Tài liệu Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VIẾT THANH MÔ PHỎNG SỐ DÒNG CHẢY LŨ VÀ DỰ BÁO XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Mà SỐ: 62.58.02.05 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Cầu - Hầm, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đức Nhiệm 2. PGS.TS. Trần Đình Nghiên Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường theo quyết định số .../QĐ-ĐHGTVT ngày...tháng..năm...của Hiệu trưởng Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi: ........giờ.....ngày....tháng....năm....... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Đại học Giao thông Vận tải 1 MỞ ĐẦU Lý do để chọn đề tài Nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là một lĩnh vực gần như là kinh điển của khoa học động lực học dòng sông ở cả trên thế giới và tại Việt Nam, đây là một vấn đề mang tính chất thời sự mà các kết quả nghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện. Tiếp cận hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài "Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu". Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm mô phỏng số dòng chảy 3 chiều để mô tả các đặc trưng dòng chảy khu vực xung quanh trụ cầu, bằng kết quả mô phỏng chỉ rõ nguyên nhân gây xói trụ cầu, quá trình phát triển chiều sâu xói theo thời gian, và chiều sâu xói lớn nhất tại trụ cầu, kiểm chứng kết quả mô phỏng số bằng kết quả thí nghiệm vật lý trong phòng và của các công thức bán thực nghiệm, từ đó đề ra khả năng ứng dụng mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu ở Việt Nam trong tương lai. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu cho trường hợp xói cục bộ tại trụ cầu có mặt cắt hình chữ nhật trong điều kiện dòng chảy ổn định, xói nước trong. Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm trên mô hình vật lý trên cơ sở khai thác mô hình FSUM mô phỏng dòng chảy 3 chiều có bổ sung 3 mô đun hiệu chỉnh một số tham số tính toán. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: - Đề tài đã ứng dụng thành công phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu dòng chảy và dự đoán xói cục bộ trụ cầu, đây là một lĩnh vực mang tính chất kinh điển của thế giới cho đến nay vẫn chưa hoàn thiện; 2 - Kết quả nghiên cứu của luận án mang lại những nhìn nhận một cách tổng thể và chi tiết hơn về hiện tượng xói cục bộ trụ cầu so với các phương pháp truyền thống. - Giới thiệu một mô hình số để mô phỏng số dòng chảy và dự đoán xói cục bộ trụ cầu, góp phần hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu; cung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ tham khảo khi tính toán chiều sâu đặt móng trụ cầu. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm về xói, tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu 1.1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sông sâu và hẹp ngay tại chân trụ do dòng nước tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu trúc bình thường của dòng chảy, làm tăng cục bộ ứng suất tiếp và tốc độ dòng chảy, vượt qua sức cản của hạt đất bao quanh chân trụ, xói đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạo thành hố xói cục bộ ở trụ. 1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước 1.