ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ HỒ CHỨA NƢỚC NẶM CẮT – TỈNH BẮC KẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ HỒ CHỨA NƯỚC NẶM CẮT – TỈNH BẮC KẠN Học viên: Nguyễn Thanh Nhã Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công tr

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Nhã

TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ HỒ CHỨA NƯỚC NẶM CẮT – TỈNH BẮC KẠN

Học viên: Nguyễn Thanh Nhã Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Thủy

Mã số: 60.58.02.02 Khóa: 2015-2017 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tính toán,

việc ứng dụng các phần mềm để tính toán giải quyết các bài toán trong xây dựng là một xu thế rất cần thiết Nhất là các phần mềm có tính ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật, có thể giải quyết được các bài toán phức tạp theo các phương pháp

số như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), thể tích hữu hạn (FVM) Trong đề tài này tác giả chọn mô hình tính toán thủy lực bằng Telemac-Mascaret với modul Telemac-3D được giải theo phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dòng chảy qua các công trình thủy lợi; cụ thể là qua tràn xả lũ Hồ chứa nước Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn Đây là loại tràn có mặt cắt thực dụng, từ đó xuất dữ liệu thông số cơ bản của một bài toán thủy lực như lưu lượng qua tràn, vận tốc lớn nhất, nhỏ nhất, đường mực nước vv và kết quả mô phỏng dưới dạng 3D Kết quả cho thấy mô hình Telemac-3D đáp ứng được yêu cầu trong thực tế, kiểm tra được định tính và định lượng được bài toán

Phần mềm được tích hợp với các phần mềm khác như AutoCad, SketchUp Pro, BlueKenue, Fuddaa-prepro rất thuận lợi trong quá trình giải quyết bài toán

Từ khóa - Hồ chứa nước Nặm Cắt; mô hình hóa Telemac-3D; phương pháp phần tử

hữu hạn; thể tích hữu hạn; đập tràn thực dụng

APPLICATION OF SIMULATION MODEL FOLW THROUGH THE NAM CAT RESERVOIR FLOOD DRAINAGE PROJECT – BAC KAN PROVINCE

Abstract - Nowadays, along with the rapid development of computational

mathematics, the application of software to solve many problems in hydraulic structures is a very necessary trend Specially, the software which can be applied widely in engineering, can solve complex mathematical problems by finite element method (FEM) or by finite volume method (FVM) In this topic, the author selects the hydrodynamic modeling equation using Telemac-Mascaret with modul Telemac-3D established by finite element methodor by finite volume method (FVM) to simulate flow over hydraulic structures, namely through the Nam Cat reservoir flooddrainage project – Bac Kan province This type of spill has a practical cross-section, which outputs basic data of a hydraulic problem such as overflow, maximum velocity, minimum velocity, Water depth etc and the results are simulated in 3D The results show that the Telemac-3D model meets the real demand, qualitative and quantitative testing of the problem

Software is integrated with other software such as Auto Cad, SketchUp Pro, BlueKenue, Fuddaa-preprowhich is very convenient in process of solving problems

Key words - The Nam Cat reservoir; Mathematical model Telemac-3D; By finite

element method (FEM); By finite volume method (FVM); practical weir

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

CÁC KÝ HIỆU vi

CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ 4

1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 4

1.1.1 Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện 4

1.1.2 Một số thông số chính về các công trình xả lũ ở nước ta 6

1.1.3 Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi ở nước ta 10

1.2 VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY QUA CÔNG CÁC TRÌNH THỦY LỢI 10

1.2.1 Đánh giá dòng chảy xiết qua dốc nước (tràn xả lũ) 10

1.2.2 Nghiên cứu chế độ nối tiếp dòng chảy từ thượng lưu với hạ lưu qua tràn xả lũ 11 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 13

Chương 2 – LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ CỦA MÔ HÌNH TELEMAC-3D 14

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH 14

2.1.1 Mục đích nghiên cứu 14

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 14

2.2 TÀI LIỆU ĐƯỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MÔ HÌNH 15

2.2.1 Giới thiệu chung 15

2.2.2 Tài liệu thủy văn 17

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 19

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM TELEMAC-3D 22

2.4.1 Mô hình động lực học 22

2.4.2 Dòng chảy qua tràn 26

2.4.3 Dòng chảy qua bể tiêu năng sau tràn 28

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 30

Chương 3 – ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TELEMAC-3D MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY QUA CÔNG TRÌNH TRÀN XẢ LŨ 31

3.1 CÁC BƯỚC XÂY DỰNG MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THỦY LỰC TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG TRÊN TELEMAC-3D 31

3.1.1 Xây dựng mô hình Tràn 3D 31

3.1.2 Tạo tập tin đầu vào Telemac-3D 31

3.1.3 Kết quả tạo lưới 31

3.1.4 Thiết lập điều kiện biên 32

3.1.5 Các thông số hình học thiết lập trong mô hình Telemac 35

3.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ VÀ BỂ TIÊU NĂNG SAU TRÀN 37

3.2.1.Khả năng xả 37

3.2.3 Đường mực nước dọc tuyến công trình 44

3.2.4 Lưu tốc dòng chảy 47

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 50

Chương 4 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VẬN HÀNH CỬA VAN 51

4.1 TRƯỜNG HỢP MỞ CỬA HOÀN TOÀN 2 CỬA VAN 51

4.1.1 Thí nghiệm khả năng xả 51

4.1.2 Đường mực nước dọc tuyến công trình 54

4.1.3 Lưu tốc trung bình dòng chảy dọc tuyến công trình 57

4.2 TRƯỜNG HỢP MỞ CỬA HOÀN TOÀN 1 CỬA VAN 59

4.2.1 Thí nghiệm khả năng xả 59

4.2.2 Đường mực nước dọc tuyến công trình 62

4.2.3 Lưu tốc dòng chảy 64

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

1 Kết luận 66

2 Kiến nghị 67

3 Những vấn đề còn tồn tại 67

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 71

PHỤ LỤC 72 PHẦN MỞ RỘNG LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Vđộng Lưu tốc thủy động tức thời ở một vị trí nào đó

V Lưu tốc trung bình thủy trực tại vị trí cần xét

x,y Các thành phần không gian theo chiều ngang

z Thành phần không gian theo chiều dọc

Fx, Fy Số hạng nguồn

Q Nguồn chất đánh dấu thêm vào hoặc mất đi

Tref Nhiệt độ tham chiếu là 4°C

ρref Mật độ tham chiếu nhiệt độ

d Độ sâu dòng chảy tại mặt cắt trước nước nhảy

ZTLTN Cao trình mực nước thượng lưu thí nghiệm

ZHLTN Cao trình mực nước hạ lưu thí nghiệm

QTN Lưu lượng tính toán và lưu lượng khống chế trong mô hình

qtran Tỷ lưu qua tràn

Btràn Chiều rộng khoang tràn

Ho Cột nước trên tràn có kể tới lưu tốc tới gần

m' Hệ số lưu lượng đã kể tới co hẹp

Qxả Lưu lượng tháo qua đập tràn

B Chiều rộng thoát nước của tràn

CÁC CHỮ VIẾT TẮT :

