Luận án nghiên cứu lựa chọn phương án thi công khoan nổ đường hầm bằng mô phỏng

Xuất phát từ cơ sở lý luận trên, nhằm từng bước khắc phục nhược điểm này, góp phần dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu sinh NCS một mặt kế thừa số liệu của bảng thủy tr

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Công tác dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải của nước ta, hầu hết được thực hiện bởi hoa tiêu bắt buộc Việc tính toán thời gian dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải để cập cầu cảng phục vụ công tác xếp, dỡ hàng hóa hay dẫn tàu đến khu neo đậu phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong thực tiễn hàng hải

để đảm bảo điều động tàu cập cầu hay neo đậu an toàn, nguyên tắc chung là cập ngược nước (cập cầu ngược với chiều dòng chảy) Vì vậy, một trong những yếu tố quan trọng là tính toán thuỷ triều hay còn gọi dòng triều (dòng chảy do thủy triều gây ra và có tính chất tuần hoàn), bởi vì thuỷ triều lên hay rút sẽ tạo ra dòng chảy ảnh hưởng trực tiếp đến công tác dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải, đặc biệt thời điểm tàu đến khu vực điều động cập cầu

Hiện nay, hoa tiêu và thuyền trưởng dẫn tàu trên các tuyến luồng hàng hải của Việt Nam đều dùng bảng thuỷ triều (gồm 3 tập) [47] do Trung tâm Hải văn thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam (Bộ Tài nguyên và Môi trường) ấn hành hoặc dùng bảng thủy triều Anh do Văn phòng thủy đạc Anh xuất bản [62], mỗi năm một bộ và hàng năm đều thay đổi Như vậy, số liệu công bố trong bảng thủy triều đều được biết trước Tuy nhiên, việc dùng bảng thuỷ triều xuất hiện những nhược điểm là: Bảng thuỷ triều chỉ cho biết thời gian và độ cao nước lớn và nước ròng trong một ngày tại một khu vực địa lý, nghĩa là mang tính tức thời Mặt khác, ngay cả một số tuyến luồng hàng hải

đã trang bị phần mềm có chức năng hiển thị mực thủy triều, nhưng cũng mang tính chất tức thời và hiển thị tại một khu vực địa lý nhất định

Vì vậy, việc dự đoán thuỷ triều tại các thời điểm khác (không được ghi trong bảng thuỷ triều) cần phải tính toán nội suy Việc này ít nhiều dẫn đến suy giảm độ chính xác, không có tính liên tục và không trực quan, gây khó khăn cho hoa tiêu và thuyền trưởng trong quá trình dẫn tàu, đặc biệt khi dẫn

tàu hành trình trong tuyến luồng hàng hải, và đây chính là điểm hạn chế lớn nhất

Trên các bình đồ hay còn gọi hải đồ cảng (Habour chart), kể cả hải đồ

điện tử của khu vực hàng hải, đặc biệt là tuyến luồng hàng hải chưa thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy mang tính liên tục [29], [42], [46], [75] Nếu có thể hiện được hướng và tốc độ dòng chảy thì chỉ một số cảng đóng, bởi vì ở

đó không có sự lên xuống của thủy triều, việc thể hiện này suy cho cùng cũng không có ý nghĩa gì trong việc dẫn tàu ra vào luồng đến cảng nơi đó Hải đồ điện tử của một số khu vực tuyến luồng hàng hải có thể tích hợp chức năng dòng triều khu vực, nhưng cũng dừng ở mức độ hiển thị dưới dạng số liệu theo bảng thủy triều hay dạng đường cong thủy triều Như vậy, nếu tồn tại thì trường hợp này cũng phải nội suy gần đúng hướng và tốc độ dòng triều

Xuất phát từ cơ sở lý luận trên, nhằm từng bước khắc phục nhược điểm này, góp phần dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu sinh (NCS) một mặt kế thừa số liệu của bảng thủy triều [47] và số liệu của các trạm quan trắc mực thủy triều trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng [45], mặt khác, với số liệu khảo sát, đo đạc thực tế tại thực địa của khu vực nghiên cứu

[34], kết hợp ứng dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) với Fluent -

Ansys, để tính toán mô phỏng và sử dụng kỹ thuật xây dựng bản đồ khu vực,

để đưa ra bản đồ dòng chảy (dòng triều) Trên bản đồ dòng chảy hiển thị tường minh và liên tục hướng, tốc độ dòng chảy tại từng thời điểm của mỗi ngày và các ngày trong năm của khu vực khảo sát nghiên cứu, cụ thể là khu vực tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đây chính là lý do để NCS lựa chọn,

nghiên cứu và thực hiện đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn”

Việc nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện khảo sát, đo đạc trực tiếp tại thực địa trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng [34], kết hợp khảo sát thu thập bộ dữ liệu đo đạc của các trạm đo mực thủy triều ở trên đoạn luồng của

tuyến luồng hàng hải Hải Phòng (gồm các trạm: Arroyo, Sông Cấm và Lạch Huyện) do Tổng Công ty Bảo đảm An toàn hàng hải Miền Bắc quản lý [45] Đây chính là hệ thống quan trắc và cung cấp thông tin mực thủy triều theo thời gian thực mang tính tức thời tại tuyến luồng Hải Phòng, nhằm bảo đảm

an toàn hàng hải và hoa tiêu hàng hải

Điều quan trọng là NCS đã kết hợp chặt chẽ vấn đề nghiên cứu trong đề tài luận án tiến sĩ với vấn đề nghiên cứu của đề tài Khoa học - Công nghệ cấp

Bộ Giao thông vận tải, mà NCS là thành viên thực hiện chính đề tài, là đồng tác giả viết các chương của sách chuyên khảo (là một dạng sản phẩm khoa học của đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải), cụ thể:

- Đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải năm 2018

38: “Nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy phục vụ công tác dẫn tàu an toàn trên tuyến luồng hàng hải - Thực hiện thí điểm trên tuyến luồng Hải Phòng”, mã số: DT183035 do PGS TS Phạm Kỳ Quang - Chủ

nhiệm đề tài, NCS là thành viên thực hiện chính, cùng một số thành viên khác tham gia;

- Sách chuyên khảo 10: “Ứng dụng CFD xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải” Nhà xuất bản Hàng hải, ISBN: 978-604-937-217-9, 02/2020, PGS TS TTr Phạm Kỳ Quang, TS Vũ Văn Duy (Chủ biên), NCS

là tác giả thực hiện chính, cùng một số tác giả khác tham gia

Mặt khác, NCS là thành viên tham gia một số đề tài Khoa học - Công nghệ cấp Bộ Giao thông vận tải khác [25], [37], [39]

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Đối tượng nghiên cứu:

