Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng ven bờ phục vụ tính toán dòng vận chuyển bùn cát do sóng

Thông thường, mô phỏng dòng chảy sóng được thực hiện thôngqua việc giải hệ phương trình nước nông thủy tĩnh truyền thống với nguồn lực là trường ứng suất sóng ven bờ được tính toán theo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phùng Đăng Hiếu

Hà Nội - 2019

Lời cảm ơn

Với lòng biết ơn sâu sắc và tình cảm chân thành cho phép em gửi lời cảm ơntới thầy, cô giáo trong Bộ môn Khoa học và công nghệ biển cũng như các thầy, côgiáo trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên đã dạy, hướng dẫn và hỗ trợ em trong những năm học qua Đặc biệt, emxin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phùng Đăng Hiếu - giáo viên hướngdẫn - người đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, động viên em trong suốtquá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Lãnh đạo Viện Nghiên cứubiển và hải đảo, lãnh đạo phòng Khoa học biển và Biến đổi khí hậu – nơi em đangcông tác - đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập Cảm ơn gia đình, bạn bè

và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ em học tập và nghiên cứu

Cảm ơn đề tài TNMT.2016.06.09 “Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toántrường động lực khu vực trong vùng sóng đổ phục vụ đánh giá dòng chảy nguyhiểm ven bờ; áp dụng thí điểm cho bãi biển Cửa Lò – Nghệ An” đã cung cấp số liệu

để học viên hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng luận văn không tránh khỏi những thiếusót; em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô, cácnhà khoa học và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Khang

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

Mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2

1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ 2

1.2 Vận chuyển bùn cát 3

1.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ 5

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH và một số thử nghiệm 8

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH 8

2.1.1 Giới thiệu mô hình SWASH 8

2.1.2 Phương trình tiến triển và điều kiện biên 9

2.2 Một số ứng dụng thử nghiệm 13

2.2.1 Lựa chọn các điều kiện mô phỏng 14

2.2.2 Tính toán mô phỏng và kết quả 15

2.2.3 Đánh giá 26

Chương 3 Ứng dụng thực tiễn cho bãi biển Cửa Lò-Nghệ An 27

3.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu 27

3.1.1 Vị trí địa lý 27

3.1.2 Địa hình địa mạo 28

3.1.3 Điều kiện khí tượng hải văn 29

3.2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu 32

3.2.1 Số liệu 32

i

3.2.2 Phương pháp 35

3.3 Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An 37

3.3.1 Miền tính và lưới tính toán 37

3.3.2 Hiệu chỉnh kiểm định 38

3.3.3 Kịch bản tính toán 40

3.3.4 Kết quả tính toán 40

Kết luận và kiến nghị 49

Tài liệu tham khảo 50

ii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.Chi tiết trạm đo sóng 33

Bảng 2 Thống kê sóng nhiều năm tại Nghệ An (1979-2017) 40

Bảng 3 Kịch bản tính toán 40

Bảng 4 Kết quả tính toán bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt 48

iii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Mô tả thí nghiệm của Ting và Kirby (1994) 16

Hình 2 So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thí nghiệm trong thí nghiệm sóng lan truyền qua bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby 1994) 17

Hình 3 Mô tả thí nghiệm của Van Gent và Doorn (2000) 19

Hình 4 So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thực đo trong thí nghiệm sóng lan truyền trên bãi thoải có sự xuất hiện của bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000) 19

Hình 5 Mô tả thí nghiệm của Haller và nnk (2002) 21

Hình 6 Kết quả phân bố trường dòng chảy (Haller và nnk 2002) 22

Hình 7 Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x = 10m 23

Hình 8 Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x = 11,2 m 23

Hình 9 Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x = 12,2 m 24

Hình 10 Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x = 13m 24

Hình 11 Bản đồ hành chính tỉnh Nghệ An 27

Hình 12 Khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An 28

Hình 13 Hoa sóng tháng 1 (theo số liệu sóng NOAA) 31

Hình 14 Hoa sóng tháng 7 (theo số liệu sóng NOAA) 31

Hình 15 Khu vực đo địa hình chi tiết 33

Hình 16 Trạm đo sóng 34

Hình 17 Trạm số liệu sóng NOAA 34

iv

Hình 18 Khu vực tính toán 37

Hình 19 Kết quả hiệu chỉnh mô hình 39

Hình 20 Kết quả kiểm định mô hình 39

Hình 21 Trường sóng kịch bản sóng hướng NE 41

Hình 22 Trường sóng kịch bản sóng hướng E 42

Hình 23 Trường sóng kịch bản sóng hướng SE 43

Hình 24 Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng NE 44

Hình 25 Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng E 45

Hình 26 Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng SE 46

Hình 27 Mặt cắt tính toán vận chuyển bùn cát 47

v

Mở đầu

Sóng biển là một trong những quá trình động lực có vai trò rất quan trọngtrong sự biến đổi địa hình khu vực ven bờ Đặc biệt, trong khu vực phía trong vùngsóng đổ, trường động lực diễn ra rất phức tạp do động lực của chuyển động sóngđược chuyển đổi sau khi sóng đổ hình thành hệ thống dòng chảy phát sinh do sóngbao gồm các dòng chảy dọc bờ và dòng chảy ngang bờ Chính hệ thống dòng chảyphát sinh do sóng này là nguồn lực mang vật chất ven bờ dịch chuyển và tạo nên cáckhu vực bồi tụ và xói lở phức tạp Do đó, việc mô phỏng chính xác trường sóng vàdòng chảy phát sinh do sóng khu vực ven bờ là điều kiện quan trọng để tính toánvận chuyển bùn cát phục vụ đánh giá sự biến động đường bờ

Để mô phỏng chính xác trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng khu vựcven bờ, mô hình cần thiết phải mô phỏng được các quá trình chủ đạo trong khu vựcnày Là một mô hình được phát triển dựa trên hệ phương trình nước nông phi thủy tĩnhvới mục đích tính toán cho khu vực ven bờ, mô hình SWASH có thực sự tốt haykhông? Có phù hợp để tính toán và có khả năng ứng dụng vào thực tiễn hay không? Đểtrả lời cho câu hỏi đó, luận văn lựa chọn và sẽ tiến hành kiểm nghiệm mô hình SWASHthông qua những bài toán chuẩn, sau đó, ứng dụng mô hình SWASH để tính toántrường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An