LNHE Trung tâm quốc gia nghiên cứu Thủy lực của Điện Lực Pháp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.1 Một số công trình thuỷ điện có quy mô vừa và lớn ở Việt Nam 6

3.2

So sánh kết quả lưu lượng xả qua tràn trên mô hình thí nghiệm và

mô hình hóa Telemac-3D (QKT=789m3/s và QTK=720,5m3/s) (Mở

3 cửa van)

42

3.3

So sánh kết quả lưu tốc max qua tràn xả lũ và bể tiêu năng trên

mô hình thí nghiệm và mô hình hóa Telemac-3D (QKT=789m3/s

và QTK=720,5m3/s) (Mở 3 cửa van)

49

4.1

So sánh kết quả lưu tốc max qua tràn xả lũ và bể tiêu năng trên

mô hình thí nghiệm và mô hình hóa Telemac-3D (QKT=789m3/s

và QTK=720,5m3/s) (Mở cửa van số 2 và số 3)

59

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

1.1 Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX 4

2.4 Sơ đồ tính đường mặt nước và vận tốc dòng chảy qua tràn 27 2.5 Quan hệ giữa hệ số lưu tốc trên mặt tràn với lưu lượng đơn vị q

và khoảng cách l theo mặt đập kể từ đỉnh đập đến mặt cắt tính toán 27 2.6 Quan hệ giữa hệ số lưu tốc 0 tại mũi phun với lưu lượng đơn vị q

và chiều dài S theo mặt đập kể từ đỉnh đập đến mũi phun 28

3.1 Hình ảnh 3D tràn xả lũ Hồ chứa nước Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn 31

3.3 Tạo lưới cho phần dốc nước và bể tiêu năng 32 3.4 Tạo một tệp điều kiện ranh giới mới cho đối tượng Bottom 33

3.6 Chọn nút cuối của phân đoạn và nhấp chuột phải vào Add

3.13 Xuất kết quả tọa độ các vị trí điểm A-B-C tại ngưỡng tràn 39

3.25 Mực nước trên dốc nước mở hoàn toàn 3 cửa van 46

4.1 Xuất kết quả tọa độ các vị trí điểm B và C tại ngưỡng tràn 51

4.18 Đồ thị lưu lượng đơn vị dọc theo tràn QP=1,0% 61

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước và dòng chảy của nó có những lợi ích to lớn, nhưng cũng có những bất lợi Nhiệm vụ của các nhà khoa học thủy lợi là tận dụng những lợi ích và hạn chế những bất lợi của nó Nhiệm vụ đó được thực hiện bằng nhiều giải pháp, trong đó có việc xây dựng các công trình thủy lợi khác nhau Đó là các công trình dâng nước, dẫn nước, lấy nước, công trình bảo vệ, công trình giao thông…Bằng giải pháp kết cấu đặc thù của mình các công trình thủy lợi tạo ra và đảm bảo đủ mực nước hoặc lưu lượng, đồng thời tháo lũ, tháo lượng nước thừa về phía hạ lưu, dẫn nước đáp ứng các yêu cầu hoặc ngăn ngừa những ảnh hưởng bất lợi từ phía hạ lưu Các công trình thủy lợi còn tạo ra giao thông thủy, chênh lệch đầu nước tập trung phục vụ cho phát điện

Công trình hồ chứa nước Nặm Cắt, tỉnh Bắc Kạn được xây dựng để tạo nguồn cấp nước, giảm lũ cho thị xã Bắc Kạn, cải thiện môi trường nâng cao đời sống cho đồng bào trong khu vực, phục vụ phát triển các ngành kinh tế, xã hội và an ninh quốc phòng cho tỉnh Bắc Kạn

Công trình tháo nước là một trong những hạng mục quan trọng nhất của đầu mối

hồ chứa Đặc thù của công trình tháo nước là dòng chảy qua công trình ở trạng thái xiết, có thể gây ra các hiện tượng thủy lực bất lợi như: hàm khí, khí thực, sóng xung kích, xói lở hạ lưu, Vì vậy, tính toán thủy lực công trình tháo nước vẫn phải giải quyết các bài toán về khả năng tháo nước, tương tác giữa dòng chảy và công trình, nối tiếp và tiêu năng hạ lưu,…

Việc tính toán lý thuyết các thông số thuỷ lực: cửa vào tràn, dốc nước, bể tiêu năng,…và những tác động của dòng chảy lưu tốc cao khi tràn làm việc rất khó đạt kết quả đáp ứng thực tế Chính vì vậy, việc xây dựng mô hình vật lý để đo đạc, kiểm tra các thông số thủy lực của công trình tràn xả lũ là rất cần thiết

Do đó, luận văn lựa chọn: “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng dòng chảy qua

công trình tràn xả lũ Hồ chứa nước Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn” để nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Ứng dụng mô hình Telemac-3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình tràn xả

lũ, tiêu năng đáy, nhằm xác định:

- Tính hợp lý của hình dạng, kích thước các bộ phận công trình tràn xả lũ; xem xét đánh giá các tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của việc bố trí các hạng mục và công trình tràn xả lũ

- Kiểm nghiệm; chính xác hoá các thông số thủy lực, nối tiếp cửa vào, cửa ra, thượng lưu; đánh giá chế độ dòng chảy, chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu, tiêu năng dòng chảy hạ lưu công trình

+ Qua mô hình mô phỏng đánh giá, tồn tại, từ đó đề xuất kiến nghị sửa đổi lựa chọn phương án tối ưu đảm bảo công trình xả lũ vận hành an toàn và hiệu quả

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu:

- Công trình tràn xả lũ hồ chứa nước Nặm Cắt: xác định khả năng xả lũ của tràn,

đường mực nước dọc tuyến công trình tràn xả lũ và bình đồ dòng chảy, chế độ thuỷ lực

- Xác định lưu tốc trung bình, xác định mạch động lưu tốc, áp suất trung bình và

áp suất mạch động của dòng chảy tại một số vị trí xung yếu

- Tiêu năng hạ lưu công trình, chế độ nối tiếp dòng chảy, đánh giá xói lở, bồi lắng thượng, hạ lưu công trình trên mô hình lòng cứng, đặc điểm dòng chảy trên dốc nước

- Luận văn áp dụng mô hình Telemac-3D để tính toán các thông số thủy lực, dựa vào mô hình vật lý để hiệu chỉnh các tham số mô hình, so sánh các phương án tràn xả

lũ sao cho hợp hợp lý về thủy lực

- Dựa vào các tài liệu lý thuyết và thực nghiệm về tính toán thủy lực tràn xả lũ

- So sánh các phương pháp tính thủy lực dốc nước đã và đang áp dụng ở Việt Nam cũng như trên thế giới

