TỔNG QUAN
Giới thiệu đề tài
Trong những năm gần đây, xói lở bờ biển đã trở thành vấn đề nghiêm trọng và cấp bách tại Việt Nam cũng như trên toàn thế giới, thu hút sự quan tâm của nhiều tổ chức và nhà khoa học Hiện tượng này đe dọa các cộng đồng dân cư và hệ sinh thái ven bờ như đất ngập nước, cỏ biển, rạn san hô và rừng ngập mặn Xói lở xảy ra chủ yếu ở các đoạn bờ biển cấu tạo từ trầm tích bở rời như cuội, sỏi, cát và bột-sét.
Hình 1.5 Lở đất tử thần ngày 22/3/2014 ở tiểu bang Oso, Mỹ làm 43 người chết, 10 người bị thương, hơn 50 ngôi nhà bị phá hủy.
Các phương pháp chống xói lở bờ biển
1.2.1 Rừng phòng hộ ven biển
Rừng phòng hộ ven biển được hình thành nhằm ngăn chặn sóng, bảo vệ các công trình ven bờ và chống sạt lở Ngoài ra, rừng còn góp phần tăng cường độ bồi tụ phù sa, mở rộng diện tích đất canh tác ven biển.
Tích bãi bồi ra biển giúp hạn chế xâm nhập mặn, đồng thời bảo vệ và phát triển nguồn lợi thủy sản Trên toàn cầu và tại Việt Nam, rừng phòng hộ ven biển chủ yếu là rừng ngập mặn, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và sinh thái.
Hình 1.2.Rừng phòng hộ ở bãi biển Tân Thành – Gò Công (Tiền Giang).[nguồn: internet]
1.2.2 Xây dựng đê/kè biển
1.2.2.1 Đê biển Đê biển là rào cản hoặc tường vuông góc với bờ biển, thường được làm bằng bê tông, đá hoặc gỗ Vật liệu được xây dựng trên phần hạ lưu, nơi mà sự dao động bờ biển chủ yếu theo một hướng, tạo ra bãi biển rộng và dồi dào hơn, do đó bảo vệ bờ biển Đê biển không bảo vệ bãi biển chống lại các đợt sóng gây ra bởi bão và nếu đặt quá gần nhau tạo ra dòng chảy mang vật liệu ngoài khơi Đê biển mang lại hiệu quả về chi phí, đòi hỏi ít bảo trì và là một trong những biện pháp phòng chống bờ biển phổ biến nhất
Hình 1.3 Đê biển khổng lồ ở Hà Lan [nguồn: internet]
Hình 1.4 Một đoạn đê chắn biển ở bờ biển Tân Thành – Tiền Giang [nguồn: internet]
Hình 1.5 Một đoạn kè mềm [nguồn: internet]
Hệ thống kè mềm chủ yếu được cấu thành từ các bao địa kỹ thuật Soft Rock, sử dụng lớp vải địa kỹ thuật không dệt Terrafix hoặc Secutex sản xuất tại Đức, nổi bật với độ bền cao để chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt như địa hình không bằng phẳng và thủy triều Việc bổ sung lớp bảo vệ giúp Soft Rock RS kháng UV tốt hơn và tăng cường độ bền Hệ lưới sợi được dệt theo phương thức 3 phương, giúp giữ lại các hạt cốt liệu và đảm bảo hiệu suất lọc Hơn nữa, khả năng chống xói mòn sẽ được cải thiện khi thảm thực vật phát triển trên bề mặt bao.
Hình 1.6 Hình vẽ các loại kè mềm [nguồn: internet]
Công tác thi công kè mềm sử dụng vật liệu lấp đầy bao địa kỹ thuật Soft Rock có thể tận dụng nguồn đất cát sẵn có tại hiện trường, giúp giảm đáng kể chi phí vận chuyển, vật liệu và thi công, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao cho toàn bộ công trình.
1.2.2.3 Kè bảo vệ mái nghiêng Để giảm thiểu nguy cơ xói lở, trong xây dựng người ta sử dụng kết cấu bảo vệ mái nghiêng được gọi là kè bảo vệ mái nghiêng (KBVMN) Kè có hai bộ phận chính chịu tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy là thân kè và chân kè Trong nhiều năm nay Việt Nam đã sử dụng công nghệ truyền thống, nghiên cứu sáng chế và ứng dụng nhiều công nghệ nước ngoài nên hiện nay kết cấu kè này tồn tại ở nước ta tương đối phong phú và đa dạng
Mặt cắt ngang kè biển thường có độ dốc với hệ số mái nghiêng m = cotg 𝛼> 1, chủ yếu được xây dựng bằng đất và có lớp gia cố bên trên Lớp gia cố này có nhiều loại như đá lát khan, đá xây, đá đổ, tấm bê tông đúc sẵn và xi măng Ngoài ra, kè chắn sóng mái nghiêng còn sử dụng các cấu kiện tự chèn liên kết chặt chẽ nhằm tiêu hao năng lượng sóng và giảm ứng suất lên kè.
Kè mái nghiêng có nhiều ưu điểm nổi bật như độ dốc mái thoải, tính ổn định cao và khả năng phản xạ sóng thấp Đáy kè rộng giúp phân bố ứng suất đều trên đất nền, đồng thời trong quá trình xây dựng, có thể sử dụng vật liệu dễ kiếm tại địa phương Với kích thước lớn, kè mái nghiêng mang lại độ ổn định tốt và khả năng thích ứng với hầu hết các loại địa hình.
Nhược điểm: Tốn nhiều vật liệu, thời gian trong quá trình xây dựng và không thể tận dụng mép ngoài bờ kè để neo đậu tàu
Cấu kiện bê tông tự chèn gia cố nền công trình kè có khả năng chống lại tác động xâm thực, giúp duy trì ổn định cho công trình và hấp thụ năng lượng sóng, từ đó giảm tải trọng tác động lên kè Trong hai năm 2005 và 2006, bão đã tấn công Thanh Hóa và Nam Định với cường độ lớn hơn mức thiết kế, dẫn đến tình trạng tràn đê và hư hỏng kè bảo vệ So với các loại kết cấu khác, kè bằng cấu kiện bê tông tự chèn cho thấy mức độ hư hỏng thấp hơn, chứng minh hiệu quả của nó trong việc bảo vệ công trình.
Hình 1.8 Chi tiết cấu kiện BT tự chèn D27CM [nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và
Ngàm cấu kiện không chỉ tạo ra liên kết gài tự chèn ba chiều trong mảng bê tông mà còn hoạt động như một khóa mềm, ngăn chặn hoàn toàn chuyển vị đứng, trượt và xoay của chân cấu kiện Khi nền công trình bị lún hay biến dạng, các cấu kiện sẽ chuyển vị theo và mảng bê tông lắp ghép cũng biến dạng mềm tương ứng, giúp triệt tiêu khe hở tại các mặt bên tiếp giáp Nhờ đó, liên kết gài tự chèn ba chiều được bảo toàn, đảm bảo nền công trình luôn được che kín và chống lại các tác động xâm thực, giữ vững sự ổn định cho công trình.
