Trong trƣờng hợp hai trụ đặt dọc theo dũng chảy, cơ chế dũng chảy phớa thƣợng lƣu trụ tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp trụ đơn, tuy nhiờn phớa sau trụ thứ nhất cú sự khỏc biệt do sự cú mặt của trụ thứ hai. Phớa gần đỏy và tại khoảng trống giữa hai trụ, dũng chảy ngƣợc mở rộng phần lớn về phớa hạ lƣu trụ sau đú trở lại theo hƣớng dũng chảy chủ đạo. Trong khu vực này xoỏy xuất hiện cục bộ.
Kết quả mụ phỏng trƣờng dũng chảy xung quanh hai trụ cầu tại lớp biờn sỏt đỏy đƣợc thể hiện tại hỡnh 4.10a. Tại lớp gần đỏy giữa khoảng trống hai trụ, dũng chảy ngƣợc cú xu hƣớng mở rộng về phớa hạ lƣu hai trụ, sau đú dũng chảy trở lại theo phƣơng chớnh. Tại khu vực phớa trờn, cỏc lớp dịch chuyển riờng rẽ từ bề mặt phớa thƣợng lƣu trụ di chuyển về phớa hạ lƣu trụ và hũa trộn lẫn nhau tại mặt thoỏng phớa hạ lƣu trụ, xoỏy khụng xuất hiện tại khu vực này (Hỡnh 4.10b). Vỡ vậy, sự cấu thành của dũng chảy với cỏc vận tốc khỏc nhau (số Reynolds khỏc nhau) theo chiều sõu chớnh là do sự ảnh hƣởng của độ nhỏm đỏy. Kết quả mụ phỏng trờn hỡnh 4.10a cũng cho thấy phớa sau trụ thứ hai, dũng chảy ngƣợc tại lớp sỏt đỏy cú cƣờng độ lớn hơn tại cỏc khu vực khỏc. Sự cú mặt của trụ thứ hai phớa hạ lƣu đó làm cho phạm vi xuất hiện dũng chảy ngƣợc kộo dài hơn so với trƣờng hợp trụ đơn. Do cú sự che chắn của trụ thứ nhất phớa thƣợng lƣu làm cho vận tốc dũng chảy tỏc động vào trụ thứ hai phớa hạ lƣu giảm dẫn đến cƣờng độ của cỏc xoỏy đứng phớa sau trụ thứ hai nhỏ hơn cƣờng độ xoỏy đứng phớa sau trụ thứ nhất. Kết quả mụ phỏng vộc tơ vận tốc dũng chảy khu vực xung quanh trụ cầu thể hiện ở hỡnh 4.11, từ
hỡnh vẽ cho thấy dũng chảy khi gặp trụ bị đổi hƣớng theo phƣơng ngang, bao quanh trụ, tại khu vực giữa hai trụ và sau trụ thứ hai xuất hiện dũng chảy ngƣợc. Vận tốc theo phƣơng ngang (v) tại khu vực giữa hai trụ và sau trụ thay đổi do cơ chế dũng chảy hỡnh thành xung quanh trụ. Tại khu vực sỏt đỏy và giữa hai trụ, độ vũng của đƣờng dũng càng thể hiện rừ (hỡnh 4.14) do trong khu vực này, cỏc lớp tiếp xỳc sỏt trụ cú xu hƣớng uốn cong khi bao quanh trụ sau đú xõm nhập vào nhau (hỡnh 4.10a).