- Tìm hiểu, sử dụng phần mềm Telemac-3D, hồ sơ thiết kế công trình thực tế Hồ chứa nước Nặm Cắt, các tài liệu có liên quan, từ những đề tài, dự án đã được nghiên cứu trước đây

b Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tích tài liệu: Thu thập thông tin về các công trình thực tế, nghiên cứu cơ sở lý thuyết các thông số thủy lực: cửa vào, trên tràn, dốc nước, tại bể tiêu năng…và những tác động của dòng chảy lưu tốc cao khi tràn làm việc Tính toán

áp dụng trên công trình thực tế

- Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình số

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu các thông số thuỷ lực tràn xả lũ như: đoạn nối tiếp cửa vào, cửa

ra, thượng lưu; đánh giá chế độ dòng chảy, chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu, tiêu năng dòng chảy hạ lưu công trình bằng mô hình toán, có đối chiếu hiệu chỉnh tham số bằng mô hình vật lý nhằm đảm bảo phương án hợp lý về thủy lực, tuổi thọ và an toàn cho công trình Hồ chứa nước Nặm Cắt cũng như các công trình Thủy lợi – Thủy điện

tương tự là rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, gồm có 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về dòng chảy qua tràn xả lũ

Chương 2: Lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn xả lũ của mô hình Telemac-3D Chương 3: Áp dụng mô hình toán Telemac-3D mô phỏng dòng chảy qua công trình tràn xả lũ

Chương 4: Kết quả mô phỏng vận hành cửa van

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ

1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG CÁC CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC Ở VIỆT NAM HIỆN NAY

1.1.1 Tình hình xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

Công trình thủy lợi, thủy điện đã xuất hiện từ năm 3000 năm trước công nguyên và phát triển mạnh bắt đầu từ nửa sau thế kỷ XX Từ trước những năm 1980 phát triển mạnh ở các nước Châu Âu và Bắc Mỹ, năm 1980 đến nay phát triển mạnh

ở Châu Á và nhất là ở Trung Quốc, đối với Việt Nam bắt đầu phát triển từ sau năm

1945 và phát triển mạnh từ sau những năm 1998 Theo thống kê năm 1998 của Uỷ

ban đập nước Thế giới (World Commission on Dams – WCD) Hình 1.1 biểu thị số lượng và phân bố các đập lớn tại các vùng trên thế giới [1]

Hình 1.1 Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX

Thời gian xây dựng các đập dài, thường từ 5 ÷ 10 năm và trung bình mỗi năm trên thế giới có khoảng 160 đến 320 đập được xây dựng mới Vào những năm 70, việc xây dựng đập tăng lên nhanh chóng; trên thế giới nhiều lúc có đến 2 hay 3 đập

lớn được hoàn thành Hình 1.2 biểu thị tốc phát triển xây dựng các đập tại một số

vùng trên thế giới đến cuối thế kỷ XX Vào những năm 90 trung bình mỗi năm chi phí khoảng 2 – 46 tỉ USD để xây dựng các đập lớn, mà 4/5 số đập ở các nước đang phát triển với kinh phí đầu tư 22 – 31 tỉ USD [1]

Hình 1.2 Tốc độ xây dựng đập tại một số vùng đến cuối thế kỷ XX

Đối với Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nền kinh tế nông nghiệp, tài nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững của đất nước Lịch sử hình thành và phát triển của dân tộc Việt Nam gắn liền với sự hình thành của hệ thống đê điều chống lũ hàng ngàn năm với hệ thông kênh rạch để mở mang vùng đất mới, phát huy mặt lợi của nước, hạn chế mặt hại để tồn tại và phát triển Cũng chính nhờ lợi thế đó, một nền văn minh lúa nước đã hình thành từ nghìn năm ở Đồng bằng sông Hồng và di cư vào Đồng bằng sông Cửu Long 300 năm trước đây

Tuy vậy, nhưng do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối thuỷ lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới Đến nay

cả nước có khoảng trên 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hồ chứa, đập cỡ nhỏ [2] Các hệ thống thuỷ lợi của nước ta có thể kể đến như hệ thống thuỷ lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng, Thạch Nham hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước như Thuỷ điện Hoà Bình, Thác Bà, Đa Nhim, Trị An, Yaly, Yazun Hạ, Vĩnh Sơn, Thác Mơ…

Ngày 20 tháng 5 năm 1998 “Luật tài nguyên nước” của nước ta đã được Quốc hội khoá X kỳ họp thứ 3 thông qua, đã một lần nữa khẳng định rằng: “Do nhận thức được vị trí quan trọng của công tác thuỷ lợi trong việc bảo vệ và phát triển đất nước nên Đảng và Chính phủ đã có những quyết định đúng đắn về chủ trương, kế hoạch, chính sách đầu tư thuỷ lợi, phát triển nguồn tài nguyên nước, vạch ra những bước đi thích hợp cho từng giai đoạn” [2]

Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu mối thuỷ lợi, thuỷ điện nước ta phát triển khá mạnh Các công trình tháo đã xây dựng ở nước ta tương đối phong phú về thể loại và đa dạng về hình thức kết cấu Theo hình thức phân loại

Asia North America Europe

Afica South America Austral - Asia

đập tràn là loại công trình kiểu hở và lưu lượng tháo qua đập tràn khoảng 40÷100

m3/s/m Khi có điều kiện sử dụng thì đập tràn là một loại công trình tháo lũ rẻ nhất Khoảng 50 ÷ 60 năm trước đây, chỉ mới có đập tràn tháo lũ cao 50÷70m thì ngày nay đã có đập tràn cao trên 130m

1.1.2 Một số thông số chính về các công trình xả lũ ở nước ta

Gắn liền với các hệ thống đầu mối thuỷ lợi nêu trên là các công trình tháo lũ (CTTL) xả nước mặt, làm nhiệm vụ tháo phần nước lũ không thể chứa trong hồ, có khi chúng còn được đặt ở dưới sâu và đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa khi cần thiết kiểm tra hoặc sửa chữa

Có công trình tháo lũ hồ chứa mới làm việc được bình thường và an toàn Vốn đầu tư để xây dựng CTTL phụ thuộc vào quy mô và điều kiện cụ thể của từng công trình, nói chung nó chiếm một tỷ lệ khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng

hệ thống đầu mối, có khi tới (70 ÷ 80)% Vì vậy mà chúng thường xuyên được quan tâm cân nhắc rất kỹ lưỡng trong thiết kế, thi công các hệ thống đầu mối thuỷ lợi

CTTL trên các hệ thống đấu mối thuỷ lợi rất đa dạng, Bảng 1-1 thống kê chi tiết một số thông số chính của một số CTTL ở nước ta; các hình từ Hình 1.3 đến

Hình 1.10 thể hiện một số hình ảnh về các CTTL trên các hệ thống đầu mối thuỷ lợi

Q xả max (m 3 /s)

