Phân tích sự vận chuyển bùn cát lơ lửng dưới tác động của sóng và dòng chảy trong vùng nước cạn

Luận án này đã thu thập các tài liệunghiên cứu liên quan gần đây, thiết lập giải thuật tính toán lưu lượng bùn cát lơlửng trong trường hợp có tương tác kết hợp giữa sóng và dòng chảy.. 1

Trang 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 2

1.3 PHẠM VI CỦA LUẬN ÁN 2

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN 3

2.2.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 5

2.2.1 Sóng, dòng chảy và bùn cát 5

2.2.2 Tính nhớt và lực ma sát .7

2.3.TRONG TRƯỜNG HỢP CHỈ CÓ DÒNG CHẢY 8

2.3.1 Giới thiệu chung và công thức cơ bản 8

2.3.2.Hệ số ma sát đáy: 9

2.4.TRONG TRƯỜNG HỢP CHỈ CÓ SÓNG 10

2.4.1 Giới thiệu chung và công thức cơ bản 10

2.4.2.Hệ số ma sát và vận tốc dòng chảy 10

2.4.3 Xác định hệ số ma sát của sóng: 12

2.4.4 Xác định chiều dày lớp biên sóng 13

2.5.TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ SÓNG VÀ DÒNG CHẢY 14

2.5.1.Giới thiệu chung 14

2.5.2 Tính toán hệ số ma sát sóng trường hợp sóng và dòng chảy kết hợp 16

2.5.3 Nhận xét: 17

2.6.TƯƠNG TÁC GIỮA DÒNG CHẢY VÀ BÙN CÁT 18

2.6.1.Các khái niệm và công thức cơ bản 18

2.6.2.Khởi đầu của chuyển động 19

2.6.3.Tham số Shields hiệu chỉnh: 21

2.6.4.Hiệu chỉnh Shields tới hạn: 22

2.6.5.Tổng quan về đáy nhám và đáy gợn sóng: 23

2.6.6.Khái niệm về ma sát ngoài (skin friction): 24

2.6.7.Xác định hình dạng của đáy sóng cát: 25

2.6.8.Độ nhám của đáy chuyển động: 26

2.7 SỰ VẬN CHUYỂN CÁT ĐÁY 26

Trang 2

2.8.3 Xác định độ tập trung tham chiếu của bùn cát lơ lửng 29

2.8.4 Phân bố tập trung của bùn cát lơ lửng: 30

2.8.5.Vận chuyển bùn cát lơ lửng: 31

CHƯƠNG III GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN 3.1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 34

3.2 CÁC GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH 34

3.2.1 Xác định vận tốc dòng chảy và các yếu tố liên quan 34

3.2.2 Xác định tổng lưu lượng bùn cát lơ lửng 35

3.2.3 Chương trình và sơ đồ khối tính toán 35

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 42 4.1.GIỚI THIỆU CHUNG 42

4.2.TÍNH TOÁN PHÂN BỐ VẬN TỐC 42

4.2.1 Số liệu đầu vào: 42

4.2.2 Kết quả tính toán phân bố vận tốc sóng và dòng chảy kết hợp u c & và ứng suất tiếp lớn nhất:(Trường hợp dòng ổn định có u cr =0.65m/s tại z cr =5m) 43

4.2.3 nhận xét kết quả 57

4.3 TÍNH TOÁN TỔNG LƯU LƯỢNG BÙN CÁT LƠ LỬNG 58

4.3.1.Số liệu đầu vào 58

4.3.2 Kết quả tính toán 58

4.3.3 Nhận xét kết quả tính toán 83

CHƯƠNG V ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TOÁN 5.1 NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN: 84

5.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN .84

5.3 KẾT QUẢ SO SÁNH GIỮA CÔNG THỨC ĐỀ NGHỊ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN 87

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ

Trang 3

GVHD : TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

THỰC HIỆN : NGUYỄN ĐÌNH NHẬT NAM

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Nghiên cứu chế độ thủy lực và bùn cát vùng của sông và ven biển là mộtnội dung quan trọng và hết sức cần thiết trong nghiên cứu qui hoạch thiết kếluồng, công trình biển, đáng giá tác động của môi trường … đặc biệt đối với nước

ta với 3.260 km bờ biển và nhiều sông lớn Luận án này đã thu thập các tài liệunghiên cứu liên quan gần đây, thiết lập giải thuật tính toán lưu lượng bùn cát lơlửng trong trường hợp có tương tác kết hợp giữa sóng và dòng chảy Chươngtrình thiết lập đã được ứng dụng để tính toán cho nhiều tổ hợp chiều cao sóng,vận tốc dòng chảy và hướng giữa chúng, các kết quả này đã được phân tích đánhgiá Dựa trên lý thuyết phân tích thứ nguyên, bước đầu đã xây dựng công thứcxấp xỉ đơn giản để tính toán lưu lượng bùn cát và kết quả cho ra là phù hợp

Trang 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Nghiên cứu hình thái vùng ven biển là khoa học nghiên cứu các quá trìnhđộng lực ảnh hưởng đến địa mạo, trạng thái vùng ven biển nói cách khác đây làmột ngành khoa học nghiên cứu, đánh giá định lượng các hiện tượng làm thayđổi hình thái vùng ven biển, giải thích các lực gây ra các hiện tượng này

Nghiên cứu chuyển động của bùn cát là một phần quan trọng trong độnglực học sông, biển các nghiên cứu chi tiết ở phạm vi vi mô, giúp làm sáng tỏnhiều cơ chế làm chuyển động bùn cát Trong vòng các thập kỷ gần đây, cùngvới sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ tính toán, rất nhiều nỗ lực trong lĩnhvực động lực học vùng ven bờ đã tập trung vào các nghiên cứu về tương tác thủyđộng giữa sóng và dòng chảy Các cơ chế vận chuyển bùn cát do dòng chảycũng được đầu tư nghiên cứu song song nhằm làm sáng tỏ các mối tương quansóng – dòng chảy – bùn cát

