Nhƣ đó trỡnh bày trong chƣơng I, mục tiờu nghiờn cứu của luận ỏn là tập trung vào mụ phỏng số quỏ trỡnh hỡnh thành và phỏt triển xúi cục bộ khu vực xung quanh trụ cầu. Trong thiết lập mụ hỡnh số mụ phỏng quỏ trỡnh hỡnh thành và phỏt triển xúi cục bộ trụ cầu, để đơn giản húa quỏ trỡnh tớnh toỏn, một số giải thiết sau đƣợc sử dụng cho việc nghiờn cứu:
1. Kờnh cú hỡnh dạng chữ nhật, cú độ dốc đỏy khụng thay đổi.
2. Dũng chảy ổn định với lƣu lƣợng biờn thƣợng lƣu và mực nƣớc ở hạ lƣu là khụng thay đổi trong quỏ trỡnh tớnh toỏn và lƣu lƣợng phõn bố đều trờn mặt cắt ngang.
3. Hạt vật liệu đỏy cú kớch thƣớc đều, đồng nhất.
4. Bỏ qua ảnh hƣởng của nhiệt độ, giú, súng, độ mặn và nồng độ cỏc chất hũa tan khỏc cú trong mụi trƣờng lỏng.
5. Chỉ nghiờn cứu bài toỏn trong trƣờng hợp xúi nƣớc trong, nghĩa là khụng cú bựn cỏt tại biờn đầu vào và trong dũng chảy khụng cú nồng độ bựn cỏt vào thời điểm ban đầu.
2.4.2. Cỏc bƣớc thiết lập mụ hỡnh mụ phỏng xúi cục bộ trụ cầu bằng phần mềm FSUM
Bước 1: Nhập số liệu cỏc thụng số từ giao diện bao gồm kớch thƣớc dài, rộng, cao của mỏng, độ dốc dọc mỏng, kớch thƣớc bƣớc lƣới tớnh toỏn.
Bước 2: Thiết lập lƣới sai phõn, mụ hỡnh trụ cầu, thiết lập cỏc biờn miền tớnh toỏn tạo ra file FLG và thiết lập số lớp thẳng đứng tạo ra file HKK.
Bước 3: Nhập số liệu cỏc điều kiện biờn: lƣu lƣợng biờn lối vào, mực nƣớc biờn lối ra, đƣờng kớnh trung bỡnh hạt d50, biờn rối tạo ra cỏc file WSS, BDR, SSC và SED.
Bước 4: Nhập số liệu tham số tớnh toỏn: độ nhỏm Manning, hệ số khuếch tỏn theo phƣơng ngang, phƣơng thẳng đứng, hệ số nhớt rối đƣợc hiệu
chỉnh phõn bố theo khu vực sao cho đạt đƣợc kết quả tớnh tốt nhất so với số liệu thớ nghiệm. Đõy chớnh là bƣớc khỏ phức tạp và tiờu tốn thời gian cho việc nghiờn cứu. Nú cú thể đƣợc xem nhƣ đúng gúp một phần thành cụng của luận ỏn.
Bước 5: Nhập tham số thời gian: bƣớc thời gian, tần suất ghi kết quả tớnh toỏn, thời gian chạy mụ hỡnh.
Bước 6: Chạy chƣơng trỡnh.
Bước 7: Xuất kết quả tớnh toỏn ra file dạng ASCII để so sỏnh với số liệu thực đo trong phũng thớ nghiệm và trỡnh bày đồ họa bởi phần mềm đồ họa TECPLOT 10.0, GNUPLOT 4.6.
Tất cả cỏc file số liệu đối với một vớ dụ cụ thể đƣợc trỡnh bày trong phần Phụ lục 5.
