trong nước
Trong vài năm trở lại đõy, một số nhà khoa học nƣớc ta đó phỏt triển một số mụ hỡnh số để mụ phỏng quỏ trỡnh truyền triều, lũ lụt, xõm nhập mặn và đỏnh giỏ chất lƣợng nƣớc trờn hệ thống sụng ngũi, kờnh, suối. PGS.TS Nguyễn Tất Đắc (2005) [2] đó xõy dựng một mụ hỡnh thủy lực số trị một chiều cho quỏ trỡnh truyền triều và lan truyền mặn trờn hệ thống kờnh, sụng, sử dụng chƣơng trỡnh SAL (Hà Lan) để tớnh toỏn sự truyền triều và xõm nhập mặn trờn một số sụng ở Miền Nam và Đồng bằng sụng Cửu Long. GS.TSKH Lƣơng Phƣơng Hậu (Trƣờng Đại học Xõy dựng) (2010) [4] đó xõy dựng đƣợc mụ hỡnh toỏn tớnh toỏn diễn biến lũng sụng dƣới tỏc dụng tổng hợp của hệ thống cụng trỡnh chỉnh trị sụng ở Việt Nam, ụng đó đề xuất mụ hỡnh số 3 chiều tớnh toỏn xúi cục bộ khu vực mỏ hàn cho trƣờng hợp cú bựn cỏt lơ lửng trong dũng chảy ngập, đề xuất cỏc giải phỏp khoa học, cụng nghệ cho hệ thống cụng trỡnh chỉnh trị sụng trờn cỏc đoạn trọng điểm vựng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ. PGS.TS. Lờ Văn Nghị (2005) [6] đó xõy dựng mụ hỡnh hai chiều đứng bằng cỏch giải hệ phƣơng trỡnh Reynolds hai chiều đứng trong khụng gian cú giới hạn sử dụng phƣơng phỏp phần tử hữu hạn để nghiờn cứu cỏc đặc trƣng thủy động lực học cụng trỡnh thỏo cột nƣớc thấp và ổn định lũng dẫn hạ lƣu cống vựng triều, xỏc định sự phõn bố vận tốc, ỏp suất và đƣờng mặt nƣớc, đỏnh giỏ ảnh hƣởng của hỡnh dạng, kớch thƣớc kết cấu tiờu năng đến phõn bố vận tốc dũng chảy ở hạ lƣu cụng trỡnh. Mụ hỡnh của PGS. TS. Lờ Văn Nghị cũng đó đƣợc kiểm chứng qua một số kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh vật lý trong phũng và đó thu đƣợc kết quả khỏ phự hợp. PGS.TS. Nguyễn Thọ Sỏo (Trƣờng Đại học KHTN-Đại học Quốc gia Hà Nội) (2008) [7] đó xõy dựng mụ hỡnh toỏn ỏp dụng phần mềm HEC-RAS 1 chiều và MIKE21C 2 chiều để nghiờn cứu cỏc giải phỏp đoạn sụng phõn lạch Trung Hà trờn sụng Đà nhằm hoàn thiện tuyến vận tải thủy từ Hải Phũng đến nhà mỏy thủy điện Sơn La. TS. Đặng Hữu Chung (Viện Cơ học Việt Nam) (2007) [42] phỏt triển phần mềm FSUM ba chiều và đƣợc ỏp dụng để mụ phỏng quỏ trỡnh vận
chuyển bựn cỏt và hỡnh thỏi động học của bờ biển Hải Hậu (Nam Định) ở Miền Bắc Việt Nam. Số liệu thực tế về điều kiện súng, giú và nồng độ bựn cỏt lơ lửng dựa trờn số liệu thu thập tại trạm quan sỏt gần cửa Ba Lạt. Kết quả tớnh toỏn cho thấy cỏc yếu tố thủy động lực học phụ thuộc đỏng kể vào điều kiện giú, địa hỡnh khu vực cửa sụng và cỏc tham số này chi phối phƣơng hƣớng và phạm vi chuyển động bựn cỏt lơ lửng đặc biệt là tại cỏc khu vực nƣớc nụng do chịu ảnh hƣởng của sự biến đổi đột ngột của độ dốc đỏy. Kết quả nhiờn cứu cũng chỉ ra rằng, xu hƣớng chung của sự chuyển động bựn cỏt từ phớa bắc xuống phớa nam là đặc trƣng của vựng bờ biển Hải Hậu, đồng thời bờ biển bị xúi lở lớn, đặc biệt là khu vực gần cửa Ba Lạt. Ngoài ra cũn một số nhà nghiờn cứu ở Viện Cơ học Việt Nam, Trƣờng Đại học Xõy dựng, Trƣờng Đại học Thủy Lợi, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiờn,v.v..đó đề xuất một số mụ hỡnh dũng chảy 1 chiều, 2 chiều để nghiờn cứu cỏc đặc trƣng, chế độ thủy triều biển, ven bờ, xúi lở bờ biển, sụng, hồ, luồng lạch, mụi trƣờng biển, lan truyền ụ nhiễm, tràn dầu,..Bờn cạnh đú cũn cú một số những nghiờn cứu khỏc chủ yếu ỏp dụng một số cỏc mụ hỡnh dũng chảy ba chiều thƣơng mại (vớ dụ nhƣ Mike 3, Delft-3D, Flo-3D,…) để nghiờn cứu về cấu trỳc dũng chảy và vận tải bựn cỏt ở vựng cửa sụng ven biển nào đú, hầu nhƣ chƣa cú cụng trỡnh nghiờn cứu nào nghiờn cứu về cấu trỳc ba chiều trƣờng dũng chảy xung quanh cỏc cụng trỡnh thủy lực (trụ cầu) trong sụng.