Sự thay đổi vận tốc và hướng của dòng chảy do hiện tượng thủy triều gây ra (dòng triều) trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng theo thời gian thực

- Phạm vi nghiên cứu:

Đưa ra dạng mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng,

trên cơ sở thiết lập mô hình nghiên cứu, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng dòng chảy theo giờ và theo ngày Từ đó nghiên cứu xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy trong 365 ngày

Việc nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với khảo sát, đo đạc thực tế ngoài thực địa tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng và sử dụng số liệu theo bảng thủy triều Việt Nam kết hợp số liệu tổng hợp tại các trạm đo mực thủy triều, sẽ đưa ra số liệu đầu vào là vận tốc dòng chảy (Vdc) chính xác, tin cậy

và bám sát điều kiện biên, phục vụ xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng sát với thực tế

Giới hạn không xét đến các vấn đề: Nguyên lý xây dựng bản đồ hàng hải, nguyên nhân gây ra thủy triều và độ trễ thủy triều, các yếu tố ảnh hưởng đến thủy triều, hiện tượng biến đổi bất thường và cục bộ của điều kiện khí tượng thủy văn trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, như: Lũ lụt, sóng, gió, mưa cục bộ, ngăn dòng, hạn hán,… làm thay đổi cục bộ dòng triều

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, cụ thể:

- Nghiên cứu lý thuyết:

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, về tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, nghiên cứu cơ sở khoa học về động lực học dòng chảy trong tuyến luồng hàng hải, nghiên cứu tính toán thủy triều trong hàng hải, cơ

sở khoa học chia các đoạn luồng trên tuyến luồng Hải Phòng để tính toán mô phỏng, xây dựng mô hình nghiên cứu bám sát thực tế, mô hình toán, lựa chọn

và ứng dụng CFD với Fluent - Ansys tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng Hải Phòng theo thời gian thực

Nghiên cứu đề xuất mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn

- Nghiên cứu thực nghiệm:

Thực hiện khảo sát, đo đạc dòng chảy thực tế ngoài thực địa tại các đoạn của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đây là dòng chảy thực tế đã tính đến các điều kiện ảnh hưởng khác, đồng thời kết hợp số liệu từ bảng thủy triều và số liệu đo đạc của các trạm đo mực thủy triều trên các đoạn luồng, để đưa ra dữ liệu đầu vào là vận tốc dòng chảy (Vdc) chính xác và tin cậy, phục

vụ xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng sát thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học trong tuyến luồng hàng hải và bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải, để xây dựng mô hình nghiên cứu bám sát thực tiễn, phục vụ tính toán mô phỏng bằng CFD với Fluent - Ansys Kết quả đạt được đã góp phần hoàn thiện một bước cơ sở lý luận liên quan đến vấn đề nghiên cứu và có đóng góp nhất định cho khoa học chuyên ngành hàng hải;

- Thiết lập cơ sở khoa học và các bước cơ bản xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải, ứng dụng thử nghiệm tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Từ cơ sở lý luận này có thể mở rộng áp dụng cho các tuyến luồng hàng hải khác phục vụ công tác dẫn tàu an toàn

- Xây dựng bản đồ dòng chảy trên đó thể hiện hướng, vận tốc dòng chảy trực quan, tường minh và mang tính liên tục trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng theo từng giờ, từng ngày trong năm khảo sát Việc sử dụng bản đồ dòng chảy bước đầu thay thế bảng thuỷ triều, giúp hoa tiêu, thuyền trưởng dẫn tàu trên tuyến luồng hàng hải an toàn, đặc biệt khi tàu thay đổi hướng chuyển động trên một số điểm có nguy cơ mất an toàn cao, khúc cua gấp, có thể theo dõi liên tục hướng, tốc độ dòng chảy theo từng giờ trong ngày một cách liên tục, chính xác và tường minh Vấn đề này có ý nghĩa thực tiễn, đóng góp nhất định cho chuyên ngành khoa học hàng hải

6 Những điểm đóng góp mới của luận án

- Đề xuất phân chia tuyến luồng thành các đoạn luồng phù hợp tính chất và đặc thù của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Xây dựng quy trình chung ứng dụng CFD với Fluent - Ansys tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng hàng hải, đồng thời áp dụng cho đối tượng cụ thể là tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

- Đưa ra phương pháp luận và tính toán hệ số hiệu chỉnh bảng thủy triều mới xây dựng (kxd) Đặc biệt phương pháp xác định điều kiện biên

là vận tốc dòng chảy (Vdc) đã tính đến hai hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm klh và kdc

- Đưa ra mẫu bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, thể hiện chi tiết hướng và tốc độ dòng chảy liên tục theo thời gian thực, phục vụ công tác dẫn tàu an toàn

7 Kết cấu của luận án

Kết cấu của đề tài luận án gồm các phần thứ tự sau:

- Mở đầu;

- Nội dung (chia thành 4 chương);

- Kết luận và kiến nghị;

- Danh mục các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án;

- Tài liệu tham khảo;

- Phụ lục (gồm 6 phụ lục)

Nội dung của luận án được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về xây dựng bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Chương 2 Cơ sở lý luận động lực học dòng chảy, ảnh hưởng của dòng chảy đến sự chuyển động của tàu và ứng dụng CFD tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng

Chương 3 Tính toán mô phỏng dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng thử nghiệm bản

đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ DÒNG CHẢY TUYẾN LUỒNG HÀNG HẢI HẢI PHÒNG

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu của luận án

1.1.1 T ình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án

Nghiên cứu sinh đã nghiên cứu, tìm tòi tài liệu và phân tích cụ thể lĩnh vực nghiên cứu của luận án với các công trình đã công bố liên quan ở trong nước và thế giới, có thể kể đến một số công trình tiêu biểu sau:

Trên thế giới, đặc biệt là hãng sản xuất Admiralty chart and publications (Vương quốc Anh) đã sản xuất các loại bản đồ, hải đồ, ấn phẩm hàng hải, phục vụ công tác hàng hải, công tác dẫn tàu phát triển rất rực rỡ và được sử

(British Admiralty chart - BA chart) cũng không xuất hiện hướng và tốc độ dòng chảy liên tục, nếu có cũng chỉ xuất hiện tức thời hướng dòng chảy tại một điểm hay khu vực nào đó của hải đồ, hoặc xuất hiện một số điểm đánh dấu thủy triều và được giải thích ở phía góc của hải đồ

