Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua máng tràn ngang hồ chứa nước quang hiển, tỉnh bình định

Việc tính toán thủy lực máng tràn ngang hiện nay rất khó khăn cho các kỹ sư thiết kế công trình nếu chỉ sử dụng các công thức giải tích một chiều trong giáo trình còn nhiều rủi ro, kết q

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Hướng dẫn khoa học:

GS.TS Nguyễn Thế Hùng

Phản biện 1:PGS.TS Hồ Sỹ Tâm

Phản biện 2:TS Vũ Huy Công

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ứng dụng Kỹ thuật Xây dựng Công Trình Thủy họp tại Trường Đại học Bách khoa

Vào hồi 08 giờ 00 ngày 21 tháng 06 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công trình tháo lũ hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định là loại công trình kiểu máng tràn ngang có qui mô tính toán cấp III Do đặc thù công trình tháo lũ là dòng chảy trong máng ngang là dòng chảy biến lượng 3 chiều xoắn ốc phức tạp Việc tính toán thủy lực máng tràn ngang hiện nay rất khó khăn cho các kỹ sư thiết kế công trình nếu chỉ sử dụng các công thức giải tích một chiều trong giáo trình còn nhiều rủi ro, kết quả tính toán chưa phản ánh dòng chảy thực khi tràn làm việc

Đây cũng là lý do chọn đề tài: “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua máng tràn ngang Hồ chứa nước Quang Hiển, Tỉnh Bình Định” để nghiên cứu đối với các công trình vừa và nhỏ

2 Mục đích nghiên cứu

Ứng dụng mô hình TELEMAC-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình máng tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định, nhằm xác định:

- Tính hợp lý về hình dạng, kích thước các bộ phận công trình tràn nói chung và máng tràn ngang nói riêng; xem xét đánh giá cácđặc trưng thủy lực dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng ngang

- Thông qua kết quả trên mô hình so sánh với phương pháp tính toán hiện nay, nhận xét, đánh giá

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Công trình tháo lũ máng tràn ngang hồ

chứa nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định

- Phạm vi nghiên cứu: Dùng mô hình TELEMAC-3D Nghiên

cứu về dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng ngang

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là tiếp cận cơ sở lý thuyết về dòng chảy thủy động lực học, cơ sở lý thuyết phương pháp số, phần

tử hữu hạn, tin học ứng dụng…Trên cơ sở đó ứng dụng mô hình TELEMAC-3D cho công trình tràn xả lũ hồ chức nước Quang Hiển, tỉnh Bình Định

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu dòng chảy qua máng tràn ngang bằng mô hình toán 3 chiều có ý nghĩa rất lớn đối với các kỹ sư tư vấn thiết kế công trình vừa và nhỏ Thông qua mô hình, ta có thể xác định hình dạng tràn hợp lý, dự báo được các yếu tố thủy lực bất lợi khi tràn làm việc mà phương pháp giải tích 1 chiều không giải quyết được

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 - Tổng quan về dòng chảy qua công trình tràn xả lũ Chương 2 - Lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn xả lũ mô

hình TELEMAC-3D

Chương 3– Áp dụng mô hình toán TELEMAC-3D mô phỏng

dòng chảy qua qua công trình tràn xả lũ

Luận văn gồm có: mở đầu, 3 chương, kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUANVỀ DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ 1.1 Các công trình tràn tiêu biểu

1.1.1 Tình hình xây dựng, công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới

1.1.2 Tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện ở nước ta

1.1.3 Nhận xét về công trình tháo lũ ở nước ta

Các công trình tháo lũ có quy mô vừa và lớn ở nước ta phần lớn là loại đập tràn đường tràn dọc.Còn dạng đường tràn ngang

ít thấy áp dụng cho các công trình lớn

1.2 Các vấn đề xây dựng mô hình dòng chảy qua các công trình thủy lợi

1.2.1 Khái niệm về mô hình toán của dòng chảy

Các bước cơ bản xây dựng mô hình toán:

Bước 1: Lựa chọn phương trình hay hệ phương trình toán học

mà ta cần phải giải quyết Các phương trình dạng này thường áp dụng các định luật bảo toàn như bảo toàn khối lượng, bảo toàn momen động lượng hay bảo toàn năng lượng

Bước 2: Đặt điều kiện cho bài toán

Bước 3: Dùng phương pháp số để tìm kết quả gần đúng

Bước 4: Thiết lập thuật toán số ứng với mô hình đã lập và chạy

trên máy tính kỹ thuật số

Bước 5: Chạy một số bài toán mẫu để kiểm chứng

Với 5 bước cơ bản nêu trên ta có một mô hình toán học.Sau

đó cần phải hiệu chỉnh mô hình và kiểm định mô hình

1.2.2 Những vấn đề cần nghiên cứu dòng chảy trong máng ngang

Hiện nay, lý thuyết hay tài liệu nghiên cứu về dòng chảy trong máng tràn ngang không nhiều Trong giáo trình Thủy công tập 2 hay Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thủy lợi chỉ trình bày các phương pháp tính giải tích gần đúng để xác định đường mực nước trong máng Đây cũng là vấn đề khó khăn cho các kỹ sư tư vấn thiết kế khi phải gặp loại công trình này (nếu chỉ dựa vào tài liệu trong giáo trình) Ngày nay khoa học và công nghệ phát triển đã giải quyết được một số bài bài toán kỹ thuật Do đó, tác giả muốn sử dựng mô hình toán TELEMAC-3D áp dụng cho công trình máng tràn ngang để nghiên cứu dòng chảy biến lượng 3 chiều, xoắn ốc, khá phức tạp trong máng ngang, có thể rất có ít cho kỹ sư thiết kế công trình

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Công trình tràn trong đầu mối thủy lợi đóng một vai trò rất quan trọng Các công trình tràn ngang có điều kiện xây dựng rất đặc biệt, ảnh hưởng rất lớn đến an toàn và kinh phí xây dựng công trình, nếu như tính toán thiết kế chưa phù hợp.Do đó các nhà Khoa học trên thế giới đã chú trọng và phát triển các mô hình tính toán để phục vụ cho công tác thiết kế công trình Chương tiếp theonghiên cứu các lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn xả lũ và ứng dụng hệ thống mô hình toán TELEMAC-3D để tính toán dòng chảy qua máng tràn ngang

CHƯƠNG II

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ

LŨ MÔ HÌNH TELEMAC-3D 2.1 Mục đích và yêu cầu mô phỏng mô hình toán

2.1.1 Mục đích mô phỏng bằng mô hình toán:

Các phương pháp cổ điển tính toán thủy lực máng tràn ngang hiện nay đều giả thuyết dòng chảy là đều, ổn định, một chiều, điều kiện biên đơn giản Kết quả tính toán chưa mô tả đúng hiện tượng vật lí mà tràn làm việc Dùng mô hình toán TELEMAC-3D mô phỏng dòng chảy biến lượng 3 chiều rất cần thiết

2.1.2 Qui trình kiểm định mô hình:

a Qui trình kiểm định mô hình:

- Căn cứ vào TCVN 8214-2009 – Thí nghiệm mô hình thủy lực công trình thủy lợi, thủy điện xây dựng mô hình thí nghiệm;

- Chia lưới và xây dựng bản đồ DEM tính toán cho công trình;

- Khai báo hệ số nhám tại các vị trí và thành bên công trình;

- Lắp đặt các thiết bị quan trắc tại các vị trí cần xem xét;

- Gán điều kiện biên, điều kiện ban đầu;

- Tiến hành mô phỏng và kiểm tra trực quan kết quả trên mặt bằng Hiệu chỉnh sơ bộ hệ số nhám tại các vị trí;