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

Mục đích của luận văn này là nghiên cứu chi tiết về nguyên lý và bảnchất của sự vận chuyển bùn cát lơ lửng ven bờ dưới tác dụng kết hợp của sóngvà dòng chảy, lập chương trình tính toán lưu lượng bùn cát lơ lửng, ứng dụngchương trình này để tính toán nhiều trường hợp khác nhau để xác định mối tươngquan giữa sóng, dòng chảy, hướng lan truyền của sóng ảnh hưởng đến lưu lượngvận chuyển bùn cát lơ lửng

1.3 PHẠM VI CỦA LUẬN ÁN

Chỉ nghiên cứu cho trường hợp sóng không vỡ, vùng nước cạn có đáybằng phẳng

Trang 5

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CHÚ THÍCH CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN ÁN

β : Độ dốc đáy (độ)

w

β : Độ dốc đáy theo hướng sóng lan truyền

wc

δ : Chiều dày lớp biên trong trường hợp sóng và dòng chảy kết hợp

λ : Chiều cao sóng cát đáy

µ : Tỷ lệ giữa ứng suất tiếp của dòng chảy (τ c) và ứng suất tiếp cựcđại (τ wm)

b

µ : Tham số độ dốc đáy

ν : Hệ số nhớt động học

t

ν : Hệ số nhớt rối

ρ : Khối lượng riêng của nước

τ : Ứng suất tiếp đáy lớn nhất trong trường hợp có sóng

ϕ : Góc lệch pha của vận tốc quĩ đạo sóng gần đáy

Trang 6

ψ : Tham số Shields.

ψ : Tham số Sheilds ma sát ngoài( skin friction)

ω : Tần số góc của sóng

c : Nồng độ tập trung bùn cát lơ lửng

c : Nồng độ trung bình bùn cát lơ lửng

R

c : Nồng độ tham chiếu trung bình

Cb : Nồng độ tập trung bùn cát tại đáy

D : Đường kính hạt bùn cát

fc : Hệ số ma sát của dòng chảy đơn thuần

fcw : Hệ số ma sát sóng trong trường hợp có dòng chảy

h : Chiều sâu nước

u : Vận tốc tiếp

uc : Vận tốc bình quân do sóng và dòng chảy kết hợp

u*cr : Vận tốc tiếp tới hạn

u*m : Vận tốc tiếp lớn nhất trong trường hợp sóng và dòng chảy kếthợp

u*wm : Vận tốc tiếp lớn nhất do sóng

Trang 7

ucr : Vận tốc dòng chảy đơn thuần tại điểm do zcr

2.2.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Các nghiên cứu về sự chuyển động bùn cát dưới tác động kết hợp hợp củasóng và dòng chảy trong phạm vi rất rộng, với điều kiện cho phép và thời gianhạn hẹp nên trong luận án này chỉ trình bày các khái niệm và công thức cơ bảncó liên quan đến việc tính toán lưu lượng bùn cát lơ lửng (chủ yếu các nghiêncứu của Madsen được trình bày trong Coastal Enginerring Manual (2002), PartIII, chapter 6 Sediment transport outside the surf zone) Các vấn đề trình bày ởđây chỉ sử dụng cho trường hợp sóng không vỡ

2.2.1 Sóng, dòng chảy và bùn cát

Vùng ven biển là nơi diển ra các tương tác trực tiếp giữa môi trường biểnvà đất liền Biển là một môi trường luôn luôn bị xáo trộn, dao động bởi nhiềutác nhân khác nhau có thể phân biệt được trước tiên là hiện tượng sóng, thủytriều và dòng chảy biển (hải lưu) Tùy theo nguyên nhân và tính chất củachuyển động có thể phân biệt nhiều dạng chuyển động chi tiết hơn Các chuyểnđộng tối đa này của môi trường biển là đối tượng nghiên cứu của ngành động lựchọc biển và nhiều ngành khác có liên quan như thủy hải văn, khí tượng, môitrường …

Để nghiên cứu ảnh hưởng của các hiện tượng này đến chuyển động bùncát, người ta thường sơ đồ hóa thành hai loại là:

• Chuyển động do sóng

• Chuyển động do dòng chảy

Chuyển động sóng là các dao động khá nhanh do sóng gây ra Còn dòngchảy bao gồm tất cả các dòng triều, hải lưu, dòng chảy sông có thể xem ổn địnhtrong một chu kỳ sóng

Trang 8

Đất liền tiếp xúc với biển thông qua bờ và đáy Dưới tác động của sóngvà dòng chảy vật liệu cấu thành bờ hay đáy bị bong tróc ra pha trộn với môitrường nước thành một loại vật liệu gọi là bùn cát.

Sóng biển ngoài tác động trực tiếp, rất mạnh và rất nhanh lên bờ và cáccông trình ven bờ, dòng chảy do sóng ở đáy còn làm làm bùn cát ở đáy dễ xáotrộn, dễ bị bốc rồi khỏi đáy và dễ dịch chuyển đi nơi khác

Các dòng chảy trên biển thường có vận tốc không lớn nên ảnh hưởng vềmặt lực học đến các công trình biển không lớn Tuy nhiên, các dòng chảy có tácđộng rất quan trọng đến chuyển động bùn cát vì các dòng chảy này vận chuyển

đi nơi khác lượng bùn cát đã bị sóng bào xói khỏi đáy biển

Cấu trúc của lớp biên rối có thể chia làm 03 thành phần như sau :

