TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM RIVER2D

Việc xác định được trường vận tốc, sự phân bố vận tốc và độ sâu dòng chảy trong sông là một việc rất quan trọng trong ngành cầu đường, giao thông thủy, chỉnh trị sông và công trình ven bờ. Việc xác định trường vận tốc bằng những công thức kinh nghiệm hay bán kinh nghiệm thường cho kết quả không chính xác. Cùng với sự phát triển của công cụ máy tính và sự ra đời các phần mềm ứng dụng, việc xác định các yếu tố trong sông ngày càng trở nên đơn giản. Phần mềm river 2D là một trong số các phần mềm ứng dụng đó.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA XÂY DỰNG THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN

Trang 30

TÌM HIỂU ỨNG DỤNG RIVER2D

Sinh viên thực hiện: LÊ VĂN MINH.

Lớp : 11THXD Giảng viên hướng dẫn : Th.s VŨ THỊ TÍNH.

THỰC TẬP TẠI TRUNG TÂM TƯ VẤN KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐÀ NẴNG.

Địa chỉ: 107 LÊ SÁT, TP ĐÀ NẴNG

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM RIVER2D

1 CHỨC NĂNG CHƯƠNG TRÌNH:

Việc xác định được trường vận tốc, sự phân bố vận tốc và độ sâu dòng chảy trong sông là một việc rất quan trọng trong ngành cầu đường, giao thông thủy, chỉnh trị sông và công trình ven bờ Việc xác định trường vận tốc bằng những công thức kinh nghiệm hay bán kinh nghiệm thường cho kết quả không chính xác Cùng với sự phát triển của công cụ máy tính và sự ra đời các phần mềm ứng dụng, việc xác định các yếu tố trong sông ngày càng trở nên đơn giản Phần mềm river 2D là một trong số các phần mềm ứng dụng đó.

Phần mềm này sẽ cung cấp những công cụ tính toán nhằm:

- Tính toán dòng chảy ổn định có thể dùng để thiết kế mỏ hàn, kè lát mái, cống qua đường, mố các trụ cầu, cửa lấy nước Bên cạnh đó việc tính toán dòng ổn định là điều kiện bắt buộc để làm số liệu biên đầu vào của tính dòng không ổn định, đưa ra điều kiện ban đầu chính xác để phép lặp ổn định

- Tính toán dòng chảy không ổn định dùng để dự báo lũ, tìm được các cao trình và vận tốc mà

dòng chảy tác dụng lên các công trình thiết kế khi lũ về.

MỤC ĐÍCH BÀI BÁO CÁO.

2 vấn đề chính được quan tâm.

- Sử dụng River2D.

-Ứng dụng tính toán kiểm tra dòng chảy trên nhánh sông đi qua Đà Nẵng của hệ thống sông Vu Thu Bồn.

Gia-CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN.

A SỐ LIỆU ĐẦU VÀO.

R2D dùng số liệu đầu vào là số liệu địa hình, hệ số nhám và hệ số nhớt, điều kiện biên và điều kiện ban đầu đưa vào, đó là phải rời rạc hóa địa hình để tìm ra sự thay đổi của dòng chảy.

Tài liệu địa hình được thu thập từ thực tế và được cho ở dạng file text thể hiện đày đủ các thông số của một điểm bất kì trên miền tính toán (tọa độ x,y cao độ z, độ nhám).

Về độ nhám thì có hai dạng là roughness hight hoặc hệ số Manning So sánh với một chiều, thì ảnh hưởng bên dòng hai chiều thành hai hướng và tính vào tổn thất cho ma sát với đáy sông Quan sát tính chất địa hình và kích thước đáy sông là cách hiệu quả nhất để thiết lập điều kiện ban đầu của

hệ số nhám Khi quan sát cao trình bề mặt nước hiệu chỉnh để cho ra kết quả hệ số nhám cuối cùng Điều kiện biên được thiết lập là tổng lưu lượng dòng đi vào (inflow) và đưa số liệu cao trình

