Một số kết quả thử nghiệm xây dựng mô hình thủy động lực ba chiều tính toán trường dòng chảy xung quanh công trình chỉnh trị sông

Bài báo này giới thiệu kết quả thử nghiệm mô hình với thí nghiệm vật lý đoạn sông thẳng có công trình nhằm cải tiến mô hình mô phỏng trường dòng chảy ba chiều xung quanh công trình chỉnh trị sông. Mô hình toán hiện là một phương pháp quan trọng trong nghiên cứu trường thủy động lực xung quanh các công trình chỉnh trị sông.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một số kết quả thử nghiệm xây dựng mô hình thủy động lực ba chiều tính toán trường dòng chảy xung quanh công trình chỉnh trị sôngNGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔIMỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNHTHỦY ĐỘNG LỰC BA CHIỀU TÍNH TOÁN TRƯỜNG DÒNGCHẢY XUNG QUANH CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ SÔNGTS. Nguyễn Kiên Dũng - Trung tâm Ứng dụng công nghệ và Bồi dưỡng nghiệp vụ KTTV và MTThS. Nguyễn Đức Hạnh - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nộiô hình toán hiện là một phương pháp quan trọng trong nghiên cứu trường thủy động lực xungquanh các công trình chỉnh trị sông. Bài báo này giới thiệu kết quả thử nghiệm mô hình với thínghiệm vật lý đoạn sông thẳng có công trình nhằm cải tiến mô hình mô phỏng trường dòngchảy ba chiều xung quanh công trình chỉnh trị sông.M1. Đặt vấn đềquanh công trình chỉnh trị sông như kè mỏ hàn vàĐể nghiên cứu, đánh giá được quá trình bồi xóixung quanh các công trình thủy lợi trên sông nhưtrụ cầu, kè đập, mỏ hàn,… trước hết phải tính toánđược trường dòng chảy xung quanh các công trìnhđó. Hiện nay, mô hình toán và vật lý là hai công cụquan trọng trong nghiên cứu trường thủy động lựcxung quanh các công trình thủy lợi.hố xói quanh các trụ cầu. Tuy nhiên, do thuật toánĐối với phương pháp mô hình toán, để môphỏng quá trình dòng chảy ba chiều (3D) rõ rệt, hệphương trình Navier-Stokes viết dưới dạng trungbình Reynold (RANS - Reynold Avaraged NavierStokes) ba chiều đầy đủ và phương trình liên tụctrong hệ tọa độ khớp biên di động đã được sửdụng. Để khép kín hệ phương trình nói trên, cầnphải thêm các phương trình mô tả ứng suất rốiReynold. Mô hình k- phi tuyến chứa các hàm thựcnghiệm thường được sử dụng và cho thấy khả năngmô phỏng tương đối tốt.trường dòng chảy ba chiều xung quanh công trìnhNhằm chứng tỏ tính ổn định và hợp lý của môhình số một số mô phỏng trường dòng chảy bachiều đã thực hiện và so sánh với các giá trị đo đạctrong phòng thí nghiệm. Mô hình của Kimura vàHosoda xây dựng với giả thiết độ nhớt rối được biếnđổi bằng hàm tắt dần Isawa và Hosoda công bố(1990) và tốc độ tiêu tán ở mặt thoáng được xácđịnh bằng công thức Siguyama và cộng sự đề xuất(1997) đã được kiểm định với thí nghiệm của Munita và Shimizu về dòng chảy xung quanh côngtrình kè mỏ hàn vuông góc. Nó đã tỏ rõ ưu thếtrong việc mô tả trường dòng chảy ba chiều xungNgười đọc phản biện: PGS. TS. Nguyễn Viết Lànhnhận diện công trình phụ thuộc vào mực nước vàtừng lớp tọa độ theo phương thẳng đứng nên môhình không áp dụng được cho các công trình kèhoàn lưu/tấm hướng dòng không liền khối và chảyở trạng thái không ngập.Với mục tiêu cải tiến mô hình nhằm mô phỏngchỉnh trị sông, bài báo này đã tiến hành thử nghiệmmô hình với thí nghiệm vật lý cho đoạn sông thẳngcó công trình.2. Một số kết quả thử nghiệm xây dựng môhình thủy động lực ba chiều tính toán trườngdòng chảy xung quanh các công trình chỉnh trịsônga. Kết quả thử nghiệm mô hình với thí nghiệmđoạn sông thẳng có công trìnhĐể chứng tỏ khả năng mô phỏng trường dòngchảy ba chiều xung quanh kè hoàn lưu, đặc biệtchú trọng đến các xoáy và dòng hoàn lưu thượngvà hạ lưu kè cũng như các dòng chảy vòng xungquanh khu vực công trình, bài báo này đã thửnghiệm mô hình khi có công trình kè hoàn lưuvuông góc với bờ.Thực nghiệm số được tiến hành với trường hợpkênh thẳng hình chữ nhật, dài 10 m, rộng 3 m (hình1); trên đó thiết lập kè mỏ hàn có chiều dày nhỏ vàxét các trường hợp: kè không ngập, chảy ngập vàhoàn lưu.TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 201451NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔIHình 1. Sơ đồ mô tả kênh vàcông trình thực nghiệm số1) Trường hợp kè không ngậpKết quả mô phỏng được trình bày trên các hình2 và 3 cho thấy, khi dòng chảy gặp phải kè khôngngập, tại mặt kè cả phía thượng và hạ lưu sẽ xuấthiện dòng đi xuống và do đó làm phát sinh xoáy, lõixoáy có vận tốc rất bé (giống như đã quan sát thấytrong thí nghiệm của Munita và Shimizu (1994). Mặtkhác, trên mặt phẳng nằm ngang cũng quan sátthấy các xoáy ở chân kè phía hạ lưu, là nguyên nhândẫn đến hiện tượng bồi tụ chân kè.Hình 2. Véc tơ vận tốc trên mặt cắt dọc tại mũi kè (a) và tại thân kè (b)Hình 3. Véc tơ vận tốc trên mặt ngang tại độ sâu (a) giữa thân kè và (b) trên mặt nước2) Trường hợp kè ngậpTrước khi mô phỏng kè chảy ngập, bài báo nàyđã tăng lưu lượng và mực nước để trường hợpkhông ngập trở thành kè ngập.Hình 4. Véc tơ vận tốc trên mặt cắt dọc tại (a) mũi kè và (b) giữa thân kè52TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔIHình 5. Véc tơ vận tốc trên mặt ngang tại độ sâu (a) giữa thân kè và (b) sát đỉnh kè3) Trường hợp kè hoàn lưuKè mỏ hàn dạng hoàn lưu được nghiên cứu ởđây thuộc dạng đơn giản, chỉ có hướng vuông gócvới bờ trong kênh thẳng (trong khi thực tế là kèhoàn lưu hướng dòng chữ L, và gốc kè cũng khôngvuông góc với bờ).Hình 6. Véc tơ vận tốc trên mặt cắt dọc tại mũi kè (a) và giữa thân kè (b)Hình 7. Véc tơ vận tốc trên mặt ngang tại độ sâu (a) g ...