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu Hiện nay có bốn phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu, bao gồm: Phương pháp giải tích, phương pháp mô hình vật lý, phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường và phương pháp mô phỏng số. 1.4. Đánh giá chung 1.4.1. Những thành tựu đạt được 1.4.1.1. Trên thế giới Phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu được xây dựng theo phương pháp lý thuyết phân tích thứ nguyên, lý thuyết hồi qui và sai số bình phương nhỏ nhất, lý thuyết xác suất thống kê toán học, 3 lý thuyết mô hình vật lý kết hợp với đo đạc trên mô hình vật lý hoặc tại hiện trường. Theo thống kê hiện có hơn 40 công thức đã được giới thiệu, trong có có một số công thức được một số nước áp dụng đưa vào qui chuẩn thiết kế công trình cầu. Đối với lĩnh vực nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số đã giới thiệu một số mô đun phần mềm thương mại bước đầu được áp dụng để tính xói cục bộ trụ cầu phải kể đến như CCHE-3D, FLOW-3D, FLUENT-3D, SSIIM3D,..bước đầu đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ. 1.4.1.2. Trong nước Điển hình là các công thức tính xói theo phương pháp lý thuyết bán thực nghiệm của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục và kỹ sư Nguyễn Hữu Khải (1982), công thức của PGS.TS Trần Đình Nghiên (1999). Trong lĩnh vực nghiên cứu xói theo phương pháp mô phỏng số, theo hiểu biết của nghiên cứu sinh hiện chưa có nghiên cứu nào đề cập đến. 1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại Đã có khá nhiều công thức tính toán được đề nghị, nhưng sự phù hợp của từng loại công thức so với thực tế vẫn được tiếp tục nghiên cứu. Phương pháp mô hình toán là hướng phát triển mới hiện đại phù hợp với thực tế do xói trụ cầu được tính toán gắn với mô hình tính toán tổng thể cho cả một đoạn sông và nó khắc phục được những tồn tại của các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, do chế độ dòng chảy và cơ chế xói cục bộ vùng trụ cầu rất phức tạp nên mô phỏng toán học của những công trình đã công bố vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó, những nghiên cứu theo hướng này chưa nhiều và việc ứng dụng trong thực tế vẫn còn ở mức thử nghiệm. 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Do điều kiện về thời gian cũng như chi phí, việc tiếp cận một phần mềm mô phỏng số mang tính chất thương mại trên thế giới gặp rất nhiều khó khăn, trong luận án này nghiên cứu sinh sử dụng phần 4 mềm mô phỏng 3 chiều FSUM có hiệu chỉnh một số tham số tính toán phù hợp trong mô hình toán áp dụng cho bài toán tính xói cục bộ trụ cầu, phân tích, đánh giá, kiểm chứng so sánh kết quả tính toán với kết quả nghiên cứu mô hình vật lý thí nghiệm trong phòng. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁCH THIẾT LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN DỰ BÁO XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô hình số 2.1.1. Hệ phương trình toán học cơ bản Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) đối với dòng chảy có mặt thoáng, chất lỏng không nén được với áp suất phi thủy tĩnh kết hợp với các phương trình truyền tảikhuếch tán và phương trình biến đổi địa hình đáy. - Phương trình liên tục: ∇.