Cụ thể, các hải đồ do Anh sản xuất liên quan đến khu vực Hải Phòng, như: BA chart № 1965, 3875, 3881 và ngay cả bình đồ (hải đồ cảng - Habour

tốc độ dòng chảy của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Ấn phẩm hàng hải của Anh số 30, tập 1 (BA China Sea Pilot, Vol 1, NP 30) cũng chỉ giải thích thủy triều, dòng triều khu vực liên quan của Hải Phòng [58]

phẩm hàng hải, sử dụng riêng cho vùng lãnh thổ, khu thủy nội địa của mình Trong các ấn phẩm hàng hải đã có bản đồ dòng chảy trên các bề mặt đại

hải có cách nhìn tổng quan và tham khảo về hệ thống dòng chảy trên thế giới, một phần giúp ích trong công tác hàng hải, đặc biệt là hàng hải khí tượng

Ngoài ra, một số công trình công bố liên quan sử dụng phương pháp số tính toán mô phỏng dòng triều tại Vịnh Bắc Bộ [60], [63], [64],…:

- Năm 1998, Manh, D V, and Yanagi T “A threedimensional numerical model of tide and tidal current in the Gulf of Tongking”

Oceanographic Literature Review, 45(1): 22

- Năm 1999, Fang G Kwok, Y K, Yu K, and Zhu Y “Numerical simulation of principal tidal constituents in the South China Sea, Gulf of Tonkin and Gulf of Thailand” Continental Shelf Research, 19(7): 845-869;

- Năm 2000, Manh D V and Yanagi T “A study on residual flow in the Gulf of Tongking” Journal of oceanography, 56(1): 59-68

Damien A, and Van Uu D “Tidal characteristics of the gulf of Tonkin”

Continental Shelf Research, 91, 37-56

Ngoài ra, còn nhiều nhà khoa học, chuyên gia nước ngoài có công trình khoa học, tài liệu khoa học công bố liên quan đến ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phòng động lực học dòng chảy trong những điều kiện

và môi trường khác nhau, như [56], [57], [59], [61], [71]

1.1.2 T ình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến luận án

các vùng biển của Việt Nam Tuy nhiên, số liệu đo đạc, dữ liệu được tham khảo từ dữ liệu hải đồ Anh Trên hải đồ giấy hay ngay cả bình đồ, chẳng hạn trên tờ bình đồ I-25-022 - Lối vào cảng Hải Phòng (hình 1.1), tờ bình đồ I-25-

031 - Từ Lạch Huyện đến Hòn Dấu (hình 1.3) cập nhật tháng 9/2020 [42], không thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy liên tục, nếu có xuất hiện thì cũng chỉ mang tính tức thời hướng dòng chảy tại một điểm hay khu vực nào đó của bình đồ

không thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy liên tục [29]

Hình 1.1 Bình đồ I-25-022 - Lối vào cảng Hải Phòng

Hình 1.2 Minh họa phóng to một khu vực trên bình đồ I-25-022

Hình 1.3 Bình đồ I-25-031 - Từ Lạch Huyện đến Hòn Dấu

Hình 1.4 Minh họa phóng to một khu vực trên bình đồ I-25-031

Hiện nay Tổng công ty Bảo đảm an toàn hàng hải Miền Bắc và Tổng công ty Bảo đảm an toàn hàng hải Miền Nam, đang xây dựng các hải đồ điện

các hải đồ điện tử khu vực tuyến luồng Hải Phòng đều không thể hiện chi tiết hướng và tốc độ dòng chảy tại các thời điểm khác nhau trong ngày Cụ thể, thứ tự các đoạn luồng trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng từ cảng chính ra phao số 0, phục vụ công tác dẫn tàu, được mô tả dưới dạng hải đồ điện tử theo hình 1.5 đến hình 1.10

Hình 1.5 Đoạn luồng Vật Cách - Sông Cấm - Phà Rừng

trên hải đồ VN4HP007 của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Hình 1.6 Minh họa phóng to một khu vực trên đoạn luồng

Vật Cách - Sông Cấm - Phà Rừng của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Hình 1.7 Đoạn luồng Bạch Đằng - Hà Nam - Nam Triệu

trên hải đồ VN4HP005 của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Hình 1.8 Minh họa phóng to một khu vực trên đoạn luồng

Bạch Đằng - Hà Nam - Nam Triệu của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Hình 1.9 Đoạn luồng Lạch Huyện trên hải đồ VN4HP003

Hình 1.10 Minh họa phóng to một khu vực trên đoạn luồng Lạch Huyện của

tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

các hình ảnh minh họa phóng to cho một khu vực trên đoạn luồng (hình 1.6, hình 1.8 và hình 1.10), nhận xét rằng: Trên hải đồ điện tử tuyến luồng Hải Phòng do Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc xây dựng, cập

không thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy trên tuyến luồng hàng hải

Trong nước: Tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc Gia Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam,… một số tác giả nghiên cứu và công bố một số vấn đề liên quan:

- Các tác giả thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, như: GS TS Lương Công Nhớ, PGS TS Phạm Kỳ Quang, PGS TS Nguyễn Cảnh Sơn,

TS Bùi Văn Cường, Nguyễn Sỹ Kiêm, TS Vũ Văn Duy, TS Nguyễn Thái Dương, đã có công trình khoa học, tài liệu khoa học công bố kết quả về thời tiết biển và hải dương học, thủy triều và tính toán thủy triều trong hàng hải,

động lực học dòng chảy bao, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán

mô phỏng dòng chảy ảnh hưởng đến ổn định tàu, xâm thực bánh lái, quỹ đạo chuyển động tàu thủy trên tuyến luồng hàng hải,…

- Các tác giả thuộc Trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh, như: PGS TS Nguyễn Xuân Phương, PGS TS Nguyễn Phùng Hưng, TS Cổ Tấn Anh Vũ, TS Nguyễn Thành Nhật Lai,… đã có các công trình khoa học công bố một số kết quả về tính toán thủy triều trong hàng hải, ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng dòng chảy ảnh hưởng đến xâm thực chân vịt, bánh lái tàu thủy, tính toán mô phỏng dòng chảy bao quanh tàu thủy, dòng chảy khu vực neo đậu,

- Các tác giả thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, như [20]: GS TSKH Vũ Duy Quang, GS TS Nguyễn Thế Mịch, PGS TS Lương Ngọc Lợi, PGS TS Lê Quang, PGS TS Trương Việt Anh, PGS TS Phạm Thị Thanh Hương, PGS TS Ngô Văn Hệ,… đã công bố kết quả và tính toán động lực học dòng chảy, thủy khí động lực học, vấn đề xác định lực cản tàu, ứng dụng CFD để tính toán mô phỏng tác động dòng chảy các bài toán máy thủy lực cánh dẫn như bơm, tua bin, chân vịt tàu thủy,…

- Các tác giả Trường Đại học Khoa học tự nhiên thuộc Đại học Quốc Gia Hà Nội, như: GS TS Đinh Văn Ưu, GS TS Trần Tân Tiến, GS TS Phan Văn Tân, PGS TS Phạm Văn Huấn, Phan Văn Vỵ, TS Nguyễn Thanh Sơn,… đã công bố kết quả liên quan đến cơ sở hải dương học, tính toán trong hải dương, động lực học biển, tính toán thủy văn, phương pháp tính toán thủy triều, dòng chảy, thống kê trong khí tượng,…