2.5. Cỏc hiệu chỉnh mụ hỡnh số bài toỏn mụ phỏng xúi cục bộ trụ cầu cầu
2.5.1. Thiết lập độ nhỏm theo khu vực
2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết
a) Tại đỏy sụng khu vực xung quanh trụ cầu
Khi trụ cầu đặt trong sụng sẽ làm xỏo trộn dũng chảy so với lỳc bỡnh thƣờng khi khụng cú mặt trụ cầu và làm tăng độ nhỏm. Giỏ trị tăng độ nhỏm phụ thuộc vào cỏc yếu tố nhƣ hỡnh dạng trụ cầu, kớch thƣớc của trụ so với toàn bộ mặt cắt ngang sụng, số lƣợng trụ, cỏch bố trớ trụ và khoảng cỏch giữa cỏc trụ. Sự ảnh hƣởng của bề mặt trụ cầu đến độ nhỏm là một hàm số của vận tốc dũng chảy. Chow (1959) [32] phõn loại giỏ trị độ nhỏm do ảnh hƣởng của trụ cầu đến dũng chảy theo 4 mức độ: khụng xột đến sự ảnh hƣởng của trụ cầu, ảnh hƣởng ớt, cú ảnh hƣởng và ảnh hƣởng lớn (bảng 2.2).
Trong cụng thức (2.15), vận tốc dũng chảy tại khu vực trụ cầu trong phƣơng trỡnh động lƣợng phụ thuộc vào độ nhỏm theo khu vực, đõy là một tham số quan trọng ảnh hƣởng đến quỏ trỡnh xúi trụ cầu.
Để xỏc định độ nhỏm theo khu vực, ký hiệu là n, sử dụng một số giả thiết sau đõy (Chow, 1959) [32]:
- Vận tốc trung bỡnh dũng chảy nhƣ nhau trờn toàn bộ mặt cắt ngang. - Lực cản dũng chảy tổng cộng bằng với tổng cỏc lực cản dũng chảy trong từng bộ phận riờng rẽ.
- Lƣu lƣợng tổng cộng dũng chảy bằng với tổng cỏc lƣu lƣợng của cỏc bộ phận riờng rẽ.
Cowan (1956) [33] đề xuất cụng thức tớnh độ nhỏm trong điều kiện kờnh đỏy phẳng, mặt cắt hỡnh chữ nhật, vật liệu đỏy hạt đều:
n=nb+n0 (2.46)
trong đú, nb là giỏ trị độ nhỏm vật liệu đỏy kờnh trong điều kiện kờnh thẳng, đỏy phẳng; n0 là hệ số nhỏm do ảnh hƣởng của vật cản (trụ cầu). Bảng 2.1 và 2.2 liệt kờ giỏ trị của độ nhỏm nb và n0 tƣơng ứng theo thống kờ của Cục khảo sỏt địa chất Mỹ (USGS) [54]:
Bảng 2.1: Giỏ trị hệ số nhỏm nb
Vật liệu đỏy Đƣờng kớnh trung bỡnh hạt (mm) Giỏ trị độ nhỏm nb Cỏt 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.012 0.017 0.020 0.022 0.023 0.025
1.0 0.026 Bờ tụng Đỏ Cỏt hạt thụ Sỏi mịn Sỏi trung Sỏi thụ - - 1-2 - 2-64 - 0.012-0.018 0.011 0.026-0.035 0.024 0.028-0.035 0.026 Bảng 2.2: Giỏ trị hệ số nhỏm n0 Mức độ ảnh hƣởng Giỏ trị độ nhỏm n1 Mụ tả (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khụng đỏng kể 0.000-0.004 Diện tớch chiếm chỗ của trụ nhỏ hơn 5% so với diện tớch mặt cắt ngang kờnh
Cú ảnh hƣởng 0.005-0.015 Diện tớch chiếm chỗ của trụ từ 5% đến 15% so với diện tớch mặt cắt ngang kờnh
Ảnh hƣởng đỏng kể
0.020-0.030 Diện tớch chiếm chỗ của trụ từ 15% đến 50% so với diện tớch mặt cắt ngang kờnh
Ảnh hƣởng lớn 0.040-0.050 Diện tớch chiếm chỗ của trụ lớn hơn 50% so với diện tớch mặt cắt ngang kờnh
b) Tại bề mặt trụ cầu
Giỏ trị hệ số nhỏm tại bề mặt vật liệu theo kết quả nghiờn cứu của Barnes (1967) [21] đƣợc trỡnh bày ở bảng 2.3.