bề mặt nước ở cửa mặt cắt đi ra (outflow) Nếu R2D không dùng phương pháp ẩn về hướng và độ lớn dòng chảy (θ = 1) thì cao trình mặt nước trên sông và độ lớn vận tốc sẽ tính trực tiếp Nghĩa là tính ra ngay mà không quan tâm độ ổn định, không giới hạn Δt Điều kiện biên (external boundry) sẽ giảm đi sự ảnh hưởng của các số liệu không chính xác, làm cho quá trính tính toán diễn ra nhanh hơn Điều kiện ban đầu là quan trọng ngay cả trong dòng không ổn định (Điều kiện ban đầu dùng cho cả hai dòng ổn định và không ổn định), chúng được dùng để đoán trước được nghiệm trong phép lặp Nếu điều kiện ban đầu đúng thì thời gian lặp sẽ giảm đi, kết quả chính xác và ổn định hơn.

* Nguyên lý:

Bài toán của mô hình này là sự chuyển đổi từ các đặc điểm toán học ra số học trên máy tính Bản chất là chuyển phép toán của ta trở thành đơn giản bao gồm vô số điểm nút để máy tính làm việc với hữu hạn nút và phần tử.

∂ +

∂

∂

y

q x

q t

U và V là vận tốc trung bình theo hưóng x và y.

qx và qy là nguyên tố theo hướng x và y lưu luợng

C MÔ HÌNH TOÁN HỌC.

Dùng 3 phương pháp trong bài toán rời rạc bao gồm phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn, sai phân hữu hạn Bài toán thành lập biến phân và sự rời rạc hóa của phương trình liên tục dẫn đến hệ phương trình tuyến tính trong đó vận tốc và độ sâu tại các nút lưới là ẩn số

Từ mô hình vật lí ta có thẻ viết gọn :

C(H,U,V)=0; M x (H,U,V)=0; M y (H,U,V)=0;

Dùng phếp lặp thử dần với các điều kiện biên ban đầu của H,U, V, ta có :

^ ^ ^

^ ^ ^

^ ^ ^

( , , ) ( , , ) ( , , )

Chương trình chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán Với phương pháp này ta chia miền tính toán thành các phần tử rời rạc và nối với nhau bởi các nút.

Mặt thuận lợi nhất của phương pháp phần tử hữu hạn là linh động về mô tả địa hình Phần tử có thể thay đổi kích thước

và hình dạng dễ dàng, cho phép các biên phức tạp vẫn được tính toán đầy đủ, cũng như cho phép chia nhỏ địa hình ở các vùng thay đổi lớn về vận tốc và chiều cao

* Sai số do quá trình rời rạc:

• Nguyên nhân sai số:

Chú ý sai số này rất quan trọng trong việc tính toán mô hình nước nông Sai số do hai nguyên nhân:

- Do bờ

- Khi có sự thay đổi lớn về vận tốc và chiều cao.

+ Đầu tiên là dòng nước ở gần đáy sông làm thay đổi vận tốc, giảm vận tốc ở gần đáy xuống.

+ Trường hợp khác là tại đáy cao, bỗng trũng xuống quá nhanh vận tốc cũng thay đổi nhanh tạo dòng chảy xiết.

• Giải pháp

Cần có nhiều phần tử và nhiều nút ở các vùng mà vận tốc thay đổi đột ngột, vùng thay đổi ngột chiều sâu.

Phần mềm có khả năng cung cấp đủ việc tạo thêm nhiều phần tử các vùng tổn thất và vẫn giữ được tốc độ giải chương trình như cũ.

* Các sơ đồ giải được dùng để giải bài toán

Có 2 phương pháp được sử dụng là sơ đồ hiện và sơ đồ ẩn.

• Sơ đồ hiện

Sơ đồ hiện tìm giá trị thời điểm t + Δt dựa vào các nút xung quanh nút đó ở thời điểm t

Ưu điểm

Nó thuận lợi cho việc tính toán từng điểm một cách độc lập

Không ma trận nào cần để lưu trữ và thời gian giải nhanh

Nhược điểm

Bước thời gian phải được giới hạn để giữ ổn định Nếu Δt vượt qua thì

bước thời gian phải giảm xuống và tính lại.

Kết quả tính vận tốc không ổn định tại một điểm theo sơ đồ hiện.