- Tác giả Trần Văn Chung và Bùi Hồng Long, có các công trình khoa học công bố kết quả nghiên cứu liên quan đến tính toán dòng chảy trên tạp chí khoa học chuyên ngành hoặc trong kỷ yếu hội nghị quốc tế, như [22], [49]: Năm 2007, “Một số kết quả tính toán dòng triều bằng mô hình ba chiều (3D) cho Vịnh Bắc Bộ” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển, 7(4), tr 10-26

Năm 2015, “Một số kết quả tính toán dòng chảy trong Vịnh Bắc Bộ bằng mô hình ba chiều phi tuyến” Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; tập

15, số 4, tr 320 - 333

a) b) Hình 1.11 Minh họa kết quả tính toán mô phỏng: a) Lưới chia dạng tam giác; b) Phân bố trường dòng chảy tổng hợp trên mặt biển Vịnh Bắc bộ

Hầu hết trong các công trình khoa học công bố của hai tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, bằng mô hình ba chiều (3D) để mô phỏng hệ thống dòng chảy trong một số khu vực, trong đó có Vịnh Bắc Bộ Các kết quả tính toán cho thấy sự phân bố của dòng chảy gió và dòng chảy tổng hợp (dòng chảy do gió, triều và mật độ) theo không gian và thời gian có tính đến yếu tố mùa và theo độ sâu

Ngoài ra, một số nhà khoa học, chuyên gia trong nước có công trình khoa học, tài liệu khoa học công bố liên quan đến ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phòng động lực học dòng chảy, ứng dụng trong thủy khí, với điều kiện và môi trường khác nhau, như [48], [52], [53],

Từ các kết quả công bố của các công trình, nhận xét rằng:

- Trong nước, các kết quả nghiên cứu về tính toán thủy triều, dòng chảy biển, đã được các tác giả công bố tại một số trường đại học, viện nghiên cứu Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính toán mô phỏng dòng chảy (dòng triều) để xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy nói chung và thực hiện trên tuyến luồng Hải Phòng nói riêng phục vụ công tác dẫn tàu an toàn, là vấn đề khoa học mang tính chuyên sâu, mang tính thực tiễn hàng hải, hiện tại chưa có tác giả, đơn vị nào thực hiện và chưa có công trình khoa học nào công bố.

- Trên thế giới, có nhiều hãng sản xuất bản đồ, hải đồ đi biển, hải đồ điện

tử và các ấn phẩm hàng hải liên quan, trong đó có bản đồ dòng chảy trên các đại dương Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu dựa vào phép chiếu xây dựng bản đồ, phục vụ công tác hành trình trên biển nói chung và mục đích chuyên dụng khác, trên đó không hiển thị hướng và tốc độ dòng chảy liên tục

và trực quan Vì vậy, các công trình trên không phải là đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong luận án của NCS Hơn nữa, NCS cũng chưa thấy công trình khoa học của tác giả hay tổ chức nước ngoài công bố về bản đồ dòng chảy tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

Tóm lại: Với phạm vi và đối tượng nghiên cứu cụ thể của luận án, vấn đề

nghiên cứu của nghiên cứu sinh luôn mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học

và thực tiễn chuyên ngành hàng hải và không trùng lặp với các công trình đã công bố trước đó ở trong nước và quốc tế

1.2 Tổng quan về tuyến luồng hàng hải Hải Phòng

1.2.1 Đặc điểm cơ bản của t uyến luồng Hải Phòng

Hải Phòng là thành phố trọng điểm kinh tế phía Bắc là cửa ngõ quốc tế

Phòng là một trong ba khu vực cảng biển lớn nhất Việt Nam, là đầu mối lưu thông hàng hóa chính của khu vực miền Bắc bằng đường biển [24], [43]

Trong quy hoạch hệ thống cảng biển của Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2030 [43], cảng biển Hải Phòng là hệ thống cảng tổng hợp quốc gia và cửa ngõ quốc tế Cảng cửa ngõ quốc tế Lạch Huyện được quy hoạch

xây dựng là khu bến cảng thương mại cho tàu trọng tải lớn, tiếp nhận tàu chở container loại 4000 - 6000 TEU, tàu chở hàng tổng hợp từ 50.000 DWT đến 80.000 DWT Cảng Lạch Huyện giữ vai trò quan trọng trong hệ thống cảng biển Việt Nam Đây là cảng tổng hợp đáp ứng nhu cầu xếp dỡ hàng hoá vận tải bằng đường biển ngày càng tăng của các tỉnh, thành phố, khu công nghiệp, khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, đặc biệt là vùng tam giác kinh tế Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh và nhu cầu hàng hoá quá cảnh của các tỉnh phía Nam Trung Quốc Trong thời gian tới, cảng Lạch Huyện tăng cường chức năng trung chuyển container cho khu vực phía Bắc và khu vực Đông Nam Á

Luồng Hải Phòng gồm các đoạn chính: Lạch Huyện, Hà Nam, Bạch Đằng, Sông Cấm, Vật Cách, Phà Rừng và Nam Triệu, nổi bật với một số đặc điểm cơ bản [51], [75]:

- Nhiều khúc cong, khúc cua gấp, nhiều nhánh sông, khu vực nông cạn cục bộ Hệ thống luồng ra, vào cảng Hải Phòng chưa được cải tạo đồng bộ

- Luồng Nam Triệu thường xuyên bị sa bồi, nên tàu biển ra, vào cảng chủ yếu tập trung qua luồng Lạch Huyện, kênh Hà Nam

- Đây là đoạn luồng hẹp, được thiết kế một chiều với rất nhiều khu vực,

có giới hạn tốc độ 8 hải lý/giờ và mật độ tàu thuyền tập trung vào thời gian giờ nước lớn trong ngày, dẫn tới tổ chức thực hiện điều tiết tàu thuyền ra, vào cảng gặp rất nhiều khó khăn và luôn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn

- Tuyến luồng Hải Phòng là luồng một chiều, có ga tránh với độ sâu của luồng còn hạn chế và bề ngang luồng chạy tàu hẹp, nhiều nơi không thể tránh, vượt nhau được

Đối với đoạn luồng Lạch Huyện, mật độ tàu ra vào cảng Hải Phòng chủ yếu, trung bình mỗi ngày khoảng 70 lượt tàu biển ra vào Số lượt tàu và phương tiện thủy nội địa hoạt động tại khu vực cảng biển Hải Phòng rất lớn, năm 2019 gần 20.000 lượt tàu biển Bảng 1.1 mô tả các thông số thiết kế của tuyến luồng Hải Phòng [24], [51], [75]:

Bảng 1.1 Thông số thiết kế tuyến luồng Hải Phòng

Tên đoạn luồng

Thông số luồng thiết kế Bán kính

cong nhỏ nhất

Dài (km)

Rộng (m) Độ sâu (m) Mái dốc

Vùng quay trở trước

Bảng 1.2 Số lượng phao, báo hiệu hàng hải trên từng đoạn luồng

TT Tên đoạn luồng

Chiều dài đoạn luồng

(km)

Chiều rộng đoạn luồng

(m)

Số lượng phao báo hiệu các loại

Hình 1.12 minh họa về sơ đồ bố trí hệ thống phao, báo hiệu hàng hải của đoạn luồng Nam Triệu và Lạch Huyện trên tuyến luồng Hải Phòng

Hình 1.12 Sơ đồ bố trí hệ thống phao, báo hiệu hàng hải của đoạn luồng Nam

Triệu và Lạch Huyện trên tuyến luồng Hải Phòng Theo thống kê, tổng hợp và phân tích tình hình tai nạn hàng hải trong giai đoạn từ 2015 - 2019, trên cơ sở các số liệu từ báo cáo tai nạn hàng hải của Cục Hàng hải Việt Nam trong các năm và báo cáo số liệu tai nạn hàng hải tại vùng nước cảng biển Hải Phòng của Cảng vụ Hàng hải Hải Phòng [24], [27], [75], được mô tả theo bảng 1.3

Bảng 1.3 Số liệu thống kê loại tai nạn và số vụ tai nạn hàng hải tại vùng nước

Trên các đoạn luồng của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng đặt các trạm

quan trắc mực thủy triều, cụ thể [45], [75]:

- Trạm Arroyo lắp đặt tại trạm đèn Arroyo, tọa độ theo hệ WGS-84:

φ = 20049’54’’N; λ = 106049’16’’E, đặt trên đoạn luồng Bạch Đằng, khu vực

giao nhau của sông Cấm và sông Bạch Đằng Trạm Arroyo bắt đầu hoạt động

từ 10/2013, tuy nhiên do sự cố tai nạn hàng hải vào tháng 5/2018 và tạm thời

ngừng hoạt động, hiện tại trạm đang tích cực sửa chữa, hồi phục và dự kiến

cuối năm 2020 hoạt động trở lại

- Trạm Lạch Huyện lắp đặt tại tiêu C, thuộc chập CD, tọa độ theo hệ

WGS-84: φ = 20049’19’’N; λ = 106054’28’’E, trên đoạn luồng Lạch Huyện -

Hà Nam, gần khu vực giao nhau của các tuyến luồng sông Cấm, Nam Triệu,

Cái Tráp và kênh Hà Nam của sông Cấm Trạm Lạch Huyện bắt đầu hoạt

động từ tháng 9/2018 đến nay

- Trạm Sông Cấm lắp đặt trên đèn Tây Vàng Chấu, tọa độ theo hệ

WGS-84: φ = 20052’43’’N; λ = 106042’16’’E, trên đoạn luồng Sông Cấm, khu

vực giao nhau của sông Cấm và sông Ruột Lợn Trạm Sông Cấm bắt đầu hoạt

động cùng với trạm Lạch Huyện, từ tháng 9/2018 Tuy nhiên tháng 10/2019

bị sự cố hư hỏng thiết bị, đang chờ thiết bị để sửa chữa và khôi phục hoạt

động Vì vậy, số liệu mực thủy triều của trạm này chỉ có đến 24/10/2019

Các trạm quan trắc cung cấp thông tin chính xác tức thời về mực thủy

triều với tần suất trung bình 10 phút/lần, ngoài ra cung cấp sức gió và hướng

gió đến trung tâm điều khiển

Ngoài ra, mực thủy triều tại Hòn Dấu được dự báo hàng năm, đây chính

là giá trị thủy triều dự báo tại Hòn Dấu, giá trị được nhập vào từ bảng thủy

triều tương ứng theo năm

1.2.2 Đặc điểm chế độ thủy triều tại khu vực Hải Phòng

Tính chất thuần nhất hay gọi là nhật triều, điển hình là khu vực đảo

Hòn Dấu [47] Hầu hết số ngày trong tháng (khoảng 25 ngày) thủy triều lên

xuống một lần trong ngày Độ lớn triều vùng này thuộc loại triều lớn nhất

Việt Nam, trung bình những ngày nước cường nhất 3 - 4 m Thời kỳ nước cường thường xảy ra từ 2 - 3 ngày sau ngày Mặt trăng có độ xích vĩ lớn nhất, mực nước lên xuống nhanh, có thể đạt 0,5 m/giờ Thời kỳ nước kém thường xảy ra từ 2 - 3 ngày, sau ngày Mặt trăng qua mặt phẳng xích đạo, mực nước lên xuống ít, có thời điểm gần như nước đứng Trong những ngày này thường xuất hiện hai lần nước lớn hai lần nước ròng trong ngày [17], [47], [75]

Vùng Quảng Ninh và lân cận Hải Phòng, trong một tháng có khoảng 1 -

3 ngày có hai lần nước lớn, hai lần nước ròng

Vùng Ninh Bình, Thái Bình và Bắc Thanh Hóa, tính chất nhật triều đã kém thuần nhất, trong một tháng có khoảng 5 - 7 ngày có hai lần nước lớn, hai lần nước ròng Vùng Nam Thanh Hóa trở vào hàng tháng trung bình có từ

8 - 12 ngày có hai lần nước lớn, hai lần nước ròng

Độ lớn thủy triều giảm dần từ Bắc vào Nam Trong ngày nước cường đường biến thiên mực nước tại các địa điểm vùng này khá giống nhau Thời gian triều dâng và thời gian triều rút chênh lệch nhau ít ở vùng Quảng Ninh và Hòn Dấu

Thủy triều ngoài khơi phía Bắc đảo Bạch Long Vĩ mang đặc tính nhật triều, gần giống đặc tính thủy triều tại Hòn Dấu, Hòn Gai và Cửa Ông Từ phía Nam đảo Bạch Long Vĩ trở xuống phía cửa Vịnh Bắc Bộ, thủy triều mang những đặc tính và độ lớn tương tự như thủy triều ở dải ven biển, từ nhật triều đến bán nhật triều không đều với cường độ giảm dần từ Bắc vào Nam

Thủy triều vùng ngoài khơi Đông Bắc và Đông của Vịnh Bắc Bộ tương

tự như thủy triều ở dải ven biển của miền Nam Trung Quốc

Thủy triều khu vực dự án mang đặc trưng điển hình của chế độ thủy triều ven bờ vịnh Bắc bộ đó là chế độ nhật triều tương đối thuần khiết với biên độ dao động lớn Thông thường trong ngày xuất hiện một đỉnh triều và một chân triều Một tháng có 2 kỳ nước lớn với biên độ dao động mực nước

từ 2 - 4 m, mỗi kỳ kéo dài 12 - 13 ngày

Ở thời kỳ nước kém tính chất nhật triều giảm đi rõ rệt, ngược lại tính chất bán nhật triều tăng lên, trong ngày xuất hiện 2 đỉnh triều và 2 chân triều

