Tác giả cũng xin cám ơn sâu sắc tới TSKH Nguyễn Văn Điệp, GS-TSKH Ngô Huy Cẩn, PGS-TS Hoàng Văn Lai cùng các bạn đồng nghiệp thuộc Nhóm nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học đã cho phép t
Trang 1VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
******
VIỆN CƠ HỌC *****
NGUYỄN THÀNH ĐÔN
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ ĐIỀU
KIỆN BIÊN TRONG GIẢI SỐ MÔ HÌNH
THUỶ LỰC HAI CHIỀU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI-2005
Trang 2NGUYỄN THÀNH ĐÔN
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ ĐIỀU
KIỆN BIÊN TRONG GIẢI SỐ MÔ HÌNH
THUỶ LỰC HAI CHIỀU
Chuyên ngành: Cơ học chất lỏng
Mã số: 60.44.22
Luận văn thạc sĩ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Hoàng Văn Lai
HÀ NỘI-2005
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
*****
VIỆN CƠ HỌC
*****
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Luận văn này tác giả hoàn thành tại Trung tâm Hợp tác đào tạo và Bồi
dưỡng cơ học, Viện Cơ học Việt Nam Trong thời gian công tác và học tập tại đây, tác giả đã được các thầy cô và cán bộ của Trung tâm tận tình hướng dẫn giúp đỡ Tác giả xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo giúp đỡ tận tình đó
Tác giả cũng xin cám ơn sâu sắc tới TSKH Nguyễn Văn Điệp, GS-TSKH Ngô Huy Cẩn, PGS-TS Hoàng Văn Lai cùng các bạn đồng nghiệp thuộc Nhóm nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học đã cho phép tác giả sử dụng số liệu và các phần mềm của Dự án để phát triển thành nội dung của luận văn
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Hoàng Văn Lai, người hướng dẫn và giúp đỡ tác giả rất tận tình trong việc hoàn thành luận văn này Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả Các
số liệu, kết quả nêu trong luân án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác
Những sai sót trong quá trình biên soạn là không thể tránh khỏi Vì vậy tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của những người đọc Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn của mình đối với tất cả những người đã và sẽ đóng góp ý kiến và giúp đỡ để cuốn luận văn được hoàn thành
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Trang 42
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn 1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… 5
Mở đầu ……… 6
Chương1 - GIỚI THIỆU CHUNG ………8
Chương 2 - CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN .11
2.1 Hệ phương trình Saint Venant ……… 11
2.2 Số Froude và số điều kiện biên cần thiết cho bài toán một chiều và hai chiều ………13
2.2.1 Số Froude, số điều kiện biên của bài toán thuỷ lực một chiều
.13
Trang 52.2.2 Số Froude, số điều kiện biên của bài toán thuỷ lực hai chiều 21 2.3 Ý nghĩa vật lý của điều kiện biên trong thuỷ lực học ………22
Chương 3 - KỸ THUẬT XỬ LÝ ĐIỀU KIỆN BIÊN TRONG MỘT SỐ
……… 23
3.1 Kỹ thuật xử lý điều kiện biên trong trong phương pháp khối hữu hạn 3.1.1 Phương pháp rời rạc hoá hệ phương trình Saint Venant
……… 25
3.1.2 Kỹ thuật xử lý các phần tử trên biên
3.1.3 Kỹ thuật xử lý biên khô ướt ……… 30 3.1.4 Ứng dụng các kỹ thuật vào phần mềm VODAP_2D
………32
3.2 Kỹ thuật xử lý điều kiện biên trong trong phương pháp phần tử hữu
3.2.1 Phương pháp rời rạc hoá hệ phương trình Saint Venant
32
3.1.2 Cách đưa điều kiện biên vào hệ phương trình
36
3.1.3 Kỹ thuật xử lý biên khô ướt ……… 38 3.1.4 Ứng dụng các kỹ thuật vào phần mềm TELEMAC_2D
………….39
Chương 4 - KẾT QUẢ GIẢI SỐ MỘT SỐ BÀI TOÁN MẪU ………41
……… 41
Trang 64
……… 42
.……… 45
4.4 Bài toán thực tế đánh giá thực trạng lòng dẫn sông Hồng- sông Thái
54
TÀI LIỆU THAM KHẢO .56
Trang 7DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
h - giá trị mực nước
u - vận tốc (trung bình) theo trục x
v - vận tốc (trung bình) theo trục y
g- gia tốc trọng trường
kx- hệ số Stricler trong lực cản đáy theo trục x
ky- hệ số Stricler trong lực cản đáy theo trục y
So,x - độ dốc đáy theo trục x
So,y - độ dốc đáy theo trục y
Fx - lực khối chiếu theo trục x
Fy- lực khối chiếu theo trục y
e
- hệ số khuyếch tán bao gồm khuyếch tán phân tử kết hợp khuyếch
tán rối
Sce - thành phần nguồn phụ
Z - cao trình mặt thoáng
Zf – cao trình đáy
Trang 8
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Một điều kiện biên tại thượng lưu