Luận văn được cấu trúc gồm phần mở đầu, kết luận và ba chương như sau:Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH và một số thử nghiệm

Chương 3: Ứng dụng thực tiễn cho bãi biển Cửa Lò - Nghệ An

1

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ

Đối với sóng ngoài khơi để phát triển nhờ năng lượng của gió thì có ba nhân

tố của trường gió phải thỏa mãn đó là: Tốc độ gió lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó,khoảng đà gió và thời gian gió thổi phải đủ dài Sau khi dời khỏi vùng gió tác động,sóng gió đã phát triển truyền đi trên biển, phân tán ra mọi phía và một phần nhỏnăng lượng bị mất đi do ma sát nhớt Khi các sóng tiếp cận tới các vùng bờ chúngchuyển thành sóng lừng có dạng hai chiều với chu kỳ đồng đều và các đỉnh sóng tạothành luống

Do độ sâu giảm đi theo hướng vào bờ, các sóng lừng mang đặc tính của sóngnước nông tương tự như các sóng có chu kỳ không đổi Vùng nước nông được xem

là bắt đầu khi sóng cảm nhận được nền đáy và đáy biển ảnh hưởng lên quá trìnhtruyền sóng, ngược lại, đáy biển cũng chịu ảnh hưởng tác động từ chuyển độngsóng Nếu trường gió tác động thổi qua vùng bờ thì mặt biển nổi sóng gồm nhiềuđỉnh sóng không đồng đều tiến vào bờ, khi đó sự biến dạng sóng vùng nước nông làrất phức tạp

Những đặc tính nổi bật của quá trình chuyển hóa sóng ở vùng nước nông làbiến dạng sóng và khúc xạ sóng Khúc xạ sóng là kết quả của sự thay đổi tốc độtuyền sóng như là hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và chu kỳ sóng Các sóng

bị khúc xạ thay đổi hướng lan truyền làm cho các dải đỉnh sóng có xu thế song songvới các đường đẳng sâu Biến dạng sóng là kết quả thay đổi tốc độ truyền của dòngnăng lượng sóng, độ sâu càng nông thì tốc độ dòng năng lượng càng giảm đi, do độcao sóng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của năng lượng sóng nên độ cao sóng phải tănglên khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảm bảo năng lượng sóng được bảotoàn và cuối cùng sóng bị vỡ tại điểm mà độ cao sóng xấp xỉ bằng độ sâu Điểm nàyđược gọi là điểm sóng đổ Nhìn chung, điểm đổ của một chuỗi sóng không phải làmột điểm cụ thể mà là một vùng bởi vì điểm sóng đổ bị dịch chuyển theo từng sóngtới đo sự không nhất của sóng tới và sự phản xạ của bờ

2

Theo các nghiên cứu thì ảnh hưởng của đáy lên chuyển động sóng quan sátđược khi tỷ lệ giữa độ sâu và độ dài sóng nước sâu nhỏ hơn 0,5, tức là khi độ sâunhỏ hơn ½ độ dài sóng Như thế, khi sóng lan truyền vào vùng bờ, dưới tác độngảnh hưởng của nền đáy như độ dốc, sự giảm độ sâu, độ gồ ghề của đáy, sóng bị thayđổi các đặc trưng của nó Trên thực tế, khi sóng truyền vào vùng nước nông thì xảy

ra các hiện tượng: biến dạng sóng, khúc xạ sóng, tán xạ sóng, phản xạ sóng, phá hủysóng và tiêu tán năng lượng

Khi sóng truyền vào vùng ven bờ, do biến đổi không đồng nhất của địa hình đáy

đã gây ra khúc xạ, phản xạ sóng cũng như tiêu tán năng lượng sóng xảy ra không đồngđều, do đó, dòng động năng của sóng tại các điểm khác nhau là khác nhau; thêm vào đó

là sự đổ nhào của các sóng tại vùng sóng đổ đã dồn một lượng nước vào vùng gần bờtạo ra các ứng suất không đồng nhất trong dải ven bờ này Chính những nguyên nhântrên đã tạo ra các dao động mực nước có chu kì dài hơn nhiều chu kì của các sóng tới

và tạo nên hệ thống dòng chảy phức tạp trong vùng ven bờ gọi là dòng chảy sóng Trênthực tế, dòng chảy phát sinh do sóng đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển trầmtích đáy và lơ lửng và làm thay đổi đáng kể địa hình bờ [10]

1.2 Vận chuyển bùn cát

Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ởvùng ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung giantrong quá trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển Biết được lượngvận chuyển bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờtrong điều kiện tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công trình xâydựng sau này Việc tính toán vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do quá trìnhvận chuyển bùn cát ở biển không những chịu tác động của dòng chảy mà còn chịuảnh hưởng của các dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng và vô

số các lực tạo thành dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi

Trong biển cát có thể chuyển động bởi dòng chảy (do thủy triều, gió hoặcsóng) hoặc bởi sóng, hoặc thông thường nhất là cả sóng và gió tác động cùng nhau

3

Cát được vận chuyển bởi các quá trình cơ bản là cuốn theo, dịch chuyển và lắng đọng.

