trờn thế giới
Bờn cạnh những phƣơng phỏp truyền thống đó nờu ở trờn, ngày nay, kể từ khi phần mềm mỏy tớnh đƣợc ỏp dụng rộng rói trong lĩnh vực thiết kế cụng trỡnh cầu, phƣơng phỏp phõn tớch thủy lực đó cú sự thay đổi đỏng kể. Một số mụ hỡnh số xuất hiện bƣớc đầu làm thay đổi quan điểm về cụng cụ phõn tớch, đỏnh giỏ xúi cục bộ trụ cầu. Cỏc mụ hỡnh thuỷ động lực học cho phộp phõn tớch đặc trƣng dũng chảy một cỏch thuận lợi và hiệu quả xuất phỏt từ cỏc hệ phƣơng trỡnh vi phõn đạo hàm riờng mụ phỏng cỏc chuyển động của chất lỏng. Phƣơng phỏp số, mụ hỡnh toỏn học đó trở thành những cụng cụ khụng thể thiếu trong cỏc nghiờn cứu và phõn tớch của nhiều ngành khoa học và thuỷ lực học núi riờng.
Phƣơng phỏp mụ phỏng số là phƣơng phỏp sử dụng lý thuyết tƣơng tự, lý thuyết động lực học chất lỏng tớnh toỏn, lý thuyết số, lý thuyết xỏc suất, lý thuyết lớp biờn để thiết lập mụ hỡnh dũng chảy trƣớc trụ, bao quanh trụ, sau trụ và quỏ trỡnh diễn biến xúi cục bộ theo khụng gian và thời gian tại khu vực đỏy sụng xung quanh trụ cầu từ đú xõy dựng cỏc mụ đun phần mềm dự bỏo xúi cục bộ trụ cầu. Cỏc phần mềm thƣơng mại hiện cú nhƣ HEC-RAS, FLUENT, Star-CD, CFX, SSIIM3-D, FLOW3D,..Một số phần mềm khỏ nổi tiếng đƣợc phỏt triển bởi một nhúm nhà nghiờn cứu nhƣ CCHE (1D, 2D và 3D); và cỏc mụ đun tớnh toỏn đƣợc phỏt triển bởi cỏc nhà nghiờn cứu nhƣ Ge (2004) [99], Olsen (2003) [76], Tseng (2000) [91],..
- Mụ hỡnh tớnh toỏn khả năng vận chuyển bựn cỏt dựa trờn cỏch tiếp cận dũng chảy một pha: Bakker và cộng sự (1974,1980) [19,20] đó phỏt triển một mụ hỡnh số để tớnh toỏn sự tập trung bựn cỏt lơ lửng. Hagatun và cộng sự (1986) [56] giới thiệu một mụ hỡnh rối để mụ phỏng sự tập trung bựn cỏt tức
thời và lớp biờn rối trong chế độ chảy trờn đỏy phẳng. Ahilan và cộng sự (1987) [13] nghiờn cứu sự chuyển động của bựn cỏt trong dũng chảy dao động trờn đỏy phẳng bằng phƣơng phỏp lý thuyết và cả thực nghiệm. Nadaoka và cộng sự (1990) [73] phỏt triển một mụ hỡnh cú đỏy di động đƣợc xột đến sự thay đổi động lƣợng và khối lƣợng của dũng chảy một pha. Cỏc tƣơng tỏc chất lỏng/phần tử và phần tử/phần tử khụng đƣợc tớnh toỏn trong cỏc mụ hỡnh trờn. Do vậy, cỏc mụ hỡnh một pha đều cú những mặt hạn chế trong nghiờn cứu cỏc chuyển động bựn cỏt.