Từ những khảo sỏt trờn chỳng ta cú thể thấy rằng, hiện nay ở trong nƣớc, chƣa cú cụng trỡnh nghiờn cứu sử dụng phƣơng phỏp mụ phỏng số để dự tớnh xúi cục bộ trụ cầu.
1.3.4.3. Một số phần mềm mụ phỏng thủy động lực học thụng dụng trờn thế giới hiện nay
Nhờ sự phỏt triển của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực phần mềm mỏy tớnh, một số phần mềm động lực học chất lỏng tớnh toỏn đó đƣợc ứng dụng để
tớnh xúi trụ cầu, cú thể kể đến một số phần mềm thụng dụng hiện nay bao gồm:
1). Phần mềm HEC-RAS [92] (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System) của Cục kỹ thuật cụng trỡnh quõn đội Mỹ. Mụ hỡnh HEC- RAS là hệ thống phần mềm tổng hợp, đƣợc thiết kế để sử dụng trong mụi trƣờng nhiều chức năng cú ảnh hƣởng lẫn nhau. Cỏc mụ đun trong Mụ hỡnh HEC-RAS đều đƣợc xõy dựng dựa trờn những cơ sở lý thuyết cú liờn quan tới những khả năng tớnh toỏn khỏc nhau. Nhƣng trong tất cả cỏc mụ đun đều cú sử dụng chung hai phƣơng trỡnh cơ bản là phƣơng trỡnh năng lƣợng và phƣơng trỡnh động lƣợng. Đối với cụng trỡnh cầu vƣợt sụng, để phục vụ dự bỏo xúi chung dƣới cầu do cầu thu hẹp dũng chảy và xúi cục bộ tại chõn trụ và mố cầu, trong Mụ hỡnh HEC-RAS cũn sử dụng cỏc phƣơng trỡnh bỏn thực nghiệm. Phƣơng trỡnh cơ bản đƣợc sử dụng trong HEC-RAS là phƣơng trỡnh năng lƣợng (phƣơng trỡnh Becnuli) dựng để xỏc định đƣờng mặt nƣớc từ mặt cắt này đến mặt cắt khỏc:
h2 + z2 +α2v23
2g = h1 + z1 +α1v13
2g + he (1.5) Trong đú, h là chiều sõu dũng chảy, v là vận tốc dũng chảy trung bỡnh, z là cao độ đỏy, he là tổn thất năng lƣợng đơn vị giữa hai mặt cắt.
Phƣơng trỡnh thứ hai là phƣơng trỡnh bảo toàn động lƣợng xuất phỏt từ định luật 2 Newton cú dạng:
P2 − P1 + Wx − Ff = ρ. Q. vx (1.31)
trong đú, P là ỏp lực thủy tĩnh, Ff là lực ma sỏt, Wx là trọng lực của khối nƣớc theo phƣơng x, Q là lƣu lƣợng nƣớc, vx là lƣu tốc mặt cắt ở biờn.
Mụ hỡnh HEC-RAS sử dụng cụng thức tớnh chiều sõu xúi cục bộ lớn nhất của Richardson (1990) [80] thuộc Trƣờng Đại học bang Colorado (Mỹ):
hc
h = 2.0K1K2K3K4 b
h 0.65
Fr10.43 (1.6) trong đú, h là chiều sõu dũng chảy đến trụ, K1 là hệ số điều chỉnh do hỡnh dạng đầu trụ, K2 là hệ số điều chỉnh do gúc nghiờng dũng chảy tỏc dụng vào mặt trụ, K3 là hệ số điều chỉnh do tỡnh trạng đỏy sụng, K4 là hệ số điều chỉnh để giảm bớt chiều sõu xúi cục bộ trong trƣờng hợp đỏy sụng cú bựn cỏt thụ đƣờng kớnh d50>60mm làm thụ húa đỏy xúi.