a) Lớp sỏt đỏy b) Lớp sỏt mặt thoỏng
Hỡnh 4.10: Đường dũng khu vực trụ cầu
Hỡnh 4.11: Vộc tơ vận tốc khu vực trụ cầu
4.2.4.2. Trường dũng chảy trước và sau trụ theo phương dọc
Tại khu vực thƣợng lƣu trụ, cơ chế dũng chảy tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp trụ đơn. Hỡnh 4.12 thể hiện hỡnh ảnh đƣờng dũng tại khu vực trƣớc trụ, đú là dũng chảy xuống dọc theo thõn trụ, dũng chảy ngƣợc, xoỏy hỡnh múng ngựa tại đỏy trụ trong khu vực nhỏ gần đỏy phớa thƣợng lƣu trụ. Dựa theo cỏc nghiờn cứu của Dargahi (1990) [38], Ahmed và Rajaratnam (1998) [14], điểm đặt tại vị trớ cuối của khu vực này gọi là điểm chia cắt dũng chảy. Xoỏy hỡnh múng ngựa hỡnh thành phớa trƣớc trụ và di chuyển về phớa hạ lƣu trụ trộn lẫn với khu vực cỏc xoỏy đứng phớa sau trụ. Sự tƣơng tỏc giữa xoỏy hỡnh múng ngựa và đỏy kờnh tạo ra dũng chảy rối gần đỏy xung quanh
trụ. Trong khu vực giữa hai trụ cầu xuất hiện dũng chảy ngƣợc chiều với phƣơng chảy chớnh và cú xu hƣớng đi lờn. Tại khu vực sỏt đỏy, dũng chảy ngƣợc này tƣơng tỏc với dũng chảy đi xuống phớa trƣớc trụ thứ hai, chớnh sự tƣơng tỏc này đó làm ngăn cản sự hỡnh thành của xoỏy trục ngang (xoỏy hỡnh múng ngựa) tại đỏy trƣớc trụ thứ hai (hỡnh 4.12, 4.14). Tại khu vực gần mặt thoỏng giữa hai trụ, dũng chảy ngƣợc chiếm thế chủ đạo và đạt cƣờng độ lớn nhất tại khu vực gần trụ thứ hai.
Hỡnh 4.12: Đường dũng khu vực trước giữa và sau trụ cầu
Kết quả mụ phỏng chỉ ra rằng sự cú mặt của trụ thứ hai phớa hạ lƣu làm thay đổi ỏp suất dũng chảy sau trụ thứ nhất dẫn đến sự giao thoa dũng chảy khu vực giữa hai trụ làm ảnh hƣởng đến kớch thƣớc và hỡnh dạng hố xúi tại khoảng giữa hai trụ cầu (hỡnh 4.15).
Hỡnh 4.13: Vộc tơ vận tốc khu vực giữa hai trụ
Cỏc vộc tơ vận tốc tại khoảng giữa hai trụ ngƣợc chiều với phƣơng dũng chảy và cú xu hƣớng tạo thành cỏc xoỏy đứng phớa sau trụ thứ nhất. Khu vực gần đỏy phớa trƣớc trụ thứ hai xuất hiện một vựng xoỏy ngƣợc nhỏ, vận tốc dũng chảy giảm xuống cũn khoảng 0.2-0.3V (V là vận tốc dũng chảy tới trụ) do sự cản trở của trụ thứ nhất phớa thƣợng lƣu (hỡnh 4.13).
Hỡnh 4.14: Cỏc đặc trưng dũng chảy khu vực trước và giữa hai trụ
Kết quả mụ phỏng khỏ phự hợp với nghiờn cứu của Behzad Ataie- Ashtiani (Iran) và cỏc cộng sự năm 2013 [22].
4.2.4.3. Xúi cục bộ xung quanh cỏc trụ cầu
Hỡnh 4.15 là kết quả mụ phỏng xúi tại khu vực xung quanh cỏc trụ sau 5 giờ tớnh toỏn, chiều sõu xúi lớn nhất tớnh toỏn đƣợc là 75mm xuất hiện tại khu vực trƣớc trụ thứ nhất (trụ phớa thƣợng lƣu). Từ kết quả mụ phỏng ta thấy quy mụ và phạm vi xúi của trụ thứ nhất luụn lớn hơn trụ thứ hai điều này cho thấy sự khỏ tƣơng đồng giữa kết quả mụ phỏng với quan sỏt thớ nghiệm mặc dự hỡnh dạng hố xúi trong mụ phỏng cú sự sai khỏc so với kết quả thớ nghiệm.