• Sơ đồ ẩn

Sơ đồ ẩn từ giá trị một nút ở thời điểm t, lập ra mối quan hệ giữa bốn nút

xung quanh nó ở thời điểm t+1 Sau đó giải bằng phương pháp lặp kết hợp

conjugate gradient để tìm ra nghiệm

Kết quả tính vận tốc ổn định tại một điểm theo sơ đồ ẩn.

Nhược điểm:

Quá trình tính toán lâu vì phải giải lặp nhiều lần.

PHẦN II : PHẦN MỀM 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 nhưng

đều nhằm một mục đích là mô hình hóa bài toán một cách tốt

nhất.

1. MODUL I : R2D_Bed

a. KHÁI QUÁT CHUNG:

River2D_bed là chương trình hữu dụng cho hệ thống

dữ liệu của river2D, là bước đầu tiện khi thực hiện mô hình

hóa bằng R2D R2D_BED là chương trình đo vẽ địa hình, quá

trình thường là tạo sơ bộ dịa hình dưới dạng file dữ liệu đầu

vào, sau đó biên tập và tinh lọc lại dữ liệu bằng R2D_BED Kết

quả của R2D_BED được sử dụng trong R2D_mesh để phát triển

thành một chương trình tính rời rạc hoá River2D được dùng

để giải tìm vận tốc và độ sâu của nước Cuối cùng

river2D_habitat dùng để hiển thị và giải thích kết quả

2. MÔ TẢ FILE ĐỊA HÌNH.

Trong dạng hiện, cấu trúc cơ bản nhất của file là dãy các nút, ứng với nó là dãy các đoạn chứa các nút này Và cuối cùng là bởi dãy các đoạn biên Biên giữa các phần mà được nhấn mạnh trong file này với dấu {}

Trong dạng ẩn, brekline và biên được xác định cùng với thể hiện

các giá trị mà nút mang Dấu ngoặc dùng để xác định giá trị của các

nút (cả trong breakline và biên đóng hoặc mở) Vì vậy, không cần sự

liên tục nối nhau trong cùng một đường breakline và biên.

Chú ý rằng có thể xáo trộn các đường breakline và biên Ví dụ,

một file mà là file ẩn chính có thể có vài breakline ngắn dọc theo nó.

Những đường này sẽ có thể cần định hình theo cách trình bày ẩn.

Đây là một ví dụ về mô tả địa hình bed cho việc sử dụng river2D.

Nó đưa ra một dạng sông điển hình với việc chạy vòng theo dòng

chảy nơi mà có thể dòng chảy sẽ nằm trong vùng đồi cao hơn.

Mỗi nút được xác đinh bởi tọa độ x, y, cao trình đáy sông, độ nhám và lựa chọn của người sử dụng đặt tên cho nút đó Các vùng nên chia ra bởi các không gian và phải có tính liên tục về địa hình ( như các đường đồng mức) và ta chia các vùng đó bởi một dãy nút liên tục để dễ phân biệt.

Các tên nút có thể đặt bất kì nhưng có thể thay đổi bởi chương trình Mục đích của những số này để người dùng có thể tra ngay ra bất kì đoạn nào có trên địa hình một cách dễ dàng và độc lập nhau.

STT Tọa độ x Tọa độ Cao trình đáy z Độ nhám Mã nút(Code)

Nhóm tiếp theo là các điểm cho nơi cao của bờ sông Nó là sự tiện ích của tính toán biên ở bắc

và nam của bờ sông và được nối tiếp nhau với đầu dòng và cuối dòng Các biên này xác định theo vòng kín theo hướng ngược chiều kim đồng hồ cả nhóm điểm này là vòng kín và đặc trong dấu ngoặc đơn như dưới dây để cho biết nó là đường biên.

Hai nhóm nút tiếp theo là trình bày cho lòng sông ở bắc và nam

Chúng tao thành các đường riêng lẽ mà hầu hết là song song đồng thời với bờ chúng không phải là vòng kín mà là các đoạn ngắn, đặt trong cặp dấu ngoặc đơn “(…)”

Hai nhóm điểm mô tả cho vùng trũng trong sông

Cả hai nằm lần lượt ở bắc và nam của đoạn sông Khi thêm vào các đoạn breakline nữa thì nó nối với nhau và nối với dòng đi vào và dòng đi ra, , đặt trong cặp dấu ngoặc đơn “(…)”.