1.3 Phân chia tuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành các đoạn luồng phục vụ tính toán mô phỏng

Trên cơ sở tổng quan tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, nghiên cứu bình

đồ liên quan tuyến luồng hàng hải Hải Phòng số VN4HP003, VN4HP005, VN4HP007, VN4HP008 của Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải Miền Bắc, các bình đồ I-25-022, I-25-031 của Bộ Tư lệnh Hải quân, hồ sơ quy hoạch khu vực cảng biển Hải Phòng của Cảng vụ hàng hải Hải Phòng và các tài liệu liên quan Mặt khác, để phù hợp với tính chất và đặc thù tuyến luồng hàng hải Hải Phòng với nội dung giải quyết trong các chương tiếp theo, kết hợp nghiên cứu khảo sát thực tế tại thực địa trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng do NCS thực hiện, có sự tham gia của nhóm nghiên cứu

NCS thực hiện phân chia tuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành 10

đoạn luồng phục vụ tính toán mô phỏng, theo số thứ tự từ cảng chính Hải

Phòng đến phao đầu luồng (phao số 0) [10], [38], cụ thể mô tả trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Tổng hợp vị trí và thông số thiết kế của 10 đoạn luồng

TT

Vị trí điểm đầu và điểm

cuối của mỗi đoạn luồng

(giới hạn từ km đến km)

Thông số thiết kế đoạn luồng Chiều

dài (km)

Chiều rộng mặt thoáng/chiều rộng tuyến luồng

(m)

Độ sâu trung bình (m)

2 km 43+200 đến km 40+200 3,0 315/80

8,0

(trừ đoạn Phà Bính 13,3 m)

Trong đó giới hạn cụ thể điều kiện biên của mỗi đoạn luồng gồm:

- Vị trí điểm đầu và điểm cuối mỗi đoạn luồng, giới hạn từ km điểm đầu đến km điểm tiếp theo, km điểm tiếp theo của đoạn đầu là đầu vào của đoạn sau và tiếp tục cho đủ 10 đoạn luồng;

- Chiều dài mỗi đoạn luồng (km);

- Chiều rộng mặt thoáng/chiều rộng tuyến luồng (m);

- Độ sâu trung bình (m)

Từ kết quả trong bảng 1.4, thực hiện mô tả chi tiết hình ảnh 10 đoạn luồng theo hình 1.13 đến hình 1.22, trên đó chỉ rõ các điều kiện biên, như:

- Giới hạn mặt thoáng đoạn luồng;

- Giới hạn hai mép tuyến luồng hàng hải Hải Phòng,

- Tim luồng,

Hình 1.13 Mô tả chi tiết đoạn 1 từ km 44+400 đến km 43+200

Hình 1.14 Mô tả chi tiết đoạn 2 từ km km 43+200 đến km 40+200

Hình 1.15 Mô tả chi tiết đoạn 3 từ km 40+200 đến km 38+800

Hình 1.16 Mô tả chi tiết đoạn 4 từ km 38+800 đến km 33+800

Hình 1.17 Mô tả chi tiết đoạn 5 từ km 33+800 đến km 30+200

Hình 1.18 Mô tả chi tiết đoạn 6 từ km 30+200 đến km 26+600

Hình 1.19 Mô tả chi tiết đoạn 7 từ km 26+600 đến km 24+600

Hình 1.20 Mô tả chi tiết đoạn 8 từ km 24+600 đến km 20+200

Hình 1.21 Mô tả chi tiết đoạn 9 từ km 20+200 đến km 15+800

Hình 1.22 Mô tả chi tiết đoạn 10 từ km 15+800 đến km 14+00

Phân tích đặc điểm của các đoạn luồng:

- Đối với các đoạn luồng số 1, 2, 4, 6, 7, 10: Các điều kiện biên về mặt thoáng đoạn luồng, hai mép đoạn luồng, độ sâu, tim luồng, tương đối ổn định, không có sự biến đổi nhiều, không có sự ảnh hưởng của dòng chảy khác (từ các nhánh sông, khúc cong, khúc cua, dòng chảy xiết hay xoáy cục bộ,…),

vì vậy, việc đo đạc thực tế tại thực địa và việc tính toán mô phỏng tương đối thuận lợi

- Đối với các đoạn còn lại (đoạn 3, 5, 8 và 9): Do tính chất và đặc điểm của đoạn luồng, có chứa các khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải [23], [34], [38], [39], cụ thể:

Đối với đoạn luồng số 3 (hình 1.23): Có chứa khu vực giao nhau của sông Cấm và sông Ruột Lợn Đây là khu vực hẹp, nhiều bãi bồi gần cửa sông Ruột Lợn, một bên là hệ thống cầu cảng chính Hải Phòng Độ sâu của luồng rất hẹp, hai bên mép so với tim luồng, độ sâu biến đổi phức tạp và hạn chế Hơn nữa, tàu thuyền nhỏ, phương tiện thủy, thường xuyên chạy cắt ngang từ sông Ruột Lợn vào sông Cấm và ngược lại Rất dễ gây nguy cơ va chạm với tàu thủy đang nằm trong cầu cảng, hoặc bị mắc cạn phía bờ sông Ruột Lợn Trên đoạn luồng có đặt trạm quan trắc đo mực thủy triều Sông Cấm

a) b)

Hình 1.23 Khu vực tiềm ẩn mất an toàn hàng hải trên đoạn luồng số 3: a) Từ bình đồ số VN4HP007; b) Mô phỏng hình ảnh bám sát điều kiện biên Đối với đoạn luồng số 5 (hình 1.24): Có chứa khu vực giao nhau của sông Cấm và sông Bạch Đằng Đây là khu vực có nhiều bãi bồi phía gần cửa sông Bạch Đằng Mật độ tàu và phương tiện thủy hoạt động dày đặc, tính chất tham gia giao thông thủy phức tạp, phương tiện thủy đổi hướng, cắt hướng thường xuyên xảy ra và không tuân thủ quy tắc nghiêm túc [23], [24], [38], [68]

a) b)

Hình 1.24 Khu vực tiềm ẩn mất an toàn hàng hải trên đoạn luồng số 5: a) Từ bình đồ số VN4HP005; b) Mô phỏng hình ảnh bám sát điều kiện biên