⃗ V =0 (2.1) - Phương trình động lượng: ⃗ ∂V −1 ∂ v ∂⃗ V ⃗ ⃗ ⃗) ⃗ +( ∇ . V V= ∇ p+υ h ∇ 2xy ⃗ V+ υ +Ω + F ∂t ρ ∂z ∂z ( ) (2.2) - Phương trình truyền tải-khuếch tán nồng độ các chất: ∂s ⃗ ∂ v ∂s + V s . s=ε hs ∇2xy s+ ε ∂t ∂ z s ∂z ( ) (2.3) - Phương trình mô tả biến đổi đáy: ( 1− pr ) η ∂ z b ∂ q tx ∂ q ty ∂c = + + ∫ dz ∂t ∂ x ∂ y −z + z ∂ t ( ) b a 2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên * Các điều kiện ban đầu bao gồm: - Mực nước - Vận tốc dòng chảy - Nồng độ bùn cát (2.4) 5 cát - Địa hình đáy * Các điều kiện biên bao gồm: - Điều kiện biên cứng - Điều kiện biên hở - Điều kiện biên mặt thoáng - Điều kiện biên tại đáy đối với phương trình động lượng - Điều kiện biên tại đáy đối với phương trình nồng độ bùn 2.2. Phương pháp giải số đối với FSUM Hệ phương trình toán học của FSUM được giải theo phương pháp sai phân hữu hạn ẩn bán Lagrange phát triển dựa trên phương pháp được Casulli phát triển năm 1993 được rời rạc hóa qua 2 bước: - Bước 1: Rời rạc hóa hệ phương trình dựa trên giả thuyết áp suất thủy tĩnh - Bước 2: Hiệu chỉnh các thành phần vận tốc và mực nước do yếu tố phi thủy tĩnh 2.3. Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM Bao gồm các file dữ liệu lưu trữ các thông số tính toán cần thiết để chạy chương trình. 2.4. Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu trong FSUM 2.4.1. Các giả thiết 1. Kênh có hình dạng chữ nhật, có độ dốc đáy không thay đổi. 2. Dòng chảy ổn định với lưu lượng biên thượng lưu và mực nước ở hạ lưu là không thay đổi trong quá trình tính toán và lưu lượng phân bố đều trên mặt cắt ngang. 3. Hạt vật liệu đáy có kích thước đều, đồng nhất. 4. Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ, gió, sóng, độ mặn và nồng độ các chất hòa tan khác có trong môi trường lỏng. 5. Chỉ nghiên cứu bài toán trong trường hợp xói nước trong, nghĩa là không có bùn cát tại biên đầu vào và trong dòng chảy không có nồng độ bùn cát vào thời điểm ban đầu. 2.4.2. Các bước thiết lập mô hình mô phỏng xói cục bộ trụ cầu bằng phần mềm FSUM Bước 1: Nhập số liệu các thông số từ giao diện bao gồm kích thước dài, rộng, cao của máng, độ dốc dọc máng, kích thước bước lưới tính toán. 6 Bước 2: Thiết lập lưới sai phân, mô hình trụ cầu, thiết lập các biên miền tính toán tạo ra file FLG và thiết lập số lớp thẳng đứng tạo ra file HKK. Bước 3: Nhập số liệu các điều kiện biên: lưu lượng biên lối vào, mực nước biên lối ra, đường kính trung bình hạt d 50, biên rối tạo ra các file WSS, BDR, SSC và SED. Bước 4: Nhập số liệu tham số tính toán: độ nhám Manning, hệ số khuếch tán theo phương ngang, phương thẳng đứng, hệ số nhớt rối được hiệu chỉnh phân bố theo khu vực sao cho đạt được kết quả tính tốt nhất so với số liệu thí nghiệm. Bước 5: Nhập tham số thời gian: bước thời gian, tần suất ghi kết quả tính toán, thời gian chạy mô hình. Bước 6: Chạy chương trình. Bước 7: Xuất kết quả tính toán ra file dạng ASCII để so sánh với số liệu thực đo trong phòng thí nghiệm và trình bày đồ họa bởi phần mềm đồ họa TECPLOT 10.0, GNUPLOT 4.6. 2.5. Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục bộ trụ cầu 2.5.1. Thiết lập độ nhám theo khu vực 2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết a) Tại đáy sông khu vực xung quanh trụ cầu Khi trụ cầu đặt trong sông sẽ làm xáo trộn dòng chảy so với lúc bình thường khi không có mặt trụ cầu và làm tăng độ nhám. Giá trị tăng độ nhám phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng trụ cầu, kích thước của trụ so với toàn bộ mặt cắt ngang sông, số lượng trụ, cách bố trí trụ và khoảng cách giữa các trụ. Sự ảnh hưởng của bề mặt trụ cầu đến độ nhám là một hàm số của vận tốc dòng chảy. Vận tốc dòng chảy tại khu vực trụ cầu trong phương trình động lượng phụ thuộc vào độ nhám theo khu vực, đây là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình xói trụ cầu. 7 Cowan (1956) đề xuất công thức tính độ nhám trong điều kiện kênh đáy phẳng, mặt cắt hình chữ nhật, vật liệu đáy hạt đều: n=nb+n0 (2.5) trong đó, nb là giá trị độ nhám vật liệu đáy kênh trong điều kiện kênh thẳng, đáy phẳng; n0 là hệ số nhám do ảnh hưởng của vật cản (trụ cầu). Bảng 2.1 và 2.2 liệt kê giá trị của độ nhám n b và n0 tương ứng theo thống kê của Cục khảo sát địa chất Mỹ (USGS): Vật liệu đáy Cát Bê tông Đá Cát hạt thô Sỏi mịn Sỏi trung Sỏi thô Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám nb Đường kính trung Giá trị độ nhám nb bình hạt (mm) 0.2 0.012 0.3 0.017 0.4 0.020 0.5 0.022 0.6 0.023 0.8 0.025 1.0 0.026 0.012-0.018 0.011 1-2 0.026-0.035 0.024 2-64 0.028-0.035 0.026 Bảng 2.2: Giá trị hệ số nhám n0 Mức độ ảnh hưởng Không đáng kể Giá trị độ nhám n1 0.000-0.004 Có ảnh hưởng 0.005-0.015 Ảnh hưởng đáng kể 0.020-0.030 Ảnh hưởng lớn 0.040-0.050 Mô tả Diện tích chiếm chỗ của trụ nhỏ hơn 5% so với diện tích mặt cắt ngang kênh Diện tích chiếm chỗ của trụ từ 5% đến 15% so với diện tích mặt cắt ngang kênh Diện tích chiếm chỗ của trụ từ 15% đến 50% so với diện tích mặt cắt ngang kênh Diện tích chiếm chỗ của trụ lớn hơn 50% so với diện tích mặt cắt ngang kênh b) Tại bề mặt trụ cầu Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu theo kết quả nghiên cứu của Barnes (1967) được trình bày ở bảng 2.3. 8 Bảng 2.3: Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu Bề mặt vật liệu Độ nhám, n Bê tông xi măng 0.012 Thủy tinh 0.010 Nhựa dẻo, mica 0.009 Thép nhẵn 0.012 Gỗ phẳng 0.012 Gỗ thô 0.013 2.5.1.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh số liệu Để thiết lập mô đun hiệu chỉnh độ nhám cục bộ, trước hết thiết lập file chứa tọa độ các điểm bao quanh trụ cầu trong sơ đồ lưới sai phân, sử dụng file có đuôi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) và sử dụng phần mềm Exel trong trong Microsoft office 2007 để thiết lập giá trị độ nhám tại từng điểm theo tọa độ (i,j) với i theo phương x và j theo phương y (hình 2.2). Hình 2.2: Thiết lập khu vực nhám cục bộ xung quanh trụ Sau khi nhập tọa độ các điểm tính toán và gán giá trị độ nhám cục bộ theo vật liệu chế tạo trụ, tiếp tục xây dựng chương trình con tính toán được kết nối với chương trình chính của FSUM đặt tên là Mô-đun1. 2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt bùn cát 2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết Khi tính tốc độ chìm lắng của phần tử hạt sử dụng giả thiết các phần tử hạt riêng rẽ lắng tự do trong trạng thái nước yên tĩnh và không bị tác động bởi các phần tử hạt xung quanh đồng thời cũng giả thiết rằng các hạt phần tử là những khối hình cầu có hệ số ma sát tương đương với hệ số ma sát của các hạt tương ứng. Thực tế khi di 9 chuyển, các hạt mịn có thể liên kết thành một nhóm nhỏ di