Nhận xột:
Phần mềm HEC-RAS cho phộp tớnh toỏn thủy lực dũng sụng sử dụng cỏc giả thiết coi dũng chảy trờn sụng là dũng chảy một chiều, ổn định và khụng ổn định, tớnh toỏn vận chuyển bựn cỏt, tớnh xúi chung, xúi cục bộ trụ cầu [92]. Tuy nhiờn, do mụ hỡnh HEC-RAS tớnh cho dũng chảy một chiều và sử dụng cụng thức bỏn thực nghiệm để tớnh chiều sõu xúi nờn khụng phõn tớch đƣợc cơ chế dũng chảy xung quanh trụ và khú ỏp dụng ở cỏc bài toỏn thực tế.
2). Phần mềm FLUENT-3D [49] (Mỹ) là một phần mềm đa chức năng đƣợc sử dụng trong ngành xõy dựng, y tế, cơ học,..cú khả năng mụ phỏng dũng chảy, truyền nhiệt, tƣơng tỏc húa học. FLUENT phõn tớch và giải cỏc bài toỏn thủy động lực học dựa trờn cỏc nguyờn lý bảo toàn khối lƣợng, bảo toàn động lƣợng và bảo toàn năng lƣợng. Mụ hỡnh FLUENT-3D giải đầy đủ phƣơng trỡnh Navier-Stokes trong bài toỏn thủy lực cụng trỡnh. Một ƣu điểm nổi trội của FLUENT-3D là sử dụng kỹ thuật mụ hỡnh húa dũng chảy nhiều pha. FLUENT-3D sử dụng mụ hỡnh đa pha Euler với tập hợp cỏc phƣơng trỡnh động lƣợng và phƣơng trỡnh liờn tục trong mỗi pha. Cấu trỳc của cỏc phƣơng trỡnh này phụ thuộc vào loại pha, bao gồm cỏc dũng chảy mang hạt bựn cỏt (chất lỏng-chất rắn) và cỏc dũng chảy khụng mang hạt [107].
Phƣơng trỡnh bảo toàn khối lƣợng pha thứ q: V q q dV V (1.7)
trong đú: n 1 1 q q , q là phõn tố thể tớch pha q, Vq là thể tớch pha thứ q.
Phƣơng trỡnh liờn tục đối với pha thứ q:
n 1 p pq q q q q q v m t (1.8)
trong đú, vq là vận tốc của pha thứ q, mpq là hệ số trao đổi khối lƣợng từ pha thứ p sang pha thứ q.
Phƣơng trỡnh bảo toàn động lƣợng:
n 1 p pq pq pq q q q lift,q vm,q q q q q q q q q q V V V p R m V F F F t (1.9) Nhận xột:
Mụ hỡnh FLUENT-3D đó đƣợc sử dụng để mụ phỏng cơ chế dũng chảy 3 chiều và trƣờng vận tốc xung quanh trụ, đó chỉ ra đƣợc cơ chế hỡnh thành xúi cục bộ xung quanh trụ, tuy nhiờn kết quả tớnh xúi so sỏnh với kết quả đo thớ nghiệm vẫn tồn tại sai số lớn đặc biệt là khi mụ phỏng trụ cầu cú đƣờng kớnh lớn. Mặt khỏc, nhƣợc điểm của mụ hỡnh FLUENT-3D là khụng giải quyết đƣợc bài toỏn chuyển động bựn cỏt và tớnh rối đõy chớnh là cỏc tham số cơ bản ảnh hƣởng đến xúi đồng thời FLUENT-3D chỉ mụ phỏng đƣợc bài toỏn trụ cầu đơn, chƣa giải đƣợc bài toỏn trụ cầu phức tạp [99].