Hỡnh 4.15: Kết quả mụ phỏng xúi xung quanh cỏc trụ sau T=5 giờ tớnh toỏn
Hỡnh 4.16: So sỏnh chiều sõu xúi lớn nhất tớnh toỏn và chiều sõu xúi lớn nhất đo thớ nghiệm tại trụ thứ nhất
Hỡnh 4.17: So sỏnh chiều sõu xúi lớn nhất tớnh toỏn và chiều sõu xúi lớn nhất đo thớ nghiệm tại trụ thứ hai
Hỡnh 4.16 và 4.17 là đồ thị so sỏnh chiều sõu xúi lớn nhất giữa kết quả mụ phỏng và kết quả đo thớ nghiệm sau 5 giờ, ta nhận thấy sự tƣơng đồng giữa mụ phỏng và đo thớ nghiệm, tuy nhiờn kết quả cú sự chờnh lệch đỏng kể, chiều sõu xúi mụ phỏng luụn lớn hơn chiều sõu xúi đo (sai số khoảng 15% tại trụ thứ nhất và khoảng 33% tại trụ thứ hai). Điều này chứng tỏ tớnh chất phức tạp của dũng chảy khi cú mặt hai hay nhiều hơn hai vật cản (trụ cầu), đõy cũng là một hạn chế của phần mềm FSUM khi mụ phỏng cỏc bài toỏn cú tớnh chất phức tạp, đặc biệt là sử dụng cấu trỳc lƣới sai phõn, cỏc phần tử bỏm biờn khụng tốt đó dẫn đến kết quả tớnh toỏn cú nhiều sai lệch nhƣ đó trỡnh bày.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Ch iề u sõu xú i ( m m ) Thời gian (phỳt) Trụ thứ nhất Thớ nghiệm Mụ phỏng 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 C hi ề u sõu xúi (m m ) Thời gian (phỳt) Trụ thứ hai Thớ nghiệm Mụ phỏng
Hỡnh 4.18 thể hiện đƣờng đồng mức cao độ đỏy mỏng khu vực xung quanh cỏc trụ sau thời gian mụ phỏng 10 phỳt và 300 phỳt.
Hỡnh 4.18: Kết quả mụ phỏng đường mặt đỏy kờnh xung quanh trụ theo thời gian phỏt triển xúi sau 10 phỳt và 300 phỳt
4.3.Mụ phỏng số cho bài toỏn trụ cầu đụi đặt vuụng gúc với hƣớng dũng chảy dũng chảy
Sử dụng cỏc thụng số của thớ nghiệm thứ ba để xõy dựng bài toỏn mụ phỏng.
4.3.1. Xõy dựng mụ hỡnh hỡnh học
Kớch thƣớc của mụ hỡnh hỡnh học trong khụng gian vật lý là một khối hỡnh lập phƣơng cú kớch thƣớc dài 10m, rộng 1.0m, cao 1.0m, độ dốc đỏy 1/1000.
Hỡnh 4.19: Mụ hỡnh hỡnh học cho bài toỏn trụ đụi đặt vuụng gúc với hướng dũng chảy
10.0 m H-ớng dòng chảy 1.0 m y x z
4.3.2. Thiết lập hỡnh học và lƣới mụ phỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mụ hỡnh lƣới ba chiều dựng để mụ phỏng đƣợc thể hiện ở hỡnh dƣới đõy với bƣớc lƣới đều x=y=0.01m, trục z đƣợc chia thành 10 lớp tớnh toỏn với bƣớc lƣới z=0.020m, hai trụ cú kớch thƣớc 0.03mx0.03m làm bằng mica (hệ số nhỏm bề mặt n=0.009) đặt giữa tõm mỏng vuụng gúc với hƣớng dũng chảy với khoảng cỏch giữa tim hai trụ là 3xb (b là cạnh trụ). Cấu trỳc lƣới gồm 99.968 ụ lƣới vuụng trong mặt phẳng 0xy và 299.904 khối hỡnh hộp trong khụng gian 0xyz (Hỡnh 4.20 và 4.21).
Hỡnh 4.20: Lưới mụ phỏng hỡnh học 3D
4.3.3. Thiết lập cỏc điều kiện biờn
Biờn lối vào đƣợc đặt tại khoảng cỏch 5.0m so với tõm hai trụ về phớa thƣợng lƣu (Hỡnh 4.20). Đặc trƣng bởi lƣu lƣợng cửa vào. Mụ phỏng lấy lƣu lƣợng bằng 0.046 m3
/s.
Biờn lối ra đặt tại khoảng cỏch 5.0m so với tõm hai trụ về phớa hạ lƣu (Hỡnh 4.20). Đặc trƣng bởi cao trỡnh mực nƣớc tại cửa ra. Cụ thể điều kiện biờn cho bài toỏn thứ ba nhƣ sau:
Biờn thƣợng lƣu Γ𝐴: 𝑄 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 = 0.046𝑚3/𝑠, x, y, z ∈ Γ𝐴, ∀t > 0 (4.12) 𝑐 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 = 0 , x, y, z ∈ Γ𝐴, ∀t > 0 (4.13) Biờn hạ lƣu Γ𝐵: 𝜂 𝑥, 𝑦, 𝑡 = 0.20 𝑚, x, y, z ∈ Γ𝐵, ∀t > 0 (4.14) 𝑐 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 = 0, 𝑢 < 0 , x, y, z ∈ Γ𝐵, ∀t > 0 (4.15) 𝜕𝑐 𝜕𝑥 = 0, 𝑢 ≥ 0, x, y, z ∈ Γ𝐵, ∀t > 0 (4.16)
4.3.4. Kết quả mụ phỏng số, phõn tớch, đỏnh giỏ và so sỏnh với kết quả đo xúi thực nghiệm quả đo xúi thực nghiệm
4.3.4.1. Trường dũng chảy và vận tốc xung quanh cỏc trụ
Hỡnh 4.22 và 4.23 mụ tả hỡnh ảnh đƣờng dũng và trƣờng vộc tơ vận tốc khu vực xung quanh trụ cầu. Từ hỡnh 4.22 ta thấy, sự cú mặt của hai trụ đặt vuụng gúc với hƣớng dũng chảy đó làm thu hẹp diện tớch mặt cắt ngang dũng chảy dẫn đến sự tăng tốc của dũng chảy đặc biệt là tại khu vực giữa hai trụ, trong khu vực này xuất hiện sự giao thoa dũng chảy (hỡnh 4.23).