Hai nhóm điểm mô tả cho vùng giữa sông.

Đường kín đầu tiên là bờ hoặc lòng sông Nó mang dấu [ ] vì nó không phải thể hiện biên mà là breakline.

b. Định dạng dữ liệu trong Bed.

Phương phấp thứ nhì là thiết kế đường breakline mà là dạng hiện sau quá trình đưa số liệu nút

vào, những đoạn có thể được lập ra trên nút đó Mỗi một đoạn có tên gọi bằng số và chúng mở đầu

và kết thúc bởi hai nút đầu tiên và cuối cùng của đoạn các điểm này đã có từ trước và nó có thể là một bộ phận khác của môt breakline khác Khi tất cả các đoạn này đã được tạo ra, thì đường breakline hiện sẽ hình thành một dãy liên tục chú thích cho phép phần dữ liệu này như một dữ liệu điểm phương pháp hiện cho phếp ta hình thành các dạng địa hình phức tạp.

Tên đoạn nútđầu nút cuối

Chú ý rằng phần mềm chỉ dùng được cho một sông có kích thước nhất định vì nó có giới hạn tính toán nhất định mà nếu vượt quá thì máy báo lỗi và thoát ra ngoài.

Trong R2D_BED có một ưu điểm nổi bật là sau khi ta thực hiện trên R2D_BED R2D_MESH, nếu nhận thấy kết quả chưa hợp lý ta có thể sữa đổi như bỏ đi hoặc thêm vào các nút điểm để tạo sông chính xác nhất , và đặc biệt có thể đưa thêm công trình thiết kế vào đoạn sông để tính toán kiểm tra (như mỏ hàn, mố trụ cầu, kè lát mái )

3. CÁC LỆNH TRONG CỬA SỔ LÀM VIỆC CỦA BED.

Nó sẽ chứa các lệnh nằm trong menu và một số lệnh

cần thiết đã đưa ra dưới dạng biểu tượng.

a. Menu “File”:

Cũng như mọi phần mềm ứng dụng khác, menu “file”

dùng để quản lý lưu trữ những tập tin đã làm, mở

file đã làm Một điểm đặc biệt của menu “file’ trong

R2D_BED là nhận thông số đầu vào tại menu này, và

nếu muốn bổ xung số liệu ta có thể bổ xung qua lệnh

“import…”

b. Mennu “Display” ( thể hiện ra màn hình)

- Breakline Breakline thể hiện dưới

dạng gạch ngang Một đoạn breakline bị xóa nếu bị đánh dấu chéo Nó sẽ không hiện ra nếu ta đặt cho mặc định là off và sẽ hiện ra nếu ta thêm vào breakline hoặc xóa đi breakline.

-Triangulation (Tam giác) Sau khi ta đa tạo breakline và tam giác hóa, ta muốn thấy kết quả của 2 việc ấy bằng cách vào display/triangulation hoặc breakline ta thấy:

- Contours/ colour: Vào display/ Contours là lệnh cho phép thể hiện bản đồ dưới dạng các đường

đồng mức vể cao trình hoặc vể độ nhám

- bed elevation là phân biệt các đường đồng mức nghĩa là có cùng chiều cao so với mực nước biển.

- bed roughness là vể độ nhám.

Bản đồ sẽ được vẽ bởi các đường viền bắt đầu từ nơi thấp nhất và tới giá trị cao hơn Sau đây

là ví dụ cho bản đồ về bed elevation:

Có 14 màu để phân biệt các vùng Nó sẽ đi từ mầu xanh ( thấp nhất ) đến mầu đỏ ( cao nhất ) Thể hiện như sau (dùng shading )

- Biên (boundary)

Nếu biên đã được tạo xong, thì nó sẽ cho phép ta thấy bằng cách vào display/boundary và nó

có màu đỏ

- Chú thích (annotation)

Khi ta đã tạo xong hết dữ liệu cần thiết và muốn xem kết quả thể hiện trên hình vẽ, dùng annotation

+ Axes là thể hiện tọa độ x, y.