3). Phần mềm FLOW-3D [48] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đƣợc phỏt triển tại Phũng thớ nghiệm khoa học kỹ thuật Los Alamos (Mỹ). Phần mềm sử dụng một số đặc trƣng cơ bản của cỏc phƣơng trỡnh Navier- Stokes đối với cỏc dũng chảy mặt thoỏng (phƣơng phỏp VOF) và hệ lƣới hỡnh học phức tạp (phƣơng phỏp FAVOR). Mụ hỡnh xúi bựn cỏt nghiờn cứu bựn cỏt nhƣ là hai trƣờng nồng độ (Brethour, 2003): bựn cỏt lơ lửng và bựn cỏt kết dớnh. Bựn cỏt lơ lửng bị cuốn trụi với nƣớc do ảnh hƣởng của gradient ỏp suất cục bộ. Bựn cỏt lơ lửng khởi nguồn từ cỏc biờn dũng chảy vào hoặc do sự xúi
của bựn cỏt kết dớnh. Bựn cỏt kết dớnh là bựn cỏt đƣợc bao quanh bởi cỏc hạt phần tử bựn cỏt xung quanh. Một mụ đun tớnh toỏn chuyển động bựn cỏt (khụng dớnh) trong kờnh hở đƣợc phỏt triển tại Viện nghiờn cứu Thuỷ lợi và Thuỷ lực, trƣờng đại học Kỹ thuật Munich (Đức) và đó đƣợc cập nhật vào FLOW-3D năm 2013. Trong mụ đun này, chuyển động lơ lửng đƣợc mụ phỏng qua phƣơng trỡnh đối lƣu-khếch tỏn với vận tốc lắng động ban đầu và sự trao đổi của bựn cỏt lơ lửng và bựn cỏt đỏy tại biờn dƣới của lớp bựn cỏt lơ lửng. Chuyển động bựn cỏt đỏy đƣợc mụ phỏng với mụ hỡnh khụng cõn bằng và biến dạng đỏy đƣợc tớnh toỏn bằng phƣơng trỡnh cõn bằng khối lƣợng. Trong mụ đun, cỏc ảnh hƣởng của độ dốc đỏy và sự trƣợt vật liệu đỏy lờn chuyển động bựn cỏt cũng đƣợc đƣa vào tớnh toỏn.
FLOW-3D giải hệ phƣơng trỡnh Navier-Stokes 3 chiều và phƣơng trỡnh liờn tục trong dũng chảy khụng nộn đƣợc:
∂ ∂XiviAi = 0 (1.10) ∂vi ∂t + 1 Vf vjAj∂ui ∂Xj = − ∂p ∂Xi + Gi + fi (1.11) ở đõy: ρVffi = τb,i − ∂ ∂Xj AjSij ; Sij = −2μtot ∂vi ∂Xi ; Sij = −μtot ∂vi ∂Xj +∂vj ∂Xi (1.38)
ở đõy vi là vận tốc trung bỡnh; P là ỏp suất; Ai là diện tớch mặt cắt ngang phần dũng chảy theo phƣơng i; Vf là thể tớch dũng chảy; Gi là gia tốc dũng chảy; fi là gia tốc nhớt; Sij là tensor vận tốc; b,i là ứng suất tiếp biờn; là khối lƣợng riờng của nƣớc; tot là độ nhớt động lực học tổng cộng, bao gồm cỏc ảnh hƣởng của chảy rối (tot=+T); là độ nhớt động lực học; và T là độ nhớt cuộn xoỏy.
Cỏc phƣơng trỡnh khộp kớn đối với năng lƣợng đụng lực học rối k và tốc độ tiờu hao [106]:
∂k ∂t + 1 VfUiAxi ∂k ∂Xi = Csp μ ρVf 2. Axi ∂Ui ∂Xi 2 + ∂Ui ∂Xj +∂Uj ∂Xi Axj ∂Ui ∂Xj + Axi ∂Uj ∂Xi −V1 f ∂ ∂Xj Axi ρ μ +μT σk ∂k ∂Xj (1.39) ∂ε ∂t + 1 VfUiAxi ∂ε ∂xi = Cϵ1 ε k Csp μ ρVf 2. Axi ∂Ui ∂Xi 2 + ∂Ui ∂Xj +∂Uj ∂Xi Axj ∂Ui ∂Xj + Axi ∂Uj ∂Xi −V1 f ∂ ∂Xj Axi ρ μ +μT σk ∂k ∂Xj − Cε2ε2 k (1.12) Ở đõy Csp là hệ số chống cắt, C1=1.44; C2=1.92; C=0.09; k=1.0;
=1.3), đối với mụ hỡnh RNG: (C1=1.42; C2 là một hàm của tốc độ chống cắt; C=0.085; k=0.72; =0.72). Phƣơng trỡnh vận chuyển bựn cỏt [68]: ∂(Qbαbs) ∂s +∂(Qbαbn) ∂n = − 1 Ls (Qb − Qe) (1.13) Phƣơng trỡnh xỏc định cao độ đỏy:
1 − p′ ∂Zb
∂t +∂Qbs
∂s +∂Qbn