Ba quá trình này xảy ra đồng thời và có thể tác động tương hỗ với nhau: Sự cuốn theoxảy ra là kết quả của ma sát tác động lên đáy biển bởi dòng chảy và/hoặc sóng, với việckhuyếch tán rối có thể mang hạt lên trạng thái lơ lửng; Sự dịch chuyển xảy ra do hạtlăn, nhảy và trượt dọc theo đáy thích ứng với ma sát, và trong trường hợp đáy dốc là dotrọng lực Nó được biết đến như dòng di dáy, và là hình thức vận chuyển chủ đạo đốivới các dòng chảy chậm và/hoặc các hạt lớn Nếu dòng chảy đủ nhanh (hoặc sóng đủlớn) và hạt đủ mịn, cát sẽ bị đưa đi vào trạng thái lơ lửng ở độ cao vài mét trên đáy vàđược dòng chảy mang đi Hình thức vận chuyển này được biết đến như dòng lơ lửng vàthường lớn hơn rất nhiều so với dòng di đáy; Lắng đọng xảy ra khi hạt nằm trong dòng

di đáy hoặc ra khỏi trạng thái lơ lửng Trong hầu hết thời gian, sự cuốn theo của một sốhạt vào trạng thái lơ lửng và sự chìm lắng của một số hạt khác xuống đáy do trọnglượng của chúng có thể xảy ra đồng thời

Di đáy là phương thức chủ đạo của vận chuyển đối với vận tốc dòng chảynhỏ và/hoặc kích thước hạt lớn Cát thô và cuội sỏi chủ yếu được vận chuyển nhưdòng di đáy Đối với dòng chảy mạnh vượt quá ngưỡng lơ lửng, dòng di đáy vẫn sẽxảy ra, nhưng số lượng cát được mang vào trạng thái lơ lửng thường sẽ lớn hơnnhiều so với được mang đi bởi dòng di đáy, đặc biệt đối với cát mịn

Trong tự nhiên, sóng đóng vai trò chủ đạo trong việc khuấy trầm tích lênkhỏi đáy biển, cũng như tạo ra các dòng chảy chuyển động ổn định như dòng chảydọc bờ, dòng sóng dội, vận tốc vận chuyển khối lượng làm cho trầm tích vậnchuyển Sự bất đối xứng của vận tốc dưới đỉnh sóng và chân sóng là một nguồnkhác của sự vận chuyển trầm tích ròng Vận chuyển trầm tích mạnh nhất trong vùngven bờ thường thấy dưới các sóng đổ, hoặc trong vùng sóng đổ trên bãi hoặc trên bờcát Sóng gây ra vận chuyển trầm tích bằng một số cơ chế:

- Sóng cuốn theo trầm tích nhiều hơn so với dòng chảy và khuếch tán chúngthông qua lớp biên sóng Khi có mặt dòng chảy, rối do dòng chảy sinh ra làmkhuếch tán trầm tích lơ lửng lên cao hơn và mang chúng đi với dòng chảy ròng;

4

- Khi bị vỡ trên bãi sóng phát sinh dòng chảy dọc bờ, dòng này vận chuyển trầm tích dọc theo bờ;

- Vận tốc quỹ đạo dưới đỉnh sóng lớn hơn dưới chân sóng và do đó cuốn theonhiều trầm tích hơn Chúng gây ra vận chuyển trầm tích ròng theo hướng lan truyềnsóng (nói chung hướng vào bờ);

-Vận chuyển khối lượng nước theo hướng lan truyền sóng được sản sinh trong lớp biên sóng, mang trầm tích theo hướng sóng;

- Trong vùng sóng đổ, sóng sản sinh vận tốc dòng sóng dội sát đáy hướng rakhơi, mang trầm tích ra xa bờ

Sóng vỗ bờ, đặc biệt là sóng bão có thể phá hủy bờ gây xói lở tạo ra vật liệu vụn cơ học cuốn ra ngoài theo dòng ngược chiều sát đáy và lắng đọng ở bãi triều và

mịn Sóng vỗ bờ thường ít khi vuông góc với bờ do hướng gió quy định Vì vậy trongquá trình sóng vỗ bờ đã tạo ra sự di chuyển vật liệu trầm tích dọc bờ theo một

đường đi ziczac Sóng đóng vai trò dồn đẩy vật liệu từ đáy biển nông xa bờ vào sát

bờ thường tạo nên các thể trầm tích đặc trưng: đê cát ven bờ, bar cát ngầm

1.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ

Việc nghiên cứu trường sóng đã được thực hiện từ rất sớm Có thể kể đếnviệc nghiên cứu và phát triển mô hình từ hệ phương trình Mild Slope Việc tính toánbằng phương trình này khá phổ biến tuy nhiên việc mô tả lan truyền sóng dựa trên

lý thuyết sóng tuyến tính sẽ không được đảm bảo tại khu vực ven bờ khi mà sónglan truyền vào bờ thì tính phi tuyến của sóng càng tăng lên

Việc nghiên cứu mô phỏng được hệ thống dòng chảy phát sinh do sóng rất có

ý nghĩa thực tiễn Thông thường, mô phỏng dòng chảy sóng được thực hiện thôngqua việc giải hệ phương trình nước nông thủy tĩnh truyền thống với nguồn lực là

trường ứng suất sóng ven bờ được tính toán theo lý thuyết sóng tuyến tính (sóng biên

độ nhỏ) thông qua phân bố độ cao sóng và hướng sóng trong khu vực sóng đổ ven

5

bờ Việc mô phỏng này còn nhiều vấn đề chưa được thỏa đáng do hệ phương trình

sử dụng là thủy tĩnh thuần túy Trong khi đó, sóng tồn tại trong khu vực ven bờ vớiđịa hình biến đổi đáng kể thì tính thủy tĩnh của phân bố áp suất không còn chủ đạo

mà tính phi thủy tĩnh tăng lên đáng kể Thêm vào đó, việc mô phỏng bằng hệphương trình Mild Slope thiếu vắng việc mô phỏng tương tác giữa sóng với sóng vàgiữa sóng với dòng chảy, bỏ qua phản xạ Chính điều này đã làm cho việc mô phỏngsóng và dòng chảy do sóng còn nhiều hạn chế và chưa tiếp cận được với việc môphỏng hệ thống dòng chảy ven bờ thực tiễn [2]

