ỨNG DỤNG MÔ HÌNH RIVER2D VÀO MỘT SỐ BÀI TOÁN THỦY LỢI

Việc xác định được trường vận tốc, sự phân bố vận tốc và độ sâu dòng chảy trong sônglà một việc rất quan trọng trong ngành giao thông thủy, chỉnh trị sông và công trình ven bờ. Việcxác định trường vận tốc bằng những công thức giải tích hay bán kinh nghiệm thường cho kết quảkhông chính xác. Cùng với sự phát triển của công cụ máy tính và sự ra đời các phần mềm ứngdụng, việc xác định các yếu tố đặt trưng trong sông hay việc kiểm tra tác động lên công trình ngàycàng trở nên sát với...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH RIVER2D VÀO MỘT SỐ BÀI TOÁN THỦY LỢI Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH RIVER2D VÀO MỘT SỐ BÀI TOÁN THỦY LỢI APPLYING RIVER 2D MATHEMATICAL MODEL FOR MANY HYDRAULIC PROBLEMS SVTH: Võ Nguyễn Đức Phước1, Huỳnh Thị Thu Trâm2 Lớp: 106X2A, 206X2B, Khoa Xây dựng Thủy lợi - Thủy điện, Trường ĐHBK GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Hùng Khoa Xây dựng Thủy lợi - Thủy điện, Trường ĐHBK TÓM TẮT Việc xác định được trường vận tốc, sự phân bố vận tốc và độ sâu dòng chảy trong sônglà một việc rất quan trọng trong ngành giao thông thủy, chỉnh trị sông và công trình ven bờ. Việcxác định trường vận tốc bằng những công thức giải tích hay bán kinh nghiệm thường cho kết quảkhông chính xác. Cùng với sự phát triển của công cụ máy tính và sự ra đời các phần mềm ứngdụng, việc xác định các yếu tố đặt trưng trong sông hay việc kiểm tra tác động lên công trình ngàycàng trở nên sát với thực tế hơn. Phần mềm RIVER_2D là một trong số các phần mềm ứng dụngđó. Trong bài viết này, các tác giả ứng dụng mô hình RIVER_2D tính toán cho một số bài toánnhư: dự báo trường lưu tốc và mực nước ở một vùng hạ du sông Hàn, đoạn sông cong Hòa Mỹ -sông Vệ trước và sau khi bố trí các mỏ hàn chỉnh trị. ABSTRACT Defining velocity field and depth of flow is very impotant in transport engineering, river andcoastal training engineering. The results of analytical formulas or semi_empirical formulas of manycomplex flow problems are sometimes not good when compare with exact solutions. Using manyadvantages of numerical model and application softwares, the flow problems may be solve moreand more exact; River2D is the model for the purposes. In the paper, Authors apply RIVER2Dsolving for many problems: forecasting velocity fields and water level at downstream Han River,curved reach river at Hoa My of Ve river for defining characteristic elements of currents and verifingsome affections on hydraulic structures.1. Mục đích nghiên cứu - Giới thiệu chi tiết và đầy đủ toàn bộ cách thức sử dụng phần mềm River2D. - Tính toán dòng chảy ổn định có thể dùng để thiết kế mỏ hàn, kè lát mái, cốngqua đường, mố các trụ cầu, cửa lấy nước. Bên cạnh đó việc tính toán dòng ổn định làđiều kiện bắt buộc để làm số liệu biên đầu vào của tính dòng không ổn định, đưa rađiều kiện ban đầu chính xác để phép tính lặp ổn định. - Tính toán dòng chảy không ổn định dùng để dự báo lũ, tìm được các cao trìnhvà vận tốc mà dòng chảy tác dụng lên các công trình thiết kế khi lũ về.2. Chương trình RIVER2D2.1. Cơ sở tính toán của mô hình RIVER2D River2D là mô hình thủy động hai chiều dựa trên “ Mô hình toán nước nông haichiều ngang”. Nghĩa là giả thiết vận tốc theo phương thẳng đứng bằng không. Dokhông tính vận tốc theo chiều đứng nên những vùng có sự thay đổi dòng chảy và độ sâu 233 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010lớn cần tăng độ dày đặc và tam giác đều đặn hơn. Ta cần chú ý về sự quan trọng củaviệc rời rạc hóa này.2.1.1. Mô hình vật lý Dựa vào hai nguyên lý cơ bản là bảo toàn khối lượngvà động lượng. - Bảo toàn khối lượng: Ta rút ra được phương trình liên tục: t H t qx t q y + + =0 = +t x y Phát biểu: lượng nước có trong phần tử bằng tổnglượng vào trừ lượng đi ra. -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 độ sâu, theo các hưóng xvà y tương ứng; qx và qy là lưu lượng đơn vị các theo hướng x và y; τij là ứng suất theocác phương ij; Sox, Soy ma sát đáy theo các phương x, y tương ứng.2.1.2. Mô hình toán học Dùng 3 phương pháp trong bài toán rời rạc baogồm phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn, sai phân hữuhạn. Bài toán thành lập biến phân và sự rời rạc hóacủa phương trình liên tục dẫn đến hệ phương trìnhtuyến tính trong đó vận tốc và độ sâu tại các nút lướilà ẩn số. Từ mô hình vật lí ta có thể viết gọn: 234 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 C(H,U,V)=0 Mx(H,U,V)=0 My(H,U,V)=0 Dùng phép lặp thử dần với các điều kiện biên ban đầu của H,U, V, ta có ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ; ;C ( H ,U ,V ) = R C M X ( H , U , V ) = R X M y ( H , U , V ) = R y Đây là bài toán thử dần đến khi Rc, Rx, Ry tiến về không. Tích phân toàn bộ, bàitoán sử dụng phương pháp biến phân Galerkin, hay còn gọi là phương pháp trọng số dưvà giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp conjugate gradient. Chương trình chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán. Với phươngpháp này ta chia miền tính toán thành các phần tử rời rạc và nối với nhau bởi các nút vàvẫn giữ được tốcđộ giải chương trình như cũ.2.1.3. Các sơ đồ giải được dùng để giải bài toán River2D kết hợp 2 sơ đồ giải là sơ đồ hiện và sơ đồ ẩn và dùng phép lặpconjugate gradient để tìm ra nghiệm. Sơ đồ hiện thì tính toán toán đơn giản, nhanhchóng, nhưng sự ổn định phụ thuộc vào bước thời gian tính ∆t. Sơ đồ ẩn sự ổn địnhkhông phụ thuộc vào bước thời gian tính ∆t, nhưng tính toán lâu hơn.2.2. Chương trình River2d Chương trình River 2D được phát triển bởi trường đại học University of Alberta,và gồm có 4 modul nhỏ Bed, Ice, Mesh, và River 2D, mỗi modul có một chức năng riêng: R2D_BED đưa và xử lý số liệu địa hình; R2D_ICE mô tả bà ...