chuyển đồng thời dẫn đến tốc độ chìm lắng của những nhóm hạt này lớn hơn so với từng hạt rời trong cột nước. Mặt khác, tại những khu vực có nồng độ tập trung bùn cát lớn, dòng chảy bao quanh phần tử hạt có thể tạo ra ma sát hướng lên tác dụng vào các phần tử hạt xung quanh làm cản trở sự chìm lắng của các phần tử hạt (Van Rijn,1993). Do vậy, tốc độ lắng phần tử hạt thực tế, ký hiệu là w' s, nhỏ hơn so với giá trị ws được tính trong công thức của Soulsby (1997). w's = k.ws (2.6) Bằng kinh nghiệm chạy mô hình áp dụng để kiểm chứng các kết quả đo thí nghiệm, nghiên cứu sinh rút ra được hệ số thực nghiệm k=0.90-0.95 sẽ cho kết quả tính chiều sâu xói và hình dạng hố xói khá phù hợp khi so sánh với kết quả đo thực nghiệm. 2.5.2.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh Thiết lập mô đun hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng phần tử hạt, trước hết thiết lập miền tính toán xung quanh trụ cầu bằng phần mềm Matlab R2011 tạo ra các file có đuôi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) chứa tọa độ (i,j) và giá trị hệ số điều chỉnh k tại các điểm lưới sai phân trong miền tính toán với i theo phương x và j theo phương y (hình 2.4). Hình 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt Sau đó xây dựng chương trình con tính tốc độ chìm lắng phần tử hạt w's ký hiệu là Mô-đun2. 2.5.3. Thiết lập mô đun mô tả trường dòng chảy, vận tốc trước và sau trụ cầu dọc theo chiều dòng chảy 10 2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết Việc nghiên cứu cơ chế dòng chảy, trường vận tốc xung quanh trụ như sự hình thành của dòng chảy 3 chiều khi gặp trụ, các xoáy trục ngang sát đáy (xoáy hình móng ngựa), các xoáy đứng phía sau trụ, sự thay đổi vận tốc dòng chảy trước và sau trụ,..các vấn đề này giải thích cho sự hình thành và phát triển của xói cục bộ trụ cầu; phần lớn các nghiên cứu trước đây dựa vào nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để chỉ ra sự tồn tại của các hiện tượng vật lý diễn ra tại khu vực xung quanh trụ cầu, chưa có kết quả mô phỏng nào thể hiện chi tiết các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đó. 2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc Trên cơ sở các phương trình thủy động lực học 3 chiều để giải bài toán dòng chảy trên sông có vật cản (trụ cầu) được áp dụng tính toán trong phần mềm FSUM, nghiên cứu sinh đã thiết lập chương trình con theo dõi lát cắt thẳng đứng theo phương dọc máng tại các điểm có tọa độ lưới (i,j) đặt tên là Mô-đun3. 2.6. Kết luận Chương II Chương II đã trình bày cơ sở lý thuyết mô phỏng số, cách xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu dựa trên việc sử dụng FSUM. Trong quá trình áp dụng tính toán, luận án đã nêu ra được một số hiệu chỉnh cần thiết về hệ số nhám cục bộ cũng như vận tốc lắng của hạt bùn cát để cải thiện kết quả tính toán, mô phỏng riêng cho bài toán xói cục bộ trụ cầu. Để có cơ sở phân tích, đánh giá và kiểm chứng các kết quả tính toán xói cục bộ trụ cầu theo phương pháp mô phỏng số, chương III sẽ trình bày một số thí nghiệm mô hình vật lý với một số kịch bản khác nhau dựa theo các nguyên tắc về xây dựng mô hình thí nghiệm đã trình bày ở chương I. 11 CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM VỀ XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 