng phẳng khi trượt trên bề mặt chướng ngại công trình thì không thay đổi. Giá trị áp suất tác dụng lên bề mặt chướng ngại mà sóng trượt trên nó bằng giá trị áp suất sóng tới. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết nổ trong môi trường không khí.
3.4.2.4. Bài toán 3: Ảnh hưởng của sóng nổ với bề m t phía sau của chướng ngại công trình (bài toán sóng chảy bao với vùng khuất)
Bài toán này xét mô hình chướng ngại phẳng có chiều rộng bề mặt 0,6 m (chương trình không hạn chế chiều rộng bề mặt chướng ngại), đây là mô hình chướng ngại được sử dụng để thử nghiệm thực tế. Góc của sóng tới γ=
00, các điểm nằm trên bề mặt phẳng của mô hình chướng ngại là các điểm có tọa độ α=2700, các điểm nằm ngoài bề mặt phía sau của chướng ngại (bề mặt sau tấm phẳng) là các điểm có tọa độ 1800 < α <2700. Góc đỉnh tấm phẳng xét ở đây là β = 2700.
Sơ đồ mô hình bài toán và các điểm khảo sát đƣợc biểu thị trên hình 3.22.
Các điểm khảo sát đƣợc thể hiện theo bảng 3.7.
Hình 3.22. Mô hình và các điểm khảo sát mặt trên của tấm
Bảng 3.7. Tọa độ các điểm khảo sát
Điểm Tọa độ r (m) α (độ)
1 0,6 270
2 0,54 270
3 0,48 270
4 0,42 270
5 0,36 270
6 0,3 270
7 0,24 270
8 0,18 270
9 0,12 270
10 0,06 270
Thay dữ liệu mục 3.4.2.1 vào chương trình UNDEXLOAD được các bảng 3.8 và 3.9 tương ứng với sóng tới đơn vị và sóng tới dạng tam giác.
Bảng 3.8. Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng đơn vị
Điểm Thời gian (x 10-6 s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
9 0 0 0 0 0 0 0 0 -0,015 0,144 0,201
10 0 0 0 0 -0,02 0,21 0,27 0,29 0,29 0,271 0,249
Bảng 3.9. Kết quả áp lực tổng hợp tại các điểm xét đối với sóng tam giác
Điểm Thời gian (x 10-6 s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
9 0 0 0 0 0 0 0 0 -23,087 221,21 307,11
10 0 0 0 0 -27 324,06 413,5 440,74 437,36 415,52 381,26
Từ bảng 3.9 ta có sơ đồ phân bố áp lực tổng hợp trên bề mặt chướng ngại và vùng nhiễu xạ xung quanh. Tại các điểm trên bề mặt khuất của chướng ngại, phân bố áp lực giống nhau được thể hiện theo hình 3.23.
Hình 3.23. Phân bố áp lực các điểm trên bề mặt khuất
Từ sơ đồ bài toán, các bảng số liệu và đồ thị ta nhận thấy, ở các điểm gần góc khuất nhất, do có ảnh hưởng của nhiễu xạ nên tại những điểm này vẫn chịu các tác dụng nhất định của sóng xung kích lên nó. Tuy nhiên, do vị trị nằm ở vùng khuất nên các ảnh hưởng cũng không lớn. Hiện tượng này trên thực tế đƣợc gọi là chảy bao sóng.
Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào làm rõ vấn đề ảnh hưởng sóng nổ đến vùng khuất này. Đối với các điểm ở xa dần góc khuất thì ảnh hưởng của sóng xung kích yếu dần và càng xa thì hiển nhiên không có ảnh hưởng.
Khảo sát trên bề mặt khuất cho đến khi sóng nổ không ảnh hưởng, ta có bảng 3.10.