- Mụ hỡnh tớnh toỏn khả năng vận chuyển bựn cỏt dựa trờn cỏch tiếp cận dũng chảy hai pha: Asano và cộng sự (1990) [17] đề xuất một mụ hỡnh dũng chảy hai pha trong đú vận tốc theo phƣơng thẳng đứng của cỏc phần tử đƣợc tớnh toỏn xấp xỉ bằng một cụng thức kinh nghiệm. Li và cộng sự (1995) [64] nối tiếp nghiờn cứu của Asano xõy dựng một tập hợp hoàn chỉnh cỏc phƣơng trỡnh đối với dũng chảy hai pha. Gotoh và cộng sự (1997) [55] giới thiệu một mụ hỡnh số để mụ phỏng sự vận chuyển bựn cỏt và động năng dũng chảy với cỏc tƣơng tỏc phần tử/phần tử trong chế độ chảy lớp biờn. Dong và cộng sự (1999) [40] đề xuất một mụ hỡnh dũng chảy hai pha hoàn chỉnh để mụ phỏng cỏc chuyển động của chất lỏng và bựn cỏt trong chế độ chảy lớp biờn dƣới cỏc điều kiện dũng chảy khụng ổn định; Mụ hỡnh xột đến cỏc lực chủ yếu nhƣ lực tƣơng tỏc chất lỏng/phần tử và phần tử/phần tử và cỏc ứng suất rối. Yang Qiping (2005) [99] xõy dựng cỏc mụ hỡnh vật lý xột đến sự tƣơng tự hỡnh học và tƣơng tự số Froude sau đú ụng sử dụng phần mềm FLUENT mụ phỏng theo mụ hỡnh Euler hai chiều để xem xột sự ảnh hƣởng của tỷ lệ mụ hỡnh đến kết quả tớnh toỏn xúi cục bộ trụ cầu. ễng nhận thấy mặc dự kết quả mụ phỏng khỏ tƣơng đồng với kết quả đo thớ nghiệm nhƣng đƣờng đồng mức xúi cục bộ giữa mụ hỡnh tỷ lệ thu nhỏ và mụ hỡnh tỷ lệ lớn cú sự sai khỏc khỏ rừ rệt do mụ hỡnh tỷ lệ lớn khụng thỏa món nguyờn lý tƣơng tự số Reynolds và do đú khú cú thể ỏp dụng để dự đoỏn xúi cục bộ trụ cầu.
- Phƣơng phỏp sử dụng mụ hỡnh dũng chảy 3 chiều: Trƣờng dũng chảy xung quanh trụ cầu là dũng chảy 3 chiều, do đú cần thiết để khảo sỏt chi tiết hố xúi xung quanh trụ cầu. Ushijima và cộng sự (1992) [93] bổ sung một mụ hỡnh rối 2 phƣơng trỡnh để tớnh xúi cục bộ trong dũng chảy khụng ổn định.
Ushijima và cộng sự (1996) [94] mở rộng mụ hỡnh trờn cơ sở phƣơng trỡnh Lagrange – Euler và thu đƣợc nhiều kết quả đỏng tin cậy. Olsen và cộng sự (1993) [76] dự đoỏn quỏ trỡnh phỏt triển xúi cục bộ trụ cầu sử dụng một mụ hỡnh dũng chảy 3 chiều và chuyển động bựn cỏt. Tỏc giả giải cỏc phƣơng trỡnh Reynolds với mụ hỡnh k- đối với chảy rối. Xem xột cả hai loại bựn cỏt ở đỏy và bựn cỏt lơ lửng, tỏc giả giải phƣơng trỡnh bảo toàn bựn cỏt đỏy bằng cỏch lặp lại quỏ trỡnh xúi cho đến khi hố xúi đạt trạng thỏi cõn bằng. S.Fukuoka