Hình 1Error! No text of specified style in document 9 Chi tiết lắp ghép [nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền Giang]
Hình 1.10 Mặt trên của lớp cấu kiện.[nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền
Tình hình xói lở ở bờ sông, bờ biển gò Công – Tân Thành, Tiền Giang
Bờ sông và bờ biển thường xuyên chịu tác động từ dòng chảy, sóng biển và bão, dẫn đến xói lở nghiêm trọng, đặc biệt tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ Tình trạng này không chỉ phá hủy cồn cát ven biển và rừng phòng hộ mà còn khiến vùng đất thấp bị biển lấn sâu, gây lũ lụt và đe dọa an toàn cơ sở hạ tầng Hằng năm, nhà nước phải chi một khoản lớn để khắc phục hậu quả xói lở và nâng cấp hệ thống đê biển, nhằm tăng khả năng chống chịu trước tác động của sóng và gió bão.
Hình 1.11 Xói lở ở bờ biển Việt Nam [nguồn: internet]
Gò Công Đông, huyện ven biển phía Đông tỉnh Tiền Giang, sở hữu bờ biển dài 32km từ cửa Soài Rạp đến cửa Tiểu, cùng với 2065 ha rừng ngập mặn ven biển, đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ sinh thái và cung cấp nơi trú ẩn cho hơn 300 loài thủy sản Tuy nhiên, tình trạng rừng ngập mặn tại đây đang bị xâm thực nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân, bao gồm tác động của chất độc dioxin trong chiến tranh (1969-1972) và việc chặt phá rừng để phục vụ nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.
Hình 1.12 Bờ biển gò Công Đông – Tân Thành
Bờ biển Gò Công Đông, với hướng Bắc Nam, hàng năm phải chịu thiệt hại từ sóng gió, dẫn đến tình trạng rừng ngập mặn ven biển ngày càng mỏng và có nguy cơ biến mất hoàn toàn Điều này đe dọa sự sống của con người và các loài thủy sinh Mặc dù chính quyền địa phương đã triển khai chiến lược trồng lại rừng, nhưng vẫn chưa đạt được thành công Các yếu tố gây xói lở đang trở thành mối lo ngại lớn.
Vật liệu cấu tạo bờ và hướng bờ
Hoạt động của thủy triều
Hoạt động của người dân
Từ năm 1998, rừng phòng hộ ven biển Gò Công đã được phục hồi, nhưng diện tích rừng vẫn tiếp tục giảm Mặc dù tỉnh đã trồng thêm 177 ha rừng trong những năm qua, nhưng lại mất đi 200 ha rừng, cho thấy rừng phòng hộ đang bị đe dọa và có nguy cơ bị phá hủy nếu không có biện pháp bảo vệ hiệu quả trong tương lai.
Rừng phòng hộ tại vị trí làm kè mới đã suy giảm nghiêm trọng, với chiều dày rừng giảm 250 m trong 21 năm (1989 – 2010), trung bình 12 m/năm, và chiều ngang lớn nhất chỉ còn 120 m Việc xây dựng kè để bảo vệ đê biển là cần thiết và cấp bách nhằm đối phó với xâm thực bờ biển và biến đổi khí hậu Trước khi triển khai xây dựng, việc thử nghiệm là không thể thiếu, nhưng điều này có thể dẫn đến chi phí cao và thời gian thực hiện lâu Do đó, tính toán mô phỏng ứng xử của kết cấu kè dưới tác động của sóng biển là cần thiết để giảm thiểu chi phí và thời gian trong quá trình thử nghiệm và xây dựng thực tế.
Hình 1.13 Đường bờ biển đoạn từ khu du lịch Tân Thành đến cửa Tiểu và hình ảnh biển xâm thực tại phía nam du lịch Tân Thành [nguồn: internet]
Hình 1.14 Tình hình hư hại tuyến kè chắn sóng tại biển Tân Thành [nguồn: internet]
Tình hình nghiên cứu
1.4.1 Nghiên cứu trong nước Đứng trước tình hình xói lở đất ven biển diễn ra ngày càng phức tạp và nghiêm trọng, xây dựng đê, kè chắn sóng là rất cần thiết Nhằm nâng cao mức độ an toàn, giảm tải trọng tác động lên đê biển, việc nghiên cứu, thử nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của sóng biển lên đê, kè biển là vấn đề cần phải quan tâm
Cấu kiện CM 5874, được phát minh bởi TS Phan Đức Tác vào năm 2008, đã được khởi công và xây dựng tại bờ biển khu du lịch Tân Thành, huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang vào năm 2010, mang đến mô hình thảm bê tông kiểu mới.
Hình 1.15 Mô hình hình học cấu kiện PĐT CM 5874 [1]
Trên tờ báo Khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường – số 41 ra tháng 6/2013,
Nguyễn Viết Tiến và cộng sự đã công bố bài báo "Nghiên cứu ảnh hưởng của đê ngầm và bãi đê đến hiệu quả giảm sóng trên mô hình vật lý", trong đó trình bày một chương trình thí nghiệm gồm 150 thí nghiệm về hiệu quả giảm sóng của đê ngầm Kết quả thí nghiệm cho thấy rõ sự ảnh hưởng của các tham số và quá trình vật lý đến hiệu quả giảm sóng của đê ngầm.
Hình 1.16 Mô hình đê ngầm thu nhỏ [1]
Bên cạnh đó, TS Trần Văn Thái và và các chuyên gia Viện thủy công (thuộc
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã triển khai phương án đê trụ rỗng nhằm ngăn chặn sạt lở tại biển Tây Cà Mau Nguyên lý hoạt động của phương pháp này là sử dụng các lỗ trên bề mặt của hình trụ rỗng để tiêu giảm sóng, khi sóng lọt vào các lỗ rỗng, các đường dòng sóng sẽ va chạm và triệt tiêu năng lượng, từ đó giảm thiểu tác động của sóng đến bờ biển.
Tháng 1 năm 2018, YoshiyaIgarashia vàNorioTanaka [3] đã có bài nghiên cứu
Bài viết “Hiệu quả của hệ thống phòng thủ kết hợp giữa đê biển và rừng chắn chống lại sóng thần” nghiên cứu sự kết hợp giữa hệ thống phòng thủ đê biển và rừng chắn nhằm giảm thiểu tác động của sóng thần ở bờ Đông Nhật Bản Tác giả đã sử dụng một cửa sập khí nén để tạo ra sóng thần bất ổn định, từ đó phân tích sự thay đổi về thể tích tràn và ảnh hưởng của nó đến các mô hình khác nhau Kết quả cho thấy rằng rừng phía đất liền có khả năng giảm thiểu tác động của nước đối với khu vực phía sau, trong khi rừng phía biển giúp giảm lượng nước tràn vào đất liền.