Hai điều kiện biên tại thượng lưu
Một điều kiện biên tại hạ lưu
Không cần điều kiện biên tại hạ lưu
Phần tử trong miền
Phần tử biên
Các phần tử nửa khô nửa ướt cần xử lý đặc biệt Các nút cần xử lý đặc biệt
Các sửa gradient mặt thoáng lỗi
So sánh mực nước tính toán với mực nước giải tích Cấu hình kênh bài toán mẫu số 2
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S1
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S2
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S3
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S4
Cấu hình kênh bài toán mẫu số 3
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S1
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S2
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S3
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S4
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S5
So sánh tính toán với thực đo tại điểm đo S6
Mô hình hành lang thoát lũ sông Hồng
Lưới được chia chi tiết trên các công trình đê, bối
So sánh kết quả giữa 2D và 1D tại trạm thuỷ văn Hà Nội
Trang 9So sánh kết quả giữa 2D và 1D tại cầu Thăng Long
Trang 108
MỞ ĐẦU
Điều kiện biên là một trong những bộ phận cấu thành của một bài toán
cơ học chất lỏng Điều kiện biên trong lĩnh vực thuỷ động lực học lại mang một số đặc trưng chuyên sâu riêng so với các ngành khác Hơn nữa kiến thức
và kinh nghiệm về xử lý điều kiện biên còn giúp người tác nghiệp áp dụng có hiệu quả thuỷ động lực học vào thực tế Vì vậy nghiên cứu và nắm rõ điều kiện biên của các bài toán thuỷ lực là nhiệm vụ cần thiết của người làm thuỷ lợi
Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện biên tới kết quả số trong mô hình hai chiều chỉ tâp trung vào các vấn đề về điều kiện biên của phương trình nước nông Saint Venant 2D Trong khuôn khổ luận văn sẽ đề cập và giải thích một số khái niệm, định nghĩa của điều kiện biên trong bài toán 2 chiều Luận văn sẽ mô tả ý nghĩa và tác dụng của từng loại điều kiện biên trong thực
tế, yêu cầu về số lượng điều kiện biên để một bài toán có nghiệm duy nhất Tuy nhiên để dẫn giải sáng sủa vấn đề, chương hai của đề tài sẽ đề cập đến kiến thức điều kiện biên trong bài toán một chiều trước Điều kiện biên hai chiều sẽ được lập luận tương tự
Khi nghiên cứu các bài toán hai chiều truyền lũ, các nhà thuỷ lực đã gặp câu hỏi làm thế nào mô tả được sự lan truyền nước từ vùng ướt lên vùng khô,
và ngược lại sự rút nước Khi đó ta không còn khái niệm môi trường liên tục trên toàn miền tính nữa Khác với khí động học, toàn bộ vùng nghiên cứu luôn được lấp đầy không khí, trong thuỷ lực sự dâng nước dẫn đến ngập các vùng khô hay ngược lại rút nước từ vùng ướt thành vùng khô lại thường xuyên xảy ra Vùng giáp ranh khô ướt lúc này được coi là biên lỏng di động
và chúng cần được nghiên cứu Loại điều kiện biên này tuy không được hiểu
Trang 11TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A reappraisal of Taylor-Galerkin algorithm for drying-wetting areas in
shallow water computations
International Journal for Numercal Methods in Fluids
M.Quecedo and M.Pastor
[2] Numerical methodes for shallow-water flow by C.B Vreugdenhil
Institute for Marine and Atmospheric Research Utrecht(IMAU),
Utrecht University, Utrecht, the Netherians
[3] Donea J.A Taylor-Galerkin method for convective transport problem
International Journal for Numerical Methods in Engineering 1984
[4] Peraire J.A Finite Element Method for Convection Dominated Flows
University of Wales,Swansea,1986
[5] An unstructured finite-volume algorithm for predicting flow in rivers and
estuaries by P.A.Sleigh, P.H.Gaskell, M.Berzins and N.G.Wright
University of Leeds, Leeds, LS2 9JT U.K
[6] A 2-D Shalow-Water Model using Unstructured finite volume methods
by Nguyễn Kim Đan
University of Caen, Department of Mathematics and Mechanics, France
[7] Boundary conditions for the two-dimensional flow, Saint-Venant
equation system by Trần Gia Lịch and Lê Kim Luật
Institut of Mathematics, HàNội, Việtnam
[8] TELEMAC-2D Vesion 3.0 Principle note by Hervouet J-M,Van Haren L
[9] TELEMAC-2D Modeling system user manual
Departerment Laboratoire National d’Hydraulique FRANCE