Vận tốc dòng chảy từ 2 knots đến gần 3 knots Khi thủy triều dâng, luôn có xu hướng đẩy hướng chuyển động của tàu sang phía bờ Thủy Nguyên Vì vậy, nguy cơ mắc cạn và đâm va khá cao tại khu vực này Trên đoạn luồng này có đặt trạm quan trắc đo mực thủy triều Arroyo

a) b)

Hình 1.25 Khu vực tiềm ẩn mất an toàn hàng hải trên đoạn luồng số 8: a) Từ bình đồ số VN4HP005; b) Mô phỏng hình ảnh bám sát điều kiện biên Đối với đoạn luồng số 8 (hình 1.25): Có chứa khu vực Bạch Đằng, giao nhau của các tuyến luồng sông Cấm, Nam Triệu, Cái Tráp và kênh Hà Nam của sông Cấm Nhiều khu vực nông cạn phía đảo Đình Vũ và cửa sông Bạch Đằng Trên đoạn luồng có đặt trạm quan trắc đo mực thủy triều Lạch Huyện Khu vực này có mật độ tàu, phương tiện tham gia giao thông đông đúc và phức tạp Nhiều phương tiện thủy hoạt động không đúng tuyến luồng quy định, thường xuyên cắt ngang để vào kênh Cái Tráp (đặc biệt đoạn phao 30 - 32) Hơn nữa, đây là khu vực dòng chảy siết, tính chất dòng chảy không ổn định, có nhiều khu neo đậu, khu vực ga tránh, bến phà hoạt động,…

- Đoạn luồng số 9 (hình 1.26): Có chứa khu vực giao nhau của kênh Hà Nam, kênh Cái Tráp và đường thủy nội địa đến Quảng Ninh (qua Cái Bầu) Rất nhiều tàu nội địa, sà lan và phương tiện thủy, đi vào kênh Cái Tráp, cắt ngang luồng (đặc biệt tại khu vực của các cặp phao 19 - 21 - 23)

a) b)

Hình 1.26 Khu vực tiềm ẩn mất an toàn hàng hải trên đoạn luồng số 9: a) Từ bình đồ số VN4HP003; b) Mô phỏng hình ảnh bám sát điều kiện biên Nhiều tàu biển trọng tải lớn qua đoạn luồng Lạch Huyện, dòng chảy khá mạnh vận tốc gần 3 knots và không ổn định, mật độ giao thông dày đặc, đan xen tàu thủy và phương tiện thủy nội địa ra, vào kênh Cái Tráp và kênh

Hà Nam, tăng nguy cơ mất an toàn tàu thuyền khi hành trình qua khu vực

1.4 Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án

Giới hạn vấn đề nghiên cứu của luận án tập trung vào các vấn đề sau:

- Tổng quan tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đặc biệt việc phân chia tuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành 10 đoạn luồng bám sát điều kiện biên của mỗi đoạn luồng, phục vụ thuận lợi cho công tác khảo sát, tính toán và mô phỏng Trong đó phân tích và đánh giá cụ thể các khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải trên mỗi đoạn luồng khảo sát;

- Xây dựng mô hình nghiên cứu, cơ sở toán học và lựa chọn ứng dụng CFD với Fluent - Ansys để tính toán mô phỏng hướng và vận tốc dòng chảy trên các đoạn được phân chia, trong đó tập trung các đoạn luồng có chứa khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng và

cụ thể thực hiện trên đoạn luồng số 8;

- Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trực tiếp bằng việc khảo sát,

đo đạc thực tế ngoài thực địa tại tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, kết hợp sử dụng số liệu từ bảng thủy triều Việt Nam, lịch thủy triều Anh [62] và bộ số liệu các trạm quan trắc đo mực thủy triều của Lạch Huyện, Arroyo, Sông Cấm Thực hiện cụ thể bộ số liệu của trạm Lạch Huyện để xây dựng bản đồ dòng chảy cho năm 2020;

- Xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy trong 365 ngày (dưới dạng mẫu bản đồ dòng chảy) tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, góp phần dẫn tàu an toàn, thể hiện trực quan và tường minh vận tốc và hướng của dòng chảy theo giờ và theo ngày của năm khảo sát;

- Dòng chảy trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng trong luận án chính là dòng triều (do hiện tượng thủy triều gây ra) không xét đến các hiện tượng biến đổi bất thường và cục bộ của điều kiện khí tượng thủy văn trên tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, như: Lũ lụt, sóng, gió, mưa cục bộ, ngăn dòng, hạn hán, độ trễ thủy triều,… làm thay đổi cục bộ dòng triều

- Phân tích và đánh giá tổng quan về tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, gồm: Đặc điểm chung tuyến luồng hàng hải Hải Phòng, đặc điểm khí tượng thủy văn hàng hải khu vực tuyến luồng Hải Phòng, hệ thống phao tiêu, báo hiệu hàng hải tuyến luồng Hải Phòng, phân tích tình hình tai nạn hàng hải trên tuyến luồng Hải Phòng;

- Thực hiện phân chia tuyến luồng hàng hải Hải Phòng thành 10 đoạn luồng phục vụ khảo sát đo đạc và tính toán mô phỏng Các đoạn luồng được phân chia bám sát điều kiện biên, phù hợp với tính chất và đặc thù của tuyến luồng hàng hải Hải Phòng Đồng thời phân tích và đánh giá đặc điểm của từng đoạn luồng này Trên cơ sở này, phân tích và chỉ rõ bốn khu vực tiềm ẩn nguy cơ tai nạn hàng hải trên các đoạn khảo sát của tuyến luồng Hải Phòng

- Giới hạn cụ thể phạm vi nghiên cứu trong luận án

Từ kết quả đạt được trong chương 1, chương 2 sẽ thực hiện cơ sở lý luận về động lực học dòng chảy và tính toán dòng chảy theo phương pháp hàng hải Chương 3 thực hiện chương trình tính toán mô phỏng dòng chảy với giá trị đầu vào là vận tốc bám sát điều kiện biên, giá trị này có được trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại thực địa kết hợp với giá trị trong bảng thủy triều Việt Nam Chương 4 xây dựng thử nghiệm bản đồ dòng chảy tuyến luồng Hải Phòng trên cơ sở kết quả đạt được trong các chương trước đó

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY, ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẾN SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU VÀ ỨNG DỤNG CFD TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY TUYẾN LUỒNG HÀNG HẢI