Tháng 6 năm 2014, GráinneEl Mountassir, MarceloSánchez, EnriqueRomero [4] xuất bản bài viết có tên là “An experimental study on the compaction and collapsible behaviour of a flood defence embankment fill”.Đây là bài nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử va chạm và sụp đổ của đê chống lũ ở sông Bengawan Solo, Indonesia.
Tính cấp thiết của đề tài
Từ những năm 90 của thế kỷ 20 đến nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về vấn đề này, tuy nhiên, đây là một vấn đề phức tạp và thường xuyên thay đổi theo thời gian và không gian Các nghiên cứu và bài báo hiện tại chủ yếu áp dụng mô hình thực nghiệm đơn giản hoặc phương pháp giải tích, mà chưa khai thác các phương pháp số trong tính toán ứng xử của bờ kè biển.
Hiện nay, Việt Nam chưa có trạm nghiên cứu tổng hợp nào về các quá trình bờ và khảo sát lâu dài về hiện tượng xói lở bờ biển Điều này dẫn đến việc các kết quả nghiên cứu chưa đầy đủ về hiện trạng, nguyên nhân và các nhân tố ảnh hưởng đến hiện tượng xói lở.
Ý nghĩa của đề tài
Giải quyết bài toán mô phỏng kè chắn sóng bằng phương pháp số sẽ tạo ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển cấu kiện tự chèn.
Việc sử dụng phương pháp số trong thử nghiệm các phương án kè bờ biển giúp gia tăng độ chính xác của kết quả, đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí so với các mô hình thực nghiệm truyền thống Nghiên cứu có thể diễn ra trong nhiều điều kiện tự nhiên khác nhau như gió, bão và sóng thần, từ đó cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về hiệu quả của các giải pháp kè bờ.
Mục tiêu của đề tài
Trong khuôn khổ đề tài này, luận văn thực hiện theo các mục tiêu chính sau đây:
Mô hình 2D tương đương cho kè mái nghiêng có lớp cấu kiện tự chèn D27CM
Mô phỏng chuyển động sóng thực tế ở bờ biển Gò Công (Tiền Giang), từ đó thu được kết quả áp suất tác động lên lớp cấu kiện tự chèn
Dựa trên kết quả áp suất thu được, tiến hành phân tích chuyển vị và kiểm tra độ bền theo tiêu chuẩn von-Mises cho toàn bộ bờ kè mái nghiêng trên nền đất đàn hồi.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động học lưu chất (Computer Fluid Dynamic – CFD)
Lưu chất là chất có cấu trúc phân tử không chịu được lực cắt, nghĩa là ngay cả lực nhỏ cũng có thể làm di chuyển hạt lưu chất Dù chất lỏng và chất khí có sự khác biệt rõ rệt, cả hai đều tuân theo quy luật chuyển động tương tự Trong nhiều trường hợp, lưu chất được coi là một môi trường liên tục.
Hình 2.1 Cấu trúc của các phần tử chất lỏng [5]
Dòng chảy của lưu chất chỉ xảy ra khi có ngoại lực tác động, chủ yếu là chênh lệch áp suất, trọng lực, lực cắt, lực xoắn và lực bề mặt Các lực này được chia thành hai loại: lực bề mặt, như gió thổi trên biển, và lực khối, chủ yếu là trọng lực.
Tốc độ dòng chảy có ảnh hưởng lớn đến các tính chất của lưu chất Khi vận tốc dòng chậm và số Reynolds thấp (Re Re > 2300 là dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối;
Dòng chảy có Re ≥ 10 4 là dòng chảy rối;
Tỉ lệ giữa tốc độ dòng chảy và tốc độ âm thanh (số Mach) quyết định sự thay đổi động năng và bậc tự do của lưu chất Khi số Mach nhỏ hơn 0.3 (Ma < 0.3), dòng chảy được coi là không nén được; ngược lại, khi Ma > 0.3, lưu chất được xem là nén được Dòng chảy dưới âm (subsonic) xảy ra khi Ma < 1, trong khi dòng siêu âm (supersonic) xuất hiện khi Ma > 1, tạo ra sóng xung kích Khi số Mach vượt quá 5 (Ma > 5), nhiệt độ do sức nén tạo ra đủ cao để thay đổi tính chất hóa học của lưu chất, được gọi là dòng cực siêu thanh (hypersonic) Những sự khác biệt này tác động đến bản chất toán học của vấn đề, yêu cầu các chế độ dòng chảy phải được xử lý theo những phương pháp khác nhau.
Tất cả các chất lưu đều sở hữu tính nhớt, cho phép chúng chống lại sự biến dạng Khi các khối chất lưu di chuyển với vận tốc khác nhau, chúng tác động lực nhớt lên nhau, dẫn đến sự hình thành gradient vận tốc 𝜕𝑣 𝑥.
𝜕𝑦được xem như là tốc độ biến dạng; nó có đơn vị là
Isaac Newton cho rằng các chất lưu quen thuộc như nước, không khí, dầu khoáng và cồn có ứng suất do lực nhớt gây ra, có mối quan hệ tuyến tính với tốc độ biến dạng Những chất lưu này được gọi là chất lưu Newton.
Độ nhớt (𝜇) là thuộc tính của chất lưu, với chất lưu Newton có độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng Ngược lại, chất lưu phi Newton không tuân theo định luật Newton và độ nhớt của chúng phụ thuộc vào tốc độ biến dạng cũng như lịch sử của nó Các ví dụ về chất lưu phi Newton bao gồm kem đánh răng, silicon, mật ong, bơ, yogurt và máu.
Giải thuật CFD thay thế miền bài toán liên tục bằng các vùng rời rạc dưới dạng lưới Trong miền liên tục, các biến dòng chảy được xác định tại mọi điểm trong miền bài toán Chẳng hạn, áp suất p trong miền 1D liên tục có thể được mô tả bằng công thức 2.3.
Hình 2.2 Miền liên tục và miền rời rạc trong không gian 1 chiều.[5]
Trong miền rời rạc, giá trị của dòng chảy được xác định tại các nút lưới (grid point) Vì vậy, trong miền rời rạc như hình trên, áp suất chỉ được khai báo tại những nút này.
Giải thuật tính toán động lực học chất lỏng chỉ xác định giá trị dòng chảy tại các nút lưới và sau đó thực hiện nội suy cho các vị trí khác.
