Báo cáo nghiên cứu khoa học: Phần mềm River 2D và ứng dụng thực tiễn của nó

R2D tính toán dựa trên các nguyên tắc vật lí cơ bản của định luật bảo toàn khối lượng và động lượng.Có 3 phương pháp mà sơ đồ của R2D áp dụng phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn và sai phân hữu hạn. Mỗi cái có thuận lợi và bất lợi. Phương pháp thể tích hữu hạn là ổn định và hiệu quả nhất trong khi phần tử hữu hạn lại cho số liệu đại hình một cách linh hoạt nhất
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo nghiên cứu khoa học: Phần mềm River 2D và ứng dụng thực tiễn của nó LOGO LOGO BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA  HỌC PHẦN MỀM RIVER2D VÀ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA  NÓ Giảng viên hướng dẫn : GS. Nguyễn Thế Hùng Sinh viên thực hiện   : Võ Nguyễn Đức Phước    : Huỳnh Thị Thu Trâm TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN  R2D tính toán dựa trên các nguyên tắc vật lí cơ  bản của định luật bảo toàn khối lượng và động  lượng  Có 3 phương pháp mà sơ đồ của R2D áp dụng:  phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn và sai phân  hữu hạn. Mỗi cái có thuận lợi và bất lợi. Phương  pháp thể tích hữu hạn là ổn định và hiệu quả  nhất trong khi phần tử hữu hạn lại cho số liệu địa  hình một cách linh hoạt nhất. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN  R2D yêu cầu số liệu địa hình, hệ số nhám và hệ số  nhớt, điều kiện biên và điều kiện ban đầu đưa vào,  đó là phải rời rạc hóa địa hình để tìm ra sự thay đổi  của dòng chảy.  Điều kiện biên được thiết lập ở tổng lưu lượng dòng  đi vào và đưa số liệu cao trình bề mặt nước ở cửa  mặt cắt đi ra.  Dòng điều kiện bờ (external boundry) sẽ giảm đi sự  ảnh hưởng của các số liệu không chính xác. Điều  kiện ban đầu là quan trọng ngay cả trong dòng  không ổn định được dùng để đoán trước được  nghiệm trong phép lặp   Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:  R2D mô hình bằng bài toán nước nông hai chiều,  nghĩa là giả thiết vận tốc không chảy theo phương  thẳng đứng mà chỉ chảy theo phương ngang  Nguyên lý của mô hình này là sự chuyển đổi từ  các đặc điểm toán học ra số học trên máy tính.  Bản chất là chuyển phép toán của ta thành đơn  giản bao gồm vô số điểm nút để máy tính làm việc  với hữu hạn nút và phần tử  Mô hình vật lý của bài toán là dựa vào hai nguyên  lý cơ bản là bảo toàn khối lượng và động lượng. Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:    Mô hình vật lí  Bảo toàn khối lượng: với  một phần tử nhỏ thì  ∂ H ∂ qx ∂ q y + + =0 ∂t ∂x ∂y  Phát biểu: lượng nước có  trong phần tử bằng tổng  lượng vào trừ lượng đi ra. Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:  Bảo toàn động lượng  Theo phương x: Theo phuơng y: Với H là độ sâu dòng chảy U và V là vận tốc trung bình theo hưóng x và y. qx và qy là lưu luợng nguyên tố theo hướng x và y. Mô hình toán nước nông hai chiều ngang: Mô hình toán học:   Dùng 3 phương pháp trong bài toán rời rạc bao  gồm phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn, sai phân  hữu hạn. Bài toán thành lập biến phân và sự rời rạc  hóa của phương trình liên tục dẫn đến hệ phương  trình tuyến tính trong đó vận tốc và độ sâu tại các  nút lưới là ẩn số.  Từ mô hình vật lí ta có thể viết gọn : C(H,U,V)=0;    Dùng phép lặp thử dần với các Mx(H,U,V)=0; điều kiện ban đầu My(H,U,V)=0;   của H,U,V ta có Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:  Đây là bài toán thử dần đến khi Rc,Rx,Ry tiến về  không. Tích phân toàn bộ, bài toán sử dụng  phương pháp biến phân Galerkin, hay còn gọi là  phương pháp trọng số dư và giải hệ phương trình  bằng phương pháp lặp conjugate gradient   Để giải bài toán thì mô hình river2d dùng  phương pháp phần tử hữu hạn để giải  Phương pháp phần tử hữu hạn chia miền tính  toán thành các phần tử rời rạc và nối với nhau  bởi các nút. Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:  Mặt thuận lợi nhất của  phương pháp phần tử hữu  hạn là linh động về mô tả địa  hình. Phần tử có thể thay đổi  kích thước và hình dạng dễ  dàng, cho phép các biên  phức tạp vẫn được tính toán  đầy đủ, cũng như cho phép  chia nhỏ địa hình ở các vùng  thay đổi lớn về vận tốc và  chiều cao.  Các sơ đồ giải thuật  Có 2 sơ đồ được dùng để giải bài toán là sơ đồ  hiện và sơ đồ ẩn.  Sơ đồ hiện tìm giá trị thời điểm t + Δt dựa vào  các nút xung quanh nút đó ở thời điểm t.  Sơ đồ ẩn từ giá trị một nút ở thời điểm t, lập ra  mối quan hệ giữa bốn nút xung quanh nó ở thời  điểm t+1. sau đó giải bằng phương pháp lặp kết  hợp conjugate gradient để tìm ra nghiệm LOGO MÔ HÌNH RIVER2D CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN PHẦN MỀM RIVER2D RIVER2D có 4 modull nhỏ, mỗi modull có một nhiệm vụ quan tr ọng khác nhau R2D-BED moodull địa hình 1 1 R2D_ICE (dùng cho sông có băng) 2 R2D_MESH rời rac hóa miền tính toán 3 RIVER2D tính toán dòng chảy 4 RIVER2D_BED R2d_bed.ico R2D_bed là chương trình đo vẽ địa hình, là bước đầu tiên trong quá trình mô hình hóa bằng R2D. Nó có cả bộ công cụ của chương trình, nhưng riêng nó có những tính năng hữu dụng sau Nhập và tinh lọc sữa chữa số liệu sao cho hợp lí nhất 1 2 Mặt định những đường biên, breakline 3 Đưa công trình thiết tế vào để kiểm tra Hiển thị trực quan bằng màu sắc các thông số 4 Thay đổi các đặt trưng vật lí trong R2D_BED  R2D_bed nhận số liệu từ file “*.txt” hoặc từ file  “*.bed” có chứa các thông số đặt trưng (tọa độ,  độ cao, độ nhám) của từng điểm • Khi nhận số liệu trong bed hiện lên các điểm  đã nhập. Nếu số liệu không tốt thì ta có thể  sửa chữa thay đổi hay loại bỏ chúng bằng lệnh  (edit nodes) • Chúng ta có thể thêm một vài điểm mới bằng  lệnh “add nodes” Thay đổi các đặt trưng vật lí  Đối với độ nhám ngoài vệc thay đổi các giá trị  đặt trưng cho từng nút như trên ta còn có thể  thay đổi cho cả 1 vùng.  Khi nhận thấy kết quả đã hợp lí ta có thể đưa công  trình thực tế vào để kiểm tra bằng lệnh “import” Thiết lập đường biên và Breakline trong BED * Ta có thể thiết lập đường biên trong R2D_bed  bằng các lệnh   @ define ext ...