+Colour legend là thể hiện màu địa hình ứng vởi giá trị bao nhiêu.

+Distance scale là trong vùng đó ta sẽ phân biệt thành bao nhiêu khoảng

- Xuất ra màn hình số liệu về điểm (display/ dump nodal csv file)

Đây là lệnh xuất ra của bed Một nút có một dòng giá trị trong file csv Mỗi dòng chứa lần lượt tên nút, tọa độ x, y, cao trình đáy và độ nhám của các điểm riêng biệt file này thuận tiện cho việc đưa ra kết quả tính toán trong bảng tính hoặc trong chương trình GIS.

- Xuất ra màn hình (display/ dump Grid csv file)

Dump grid csv file cũng giống như dump nodal csv file nhưng ngoại trừ là các điểm nó đặt trong lưới Trong file là tập hợp các điểm trong một đường đi từ điểm x1,y1 là tọa độ của điểm nằm bên góc trái cuối của bản đồ đi đến điểm trên cùng góc phải của bản đồ x2,y2 mặc định được đặt chỉ nằm ngoài vùng mesh Những điểm nào của lưới không nằm trong mesh thì sẽ mang dấu âm, và có giá trị bằng 0 vể độ cao và độ nhám

- Lấy ra các điểm trong file nodal csv (extract points to csv file)

Extract point cũng giống file nodal csv, chỉ khác là các điểm này được lấy ra từ file nodal csv những điểm tùy ý người sử dụng các file đưa vào đã có để đưa ra bất cứ điểm nào ta chọn nó cho phép người sử dụng so sánh các lưới khác nhau của cùng một vùng.

2 Các lệnh trong menu “bed”

Các lệnh cho phép tạo ra số liệu địa hình trên bed Những lệnh này

cho phép tam giác hóa cơ bản và thêm vào hoặc kiểm tra sô liệu của

nút (edit), cũng như tạo hoặc xóa breakline Biên kín có thể xóa hoặc

tạo ra.

Menu “bed” Các biểu tượng cần nhớ trong bed

và hệ số nhám nên cần phải sửa lại

- Edit nodes Lệnh này có thể thay đổi tọa độ, cao trình điểm, độ nhám và mã của nút.

Lệnh này có hiệu lực ngay lập tức nhưng không thay đổi được đường đồng mức contour cho tới khi

ta phải dùng lệnh redraw rồi mới dùng contour thì khi đó việc thay đổi nút mới có hiệu lực với contour.

Dịch chuyển nút sẽ có thể gây ra vấn đề nếu nút đó đã được tam giác hóa Chương trình sẽ bị sai và

Khi muốn xóa đi, chọn delete breakline và xóa đi đoạn mà sau khi tam giác hóa thì nó tạo thành nhiều đoạn nhở Khi đó ta phải xóa từng đoạn nhỏ.

- Đặt độ nhám cho vùng Độ nhám cho một vùng có thể đặt bằng lệnh region height Ta nhấp

chuột vào vùng đó và tạo thành môt đa giác kín bởi chọn từng nút theo ngược

chiều kim đồng hồ

- Lập độ nhám ở mọi nơi (Set Roughness Evervwhere)

Vào bed/ Set Roughness Evervwhere Lệnh này có ích khi ban đầu ta sẽ đặt chung cho toàn

vùng một độ nhám Sau đó ta sẽ đặt riêng cho từng vùng trong sông các độ nhám riêng bằng lệnh region

- Biên (boundary) Đường biên trong R2D có thể vẽ bằng hai cách, 1 trong R2D_BED và 1 trong R2D_MESH.Trong R2D_BED ta vẽ đường biên bằng lệnh “define exterior boundary

loop” (biên ngoài) và “define interior boundary loop” biên trong hay co thể xóa chúng bằng lệnh “clear all boundaries” trong menu “bed” Chú ý rằng việc thực hiện vẽ các đường biên phải thực hiện theo ngược chiều kim đồng hồ với biên ngoài và theo chiều kim đồng hồ với biên trong.