Một cách đơn giản, ý tưởng cơ bản của CFD được áp dụng vào bài toán 1D như sau d 0; 0 1; (0) 1 d u m u x u x
(2.3a) Đầu tiên, chúng ta xét đến m = 1, phương trình (2.3a) trở thành phương trình tuyến tính (linear)
Việc rời rạc hóa phương trình (2.3a) với m 1 được minh họa như hình 2.3
Hình 2.3 Mô hình rời rạc hoá trong không gian 1D với m = 1[5]
Lưới được phân chia thành 4 nút có khoảng cách đều nhau, với khoảng cách giữa các nút được ký hiệu là Δx Phương trình chủ đạo áp dụng cho mọi nút trong miền rời rạc.
Với i biểu diễn số thứ tự của nút tương ứng xi Để khai triển biểu thức cho (d / d )u x i dưới dạng u tại các điểm nút,u i 1 được khai triển Taylor như sau
Sau khi sắp xếp lại, ta được d 1
Tồn tại sai số trong (d / d )u x i là do các khai triển bậc cao bị cắt đi Biểu thức (2.3d) được biểu diễn dưới dạng chính xác bậc một (first-order accurate)
Như vậy, bỏ qua các khai triển bậc cao, kết hợp phương trình (2.3c) và (2.3d), ta được
Phương trình (2.3e) là một phương trình đại số được phát sinh từ phương trình đạo hàm, sử dụng khai triển Taylor, nên được gọi là phương pháp sai phân hữu hạn Tuy nhiên, hầu hết các phần mềm thương mại hiện nay lại áp dụng các phương pháp thể tích hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn, vì chúng phù hợp hơn với các hình dạng hình học phức tạp.
Cơ sở tính toán tác động của sóng biển lên kết cấu
Sóng biển là hiện tượng sóng bề mặt xuất hiện trên đại dương, chủ yếu do gió tạo ra, nhưng cũng có thể xuất phát từ các hoạt động địa chấn Chúng có thể lan truyền hàng nghìn kilômét với độ cao biến đổi, từ vài centimet đến sóng thần Trong khi các phân tử nước chỉ xoay vòng tại chỗ, sóng vẫn có khả năng truyền tải một lượng năng lượng lớn.
Hình 2.4.Thông số cơ bản của sóng [5]
Chiều dài sóng (ký hiệu L) là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kế tiếp
Độ sâu (D) là khoảng cách từ thềm địa chất đến điểm biên độ sóng bằng 0
Chu kì sóng (T) là khoảng thời gian cần thiết để một chiều dài sóng truyền qua vị trí đang xét
Chiều cao sóng (H) là khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa đỉnh sóng và đáy sóng
Biên độ sóng (a) là khoảng cách theo phương đứng từ đỉnh sóng (hoặc đáy sóng) tới đường mực nước tĩnh; biên độ sóng bằng một nửa chiều cao sóng
Độ dốc sóng (s) bằng chiều cao sóng chia cho một nửa chiều dài sóng
Năng lượng sóng (E) thường tính bằng cơ năng của mỗi mét vuông mặt nước khi có sóng truyền qua
Vận tốc truyền sóng (c), còn gọi là vận tốc pha của sóng, là vận tốc chuyển động của đỉnh sóng trong hệ quy chiếu đứng yên
Sóng ven bờ (Shallow waves): có độ sâu D < L/20, vận tốc truyền sóng C và chiều dài sóng phụ thuộc vào độ sâu; chiều cao sóng tăng tiến
Sóng trung gian (Intermediate waves): C và L giảm khi độ sâu giảm; chiều cao sóng tăng tiến
Sóng ngoài khơi (Deep-water waves): Độ sâu D > L/2; C và L không đổi và phụ thuộc vào chu kì sóng T; độ cao sóng không đổi
Hình 2.5 Các khu vực trên biển và phân loại sóng theo từng khu vực [5]
Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method)
Phân tích giải phương trình hữu hạn lưu chất trong cơ lưu chất thường chỉ khả thi trong các dòng chảy đơn giản hoặc điều kiện lý tưởng Để áp dụng cho lưu chất thực, phương pháp giải số cần phải thay thế phương trình hữu hạn bằng đại số gần đúng Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn, dạng của phương trình này dựa vào thể tích hữu hạn trong miền, được tạo ra từ việc chia lưới không cấu trúc.
Hình 2.6 Mô phỏng lưu chất bằng phương pháp thể tích hữu hạn [5]
Mỗi nút trong hệ thống được bao quanh bởi một bề mặt của thể tích hữu hạn, được xây dựng bằng cách sử dụng phương pháp vẽ đôi trung tuyến Lớp biên của thể tích hữu hạn này được xác định thông qua các đường thẳng nối liền các điểm như hình minh họa.
Phương trình hữu hạn dạng đầy đủ được áp dụng cho các thể tích hữu hạn, như khối lượng hoặc động lượng, để tính toán Khi chia lưới đơn giản nguyên tố 2D, bề mặt lưu lượng của phương trình liên tục cần được biểu diễn tại ba điểm tích phân, nhằm hoàn tất việc chuyển đổi phương trình liên tục thành dạng rời rạc.
Phương pháp thể tích hữu hạn (FV Method) sử dụng dạng tích phân của phương trình bảo toàn làm cơ sở, chia miền giải pháp thành các thể tích kiểm soát hữu hạn Các phương trình bảo toàn được áp dụng cho từng thể tích này, với thuật toán dựa vào quá trình khuếch tán tinh khiết trong trạng thái tĩnh Khi viết lại phương trình Navier – Stokes cho trường hợp 1D, ta có thể sử dụng Φ = 𝑣 𝑥.
Trong nghiên cứu dòng chảy, Φ được sử dụng như một đại lượng định lượng chung cho mọi loại dòng chảy, trong khi ρ đại diện cho tỷ trọng của lưu chất Thêm vào đó, div(u)Φ thể hiện tỷ lệ lưới của khối lưu chất dựa trên các thuộc tính đại diện cho các biến đổi của lưu.
: biến theo thời gian div( grad ) : tỷ lệ thay đổi của biến do sự khuyếch tán
Phương trình chủ đạo của khuếch tán tĩnh có thể được suy ra từ phương trình chuyển đổi của tính chất Φ, khi loại bỏ các thành phần quá độ theo thời gian và sự đối lưu.
22 Viết lại phương trình khuếch tán tĩnh ở dạng tổng quát
Tích phân thể tích kiểm soát (CVs) là bước quan trọng để phân biệt phương pháp FVM đối với các kỹ thuật CFD khác, suy ra được dạng sau:
Đối với phương trình khuếch tán tĩnh một chiều, cần thực hiện kỹ thuật xấp xỉ để đạt được hàm rời rạc Phương pháp này sau đó được mở rộng cho các bài toán khuếch tán trong hai và ba chiều Để giải quyết bài toán, chúng ta cần thực hiện các bước cần thiết.