- Trích xuất vận tốc tại các vị trí có dữ liệu đo đạc Hiệu chỉnh các thông số mô hình

b Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu dòng chảy biến lượng 3 chiều trong máng tràn ngang hồ chứa nước Quang Hiển

2.2 Tài liệu được cung cấp phục vụ mô hình

2.2.1 Giới thiệu chung:

2.2.1.1 Giới thiệu dự án:

2.2.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ:

2.2.1.3 Tóm tắt qui mô dự án:

- Cấp công trình: Cấp III

- Cao trình đỉnh đập: 63.30m; Cao trình đỉnh tường: 63.90m

- Cao trình ngưỡng tràn: 60.40m (tràn tự do)

- Chiều dài ngưỡng tràn: 40.00m

- Lưu lượng thiết kế Q1% = 190.00m3/s

- Lưu lượng kiểm tra Q0.2% = 258.00m3/s

2.2.2 Tài liệu thủy văn:

2.2.2.1 Tài liệu thủy văn thiết kế công trình:

a Đặc trưng lưu vực:

b Dòng chảy năm thiết kế:

c Dòng chảy lũ thiết kế:

2.2.2.2 Tài liệu quan trắc:

2.3 Tài liệu địa hình

Hình 2.5: Mặt bằng tràn xả lũ Hồ chứa nước Quang Hiển

2.3 Lý thuyết tính toán thủy lực máng tràn ngang

2.3.1 Tính toán thủy lực cho ngưỡng tràn

- Hình dạng mặt ngưỡng tràn thực dụng hồ Quang Hiển:

Hình 2 1: Hình mặt cắt ngang ngưỡng tràn

- Các thông số: P1=2.0m, =1.5m, r =1.0m, R=4.0m, αH=450

- Công thức tính lưu lượng qua ngưỡng tràn:

√ (2 – 1) -Từ công thức (1-1), chiều dài ngưỡng tràn:

√ (2 – 2)

2.3.2 Tính toán thủy lực máng ngang

2.3.2.1 Phương pháp Giáo sư E.A.Zamarin:

- Lưu lượng qua các mặt cắt x được xác định:

√ (23) -Độ dốc thủy lực:

Phương pháp này cho kết quả gần đúng để sơ bộ xác định kích thước bể máng bên Đối với công trình quan trọng cần tính toán kiểm tra theo phương pháp khác

2.3.2.2 Phương pháp dòng biến lượng:

Giả thuyết dòng chảy trong máng là ổn định Công thức vẽ đường mực nước trong máng:

–

(2-7) Công thức (2-7) có thể viết lại dưới dạng:

–

(2-8) Đặt: y = z + p/(2-9)

-Xét 2 mặt cắt cách nhau một đoạn x, công thức (2-8) viết lại dưới dạng sai phân:

hệ thống TELEMAC trở thành công cụ hữu hiệu trong lĩnh vực tính toán dòng chảy hở trong sông và biển Telemac bao gồm nhiều modules được xây dựng dựa trên các thuật toán mạnh dùng phương pháp phần tử hữu hạn Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác, hay lăng trụ đáy tam giác

2.4.1 Bài toán thủy lực 1 chiều (1D):

TELEMAC MASCARET: mô phỏng dòng chảy một

chiều.Dựa trên hệ phương trình Saint-Venant

2.4.2 Bài toán thủy lực 2 chiều (2D):

TELEMAC-2D: mô phỏng dòng chảy 2 chiều ngang, giải

hệ phương trình Saint-Venant, bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền các chất hòa tan TELEMAC-2D có hai phiên bản, hai phương pháp tính khác biệt nhau:

+Ph n t h u hạn:

+Thể t ch h u hạn:

2.4.3 Bài toán thủy lực 3 chiều (3D):

TELEMAC- 3D: mô phỏng dòng chảy 3 chiều, giải hệ

phương trình Navier-Stokes, bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền chất hòa tan có hoặc không tham gia phản ứng hóa học (TELEMAC-3D Software, March 2013) Giải phương trình Navier-Stokes 3D qua một bước thuật toán phân đoạn, sử dụng xấp xỉ Boussinesq (J M Hervouet, 2007) Một trong những ưu điểm chính của thuật toán bước phân đoạn, đó là người sử dụng

có thể lựa chọn lời giải số phù hợp nhất với các số hạng khác nhau của các phương trình Navier-Stokes

2.4.4 Một số Modun khác của hệ thống phần mềm

TELEMAC

+ ARTEMIS: tính sóng biển có xét đến các hiện tượng vật lý

như phản xạ, nhi u xạ, khuyếch tán của sóng biển khi truyền vào vùng nước nông trước và trong cảng biển

+ TOMAWAC: tính truyền sóng trong vùng ven bờ

+ SISYPHE: giải bài toán tải bùn cát và biến hình lòng dẫn 2

chiều

+ SEDI-3D: Giải bài toán tải bùn cát 3 chiều

* Ƣu nhƣợc điểm của phần mềm:

2.5Cơ sở lý thuyết phần mềm TELEMAC:

a Phương trình với giả thuyết áp lực thủy tĩnh:

- Các giả thuyết: Dòng chảy có mặt thoáng thay đổi theo thời gian, chất lỏng không nén đươc, tuân theo áp suất thủy tĩnh

- Hệ phương trình:

V x

U

(2-14) + Hệ phương trình động lượng:

  x

x

Z g z

U W y

U V

Z g z

V W y

V V

p

p

s Z

z



0 0

T W y

T V

F U x

Z g z

U W y

V W y

W W y



+ Phương trình áp suất phi thủy tĩnh: (2-20)

d Z

z s

c Định luật về trạng thái:

- Trạng thái thứ nhất:

ρ=ρref.[1- (T.(T - Tref)2 – 750S).10-6 (2-21) -Trạng thái thứ hai được viết:

k z y

k y x

k x z

k W y

t k

W y

C l

2 2 3

T z y

T y x

T x z

T W y

3.1.1 Xây dựng mô hình tràn ba chiều (3D)

3.1.2 Tạo tập tin đầu vào Telemac-3D

3.1.3 Kết quả tạo lưới

3.1.4 Các thông số hình học trong mô hình TELEMAC

3.2 Kết quả mô phỏng dòng chảy qua máng tràn ngang

3.2.1 Khả năng xả lũ

a.Khả năng tràn theo phương án thiết kế công trình:

Bảng 3- 1: Khả năng xả qua tràn phương án thiết kế

TT Q (p)

(m3/s)

q (m2/s) Z TL (m) H (m) m

b Khả năng tháo lũ theo phương án mô phỏng mô hình

Trường hợp 1: ứng với mực nước lũ thực đo 2017, Q = 14.834m3/s

Hình 3.1: Mặt bằng tràn và vị tr cho kết quả mô hình

Hình 3.2: Đồ thị Q, H c a vào tràn Qđo=14.834 m3/s

Hình 3.3: Đồ thị lưu tốc cuối máng ứng với Qđo= 14.834 m3/s

- Kết quả lưu lượng trung bình tại 3 điểm:

Trường hợp 2: ứng với tần suất thiết kế p = 1.0%, lưu lượng tính toán Q1.0% = 190.00m3/s

Hình 3.4: Đồ thị lưu lượng đ u c a tràn Q P=1.0%

Hình 3.5: Đồ thị lưu tốc cuối máng ứng với Q 1%

- Kết quả trung bình tại 3 điểm:

Bảng 3- 3: Khả năng xả qua tràn ứng với p = 1.0%

Bảng 3- 4: Khả năng xả qua tràn ứng với p = 0.2%

Kết luận: Khả năng tháo qua tràn đảm bảo yêu cầu

3.2.1 Các thông số thủy lực của tràn qua mô phỏng mô hình

a Mặt bằng lưu tốc trong máng:

Hình 3.7: Hình mô tả vùng xoáy đ u máng p=1.0%

- Khi thay đổi kích thước đáy đầu máng từ 6.15m còn 4.15m, kết quả mặt bằng lưu tốc trong máng không còn vùng xoáy (Trường hợp Q1% = 190.00m3/s)

Hình 3.14: Hình mô tả vùng xoáy đ u máng p=1.0%

- Xét 1 nút 4579(12.377, 13.628)lân cận vùng xoáy

Hình 3.85: Đồ thị lưu tốc đ u máng lớp 2 (Q P=1,0% )

Nhận xét: Đầu máng xuất hiện vùng xoáy, gây bất lợi cho công

trình Dòng chảy dọc máng gần thành đối diện ngưỡng có lưu tốc cao hơn các vị trí khác.Đây là tính ưu việc của mô hình

b.Đường mực nước trong máng sau ngưỡng tràn:

Hình 3.9: Đồ thị mực nước trong máng (Q P=1.0% )

- Kết quả đường mực nước trong máng theo 2 phương pháp tính

Bảng 3- 6:Mực nước trong máng ứng với Q 1%

Hình 3.10: Đồ thị mực nước ngang máng và dọc máng (Q P=0.2% )

Bảng 3- 7:Mực nước trong máng ứng với Q 0.2%

- Kết quả đường mực nước trong dốc nước giữa 2 phương pháp tính: Phương pháp cổ điển và mô hình thể hiện Bảng 3-8 và Bảng 3-9

Bảng 3- 8: Mực nước trong dốc ứng với Q 1.0%

Bảng 3- 9: Mực nước trong dốc ứng với Q 0.2

Nhận xét: Kết quả mô hình cho giá trị lớn hơn khi càng dần

cuối máng Nhưng khi về đến dốc nước thì sai khác không lớn

c Xét lưu tốc dòng chảy trong công trình:

- Lưu tốc trước ngưỡng, ngang máng và dọc trên cùng mặt cắt thể hiện Hình 3.18 và Hình 3.19

Nhận xét:Kết quả tính toán bằng mô hình TELEMAC-3D cho

kết quả di n biến của lưu tốc khá phù hợp với dòng chảy khi tràn làm việc

KẾT LUẬN CHƯƠNG III

- Việc ứng dụng mô hình toán TELEMAC- MASCARET để giải quyết một số bài toán kỹ thuật dòng chảy có mặt thoáng là rất cần thiết

- Ứng dụng mô hình có thể giải quyết bất kỳ hình dạng công trình phức tạp nào

- Thông qua chạy mô hình ta có thể xác định sơ bộ hình dạng hợp lý của công trình với nhiều phương án khác nhau Đây cũng

là công cụ tham khảo hữu ích khi so sánh với phương pháp tính toán theo cổ điển Đồng thời nó cũng giúp cho các nhà nghiên cứu tìm ra một qui luật nào đó của dòng chảy mà kết quả thí nghiệm không thể mô tả được

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN

1 Khả năng tháo lũ của máng ngang, mô hình cho kết quả đáp ứng yêu cầu thiết kế

2 Mô hình mô tả được dòng chảy biến lượng xoắn ốc 3 chiều

và xác định được các yếu tố thủy lực bất lợi khác của công trình Cụ thể ở công trình tràn Quang Hiển hình dạng đầu máng ngang chưa hợp lý dẫn đến tạo ra vùng xoáy gây bất lợi cho công trình, dòng xoáy làm giảm khả năng thoát nước trong bể, dẫn đến kích thước bể tăng…chi phi đầu tư tăng

3 Ứng dụng mô hình có thể chạy nhiều phương án khác nhau

về độ dốc trong máng để tìm ra độ dốc thích hợp, lợi về mặt thủy lực và hiệu quả đầu tư