Hỡnh 4.22: Đường dũng khu vực xung quanh cỏc trụ
Hỡnh 4.23: Trường vộc tơ vận tốc xung quanh cỏc trụ
4.3.4.2. Xúi cục bộ tại cỏc trụ
Kết quả mụ phỏng chỉ ra rằng quỏ trỡnh hỡnh thành và phỏt triển của xúi cục bộ xung quanh trụ của hai trụ cú sự tƣơng đồng về quy mụ, phạm vi và chiều sõu xúi. Kết quả mụ phỏng cũng cho thấy tại khu vực giữa hai trụ cú sự giao thoa giữa hai khu vực xúi của hai trụ, khu vực bồi lắng ở phớa sau cỏc trụ cú sự tƣơng đồng với kết quả quan sỏt thớ nghiệm.
Hỡnh 4.24: Đường đồng mức đỏy xung quanh cỏc trụ sau 4.5 giờ mụ phỏng
Hỡnh 4.25: Mụ tả xúi cục bộ xung quanh cỏc trụ sau 4.5 giờ tớnh toỏn
Hỡnh 4.24 và 4.25 là kết quả mụ phỏng đƣờng đồng mức mặt đỏy khu vực xung quanh và sau cỏc trụ cầu sau 4.5 giờ mụ phỏng. Chiều sõu xúi lớn nhất xuất hiện tại mặt trƣớc của hai trụ xấp xỉ 58.0mm; khu vực xuất hiện chiều sõu xúi lớn nhất gần nhƣ tƣơng đồng với kết quả thớ nghiệm, tuy nhiờn giỏ trị chiều sõu xúi lớn nhất mụ phỏng lớn hơn kết quả đo chiều sõu xúi lớn nhất (sai số 19%), phạm vi xúi và hỡnh dạng hố xúi theo kết quả mụ phỏng cú sự sai khỏc lớn so với kết quả thớ nghiệm (Hỡnh 4.26). Sự bồi lắng phớa sau trụ của kết quả mụ phỏng khỏ phự hợp với quan sỏt thớ nghiệm.
Hỡnh 4.26: So sỏnh chiều sõu xúi lớn nhất theo thời gian giữa mụ phỏng và đo thớ nghiệm
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Chiều sõu xú i (m m ) Thời gian (phỳt) Trụ thứ nhất Thớ nghiệm Mụ phỏng
4.4. Kết luận chƣơng IV
Túm lại, từ cỏc kết quả mụ phỏng số cho cỏc bài toỏn tương ứng với cỏc kịch bản thớ nghiệm trong phũng cho thấy cỏc hiện tượng vật lý xuất hiện cựng với quỏ trỡnh và phỏt triển của xúi cục bộ trụ cầu diễn biến đỳng với cỏc phõn tớch lý thuyết đó nờu. Tuy vẫn cũn tồn tại sai số khỏ lớn giữa kết quả tớnh toỏn và kết quả đo thớ nghiệm nhưng vẫn cho ta thấy sự tương đồng khi so sỏnh kết quả mụ phỏng với kết quả thớ nghiệm. Vỡ vậy việc ỏp dụng phương phỏp mụ phỏng số trong bài toỏn tớnh xúi cục bộ trụ cầu bước đầu đó đạt được những thành cụng đỏng kể.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. KẾT LUẬN
1. Những đúng gúp chung của luận ỏn
Trong luận ỏn đó thực hiện và đạt đƣợc cỏc thành cụng sau đõy:
1). Tổng quan về xúi cục bộ, khỏi niệm, phõn loại xúi, cơ chế xúi, cỏc phƣơng phỏp nghiờn cứu và cỏc thành tựu về nghiờn cứu xúi cục bộ trờn thế giới và trong nƣớc:
- Sự hỡnh thành dũng chảy 3 chiều khi dũng chảy một chiều trong sụng suối gặp trụ cầu, phõn tớch sự hỡnh thành của xoỏy trục ngang (xoỏy hỡnh múng ngựa) là nguyờn lý cơ bản của xúi cục bộ trụ cầu, sự hỡnh thành của dũng chảy đi xuống, dũng chảy bao quanh trụ, xoỏy cuộn bề mặt, xoỏy đứng sau trụ là cỏc đặc trƣng cơ bản của dũng chảy xung quanh trụ cầu.