Chia khối thể tích thành nhiều phần riêng biệt tạo nên các phần thể tích kiểm soát
Đặt các điểm nút ở giữa mỗi CV, với biên của CV là trung điểm của hai nút kế nhau Thiết lập CV gần rìa của miền tính toán để đảm bảo biên vật lý trùng khớp với biên của CV.
Xét một ô thể tích có nút P cùng với hai nút lân cận W (Tây) và E (Đông) Khoảng cách giữa nút P và nút W là x WP, trong khi khoảng cách giữa nút P và nút E là x PE.
Tích phân phương trình chủ đạo để đạt được hàm rời rạc tại nút P:
A: diện tích mặt cắt của mặt CV
S : giá trị trung bình của nguồn S
Sử dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính với lưới đều, ta viết lại phương trình
(2.8) Viết lại để được phương trình cụ thể cho từng nút
Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là một trong những phương pháp số phổ biến, được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật Nó đóng vai trò quan trọng trong các phần mềm tính toán kỹ thuật như Ansys, Abaqus và Comsol, giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề phức tạp.
Trong bài toán này, các đặc trưng của kết cấu, bao gồm ma trận độ cứng và ma trận khối lượng, được xác định thông qua phương pháp PPPTHH, dựa trên phương trình bảo toàn năng lượng của hệ.
𝛿𝑊 𝑑𝑦𝑛 = ∫ 𝛿𝒖 ∙ 𝒖̈𝜌 𝑑𝑉 𝛺 là công ảo của lực quán tính,
𝑇 𝜎 là công ảo của ngoại lực
Phương trình dạng yếu của bài toán được thiết lập:
Với δu: hàm thử chuyển vị ảo, u: vector chuyển vi, σ: vector ứng suất, t^* vector lực đặt trên biên Γ_σ
Phương trình vi phân được giải bằng phương pháp số, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH), nhằm xác định các đặc trưng của kết cấu như ma trận độ cứng K, ma trận khối lượng M và ma trận vector tải f Các lý thuyết cơ bản về PPPTHH được tham khảo từ tài liệu [1].
Xây dựng mô hình cho phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH)
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt trong việc giải quyết nhiều bài toán kỹ thuật, từ phân tích ứng suất và biến dạng trong các cấu trúc cơ khí, ô tô, máy bay, tàu thủy đến lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng và điện-từ trường Nhờ vào sự phát triển của phần cứng máy tính, việc tính toán và thiết kế các cấu trúc phức tạp đã trở nên dễ dàng hơn Các phần mềm PTHH nổi tiếng như ANSYS, ABAQUS và SAP hỗ trợ quá trình này Phương pháp PTHH hoạt động bằng cách chia nhỏ miền bài toán thành các phần tử không chồng chéo, tạo thành mô hình lưới phần tử Các phần tử này liên kết với nhau qua các nút, với phản ứng của các nút được xấp xỉ thông qua các hàm dạng khác nhau, tùy thuộc vào hình học của bài toán ban đầu.
Phương pháp phần tử hữu hạn đã trải qua quá trình phát triển lâu dài, dẫn đến sự hình thành nhiều loại phần tử và phương pháp chia lưới khác nhau Các phương thức đánh giá lưới cũng đã được cải tiến và tích hợp vào các phần mềm thương mại Để giải quyết một bài toán bằng phương pháp PPPTHH, mô hình lưới cần bao gồm các nút và phần tử như hình dưới đây.
Hình 2.8.Mô hình lưới trong phương pháp phần tử hữu hạn [6]
Phương pháp này rất phù hợp cho các bài toán vật lý và kỹ thuật, đặc biệt khi hàm cần tìm được xác định trên các miền phức tạp với nhiều đặc tính hình học khác nhau và điều kiện biên khác nhau Cơ sở của phương pháp là rời rạc hóa miền xác định bằng cách chia thành nhiều miền con (phần tử), liên kết tại các điểm nút chung Đối với bài toán cơ vật rắn biến dạng và cơ kết cấu, có thể phân tích theo ba dạng mô hình tùy thuộc vào ý nghĩa vật lý của hàm xấp xỉ.
Mô hình tương thích xem chuyển vị là đại lượng cần tìm, trong khi hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử.
Mô hình cân bằng: Hàm xấp xỉ biểu diễn gàn đúng dạng phân bố của ứng suất hay nội lực trong phần tử
Mô hình hỗn hợp coi chuyển vị và ứng suất là hai đại lượng độc lập, cho phép phân tích chính xác hơn trong nghiên cứu Các hàm xấp xỉ được sử dụng để biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả hai đại lượng này, giúp cải thiện độ chính xác trong các tính toán kỹ thuật.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ phổ biến trong các bài toán cơ học, đặc biệt trong Cơ học kết cấu và Cơ học môi trường liên tục, nhằm xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể.
Trình tự tính toán một kết cấu bằng PPPTHH:
Chia ra kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử
Đánh số các phần tử của nút
Xây dựng ma trận độ cứng phần tử, vectơ tải phần tử
Xây dựng ma trận độ cứng tổng thề, vectơ tải tổng thể
K – Ma trận độ cứng tổng thể u – Vectơ chuyển vị nút tổng thể
Giải hệ phương trình thu được được các chuyển vị Từ đó tiếp tục tìm được ứng suất hay biến dạng của tất cả các phần tử
Có nhiều loại phần tử hữu hạn, bao gồm phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều Mỗi loại phần tử này có thể khảo sát các đại lượng biến thiên ở các bậc khác nhau, như bậc nhất, bậc hai hoặc bậc ba.
2.4.2 Ưu nhược điểm của phương pháp phần tử hữu hạn-PPPTHH Ưu điểm
Phương pháp PPPTHH, một trong những phương pháp số lâu đời, đã được ứng dụng rộng rãi trong các phần mềm thương mại như Ansys và Abaqus.
Tốc độ tính toán nhanh và kết quả với độ tin cậy cao
Kết quả phụ thuộc vào mô hình lưới Đối với các mô hình hình học phức tạp, đòi hỏi cần có thời gian và giải thuật chia lưới tốt.
Phân tích tương tác rắn lỏng (Fluid–structure interaction)
Trước đây, để kiểm nghiệm một mô hình tính toán lý thuyết, người ta thường phải chế tạo một mô hình thực và vận hành nó Trong trường hợp mô hình quá lớn, lý thuyết tương tự được sử dụng để tạo ra các mô hình nhỏ hơn Tuy nhiên, quá trình tính toán tương tự rất phức tạp và đòi hỏi nhiều tiêu chuẩn Thêm vào đó, nguyên mẫu không phải lúc nào cũng đáp ứng yêu cầu ngay lần đầu, dẫn đến nguy cơ phải chế tạo nhiều lần, gây tốn kém thời gian và tiền bạc Do đó, nhu cầu tiết kiệm thời gian, công sức và nâng cao chất lượng sản phẩm đã thúc đẩy sự ra đời của công nghệ mô phỏng số.