Bảng 3.10. Phân bố áp suất ở bề mặt phía sau tấm (đến khi không còn xuất hiện chảy bao sóng)
Điểm Thời gian (s)
STT r α 0 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00007 0,00008 0,00009 0,00010 1 0,001 270 0 848,607 788,282 704,713 614,069 520,156 424,403 327,483 229,764 131,465 32,729 2 0,006 270 0 650,792 718,164 684,757 623,786 550,561 470,583 386,387 299,329 210,213 119,551 3 0,011 270 0 406,622 638,312 650,626 614,581 558,088 490,587 416,306 337,468 255,376 170,85 4 0,016 270 0 0 545,446 609,67 598,686 558,229 502,386 437,224 365,867 290,115 211,098 5 0,021 270 0 0 428,143 560,72 576,978 552,857 508,518 452,189 387,989 318,254 244,429 6 0,026 270 0 0 257,662 501,536 549,421 542,659 510,059 462,541 405,379 341,503 272,699 7 0,031 270 0 0 0 428,048 515,434 527,823 507,524 468,987 418,878 360,808 296,942 8 0,036 270 0 0 0 331,983 473,872 508,232 501,137 471,921 428,99 376,751 317,798 9 0,041 270 0 0 0 191,281 422,753 483,497 490,932 471,557 436,025 389,709 335,696
10 0,046 270 0 0 0 -
194,192 360,724 455,085 478,947 470,14 442,333 402,092 353,086 11 0,051 270 0 0 0 0 276,063 417,162 460,191 462,939 443,297 409,348 365,461 12 0,056 270 0 0 0 0 153,459 370,648 436,947 452,585 441,686 414,317 375,7
13 0,061 270 0 0 0 0 -
123,714 312,308 408,414 438,771 437,367 416,945 383,795
14 0,066 270 0 0 0 0 0 236,013 373,503 421,153 430,221 417,209 389,775
15 0,071 270 0 0 0 0 0 126,559 330,532 399,258 420,084 415,067 393,654
16 0,076 270 0 0 0 0 0 -98,013 276,675 372,405 406,723 410,439 395,424
17 0,081 270 0 0 0 0 0 0 206,535 339,598 389,812 403,204 395,05
18 0,086 270 0 0 0 0 0 0 107,082 299,294 368,895 393,191 392,471
19 0,091 270 0 0 0 0 0 0 -83,476 248,929 343,331 380,164 387,593
20 0,096 270 0 0 0 0 0 0 0 183,683 312,187 363,804 380,285
21 0,101 270 0 0 0 0 0 0 0 92,227 274,034 343,674 370,373
22 0,106 270 0 0 0 0 0 0 0 -73,983 226,53 319,165 357,623
23 0,111 270 0 0 0 0 0 0 0 0 165,33 289,399 341,723
24 0,116 270 0 0 0 0 0 0 0 0 80,478 253,052 322,255
25 0,121 270 0 0 0 0 0 0 0 0 -67,262 207,966 298,64
26 0,126 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 150,2 270,055
27 0,131 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 70,927 235,261
28 0,136 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -62,241 192,266
29 0,141 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 137,473
30 0,146 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 62,998
31 0,151 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -58,342
32 0,156 270 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Vùng áp suất chảy bao tại các điểm phía sau tấm phẳng theo hình 3.24.
Hình 3.24. Áp suất chảy bao phía sau bề mặt tấm
Từ kết quả thể hiện trên bảng 3.10 và hình 3.24, ta thấy vùng còn ảnh hưởng của sóng xung kích chảy bao phía sau mặt tấm phẳng tính từ góc mép sau của tấm dài khoảng 14,8 cm và cách tấm 0,0001x1535= 0,1535 m.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
-0.00001 0.00001 0.00003 0.00005 0.00007 0.00009 0.00011
Ap suat (KPa)
Thoi gian (s) Ap suat song chay bao tren mat sau cua tam Series1
Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9 Series10 Series11 Series12 Series13 Series14 Series15 Series16 Series17 Series18 Series19 Series20 Series21 Series22 Series23 Series24 Series25 Series26 Series27 Series28 Series29 Series30
Ta đƣợc biểu đồ biểu thị phân bố vùng truyền sóng đối với tấm bê tông mô hình chịu tải trọng sóng xung kích dưới nước trong bài toán khảo sát được thể hiện nhƣ hình 3.25.
Hình 3.25. Phân bố vùng chịu tải trọng sóng xung kích lên tấm bê tông Nhận xét: Tại điểm góc khuất và khu vực lân cận xuất hiện ảnh hưởng của nhiễu xạ sóng, tức là giá trị áp suất tác dụng lên chướng ngại. Càng xa góc khuất, ảnh hưởng của nhiễu xạ sóng càng nhỏ. Với bài toán khảo sát, vùng còn ảnh hưởng của sóng xung kích chảy bao phía sau mặt tấm phẳng tính từ góc mép sau của tấm dài khoảng 14,8 cm và cách tấm 0,0001x1535=
0,1535 m. Với các điểm ở xa tâm nhiễu xạ thì trên bề mặt khuất hay không thì áp lực tại đó cũng bằng không (áp suất môi trường). Đối với các điểm rất gần tâm nhiễu xạ, áp lực tổng hợp cũng bị tác động theo thời gian. Phía sau tấm vùng ảnh hưởng nhiễu xạ không phụ thuộc vào chiều cao tấm mà phụ thuộc vào độ lớn và thời gian lan truyền sóng.