Mô hình thủy động lực ba chiều và vận chuyển bùn cát tính toán diễn biến lòng dẫn xung quanh các công trình kè mỏ hàn (Phần II: Kiểm định mô hình thủy động lực ba chiều và phân tích, đánh giá)

Phần I đã trình bày cơ sở lý thuyết của mô hình vận chuyển bùn cát di đáy và lơ lửng, các hướng tiếp cận sai phân hóa và giải hệ phương trình. Trên cơ sở đó một mô hình thủy động lực ba chiều và vận chuyển bùn cát đã được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Fortran 9.0. Phần II này sẽ trình bày một số kết quả kiểm định mô hình toán về trường thủy động lực đã xây dựng với kết quả thí nghiệm vật lý về kết cấu đảo chiều hoàn lưu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình thủy động lực ba chiều và vận chuyển bùn cát tính toán diễn biến lòng dẫn xung quanh các công trình kè mỏ hàn (Phần II: Kiểm định mô hình thủy động lực ba chiều và phân tích, đánh giá)NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔIMÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU VÀVẬN CHUYỂN BÙN CÁT TÍNH TOÁN DIỄN BIẾN LÒNG DẪNXUNG QUANH CÁC CÔNG TRÌNH KÈ MỎ HÀNPhần II: Kiểm định mô hình thủy động lực ba chiều vàphân tích, đánh giáNguyễn Đức Hạnh(1), Trần Ngọc Anh(1) và Shinichiro Onda(2)(1)Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội(2)Trường Đại học Kyoto, Nhật BảnPhần I đã trình bày cơ sở lý thuyết của mô hình vận chuyển bùn cát di đáy và lơ lửng,các hướng tiếp cận sai phân hóa và giải hệ phương trình. Trên cơ sở đó một mô hìnhthủy động lực ba chiều và vận chuyển bùn cát đã được xây dựng bằng ngôn ngữ lậptrình Fortran 9.0. Phần II này sẽ trình bày một số kết quả kiểm định mô hình toán về trường thủyđộng lực đã xây dựng với kết quả thí nghiệm vật lý về kết cấu đảo chiều hoàn lưu. Các kết quả thínghiệm vật lý dùng để kiểm định ở đây đã được công bố trong bài báo “Nghiên cứu tác động củakết cấu đảo chiều hoàn lưu đến trường dòng chảy trong trường hợp dòng chảy ngập” [4]. Kết quảkiểm định cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình mô phỏng trường dòng chảy xung quanh mộtloại công trình chỉnh trị sông phức tạp. Do đó cũng có thể sử dụng các kết quả mô phỏng bằng môhình nhằm phân tích tác động của các công trình này đến trường dòng chảy, là cơ sở cho việc đánhgiá quá trình biến đổi đáy xung quanh công trình.Từ khóa: Mô hình 3D, kè mỏ hàn, chỉnh trị sông.1. Thí nghiệm vật lýTrong điều kiện sông tự nhiên khó có thể đođạc được một cách chính xác vận tốc dòng chảytheo cả ba chiều. Vì vậy, các nghiên cứu về môhình thủy động lực ba chiều từ trước tới nay, kếtquả mô hình thường được kiểm nghiệm với cácsố liệu đo đạc được từ thí nghiệm vật lý. Trongnghiên cứu này, mô hình thủy động lực ba chiềuđã xây dựng [1, 2, 3], kiểm nghiệm bằng một thínghiệm vật lý trong máng cong 1800 có 03 côngtrình đảo chiều hoàn lưu liên tiếp ở phía bờ lõm[4]. Chi tiết về thiết kế mô hình vật lý được thểhiện trong hình 1. Máng thí nghiệm có thànhthẳng đứng, rộng 0,6 m, gồm 2 đoạn máng thẳngcó chiều dài L = 3 m và một đoạn cong 1800 cóbán kính nhỏ (R1) và bán kính lớn (R2) tươngứng bằng 1,0 m và 1,6 m. Ở phía thành lõm củađoạn máng cong có bố trí 3 kè liên tiếp có chiềudài L1 = 0,2 m và L2= 0,2 m (hình 1). Mỗi kè cóchiều dày h = 0,1 m và được đặt cách đáy mángthí nghiệm một khoảng a = 0,1 m. Độ dốc mángthí nghiệm là S = 1/2000, lưu lượng đầu vào phíathượng lưu (Q) bằng 0,0321 m3/s, độ sâu dòngnước tại mặt cắt phía hạ lưu được giữ không đổi46TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 10 - 2015bằng 0,35 m. Vị trí các thủy trực đo vận tốc (theocả 3 chiều không gian) được bố trí xung quanhcác công trình (hình 2) trong đó một số các thủytrực được đánh số thứ tự từ 1 - 27 để dùng chocác phân tích, so sánh về vận tốc theo hướngngang và dọc theo chiều dòng chảy.2. Kết quả kiểm định mô hình số trịMô hình thủy động lực ba chiều dựa trên hệphương trình cơ bản đã xây dựng [2] được ápdụng thử nghiệm tính toán với các điều kiệntương tự như điều kiện trong thí nghiệm vật lý kểtrên. Lưới tính toán (hình 4) có kích thước i x jx k = 140 x 24 x 20 trong đó i là số ô lưới theochiều dòng chảy, j là số ô lưới theo chiều ngangdòng chảy, k là số ô lưới theo chiều thẳng đứng.Để có thể đánh giá được cụ thể hơn tính phùhợp của mô hình số, ta sẽ so sánh giữa thực đo vàtính toán: thành phần vận tốc hướng ngang dòngchảy tại các nhóm thủy trực (3, 4, 5, 6) thuộc mặtcắt A-A, (12, 13, 14, 15) thuộc mặt cắt B-B, (21,22, 23, 24) thuộc mặt cắt C-C; thành phần vận tốchướng xuôi theo chiều dòng chảy tại các nhómthủy trực (1, 2, 4, 7, 8, 9), (10, 11, 13, 16, 17, 18)và (19, 20, 22, 25, 26, 27) (vị trí các thủy trực nhưNgười đọc phản biện: PGS. TS. Nguyễn Kiên DũngNGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔItrong hình 2). Các kết quả so sánh được biểu thịnhư trên hình 4 và hình 5 trong đó trục hoành DHình 1.Sơ đồ mặt bằng của thí nghiệm vật lý(m) biểu thị khoảng cách so với công trình.Hình 2. Vị trí các thủy trực đo đạc trong thínghiệm vật lýHình 3. Lưới tính toán của mô hình số trịHình 4. Profile vận tốc theo phương thẳng đứng của thành phần vận tốc u (ngang sông)tại các thủy trựcTẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 10 - 201547NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔIHình 5. Profile vận tốc theo chiều thẳng đứngcủa thành phần vận tốc v (theo chiều dòng chảy)tại các thủy trựcNhìn chung có thể thấy rằng các kết quả môphỏng bằng mô hình thủy động lực ba chiều đãxây dựng là tương đối phù hợp với các kết quảđo đạc trong thí nghiệm vật lý, đặc biệt là phầnphía ngoài của các công trình. Phần phía trongcủa các công trình, tuy có một số khác biệt giữakết quả mô phỏng và số liệu đo đạc nhưng cả haiđều cho thấy rõ trường dòng chảy đã bị thay đổirõ rệt so với quy luật dòng chảy trong đoạn sôngcong bởi sự có mặt của ...