- Luận ỏn đó tổng hợp đƣợc bốn phƣơng phỏp chủ yếu để nghiờn cứu xúi cục bộ trụ cầu, bao gồm: Phƣơng phỏp giải tớch, phƣơng phỏp mụ hỡnh vật lý, phƣơng phỏp đo xúi thực tế tại hiện trƣờng và phƣơng phỏp mụ phỏng số. Trƣớc đõy, khi cụng nghệ phần mềm và mỏy tớnh cũn chƣa phỏt triển, việc nghiờn cứu xúi cục bộ trụ cầu chủ yếu dựa và phƣơng phỏp giải tớch, phƣơng phỏp mụ hỡnh vật lý và phƣơng phỏp đo xúi thực tế tại hiện trƣờng, kết hợp nghiờn cứu lý thuyết với thực nghiệm để xõy dựng cỏc phƣơng trỡnh dự đoỏn xúi cú sử dụng một số giả thiết và điều kiện ỏp dụng trong một phạm vi nhất định. Hiện nay, cựng với sự phỏt triển của khoa học mỏy tớnh núi chung và trong lĩnh vực phần mềm núi chung, phƣơng phỏp mụ phỏng số ra đời cựng với động lực học chất lỏng tớnh toỏn đó trở thành một cụng cụ hữu ớch để giải quyết cỏc bài toỏn liờn quan đến chuyển động chất lỏng trong đú cú bài toỏn dự tớnh xúi cục bộ trụ cầu, bƣớc đầu đó tiếp cận nghiờn cứu một vài khớa cạnh của bài toỏn xúi. Tuy nhiờn, do tớnh chất phức tạp của cơ chế dũng chảy 3 chiều xung quanh trụ cầu, hiện nay chƣa cú phần mềm nào đủ mạnh để mụ
phỏng chi tiết dũng chảy, sự phõn bố vận tốc và xúi cục bộ xung quanh trụ cầu. Do vậy, bài toỏn mụ phỏng số dũng chảy và dự tớnh xúi cục bộ trụ cầu vẫn là một chủ đề hấp dẫn để nghiờn cứu.
2). Trờn cơ sở lý thuyết và thuật toỏn sẵn cú trong phần mềm số FSUM về giải bài toỏn động lực học chất lỏng núi chung, luận ỏn đó tập trung xõy dựng mụ hỡnh bài toỏn tớnh xúi cục bộ tại chõn trụ cầu gồm 7 bƣớc trỡnh bày trong mục 2.4.2 chƣơng II và xõy dựng một số mụ-đun hiệu chỉnh (mụ-đun1, mụ-đun2 và mụ-đun3) nhằm mục đớch mụ tả chớnh xỏc cỏc điều kiện biờn trong từng bài toỏn cụ thể để cải thiện kết quả mụ phỏng, giảm sai số tớnh toỏn khi so sỏnh với kết quả nghiờn cứu thực nghiệm và để mụ tả chi tiết hơn cỏc quỏ trỡnh diễn biến dũng chảy, trƣờng vận tốc khu vực xung quanh trụ cầu đó đƣợc trỡnh bày trong chƣơng II và chƣơng IV. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3). Nhằm mục đớch kiểm chứng kết quả mụ phỏng số, luận ỏn đó giới thiệu ba thớ nghiệm mụ hỡnh với ba kịch bản khỏc nhau, đú là thớ nghiệm đo xúi đối với trụ cầu vuụng đơn, trụ cầu đụi đặt dọc theo hƣớng dũng chảy và trụ cầu đụi đặt vuụng gúc với hƣớng dũng chảy. Kết quả cỏc thớ nghiệm đó cơ bản phản ỏnh đỳng bản chất cỏc hiện tƣợng vật lý xảy ra tại khu vực trƣớc,