3.1. Giới thiệu về các thí nghiệm 3.1.1. Mục tiêu và nguyên tắc xây dựng mô hình thí nghiệm Mục tiêu tiến hành các thí nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng số từ đó đánh giá khả năng áp dụng phần mềm mô phỏng số cho những trường hợp cụ thể được tiến hành. Nguyên tắc xây dựng mô hình thí nghiệm phải dựa trên nguyên lý tương tự thủy lực. Các điều kiện xây dựng mô hình thí nghiệm được thực hiện theo nghiên cứu của Behzad Ataie-Ashtiani (2013): - Tỷ lệ giữa bề rộng máng kính và kích thước cạnh trụ lớn hơn 6-7 lần để tường máng không ảnh hưởng đến quá trình xói và hình thành hố xói xung quanh trụ. - Tỷ lệ giữa chiều sâu dòng chảy và kích thước trụ cạnh trụ bằng 3-4 lần để chiều sâu xói không phụ thuộc vào chiều sâu dòng chảy. - Tỷ lệ giữa kích thước cạnh trụ và đường kính trung bình hạt, d50 lớn hơn 50 lần để đường kính hạt không ảnh hưởng đến chiều sâu xói. BÓ chøa n íc tuÇn hoµn Sơ đồ tổng thể thí nghiệm có thể mô tả như trên hình 3.2: Kªnh dÉn n íc KÝnh Mica 1.0m §Ëp thµnh máng ch÷ nhËt ®o l u l îng ch¶y vµo kªnh C¸t M« h×nh trô cÇu HÖ thèng èng dÉn n íc tuÇn hoµn Hình 3.2: Tóm tắt sơ đồ thí nghiệm 3.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.1. Công tác chuẩn bị 3.2.2. Trình tự thí nghiệm 3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất 12 Thí nghiệm thứ nhất được tiến hành với mô hình trụ đơn vuông có kích thước cạnh 0.1mx0.1m được đặt giữa tâm máng. Các thông số chính của thí nghiệm thứ nhất nêu tại bảng 3.2. Bảng 3.2. Các thông số mô hình thí nghiệm thứ nhất Thông số Lưu lượng Vận tốc trung bình dòng chảy Chiều sâu dòng chảy Chiều dài máng Bề rộng máng Kích thước trụ Số Reynolds trụ Kích thước hạt Ký hiệu Q U0 Giá trị 0.052 0.26 Đơn vị m3/s m/s h 0.20 m L B bxb Re d50 20 1.0 0.1x0.1 2.6x104 0.27 m m mxm mm 3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai Thí nghiệm thứ hai được tiến hành với mô hình hai trụ vuông có kích thước cạnh mỗi trụ 0.06mx0.06m được đặt dọc tâm máng theo chiều dòng chảy Các thông số chính của thí nghiệm thứ hai nêu tại bảng 3.3. Bảng 3.3. Các thông số mô hình thí nghiệm thứ hai Thông số Lưu lượng Vận tốc trung bình dòng chảy Chiều sâu dòng chảy Chiều dài máng Bề rộng máng Kích thước trụ Số Reynolds trụ Kích thước hạt Ký hiệu Q U0 Giá trị 0.05 0.25 Đơn vị m3/s m/s h 0.20 m L B bxb Re d50 20 1.0 0.06x0.06 1.32x104 0.27 m m mxm mm 3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba Thí nghiệm thứ ba được tiến hành với mô hình hai trụ vuông có kích thước cạnh mỗi trụ 0.03mx0.03m được đặt vuông góc với chiều 13 dòng chảy, đối xứng qua trục tâm máng Các thông số chính của thí nghiệm thứ ba nêu tại bảng 3.4. Bảng 3.4. Các thông số mô hình thí nghiệm thứ ba Tham số Lưu lượng Vận tốc trung bình dòng chảy Chiều sâu dòng chảy Chiều dài máng Bề rộng máng Kích thước trụ Tỷ số G/b (G là khoảng cách giữa hai trụ) Số Reynolds trụ Kích thước hạt Ký hiệu Q U0 Giá trị 0.046 0.23 Đơn vị m3/s m/s h 0.20 m L B bxb G/b 20 1.0 0.03x0.03 3 m m mxm - Re d50 0.69x104 0.27 mm 3.3. Các quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm Các thí nghiệm được tiến hành để nghiên cứu quá trình phát triển của xói cục bộ xung quanh trụ cầu. 3.3.1. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ nhất Chiều sâu xói tại trụ được đọc trực tiếp trên mặt trụ nhờ thước tỷ lệ ghi ở mặt trụ và kim đo. Số liệu đo cách nhau 5 phút cho 2 giờ đầu, 10 phút cho thời gian tiếp theo đến khi kết thúc thí nghiệm (sau 3.5 giờ). Theo quan sát tại thí nghiệm, xói bắt đầu hình thành tại hai mép cạnh trụ với phạm vi từ 80-90 0. Quá trình xói mang các hạt bùn cát từ phía trước trụ về phía hạ lưu. Do sự tăng tốc dòng chảy, các hạt bùn cát cứ tiếp tục bị cuốn đi tạo thành hố xói gia tăng về chiều rộng và chiều sâu. Sự tác động của cuộn xoáy cuốn trôi bùn cát xung quanh móng trụ cầu. Tốc độ di chuyển bùn cát từ móng trụ về phía hạ lưu lớn hơn tốc độ di chuyển bùn cát từ thượng lưu lấp vào hố xói, và do đó hố xói phát triển. Khi chiều sâu xói tăng, cường độ xoáy hình móng ngựa giảm dần, do đó làm giảm tốc độ xói tại khu 14 vực đáy trụ. Bùn cát ra khỏi hố xói thì bồi lắng phía sau trụ hình Chiềều sâu xói lớn nhâất (mm) thành đụn cát. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Thời gian (phút) Hình 3.10: Sự phát triển của chiều sâu xói cục bộ lớn nhất theo thời gian 3.3.2. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ hai Chiều sâu xói tại trụ được đọc trực tiếp trên mặt mỗi trụ nhờ thước tỷ lệ ghi ở mặt trụ và kim đo. Số liệu đo cách nhau 5 phút cho 2 giờ đầu, 10 phút cho thời gian tiếp theo đến khi kết thúc thí nghiệm (sau 5 giờ) Xói cục bộ tại chân các trụ: Quan sát quá trình thí nghiệm cho thấy cường độ và chiều sâu xói, kích thước hố xói tại trụ thứ nhất luôn lớn hơn tại trụ thứ hai trong suốt quá trình phát triển xói; chiều sâu xói lớn nhất tại mỗi trụ xuất hiện tại hai mép cạnh trước của từng trụ. Trụ thứ nhâất Trụ thứ hai 60 Chiềều sâu xói (mm) Chiềều sâu xói (mm) 70 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 140 180 220 260 300 120 160 200 240 280 Th ời gian đo (phút) Trước trụ Hai bên trụ Sau trụ 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 140 180 220 260 300 120 160 200 240 280 Th ời gian (phút) Trước trụ Hai bên trụ Sau trụ Hình 3.15: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian 3.3.3. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ ba 15 Chiều sâu xói tại trụ được đọc trực tiếp trên mặt mỗi trụ nhờ thước tỷ lệ ghi ở mặt trụ và kim đo. Số liệu đo cách nhau 5 phút cho 2 giờ đầu, 10 phút cho thời gian tiếp theo đến khi kết thúc thí nghiệm Chiềều sâu xói (mm) (sau 4.5 giờ). 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Trước trụ (điểm đo 1,1') Bên trụ (điểm đo 2) Bên trụ (điểm đo 2') 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 Sau trụ (điểm đo 3) 300 Thời gian (phút) Hình 3.20: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian 3.4. Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm Các kết quả đo đạc được tiến hành trên các mô hình thủy lực, các đối tượng trong mô hình đều được thu nhỏ theo tỷ lệ nhất định so với mô hình thực tế (nguyên bản) theo lý thuyết tương tự gồm tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học cơ bản đáp ứng được yêu cầu so với điều kiện trụ cầu trên sông thiên nhiên; tuy nhiên do hạn chế về điều kiện thí nghiệm nên chấp nhận một số giả thiết như sử dụng mặt cắt máng thí nghiệm là mặt cắt hình chữ nhật, máng thẳng, lưu lượng dòng chảy không đổi, xói chỉ xét trong điều kiện nước trong, vật