Bảng 2.3: Giỏ trị hệ số nhỏm tại bề mặt vật liệu
Bề mặt vật liệu Độ nhỏm, n
Bờ tụng xi măng 0.012
Thủy tinh 0.010
Thộp nhẵn 0.012
Gỗ phẳng 0.012
Gỗ thụ 0.013
2.5.1.2. Thiết lập mụ đun hiệu chỉnh số liệu
Ở phiờn bản gốc của FSUM mặc định độ nhỏm khụng gian tổng thể theo điều kiện địa chất đỏy sụng. Để thiết lập mụ đun hiệu chỉnh độ nhỏm cục bộ, trƣớc hết thiết lập file chứa tọa độ cỏc điểm bao quanh trụ cầu trong sơ đồ lƣới sai phõn, sử dụng file cú đuụi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) và sử dụng phần mềm Exel trong trong Microsoft office 2007 để thiết lập giỏ trị độ nhỏm tại từng điểm theo tọa độ (i,j) với i theo phƣơng x và j theo phƣơng y (hỡnh 2.2).
Hỡnh 2.2: Thiết lập khu vực nhỏm cục bộ xung quanh trụ
Sau khi nhập tọa độ cỏc điểm tớnh toỏn và gỏn giỏ trị độ nhỏm cục bộ theo vật liệu chế tạo trụ, tiếp tục xõy dựng chƣơng trỡnh con tớnh toỏn đƣợc kết nối với chƣơng trỡnh chớnh của FSUM đặt tờn là Mụ-đun1 (xem Phụ lục 2).
Hỡnh 2.3: Giao diện tớnh toỏn của chương trỡnh con Mụ-đun1
2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ chỡm lắng phần tử hạt
2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết
Cụng thức tớnh tốc độ chỡm lắng của phần tử hạt (2.22) sử dụng giả thiết cỏc phần tử hạt riờng rẽ lắng tự do trong trạng thỏi nƣớc yờn tĩnh và khụng bị tỏc động bởi cỏc phần tử hạt xung quanh đồng thời cũng giả thiết rằng cỏc hạt phần tử là những khối hỡnh cầu cú hệ số ma sỏt tƣơng đƣơng với hệ số ma sỏt của cỏc hạt tƣơng ứng. Thực tế khi di chuyển, cỏc hạt mịn cú thể liờn kết thành một nhúm nhỏ di chuyển đồng thời dẫn đến tốc độ chỡm lắng của những nhúm hạt này lớn hơn so với từng hạt rời trong cột nƣớc. Mặt khỏc, tại những khu vực cú nồng độ tập trung bựn cỏt lớn, dũng chảy bao quanh phần tử hạt cú thể tạo ra ma sỏt hƣớng lờn tỏc dụng vào cỏc phần tử hạt xung quanh làm cản trở sự chỡm lắng của cỏc phần tử hạt (Van Rijn,1993 [97]). Do vậy, tốc độ lắng phần tử hạt thực tế, ký hiệu là w's, nhỏ hơn so với giỏ trị ws đƣợc tớnh trong cụng thức (2.22) của Soulsby (1997).
w's = k.ws (2.40)
Bằng kinh nghiệm chạy mụ hỡnh ỏp dụng để kiểm chứng cỏc kết quả đo thớ nghiệm, nghiờn cứu sinh rỳt ra đƣợc hệ số thực nghiệm k=0.90-0.95 sẽ cho
kết quả tớnh chiều sõu xúi và hỡnh dạng hố xúi khỏ phự hợp khi so sỏnh với kết quả đo thực nghiệm.