Trên thế giới các nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu phát triển mô hình toán

mô phỏng sóng ven bờ dựa trên hệ phương trình Boussinesq trong nhiều thập kỉ qua.Các nghiên cứu phát triển mô hình dựa trên hệ phương trình Boussinesq tiêu biểu cóthể kể ra như Schaffer và nnk (1993) [18], Madsen và nnk (1997a,b) [16, 17], Kennedy

và nnk (2000) [14] và một số tác giả khác Thành công từ các nghiên cứu phát triển các

mô hình số đó đã đưa ra các mô hình mã nguồn mở cho cộng đồng khoa học biển trênkhắp thế giới sử dụng thí dụ như bộ chương trình FUNWAVE do Kirby và cộng sự pháttriển, PCOULWAVE của Mỹ, hay mô hình của Madsen và cộng sự đã được phát triểntiếp để trở thành mô đun BW trong bộ phần mềm thương mại MIKE21 Các nghiên cứu

sử dụng hệ phương trình Boussinesq mở rộng tiếp tục được quan tâm và cải tiến bởicộng đồng các nhà khoa học về thủy động lực biển ven bờ trên khắp thế giới Cácnghiên cứu chủ yếu tập trung vào cải tiến sơ đồ số để tăng tính ổn định và giải quyếtcác vấn đề khác như tiêu tán sóng đổ tốt hơn Tuy nhiên, mô hình Boussinesq phụthuộc mạnh vào hệ số bán kinh nghiệm nhân tạo cho sóng đổ, do đó, sẽ rất khó để môphỏng tốt đối với các trường hợp thực tế nơi mà sóng đổ rất phức tạp Một vấn đề gặpphải với mô hình Boussinesq đó là tốc độ tính toán Nếu như mô hình dựa trên hệphương trình Mild Slope tính toán với tốc độ nhanh hơn nhưng kết quả có sự sai khácvới thực tế thì mô hình Boussinesq cho kết quả tốt hơn nhưng thời gian tính toán tănglên rất nhiều

Để giải quyết vấn đề nêu trên và tạo một công cụ hữu hiệu cho việc mô phỏng

và dự báo hệ thống dòng chảy ven bờ do sóng làm cơ sở xác định được mức độ tác

6

động của sóng đến biến động xói lở bãi biển, việc ứng dụng hệ phương trình nướcnông phi thủy tĩnh dần trở nên phổ biến Trong khoảng 10 năm trở lại đây, trào lưucủa các nhà khoa học trên thế giới là sử dụng hệ phương trình nước nông phi thủytĩnh để mô phỏng sóng trong vùng ven bờ vì hệ phương trình này đơn giản hơn hệphương trình Boussinesq, tốc độ tính toán nhanh hơn, mở ra khả năng tính toán trênmiền tính lớn Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là việc sử dụng hệ phương trình này có thực

sự tốt không? Có phù hợp với thực tiễn hay không? Để trả lời câu hỏi đó, học viênlựa chọn mô hình SWASH được phát triển từ hệ phương trình nước nông phi thủytĩnh để sử dụng trong luận văn này

7

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH và một số thử nghiệm

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH

2.1.1 Giới thiệu mô hình SWASH

SWASH (từ viết tắt của Simulating WAves till SHore) là chương trình mãnguồn mở do Zijlema và cộng sự phát triển và xuất bản năm 2011 Đây là mô hìnhdựa trên hệ phương trình phi thủy tĩnh cho phép mô phỏng sự biến đổi của sóng bềmặt phân tán từ ngoài khơi đến bãi biển bao gồm động lực vùng sóng đổ, lan truyềnsóng và nhiễu động tại các cảng, bến cảng Ngoài ra, SWASH có thể mô phỏngđược lũ lụt ven biển do vỡ đê, sóng thần và sóng lũ, dòng chảy mật độ trong vùngven biển, hoàn lưu biển quy mô lớn, thủy triều và nước dâng do bão [20]

Mô hình SWASH được xây dựng và phát triển nhằm cung cấp một mô hìnhnhanh và hiệu quả cho phép mô phỏng các hiện tượng sóng bề mặt và dòng chảynước nông được áp dụng trong môi trường phức tạp trong quy mô không gian vàthời gian lớn Phương trình tiến triển là hệ phương trình nước nông phi tuyến baogồm áp suất phi thủy tĩnh và tùy chọn các phương trình bảo toàn chuyển động của

độ muối, nhiệt độ và trầm tích lơ lửng Ngoài ra, phân tán rối theo phương thẳngđứng của động lượng và khuếch tán muối, nhiệt và tải trầm tích được mô hình hóa

bằng mô hình rối tiêu chuẩn k-ε Các phương trình vận chuyển được kết nối với

phương trình động lượng thông qua số hạng lực chính áp, trong khi phương trìnhtrạng thái được sử dụng (mật độ liên quan đến độ muối nhiệt độ và trầm tích) [25]

Các quá trình vật lý được tính đến trong mô hình bao gồm: Lan truyền sóng,phân tán tần số, nước nông, khúc xạ và nhiễu xạ; Tương tác sóng phi tuyến; Độ sâugiới hạn sóng phát triển bởi gió; Sóng vỡ; Sóng leo và sóng rút; Di chuyển đường bờ;

Ma sát đáy; Phản xạ một phần; Tương tác sóng với công trình đá nổi; Tương tác sóngvới vật thể trôi; Tương tác sóng dòng chảy; Dòng chảy phát sinh do sóng; Xáo trộn rốitheo phương thẳng đứng; Rối quy mô dưới lưới; Bất đẳng hướng của rối; Giảm sónggây ra bởi thực vật thủy sinh; Dòng chảy biển đổi nhanh; Sóng thủy triều; Sóng

8

lũ và bore sóng; Dòng chảy gió; Gió biến đổi theo không gian và áp suất không khí;Dòng chảy mật độ; Vận chuyển thành phần lơ lửng cho trầm tích kết dính [25].