(1994) và cộng sự [84] đề xuất một mụ hỡnh 3D mụ phỏng xúi cầu. Mụ hỡnh dũng chảy dựa trờn phƣơng trỡnh xoỏy nhớt ỏp suất thuỷ tĩnh. Trong nghiờn cứu của Fukuoka, một quỏ trỡnh chuyển động bựn cỏt khụng cõn bằng đƣợc sử dụng để tớnh biến dạng đỏy. Kết quả mụ phỏng xúi thu đƣợc bởi Fukuoka khỏ phự hợp. Watanabe và cộng sự (2001) [105] mở rộng mụ hỡnh trong kờnh cong. Richardson và cộng sự (1998) [79] đó mụ phỏng cỏc cấu trỳc dũng chảy xung quanh một trụ cầu trong trƣờng hợp cú hố xúi và khụng cú hố xúi. Tỏc giả sử dụng phần mềm FLOW-3D với mụ hỡnh k- RNG. Khi so sỏnh cỏc kết quả mụ phỏng với cỏc kết quả thớ nghiệm, tỏc giả chỉ ra rằng mụ hỡnh thủy động học 3D cho kết quả tốt khi mụ phỏng thành phần phần dũng chảy phức tạp xung quanh trụ cầu. Wang và cộng sự (1999) [104] nghiờn cứu những ảnh hƣởng quan trọng của cỏc dũng chảy khụng ổn định đến sự chuyển động của bựn cỏt. Tỏc giả sử dụng một mụ hỡnh số để mụ phỏng cỏc điều kiện dũng chảy ba chiều xung quanh một trụ trong hố xúi. Cỏc hàm số kinh nghiệm đƣợc sử dụng để thay đổi ứng suất tiếp trong mụ hỡnh kinh nghiệm về chuyển động bựn cỏt, từ đú nghiờn cứu cỏc tỏc động của dũng chảy chớnh, dũng chảy đi xuống, xoỏy đứng sau trụ, và mật độ rối trong hố xúi đến xúi. Tỏc giả đó mụ phỏng sự phỏt triển của hố xúi xung quanh trụ cầu bằng cỏch sử dụng
phần mềm CCHE-3D, chứng minh tầm quan trọng của cỏc tỏc động của dũng chảy riờng rẽ đối với chuyển động bựn cỏt. Peng và cộng sự (1998) [77] nghiờn cứu quỏ trỡnh xúi nhƣ là một trạng thỏi ổn định bằng cỏch giả thiết biến dạng đỏy là ổn định trong mỗi bƣớc tớnh toỏn. Sự kết hợp mụ hỡnh rối k-
điều chỉnh với cụng thức chuyển động bựn cỏt Meyer-Peter và Muller sửa đổi cho phộp mụ phỏng hoàn toàn xúi cõn bằng xung quanh trụ cầu. Yen và cộng sự (2001) [101] đó kết hợp mụ hỡnh xoỏy lớn (LES) với mụ hỡnh rối Smagorinsky để mụ phỏng trƣờng dọc chảy 3D và ứng suất tiếp xung quanh trụ cầu. Chang và cộng sự (1999) [30] sử dụng một mụ hỡnh xoỏy lớn (LES) để giải cỏc phƣơng trỡnh dũng chảy xung quanh một trụ cầu với đỏy cố định và khụng cú xúi. Sau đú tỏc giả đó điều chỉnh ứng suất tiếp đỏy phẳng để tớnh biến dạng đỏy mà khụng cần tớnh toỏn lại cỏc phƣơng trỡnh dũng chảy. Tỏc giả đó ỏp dụng ứng suất tiếp điều chỉnh này vào cụng thức của Van Rijn (1984) để tớnh chuyển động bựn cỏt đỏy, và kiểm tra cỏc kết quả thu đƣợc so sỏnh với số liệu của Ettema năm 1980. Kết quả so sỏnh cho thấy phự hợp với số liệu của Ettama, từ đú cho phộp ỏp dụng cụng thức chuyển động bựn cỏt phẳng với một giỏ trị ứng suất tiếp để mụ hỡnh húa hố xúi phỏt triển theo thời gian. Tseng và cộng sự (2000) [91] xõy dựng một mụ hỡnh số với trụ vuụng và trụ trũn. Tỏc giả nhận thấy dũng chảy đi xuống đƣợc hỡnh thành trƣớc mặt trụ và cỏc tỏc động của nú tạo thành cỏc cuộn xoỏy múng ngựa. Sumer và cộng sự (2002) [89] sử dụng một mụ hỡnh thủy động học thể tớch hữu hạn với mụ hỡnh rối k- để mụ phỏng