2.5.2.2. Thiết lập mụ đun hiệu chỉnh
Thiết lập mụ đun hiệu chỉnh tốc độ chỡm lắng phần tử hạt, trƣớc hết thiết lập miền tớnh toỏn xung quanh trụ cầu bằng phần mềm Matlab R2011 tạo ra cỏc file cú đuụi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) chứa tọa độ (i,j) và giỏ trị hệ số điều chỉnh k tại cỏc điểm lƣới sai phõn trong miền tớnh toỏn với i theo phƣơng x và j theo phƣơng y (hỡnh 2.4).
Hỡnh 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt
Sau đú xõy dựng chƣơng trỡnh con tớnh tốc độ chỡm lắng phần tử hạt w's ký hiệu là Mụ-đun2 (xem Phụ lục 3).
2.5.3. Thiết lập mụ đun mụ tả trƣờng dũng chảy, vận tốc trƣớc và sau trụ cầu dọc theo chiều dũng chảy sau trụ cầu dọc theo chiều dũng chảy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết
Việc nghiờn cứu cơ chế dũng chảy, trƣờng vận tốc xung quanh trụ nhƣ sự hỡnh thành của dũng chảy 3 chiều khi gặp trụ, cỏc xoỏy trục ngang sỏt đỏy (xoỏy hỡnh múng ngựa), cỏc xoỏy đứng phớa sau trụ, sự thay đổi vận tốc dũng chảy trƣớc và sau trụ,..cỏc vấn đề này giải thớch cho sự hỡnh thành và phỏt triển của xúi cục bộ trụ cầu; phần lớn cỏc nghiờn cứu trƣớc đõy dựa vào nghiờn cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để chỉ ra sự tồn tại của cỏc hiện tƣợng vật lý diễn ra tại khu vực xung quanh trụ cầu, điển hỡnh nhƣ cỏc nghiờn cứu của Latyshenkov (1960) [62], Baker (1974,1980) [19,20], Dargahi (1987,1989,1990) [36,37,38], Laursen (1956) [63], Zhuravlev (1984) [103], Melville (1975,1977,2002) [65,66,67], Breusers (1977,1991) [23,24], Richardson (1998,2001) [79,80], Hoffmans (1997) [57], Nguyễn Xuõn Trục (1982) [11], T.Đ.Nghiờn (1999) [8] (Hỡnh 1.3), chƣa cú kết quả mụ phỏng nào thể hiện chi tiết cỏc kết quả nghiờn cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đú.
2.5.3.2. Thiết lập mụ đun khảo sỏt dũng chảy và trường vận tốc
Trờn cơ sở cỏc phƣơng trỡnh thủy động lực học 3 chiều để giải bài toỏn dũng chảy trờn sụng cú vật cản (trụ cầu) đƣợc ỏp dụng tớnh toỏn trong phần mềm FSUM, nghiờn cứu sinh đó thiết lập chƣơng trỡnh con theo dừi lỏt cắt thẳng đứng theo phƣơng dọc mỏng tại cỏc điểm cú tọa độ lƣới (i,j) đặt tờn là Mụ-đun3 (xem Phụ lục 4).
SƠ ĐỒ KHỐI CHƢƠNG TRèNH TÍNH XểI CỤC BỘ TRỤ CẦU
Hỡnh 2.7: Sơ đồ khối bài toỏn mụ phỏng tớnh xúi cục bộ trụ cầu
Chọn mụ hỡnh rối k- tiờu
chuẩn, hệ số khuếch tỏn theo phương ngang v{ thẳng đứng tớnh theo cụng thức Smagorinsky [85]
BEGIN
GRID BATHYMETRY (Nhập số liệu kớch thước, độ dốc mỏng, kớch thước bước lưới tớnh toỏn)
GENERATE FLAGS (thiết lập lưới sai phõn, mụ hỡnh trụ, miền tớnh toỏn)
NEW RUN ? RESTART FILE
DO LOOP: N=1, Nmax
GET BOUNDARY CONDITIONS (Thiết lập lưu lượng biờn lối vào "name.WSS", chiều cao mực nước tại biờn lối ra "name.BDR" )
TURBULENCE
3D HYDRODYNAMICS: Sử dụng hệ phương trỡnh Navier-Stokes trung bỡnh Reynolds (RANS) kết hợp với cỏc phương trỡnh truyền tải khuếch t|n, phương trỡnh biến đổi địa hỡnh đ|y 2.1 , 2.2 , 2.3 , 2.4 .