liệu đáy sử dụng cát thiên nhiên không thể thu nhỏ đường kính hạt theo tỷ lệ vì nếu làm được như thế thì sẽ làm thay đổi bản chất bài toán (từ xói hạt thô sẽ thành xói trong đất dính), dòng chảy lúc này không đúng với dòng chảy thực tế trên sông, hơn nữa đặc tính xói của hai loại địa chất này hoàn toàn khác nhau. Mặt khác, mục tiêu của các thí nghiệm ở trên là dùng để kiểm chứng với kết quả mô phỏng số, do vậy các kết quả đo đạc thu được có đủ tin cậy để sử dụng cho nghiên cứu của luận án. 16 3.5. Kết luận chương III Trên cơ sở kết quả đo đạc và các thông số mô hình thí nghiệm, chương IV sẽ áp dụng phần mềm số FSUM cùng với các mô-đun cải tiến của nó để tính toán cho ba trường hợp bài toán tương ứng với ba kịch bản thí nghiệm đã trình bày ở trên, qua đó phân tích, đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng số với các kết quả nghiên cứu thí nghiệm. CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đơn 4.1.1. Thiết lập hình học Thiết lập hình học mô phỏng được thực hiện trên cơ sở lấy nguyên bản hình dạng, kích thước của mô hình thí nghiệm thứ nhất đối với bài toán trụ đơn, mô hình hình học có thể thiết lập là một khối hình hộp có kích thước dài 10m, rộng 1.0m, cao 1.0m, độ dốc đáy 1/1000, trụ cầu đơn vuông làm bằng gỗ (hệ số nhám mặt n=0.012) đặt giữa tâm khối có kích thước cạnh 0.1m 4.1.2. Thiết lập lưới mô phỏng Trong điều kiện bài toán đang xét, sau vài lần chạy thử bài toán, mô hình lưới 3 chiều dùng để mô phỏng được chọn với bước lưới đều ∆x=∆y=0.02m, trục z được chia thành 10 lớp tính toán với bước lưới ∆z=0.020m. Cấu trúc lưới được thiết lập với 24.964 ô lưới vuông trong mặt phẳng 0xy và 249.640 khối lập phương trong không gian 0xyz. 4.1.3. Xây dựng các điều kiện biên Bao gồm biên lối vào (thượng lưu) đặc trưng bởi lưu lượng Q và biên lối ra (hạ lưu) đặc trưng bởi cao độ mực nước . 17 4.1.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo xói thực nghiệm 4.1.4.1. Cơ chế dòng chảy, trường véc tơ vận tốc và xói xung quanh trụ Hình 4.4: Mô phỏng đường dòng trước và sau trụ Kết quả mô phỏng cho thấy dòng chảy khi gặp trụ cầu đã đổi hướng thành dòng chảy bao quanh trụ và dòng chảy đi xuống (hình 4.4), hố xói xuất hiện xung quanh đáy móng trụ cầu. Có thể thấy rằng dòng chảy xuống đã gây ra áp lực tác động lên đáy tạo ra các xoáy trục ngang (xoáy hình móng ngựa) là nguyên nhân gây tăng chiều sâu xói cục bộ xung quanh trụ cầu. Dòng chảy thẳng đứng trước trụ tăng cùng với sự gia tăng chiều sâu hố xói cho đến khi một trạng thái cân bằng đạt được. Sau hơn 3 giờ mô phỏng, chiều sâu xói tăng không đáng kể, coi như đã đạt đến chiều sâu xói cân bằng. Cũng trên hình 4.4, ta có thể thấy rằng dòng chảy trước trụ có xu hướng dâng cao ngay sát trước mặt trụ; xuất phát từ điểm tách dòng nằm gần mặt thoáng, các đường dòng hướng lên trên tương tác với mặt thoáng tạo thành các cuộn xoáy mặt. Mô phỏng cũng chỉ rõ sự tồn tại của khu vực bị chia cắt phía sau trụ xuất hiện các xoáy đứng sau nơi có các véc tơ vận tốc có chiều ngược với phương dòng chảy chính (hình 4.4). 4.1.4.2. Quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ theo thời gian Hình 4.5 mô tả quá trình phát triển của xói theo thời gian tương ứng với T=10 phút và 180 phút, màu đỏ thể hiện xói (mang giá trị