dũng chảy 3 chiều xung quanh một trụ. ễng cũng thu đƣợc tất cả cỏc đặc trƣng của quỏ trỡnh xúi (nhƣ xoỏy hỡnh múng ngựa, sự gợn súng ở đỏy, hỡnh dạng của hố xúi,..) và chiều sõu xúi cõn bằng xấp xỉ với cỏc kết quả đo. Tuy nhiờn mụ hỡnh Sumer khú ỏp dụng vào thực tế do thời gian tớnh toỏn đến khi xúi đạt giỏ trị cõn bằng mất vài tuần. Nagata và cộng sự (2002) [74] giới thiệu một mụ hỡnh k- phi tuyến tớnh hệ toạ độ biờn di động để mụ phỏng trƣờng dũng chảy xung quanh trụ cầu. Salaheldin và cộng sự (2004) [82] nghiờn cứu dũng chảy rối 3D xung quanh trụ thẳng đứng
sử dụng phần mềm thƣơng mại FLUENT. ễng sử dụng mụ hỡnh dũng chảy thể tớch 2 pha. Hai điều kiện xúi, đỏy phẳng và hố xúi đƣợc đƣa vào trong mụ phỏng xúi nƣớc trong. Một số mụ hỡnh rối đƣợc sử dụng để nghiờn cứu, bao gồm: mụ hỡnh Spalart-Allmaras một phƣơng trỡnh, mụ hỡnh k- hai phƣơng trỡnh và mụ hỡnh ứng suất Reynolds (RSM). Những mụ hỡnh này đƣợc phõn tớch dựa trờn ứng suất tiếp tại đỏy và trƣờng vận tốc, kết quả mụ phỏng đƣợc so sỏnh với cỏc kết quả nghiờn cứu trƣớc đú. Mụ hỡnh một phƣơng trỡnh cho kết quả cú độ tin cậy thấp. Mụ hỡnh k- sử dụng hiệu quả trong mụ phỏng trƣờng vận tốc nhƣng khụng khả thi trong mụ phỏng ứng suất đỏy. Mụ hỡnh ứng suất Reynolds sử dụng tốt cho mụ phỏng trƣờng vận tốc và ứng suất tiếp đỏy trờn đỏy phẳng và hố xúi. Zhang và cộng sự (2005) [102] phõn tớch trƣờng dũng chảy bằng cỏch giải phƣơng trỡnh Navier-Stokes (RANS) trung bỡnh Reynolds kết hợp với mụ hỡnh rối k-. Evagelia D.Farsirotou và cộng sự (2005) [47] sử dụng mụ hỡnh HEC-RAS và cỏc phƣơng trỡnh CSU và Froehlish để dự đoỏn chiều sõu xúi lớn nhất. Tỏc giả cũng tiến hành cỏc thớ nghiệm sử dụng cỏc trụ vuụng và trụ trũn với cỏc kớch thƣớc bề rộng khỏc nhau và so sỏnh giữa chiều sõu xúi cõn bằng thực đo và chiều sõu xúi dự đoỏn bằng mụ hỡnh HEC-RAS. Kết quả sử dụng mụ hỡnh hai chiều dự đoỏn khỏ hợp lý chiều sõu xúi lớn nhất của trụ cầu. Esmaeili, T, và cộng sự (2009) [46] đó tiến hành nghiờn cứu một cầu bắc qua sụng Tanana, Mỹ. Chƣơng trỡnh SSIIM sử dụng mụ hỡnh rối k- để dự đoỏn chiều sõu xúi lớn nhất tại cỏc trụ cầu. Mụ hỡnh SSIIM cú thể giải cỏc bài toỏn chuyển động dũng chảy và bựn cỏt ba chiều theo thời gian và mụ phỏng chuyển động bựn cỏt trong những hỡnh dạng đỏy kờnh phức tạp. Gamal H.Elsaeed và cộng sự (2011) [52] sử dụng mụ hỡnh số 3D –SSIIM để dự đoỏn xúi cục bộ trụ cầu trong đất cỏt. Kết quả mụ phỏng số cho thấy chiều sõu xúi lớn nhất lớn hơn kết quả với quan sỏt thực địa của Sharafaddin (2003) là 2%. Điều này chứng tỏ cỏc kết quả mụ phỏng khỏ phự hợp với cỏc quan sỏt thực địa.