END
Thiết lập tham số đường kớnh hạt
d50, chọn cụng thức tớnh vận tốc
vận chuyển bựn cỏt của Van Rijn [97].
N
Y
GENERATE HKK (thiết lập số lớp tớnh toỏn)
SUBSTANCE (GENERATE SED, GENERATE SSC)
MODEL CORRECTION Thiết lập hệ số nhỏm
Manning bựn c|t đ|y khụng gian và tại khu vực cục bộ xung quanh trụ cầu, hiệu chỉnh tốc độ chỡm lắng phần tử hạt
Thiết lập cỏc tham số thời gian: bước thời gian t, tuần suất ghi
kết quả, thời gian bắt đầu và kết thỳc chạy mụ hỡnh. Chạy mụ hỡnh, xuất kết quả.
2.6. Kết luận Chƣơng II
Chương II đó trỡnh bày cơ sở lý thuyết mụ phỏng số, cỏch xõy dựng mụ hỡnh bài toỏn tớnh xúi cục bộ trụ cầu dựa trờn việc sử dụng FSUM. Trong quỏ trỡnh ỏp dụng tớnh toỏn, luận ỏn đó nờu ra được một số hiệu chỉnh cần thiết về hệ số nhỏm cục bộ cũng như vận tốc lắng của hạt bựn cỏt để cải thiện kết quả tớnh toỏn, mụ phỏng riờng cho bài toỏn xúi cục bộ trụ cầu. Để cú cơ sở phõn tớch, đỏnh giỏ và kiểm chứng cỏc kết quả tớnh toỏn xúi cục bộ trụ cầu theo phương phỏp mụ phỏng số, chương III sẽ trỡnh bày một số thớ nghiệm mụ hỡnh vật lý với một số kịch bản khỏc nhau dựa theo cỏc nguyờn tắc về xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm đó trỡnh bày ở chương I. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CHƢƠNG III
THÍ NGHIỆM VỀ XểI CỤC BỘ TRỤ CẦU
3.1. Giới thiệu về cỏc thớ nghiệm
3.1.1. Mục tiờu và nguyờn tắc xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm
Mục tiờu tiến hành cỏc thớ nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả mụ phỏng số từ đú đỏnh giỏ khả năng ỏp dụng phần mềm mụ phỏng số cho những trƣờng hợp cụ thể đƣợc tiến hành. Thớ nghiệm trờn mụ hỡnh thủy lực là một cỏch để kiểm chứng, so sỏnh với kết quả mụ phỏng số về cỏc hiện tƣợng vật lý xảy ra đối với dũng chảy xung quanh trụ cầu và quỏ trỡnh hỡnh thành phỏt triển xúi cục bộ trụ cầu, kết quả nghiờn cứu mụ hỡnh vật lý là cơ sở để đỏnh giỏ mụ hỡnh số đồng thời thụng qua đú cú thể hiệu chỉnh cỏc tham số trong mụ hỡnh toỏn cho phự hợp để cải thiện kết quả tớnh toỏn. Thực chất của thớ nghiệm mụ hỡnh vật lý là thu nhỏ theo một tỷ lệ nhất định mụ hỡnh nguyờn bản (mụ hỡnh thực tế). Thớ nghiệm mụ hỡnh phải đƣợc thực hiện trờn nguyờn tắc mụ hỡnh ở một mức độ nào đú sẽ tỏi diễn lại những hiện tƣợng trong thiờn nhiờn. Nguyờn tắc xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm phải dựa trờn nguyờn lý tƣơng tự thủy lực [5],[99].