Việt Nam đã nhận ra những lợi ích của công cụ số và bắt đầu áp dụng phương pháp số để mô phỏng các bài toán nghiên cứu và công nghiệp, đặc biệt trong hai lĩnh vực chính là chất lưu (CFD) và kết cấu (phương pháp phần tử hữu hạn) Tuy nhiên, các hiện tượng thường không xảy ra độc lập mà có sự tương tác lẫn nhau Do đó, để đánh giá và kiểm tra chính xác hành vi của kết cấu và chất lưu, cần thực hiện phân tích toàn diện về tương tác giữa rắn và lỏng (FSI).
Với sự hỗ trợ của máy tính, việc giải bài toán tương tác rắn lỏng giữa kè chắn và sóng biển trở nên khả thi nhờ các phần mềm tính toán dựa trên phương pháp số, trong đó Ansys là một lựa chọn phổ biến và mạnh mẽ Phần mềm này cho kết quả tiệm cận với lời giải giải tích và kết quả thí nghiệm, đặc biệt là ANSYS WORKBENCH với chức năng 2-way FSI, cho phép tính toán động lực học dòng chảy (CFD) một cách hiệu quả ANSYS WORKBENCH có khả năng mô phỏng các vấn đề phức tạp bằng nhiều mô hình vật lý khác nhau, và đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp, y tế, kiến trúc và hóa chất.
28 việc phân tích ứng xử cơ học kè chắn bảo vệ mái đê biển Gò Công dưới tác dụng của sóng biển là rất hứa hẹn
Hình 2.9 Các dạng tiếp xúc trong Ansys Workbench.[6]
Hình 2.10 Tương tác rắn lỏng [nguồn: internet]
Hình 2.11 Mô phỏng tương tác rắn lỏng giữa sóng biển và kết cấu tự chèn Tetrapod bằng phương pháp số.[nguồn:internet]
Các bài toán FSI liên quan tới việc kết hợp giữa mô hình động học lưu chất và cấu trúc cơ học Nó được sử dụng khi
Xảy ra khi một dòng chất lỏng tương tác với cấu trúc/ vật rắn
Lưu lượng chất lỏng cũng có thể thay đổi ứng suất nhiệt bên trong cấu trúc
Cấu trúc bị biến dạng hoặc chuyển dịch sẽ truyền một vận tốc đến vùng chất lỏng, dẫn đến sự thay đổi hình dạng của chất lỏng và làm thay đổi lưu lượng của nó.
Dòng chảy có thể tạo ra áp lực và tải nhiệt, dẫn đến biến dạng cấu trúc đáng kể, ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng (bài toán tương tác hai chiều) Trong trường hợp khác, ảnh hưởng của biến dạng lên chất lỏng có thể bị bỏ qua (bài toán tương tác một chiều).
Phần vật rắn có khả năng biến dạng hoặc di chuyển dưới tác động của các lực bên ngoài, điều này ảnh hưởng đến dòng chảy của chất lỏng và sự vận hành của các tải nhiệt lên chất lỏng Bài toán có thể được xem xét dưới dạng tương tác một chiều hoặc hai chiều.
2.5.2 Phân loại bài toán tương tác rắn lỏng
Bài toán FSI có thể được phân loại theo mức độ kết nối giữa các giải pháp rắn - lỏng
Hình 2.12 Phương pháp giải bài toán tương tác rắn lỏng [nguồn: internet]
Việc kết hợp giữa các yếu tố trong mô hình FSI (Fluid-Structure Interaction) yêu cầu một giải pháp số mạnh mẽ và các phương pháp giải quyết đa dạng Do đó, bài toán tương tác rắn lỏng FSI được phân chia thành hai loại chính.
Tương tác rắn lỏng một chiều
Được sử dụng cho bài toán cấu trúc có biến dạng nhỏ
Mô hình này cho phép tính toán CFD và FEA độc lập nhau, tải tác dụng chỉ có một chiều từ dòng lưu chất qua cấu trúc rắn
Không cần cập nhật và tính toán lại dòng chảy của lưu chất
Tính toán và chuyển dữ liệu từ các module như CFX, Fluent sang Mechanical bao gồm các kết quả quan trọng như nhiệt độ, lực bề mặt, thông lượng nhiệt, thể tích sinh nhiệt và chuyển vị.
Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng bài toán FSI một chiều để mô phỏng tính toán, do biến dạng của mô hình khá nhỏ, vì vậy tác động từ mô hình vật rắn đến mô hình lưu chất là không đáng kể.
Tương tác rắn lỏng hai chiều
Được sử dụng cho bài toán cấu trúc có biến dạng lớn
Có sự tương tác qua lại giữa vật rắn và lưu chất dẫn đến việc lập lại các bước tính toán
Hình 2.13 Sơ đồ phương pháp giải tương tác rắn lỏng một chiều [nguồn: internet]
Hình 2.14 Các bước thiết lập bài toán tương tác rắn lỏng một chiều [nguồn: internet]
2.5.3 Ưu, nhược điểm của phân tích tương tác rắn lỏng Ưu điểm
Quá trình giải thuật và kết quả bài toán đã xem xét sự tương tác giữa vật rắn và lưu chất, giúp giải quyết một vấn đề thực tiễn mới và mang lại kết quả chính xác hơn.
Thể hiện một cách trực quan sự tương tác qua lại trong bài toán Cách giải cũng đa dạng và tối ưu hơn
Thời gian tính toán lâu hơn, yêu cầu cấu hình phần cứng cao (tham khảo help Ansys)
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
Kết cấu công trình
Cấu kiện bê tông tự chèn D27CM được áp dụng cho kè chắn sóng nhằm bảo vệ mái đê biển Gò Công, Tiền Giang, với các kích thước và thông số kỹ thuật cụ thể.
Cấu kiện bê tông tự chèn dày 27 cm
Cấu kiện BT tự chèn, 1CK = 95,5kg
Hình 3.1 Theo thứ tự là mặt bằng, mặt cạnh A, mặt cạnh B và mặt cắt của cấu kiện
[nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền Giang]
Hình 3.2 Toàn thể hình chiếu bằng của kè bảo vệ [nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và
Tường đỉnh kè được xây dựng bằng bê tông cốt thép M250 với độ dày 20 cm, chiều dày bản đáy 25 cm, cao trình đỉnh tường đạt +4,0 m và cao trình đáy tường là +3,25 m Chiều rộng đáy tường là 1,0 m, bên dưới có lớp bê tông lót đá 1x2 M150 dày 5 cm Mỗi đoạn tường dài 12 m được trang bị khớp nối mềm bằng Joint PVC.