1 Lớp nhớt (ở sát đáy)

2 Lớp tạo rối

3 Lớp bên ngoài

Hình 1: Cấu trúc lớp biên rối và biểu đồ vận tốc

Trang 9

2.2.2 Tính nhớt và lực ma sát.

Các chuyển động của môi trường nước như sóng hoặc dòng chảy tác độnglên đáy thông qua phần tiếp xúc trực tiếp với đáy, vì vậy xét về mặt vận chuyểnbùn cát, bồi xói lòng dẫn thì phần dòng chảy gần và sát đáy là phần quan trọngnhất Tác động qua lại giữa đáy và dòng chảy, đối ứng với lực ma sát là ứng suấttiếp do dòng chảy tác dụng lên mặt đáy hoặc nói theo cách khác là khả năng lôitheo, kéo theo dòng chảy các phân tố vật chất của lòng dẫn

Ứng suất tiếp ở đáy và trong môi trường dòng chảy do tính nhớt(viscosity) Do tính dính nhớt giữa các phân tố chất lỏng, sẽ có hiện tượng lôi đikéo lại giữa các lớp ta gọi đó là hiện tượng ma sát nội, ma sát trong hay ma sátnhớt, lớp chảy nhanh hơn có khuynh hướng lôi lớp chảy chậm theo và ngược lại

Trong đó τ : ứng suất tiếp

ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng

ν : Hệ số nhớt động học

u : Vận tốc theo phương ngang

Những mô hình dòng chảy lớp biên rối có thể phát triển bằng cách chọnhằng số ν t(gọi là hệ số nhớt rối) lớn hơn giá trị mà nó phản ảnh cấu trúc xoáykết hợp với dòng chảy rối Đây là một giả thiết từ quan niệm về mô hình độ nhớtrối cho ứng suất tiếp rối có thể được biểu diễn bằng biểu thức như sau:

Trang 10

Vớiκ được biết như là hằng số von Karman và

2 / 1

* = ρ 

τ b

u được gọi làvận tốc tiếp trong đó τb là ứng suất tiếp tại đáy (z=0) Từ thực nghiệm đã xácđịnh hằng số Von Karman’s có giá trị là 0.4

2.3.TRONG TRƯỜNG HỢP CHỈ CÓ DÒNG CHẢY

2.3.1 Giới thiệu chung và công thức cơ bản

Thông thường động lực gây ra dòng chảy là trọng lực, thể hiện qua chênhlệch mực nước hay độ dốc mặt nước Động lực dòng chảy cũng có thể là dochênh lệch về khối lượng riêng hay gradient khối lượng riêng, chênh lệch vềkhối lượng riêng lại có thể do độ mặn hoặc nhiệt độ gây ra …

Dòng chảy ở trong vùng nước cạn có thể được xem như dòng chảy ổn địnhtức thời Ưùng suất tiếp tại đáy do dòng chảy tạo ra là τc, phân bố vận tốc củadòng chảy theo chiều sâu được biểu diễn bằng biểu thức như sau:

Khi thiết lập qui quật phân bố vận tốc dạng Logarithmic trong lớp biên rối

ta chỉ xét đến hệ số nhớt rối ν t Thực tế ở gần thành rắn, mạch động phân tố bịhạn chế bỏi thành rắn, độ nhớt rối giảm về không đồng thời do tính dính củadòng chảy thực, lưu tốc gần thành rắn sẽ giảm rất bé và bằng không trên thànhrắn Trường hợp thành trơn, sát thành rắn luôn hình thành một lớp mỏng chảytầng, trong lớp mỏng chảy tầng ma sát rối do ν t có thể bỏ qua, chỉ còn ma sátnhớt do lực dính phân tử gây ra

Trang 11

Từ thực nghiệm tổng quát của Nikuradse, giá trị z0 được xác định như sau:

( ) ( )

1

9 *0

n k

u z

13.3

u k

n n

Ghi chú: (1): Dòng rối thành nhám thủy lực ;

(2): Dòng rối thành trơn thủy lực

2.3.2.Hệ số ma sát đáy:

Ma sát đáy được xác định từ hệ số ma sát dòng chảy fc và vận tốc dòngchảy tại cao trình z=zr như sau:

2))((2

1

r c c

Vận tốc tiếp của dòng chảy được xác định như sau:

)(2

c c

0 10log4

1

z

z f

r c

Trong trường hợp dòng chảy rối nhám z0= kn/30 thì đó là rõ ràng xác định

fc từ giới hạn quan hệ độ nhám zr/kn Trong trường hợp dòng chảy rối thành trơn

Trang 12

z0=ν/(9u*c) từ biểu thức (2.8) sẽ xác định được giá trị fc do Madsen (1993) đềxuất như sau:

20.0)(log

4

1log4

c

z u z f

Trong đó fc phụ thục vào số Reynolds,

ν

)( r

c

r u z

z và biểu thức (2.9) chỉđược xác định qua phương pháp lặp để tìm ra giá trị của fc

2.4.TRONG TRƯỜNG HỢP CHỈ CÓ SÓNG

2.4.1 Giới thiệu chung và công thức cơ bản

Xem chuyển động sóng là chuyển động có thế của chất lỏng lý tưởngtrong trường hợp sóng tiến trong vùng nước có chiều sâu hữu hạn, các lý thuyếtvề sóng cho thấy các phân tố chất lỏng chuyển động theo các qũi đạo hình ellip,càng xa mặt thoáng thì thì kích thước qũi đạo càng nhỏ dần và trên đáy qũi đạoelip trở thành một đoạn thẳng nằm ngang, vận tốc các phân tố chất lỏng trên đáycó thể xem chỉ có một thành phần nằm ngang

Trong thực tế dòng chảy thực có tính dính nhớt, lưu tốc ngay tại mặt đáybằng không, như vậy hình thành một lớp biên đáy có sự biến thiên rất nhanh củalưu tốc từ giá trị không đến giá trị uw của chuyển động sóng

