Mô phỏng và nghiên cứu tưng tác sóng và đê ngầm chắn sóng

Hiểu được các tương tác giữa sóng và công trình biển nói chung, sóng và đê ngầm chắn sóng nói riêng là một vấn đề rất khó nhưng lại có ý nghĩa lớn trong thiết kế hiệu quả các công trình trên biển. Sóng tương tác với công trình trong vùng ven bờ
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng và nghiên cứu tưng tác sóng và đê ngầm chắn sóng MÔ PHỎNG VÀ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC SÓNG VÀ ĐÊ NGẦM CHẮN SÓNG TS. Phùng Đăng Hiếu Bộ môn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà nội1. Giới thiệu Hiểu được các tương tác giữa sóng và công trình biển nói chung, sóng và đêngầm chắn sóng nói riêng là một vấn đề rất khó nhưng lại có ý nghĩa lớn trong thiết kếhiệu quả các công trình trên biển. Sóng tương tác với công trình trong vùng ven bờthường rất phức tạp do tính chất kết hợp phi tuyến của nhiều quá trình thuỷ động lực.Thông thường để hiểu rõ các tương tác sóng và một công trình cụ thể dự kiến sẽ xâydựng thì các nhà thiết kế kỹ thuật phải thực hiện thí nghiệm đối với mô hình mẫu thunhỏ trong các máng thí nghiệm sóng trong phòng thí nghiệm cùng với sự trợ giúp củacác thiết bị đo áp suất, nồng độ bùn cát, vận tốc dòng chảy, v.v., do đó các chi phí khátốn kém. Trên thực tế các kết quả của thí nghiệm vật lý cũng còn chưa hoàn toàn tincậy do còn một số hạn chế như hiệu ứng tỷ lệ thu nhỏ, ảnh hưởng không thật của cácsóng phản xạ giả từ máy tạo sóng của máng sóng, v.v.. Trong một số năm gần đây, vớisự phát triển nhanh của tốc độ máy tính cộng với sự trợ giúp của các phương pháp sốhiện đại, khái niệm thí nghiệm số đã dần dần phổ biến trong một số ngành nghiên cứuứng dụng, trong đó có lĩnh vực kỹ thuật công trình và môi trường biển. Trong nghiên cứu trình bày ở đây sẽ đề cập đến việc phát triển và ứng dụng môhình toán mô phỏng và nghiên cứu các tương tác giữa sóng và đê ngầm chắn sóng. Môhình số dựa trên việc giải số hệ phương trình Navier-Stokes mở rộng cho môi trườngxốp cùng với sự trợ giúp của phưng pháp VOF (Volume Of Fluid) hiện đại (Hiếu vànnk, 2004), được ứng dụng vào nghiên cứu các tương tác của sóng và công trình xốp.Trước tiên mô hình số được tính toán kiểm nghiệm với việc mô phỏng tương tác phituyến trong hệ sóng đứng có so sánh với nghiệm lý thuyết của Goda (1968); Tính toánkiểm nghiệm cũng được thực hiện cho trường hợp truyền sóng và sóng đổ trên sườnthoải có đê ngầm xốp. Các kết quả được so sánh với các số liệu thí nghiệm đã đượcxuất bản. Sau đó mô hình toán được áp dụng nghiên cứu tương tác sóng và đê xốpngầm. Kết quả mô phỏng số cho thấy tồn tại một phạm vi giới hạn hiệu quả của độ xốpcủa đê ngầm cho phép chắn sóng hiệu quả nhất. Các kết quả của nghiên cứu cũng gợiý cho thấy có khả năng xây dựng một máng sóng thí nghiệm số phục vụ cho nghiêncứu và thiết kế các công trình biển.2. Mô hình toán2.1. Hệ phương trình cơ bản Dựa trên hệ phưng trình Navier-Stokes, Sakakiyama và Kajima (1992) đã pháttriển hệ phương trình mở rộng cho dòng rối không ổn định trong môi trường xốp,trong đó sức cản của môi trường xốp được mô hình hoá bằng ứng lực kéo và lực quántính. Trong nghiên cứu này giả thiết chất lỏng không nén, mô hình 2D bao gồmTuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 211phương trình liên tục và các phương trình Navier-Stokes mở rộng cho môi trường xốpcủa Sakakiyama và Kajima (1992) được sử dụng làm hệ phương trình xuất phát mô tảchuyển động của chất lỏng: Phương trình liên tục: ∂γ xu ∂γ zw + = qγv (1) ∂x ∂z Phương trình Navier-Stokes mở rộng (theo phương x và z): ∂u ∂λ x uu ∂λ z wu γ ∂p ∂ ⎧ ⎛ ∂u ⎞ ⎫ ∂ ⎧ ⎛ ∂u ∂w ⎞⎫λv + + =− v + ⎨γ xν e ⎜ 2 ⎟⎬ + ⎨γ zν e ⎜ + ⎟⎬ − D x u − R x + q u (2) ∂t ∂x ∂z ρ ∂x ∂x ⎩ ⎝ ∂x ⎠⎭ ∂z ⎩ ⎝ ∂z ∂x ⎠⎭ ∂w ∂λxuw ∂λz ww γ ∂p ∂ ⎧ ⎛ ∂w ∂u ⎞⎫ ∂ ⎧ ⎛ ∂w ⎞⎫ (3)λv + + =− v + ⎨γ xν e ⎜ + ⎟⎬ + ⎨γ zν e ⎜ 2 ⎟⎬ − Dz w − Rz − γ v g + qw ∂t ∂x ∂z ρ ∂z ∂x ⎩ ⎝ ∂x ∂z ⎠⎭ ∂z ⎩ ⎝ ∂z ⎠⎭trong đó t: thời gian; x và z: toạ độ ngang và đứng; u, w: thành phần vận tốc theo phươngngang và đứng; ρ: mật độ chất lỏng; p: áp suất; νe: hệ số nhớt (tổng của hệ số nhớt phântử và nhớt rối); g: gia tốc trọng trường; γv: độ xốp; γx, γz: độ xốp chiếu lên phương z và x; q : hàm nguồn tạo sóng; qu, qw: hàm nguồn trên phương x và z; Dx, Dz: các hệ số tiêu tánnăng lượng trên phương x và z; Rx, Rz: lực cản do môi trường xốp. Các hệ số λv, λx, λzđược định nghĩa như sau: λv = γ v + (1 − γ v )C M ⎫ ⎪ λ x = γ x + (1 − γ x )C M ⎬ (4) λ z = γ z + (1 − γ z )C M ⎪ ⎭ở đây CM là hệ số quán tính.Các lực cản Rx và Rz được xác định như sau: 1 CD ...