Cỏc điều kiện xõy dựng mụ hỡnh thớ nghiệm đƣợc thực hiện theo nghiờn cứu của Behzad Ataie-Ashtiani (2013) [22]:
- Tỷ lệ giữa bề rộng mỏng kớnh và kớch thƣớc cạnh trụ lớn hơn 6-7 lần để tƣờng mỏng khụng ảnh hƣởng đến quỏ trỡnh xúi và hỡnh thành hố xúi xung quanh trụ.
- Tỷ lệ giữa chiều sõu dũng chảy và kớch thƣớc trụ cạnh trụ bằng 3-4 lần để chiều sõu xúi khụng phụ thuộc vào chiều sõu dũng chảy.
- Tỷ lệ giữa kớch thƣớc cạnh trụ và đƣờng kớnh trung bỡnh hạt, d50 lớn hơn 50 lần để đƣờng kớnh hạt khụng ảnh hƣởng đến chiều sõu xúi.
3.1.2. Mụ tả thớ nghiệm
Cỏc thớ nghiệm đƣợc thực hiện tại Trung tõm nghiờn cứu Thủy lực- Phũng thớ nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sụng biển thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam trong năm 2013. Sơ đồ thớ nghiệm bao gồm (xem hỡnh 3.1):
Hỡnh 3.1a: Sơ đồ tổng thể mụ hỡnh mỏng thớ nghiệm (1)
Hỡnh 3.1b: Sơ đồ tổng thể mụ hỡnh mỏng thớ nghiệm (2)
(1). Bể cấp nƣớc sạch cú kớch thƣớc dài 6m x rộng 4m x cao 1.8m đƣợc cung cấp nƣớc bằng hệ thống bơm tuần hoàn cú hệ thống van điều khiển.
(2), (3). Kờnh dẫn nƣớc thƣợng lƣu qua cửa tràn hỡnh chữ nhật.
(4). Mỏng thớ nghiệm cú kớch thƣớc dài 20m, rộng 1.0m, cao 1.0m, độ dốc dọc đỏy 1/1000.
(5). Kờnh dẫn nƣớc hạ lƣu cú van điều tiết. (6). Thiết bị đo cao độ mực nƣớc.
(7). Thiết bị đo cao độ mực nƣớc trong bể chứa thƣợng lƣu.
(8). Đập tràn thành mỏng mặt cắt chữ nhật để kiểm tra lƣu lƣợng phớa thƣợng lƣu.
(9). Vật liệu đỏy: cỏt đƣợc đổ vào trong mỏng với chiều dày 20cm, hạt đều d50.
(10). Mụ hỡnh trụ thớ nghiệm là loại trụ vuụng với 3 kớch thƣớc khỏc nhau đƣợc làm từ gỗ và mica.
(11). Thiết bị đo gồm thƣớc chia vạch, mỏy đo lƣu tốc, mỏy đo cao độ, thiết bị quan sỏt gồm mỏy ảnh kỹ thuật số, đốn rọi.
Sơ đồ tổng thể thớ nghiệm cú thể mụ tả nhƣ trờn hỡnh 3.2:
Hỡnh 3.2: Túm tắt sơ đồ thớ nghiệm
Hệ thống thớ nghiệm là hệ thống tuần hoàn, gồm mỏng thớ nghiệm, hệ thống bể chứa, kờnh dẫn thƣợng lƣu, hạ lƣu. Nƣớc thớ nghiệm đƣợc bơm từ bể chứa qua mỏng đo lƣu lƣợng vào kờnh dẫn thƣợng lƣu đến van điều tiết thƣợng lƣu và đổ vào mỏng thớ nghiệm, đến van điều tiết hạ lƣu, kờnh hạ lƣu và chảy vào bể chứa. Đoạn làm thớ nghiệm lắp bằng kớnh trong suốt dài 20m,