∂n = 0 (1.14) ở đõy, zb là cao độ đỏy, p‟ là độ rỗng vật liệu đỏy; Qbs, Qbn là thụng lƣợng bựn cỏt đỏy theo cỏc phƣơng dũng chớnh và tại mặt cắt dũng chảy theo phƣơng n. αbs, αbn là cosin chỉ phƣơng xỏc định cỏc thành phần chuyển động bựn cỏt đỏy theo cỏc phƣơng s và n tƣơng ứng. Phƣơng trỡnh trờn là phƣơng trỡnh cõn bằng khối lƣợng đối với chuyển động bựn cỏt đỏy trong trong đú tất cả cỏc tỏc động khụng cõn bằng đƣợc mụ tả ở vế phải phƣơng trỡnh, giả thiết rằng cỏc tỏc động đú tỷ lệ với sự tƣơng tỏc giữa lƣu lƣợng bựn cỏt đỏy khụng cõn bằng Qb và lƣu lƣợng bựn cỏt cõn bằng trờn chiều dài khụng cõn bằng Ls
[78]. Cả Qe và Ls đƣợc xỏc định theo cỏc cụng thức kinh nghiệm của Bui và Rutschmann (2010) [26], Van Rijn (1984,1987) [96,97]:
Qe = 0.053 ρs − ρ ρ g 0.5d501.5T2.1 D∗0.3 ; D∗ = d50 ρs − ρ g ρϑ2 1 3 ; T = U∗′ U2− U∗cr 2 ∗cr 2 (1.15)
Nhận xột:
Mụ hỡnh FLOW-3D đó đƣợc thử nghiệm để khảo sỏt diễn biến dũng chảy cú bựn cỏt biến đổi theo thời gian xung quanh trụ trũn đơn. Kết quả mụ phỏng chỉ ra rằng xúi bắt đầu xuất hiện tại điểm cú gúc nghiờng 750 so với hƣớng dũng chảy đồng thời đõy là khu vực cú chiều sõu xúi lớn nhất, kết quả mụ phỏng khi so sỏnh khỏ phự hợp với kết quả đo thớ nghiệm. Tuy nhiờn, nhƣợc điểm của mụ hỡnh FLOW-3D là khai bỏo số liệu đầu vào khỏ phức tạp và do đú khú ỏp dụng vào bài toỏn thực tiễn [12],[26],[48]. Một hạn chế khỏc của mụ hỡnh FLOW-3D là trong khi tốc độ chỡm lắng của phần tử hạt tăng theo thời gian thớ nghiệm thỡ kết quả mụ phỏng của FLOW-3D cho thấy tốc độ chỡm lắng của phần tử hạt lại giảm theo thời gian mụ phỏng tƣơng ứng (Smith và cộng sự, 2005,2007) [86],[87].
4). Mụ hỡnh CCHE-3D [27],[34] của Trung tõm Thủy văn học và cụng trỡnh Quốc gia (NCCHE) tại Trƣờng Đại học Mississippi (Mỹ). mụ hỡnh này đó đƣợc thử nghiệm và ỏp dụng rộng rói để giải quyết nhiều bài toỏn thuỷ lực, thuỷ lợi và kỹ thuật mụi trƣờng trong thực tiễn. Mụ hỡnh CCHE-3D giải cỏc phƣơng trỡnh thuỷ động lực học 3 chiều (cỏc phƣơng trỡnh Reynolds) và cỏc phƣơng trỡnh dũng chảy cạn. Sự di chuyển của bựn cỏt đƣợc chia thành hai loại là chuyển động lơ lửng và chuyển động đỏy do đú phạm vi dũng chảy đƣợc chia thành lớp chảy đỏy với chiều dày và lớp chảy lơ lửng phớa trờn với chiều dày h-. Sự trao đổi bựn cỏt giữa hai lớp thụng qua lƣợng lắng bựn cỏt (thụng lƣợng bựn cỏt chảy xuống) tại một tốc độ Db và thụng lƣợng dũng chảy lờn từ lớp chảy đỏy tại một tốc độ Eb. Sự phõn bố của bựn cỏt trong lớp chảy lơ lửng đƣợc chi phối bởi phƣơng trỡnh đối lƣu-khếch tỏn sau:
∂c ∂t +∂ uj−ωsδj3 c ∂xj = ∂ ∂xj ϑt σc ∂c ∂xj (1.16)
ở đõy c là mật độ bựn cỏt lơ lửng, j3 số Kronecker với j=3 biểu thị theo phƣơng thẳng đứng.
ϑt σc
∂c
∂z + ωsc = 0 (1.17)
Tại biờn dƣới của lớp bựn cỏt lơ lửng, tốc độ lắng động Db=scb và