2.1.2 Phương trình tiến triển và điều kiện biên

Phương trình được sử dụng trong mô hình SWASH dựa trên phương trình nướcnông phi tuyến bao gồm áp suất phi thủy tĩnh có thể được suy ra từ phương trình NavieStokes với giả thiết không nén Bằng việc sử dụng khai triển Reynolds (chia vận tốcthành 2 thành phần: phần trung bình và phần nhiễu động = ̅ + ′) và trung bình hóa,nhận được phương trình Navie-Stokes trung bình Reynold (RANS) SWASH giải hệphương trình RANS (cùng với phương trình liên tục) bằng cách lấy trung bình theophương thẳng đứng cho mỗi lớp thẳng đứng Phương trình trung bình theo độ sâu đượcđưa ra trong các phương trình (1-3) (Zijlema et al., 2008) [24]

Trong đó: t là thời gian, x và y nằm ở mực nước tĩnh và trục z hướng lên trên,(x, y, t) là độ cao bề mặt được đo từ mực nước tĩnh, d(x,y) là độ sâu của nước tĩnhđược đo từ bề mặt nước tĩnh đến đáy, h = +d là độ sâu nước (tổng độ sâu), u(x, y, t)

và v(x, y, t) là vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu tương ứng trong hướng x vàhướng y, q(x, y, z, t) là áp suất phi thủy tĩnh (được chuẩn hóa bởi mật độ), g là giatốc trọng trường, cf là hệ số nhám đáy không thứ nguyên và , , , là số hạng ứng suấtrối theo phương ngang

Tích phân của gradient áp suất phi thủy tĩnh so với độ sâu nước trongphương trình (2) có thể được biểu thị như sau (Stelling and Zijlema 2003) [19]:

9

Với qb là áp suất phi thủy tĩnh tại đáy Biểu thức tương tự cho thành phần áp suấtphi thủy tĩnh trong phương trình (3).

Do thêm vào thành phần áp suất phi tuyến qb nên cần bổ sung thêm một sốphương trình để đảm bảo khép kín hệ phương trình Độ chính xác của phân tán tần sốđối với sóng ngắn có thể được thiện bằng cách áp dụng phương pháp Kellerbox (Lamand Simpson, 1976) [15]:

| = − | =−

ℎ

Áp suất thủy tĩnh phi thủy tĩnh tại bề mặt tự do bằng không

Phương trình động lượng cho thành phần theo phương thẳng đứng:

Trong đó, cả hai số hạng bình lưu và khuếch tán được bỏ qua vì chúng thườngnhỏ hơn so với gia tốc theo phương thẳng đứng được giả định là được xác định bằnggradient áp suất phi thủy tĩnh

Kết hợp (5) và (6) nhận được

Vận tốc theo phương thẳng đứng tại đáy,

điều kiện động lực:

(7), có thể được tìm thấy thông qua

mô hình sử dụng biểu thức dựa trên hệ số nhám Manning n, như sau:

=

Theo các kinh nghiệm đã chỉ ra rằng biểu thức này cung cấp một biểu diễn tốthơn của động lực sóng trong vùng sóng đổ tới mức được trả về bởi các công thức masát nổi tiếng khác như một số hạng về hệ số Chezzy và phương trình Colebrook-White

Ứng suất rối được cho bởi:

=2 ,

Với (x, y, t) độ nhớt xoáy theo phương ngang do sóng vỡ và rối quy mô dướilưới Một mô hình rối cần được sử dụng để xấp xỉ xáo trộn rối và tiêu tán do sóng vỡ.Mặc dù sự tiêu tán là ẩn trong trình bày bore, nhưng độ nhớt là yếu tố xác định quy

mô mà tại đó sự tiêu tán diễn ra Như vậy, chuyển động rối quy mô lớn trong con lăn

bề mặt có thể được mô hình hóa hiệu quả thông qua độ nhớt xoáy , theo đó, rối đượcgiả định là ở trạng thái cân bằng cục bộ Với lý do này, lý thuyết độ dài xáo trộnPrandtl được sử dụng và được đưa ra bởi:

Trong đó lm là độ dài xáo trộn được lấy tỷ lệ với chiều cao sóng điển hình; hoặc

độ cao sóng cho sóng đều hoặc độ cao sóng có nghĩa cho sóng không đều Cần

11

lưu ý rằng loại mô hình này không chỉ được coi là mô hình xáo trộn bên mà còn là

mô hình trao đổi động lượng dọc xảy ra trong bore rối di chuyển

Để khép kín hệ thống các phương trình, các điều kiện biên thích hợp cầnđược áp đặt tại các vị trí biên mở của miền lưới tính toán Tại biên ngoài khơi sóngđều và sóng không đều được giới thiệu bằng cách xác định một phân bố vận tốc cục

bộ Để mô phỏng sóng đi vào mà không có phản xạ tại biên, một điều kiện phản xạyếu cho phép sóng đi ra được áp dụng (Blayo and Debreu, 2005) [11]:

= ∓√

Giả sử rằng sóng đều và đi ra là vuông góc với biên Loại điều kiện biên bức

xạ này đã được chứng minh là dẫn đến kết quả tốt với điều kiện sóng gần bờ Ở đây,

ub là tốc độ dòng chảy tại biên và là kí hiệu độ cao bề mặt của sóng tới Kí hiệutrong phương trình (13) phụ thuộc vào vị trí của biên Dấu cộng chỉ một vận tốcdòng chảy tại biên phía Tây và phía Nam, dấu trừ cho vận tốc dòng chảy ở biên phíaĐông và phía Bắc Đối với sóng đều, kí hiệu sóng tới có thể là chuỗi thời gian hoặcchuỗi Fourier được đưa ra bởi:

= + ∑ cos( − )

=1

Sóng không đều thường có thể được dễ dàng mô tả bằng định nghĩa củachuỗi Fourier (Holthuijsen, 2007) [13] Sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính, vận tốctại một độ sâu được tìm thấy bằng sự chồng chất tuyến tính của N sóng điều hòa cóbiên độ được xác định bằng cách lấy mẫu phổ mật độ phương sai và pha được chọnngẫu nhiên cho mỗi lần thực hiện:

( , ) = ∑ [

12

Trong đó, kj và aj lần lượt là số sóng và pha ngẫu nhiên của mỗi tần số ωj Hơnnữa, dải tần số được giải quyết đồng đều với khoảng tần số ∆ω, tức là j = j∆ω Số sóng

nhiên tại mỗi tần số được phân bố đồng đều giữa 0 và 2π Điều kiện biên (15) đượctăng cường với điều kiện bức xạ để giảm thiểu phản xạ tại biên ngoài khơi

Đối với phổ sóng E(ω) nhất định, chuỗi thời gian (15) có thể được tổng hợpbằng cách tính biên độ cho mỗi sóng điều hòa như sau:

= √2 ( )∆

Phổ có thể nhận được từ các quan sát cho trạng thái biển mong muốn hoặcbằng việc xác định hình dạng tham số phổ, chẳng hạn như phổ Jonswap nổi tiếngcho điều kiện đà giới hạn trong nước sâu Phổ đà giới hạn khác được gọi là phổTMA được sử dụng để tạo đặc trưng sóng xảy ra tại nước nông hơn (Holthuijsen,2007) [13]

2.2 Một số ứng dụng thử nghiệm

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính đã cung cấp một số lượnglớn các mô hình được sử dụng để giải quyết các vấn đề thủy động lực khu vực venbiển Kỹ thuật số có thể dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phânhữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp thể tích hữu hạn và phương phápEuler-Lagrange; Thuật toán bước thời gian có thể là ẩn, bán ẩn, hiện ; Mô hình có thểđơn giản hóa trong các không gian khác nhau: một chiều (1D), hai chiều (2D), mô hìnhtích phân theo độ sâu, mô hình 3 chiều (3D)… Có thể thấy rằng, mỗi một mô hình đượcxây dựng trên các cơ sở toán học khác nhau, lý thuyết khác nhau, sơ đồ sai phân khácnhau Về lý thuyết, mô hình có thể đúng về mặt toán học, điều này chỉ có thể nói lênviệc mô hình đúng cho các quá trình mà được đại diện trong lý thuyết của bài toán, vìvậy, trước khi ứng dụng vào thực tiễn, mô hình phải được kiểm nghiệm thông quanhững bài toán tuy đơn giản nhưng thể hiện được các quá trình chủ đạo Thông thườngcác thí nghiệm vật lý được thực hiện với những điều kiện đơn

13

giản nhưng kết quả là nghiệm đúng của quá trình Do vậy, nếu mô hình đã môphỏng tốt các điều kiện trong phòng thí nghiệm thì các quá trình tương tự chủ đạo ởngoài thực tế cũng đã được mô phỏng Thực tế, các quá trình ở trong tự nhiên cóthêm sự xuất hiện của các quá trình nhiễu, tuy nhiên, việc mô phỏng tốt các quátrình chủ đạo là điều kiện để khẳng định sự phù hợp và khả năng ứng dụng của môhình trong thực tế.

Trong nội dung này, các điều kiện mô phỏng trong phòng thí nghiệm đượclựa chọn và được mô phỏng lại bằng mô hình SWASH, sau đó, so sánh và đánh giávới số liệu thí nghiệm để đánh giá mức độ phù hợp, khả năng ứng dụng thực tế của

mô hình với các dạng địa hình và điều kiện tính toán khác nhau

2.2.1 Lựa chọn các điều kiện mô phỏng

Với nhiều mục đích khác nhau, các thí nghiệm trong các bể sóng được thiếtlập khác nhau Với khá nhiều các mô phỏng hiện nay, để đánh giá được trường sóng

và dòng chảy chảy phát sinh do sóng luận văn lựa chọn các thí nghiệm sau:

- Thí nghiệm về lan truyền sóng trên bãi nghiêng của Ting and Kirby (1994)[21]

Bãi nghiêng thoải là dạng địa hình khá phổ biến trên thực tế Sóng lan truyềntrên bãi nghiêng là một trong những mô phỏng cơ bản nhất trong mô phỏng sóng Sónglan truyền đến vùng nước nông sẽ gặp phải những hiệu ứng như biến dạng, phản xạ,khúc xạ… Do đó, để mô phỏng tốt trường sóng ven bờ cần mô phỏng tốt những hiệuứng này Nhằm mục đích mô tả quá trình lan truyền sóng trên bãi nghiêng và sóng đổ,thí nghiệm của Ting và Kirby được thực hiện tại bể sóng hai chiều tại phòng thí nghiệm

kỹ thuật biển tại trường Đại học Delaware Dựa trên những kết quả về lan truyền sóng

và sóng vỡ để đánh giá kết quả mô phỏng của mô hình

- Thí nghiệm về lan truyền sóng qua bãi biển nông có bar ngầm của Van Gent

và Doorn (2000) [22]

14

Bãi biển nông có bar ngầm là một dạng địa hình phổ biến trong thực tế khi màsóng đánh vào bờ làm xói bờ biển và mang cát ra ngoài sau đó lặng đọng tạo thành barngầm phía ngoài Có thể nói đây là thí nghiệm với địa hình có quy mô giống với thực

tế Nhằm đánh giá khả năng lan truyền sóng qua bãi biển nông có bar ngầm trong điềukiện bão, thí nghiệm được Van Gent và Doorn thiết lập với địa hình dựa trên nguyênmẫu là bãi biển khu vực phòng thủ biển Petten ở bờ biển Hà Lan

- Thí nghiệm về dòng chảy sóng của Haller (2002) [12]

Địa hình bãi biển có xuất hiện các cồn ngầm là dạng địa hình khá phổ biến.Trên thực tế, do các quá trình tác động khác nhau, vật liệu bờ khác nhau dẫn đến địahình đường bờ cũng khác nhau Bãi biển thực tế luôn tồn tại những bar ngầm do cácquá trình động lực khác nhau gây ra, là nguyên nhân gây ra dòng rip nguy hiểm chongười tắm biển Với địa hình ngoài thực tế, việc đo đạc gặp nhiều khó khăn do thiết

bị thường thiết kế cho những khu vực có độ sâu tương đối, thiết bị bị di chuyển doquá trình sóng đổ, do vậy, việc tiêu chuẩn hóa những điều kiện ngoài thực tế đưavào phòng thí nghiệm trở nên phổ biến Với mục đích kiểm nghiệm dòng chảy phátsinh do sóng qua cồn ngầm, Haller và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm trên bể sóngtại Đại học Delaware và xuất bản công trình nghiên cứu về dòng chảy phát sinh dosóng vào năm 2002 Trong thí nghiệm này các điều kiện về các cồn ngầm được tiêuchuẩn hóa, nếu như trong thực tế các cồn ngầm xuất hiện là không đều nhau thì khiđưa vào trong phòng thí nghiệm các cồn ngầm được thiết kế đồng đều để kiểmchứng được sự xuất hiện của dòng rip Thí nghiệm này là một trong những thínghiệm nổi tiếng được cộng đồng các nhà khoa học thế giới về động lực học ven bờđón nhận như một trong những điều kiện tiêu chuẩn để nghiên cứu đánh giá khảnăng mô phỏng dòng chảy đặc biệt là dòng rip của mô hình toán

2.2.2 Tính toán mô phỏng và kết quả

Với các điều kiện thử nghiệm được lựa chọn, việc chuẩn bị số liệu, đặc biệt là sốliệu địa hình là công việc quan trọng hàng đầu Nếu như ở các tính toán cho các trườnghợp thực tế, số liệu địa hình được sử dụng là số liệu thực đo hoặc sử dụng

15

những số liệu đã có thì trong các tính toán mô phỏng cho các bài toán trong phòngthí nghiệm, địa hình tính toán được tạo thông qua các mô tả về thí nghiệm vật lýbằng các chương trình được viết trên ngôn ngữ Fortran Sau khi có được file địahình và xác định được các điều kiện tính toán tiến hành mô phỏng bằng mô hình số.Trong quá trình tính toán mô phỏng các tham số mô hình được thay đổi để đưa rađược kết quả tốt nhất Thông qua việc này cũng đánh giá được độ nhạy của cáctham số đối với từng trường hợp cụ thể từ đó làm cơ sở để áp dụng vào thực tế.

a Lan truyền sóng trên bãi thoải (Ting và Kirby 1994)

Điều kiện tính toán

Thí nghiệm về lan truyền sóng trên bãi nghiêng thoải được tiến hành tại bểsóng hai chiều trong phòng thí nghiệm Kỹ thuật Đại dương tại Đại học Delaware.Thí nghiệm được mô tả ngắn gọn như sau: bãi biển thoải có độ dốc 1/35 được thiếtlập trên bể sóng có với chiều dài 40m, chiều rộng 0,6m và chiều cao 1m Bãi biểnthoải nối với vùng nước có đáy ngang ở độ sâu 0,4m, khoảng cách từ bờ đến vị trí

có độ sâu 0,38m là 15,5m Khoảng cách từ chân bãi nghiêng đến máy tạo sóng bằngchiều dài sóng Trục x hướng từ bảng tạo sóng vào bờ Sóng tới được tạo ra có chu

kì 2s, độ cao sóng 0,125m Sau bảng tạo sóng có một lớp hấp thụ sóng có độ rộngbằng 1-1,5 lần độ dài sóng

Hình 1 Mô tả thí nghiệm của Ting và Kirby (1994)[21]

Điều kiện thí nghiệm của Ting và Kirby (1994) về sóng truyền trên bãi thoảiđược đưa vào để thử nghiệm mô phỏng số và so sánh với kết quả thí nghiệm vật lý

về phân bố độ cao sóng trên bãi nghiêng Trong mô phỏng này, sóng tới được cho

16

dạng sóng đều với độ cao 0,125m, chu kì 2s Mô phỏng sử dụng lưới đều ∆ = ∆ = 0,05 , bước thời gian 0,005s.

Kết quả

Khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào vùng nước nông, bước sóng giảm khi

độ sâu giảm do hệ quả của quan hệ phân tán Chu kì sóng cố định; bước sóng và do

đó vận tốc sóng giảm khi gặp nước nông Một hiệu ứng khác của thay đổi bướcsóng trong vùng nước nông là sự tăng độ cao sóng Đây là hệ quả của bảo toàn nănglượng, khi lan truyền vào vùng nước nông động năng của sóng giảm, thế năng tănglên, độ cao sóng tăng lên trong khi đó bước sóng giảm Độ sâu càng nông thì tốc độdòng năng lượng càng giảm đi, do độ cao sóng tỉ lệ với căn bậc hai của năng lượngsóng nên độ cao sóng phải tăng lên khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảmbảo năng lượng sóng được bảo toàn Điều này làm cho đỉnh sóng có xu hướngchuyển động nhanh hơn làm cho con sóng dốc và gây ra hiện tượng sóng đổ

Trên thực tế khi truyền vào vùng nước nông, độ cao sóng tăng dần lên khi độsâu giảm đi Độ sâu càng giảm thì độ cao sóng càng tăng nhanh và đạt đến một giátrị cực đại, sau đó, sóng bị đổ nhào và năng lượng của nó tiêu tán đáng kể do quátrình đổ nhào này

Hình 2 So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thí nghiệm trong thí nghiệm sóng lan

truyền qua bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby 1994)

17

Trong thí nghiệm vật lý, sóng lan truyền đến vị trí có độ sâu khoảng 0,22m độcao sóng bắt đầu tăng lên, đến vị trí độ cao sóng khoảng 0,15m tương ứng với độ sâu0,19m sóng bắt đầu đổ, sau đó độ cao sóng giảm So sánh kết quả tính toán và số liệuthí nghiệm cho thấy sự khá phù hợp giữa tính toán và thực đo, đặc biệt phía sau vùngsóng đổ, độ cao mô phỏng khá sát với thực tế Trong mô hình, vùng đỉnh sóng được môphỏng thấp hơn trong thực tế do phương pháp tiêu tán rối ở vùng sóng đổ, tuy nhiên,phía sau vùng sóng đổ phân bố độ cao sóng rất phù hợp với thực tế Phía sau vùng sóng

đổ là nơi quá trình dòng chảy phát sinh do sóng rất phức tạp, chính dòng chảy này vàquá trình tiêu tán năng lượng là nguồn lực gây nên vận chuyển bùn cát và làm biến đổiđáy, do vậy, mặc dù mô hình có thể không tính tốt tại điểm sóng đổ nhưng phía sauvùng sóng đổ kết quả mô phỏng cho kết quả phù hợp với thực tế, điều này mở ra khảnăng mô phỏng tốt dòng chảy và vận chuyển cát

b Lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000)

Điều kiện tính toán

Thí nghiệm của Van Gent và Doorn được thực hiện với mục đích mô phỏng sựlan truyền sóng qua một bãi nông có một bar ngầm Thí nghiệm được thực hiện dựatrên nguyên mẫu là bãi biển tại khu vực phòng thủ biển Petten ở bờ biển Hà Lan Đây

là một bãi biển thoải có độ dốc 1/30 có sự xuất hiện của một bar ngầm (chi tiết về barngầm được thể hiện trên hình 3), Độ sâu nước trong thí nghiệm là -24m Các giá trị về

độ cao sóng được đo tại các vị trí phía ngoài bar ngầm, tại đỉnh bar ngầm, tại rãnh, tạibãi thoải phía trong và tại chân mái dốc Điều kiện sóng mô phỏng tương đương vớisóng xảy ra trong bão với độ cao sóng 6m, chu kì 9s, mực nước 4,7m

18

Hình 3 Mô tả thí nghiệm của Van Gent và Doorn (2000) [22]

Mô phỏng số được thực hiện với địa hình được xây dựng cùng tỉ lệ, sử dụngkích thước lưới 1m, bước thời gian 0,02s và tính toán cho 2 lớp

19

quá trình động lực thông thường gây nên sự biến đổi đường bờ trong thời đoạn dàithì trong bão đường bờ có thể bị biến đổi nhanh chóng do những tác động mãnh liệtcủa sóng bão Chính năng lượng sóng lớn khi sóng cập bờ là nguyên nhân phá hủy

bờ sau mỗi trận bão Do vậy, việc mô phỏng tốt trường sóng trong bão là cơ sở đểtính toán lượng vận chuyển bùn cát nhằm đánh giá diễn biến đường bờ trong điềukiện bất thường

Kết quả mô phỏng độ cao sóng bằng mô hình SWASH và so sánh với số liệuthí nghiệm được thể hiện trên Hình 4 Có thể nhận thấy rằng kết quả mô phỏng sóngtrong bão bằng mô hình SWASH cho kết quả phù hợp với thực tế Một lần nữa, việc

mô phỏng sóng bằng mô hình này cho kết quả tốt, đặc biệt là phía trong vùng sóngđổ

c Dòng chảy sóng (Haller 2002)

Điều kiện tính toán

Thí nghiệm của Haller và cộng sự có thể được mô tả ngắn gọn như sau: Bãibiển thoải độ dốc 1/30 được thiết lập trên bể sóng có độ rộng 18,2m chiều dài bể19m Bãi biển thoải nối với vùng nước có đáy ngang phẳng ở độ sâu 0,373m Trênbãi thoải có ba cồn ngầm thiết lập tạo thành hai khoảng cách hở giữa ba cồn ngầm,mỗi khoảng hở rộng 1,82m Độ sâu tại chân phía ngoài của cồn ngầm là 0,1m, độsâu tại đỉnh cồn ngầm là 0,048m, độ rộng chân cồn ngầm là 1,2m Bảng tạo sóng tại

x = 0m (trục x hướng từ bảng tạo sóng vào bờ, trục y song song với bờ) , chân cồnngầm phía ngoài tại x = 11,1m, đỉnh cồn ngầm xấp xỉ tại vị trí x = 12m, chân cồnngầm phía bờ xấp xỉ tại x = 12,3m Từ đường mép nước đến mép chân ngoài củacồn ngầm xấp xỉ 3m Sóng tới được tạo ra có chu kỳ 1,0s, độ cao sóng 0,0475m.Các thành phần vận tốc trung bình độ sâu tại các mặt cắt x = 10m (mc1); 11,2m(mc2); 12,2m (mc3) và 13m (mc4) được đo đạc để đánh giá vận tốc dòng chảy phíatrong cồn ngầm, tại khe hở và phía ngoài cồn ngầm

20

Hình 5 Mô tả thí nghiệm của Haller và nnk (2002)[12]

Trong nghiên cứu mô phỏng bằng mô hình SWASH, điều kiện thí nghiệmtương tự như thí nghiệm của Haller và nnk (2002) được thiết lập với đúng tỉ lệ trongphòng thí nghiệm Kích thước ô lưới ∆ = ∆ = 0,04 , bước thời gian 0,01s.Các giá trị vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt tương ứng được xuất ra để đánh giákhả năng mô phỏng của mô hình

Kết quả

Với dạng địa hình có sự xuất hiện của công trình (cồn ngầm), phía sau côngtrình tồn tại nhiều quá trình như sóng phản xạ từ bờ, sóng nhiễu xạ qua công trình,tác động phi tuyến giữa sóng và dòng chảy, do vậy, việc mô phỏng trường dòngchảy tại đây là hệ quả của sự tương tác phi tuyến hết sức phức tạp là cực kỳ khó.Một mô hình toán muốn mô phỏng tốt trường dòng chảy này phải là một mô hình

mô phỏng được đầy đủ các tương tác phi tuyến đã nêu trên thì mới có thể đưa rađược kết quả phù hợp với số liệu thực đo

Hình 6 trình bày kết quả mô phỏng trường dòng chảy phát sinh do sóng bằng

mô hình SWASH Có thể nhận thấy rõ sự xuất hiện của dòng ríp tại khe hở giữa cáccồn ngầm, tại đây sóng trực tiếp tác động đến bờ, bùn cát bị sóng khuấy lên, nước bịdồn sang hai phía, dòng chảy phát sinh do sóng phân kì sang hai bên tạo nên dòng uốnmen theo cồn ngầm và chảy ra phía ngoài Phía sau công trình do có sự che chắn,

21