5 Nước Trong Quảng Ngãi Đập tràn – Bể tiêu năng 14 62.5 6728

11 Tuyên Quang Tuyên Quang Dốc nước, mũi phun 15,84 60 12484

TT Tên công

trình Địa điểm Hình thức tiêu năng H tràn

(m)

B tràn (m)

Q xả max (m 3 /s)

15 Sê San 3A Gia Lai, Kon

Tum Đập tràn – Bể tiêu năng 17,76 105 1800

16 Bình Điền T Thiên Huế Đập tràn, mũi phun 12,96 50 4519

19 Sê San 4 Gia Lai, Kon

21 Thác Mơ Bình Phước Đập tràn – Bể tiêu năng 13,8 52 6100

Trên sông: Sê San Năm hoàn thành: 2003 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 17.400m3

/s

Công suất phát điện: 720MW

Hình 1.3 Đập tràn thủy điện Yaly (Gia Lai – Việt Nam)

Trên sông: Đồng Nai Năm hoàn thành: 1989 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 8 cửa van Lưu lượng xả lũ: 18.450m3

/s

Công suất phát điện: 400MW

Hình 1.4 Đập tràn thủy điện Trị An

Trên sông: Đà Năm hoàn thành: 1988 Hình thức tiêu năng: Mũi phun

Công suất phát điện: 97MW

Hình 1.6 Đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt

Trên sông: Nước Trong Năm hoàn thành: 2010 Hình thức tiêu năng: Bể tiêu

Trên sông: Ayun Năm hoàn thành: 2002 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 3 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 1.237m3

/s

Công suất phát điện: 2.700KW

Hình 1.8 Tràn xả lũ hồ chứa nước Ayun Hạ

Trên sông: Đà Năm hoàn thành: 2012 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 6 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 34.780m3

/s

Công suất phát điện: 2.400MW

Hình 1.9 Mô hình tổng công trình thủy điện Sơn La

Trên sông: Hương Năm hoàn thành: 2011 Hình thức tiêu năng: Mũi phun Tràn xả lũ gồm: 5 cửa van cung Lưu lượng xả lũ: 6.147m3

/s

Công suất phát điện: 19,5MW

Hình 1.10 Mô hình tổng thể hồ chứa nước Tả Trạch

1.1.3 Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi ở nước ta

Ở nước ta, nhiều công trình thủy lợi như Hòa Bình ở Hòa Bình, Cửa Đạt ở Thanh Hóa, Tả Trạch ở Thừa Thiên Huế, Sơn La ở Sơn La, Yali ở Gia Lai… Hầu hết đều sử dụng công trình tháo lũ dạng dốc nước với quy mô lớn về kích thước và lưu lượng tháo Như hồ chứa Gò Miếu ở Thái Nguyên: nối tiếp sau ngưỡng là dốc nước dài 125m; độ dốc 10%, mặt cắt ngang dốc hình thang với mái nghiêng m = 0,5; đoạn đầu dốc dài 25m là đoạn thu hẹp, tiếp đến là đoạn dốc nước có bề rộng không đổi b = 15m) Hay công trình hồ Yên Lịch II ở huyện Kim Bôi, Hòa Bình: nối tiếp sau ngưỡng tràn là dốc nước dài 29m, trong đó đoạn thu hẹp dài 6,5m, chiều rộng đoạn thu hẹp thay đổi dần từ 6m đến 4m độ dốc i = 6,5% Sau đoạn thu hẹp là dốc nước có bề rộng không đổi dài 22m, độ dốc i = 7,71% Hồ chứa nước Lộc Đại ở tỉnh Quảng Nam: Tràn xả lũ có hình thức tràn Ôphixêrôp chảy tự do có kết hợp xả sâu, sau tràn là dốc nước và bể tiêu năng đáy cuối dốc nước Đoạn dốc nước sau tràn có độ dốc i = 10% từ cao trình +71,40 xuống cao trình +49,40m, nối tiếp đoạn chân đỉnh tràn đến dốc nước là đoạn thu hẹp dần từ 32m về 20m, độ dốc dọc i = 3% và chiều dài tổng cộng là 30m

Có thể thấy rằng tính đa dạng về hình thức công trình ngày càng nhiều hơn, cũng như quy mô ngày càng lớn hơn rất nhiều Từ những đập chỉ cao vài chục mét thì ngày nay đã có những đập cao đến vài trăm mét, tương ứng với nó thì dung tích

hồ chứa, lưu lượng xả qua các công trình tháo nước cũng tăng lên rất nhiều Với những công trình tháo nước có lưu lượng xả lớn thì việc tính toán khi thiết kế cũng như lựa chọn hình thức công trình phải được xem xét chi tiết, kỹ lưỡng hơn để đảm bảo sự an toàn cho cả hệ thống công trình đầu mối

1.2 VẤN ĐỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY QUA CÔNG CÁC TRÌNH THỦY LỢI

1.2.1 Đánh giá dòng chảy xiết qua dốc nước (tràn xả lũ)

Dòng chảy trong dốc nước có thể ở trạng thái chảy êm hay chảy xiết Trên các đường tràn, dốc nước ở các công trình thủy lợi đầu mối thường là dòng chảy xiết Các dạng công trình này thường có đoạn thu hẹp nhằm chuyển tiếp dòng chảy sau đập tràn đỉnh rộng hoặc mặt cắt thực dụng với đoạn dốc không thu hẹp ở phía sau Không như dòng chảy êm biến đổi dần, trong dòng chảy xiết có thể xuất hiện các hiện tượng như: sóng lăn, trộn khí, hay khí thực Thêm vào đó nếu số Froude của dòng chảy lớn, sự xuất hiện của sóng đứng hay sự dao động của mặt nước trên dốc

là vấn đề cần lưu ý khi tính toán thủy lực hay thiết kế đường tràn

Đối với công trình tháo nước nói chung cũng như đối với đập tràn cao nói riêng thì dòng chảy qua đập có lưu lượng và lưu tốc thường là rất lớn, nó tác động đến quá trình làm việc của công trình tháo nước

+ Các dòng chảy lưu tốc cao có những nét đặc thù là:

Có mức độ xáo trộn mãnh liệt, mạch động áp lực, lưu tốc… có trị số lớn, ảnh hưởng trực tiếp tới ổn định và độ bền của công trình

Quán tính của một đơn vị thể tích nước rất lớn, trong khi trở lực của độ nhớt không thể hiện rõ ràng

Dòng chảy rất nhạy bén với đường biên: các nhiễu động phát sinh tại một điểm bất kỳ trong dòng chảy có thể được truyền đi và gây ảnh hưởng trong một phạm vi rất rộng xuôi theo chiều dòng chảy

+ Khi xem xét xử lý các hiện tượng thủy lực đặc biệt trên các bộ phận của công trình xả nước có cột nước cao (Z ≥10m) cần phải xét tới tác dụng của dòng cao tốc lên các bộ phận này:

Đặc trưng mạch động của tải trọng thủy động gây nên ứng suất mỏi trong các kết cấu

Khí thực và xâm thực khí thực

Hàm khí và thoát khí làm thay đổi chiều sâu dòng chảy gây chấn động hoặc nước va trong đường xả kín

Sự hình thành và truyền sóng nhiễu trong lòng dẫn không áp

Khả năng mài mòn thành lòng dẫn khi dòng chảy mang theo nhiều bùn cát thô

1.2.2 Nghiên cứu chế độ nối tiếp dòng chảy từ thượng lưu với hạ lưu qua tràn xả lũ

Những vấn đề cơ bản trong tính toán thiết kế các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện hiện nay việc giải quyết tiêu năng ở hạ lưu để tìm được biện pháp tiêu hao năng lượng, điều chỉnh lại sự phân bố vận tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về gần với trạng thái tự nhiên nhất, giảm chiều dài gia cố hạ lưu, đảm bảo kinh tế kỹ thuật

a Đặc điểm chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu công trình tháo

Đặc điểm nổi bật của công trình tháo nước là khi dòng chảy từ thượng lưu qua công trình về hạ lưu, nguồn năng lượng dư của dòng chảy khá lớn sẽ tạo ra chế độ thủy lực nối tiếp phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định của công trình

Đặc tính thủy lực cơ bản của dòng chảy qua công trình tháo là êm ở thượng lưu (Fr<1); chảy xiết trên đoạn chuyển tiếp (Fr>1) và dần trở lại trạng thái tự nhiên sau khi chảy vào sông thiên nhiên là dòng chảy êm (Fr<1)

Động năng thừa của dòng chảy đổ từ thượng lưu qua công trình xuống hạ lưu

là rất lớn, nên cần thiết phải giải quyết tiêu năng trước khi dòng chảy nối tiếp với hạ lưu Nguyên tắc của các giải pháp nối tiếp tiêu năng là phải tìm được giải pháp tiêu hao được năng lượng thừa của dòng chảy tới mức tối đa, điều chỉnh lại sự phân bố vận tốc, làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên của nó

trên một đoạn ngắn nhất nhằm giảm khối lượng gia cố nhưng vẫn bảo vệ được cho công trình đầu mối, cho hai bờ, lòng dẫn hạ lưu và phải đảm bảo sự ổn định trong những điều kiện thủy lực tương ứng với các cấp lưu lượng xả qua công trình

Một trong những nhiệm vụ chính của thiết kế nối tiếp thượng hạ lưu là chọn hình thức kết cấu và xác định các thông số của giải pháp tiêu năng trên cơ sở tính toán và nghiên cứu mô hình thủy lực của công trình nối tiếp tiêu năng Giải quyết đúng đắn nhiệm vụ này là vấn đề rất phức tạp vì nó liên quan đến ảnh hưởng của chế độ dòng chảy từ thượng lưu lan truyền xuống và ảnh hưởng đến hạ lưu bao gồm các vấn đề: dòng xiết, hàm khí, mạch động áp suất, lưu tốc và mạch động lưu tốc lớn Đặc điểm của những chế độ nối tiếp và điều kiện phát sinh, tương tác giữa dòng chảy với công trình lại phụ thuộc rất nhiều đến các yếu tố như: Điều kiện địa hình, địa chất tuyến công trình; độ chênh mực nước thượng hạ lưu; đặc điểm kết cấu công trình; trị số và sự phân bố lưu lượng đơn vị qua công trình v.v

b Những kết quả đã nghiên cứu về dòng chảy sau đập tràn xả lũ

Ở Việt Nam, trong mấy thập kỉ gần đây, vấn đề nghiên cứu nối tiếp và giải quyết vấn đề tiêu năng chống xói ở hạ lưu các công trình thủy lợi nói chung đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, thiết kế và quản lý công trình thủy lợi Đã có nhiều công trình nghiên cứu tại Viện khoa học Thủy lợi như của tác giả: Trương Đình Dụ, Lưu Như Phú, Hàn Quốc Trinh, Nguyễn Ân Niên, Trần Như Hối, Tăng Đức Thắng, Trần Quốc Thưởng, Lê Văn Nghị…; Trường Đại học Thủy lợi có các tác giả: Hoàng Tư An, Nguyễn Văn Mạo, Phạm Ngọc Quý Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng có tác giả: Nguyễn Thế Hùng và nhiều nhà chuyên môn khác

Một số tác giả Việt Nam đã có cùng hướng nghiên cứu với các tác giả trên thế giới để có những kết luận riêng của mình nhưng cũng có các tác giả đi theo những hướng nghiên cứu riêng phù hợp với tình hình thực tiễn ở Việt Nam Có thể tóm lược một số kết quả nghiên cứu sau:

Các nghiên cứu của Giáo sư Hoàng Tư An, Nguyễn Thế Hùng xác định các đặc trưng động học ở hạ lưu công trình [3], [4], [5];

Hoàng Tư An, Phạm Ngọc Quý, Vũ Quốc Công mở rộng lý thuyết nước nhảy không ổn định và bể tiêu năng [6];

Nghiên cứu của Phạm Ngọc Quý, Lưu Như Phú, Hàn Quốc Trinh về tiêu năng, phòng xói cống vùng triều [7], [8], [9];

Nghiên cứu của Võ Xuân Minh, Phạm Ngọc Quý về ảnh hưởng liên quan của mực nước hạ lưu, ngưỡng, bể tiêu năng đầu hố xói [10];

Nghiên cứu của Phạm Văn Song, Vũ Hoàng Thái Dương về sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý xác định hình thức và quy mô hợp lý cho giải pháp tiêu năng phòng xói hạ lưu cho công trình [11];

Nghiên cứu của Hoàng Tư An, Lê Thị Thu Hiền về đặc trưng nối tiếp bằng nước nhảy ở chân dốc [12]

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Với những nội dung nghiên cứu ở trong chương 1, chúng ta thấy được rằng: vấn đề xác định các thông số thủy lực là một vấn đề quan trọng trong các công trình thủy lợi nói chung và công trình tháo nước nói riêng Nó có tác động rất lớn vào quá trình làm việc cũng như tuổi thọ của các công trình tháo nước; trong khi đó đối với

hệ thống đầu mối của các công trình thủy lợi, thủy điện thì công trình tháo nước đóng một vai trò hết sức quan trọng Vì vậy, những thông số thủy lực không những chỉ ảnh hưởng đến các bộ phận của công trình tháo nước mà nó còn tác động, ảnh hưởng đến cả hệ thống đầu mối, nó có thể phá hoại hoặc ảnh hưởng đến quá trình làm việc của cả hệ thống Nhận thấy vai trò và tầm quan trọng này, các nước trên thế giới có nền thủy lợi phát triển đã dần dần chú trọng và xem xét những vấn đề thiết kế xây dựng các công trình tháo nước

Trong nội dung của các chương sau chúng ta sẽ đi nghiên cứu Lý thuyết tính toán dòng chảy qua tràn xả lũ của mô hình Telemac-3D

Chương 2 – LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DÕNG CHẢY QUA TRÀN XẢ LŨ

CỦA MÔ HÌNH TELEMAC-3D 2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU MÔ PHỎNG MÔ HÌNH

Thực tế xây dựng các hồ chứa nước thủy lợi cho thấy kinh phí cho xây dựng công trình tháo lũ chiếm một tỷ trọng đáng kể trong tổng vốn đầu tư xây dựng công trình Vì vậy trong thiết kế luôn phải giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật để đảm bảo lựa chọn được phương án công trình làm việc an toàn, hợp lý và kinh phí xây dựng

là nhỏ nhất Ứng dụng mô hình Telemac-3D để mô phỏng dòng chảy qua công

trình tràn xả lũ, tiêu năng đáy, nhằm xác định:

Tính hợp lý của hình dạng, kích thước các bộ phận công trình tràn xả lũ; xem xét đánh giá các tồn tại, bất lợi về mặt thủy lực của việc bố trí các hạng mục và công trình tràn xả lũ

Kiểm nghiệm; chính xác hoá các thông số thuỷ lực, nối tiếp cửa vào, cửa

ra, thượng lưu; đánh giá chế độ dòng chảy, chế độ thủy lực nối tiếp thượng hạ lưu, tiêu năng dòng chảy hạ lưu công trình

Qua mô hình mô phỏng đánh giá, tồn tại, từ đó đề xuất kiến nghị sửa đổi lựa chọn phương án tối ưu đảm bảo công trình xả lũ vận hành an toàn và hiệu quả

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

Công trình tràn xả lũ hồ chứa nước Nặm Cắt: xác định khả năng xả lũ của

tràn, đường mực nước dọc tuyến công trình tràn xả lũ và bình đồ dòng chảy, chế độ thuỷ lực Xác định lưu tốc trung bình, xác định mạch động lưu tốc, áp suất trung bình và áp suất mạch động của dòng chảy tại một số vị trí xung yếu Tiêu năng hạ lưu công trình, chế độ nối tiếp dòng chảy, đánh giá xói lở, bồi lắng thượng, hạ lưu

công trình trên mô hình lòng cứng, đặc điểm dòng chảy trên dốc nước

Luận văn ứng dụng mô hình Telemac-3D để tính toán các thông số thủy lực, dựa vào mô hình vật lý để hiệu chỉnh các tham số mô hình, xây dựng các phương án xây dựng tràn xả lũ sao cho hợp hợp lý về thủy lực

Nội dung nghiên cứu được thể hiện theo bảng dưới đây:

Bảng 2 – 1: Nội dung nghiên cứu mô phỏng mô hình thực tế

2.2 TÀI LIỆU ĐƯỢC CUNG CẤP PHỤC VỤ MÔ HÌNH

2.2.1 Giới thiệu chung

c Tóm tắt quy mô dự án

Cấp công trình: Theo QCVN05÷05:2012/BNNPTNT Công trình đầu mối: Cấp II, hệ thống cấp nước: Cấp III

Các thông số chính của dự án (Xem Hình 2.2 và Bảng 2-2) [18]

Bảng 2 – 2: Các thông số kỹ thuật chính của tràn xả lũ

I Các thông số thủy văn

4 Lưu lượng lũ:

V Dốc nước nối tiếp sau tràn

d Tính cần thiết của việc nghiên cứu mô phỏng mô hình thực tế

Công trình tháo nước là một trong những công trình quan trọng trong các công trình thủy lợi, nó thường được dùng để tháo lưu lượng lũ đến Bài toán đặt ra

là để xây dựng nên một công trình người ta cần tiến hành thiết kế, kiểm tra, thí nghiệm Để làm được điều đó người ta thường xây dựng các mô hình thí nghiệm vật

lý để kiểm tra chế độ dòng chảy, xác định các thông số thủy lực cần thiết, kiểm tra

sự ổn định của công trình Nhưng việc xây dựng các phương án mô hình vật lý khác nhau là khó khăn và rất tốn kém mất nhiều thời gian, chi phí Do đó, trong nghiên cứu này việc sử dụng mô hình tính toán để mô phỏng dòng chảy qua tràn xả lũ theo kích thước công trình thực tế là rất cần thiết khi mô phỏng theo kích thước công trình thí nghiệm Từ đó tìm ra các thông số thủy lực cơ bản là hết sức hợp lý, nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng mô hình, tiết kiệm thời gian Với tính linh hoạt, mềm dẻo, tính toán nhanh chóng, chính xác, có thể giải quyết được nhiều bài toán với các

thông số khác nhau và với độ phức tạp khác nhau

2.2.2 Tài liệu thủy văn

Căn cứ vào tài liệu đo đạc các trận lũ hàng năm trạm Thác Riềng, chọn trận lũ năm 1971 làm trận lũ điển hình để thu phóng quá trình lũ thiết kế cho hồ Nặm Cắt

Hình 2.2 Kích thước thực tế tràn xả lũ Hồ chứa nước Nặm Cắt – Tỉnh Bắc Kạn

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

Hệ thống mô hình Telemac là một công cụ tổng hợp, mạnh dùng để mô hình hóa dòng chảy có mặt thoáng Ở Châu Âu, 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 mô-đun được xây dựng dựa trên các thuật toán mạnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác không có cấu trúc Nhờ vậy, phần mềm này có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại vị trí có địa hình hay địa mạo phức tạp

Telemac có công cụ chuẩn bị và xử lý số liệu trước và sau khi tính toán đặc biệt hiệu quả, tạo giao diện thuận tiện và dễ dàng cho người dùng Hầu hết các chương trình xử lý số liệu đều được xây dựng nên từ các thư viện ilog/Views vì thế có thể cung cấp cho người sử dụng một số lượng rất lớn các thông tin cần thiết Lưới tính toán có thể đễ dàng được tạo nên khi dùng một bộ chương trình tạo lưới được gắn sẵn trong hệ thống Telemac Ưu điểm vượt trội là tất cả các mô hình thành phần đều được song hành hóa việc tính toán Khi chạy Telemac trên các hệ thông máy có nhiều vi xử

lý và cho thời gian tính nhanh

Hệ thống Telemac được phát triển bởi LNHE (Trung tâm quốc gia nghiên cứu Thủy lực của Điện Lực Pháp) Hệ thống này trước đây khi sử dụng phải trả tiền như các mô hình thương mại khác nhưng gần đây có thể lấy miễn phí và tất cả các mô-đun

mô phỏng được viết bằng Fortran 90, không sử dụng các phần mở rộng ngôn ngữ cụ thể trong một máy tính nhất định Chúng có thể chạy trên tất cả các hệ thống sau: Windows (NT, XP, Vista); Linux (Debian); UNIX; Siêu máy tính (Cray, Fujitsu, IBM, )

Telemac-3D là mô hình tính dòng chảy 3 chiều thủy động lực học của bề mặt tự

do mô phỏng với phương pháp Phần tử hữu hạn (có hoặc không có các giả định về áp suất thủy tĩnh) và giải hệ phương trình Navier-Stokes bao gồm mô phỏng hiện tượng truyền các chất hòa tan có hoặc không tham gia phản ứng hóa học, vận chuyển, khuếch tán của các biến nội tại (nhiệt độ, độ mặn, nồng độ) Kết quả chính là, trong tất cả các điểm của độ phân giải ba chiều lưới, tốc độ trong ba hướng và nồng độ khối lượng vận chuyển Trên lưới hai chiều ngang, kết quả chính là độ sâu của nước Telemac-3D tìm thấy các ứng dụng chính của nó trong thủy lực bề mặt tự do, biển hoặc sông và có thể xem xét các hiện tượng sau đây:

Ảnh hưởng của nhiệt độ và/hoặc độ mặn trên mật độ;

Ma sát đáy;

Ảnh hưởng của lực Coriolis;

Ảnh hưởng của thời tiết: áp suất khí quyển, gió và mưa hoặc bốc hơi;

Xem xét việc trạo đổi nhiệt với không khí;

Các nguồn tài liệu và báo cáo tài chính các quốc gia;

Các mô hình hỗn tạp đơn giản hoặc phức tạp (k-ε) tính đến lực của lực đẩy

Archimedean;

Các vùng khô hạn trong lĩnh vực tính toán: các bãi triều;

Sự trôi dạt và sự khuếch tán của một vật thể;

Mô hình hóa tràn dầu;

Phần mềm được áp dụng cho nhiều lĩnh vực Những yếu tố chính liên quan đến môi trường biển thông qua các nghiên cứu dòng chảy được gây ra bởi thủy triều hoặc gradient mật độ, có hoặc không có ảnh hưởng của lực bên ngoài như gió hoặc áp suất khí quyển Nó có thể được áp dụng ở các khu vực rộng lớn (trên quy mô biển) hoặc đến các lĩnh vực nhỏ hơn (bờ biển và cửa sông) đối với ảnh hưởng của nước thải, nghiên cứu cát nhiệt hoặc thậm chí vận chuyển trầm tích Liên quan đến vùng nước lục địa, người ta cũng có thể đề cập đến việc nghiên cứu các luồng nhiệt đới ở các sông, trạng thái thủy động lực học của các hồ tự nhiên hoặc nhân tạo

Telemac-3D là một phần của hệ thống mô hình Telemac được phát triển bởi

Phòng thí nghiệm Quốc gia về Thủy văn và Môi trường (LNHE) của Phòng Nghiên cứu và Phát triển của EDF (EDF-R & D) Telemac là một bộ công cụ xây dựng mô hình để giải quyết tất cả các khía cạnh của bề mặt thoáng thủy lực trong một môi trường tự nhiên: dòng chảy, sóng, vận chuyển chất phóng xạ và trầm tích Việc xử lý trước và sau khi mô phỏng có thể được thực hiện trực tiếp trong hệ thống Telemac hoặc với phần mềm khác có giao diện giao tiếp với hệ thống Chúng ta có thể đề cập đến các công cụ sau:

Phần mềm FUDAA-PREPRO được phát triển từ nền tảng FUDAA bởi các nghiên cứu, thông tin và mô hình hóa CEREMA bao gồm tất cả các công việc tiền xử

lý liên quan đến việc thực hiện một nghiên cứu thủy lực kỹ thuật số và một công cụ điều hành đồ họa

Phần mềm BLUE KENUE được phát triển bởi Trung tâm Thủy lợi Canada trong đó cung cấp một công cụ mạnh mẽ để tạo lưới và một công cụ xử lý sau khi tính toán hiệu quả cho người sử dụng

Phần mềm JANET được phát triển bởi Smile Consulting GmbH cung cấp một số công cụ tạo lưới

Phần mềm PARAVIEW được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Kitware cho phép hình dung các kết quả 3D, dữ liệu lớn và đặc biệt là mã nguồn mở

Phần mềm QGIS là một hệ thống mã nguồn mở thông tin địa lý

Hệ thống này cung cấp mô phỏng chính xác một loạt các vấn đề mà ngành công nghiệp nước và môi trường phải đối mặt, từ các dự án thủy điện lớn đến các hệ thống

xử lý nước thải đô thị nhỏ Mô phỏng có thể đóng một vai trò quan trọng để thử nghiệm các giải pháp thiết kế như: nắm được quỹ đạo của dòng chảy từ tràn, nước

nhảy và các biến dạng bề mặt được hình thành bởi dòng chảy về cấu trúc nước ngập; giúp giảm sự phức tạp và tập trung nỗ lực vào các giải pháp tối ưu hóa Những hiểu biết có giá trị bắt nguồn từ việc thử nghiệm số các phương án thiết kế khác nhau có thể tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí

Thông thường, một mô hình số bắt đầu bằng lưới tính toán hoặc lưới Nó bao

gồm một số yếu tố kết nối với nhau hoặc các phần tử Các phần tử này chia nhỏ không gian vật lý thành các khối nhỏ với nhiều nút gắn với mỗi khối lượng đó Các nút được

sử dụng để lưu trữ giá trị của những điều chưa biết, chẳng hạn như áp suất, nhiệt độ và vận tốc Lưới có hiệu quả không gian số mà thay thế một trong những vật lý ban đầu

Nó cung cấp phương tiện để xác định các thông số dòng chảy tại các vị trí rời rạc, thiết lập các điều kiện biên và dĩ nhiên để phát triển xấp xỉ số của phương trình chuyển động chất lỏng

Hình 2.3 Giao diện hệ thống phần mềm Telemac-Mascaret

* Một số Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm Telemac-3D:

+ Ưu điểm:

Phương pháp tính toán: phần tử hữu hạn và thể tích hữu hạn

Lưới phần tử tam giác phi cấu trúc

Có mã mở nguồn

Dùng chung thư viện mã mở nguồn, bộ tiền và hậu xử lý

Lập trình trên ngôn ngữ Fortran

Chạy trên máy tính cá nhân, siêu máy tính, hầu hết các hệ điều hành

cứu có thể giả định độ tin cậy theo phần trăm rồi tính chuyển vào trong miền tính toán

Ví dụ như giả định độ tin cậy 50% ở Vũng Tàu, ta tính được độ tin cậy ở Phú An là bao nhiêu

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM TELEMAC-3D

Từ những năm nửa cuối của thế kỷ trước, nhiều nhà khoa học đã cố gắng để mô phỏng giải các bài toán cơ học chất lỏng ở đập tràn Cassindy (1965) đã tính hệ số lưu lượng, đường mặt nước cho đập tràn chuẩn dùng mô hình dòng chảy thế Ikegawa

&Washizu (1973) đã nghiên cứu đập tràn dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phần lớn các tác giả dùng lí thuyết dòng chảy thế (Li et al 1989) hoặc phương trình (RANS) Raynols -averaged Navier- Stokes (Olsen & Kjellevig 1998; Burgisser & Rautschmann 1999; Qun Chen at al 2002; Wei Wenli 7 Dai Huichao 2005)… Unami

et al (1999) phát triển bài toán 2 chiều dùng FEM Zhou & Bhajantri (1998) và Song & Zhou (1999) phát triển bài toán 2 chiều và 3 chiều

Trong 30 năm gần đây, kỹ thuật mô hình số đã được phát triển nhanh chóng và khẳng định khả năng mô phỏng số cho nhiều ứng dụng Sự phát triển này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi mô hình số như một công cụ thiết kế trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật

2.4.1 Mô hình động lực học

a) Phương trình với giả thuyết áp lực thủy tĩnh

Trong phiên bản cơ bản của nó, phần mềm giải quyết các phương trình thủy động lực học ba chiều định với các giả định sau:

Phương trình Navier-Stokes ba chiều với bề mặt tự do thay đổi trong thời gian

Sự dao động không đáng kể mật độ trong phương trình bảo toàn khối lượng (chất lỏng không nén)

Giả thiết áp suất thủy tĩnh (giả thuyết đó dẫn đến áp lực ở một chiều sâu nhất định là tổng của áp suất không khí tại bề mặt chất lỏng cộng với trọng lượng của phần nước trên)

Boussinesq xấp xỉ (các biến mật độ được đưa vào tính toán chỉ được coi là lực nổi)

Với những giả định, các phương trình được giải quyết ba chiều:

0

z

W y

V x U

x

x

Z g z

U W y

U V x

U U t U

y s

F V y

Z g z

V W y

V V x

V U t V

dz g

z Z g p

Q T z

T W y

T V x

T U t T

x, y (m) : Các thành phần không gian theo chiều ngang;

z (m) : Thành phần không gian theo chiều dọc;

Fx, Fy (m/s2) : Số hạng nguồn;

Q (Đơn vị chất đánh dấu) : Nguồn chất đánh dấu thêm vào hoặc mất đi;

H, U, V, W và T là những đại lượng chưa biết

Fx và Fy là các thuật ngữ mã nguồn biểu thị gió, lực Coriolis và ma sát đáy (hoặc bất kỳ quá trình nào khác được mô phỏng theo các công thức tương tự) Một số chất đánh dấu có thể được giải quyết cùng một lúc Chúng có thể có hai loại khác nhau hoặc hoạt động, tức là ảnh hưởng đến dòng chảy bằng cách thay đổi mật độ hoặc thêm vào mà không ảnh hưởng đến mật độ và sau đó là dòng chảy

Thuật toán cơ bản Telemac-3D có thể được chia thành ba bước tính toán (ba bước phân đoạn) Bước đầu tiên là tìm ra các thành phần vận tốc qui ước bởi độ phân giải của các điều khoản đối lưu phương trình động lượng Bước thứ hai tính toán, từ vận tốc qui ước các thành phần mới của vận tốc có tính đến các điều khoản của sự khuếch tán và nguồn về phương trình động lượng Cả hai giải pháp được sử dụng để

có được một môi trường vận tốc trung bình Bước thứ ba được sử dụng để tính toán độ sâu của nước từ sự liên kết theo chiều dọc của phương trình liên tục và phương trình động lượng chỉ bao gồm các thuật ngữ liên tục áp suất (tất cả các thuật ngữ khác đã được tính đến trong hai bước trước đó) Các kết quả phương trình thời gian (tương tự như phương trình Saint-Venant mà không có sự khuếch tán, đối lưu được viết:

y

vh x

uh t

h

x

Z g t

y

Z g t

b) Phi thủy tỉnh của phương trình Navier – Stokes:

Hệ thống sau (với phương trình của W tương tự với phương trình của U và V) sau đó sẽ được giải quyết:

0

z

W y

V x U

x s

F U x

Z g z

U W y

U V x

U U t

U

)(

y s

F V y

Z g z

V W y

V V x

V U t

U

)(

z s

F W z

Z g z

W W y

W V x

W U t

U

)(

Để sử dụng càng nhiều càng tốt một cốt lõi chung của các phương trình Stokes với giả thuyết áp lực thủy tĩnh, áp lực được chia thành áp lực thủy tĩnh và một thuật ngữ áp lực "động năng"

Navier-d Z

z s

p p

s

0 0

hai tham số này Định luật thứ hai là tổng quát hơn và cho phép xây dựng tất cả những thay đổi của mật độ với các dấu hiệu hoạt động được kể đến trong tính toán

Định luật đầu tiên được viết là:

ρ=ρref.[1- (T.(T - Tref)2 – 750S).10-6Với Tref như là nhiệt độ tham chiếu là 4°C và ρref là một mật độ tham chiếu ở nhiệt độ đó Khi độ mặn S bằng không, thì ρref = 999,972 kg/m3 Định luật này vẫn có giá trị đối với 0°C< T <40°C Và 0g/L <S<42g/L

Định luật thứ hai được viết:

i

i i i i

ρref, mật độ tham chiếu có thể được thay đổi bởi người sử dụng cùng với các hệ

số giãn nở βi liên quan đến các chất Ti

d) Mô hình k - ε

Độ nhớt rối có thể được đưa ra bởi người sử dụng, xác định từ một mô hình

chiều dài xáo trộn hoặc từ một mô hình k - ε, trong đó các phương trình là:

G P z

k z

y

k y

x

k x

z

k W y

k V x

k U

t

k

k t k

t k

t

z z

y y

x x

z

W y

V x

U t

t t

t

k C G C P

k

C l

2 2 3

1

Trong đó:

' '

2

1

i

i u u

k Biểu thị động năng hỗn loạn của chất lỏng

i i

u' Biểu thị thành phần thứ i của mạch động rối của vận tốc U (U,

V, W)

j i j

i

x

u x

u' '

là sự tiêu hao năng lượng động học hỗn loạn

P là một thuật ngữ chỉ sự sản xuất năng lượng hỗn loạn

G là một thuật ngữ chỉ nguồn do lực hấp dẫn

j i i j j

i t

x

U x

U x

U P

z

g

G t

Pr

Và υt đáp ứng sự bình đẳng:

2

k C

Trong Telemac-3D, hàm số tracer có thể thêm vào (nó ảnh hưởng đến thủy động lực học) hoặc mất đi Nhiệt độ, độ mặn và trầm tích trong một số trường hợp là chất đánh dấu được thêm vào Phương trình phát triển hàm số tracers được xây dựng như sau:

Q z

T z

y

T y

x

T x

z

T W y

T V x

T U

t

T

T T

Công thức giải tích để xác định dòng chảy qua tràn:

Độ sâu đường mặt nước và lưu tốc trên mặt tràn được tính theo các công thức

g h

Y

Hệ số lưu tốc i tại mặt cắt bất kỳ trên mặt đập được xác định theo biểu đồ như

Hình 2.5 và Hình 2.6