Hình 3.3 Chi tiết đỉnh kè [nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền Giang]
Mái kè từ cao trình +3,5 m đến cao trình -0,8 m, hệ số mái dốc m = 4 được phủ lớp bảo vệ với kết cấu từ trên xuống như sau:
Cục bê tông lát mái M250 của cục đê điều
Dưới mái kè là lớp đá dăm dày 15 cm
Hình 3.4 Hình ảnh đá dăm ngoài thực tế [nguồn: internet]
Phần mặt cắt mái kè bao gồm 44 cấu kiện bê tông được ghép vào nhau
Hình 3.5 Chi tiết mái kè [nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền Giang]
Phần chân khay kè sử dụng kiểu bệ chìm: chân khay được chôn dưới mặt đất từ cao trình -0,8 m đến cao trình -2,45 m
Chọn chân khay kè có chiều rộng trên mặt B = 4,48 m chiều cao ống buy H = 1,5 m
Chân khay có mặt cắt hình thang ngược, đáy trên rộng 4,48 m đáy dưới rộng 2,5 m
Cấu tạo chân khay như sau:
Đáy là lớp vải địa kỹ thuật TS 65
Trên là lớp đá dăm 1x2 dày 15 cm
Hàng ống buy bê tông cốt thép M250 có hình bát giác, chiều cao 150 cm, với đường kính ngoài 150 cm và đường kính trong 120 cm Ống buy này được tiếp giáp với mái kè, có cao trình đỉnh ống là -0,8 m và cao trình đáy là -2,3 m.
Giữa hang ống buy và mái kè là cục chèn bằng bê tông M250 và cục tựa bằng bê tông cốt thép M250
Phía ngoài hang ống buy là lăng thể đá đổ, phía trong đổ đá hộc sau đó đổ bê tông dày 20 cm
Hình 3.6 Chân kè giữa hai ống buy.[nguồn: bản vẽ sở nông nghiệp và PTNT Tiền
Đặc tính của sóng biển ở bờ biển Gò Công
Hình 3.7 Bản đồ khí hậu Gò Công [7]
Bài báo cáo “Xói lở ở biển gò Công Đông – Tiền Giang” của Bùi Trọng Vinh chỉ ra rằng sóng dogió Đông Bắc có tác động mạnh mẽ hơn so với gió mùa Tây Nam, gây xói lở đáng kể ở khu vực khảo sát Trong mùa gió Đông Bắc, với cấp gió cấp 7, sóng ven bờ có chiều cao trung bình từ 0,7–0,8m, có lúc đạt trên 1,2m Ngược lại, sóng ven bờ do gió Tây Nam với cùng cấp gió chỉ đạt chiều cao trung bình 0,2–0,3m, cao nhất chỉ 0,3–0,4m, thấp hơn nhiều so với sóng trong mùa gió Đông Bắc.
Hình 3.8 Vận tốc sóng phân bố trên biển khi có gió mùa Đông Bắc.[7]
Hình 3.9 Vận tốc sóng phân bố trên biển khi có gió mùa Đông Bắc.[7]
Dựa vào hình ảnh mô phỏng trường dòng chảy vận tốc, tác giả đã chọn vận tốc sóng trung bình trong thời điểm gió mùa Đống Bắc là v = 0,5 m/s với chiều cao sóng h = 0,8 m.
Bởi vì bài toán đang xét là sóng gần bờ (Shallow wave), nên ta có điều kiện: Độ sâu D < L/20, với L là chiều dài bước sóng Chọn D = 0,65m; L = 15
Xác định độ cứng đối với nền đất đàn hồi
Để xác định độ cứng của lò xo phần tử đất, bước đầu tiên là xác định hệ số nền Hệ số nền có thể được xác định thông qua phương pháp thí nghiệm nén tĩnh tại hiện trường.
Do thiếu điều kiện thực nghiệm để đo độ cứng của nền đất đàn hồi tại biển Gò Công, học viên có thể tham khảo các tính chất đất trong khu vực này từ tài liệu [7] và lựa chọn hệ số nền phù hợp với giá trị trong Bảng 1.
Bảng 1 Hệ số nền ứng với từng loại đất
Kết quả phân tích thành phần hạt cho thấy đoạn từ đê xung yếu đến bãi biển Tân Thành chủ yếu có trầm tích là cát mịn, chiếm từ 62 – 84% Với cấu tạo địa chất là bùn sét yếu, chỉ cần động lực vừa phải từ sóng gió cũng đủ làm phá vỡ kết cấu bề mặt bờ Do đó, loại đất được lựa chọn là sét pha cát, với hệ số nền rơi vào khoảng.
Thiết lập mô hình mô phỏng
3.4.1 Mô tả bài toán Để có thể thực hiện một bài toán mô phỏng tương tác rắn lỏng một chiều trong Ansys thì chúng ta cần thực hiện như sau:
Mô hình hóa một mô hình chung tích hợp cả khối lưu chất và mô hình vật rắn là cần thiết cho các bài toán liên quan đến lưu chất và tính toán độ bền.
Trong bài toán lưu chất, cần loại bỏ mô hình vật rắn và chỉ sử dụng mô hình lưu chất Tiến hành chia lưới cho mô hình lưu chất và chia lưới biên kỹ cho phần tiếp xúc giữa mô hình lưu chất và mô hình vật rắn Cuối cùng, đặt điều kiện biên và tiến hành giải bài toán.
Đối với bài toán tính bền, chúng ta áp dụng mô hình vật rắn tương tự như bài toán lưu chất Đầu tiên, cần chia lưới cho mô hình và thiết lập các điều kiện biên cần thiết Sau đó, áp suất tác động tại phần tiếp xúc được chuyển đổi thành áp suất đầu vào cho bài toán tính bền Cuối cùng, tiến hành giải và thu thập kết quả.
3.4.2 Xây dựng mô hình CAD
Để đơn giản hóa bài toán, chúng ta sẽ xem xét một mặt cắt 2D của đoạn kè bảo vệ mái nghiêng, vì đoạn kè này trải dài dọc theo bờ biển.
Hình 3.10 Mô hình 2D bằng Ansys Workbench
Kết cấu bao gồm hai phần chính: vùng lưu chất mở và phần vật rắn, bao gồm bờ kè và lớp cấu kiện tự chèn, được bố trí trong hai tam giác đối xứng với kích thước như hình.