2.4.2.Hệ số ma sát và vận tốc dòng chảy

Độ nhớt rối của sóng trở thành một đại lượng phụ thuộc vào thời gian:

)()

/( 1/2 *

Tuy nhiên ảnh hưởng thời gian tới hệ số nhớt rối là nhỏ khi so sánh vớimột kết quả nhận được từ một mô hình nhớt rối bất biến theo thời gian với biểuthức trên đã được xác định từ ứng suất tiếp sóng lớn nhất tại đáy τ wmtrong suốtmột con sóng Từ đó, mô hình nhớt rối đưa đến ứng suất tiếp do sóng như sau:

Trang 13

z

u z ku z

u

wm w

lnsin

2

0

ϕ ω ϕ

z

z u

Với ubm vận tốc qũi đạo lớn nhất ở gần đáy, ω =2π/T là tần số góc và ϕ

được tính như sau:

15.1ln

2tan

z

Từ biểu đồ vận tốc ở gần đáy, ứng suất tiếp ở đáy có thể được tính :

)cos(ω ϕ τ

Ưùng suất tiếp lớn nhất tại đáy được tính toán như sau:

bm w

2ln2

u

f k f

k

bm w w

(2.17)

Với hệ số κ = 0 4 và

ω

bm bm u

=

Α là biên độ lệch tại đáy được dự tính bởi lýthuyết sóng tuyến tính Biểu thức (2.17) được tính xấp xỉ bằng phương trình ẩnđể xác định hệ số ma sát sóng do Grant và Madsen đề xuất năm 1986 như sau :

Trang 14

( )w n

bm w

w

f k

A f

f 4 log 0.17 0.244

1log4

f RE

f

f 4 4 log 50 0.17 0.064 4

1log4

RE= là số Reynolds

Trong trường hợp chảy tầng hệ số ma sát sóng được xác định như sau:

RE

2.4.3 Xác định hệ số ma sát của sóng:

a - Như đã biết từ hệ số nhám tương đương kn và trạng thái của sóng Abm

và ubm có 3 công thức để xác lập hệ số ma sát sóng fw Hệ số ma sát sóng đượcxác định trong trường hợp dòng chảy rối thành trơn và chảy tầng khi sử dụngcông thức (2.19) và (2.20) sẽ tương tự nhau với RE ≈ 3x104 và có thể được xemlà giá trị hợp lý cho sự chuyển tiếp từ chảy tầng (RE < 3x104) sang chảy rối

b - Xác định hệ số ma sát sóng từ biểu thức (2.18) và (2.19) được thựchiện qua các vòng lặp Bước tiến hành lập được thực hiện từ biểu thức dạngtương ứng như sau như sau:

x x

1log17.0log

RE

1log17.050log

1

10

Với biểu thị giá trị bước lặp (x=4 f w) hay (x=4 4f w)

c – Xác định hệ số ma sát sóng từ biểu đồ:

Trang 15

Trong trường hợp <100

n

bm k

A việc xác định hệ số ma sát sóng từ công thức(2.18) sẽ hội tụ khá chậm có thể sử dụng các biểu đồ dưới đây để xác định fw và

ϕ

Hình 2 : Biểu đồ xác định hệ số m a sát sóng và góc lệch ma sát tại đáy

2.4.4 Xác định chiều dày lớp biên sóng

Giá trị chiều dày lớp biên sóng được xác định như sau:

bm w wm

Trang 16

2.5.TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ SÓNG VÀ DÒNG CHẢY

2.5.1.Giới thiệu chung

Trong trường hợp tổng quát của sự kết hợp giữa sóng và dòng chảy vớigóc lệch của dòng chảy ϕ wc so với phương lan truyền trực tiếp của sóng, ma sátcực đại được xác định bởi:

c m

21







++

=

wm

c wc

wm

c wm

τ

τ ϕ

tiếp cực đại (kết

hợp sóng và dòng

chảy)

c

τ ứng suất tiếp

của dòng chảy kết

hợp(có ảnh hưởng

của sóng)

wm

τ ứng suất tiếp

cực đại của sóng

(có ảnh hưởng của

dòng chảy đơn

thuần)

Trong trường hợp lớp biên của dòng chảy có sự kết hợp của sóng và dòngchảy tạo thành một góc trong không gian 3 chiều, về nguyên tắc người ta có thể

Trang 17

giải tìm ra hai thành phần của vận tốc Tuy nhiên khi x là hướng trực tiếp đượcchọn trùng với phương của sóng thì dòng chảy không ổn định sẽ tồn tại theohướng này Trong trường hợp này có thể biểu diển bằng các công thức tính toántrường hợp chỉ có sóng nhưng có mặt của dòng chảy khi đó u*wmđược thay thếbằng u*mvà được xác định bằng biểu thức như trên với 1 / 2

lnsin

2

0

ϕ ω ϕ

z

z u

15.1ln

2tan

z

ku wm

Trường hợp dòng chảy ổn định và hướng trực tiếp của dòng chảy với sóngmột góc ϕ wcsẽ dẫn đến xác định vận tốc của dòng chảy trong trường hợp sóngvà dòng chảy kết hợp như sau:

(

z

z u

u u u

u z

m

c c c m

cw cw

κ ω

κ δ

z u

u z u

m c zw

c c

δ δ

Trong các biểu thức này biểu thị hoàn toàn sự ảnh hưởng của sóng đến phân bốvận tốc của dòng chảy Phân bố biểu đồ vận tốc trong trường hợp sóng và dòngchảy kết hợp trong đó chọn trục x là hướng lan truyền trực tiếp của sóng Vectorvận tốc được biểu diển như sau:

Trang 18

2.5.2 Tính toán hệ số ma sát sóng trường hợp sóng và dòng chảy kết hợp

Trong trường hợp đặc trưng cho chuyển động của sóng có đặc trưng u bm,tần số góc ω , A bm =u bm /ω và đặc trưng cho độ nhám của đáy được biểu diễnbằng độ nhám tương đương kn, các quan hệ sau đây được biểu thị cho quan hệcường độ của dòng chảy và sóng và dòng chảy tổng hợp :

wm c wm

c u

u

cos2

−

=+

µ µ

C

f A

C

f C

f

cw bm

cw cw

424.017.050log

4

1log4

−

=+

µ µ

µ

C

f RE

C

f C

f

cw cw

cw

4406.017.050

log4

4

1log4

Trang 19

bm cw m

wm

u f

ln

cw r o cw

m

r c

o cw cw r

m c

z

z u

z u z

z u

u

δ

δ κ

Trang 20

2.6.TƯƠNG TÁC GIỮA DÒNG CHẢY VÀ BÙN CÁT

2.6.1.Các khái niệm và công thức cơ bản

Như đã giới thiệu ở phần trước vấn đề về thủy lực của lớp biên đáy rối đãđược xem xét Trong đó có thể nhận thấy rằng sự tương tác của dòng chảy vàđáy được đặc trưng bởi ứng suất tiếp tại đáyτ b cho cả trường hợp tổng quát: sóngkết hợp với dòng chảy, còn vật liệu đáy có thể được mô tả bằng cở hạt trungbình D và khối lượng riêng ρ s của chúng

Với Đáy được cấu tạo từ những hạt vật liệu, điều kiện dòng chảy theophân bố logarithmic tại khu vực lân cận các hạt được sơ họa như sau :

Hình 3: Biểu đồ phân bố vận tốc của dòng chảy rối trên đáy theo phân bố

logarithmic

Trang 21

Tham số Shields: Trong tự nhiên dòng chảy rối gần đáy, mà ứng suất tiếp đáy

được xem như là lực kéo làm chuyển động hạt bùn cát trên bề mặt đáy Với cởhạt trung bình của hạt bùn cát đáy là D có xấp xỉ 1/D2 hạt trên một đơn vị diệntích Do vậy, lực tác động lên một đơn vị diện tích có thể biểu diễn như sau :

Trong đó ρ s là khối lượng riêng của bùn cát đáy ( 3

/650

gD s

u gD

s gD

b s

b

)1()

1()

s= : Độ tương quan giữa khối lượng riêng bùn cát và chất lỏng (2.38)

2.6.2.Khởi đầu của chuyển động

Quan sát thực tế cho thấy chỉ khi dòng chảy đạt được một cường độ nhấtđịnh nào đó thì các hạt bùn cát ở đáy mới có thể bắt đầu dịch chuyển Ứng suấttiếp tuyến của dòng chảy trên mặt đáy ứng với trạng thái bắt đầu chuyển độngcủa vật chất đáy gọi là ứng suất tiếp tới hạn Trị số tham số Shields ứng vớitrạng thái này gọi là tham số Shields tới hạn Cho trường hợp dòng chảy rối trênđáy phẳng, vật liệu đáy có cở hạt đường kính là D có hệ số nhám tương đương

kn=D Tham số đặc trưng cho dòng chảy gần đáy và tác động lực lôi kéo lêntừng hạt bùn cát là số Reynold lớp biên:

Trang 22

n e

k u

Tham số Shields tới hạn trong trường hợp dòng chảy ổn định được xácđịnh như sau :

)(Re)

1()

1

*

f gD s

u gD s

cr cr

Hình 4: Biểu đồ Shields cho trường hợp dòng chảy ổn định

Trong đó f(Re) được đề xuất từ mô hình thực nghiệm Biểu đồ Shields trênđược xác định trong trường hợp dòng chảy ổn định với số liệu thí nghiệm củaRaudkivi(1976) Giá trị ψ cr ≈0.06 với các giá trị Re* >100 cho trường hợp chảyrối thành nhám, tham số Shields tới hạn tăng dần từ giá trị 0.035 với giá trị Re*

nhỏ dần <10 thì thực chất tương ứng với chảy rối thành trơn

Trong nghiên cứu đã đề xuất cho điều kiện tới hạn của sự bắt đầu chuyểnđộng phụ vào thời điểm ngưỡng hoặc tình trạng bắt đầu của chuyển động có ýnghĩa hết sức quan trọng trong tác động giữa dòng chảy và bùn cát

Trang 23

• ψ >ψ cr Lực kéo vượt trội lực ổn định của bùn cát dẫn đến bùn cát sẽchuyển động

• ψ <ψ cr Về cơ bản lượng bùn cát không dịch chuyển

• ψ ≈ψ cr Các xoáy mạnh từ lớp tạo rối mà nó có thể tăng nhanh tức thờiđể lôi kéo một hoặc một vài hạt bùn cát

2.6.3.Tham số Shields hiệu chỉnh:

Madsen và Grant(1976) đã tổng hợp các số liệu về điều kiện khỏi độngcủa bùn cát và đề xuất biểu đồ Shields hiệu chỉnh Khác biệt so với biểu đồ trênlà trục hoành được biểu diễn bằng công thức dưới đây thay vì số Reynolds

cr e R gD s

D S

ψ

ν ( 1) 44

Tham số 4 xuất hiện trong biểu thức tính S* để giá trị S* tương tự với giátrị Re* trong biểu đồ truyền thống của tham số Shields Đây chỉ là một động tácchỉ đơn thuần để tiện cho việc tính toán và nó không có ý nghĩa vật lý nào

Hình 5: Biểu đồ Shields hiệu chỉnh(Madsen và Grant 1976)

Trang 24

Trong biểu đồ hiệu chỉnh tham số Shields vạch giới hạn tại vị trí đầu của

S* giá trị 1, tương ứng với loại cát trong nước biển có đường kính cở hạt

D≈0.1mm, là hạt rất mịn Raudkivi(1976) đã giới thiệu một số kết quả với cácgiá trị Re* nhỏ (trong khoảng 0.03 – 1) và thiết lập được :

* 3 / 11

0 R e

cr =

Theo sự điều chỉnh này biểu thức

cr e R gD s

D S

ψ

ν ( 1) 44

* = − = có thể được viết lại

*

1

cr

Trong trường hợp giá trị S* lớn, dòng chảy tương ứng với thời điểm khỏiđầu chuyển động là dòng chảy rối hoàn toàn với Re* >100 và giá trị ψ cr =0.06

2.6.4.Hiệu chỉnh Shields tới hạn:

Hiệu chỉnh Shields tới hạn trong chuyển động khởi đầu của bùn cát rờirạc được biểu diễn qua biểu đồ trên (Madsen và Grant 1976) và nó được thiếtlập qua thực nghiệm dòng chảy rối ổn định Cơ sở lập luận cho tiêu chuẩn nàycũng được áp dụng trong lớp biên dòng chảy rối không ổn định và đã đượcchứng minh bởi Mdasen và Grant 1976 theo biểu đồ như sau:

Trang 25

Hình 6: So sánh đường cong Shields với những số liệu trong khởi đầu chuyển động

ứng với dao động dòng chảy rối (Madsen và Grant 1976)

Theo qui quật tự nhiên chuyển động bắt đầu của bùn cát được xem xéttrong điều kiện dòng chảy ở lân cận ψ ≈ψ crmột vài hạt phân bố ở bên trênchuyển động, kết hợp vào đó với sự dao động lên xuống bất thường của dòngchảy tạo nên một lực nâng tác động vào hạt Ở gần đáy, phân bố vận tốc trungbình theo dạng Logarithmic trong trường hợp có sóng cũng tương tự như đối vớidòng chảy Vì vậy có thể xem đặc tính rối ở gần đáy là tương tự Vì thế, Madsenvà Grant đã đề xuất biểu đồ Shields cho trường hợp rối không ổn định như sau :

cr m

m

gD s

* Trong đó u*mvận tốc tiếp cực đại (2.44)

2.6.5.Tổng quan về đáy nhám và đáy gợn sóng:

Khi dòng chảy có ψ vượt qua điều kiện tới hạn của thời điểm bắt đầuchuyển động ψ crthì những hạt bùn cát sẽ bắt đầu chuyển động gần như ngay lập

Trang 26

tức (Madsen 1991) Tuy nhiên cho trường hợp ψ >(1.1-1.2)ψ cr thì đáy sẽ khôngcòn bằng phẳng Nó trở nên không ổn định, bị biến dạng và trở thành đáy dạngsóng.

2.6.6.Khái niệm về ma sát ngoài (skin friction):

Sự hình thành hình dạng của đáy qua sự tương tác giữa dòng chảy và bùncát sự xuất hiện này (đáy) làm thay đổi dòng chảy bên trên Như vậy sẽ dẫn đếnsự gia tăng sự chống kháng lại dòng chảy với lực kéo lên từng hạt bùn cát cũngnhư độ nhám của đáy tạo bởi đường kính hạt Dòng chảy sẽ bị phân tách tại đỉnhsóng cát và sức kháng của dòng chảy sẽ bao gồm cả lực đẩy lên sóng cát Dùràng độ nhám đáy có tăng do sự xuất hiện của sóng cát, lực đẩy tổng hợp tácđộng lên từng hạt riêng lẽ là yếu tố làm các chuyển động Aûnh hưởng của sóngcát lên sức kháng được biểu thị bằng ma sát ngoài(skin friction) Khái niệm củasự phân chia ứng suất tiếp đáy từ ma sát ngoài và các dạng cấu thành lực kéo

b b b

'' ' τ τ

b

'

τ được xem như ma sát ngoài, τ''b ma sát do lực đẩy

Hình 6 : Khái niệm của lực đẩy τ''b , ma sát ngoài τ'b , tổng ứng suất tiếp

b

'

τ + τ''b cho dòng chảy rối trên đáy gợn sóng

Trang 27

Trong trường trường hợp chỉ có sóng theo Madsen và Grant (1976) ứngsuất tại đáy kể cả ma sát ngoài là :

2 '2

1

bm w

n

k sẽ bao gồm ảnh hưởng của sóng cát

2.6.7.Xác định hình dạng của đáy sóng cát:

Khi xác định hình dạng đặc trưng của sóng cát đáy phụ thuộc vào tham số

ma sát ngoài Shiedls:

( )

gD s

u gD s

wm wm

m

)1()

1(

2 '

* '

.010

0.7

012.00016

.010

8.1

4

5 0 2

Z x

Z Z

x

A bm

Trang 28

05.1

012.00016

.010

5.1

65 0 2

009 0 1

Z Z

x

Z Z

x λ

η: Chiều cao của sóng cát ; λ: chiều dài của sóng cát

2.6.8.Độ nhám của đáy chuyển động:

Việc xác độ nhám của đáy sóng cát tự nhiên rất giới hạn bởi thiếu sốliệu đo lường đáng tin cậy trong những điều kiện sóng khác nhau Những số liệu

ít ỏi về sự hình thành sóng cát đáy và sự tốc độ tổn thất năng lượng trong lớpbiên đáy của chuyển động sóng bên ngoài sóng cát đã được nghiên cứu bởiWikramanayake và Madsen vào năm 1994 Nghiên cứu của các nhà khoa họcnày đã đề nghị mối quan hệ tuyến tính cho độ nhám đáy cát với sóng cát đáy:

2.7 SỰ VẬN CHUYỂN CÁT ĐÁY

Khi dòng chảy và bùn cát được đặc trưng bởi tham số Shields, khi tham sốnày lớn hơn giá trị tới hạn thì bùn cát sẽ chuyển động, điều này đưa đến sẽ làmbiến đổi đáy Nhiều nghiên cứu thực nghiệm để xác định sự vận chuyển cát đáyđã được nghiên cứu trên cơ sở dòng chảy ổn định biên rối (Raudkivi 1976).Mộttrong các kết quả nghiên cứu này là công thức nổi tiếng Meyer-Peter(1948), Tuynhiên do được thiết lập từø dòng chảy ổn định trong sông và kênh với độ dốc hầunhưkhông có nên việc áp dụng công thức này cho trường hợp sóng kết hợp vớidòng chảy lớp biên rối trên đáy nghiêng dốc còn nhiều hạn chế

Một mô hình vận chuyển cát đáy của hạt bùn cát lăn, trượt dọc theo độnghiêng của đáy được đề xuất Madsen(1993) đã làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý côngthức do Meyer-Peter đã nghiên cứu trước đó Kết quả nghiên cứu trên cơ sở giả

Trang 29

thiết: sóng ảnh hưởng lớn hơn dòng chảy nhiều

; ứng suất tiếp lớnnhất là lớn hơn nhiều so với giá trị tới hạn = wm' <<1

CR cr τ

τ µ

và độ dốc đáy nhỏ

1tan

Trong trường hợp chỉ có sóng và đáy bằng lượng chuyển cát đáy trungbình được xác định như sau :

8)

1(

2 / 3 ' 2

/ 3 2 / 3 '

b b

sB D gD s

q

µ ψ

µ φ

ψ β

sB

u

u D

gD s

q

ϕ ϕ

2

36

)1

'

* 2 / 3

Trong đó ψ' được biểu thị cho tham số Shields trong trường hợp dòng chảy cóứng suất tiếp có kể đến ma sát ngoài Lưu ý rằng hướng của vận chuyển bùn cátkhông phải theo hướng của dòng chảy và được biểu thị như sau:

Trang 30

2.8 SỰ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG

2.8.1.Giới thiệu chung:

Phân bố của bùn cát lơ lửng ở trong nước bị chi phối bởi vận tốc lắng(độthô thủy lực) của bùn cát wf và hệ số khuếch tán của bùn cát ν s và nồng độ tậptrung bùn cát lơ lửng c Giả sử sự hòa trộn giữa chất lỏng và bùn cát được xemnhư một chất lỏng đồng nhất thi có thể xem độ khuyếch tán rối và khuyếch tánbùn cát là như nhau:

z ku t

s =ν = *

2.8.2 Vận tốc lắng của bùn cát:

Để giải các bài toán trong các biểu thức chi phối sự phân bố bùn cát lơlửng tập trung theo phương thẳng đứng cần thiết phải xác định giá trị vận tốclắng của bùn cát w f Giải sử rằng hạt bùn cát có dạng tròn, cân bằng lực giữalực đẩy nổi và lực cản của chất lỏng trên hạt bùn cát trong môi trường chất lỏngđứng yên:

2 2 3

42

16

)( s g D C D D w f

s

w

3

4)

1

Hệ số lực cản CD phụ thuộc vào số ReD =Dwf/ν mà ReD phụ thuộc vào S*

là tham số của bùn cát – dòng chảy được xác định ở phần trên Theo thựcnghiệm cho thấy quan hệ giữa hệ số cản CD với ReD (Schlichting 1960) Với giátrị CD đại lượng không thứ nguyên, vận tốc lắng được xác định từ biểu thức trênvà giá trị này được sử dụng với giá trị của ReD ,để xác định giá trị S* Với cáchthức này Madsen và Grant (1976) đã dựng đồ thị của đại lượng không thứnguyên vận tốc lắng theo một hàm phụ thuộc vào tham số bùn cát trong dòngchảy (

D

f

C gD

s

w

3

4)

Trang 31

Hình 7: Đại lượng tốc độ lắng cho hạt tròn(Madsen và Grant 1976)

Để mở rộng biểu đồ cho giá trị S* khi nằm ngoài giới hạn:

82.1)

1

− gD s

w f

cho trường hợp S* >300 (2.57)Trong trường hợp d<0.1mm và trong nước biển, vận tốc lắng tuân theođịnh luật Stoke:

*9

2)

1(s gD S

w f

=

Qua đồ thị trên có thể nhận thấy rằng hạt bùn cát được giải thiết tròn, đềunày mang lại kết quả chính xác hơn việc xác định vận tốc lắng của bùn cát trongtự nhiên của Dietrich (1982)

2.8.3 Xác định độ tập trung tham chiếu của bùn cát lơ lửng

Với vận tốc lắng (độ thô thủy lực) của bùn cát đã được xác định, tất cảcác tham số trong biểu thức để tính toán phân bố tập trung bùn cát lơ lửng vềnguyên tắc đã được xác định Để giải quyết bài toán này cần thiết phải có điều

Trang 32

kiện biên Trong trường hợp này, Madsen (1993) đã đề nghị các xác định cácnồng độ tham chiếu trung bình tại đáy như sau :

'

β τ

τ γ

cr

b b R

t C

trong đó Cb nồng độ tập trung bùn cát tại đáy

Cb=0.65 (Smith và McLean 1977)

102

x

γ cho trường hợp đáy gợn sóng và đáy bằng phẳng(2.60)

Giá trị này đã được đề xuất từ nghiên cứu mô hình đáng tin cậy gần giốngnhư giá trị mô hình thực với tại cao độ zr=7D và đã được chấp nhận(Wikramanayake và Madsen 1994b) Trong trường hợp tổng quát biểu diển nồngđộ tham chiếu trung bình (Madsen 1993) tại z=zr = 7D như sau:

c

τ

τ π

Và thành phần dao động có chu kỳ:

θ θ

ϕ

β τ

τ ϕ τ

τ π

' '

Rwm m

w cr

wm wc cr

c b

Trong đó θ =ω t+ϕ' , ϕ': là độ lệch pha (2.63)

2.8.4 Phân bố tập trung của bùn cát lơ lửng:

Trong trường hợp sóng và dòng chảy kết hợp độ nhớt xoáy hay độ khuyếch tánrối được xác định như sau:

cw m

s

z z u

δ κ

ν

*

ω κ

Trang 33

m f

u w r R z

z c

f

u w cw u w r R

z z

z c

κ κ

Và thành phần dao động :

)ln(

2)

trong đó:

15.1ln

2tan

* −

=

ω

π ϕ

r m s

z

2.8.5.Vận chuyển bùn cát lơ lửng:

Lượng bùn cát lơ lửng được tính toán dựa vào vector vận tốc và hàm

lượng của bùn cát lơ lửng theo chiều sâu h Tổng vận chuyển bùn cát lơ lửngthực được xác định như sau:

∫

z w w h

z c T sS

r r

dz c u dz c u

Trong biểu thức này chỉ ra được phân bố cho tổng lượng vận chuyển bùncát lơ lửng như một sự kết hợp hoàn toàn với vận chuyển bùn cát lơ lửng trungbình

dz c u q

h z c sS

Trang 34

= h

z w w sSw

r

dz c u q

Theo hướng truyền sóng trực tiếp hoàn toàn được xác định

Lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng trung bình như dã trình bày ở trên phảiđược xem xét cho hai trường hợp như sau:

1 zr > z0 vận tốc của dòng chảy có ý nghĩa trong khoảng này và lưu lượng bùncát trung bình được xác định như sau:

)( 1 2

I I z

c k

u

ku w r

cw r c sS

m f

I I z

c k

u

ku w r

cw r c sS

m f

f c c

w u u cw r f

c c r

cw f

c c r

cw cw

f c c a

cw f

c c a

w u u

cw f c c

f c

c r

w u u cw z f c

c cw

f c c

z w

u

u z

w u u

z

z I

w u

u z

w u

u z

h h

w u

u I

w u

u z

z z

w u

u z

w u

u I

ln

lnln

*

* 0

3

*

* 0

*

* 0

*

* 2

*

* 0

*

* 0

*

* 1

κ κ

κ

δ κ

κ

δ κ

κ δ δ

κ

κ δ

κ

κ δ

κ

κ δ

κ

κ δ

'

1

I I

x c

u

π ϕ

ϕ δ

ϕ

Trang 35

cw cw

r cw

r

r cw

z z

z

z z

z

z I

z

z z z

I

δ

π π

δ π

δ δ

π π

δ δ

π π

δ

12ln

2ln

1ln

ln

1ln1

ln

0 2

0 0

0 5

0 0

' 0

ln

lnsin

1

I I

x

z

z c

u

r cw

cw

cw Rwm bm

π ϕ

ϕ π

δ π

δ δ

ϕ π

cw r

cw

cw r r

cw

z z

z I

z z

I

π

δ π

δ

π π

δ

12ln

2ln

1ln

2 7

6

Trang 36

CHƯƠNG III GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN 3.1 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

a Các đặc trưng số liệu phục vụ cho việc tính toán:

1 Sóng: Sóng được đặc trưng bởi vận tốc quĩ đạo của sóng Ubm và tần sốsố góc ω ( )

ω

bm bm

3 Dòng chảy: được đặc trưng bởi khối lượng riêng 3

/025

1 kg m

=

số nhớt động học ν=10−6m /2 s

4.Bùn cát: được đặc trưng bằng tham số đường kính hạt D và khối lượngriêng ρ(s= ρ s/ρ) Bùn cát phải là loại rời rạc (không dính)

b Các tham số:

κ : Hằng số Von Karman’s có giá trị 0.4

s

ϕ : Góc ma sát nghĩ của bùn cát = 500

m

ϕ : Góc ma sát trong của bùn cát =300

Cb : Độ tập trung bùn cát tại đáy =0.65

3.2 CÁC GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH

3.2.1 Xác định vận tốc dòng chảy và các yếu tố liên quan

3.2.1.1 Xác định vận tốc tiếp và ứng suất tiếp đáy u*c, τ b

3.2.1.2 Vận tốc tiếp lớn nhất và ứng suất tiếp lớn nhất do sóng u*wm, τ wm

3.2.1.3 Vận tốc tiếp lớn nhất và ứng suất tiếp lớn nhất trong trường hợpsóng và dòng chảy kết hợp: u*m , τ m

3.2.1.4 Phân bố vận tốc dòng chảy theo chiều sâu nước:

a - z < δ cw

Trang 37

0

*

*ln

z

z u

u u

u

m

c c c

z

z u

u

0

*ln

κ

=

3.2.2 Xác định tổng lưu lượng bùn cát lơ lửng

3.2.2.1 Xác định các thành phận vận tốc và các tham số có liên quan nhưbước 3.2.1 đã trình bày ở trên(công thức 2.28- 2.29-2.33-2.34)

3.2.2.2 Xác định tham số Shields để tính toán vận tốc lắng của bùn cát (độthô thủy lực công thức 2.37-2.42-2.43-2.44)

3.2.2.3 Xác định nồng độ bùn cát tham chiếu trung bình do dòng chảy vàsóng(công thức 2.61 và 2.62)

3.2.2.4 Xác định lưu lượng bùn cát trung bình do sóng và dòng chảy(côngthức 2.71-2.72)

3.2.2.5 Xác định tổng lưu lượng bùn cát

2 2

sTy sTx

3.2.3 Chương trình và sơ đồ khối tính toán

Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Fortran với sơ đồ khối theo thứ tự từngbước như sau:

Trang 39

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	7,2 MB