Mô hình vận tốc lắng của hạt trong vận chuyển bùn cát dính lơ lửng

Trong môi trường tự nhiên, vận chuyển bùn cát dính bao gồm nhiều quá trình phức tạp như kết bông và phá vỡ, lan truyền và khuếch tán, lắng, lắng đọng, cố kết, và xói mòn. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về chủ đề này, tuy nhiên vẫn có sự sai khác đáng kể đối với nồng độ bùn cát lơ lửng giữa kết quả tính toán và đo đạc thực tế.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình vận tốc lắng của hạt trong vận chuyển bùn cát dính lơ lửng Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2016. ISBN : 978-604-82-1980-2 MÔ HÌNH VẬN TỐC LẮNG CỦA HẠT TRONG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DÍNH LƠ LỬNG Nguyễn Hoàng Hà1, Lloyd H.C. Chua2 1 Trường Đại học Thủy lợi, email: nguyenhoangha@tlu.edu.vn 2 Deakin University 1. GIỚI THIỆU CHUNG với ρs và ρ là khối lượng riêng của hạt và của Trong môi trường tự nhiên, vận chuyển chất lỏng, g là gia tốc trọng trường, D là bùn cát dính bao gồm nhiều quá trình phức đường kính của hạt, CD là hệ số cản và phụ tạp như kết bông và phá vỡ, lan truyền và thuộc vào số Reynolds của hạt (Rep ≡ wsD/ν khuếch tán, lắng, lắng đọng, cố kết, và xói với ν là độ nhớt động học của chất lỏng). mòn. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về chủ Việc xác định vận tốc lắng của hạt trong đề này, tuy nhiên vẫn có sự sai khác đáng kể nhóm hạt phức tạp hơn nhiều. Các mô hình đối với nồng độ bùn cát lơ lửng giữa kết quả toán hiện nay thường sử dụng các công thức tính toán và đo đạc thực tế. Để cải thiện điều được xây dựng từ các suy luận định tính. này đòi hỏi cần có những mô hình thích hợp Theo Richardson và Zaki [1, 4]: mô tả đầy đủ các quá trình trên. Ws =Ws (1-Φ*)p (4) Trong mô hình vận chuyển bùn cát [4], tốc với Φ* = min(1.0, φ), φ = c/cgel, p là hằng số độ lắng (SS) được xác định theo biểu thức (1) mũ, cgel là nồng độ khối lượng tương ứng khi với WS là vận tốc lắng của hạt trong nhóm hạt hỗn hợp bùn cát bắt đầu đạt trạng thái keo. và c là nồng độ khối lượng của bùn cát lơ lửng. Theo Winterwerp (Hình 1) [5, 1]: SS = WS c (1) (1 − Φ* )(1 − φp ) Trong trường hợp chỉ có dòng chảy đơn WS = w s (5) 1 + 2.5φp thuần (không có sóng), tốc độ lắng đọng của bùn cát xuống đáy (SD) được xác định: với φp = c/ρs là nồng độ thể tích của hạt, cFloc SD = 0 nếu τc ≤ τcd là ngưỡng nồng độ để quá trình kết bông có thể xảy ra, cHinder là ngưỡng nồng độ khi ws ⎛ τ ⎞ SD = cb WS ⎜1 − c ⎟ , nếu τc > τcd (2) không tăng thêm và WS bắt đầu giảm. ⎝ τcd ⎠ với cb là nồng độ khối lượng của bùn cát lơ lửng sát đáy, τc là ứng suất tiếp đáy do dòng chảy, và τcd là ứng suất tiếp đáy tới hạn đối với quá trình lắng đọng. Do SS và SD tham gia vào phương trình vận chuyển bùn cát nên việc nghiên cứu đề xuất mô hình WS là cần thiết. Hình 1. Mô hình của Winterwerp 2. MÔ HÌNH VẬN TỐC LẮNG cho WS (trái) và ws (phải) [5, 1]. Vận tốc lắng của một hạt đơn lẻ (ws) rơi Mô hình cho WS dựa vào luật Stokes có trong chất lỏng tĩnh tuân theo luật Stokes [4]: dạng [3]: 4(ρs − ρ)gD 4(ρf − ρm )gDf Ws = (3) Ws = (1 − φ) (6) 3ρCD 3ρm CD.mt 356 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2016. ISBN : 978-604-82-1980-2 với φ, ρf, và Df tương ứng là nồng độ thể tích, Ecolab_MT có xét tới các quá trình kết khối lượng riêng, và đường kính của các hạt bông và phá vỡ, lan truyền và khuếch tán, bông kết, ρm là khối lượng riêng của hỗn hợp lắng, lắng đọng, và xói mòn [3]; sử dụng biểu nước và bùn cát, CD,mt phụ thuộc vào Rep,mt thức (6) cho vận tốc lắng, biểu thức (1) cho (số Reynolds của hạt bông kết trong hỗn hợp SS, biểu thức (2) cho SD, biểu thức (7) [1, 4] có xét tới ảnh hưởng độ rối của dòng chảy); cho tốc độ xói mòn bùn cát đáy (SE), thành phần (1 − φ) xét tới ảnh hưởng tới vận SE = 0, nếu τc ≤ τce, tốc lắng của hạt do dòng chảy ngược với vận n ⎛τ ⎞ tốc lắng khi hỗn hợp lắng xuống. Mô hình SE = E ⎜ c − 1⎟ nếu τc > τce và đáy có độ này thể hiện đầy đủ các đặc trưng của vận tốc ⎝ τce ⎠ lắng như trên Hình 1 [3]. chặt không đổi, SE = E o ex p [α(τc − τce )1/2 ] (7) 3. MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DÍNH ECOLAB_MT nếu τc>τce và đáy có độ chặt tăng dần theo độ 3.1. Xây dựng mô hình Ecolab_MT sâu với τce là ứng suất tiếp đáy giới hạn của bùn cát đáy đối với quá trình xói mòn; n, E, Mô hình vận chuyển bùn cát dính E0, và α là các hệ số thể hiện khả năng xói Ecolab_MT được xây dựng trên nền Ecolab của đáy. của MIKE Zero (Hình 2) và được tích hợp Mô hình Ecolab_MT được kiểm tra, so với MIKE 3 Flow Model FM (Hình 3); Kết sánh với mô hình vận chuyển bùn cát dính quả trường dòng chảy từ Hydrodynamic MT của MIKE 3 cho một số sơ đồ đơn giản Module và Advection Dispersion Module (Hình 4). Trong những trường hợp đơn giản, được cập nhật và sử dụng trong phần tính ví dụ khi WS là hằng số, Ecolab_MT và MT toán vận chuyển bùn cát dính của cho các kết quả tương tự nhau (Hình 5); các Ecolab_MT [3]. kết quả so sánh khác khi sử dụng MT với biểu thứ ...