Hình 3.11 Cấu tạo của các vật rắn
Vùng lưu chất sẽ bao gồm hai miền: sóng biển và không khí
Tại lớp biên tiếp giáp của vùng lưu chất phải trùng với lớp biên của vùng vật rắn
3.4.3 Giải bài toán lưu chất
Trước hết cần loại bỏ vùng vật rắn, chỉ giữ lại vùng lưu chất để tính toán
Sử dụng các công cụ:
Sizing: chia lưới tự do với kích thước 0,05m
Inflation: chia lưới mịn ở mặt tiếp xúc giữa lưu chất và bờ kè với thông số:
Hình 3.13 Công cụ chia lưới mịn tại mặt tiếp xúc
Hình 3.14 Lưới biên lưu chất Đặt tên cho các vùng trong miền lưu chất:
Hình 3.15 Các vùng trong miền lưu chất
Hình 3.16 Đặt tên cho các vùng trong miền lưu chất
3.4.3.2 Thiết lập bài toán lưu chất
Hình 3.17 Khởi động mô – đun Fluent
Lựa chọn tích vào ô “Double Precision”: options gấp đôi độ chính xác cho bộ giải Các bước thiết lập
Các bước chọn thông số bao gồm
Bước 1: General (thiết lập chung)
Trong tab General, chọn thông số thời gian “Transient” và thiết đặt trọng lực theo phương y với g = 9,81 m/s^2
Bước 2: Models Ở tab Models, chọn Multiphase (nhiều loại lưu chất)
Hình 3.19 Chọn mô hình rối
Để thiết lập dòng chảy của sóng trong kênh mở, hãy tích vào lựa chọn “Volume of Fluid” và sau đó chọn tab “VOF Sub-Models”, nơi bạn cần tích vào cả hai lựa chọn.
“Body Force Formulation” chọn Implicit Body Force
Hình 3.20 Thiết lập cho dòng chảy của sóng trong kênh mở
46 Lựa chọn thông số độ nhớt : k-epsilon (2 eqn) tương ứng với dòng chảy rối epsilon (Turbulent)
Hình 3.21 Thiết lập cho dòng chảy của sóng trong kênh mở
Bước 3: Material (Thông số vật liệu)
Với nước và không khí có tỷ trọng và độ nhớt lần lượt là
Hình 3.22 Chọn thông số vật liệu cho lưu chất
Hình 3.23 Chọn thông số vật liệu cho lưu chất
Hình 3.24 Chọn thông số vật liệu cho lưu chất
Bước 4:Đặt điều kiện biên
Air ứng với Type là pressure-outlet
Để thiết lập điều kiện biên cho không khí trong mô hình, chúng ta bắt đầu với việc chọn inlet Cụ thể, chúng ta áp dụng điều kiện biên sóng cho kênh thoáng (Open Channel Wave BC) với vận tốc sóng được xác định là 0,5 m/s.
Hình 3.26 Đặt điều kiện biên cho sóng
Hình 3.27 Đặt điều kiện biên cho sóng
Switch to the Multiphase tab and select Shallow Waves under Wave BC Options The Free Surface Level, which measures the distance from the seabed to the liquid surface, is calculated as twice the previously determined value of D, resulting in 2xD = 1.3m The chosen Wave Height is 0.8m, with a wavelength of 15m for shallow water waves.
Bước 5:Khởi động bài toán (Initialization)
Ta chọn hybrid Initialization, Compute from “Inlet” và Method là “Flat”
Hình 3.28 Chọn phương pháp giải
Với time step size là 0,01s; number of time steps là 200, ta có bài toán mô phỏng sóng tác động lên bờ kè biển trong khoảng thời gian là 2s
3.4.3.3 Kết quả bài toán lưu chất
Hình 3.30 Áp suất trên thành kè và trạng thái của sóng tại thời điểm t = 0,05s
Hình 3.31 Áp suất trên thành kè và trạng thái của sóng tại thời điểm t = 0,5s
Hình 3.32 Áp suất trên thành kè và trạng thái của sóng tại thời điểm t =1s
Hình 3.33 Áp suất trên thành kè và trạng thái của sóng tại thời điểm t = 1,45s
Hình 3.34 Áp suất trên thành kè và trạng thái của sóng tại thời điểm t = 2s
3.4.4 Giải bài toán kết cấu quá độ (transient)
3.4.4.1 Thiết lập các thông số đầu vào bài toán kết cấu
Sau khi có kết quả về áp suất, tác giả xuất dữ liệu áp suất trên vách cứng (wall) vào các file Excel
Hình 3.35 File Excel kết quả áp suất
Mỗi thời điểm sẽ có một giá trị áp suất trên bề mặt Wall Để đơn giản hóa bài toán, chúng ta sẽ lấy kết quả mỗi 0,05 giây, dẫn đến việc thu thập được 40 kết quả áp suất trong 2 giây.
Tiếp theo sử dụng Module External Data của Ansys Workbench để chuyển kết quả từ Fluent về module Transient
Thông số vật liệu cho kè biển
Hình 3.36 Thông số vật liệu bê tông Đất (Soil)
Hình 3.37 Thông số vật liệu đất
Chia lưới mô hình và đặt điều kiện biên
Hình 3.38 minh họa việc chia lưới tự do với kích thước lưới 0,05 m Điều kiện biên được áp dụng là Elastic Support, do kê chắn sóng được đặt trên nền đất, với hệ số nền là 4e7 N/m3.
Hình 3.39 Đặt điều kiện biên nền đàn hồi
Chia tổng thời gian chạy của bài toán thành 40 bước thời gian (Steps), mỗi bước là 0,05s
Hình 3.40 Áp tải theo thời gian đã được chuyển đổi từ Fluent Áp tải theo thời gian đã được chuyển đổi từ Fluent, ta được đồ thị dưới đây
Hình 3.41 Áp suất và đồ thị áp suất tác dụng lên mặt phẳng bờ kè
3.4.4.2 Kết quả bài toán kết cấu
Chuyển vị tại các thời điểm 0.1s, 0.5s, 1s, 1.5s và 2s
Hình 3.42 Đồ thị chuyển vị theo thời gian
Hình 3.43 Chuyển vị tại thời điểm 0,1s
Hình 3.44 Chuyển vị tại thời điểm 0,5s
Hình 3.45 Chuyển vị tại thời điểm 1s
Hình 3.46 Chuyển vị tại thời điểm t lần lượt là 1,5s
Hình 3.47 Chuyển vị tại thời điểm 2s Ứng suất von – Mises tại các thời điểm 0.1s, 0.5s, 1s, 1.5s và 2s
Hình 3.48 Đồ thị ứng suất theo thời gian
Hình 3.49 Ứng suất tại thời điểm 0,1s
Hình 3.50 Ứng suất tại thời điểm 0,5s
Hình 3.51 Ứng suất tại thời điểm 1s
Hình 3.52 Ứng suất tại thời điểm t lần lượt là 1,5s
Hình 3.53.Ứng suất tại thời điểm 2s
Chuyển vị lớn nhất được phân bố trên kết cấu thay đổi theo sự lan truyền của sóng trên mặt kè, như thể hiện rõ trong các hình 3.43 đến 3.47 Ứng suất tập trung cao tại các chân cục chèn cho thấy vị trí chân kè là khu vực cần chú ý nhất do có biến dạng và ứng suất lớn Đặc biệt, tại thời điểm 1 giây, khi sóng va đập vào bờ, ứng suất và biến dạng ở khu vực lân cận nơi sóng tác động đạt giá trị đáng kể.