bao cao TTTN thực tập ở phòng thí nghiệm LCIS

Các hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS Các hoạt động nghiên cứu tại LCIS chủ yếu hướng tới các hệ thống nhúng Embedded system và giao tiếp mạng Communication network.. Hướng phá

SVTH: Trương Quang Lộc 1

Lời cảm ơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Laurent LÈFEVRE – Giáo sư của phòng thí nghiệm LCIS, cùng các anh chị đồng nghiệp trong LCIS đã tạo điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành kì thực tập của mình Trải qua khoảng thời gian thực tập tại LCIS em đã học được rất nhiều điều từ mọi người từ kiến thức chuyên ngành tới cách giao tiếp và tác phong trong môi trường công nghiệp Em đã có cơ hội mang những kiến thức được học trong trường ứng dụng trong thực tế, điều đó giúp em thấy được cần phải thay đổi một số yếu tố trong lý thuyết như thế nào trước khi đưa chúng ra thực tế Bên cạnh kiến thức, em còn được chia sẻ những kinh nghiệm sống, cách làm việc với mọi người ở nhiều độ tuổi khác nhau và định hướng công việc tương lai của mình Ngoài ra việc tuân thủ các quy tắc của phòng thí nghiệm LCIS đã giúp em trở nên nhanh nhẹn và làm việc nguyên tắc hơn Thực sự việc thực tập ở phòng thí nghiệm LCIS là một bước đệm, nền tảng rất tốt

để em có thể thực hiện tốt công việc tiếp theo của mình đó là làm luận văn tốt nghiệp, đồng thời em cũng có sự tự tin nhất định khi gửi hồ sơ xin việc tại các công ty thuộc chuyên ngành của mình

Valence, ngày 09 tháng 03 năm 2017

SVTH: Trương Quang Lộc 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: Giới thiệu phòng thí nghiệm LCIS - ESISAR 4

1 Tổng quan 4

2 Các hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS 4

CHƯƠNG 2: Báo cáo quá trình thực tập : Hệ thống kênh thủy lợi 6

1 Yêu cầu, nhiệm vụ thực tập tốt nghiệp 6

2 Tổng quan về hệ thống kênh thủy lợi 6

2.1 Định nghĩa 6

2.2 Vai trò của hệ thống thủy lợi 7

2.3 Tình hình thủy lợi ở Việt Nam 7

3 Giới thiệu hệ thống kênh của LCIS 10

3.1 Giới thiệu 10

3.2 Thiết lập phương trình toán cho hệ thống kênh LCIS 11

4 Phương pháp Lattice Boltzman 12

4.1 Giới thiệu phương pháp Lattice Boltzman 12

5 Mô phỏng kênh LCIS bằng phương pháp Lattice Boltzman 15

5.1 Mô phỏng một đoạn sông giới hạn bởi 2 van (Reach) 15

5.2 Mô phỏng các thành phần kết nối của hệ thống kênh 17

a Đập nước (gate, vanne) 17

b Đập tràn (spillway) 18

c Bơm thủy lực: 18

d Cấu trúc kết hợp giữa đập nước và đập tràn (Mixed) 19

6 Mô phỏng bằng matlab áp dụng phương pháp Lattice Boltzman 19

6.1 Thiết kế các thành phần trên matlab 19

6.2 Xây dựng mô hình kênh LCIS trên matlab 21

6.3 Kết quả mô phỏng thu được: 23

7 Hướng phát triển 26

Tài Liệu Tham Khảo 27

SVTH: Trương Quang Lộc 3

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Phòng thí nghiêm LCIS trong trường ESISAR 4

Hình 1-2 Sinh viên LCIS 5

Hình 2-1 Hệ thống tưới cây trồng 6

Hình 2-2 Nhà máy thủy điện Sơn La 8

Hình 2-3 Hạn hán do thiếu nước 9

Hình 2-4 Hệ thống kênh của phòng thí nghiệm LCIS 10

Hình 2-5 Sơ đồ kênh của LCIS 10

Hình 2-6 Một đoạn sông 11

Hình 2-7 Một điểm trên lưới Boltzman 15

Hình 2-8 Đập nước (Gate) 17

Hình 2-9 Mô hình đập nước 19

Hình 2-10 Mô hình bơm 20

Hình 2-11 Mô hình kết hợp 20

Hình 2-12 Mô hình 1 đoạn sông 21

Hình 2-13 Mô hình kênh LCIS 22

Hình 2-14 Giai đoạn đầu 1 23

Hình 2-15 Kết thúc mô phỏng 1 24

Hình 2-16 Giai đoạn đầu 2 25

Hình 2-17 Kết thúc mô phỏng 2 25

DANH SÁCH BẢNG Bảng 2-1 Các thông số của hệ thống kênh LCIS 11

Phòng thí nghiệm bao gồm hơn sáu mươi người, gần một nửa trong số họ là giảng viên

Hình 1-1 Phòng thí nghiêm LCIS trong trường ESISAR

2 Các hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS

Các hoạt động nghiên cứu tại LCIS chủ yếu hướng tới các hệ thống nhúng (Embedded system) và giao tiếp mạng (Communication network) Các chủ đề nghiên cứu liên quan đến các đặc điểm kỹ thuật, mô hình, thiết kế, truyền thông, xác nhận và chẩn đoán của các hệ thống này Các hoạt động này đồng bộ với các chuyên gia đào tạo của ESISAR với các chuyên ngành khác nhau được đại diện bởi giảng viên từ ESISAR và IUT of Valence Hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS là đề xuất các phương pháp và mô hình mới, phát triển các công cụ, thường được áp dụng cho môi trường công nghiệp

SVTH: Trương Quang Lộc 5

Hằng năm phòng thí nghiệm LCIS được các tổ chức lớn công nhận các nghiên cứu của sinh viên và giảng viên của LCIS như IFAC, MED,… và cũng nhận được nhiều thành tích trong các cuộc thi về kỹ thuật của Pháp

Hình 1-2 Sinh viên LCIS

SVTH: Trương Quang Lộc 6

CHƯƠNG 2: Báo cáo quá trình thực tập : Hệ thống kênh thủy lợi

1 Yêu cầu, nhiệm vụ thực tập tốt nghiệp

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống kênh thủy lợi và mô hình kênh của LCIS

- Tìm hiểu phương pháp Lattice Boltzman

- Mô phỏng mô hình kênh bằng phương pháp Lattice Boltzman

- Đặt cơ sở cho đề tài Luận văn tốt nghiệp

2 Tổng quan về hệ thống kênh thủy lợi

2.1 Định nghĩa

Hệ thống thủy lợi là hệ thống vận chuyển và kiểm soát lượng nước cung cấp cho cây trồng trong thời gian đều đặn để tăng sản lượng và tạo điều kiện thích hợp để phát triển khi hệ thống trồng trọt bị thiếu nước gây ra bởi sự thiếu hụt lượng mưa, thoát nước quá mức hoặc giảm nước, đặc biệt là ở các khu vực khô cằn Khi xây dựng các công trình thuỷ lợi để tưới, tiêu cho cây trồng hay cấp nước cho các nhu cầu dùng nước, thì hệ thống kênh mương đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thực hiện nhiệm vụ dẫn nước, phát huy tổng hợp hiệu quả đầu tư của công trình (Hình 2-1)

Hệ thống thủy lợi là yếu tố quan trọng trong việc sử dụng nước sinh hoạt hằng ngày, các sản phẩm công nghiệp, và đặc biệt trong nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi) hằng năm cung cấp cho 40% các sản phẩm nông nghiệp [1]

Hình 2-1 Hệ thống tưới cây trồng

SVTH: Trương Quang Lộc 7

2.2 Vai trò của hệ thống thủy lợi

Hệ thống thủy lợi được sử dụng để hỗ trợ trồng trọt nông nghiệp, duy trì cảnh quan, và tái phủ xanh các mảnh đất bị xáo trộn ở những vùng khô hạn và trong những thời điểm mưa không đủ Ngoài ra, việc tưới tiêu cũng có một số ứng dụng khác trong sản xuất cây trồng, bao gồm việc bảo vệ cây trồng chống lại sương giá, ngăn chặn sự phát triển của cỏ dại trong các cánh đồng và ngăn ngừa sự củng cố đất Ngược lại, nông nghiệp chỉ dựa vào lượng mưa trực tiếp được gọi là đất canh tác mưa hoặc đất khô [2]

Hệ thống thủy lợi cũng được sử dụng để ngăn chặn bụi, xử lý nước thải, và trong khai thác mỏ Thủy lợi thường được nghiên cứu cùng với hệ thống thoát nước, đó là việc loại bỏ tự nhiên hoặc nhân tạo nước mặt và nước mặt dưới mặt đất từ một khu vực nhất định

2.3 Tình hình thủy lợi ở Việt Nam

Theo số liệu mới nhất, năm 2017, đến nay cả nước ta có 75 hệ thống thủy lợi lớn,

800 hồ đập loại lớn và vừa, hơn 3.500 hố có dung tích trên 1 triệu m3 nước và đập cao trên 10 m, hơn 5.000 cống tưới- tiêu lớn, trên 10.000 trạm bơm lớn và vừa với tổng công suất bơm 24,8 triệu m3/h, rất nhiều công trình thủy lợi vừa và nhỏ Các hệ thống

có tổng năng lực tưới trực tiếp cho 3,45 triệu ha, tạo nguồn cấp nước cho 1,13 triệu ha, tiêu cho 1,4 triệu ha, ngăn mặn cho 0,87 triệu ha và cải tạo chua phèn cho 1,6 triệu

ha đất canh tác nông nghiệp [2] Diện tích lúa, rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày được tưới không ngừng tăng lên qua từng thời kì Chính nhờ thủy lợi phát triển góp phần giúp kinh tế phát triển, đặc biệt là lĩnh vực nông nghiệp phát triển, đưa Việt Nam thành một trong những quốc gia xuất khẩu lúa gạo hàng đầu thế giới và một số loại nông sản khác

Hệ thống thủy lợi còn kéo theo việc phát triển của các nhà máy thủy điện ở Việt Nam Tổng công suất thủy điện của Việt Nam trên lý thuyết vào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại miền Bắc, 27% phân bố ở miền Trung và 13% thuộc khu vực miền Nam.[3] Đến năm 2013, tổng số dự án thủy điện đã đưa vào vận hành là 268, với tổng công suất 14.240,5 MW Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong tổng

SVTH: Trương Quang Lộc 8

sản xuất điện Cho đến nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100MW hầu như

đã được khai thác hết.[3]

Một số nhà máy thủy điện lớn ở Việt Nam có công suất lớn (> 1000MW) như Sơn

La (Hình 2-2), Hòa Bình, Lai Châu…

Hình 2-2 Nhà máy thủy điện Sơn La Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề mà hệ thống thủy lợi ở Việt Nam:

+ Các công trình phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, mặc dù cũng đã đầu tư xây dựng nhiều hồ chứa thượng nguồn kết hợp hệ thống đê dưới hạ du nhưng hiện nay hệ thống đê biển, đê sông và các cống dưới đê vẫn còn nhiều bất cập, phần lớn đê chưa đủ mặt cắt thiết kế, chỉ chống lũ đầu vụ và cuối vụ, chính vụ (miền Trung), các cống dưới

đê hư hỏng và hoành triệt nhiều

+ Việc kiểm soát và quản lý thủy lợi theo cách truyền thống còn nhiều hạn chế như hiệu suất vận chuyện nước đến người sử dụng thấp, cung cấp nước còn mất nhiều thời gian, dẫn đến khi thời tiết thay đổi gây ra tình trạng mất nước hay hạn hán

(Hình 2-3)

SVTH: Trương Quang Lộc 9

Hình 2-3 Hạn hán do thiếu nước Kết luận: Cần có phương pháp quản lý thủy lợi khác để tháo và thoát lượng nước lớn khi cần thiết, giảm thiểu lượng nước mất đi trong quá trình vận chuyển và đồng thời việc đưa nước đền nơi sử dụng còn cần phải đáp ứng kịp thời

SVTH: Trương Quang Lộc 10

3 Giới thiệu hệ thống kênh của LCIS

3.1 Giới thiệu

Hệ thống kênh của phòng thí nghiệm LCIS là một hệ thống thủy lợi đơn giản

và thu nhỏ, mô tả tương đối chính xác hoạt động của một đoạn sông với một hệ thống thủy lợi gồm các ống dẫn nước, đập tràn, bơm nước, đập nước, hệ thống thoát nước Mô hình này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các phương pháp đã nghiên cứu về thủy lợi, lưu lượng dòng chảy, mực nước dâng đóng các đập

Hình 2-4 Hệ thống kênh của phòng thí nghiệm LCIS

Hình 2-5 Sơ đồ kênh của LCIS

4 Khoảng cách giữa 2 van trước và sau (m) 6.8

5 Chiều cao của đập tràn trước (déversoir) (cm) 12

6 Chiều cao của đập tràn sau (déversoir) (cm) 5.2

8 Hệ số hiệu suất của van và đập tràn 0.66

Đánh giá hệ thống thủy lợi LCIS

Ưu điểm: Hệ thống có tương đối đầy đủ các thành phần của một hệ thống thủy lợi Có tích hợp các thiết bị hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu và học tập Nhược điểm: Tiết diện của sông trong hệ thống được cố định là hình chữ nhật Độ sâu của sông tương đối nhỏ so với chiều dài sông trong mô hình

3.2 Thiết lập phương trình toán cho hệ thống kênh LCIS

Tại một thời điểm bất kì, xét đoạn sông (ngăn cách bởi 2 van), chiều rộng là

B, chiều dài là L, tại vị trí x Є [0,L] có độ cao h chuyển động với vận tốc trung bình là u Độ dốc của kênh là 𝑆𝑏 = sin(I) Bỏ qua độ nhớt trong dòng sông Lưu lượng của sông là:

𝑄 = 𝐵 ℎ 𝑢 (3.1) Hình 2-6 Một đoạn sông

Khi đạt đến dòng chảy ổn định (le régime stationnaire), chiều cao h và vận tốc u của khối thể tích tại vị trí x không phụ thuộc vào thời gian nên 𝜕ℎ

4 Phương pháp Lattice Boltzman

4.1 Giới thiệu phương pháp Lattice Boltzman

Phương pháp Lattice Boltzman là phương pháp số dùng để mô phỏng dòng chảy của các hệ thống thủy lợi và các đặc tính vật lý của hệ thống Phương pháp này liên quan đến động học của phần tử lưu chất trong một lưới phần tử Yếu tố quan trọng của mỗi mô hình xây dựng từ phương pháp này chính là mật độ phân bố fi(x,t) biểu thị mật

độ phân tử lưu chất đi vào vùng x tại thời điểm t với vận tốc là vi Vận tốc vi này phải tương ứng với các phần tử trong lưới nên trong khoảng thời gian ∆t thì phần tử với vận tốc vi sẽ đi đến điểm tiếp theo trong lưới là x+vi.∆t

Đồng thời, khi chuyển động trong lưới, các phần tử sẽ có 2 giai đoạn trong mỗi ∆t: Giai đoạn va chạm (Collision) và giai đoạn lan truyền (Propagation) Trong giai đoạn

va chạm, các phần tử đi vào vùng x tại cùng thời điểm t với cùng mật độ là fiin(x,t) sẽ

va chạm nhau Và kết quả sẽ tạo ra mật độ mới tại vùng x fiout(x,t) Sau đó các phần tử

SVTH: Trương Quang Lộc 13

này sẽ di chuyển đến điểm tiếp theo trong mạng lưới và thiết lập vận tốc mới tại điểm

đó

Phương trình của 2 giai đoạn này là:

Giai đoạn va chạm: fiout(x,t) = fiin(x,t) + Ωi(fin) (4.1) Giai đoạn lan truyền : fiin(x+ vi.∆t,t+∆t) = fiout(x,t) (4.2) Trong đó : Ωi(fin) là biểu thị cho sự thay đổi mật độ khi xảy ra quá trình va chạm Thông thường giá trị của Ωi(fin) được xác định theo mô hình Bhatnagar-Gross-Krook [5]

Ωi(fin) =1

τ(fieq− fiin) (4.3) Với: τ là thời gian phục hồi và fieq là hàm phân bố cân bằng cục bộ (equilibrium distribution function), là mật độ phần tử có Ωi(fieq) = 0, tức là không có hiện tượng va chạm

Từ 3 phương trình (4.1), (4.2) và (4.3), ta có:

fi(x + viΔt, t + Δt) = fi(x, t) +1

τ(fieq(x, t) − fi(x, t)) (4.4) 4.2 Hệ phương trình của hàm phân bố cân bằng

Áp dụng khai triển Taylor cho phương trình vế trái của phương trình (4.4) đến bậc

2 :

fi(x + viΔt, t + Δt) = fi + (Δ𝑡𝜕𝑡+ 𝑣𝑖Δ𝑡𝜕𝑥)fi + (Δ𝑡𝜕𝑡+ 𝑣𝑖Δ𝑡𝜕𝑥)2fi (4.5) Với fi = fi(x,t)

Thay 3 phương trình khai triển Chapman – Enskog vào phương trình (4.6):

(Δ𝑡(𝜖𝜕𝑡1+ 𝜖2𝜕𝑡2) + 𝑣𝑖Δ𝑡𝜕𝑥1) (fi0+ 𝜖fi1+ 𝜖2fi2) + (Δ𝑡(𝜖𝜕𝑡1+

𝜖2𝜕𝑡2) + 𝑣𝑖Δ𝑡𝜕𝑥1)2 (fi0+ 𝜖fi1+ 𝜖2fi2) =1τ(fieq− fiin) (4.10) Khai triển phương trình (4.10), ta có phương trình ở bậc 0 của 𝜖:

= ∑ fi0𝑖

+ 𝜖 ∑ fi1𝑖

+ 𝜖2∑ fi2

𝑖 (4.13)

⟹

{

∑ fi 𝑖

= ∑ fi0𝑖

= ℎ bậc 0 của ϵ trong (4.13)

∑ fi1𝑖

= 0 bậc 1 của ϵ trong (4.13)

∑ fi2𝑖

{

∑𝑣𝑖fi𝑖

= ∑𝑣𝑖fi0𝑖

= ℎ𝑢 bậc 0 của ϵ

∑𝑣𝑖fi1𝑖

= 0 bậc 1 của ϵ

∑𝑣𝑖fi2𝑖

= 0 bậc 2 của ϵ

(4.17)

Suy ra:

∑ 𝑣𝑖 𝑖fieq = ℎ𝑢 (4.18) Phương trình bậc 1 đối với 𝜖 trong phương trình (4.10), tương tự như cách chứng minh trên ta cũng sẽ có được phương trình:

∑𝑣𝑖2fieq

𝑖

= 1

2𝑔ℎ2+ ℎ𝑢2 (4.19)

SVTH: Trương Quang Lộc 15

5 Mô phỏng kênh LCIS bằng phương pháp Lattice Boltzman

5.1 Mô phỏng một đoạn sông giới hạn bởi 2 van (Reach)

Đối với hệ thống kênh LCIS, chiều dài có giá trị lớn hơn nhiều so với hai kích thước còn lại nên để mô phỏng ta sẽ xét lưu lượng của dòng sông theo trục x, nên theo phương pháp Lattice Boltzman, ta chọn mô hình 1D3Q (1 dimension and 3 velocities) Theo đó, ta chia chiều dài của mỗi đoạn sông thành các điểm theo trục x, tại mỗi điểm

sẽ bao gồm 3 vector vận tốc v0, v1, v2 (Hình 2-7)

v2 v 0 v1

Để đơn giản cho việc mô phỏng, ta chọn v1 = v, v2 = -v, v0 = 0 Với v = Δ𝑥Δ𝑡

Từ phương trình mối liên hệ giữa độ cao mực nước và vận tốc (3.5) và (3.6), ta thấy hệ thống kênh thủy lợi có chịu ảnh hưởng của ngoại lực F (lực ma sát và lực gây

ra bởi độ dốc của hệ thống) nên áp dụng mô hình Boltzman khi có ngoại lực tác động:

fi(x + viΔt, t + Δt) = fi(x, t) +1

τ(fieq(x, t) − fi(x, t)) + 𝑤𝑖Δ𝑡

𝑐𝑠2𝑣𝑖𝐹 (5.1) Trong đó : F là ngoại lực tác động Trong trường hợp này, F =𝑔 ℎ(𝑆𝑏− 𝑆𝑓),

𝑤𝑖 và 𝑐𝑠2 là các hệ số để xác định hệ thống thỏa mãn các phương trình sau:

∑ 𝑤𝑖.𝑣𝑖2 = 𝑐𝑠2 (5.4) Giải ra ta được:

= ℎ

∑ 𝑣𝑖fieq𝑖

= ℎ𝑢

∑𝑣𝑖2fieq𝑖

= 1

2𝑔ℎ2+ ℎ𝑢2Giải hệ (I) với i = 3, ta được

2𝑣2ℎ𝑢2+ 1

2𝑣ℎ𝑢

f2eq = 14𝑣2𝑔ℎ2+ 1

2𝑣2ℎ𝑢2− 1

2𝑣ℎ𝑢

SVTH: Trương Quang Lộc 17

5.2 Mô phỏng các thành phần kết nối của hệ thống kênh

a Đập nước (gate, vanne)

Một đập nước trong một chế độ ngập nước được trình bày trong hình 2-8 Lưu lượng Q qua cửa được điều chỉnh bởi sự khác biệt giữa mực nước thượng lưu h và mực hạ lưu h’, và được cho bởi phương trình:

𝑄 = 𝐵 𝛼 𝜃 √2𝑔(ℎ − ℎ′) (5.6)

Hình 2-8 Đập nước (Gate) Khi có một đập nước ở giữa sông thì lưu lượng trước và sau đập nước không thay đổi nên ta có:

ℎ′ = f′0+ f′1+ f′2 (5.8) Q=B.h.u=v.B.(f1− f2) = 𝑣′ 𝐵′(f′

1− f′

1) = 𝐵 𝛼 𝜃 √2𝑔(ℎ − ℎ′) (5.9) Trong đó : B là chiều rộng trước đập nước

B’ là chiều rộng sau đập nước Giải hệ 3 phương trình (5.7), (5.8), (5.9) ta có :

𝐵 ′) − 2f′2