2.1 Cơ sở lý luận động lực học dòng chảy tuyến luồng hàng hải

Tuyến luồng hàng hải nói chung và tuyến luồng hàng hải Hải Phòng nói riêng là một dạng đặc trưng nổi bật của kênh hở, dòng chảy trong tuyến luồng hàng hải cũng là một dạng đặc trưng dòng chảy trong kênh hở là dòng không áp, tức là không chịu ảnh hưởng của áp suất, do có mặt thoáng tiếp xúc với không khí Tuy nhiên, hầu hết dòng chảy trong các tuyến luồng hàng hải

là dòng triều, tức là dòng chảy do thủy triều tạo nên

Để phân biệt hai trạng thái chảy tầng và chảy rối trong kênh hở hay trong tuyến luồng hàng hải dựa vào số Râynôn (ký hiệu là Re) Chảy tầng là khi chất lỏng chảy thành từng tầng lớp riêng biệt, còn dòng chảy rối thì chất lỏng chảy không tuân theo một trật tự nào, vì thế việc mô tả dòng rối là rất phức tạp Thực tế phần lớn các dòng chảy khảo sát trong các tuyến luồng hàng hải là dòng rối [1], [13]

Khi 500 < Re < 2320 là dòng chảy chuyển tiếp;

Khi Re > 2320 là dòng chảy rối

Hơn nữa, dòng chảy trong trong tuyến luồng hàng hải thì số Froude (ký

hiệu Fr) thường sử dụng để phân loại trạng thái dòng chảy như sau:

 2

gy

V

Fr = 1 là dòng tới hạn (Critical flow);

Fr < 1 là dòng dưới hạn (Subcritical flow);

Fr > 1 là dòng quá hạn (Supercritical flow)

Một số hình ảnh dòng chảy với bước nhảy thủy lực tương ứng với các

a) Fr = 1 ÷ 1,7; b) Fr = 1,7 ÷ 2,5; c) Fr = 2,5 ÷ 4,5; d) Fr = 4,5 ÷ 9,0; e) Fr > 9,0 Dòng chảy trong tuyến luồng hàng hải có thể tồn tại dòng chảy ổn định đều hoặc dòng chảy ổn định không đều, cụ thể [4], [6]:

Xét về động lực học đối với dòng chảy ổn định đều trong tuyến luồng hàng hải khi lực cản và trọng lực cân bằng nhau, nghĩa là thỏa mãn đồng thời điều kiện:

- Lưu lượng không đổi (Q = const);

- Hình dạng mặt cắt ướt không đổi dọc theo chiều dòng và ω = const Xét về mặt động lực học, đối với dòng chảy không đều trong tuyến luồng hàng hải (các thông số về độ sâu, độ mái dốc của các đoạn luồng theo bảng 1.1), khi lực cản và trọng lực không cân bằng nhau, nghĩa là một trong những điều kiện sau đây được thỏa mãn:

- Luồng có độ dốc bằng không (i = 0) hoặc độ dốc nghịch (i < 0);

- Đối với luồng có độ dốc thuận (i > 0), thỏa mãn:

+ Có kích thước và hình dạng mặt cắt, hoặc một trong hai yếu tố đó thay đổi dọc theo dòng chảy

+ Có công trình luồng, như: Đập tràn hay bậc nước,

Nghiên cứu dòng chảy không đều hay còn gọi là đường mặt nước không đều, cần chú ý quy luật thay đổi của chiều sâu dọc theo dòng chảy

Thông thường đối với mỗi tuyến luồng hàng hải, cụ thể tuyến luồng Hải Phòng, thì sự biến đổi của dòng triều là nhật triều thuần khiết, trong 1 tháng khoảng 25 ngày có 1 lần nước lớn và 1 lần nước ròng, độ lớn triều ở đây thuộc loại lớn, khoảng 3m - 4m vào thời kỳ triều cường

Mặt khác, tuyến luồng hàng hải có kích thước và hình dạng mặt cắt không đều, thay đổi dọc theo dòng chảy nên dòng chảy trên các tuyến luồng hàng hải là ổn định không đều Hiện nay, các thông số về vận tốc và hướng dòng chảy trên tuyến luồng hàng hải có được thông qua sự nội suy từ dữ liệu của bảng thủy triều Việt Nam, hay số liệu đo tức thời trạm đo mực thủy triều,

do đó kết quả thiếu chính xác, không trực quan và không có tính liên tục

Dòng chảy ổn định đều trong tuyến luồng hàng hải

a)

b) Hình 2.2 Minh họa hình ảnh dạng tuyến luồng hàng hải khảo sát

Dòng chảy ổn định đều chỉ có thể xảy ra trong các kênh lăng trụ (mặt cắt ngang không đổi) và khi tổn thất năng lượng dọc theo dòng chảy cân bằng với độ giảm thế năng do độ dốc đáy kênh tạo ra Các điều kiện này chỉ xảy ra trong kênh nhân tạo hay tuyến luồng hàng hải nhân tạo

Xét trường hợp hình ảnh tuyến luồng hàng hải theo hình 2.2, trong đó:

- Ứng suất tiếp τ theo phương x: Lớn nhất tại đáy luồng và giảm dần lên mặt thoáng;

- Gradien vận tốc

dy

dV : Thể hiện giá trị lớn nhất ở đáy luồng và giảm

dần tới mặt thoáng luồng hàng hải

Năng lượng dòng chảy ổn định trong tuyến luồng hàng hải

Xét đường năng lượng của đoạn luồng có độ dốc không đổi và rất nhỏ:

Hình 2.3 Biểu diễn mức năng lượng cho đoạn luồng Viết phương trình Becnoulli cho hai điểm 1 và 2, nhận được:

z z



L f

h

S 

Cột áp tĩnh tại 1 và 2 được thể hiện như sau:

11

Nếu đáy luồng là phẳng và bỏ qua tổn thất năng lượng, khi đó:

Ở đây việc tính toán đã giả định profil vận tốc là đồng đều trên toàn

mặt cắt ngang của đoạn luồng (coi chất lỏng là lý tưởng)

Dòng chảy thực trong tuyến luồng hàng hải là dòng chảy rối và không

đều, chất lỏng có tính nhớt Ảnh hưởng của đáy và bờ tức là ảnh hưởng của

kích thước và hình dạng mặt cắt tuyến luồng đáng kể tới profil vận tốc

Hình 2.4 mô tả những phần tử lỏng ở sát đáy có vận tốc biến thiên lớn

dần, ngoài ra do chất liệu đáy là tự nhiên sẽ tồn tại điểm chảy xoáy do dòng

chảy va vào các mô cản Điều này dẫn tới năng lượng của dòng chảy bị tổn

thất theo quãng đường di chuyển của dòng chảy Ảnh hưởng của bờ tới dòng

chảy trong tuyến luồng cũng tương tự như ảnh hưởng của đáy Ngoài ra ảnh

hưởng của hình dạng dòng chảy (uốn cong, giao nhau của nhiều dòng chảy,

các vật cản,…) cũng làm năng lượng dòng chảy bị thay đổi [8], [10], [67]

Hình 2.4 Profil vận tốc dòng chảy tại mặt khảo sát trong tuyến luồng

Một số phương trình mô tả chuyển động và năng lượng dòng chảy

trong tuyến luồng hàng hải [2], [6], [13]: