Luận văn thạc sĩ đánh giá phần mềm thủy lực ba chiều để mô phỏng dòng chảy xung quang công trình kè trên sông waal hà lan

Mặc dù phát triển trên hai phương pháp khác nhau, mô hình số và thí nghiệm, họ đã cho kết quả là khá tương tự [7], [8]; điều đã đóng góp đáng kể cho sự hiểu biết các đặc trưng của dòng c

Trang 1

ĐÁNH GIÁ PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU

ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY XUNG QUANH CÔNG TRÌNH KÈ

TRÊN SÔNG WAAL, HÀ LAN

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN QUANG BÌNH

Chuyên ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin 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 ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Quang Bình

Trang 4

Học viên: Nguyễn Quang Bình 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 - TELEMAC 3D và FLOW 3D là công cụ mô hình hóa mạnh mẽ để mô phỏng

chính xác dòng chảy bề mặt thoáng Các mô hình này có khả năng cung cấp cho người lập

mô hình những thông tin chi tiết về quá trình vật lý Để so sánh tính hiệu quả của hai mô

hình trên thực tế, nghiên cứu này được thực hiện bằng cách áp dụng để đánh giá sự thay

đổi của dòng chảy tràn và xung quanh kè trên sông Waal Dựa trên các kết quả mô phỏng,

bài báo sẽ phân tích sự khác biệt giữa hai mô hình thông qua vận tốc, hướng dòng chảy,

cường độ rối, ứng suất tiếp, thời gian tính toán, công cụ hỗ trợ Những so sánh này dự

kiến sẽ giúp người lập mô hình có tài liệu cơ bản trong việc lựa chọn mô hình thích hợp

cho nghiên cứu

Từ khóa - Mô hình số; TELEMAC 3D; FLOW 3D; Kè; Sông Waal

ASSESS THE 3D HYDRAULIC SOFTWARE FOR SIMULATING FLOW AROUND GROYNES

IN THE WAAL RIVER, NETHERLANDS

Abstract - TELEMAC 3D and FLOW 3D are powerful modeling tool for accurately

simulating free surface flow These models have strong capacity to provide the modeler

with valuable insights about physical process In order to compare the effectiveness of the

two models in reality, this study is realized (conducted) by applying them to evaluate the

variation of flow component over and around groynes in Waal river Based on the

simulated results, the paper will analyze the differences between the two models through

velocity, flow direction, turbulence intensity, shear stress, computational calculation,

supporting tool… These comparisons are expected to help modelers having basic

evidences in choosing suitable model for their study

Key words - Numerical model; TELEMAC 3D; FLOW 3D; Groynes; Waal river

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU … 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn 2

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY TRONG SÔNG 3

1.1 Dòng chảy một chiều 3

1.1.1 Phạm vi áp dụng 3

1.1.2 Phương trình 3

1.2 Dòng chảy hai chiều 5

1.2.2 Phương trình chỉ đạo 5

1.3 Dòng chảy ba chiều 6

1.3.2 Phương trình chỉ đạo 6

1.3.3 Tổng quan chung 7

1.4 Dòng chảy xung quanh công trình kè 8

1.5 Kết luận 8

Chương 2 – CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ MÔ HÌNH THỦY LỰC 10

2.1 Khái niệm mô hình 10

2.1.1 Mô hình hóa 10

2.1.2 Mô hình vật lý 10

2.1.3 Mô hình thủy lực 10

2.2 Phân loại mô hình thủy lực 11

2.3 Tương tự cơ học 12

2.3.1 Tương tự hình học 12

2.3.2 Tương tự động học 12

2.3.3 Tương tự động lực học 13

2.3.4 Tương tự thủy động lực học 13

2.3.5 Tương tự thủy động lực học 13

2.3.6 Tương tự cơ học 13

2.4 Các tiêu chuẩn tương tự 13

2.4.1 Sự tương tự của các dòng chảy lúc ảnh hưởng của trọng lực là chủ yếu - Tiêu chuẩn Froude 14

2.4.2 Sự tương tự của các dòng chảy lúc ảnh hưởng của lực cản là chủ yếu 14

2.4.3 Sự tương tự của mô hình dòng chảy tầng và dòng chảy rối ở khu thành trơn thủy lực - Tiêu chuẩn Reynolds 15

2.4.4 Sự tương tự của mô hình dòng chảy rối trong khu sức cản bình phương 15

Trang 6

2.4.5 Sự tương tự của mô hình dòng chảy rối trong khu quá độ từ thành trơn

sang thành nhám thủy lực 15

2.5 Một số chỉ dẫn làm mô hình các hiện tượng thủy lực 16

2.6 Kết luận 16

Chương 3 - PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU 17

3.1 Phần mềm thủy lực ba chiều 17

3.2 Hệ thống phần mềm TELEMAC 18

3.2.1 Giới thiệu 18

3.2.2 Cấu trúc của hê ̣ thống TELEMAC 19

3.2.2.1 Thủy lực một chiều 19

3.2.2.2 Thủy lực hai chiều 19

3.2.2.3 Thủy lực ba chiều 20

3.2.2.4 Nước ngầm 20

3.2.2.5 Tải bùn cát 20

3.2.2.6 Tính toán sóng biển 20

3.2.2.7 Bộ xử lý trước và sau tính toán (pre- post processing) 21

3.2.3 Ứng dụng 21

3.2.4 Phần mềm TELEMAC 3D 21

3.2.4.1 Phương trình với giả thiết tuân theo áp lực thủy tĩnh 21

3.2.4.2 Phương trình với giả thiết không tuân theo áp lực thủy tĩnh 22

3.2.5 Lưới tính toán 22

3.2.5.1 Lưới hai chiều 22

3.2.5.2 Lưới ba chiều 23

3.2.5.3 Định nghĩa lưới 23

3.2.6 Mô hình rối 23

3.2.6.1 Mô hình Constant viscosity 25

3.2.6.2 Mô hình Mixing length (vertical model) 25

3.2.6.3 Mô hình Smagorinsky 25

3.2.6.4 Mô hình k-ε 25

3.2.7 Lời giải số 25

3.2.8 Hiệu chỉnh mô hình 26

3.2.9 Công cụ hỗ trợ 26

3.3 Phần mềm FLOW 3D 27

3.3.1 Giới thiệu 27

3.3.2 Ứng dụng 27

3.3.3 Phương trình 28

3.3.4 Lưới tính toán 29

3.3.4.1 Lưới cơ bản 29

3.3.4.2 Lưới bao gồm nhiều khối 29

3.3.4.3 Lưới phù hợp 30

3.3.5 Mô hình rối 30

Trang 7

3.3.6 Lời giải số 30

3.3.7 Hiệu chỉnh mô hình 31

3.3.8 Công cụ hỗ trợ 31

3.4 Kết luận 31

Chương 4 – ĐÁNH GIÁ PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU ĐỂ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY XUNG QUANH CÔNG TRÌNH KÈ TRÊN SÔNG WAAL, HÀ LAN 32

4.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 32

4.1.1 Giới thiệu chung……… 32

4.1.2 Hệ thống sông Rhine……….……….33

4.1.2.1 Tổng quan chung 33

4.1.2.2 Chỉnh trị sông 34

4.1.3 Sông Waal……….………37

4.1.3.1 Tổng quan chung 37

4.1.3.2 Chỉnh trị sông 38

4.1.3.3 Các đặc trưng chính của sông Waal 39

4.2 Áp dụng phần mềm thủy lực ba chiều 42

4.2.1.Thiết lập dữ liệu thí nghiệm……… 42

4.2.1.1 Hình học 42

4.2.1.2 Điều kiện biên 43

4.2.2 Thiết lập dữ liệu số ……… … ……….43

4.2.3 Kết quả tính toán và thảo luận……….…… ….45

4.2.3.1 Kết quả vận tốc trên mặt bằng 45

4.2.3.2 Kết quả vận tốc trên mặt cắt ngang 46

4.2.3.3 Kết quả cường độ rối 49

4.2.3.4 Kết quả ứng suất tiếp 50

4.2.3.5 Thời gian mô phỏng và công cụ hỗ trợ 53

4.2.4 Ảnh hưởng sơ đồ đối lưu và mô hình rối………53

4.2.4.1 Kết quả vận tốc trên mặt bằng 54

4.2.4.2 Kết quả vận tốc trên mặt cắt ngang 55

4.2.5 Xác định vết dòng chảy……… 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

1 KẾT LUẬN 60

2 KIẾN NGHỊ 61

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 623

Trang 8

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

RANS Reynold Avaraged Navier Stokes

LES Large Eddy Simulation

MPI Message Passing Interface

CFD Computational Fluid Dynamics

FAVOR Fractional Region - Volume Obstacle Representation CGSTAB Conjugate Gradient Stabilized Method

SOR Successive Over Relaxation

Sadi Special Alternating Direction

GMRES Generalized Minimal Residual Method

GCG Generalized Conjugate Gradient

UNESCO United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization

RFR Room For the River

WFD Water Framework Directive

DVR Sustainable Fairway Rhine

Trang 9

Danh mục các bảng

4.1 Quá trình chỉnh trị sông Rhine, đặc biệt là sông Waal 36

Trang 10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Số hiệu

4.9 Lưu lượng quan trắc trên sông Waal từ năm 1945 – 1998 41

Trang 11

4.18 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy không ngập 47 4.19 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy ngập một phần 48 4.20 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy ngập hoàn toàn 48

4.23 Cường độ rối, trường hợp chảy ngập một phần 50 4.24 Cường độ rối, trường hợp chảy ngập hoàn toàn 50

4.26 Ứng suất tiếp, trường hợp chảy ngập một phần 52 4.27 Ứng suất tiếp, trường hợp chảy ngập hoàn toàn 52

4.31 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy không ngập 56 4.32 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy ngập một phần 56 4.33 Vận tốc trên mặt cắt ngang, trường hợp chảy ngập hoàn toàn 57

4.37 Vận chuyển bùn cát xung quanh các kè trên sông Wall 60

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Chế độ dòng chảy trong sông ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế của các vùng Tuy nhiên dưới áp lực phát triển kinh tế, con người đã tác động rất lớn đến các dòng sông bằng các biện pháp skhác nhau; điều này đã gây ra nhiều hiện tượng tiêu cực như xói lở bờ và diễn biến đáy sông [1] Việc xác định và duy trì sự ổn định lòng sông là rất cần thiết và để tạo thuận lợi cho các phương tiện tham gia giao thông thủy, phòng tránh các thiệt hại có thể xảy ra Bằng biện pháp công trình như xây dựng

kè mỏ hàn, kè hướng dòng sẽ giúp chuyển hướng dòng chảy, thay đổi các quá trình vận chuyển trầm tích và cải thiện môi trường sinh thái [2], [3]

Khi công trình được xây dựng lên sẽ tạo ra dòng chảy phức tạp hơn với nhiều dòng thứ cấp và xoáy, sự phức tạp của trường dòng chảy dẫn đến khó khăn trong việc xác định sự tương tác giữa dòng chảy và xói xung quanh công trình [4] Những vấn đề này đã được nghiên cứu nhiều từ lý thuyết, thí nghiệm hoặc mô hình, những hiểu biết vẫn không đủ để có thể mô tả chính xác các hiện tượng ở khu vực kè Năm 2005, Uijttewaal nghiên cứu các mô hình dòng chảy xung quanh kè với hình dạng thực nghiệm khác nhau Nhằm tìm thiết kế thay thế hiệu quả, trong ý nghĩa vật lý, kinh tế

và sinh thái cho kè tiêu chuẩn trong những con sông lớn của châu Âu [2] Yeo, 2005 thực hiện 69 thí nghiệm để viết ra một hướng dẫn thiết kế tại Hàn Quốc và kiểm tra các khu vực phân chia ở hạ lưu của một kè dưới sự thay đổi khác nhau của chiều dài

và góc thiết lập [5] Năm 2011, Shahrokhi và Sarveram mô phỏng dòng chảy 3D xung quanh một kè, sử dụng mô hình rối để nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc kè về chiều dài và chiều rộng [6] Mặc dù phát triển trên hai phương pháp khác nhau, mô hình số

và thí nghiệm, họ đã cho kết quả là khá tương tự [7], [8]; điều đã đóng góp đáng kể cho sự hiểu biết các đặc trưng của dòng chảy, sự tương tác giữa dòng chảy và hình thái

ở các khu vực kè và trong thiết kế các công trình chỉnh trị Tuy nhiên, thí nghiệm và

mô hình hóa có tính đặc thù riêng vừa lợi thế và bất lợi Thí nghiệm những gì được thực hiện thông qua mô hình vật lý được sử dụng để áp dụng cho việc thiết kế công trình xây dựng lớn [9] Hiện nay, phương pháp này đã được chứng minh hiệu quả trong các nhánh sông có hình dạng đơn giản, nơi chế độ thủy động lực học không phức tạp Trong trường hợp các vị trí phức tạp như các nút giao, thay đổi lớn về địa hình hoặc các khu vực nông, phương pháp này dường như không thích hợp để mô phỏng đặc tính dòng chảy Hơn nữa, chi phí của mô hình vật lý cũng là một hạn chế lớn, đặc biệt là với các công trình vừa và nhỏ [10], [11] Ngược lại, ngày nay với sự phát triển của toán học và hệ thống máy tính, mô hình số được xem như là một công cụ thuận lợi, hiệu suất cao, linh hoạt và chi phí thấp cho việc phân tích các đặc điểm thủy động lực học ở các khu vực kè [12] Tuy nhiên mô hình số vẫn không tránh khỏi phụ thuộc vào dữ liệu thí nghiệm để hiệu chuẩn và kiểm định Do đó, một sự kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô phỏng số trên máy tính thường được sử dụng

Trang 13

trong nghiên cứu Cả thí nghiệm trên mô hình thu nhỏ và mô phỏng số được tiến hành đồng thời để xem xét kết quả [13]

Mô hình số được xây dựng và phát triển dựa trên lý thuyết và phương pháp giải khác nhau Đa số các mô hình đều sử dụng ba lời giải là phương pháp sai phân hữu hạn (FD), thể tích hữu hạn (FV) và phương pháp phần tử hữu hạn (FE) Với mô phỏng dòng chảy xung quanh công trình kè, phần mềm thủy lực ba chiều (3D) thường được

sử dụng như: TELEMAC 3D, Delft 3D, FLOW 3D, FLUENT, OpenFOAM Tuy nhiên mỗi phần mềm vẫn còn nhiều khó khăn, hạn chế trong việc lựa chọn sơ đồ đối lưu, mô hình rối, lời giải số, gán điều kiện biên, thời gian mô phỏng và công cụ hỗ trợ

Vì vậy cần thiết phải có kiểm tra tính chính xác của các phần mềm bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với thí nghiệm

Do vâ ̣y, đề tài “Đánh giá phần mềm thủy lực ba chiều để mô phỏng dòng chảy xung quanh công trình kè trên sông Waal, Hà Lan” Thông qua phân tích, so sánh kết

quả mô phỏng bằng hai phần mềm đặc trưng là TELEMAC 3D, FLOW 3D với kết quả thí nghiệm của Mohamed F M Yossef và de Vriend tại phòng thí nghiệm Cơ học chất lưu, trường Đại học Delft – Hà Lan Đây là cơ sở khoa ho ̣c để phân tích, lựa chọn phần mềm thủy lực ba chiều mô phỏng cho dòng chảy xung quanh công trình trên sông phục vụ cho công tác nghiên cứu, thiết kế, quy hoạch và quản lý

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: Phân tích và đánh giá hiệu quả hai phần mềm TELEMAC 3D, FLOW 3D

Nhiệm vụ nghiên cứu: Mô phỏng lại dòng chảy trên sông Waal (Hà Lan) thông qua số liệu và điều kiện thí nghiệm đã được Mohamed F M Yossef và de Vriend thực hiện năm 2010 bằng phần mềm TELEMAC 3D và FLOW 3D

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Đoạn sông Waal – Hà Lan;

Phạm vi nghiên cứu: Mô hình vật lý của đoạn sông Waal – Hà Lan, có bố trí công trình kè được xây dựng trong phòng thí nghiệm Cơ học chất lưu, trường Đại học Delft – Hà Lan

4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập và phân tích số liệu, tài liệu, kết quả thí nghiệm;

Mô phỏng dòng chảy bằng phần mềm TELEMAC 3D và FLOW 3D;

Phân tích và so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm;

Đánh giá thuận lợi, khó khăn và đưa ra phạm vi áp dụng của mỗi phần mềm

5 Ý nghi ̃a khoa ho ̣c và thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng phần mềm thủy lực ba chiều để nghiên cứu dòng chảy xung quanh các công trình hoặc những khu vực có sự thay đổi lớn về địa hình trong sông Áp dụng thực tế trong việc nghiên cứu, thiết kế, xây dựng

và quản lý các công trình trên sông đảm bảo an toàn, hiệu quả và kinh tế

Trang 14

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY TRONG SÔNG

Dòng chảy trong sông rất phức tạp và tùy theo các đặc điểm, dòng chảy được phân thành nhiều dạng khác nhau Trong chương này sẽ tập trung phân loại, phạm vi

áp dụng và đưa ra phương trình chỉ đạo của dòng chảy một chiều, hai chiều và ba chiều Đưa ra các hướng nghiên cứu và kết quả đạt được của các tác giả trong và ngoài nước về dòng chảy xung quanh các công trình kè

1.1 Dòng chảy một chiều

1.1.1 Phạm vi áp dụng

Dòng chảy được xem là một chiều nếu có góc giữa véc tơ vận tốc trên một mặt cắt ngang so véc tơ vận tốc trung bình là nhỏ hoặc là vận tốc gần đều trên mặt cắt và mực nước nằm ngang;

Độ cong của đường dòng là nhỏ để bỏ qua gia tốc hướng tâm Gia tốc thẳng đứng được bỏ qua so với gia tốc trọng trường, áp lực trong dòng chảy là thủy tĩnh;

Độ dốc của đáy nhỏ;

Quy luật cản ở mặt và đáy giống như quy luật cản của dòng dừng;

Vật chất hòa tan được xáo trộn đều

Trong tiếp cận mô hình 1D đã đơn giản hóa phương trình liên tục và động lượng cho phép sử dụng số gia không gian (dx) lớn, do đó làm cho chương trình giải hiệu quả hơn Tuy nhiên mô hình 1D không thể mô phỏng tốt lũ lụt ở khu vực nơi có dòng chảy bên vào và ra khỏi vùng ngập nước; nó đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền sóng lũ Tuy nhiên, với mô hình tiếp cận Tựa 2D dòng chảy bên có thể được mô hình với độ chính xác hợp lý [14]

Trang 15

Z: Cao trình mực nước;

Q: Lưu lượng qua diện tích ướt A;

q: Lưu lượng đơn vị bổ sung dọc tuyến (thẳng góc với trục sông);

n: Hệ số nhám

Hình 1.1 Mặt cắt ngang của kênh sông Với hệ phương trình Saint-Venant 1D cho dòng chảy thì phương pháp số truyền thống được sử dụng là phương pháp sai phân ẩn 4 hoặc 6 điểm hoặc sai phân xen kẽ điểm của mực nước và lưu lượng Nếu chỉ mô phỏng dòng chảy trong hệ thống kênh sông không có công trình hay đồng ruộng thì kết quả tính toán từ các mô hình khác nhau không nhiều, tuy nhiên khi phải mô phỏng các hệ thống có cống đập (kể cả cống đập có vận hành) và có tính tới dòng chảy trong các ô đồng ngập lũ thì kết quả cho ra

từ các mô hình khác nhau do các thuật toán được sử dụng

Hình 1.2 Sơ đồ lưới tính toán Trên thế giới, mô hình toán số được phát triển khá nhiều Có thể kể đến những

mô hình 1D của Cunge et al 1980, Thomas 1982, Rahuel et al.1989, Wu and Vieira

2002 Mặc dù các mô hình đều xuất phát từ cùng một hệ các phương trình vật lý (hay

Trang 16

cơ học), nhưng do cách giải số (thuật toán), cách tổ chức chương trình máy tính khác nhau nên kết quả cho ra cũng khác nhau và ở một số mô hình kết quả tính toán không phản ánh được hiện tượng vật lý cần mô phỏng

Hiện nay, các phần mềm thủy lực một chiều mô tả đầy đủ hệ phương trình của Saint-Venant có các phần mềm TELEMAC MASCARET, MIKE 11, ISIS, ONDA, FLUCOMP và HECRAS, Được sử dụng phổ biến nhất trong dự báo mức độ ngập lụt do lũ

1.2 Dòng chảy hai chiều

Dòng chảy được xem là hai chiều khi có chiều sâu trung bình của lớp nước là

bé so với hai phương nằm ngang (ví dụ dòng chảy nước nông và dòng chảy tràn, diễn biến theo thời gian tương đối chậm) Từ đặc tính nước nông, dòng chảy sẽ được mô hình hóa theo hai phương nằm ngang Việc giới hạn nghiên cứu dòng chảy biến đổi chậm, mô hình toán sẽ được mô phỏng bằng mô hình dạng sóng khuếch tán Có hai số hạng biểu thị độ dốc mực nước và ma sát đáy tác dụng lên dòng chảy được xem xét trong phương trình động lượng

x: Biến không gian;

t: Biến thời gian;

A: Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy;

q: Lưu lượng đơn vị (tính trên 1m dài) của dòng chảy biên

Hệ phương trình trên được giải cùng với các điều kiện biên thượng lưu và hạ lưu của mạng lưới kênh sông; cùng điều kiện cho tại những chỗ hợp lưu, chỗ có công trình như cống, cầu, đập tràn trên sông Phương pháp giải phổ biến là phương pháp sai phân hữu hạn theo sơ đồ ẩn của Preissmann

Trang 17

Hiện nay, các phần mềm thủy lực hai chiều được sử dụng phổ biến là TELEMAC 2D, MIKE 21, HECRAS 2D,…

1.3 Dòng chảy ba chiều

Khi trên sông xuất hiện các công trình, vật cản, đoạn sông cong, nơi có sự thay đổi lớn về địa hình hoặc các điểm nối giữa các nhánh sông sẽ tạo ra các dòng chảy ba chiều [16] Dòng chảy lúc này phức tạp về chế độ thủy lực, xuất hiện các dòng thứ cấp, xoáy và thành phần vận tốc theo phương đứng Bài toán hai chiều với các giả thiết không còn chính xác Vì vậy cần phải có các thí nghiệm thực tế bằng mô hình vật lý hoặc thông qua mô phỏng bằng mô hình số bằng cách sử dụng hệ phương trình Navie-Stokes, viết ở dạng trung bình Reynolds ba chiều, đầy đủ với giả thiết phân bố áp suất phi thủy tĩnh được khép kín với mô hình rối để mô phỏng trường dòng chảy [17]

1.3.2 Phương trình chỉ đạo

Để mô phỏng đầy đủ dòng chảy ba chiều, hệ phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng trung bình Reynold (RANS – Reynold Avaraged Navier Stokes) ba chiều đầy đủ và phương trình liên tục

Tỷ lệ gia tăng khối lượng của

=

Trang 18

trình động lượng Có bốn biến độc lập trong các bài toán x, y, z, t; ba thành phần của vector vận tốc u, v, w

Các phương trình là một tập hợp các phương trình vi phân từng phần Trong thực tế, các phương trình này là rất khó khăn để giải bằng phân tích Trước đây, sử dụng phương pháp xấp xỉ và đơn giản hóa các phương trình cho đến khi có một nhóm các phương trình có thể giải được Ngày nay, với máy tính tốc độ cao đã được sử dụng

để xấp xỉ các phương trình, sử dụng các kỹ thuật như sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn, phần tử hữu hạn và phương pháp phổ

Với sự cải thiện bằng cách đơn giản hóa độ nhớt Sotiropoulos đã xây dựng và kiểm nghiệm thành công ống dẫn thủy lực nhẵn từ hình tròn sang hình chữ nhật [25] Các tác giả về sau đã trình bày rất chi tiết những đo đạc về ba thành phần vận tốc trung bình và sáu thành phần ứng suất Reynolds, Sotiropoulos và Patel đã nhất trí rằng mô hình rối bất đẳng hướng để giải dòng chảy sát biên là cần thiết và cho diễn tả chính xác dòng chảy ba chiều

Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến địa hình phức tạp hơn với những đoạn sông uốn khúc liên tiếp, bao gồm cả sự hình thành đã được mô phỏng bởi Ye (1998) [24]; Wu (2000) bằng cách sử dụng một mô hình mã nguồn ba chiều có mô hình vận chuyển trầm tích, đã mô phỏng đoạn sông cong 1800 được nghiên cứu thực nghiệm bởi Odgaard (1988) [17], [26] Nghiên cứu này của Odgaard và Bergs tập trung vào kiểm chứng mô hình vận chuyển trầm tích và so sánh các đường đẳng trị mặt nước và địa hình đáy giữa đo đạc và tính toán

Một nghiên cứu số ba chiều đoạn sông uốn khúc có mặt cắt ngang sát với thực

tế hơn (thành bên và đáy không phẳng) tập trung vào so sánh giữa các vận tốc đo đạc

và tính toán đã được đưa ra bởi Demuren (1993) [27] Demuren tập trung vào so sánh các vận tốc hướng ngang và hướng dọc trung bình theo độ sâu, một hạn chế trong việc tìm hiểu về dòng chảy ba chiều Trong nghiên cứu của Wilson (2003) đã đưa ra sự kiểm chứng về một mô hình số ba chiều khép kín sử dụng mô hình rối k-ε chuẩn, cùng với độ phân giải không gian cao [28] Số liệu này được thu thập từ một kênh uốn khúc trong phòng thí nghiệm quy mô lớn có địa hình phức tạp Kênh thí nghiệm được tự hình thành và uốn khúc, xây dựng trong giới hạn các biên bê tông và sau đó được cố

Trang 19

định bằng việc làm rắn hóa học Theo nhóm tác giả thì đây là một trong những tập dữ liệu thí nghiệm chi tiết về mặt không gian nhất có hình dạng hợp lý về mặt vật lý và vì vậy cung cấp một tập số liệu tiêu chuẩn tốt cho việc kiểm tra mô hình số

Ở Việt Nam, có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về mô hình toán số như: PGS Nguyễn Như Khuê với chương trình VRSAP tính lũ cho Đồng Bằng Sông Cửu Long, GS.TS Nguyễn Tất Đắc với mô hình TLUC 96, GS.TSKH Nguyễn Ân Niên với chương trình KOD1 tính lũ Đồng Bằng Sông Cửu Long, Nguyễn Hữu Nhân với phần mềm trợ giúp HYDROGIS để mô phỏng lũ lụt và truyền tải phân tán vật chất vùng hạ

du hệ thống sông

1.4 Dòng chảy xung quanh công trình kè

Kè là các kết cấu giúp chuyển hướng dòng chảy, thay đổi các quá trình vận chuyển trầm tích và cải thiện môi trường sinh thái [2], [3]

Việc ứng dụng rộng rãi công trình kè trên sông và kỹ thuật ven biển, nên ngoài việc nghiên cứu tính toán và thực nghiệm trong quá khứ, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong những năm gần đây Các nghiên cứu tập trung vào dòng chảy xung quanh và gần kè ở các trường hợp chảy khác nhau; ảnh hưởng của chiều dài, hình dạng, vật liệu xây dựng, góc thiết lập; ảnh hưởng của số lượng kè và địa hình, … được thực hiện bằng thí nghiệm, mô hình vật lý, mô hình số hoặc kết hợp cả hai Một số kết quả nghiên cứu nổi bật là

Uijttewaal (2005) nghiên cứu các mô hình dòng chảy xung quanh kè với hình dạng thực nghiệm khác nhau [2] Mục đích của ông là nhằm tìm thiết kế thay thế hiệu quả, trong ý nghĩa vật lý, kinh tế và sinh thái, cho kè tiêu chuẩn trong những con sông lớn của châu Âu Theo quan sát, nó đã được chứng minh rằng tính chất bất ổn xung quanh các kè có thể thay đổi bằng độ thấm và độ dốc của đỉnh kè Nó cũng chỉ ra rằng đối với điều kiện ngập nước dòng chảy trở nên phức tạp hơn và các khu vực cục bộ bị chi phối bởi các hiệu ứng ba chiều Trong cùng năm này, nghiên cứu số ba chiều dòng chảy quanh kè được tiến hành bởi Nagata (2005) [29] Họ sử dụng mô hình rối k-ε phi tuyến và tính toán sự thay đổi theo thời gian bằng cách kết hợp một mô hình ngẫu nhiên cho tải trầm tích và sử dụng phương trình động lượng của các hạt trầm tích để đánh giá khả năng phát triển của các mô hình Ngoài ra, Yeo (2005) thực hiện một số thí nghiệm (69 thí nghiệm) để viết ra một hướng dẫn thiết kế tại Hàn Quốc và kiểm tra các khu vực phân chia ở hạ lưu của một kè dưới sự thay đổi khác nhau về chiều dài và góc thiết lập [5]

Trong năm 2006, Teraguchi et al so sánh kè thấm và không thấm nước thông qua các thí nghiệm và kiểm tra bằng mô phỏng số Phát hiện của họ cho thấy rằng các

hố xói cục bộ xung quanh các kè ở thượng nguồn của kè không thấm là lớn hơn những

kè thấm nước Yossef (2006) nghiên cứu thí nghiệm đồng thời nhằm điều tra sự tương tác hình thái giữa các khu vực kè và kênh chính, đồng thời so sánh nghiên cứu thực nghiệm với kết quả số bằng cách sử dụng phần mềm Delft 3D [30]

Trang 20

Fazli (2008) kiểm tra ảnh hưởng của vị trí kè trong một đoạn sông uốn cong 900đến kích thước của các vùng phân chia phía sau [31] Họ đã thực hiện một số thí nghiệm bằng cách thay đổi chiều dài kè (ba độ dài khác nhau) và vị trí (5 vị trí khác nhau) đồng thời điều tra các đặc điểm của khu vực phân chia phía sau kè Ho (2007) xây dựng một số mô phỏng (bốn tỷ lệ khác nhau của chiều dài kè với chiều rộng kênh, ứng với năm kè thấm nước khác nhau), bằng phần mềm FLOW 3D và đưa ra đề nghị một mối quan hệ tỷ lệ giữa chiều dài kè với số Froud [32]

Kang (2011) nghiên cứu những ảnh hưởng dòng chảy xung quanh các bờ kè do thay đổi góc và chiều dài Kết quả cho thấy rằng sự gia tăng vận tốc trong kênh chính của kè hướng lên lớn hơn so với các kè hướng xuống Ngoài ra, các xoáy tại khu vực tuần hoàn của kè, có hình dạng khác nhau [33] Bằng phần mềm FLOW 3D sử dụng

mô hình rối, Shahrokhi (2011) đã nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc kè về chiều dài

và chiều rộng của khu vực phân chia phía sau Kết quả cho thấy chiều dài vùng phân chia lớn nhất và chiều rộng có liên quan đến góc thiết lập trên 1050 [6] Trong năm

2012, thông qua nghiên cứu thực nghiệm bởi Sharma về dòng chảy qua một kè trên nền đáy cố định uốn khúc với mặt cắt hình thang Đã đưa ra kết luận là độ dài phân chia dòng chảy ở vùng hạ lưu bằng 4 – 22.8 lần chiều dài kè [34]

1.5 Kết luận

Dòng chảy thường xuyên xuất hiện ở nhiều trạng thái chảy và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, đặc biệt rất khó khăn trong việc phân loại, xác định chính xác các trạng thái chảy Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu bằng cả thực nghiệm và mô hình số Các kết quả đã góp phần làm sáng tỏ sự phức tạp của dòng chảy, những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm và mô hình

số Tuy nhiên đối với dòng chảy ba chiều xung quanh công trình kè vẫn còn khá ít nghiên cứu và đầy đủ về ảnh hưởng của trạng thái chảy, hình dạng và cách thức bố trí của công trình kè

Trang 21

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ MÔ HÌNH THỦY LỰC

Nghiên cứu về thủy lực, thực nghiệm đóng một vai trò rất quan trọng; cho tới nay hầu hết mọi vấn đề do thực tiễn đề ra đều chưa có thể hoàn toàn giải quyết được bằng lý thuyết thuần túy (mô hình toán) Các nghiên cứu về hiện tượng thủy lực trong thực tế (nguyên hình) thường được tái diễn lại theo một quy mô bé hơn theo một tỷ lệ nhất định Trong chương này sẽ trình bài chi tiết về khái niệm, phân loại các loại mô hình; các tỷ lệ và tiêu chuẩn tương tự (đồng dạng) khi áp dụng nghiên cứu thủy lực

2.1 Khái niệm mô hình

Mô hình là hình ảnh của tư duy hay một sản phẩm của vật chất tạo ra bằng các vật liệu khác nhau nhằm phản ánh hoặc giống với đối tượng nghiên cứu Những kết quả nghiên cứu trên đó đem đến những thông tin chính xác về đối tượng cần nghiên cứu trong thực tế

Mô hình hóa là sự biểu thị bằng hình ảnh các công trình hoặc hiện tượng của thực tế, bằng công cụ vật lý và toán học hợp lý để có thể nghiên cứu hiệu quả, toàn diện và tối ưu công trình hoặc hiện tượng đó

Mô hình thuỷ lực là một loại của mô hình vật lý, thường được chế tạo với tỷ lệ

bé hơn và đặt trong phòng thí nghiệm

Qua thí nghiệm mô hình kết hợp với lý luận và thực tế sẽ giúp nắm vững thêm các hiện tượng thủy lực Trong thí nghiệm có thể cho tái hiện lại các hiện tượng tương

tự như trong thiên nhiên theo một tỷ lệ nhất định Qua nghiên cứu các hiện tượng trên

mô hình ta mới có điều kiện kiểm tra và hiệu chỉnh lại các công thức lý thuyết, xác lập được các quan hệ thực nghiệm giữa các yếu tố riêng biệt của các hiện tượng thủy lực

Phương pháp nghiên cứu bằng mô hình có một số ưu điểm so với phương pháp quan sát trong thiên nhiên Trong mô hình có thể tạo nên các hiện tượng không thấy được bằng quan sát đơn giản Cũng qua mô hình ta có thể thấy trước được các hiện tượng ở các công trình cần thiết kế, kiểm tra lại các giả thiết tính toán, các biện pháp công trình đưa ra lúc thiết kế

Mô hình hoá hiện tượng thuỷ lực dựa trên lý thuyết tương tự Lý thuyết tương

tự xuất phát từ sự phân tích toán học hoặc phân tích thứ nguyên các đại lượng ảnh hưởng đến hiện tượng nghiên cứu Các định luật hay tiêu chuẩn tương tự cho phép chúng ta chuyển những kết quả thu được trên mô hình sang thực tế

Trang 22

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm mô hình thuỷ lực là khảo sát, nghiên cứu những quy luật của dòng chảy, tác động của nước lên môi trường mà nó chuyển động trong đó, nhằm góp phần thiết thực vào việc thiết kế tối ưu hệ thống công trình hoặc hạng mục công trình

Nhiệm vụ của thực hiện mô hình thuỷ lực là:

+ ) Bằng thực nghiệm, giải quyết những vấn đề thực tế của thiết kế, xây dựng và khai thác công trình thuỷ lợi mà những vấn đề đó không giải quyết thoả đáng được bằng con đường lý luận;

+ ) Phát hiện những quy luật của các hiện tượng thuỷ động lực học và định nghĩa được chúng;

+ ) Kiểm tra, bổ sung và chính xác hoá các công thức lý thuyết của thuỷ lực bằng cách xác định giá trị cụ thể của các hệ số khác nhau (mà trước đó là lựa chọn chỉ gần đúng) Kiểm tra các kết quả của mô hình toán;

+ ) Thiết lập quan hệ thực nghiệm giữa các thông số riêng biệt của hiện tượng nghiên cứu;

+ ) Kiểm tra các kết quả tính toán theo lý thuyết đã có và góp phần vào sự phát triển tiếp theo của thuỷ lực

Khi nghiên cứu trên mô hình thuỷ lực, có những tiện lợi:

+ ) Kích thước bé hơn so với thực tế;

+ ) Đo các đại lượng thuỷ lực được chính xác, nhanh và tiện lợi;

+ ) Đo đạc mang tính hệ thống cao;

+ ) Có thể đến được bất cứ vị trí nào để đo đạc;

+ ) Có thể quan sát và nghiên cứu tương đối lâu một hiện tượng hoặc đồng thời các yếu tố (cả cấu trúc bên trong và tác động ở bên ngoài)

2.2 Phân loại mô hình thủy lực

Mô hình thủy lực có thể chia ra thành nhiều loại [35]:

Tất cả kích thước của đối tượng trong thiên nhiên đều thu nhỏ thành mô hình theo một tỷ lệ duy nhất thì đó là mô hình không biến dạng Các mô hình của các công

trình thủy công thường là các mô hình không biến dạng Do điều kiện thí nghiệm bị

hạn chế, tỷ lệ của các kích thước nằm ngang và tỷ lệ của các kích thước thẳng đứng không bằng nhau, hoặc một số tính chất thủy lực không tương tự thì các mô hình đó

gọi là mô hình biến dạng

Tùy theo lực tác dụng chủ yếu và tính chất đặc thù của dòng nước, lại có thể

phân ra mô hình đường ống, mô hình máy móc thủy lực, mô hình thủy công, mô hình

sông ngòi, mô hình thủy triều, mô hình sông,

Nếu dựa vào phạm vi của mô hình lại có thể chia ra mô hình chỉnh thể, mô hình

bán chỉnh thể, mô hình cục bộ và mô hình mặt cắt Các mô hình sông ngòi thường là

Trang 23

mô hình chỉnh thể, còn để nghiên cứu các hiện tượng thủy lực của các công trình thủy

công nhiều khi người ta dùng mô hình mặt cắt

2.3 Tương tự cơ học

Các hiện tượng sẽ tương tự cơ học nếu trong các hiện tượng đó tỷ số giữa các yếu tố hình học như kích thước, khoảng cách, độ dời giống nhau; tỷ số của mật độ và lực tác dụng lên các điểm tương ứng theo các hướng tương ứng cũng giống nhau [35]

Muốn các hiện tượng hoàn toàn tương tự cơ học thì phải có tương tự về hình học, tương tự về động học và tương tự về động lực học

Sự tương tự về hình học là cơ sở của sự tương tự về động học và tương tự về động lực học Hai đối tượng gọi là tương tự về hình học (đồng dạng), nếu tỷ lệ giữa các kích thước bậc nhất tương ứng giữ một trị số không đổi

n l

m

l l

l

 gọi là tỷ lệ hình học bậc nhất của mô hình Các ký hiệu có chỉ số “n” dùng để chỉ các hiện tượng ở nguyên hình, còn các ký hiệu có chỉ số “m” dùng để chỉ các đại lượng trong mô hình Như vậy tỷ số diện tích sẽ là

2

n

l m

sẽ tương tự về động học nếu có sự tương tự về hình học và tỷ số về khoảng cách thời gian là không đổi

 gọi là tỷ lệ thời gian của mô hình

Tỷ số giữa tốc độ của các phần tử tương ứng trong thiên nhiên và mô hình liên hệ với nhau bằng hệ thức

Trang 24

 gọi là tỷ lệ tốc độ của mô hình

Gia tốc liên hệ với nhau bằng hệ thức

Hai đối tượng là tương tự về động lực học nếu các điều kiện trên được thỏa mãn

và tỷ số mật độ của các điểm tương ứng trên mô hình và nguyên hình không đổi

Đây là biểu thức của định luật Newton biểu thị mối quan hệ giữa các tỷ lệ của

mô hình “Hai đối tượng sẽ tương tự cơ học khi số Newton của chúng bằng nhau”

Tương tự cơ học giữa công trình thực tế và mô hình được đảm bảo khi có được tương tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học

2.4 Các tiêu chuẩn tương tự

Chất lỏng trong thiên nhiên chuyển động dưới tác dụng của các lực khác nhau: trọng lực, áp lực, lực ma sát (lực cản), lực căng mặt ngoài, lực đàn hồi, Mỗi lực đều được biểu diễn bằng các đại lượng vật lý (hệ số, thứ nguyên) đặc trưng cho bản chất của lực và chất lỏng Ảnh hưởng của các lực kể trên không thể hiện ở cùng một mức

độ trong các hiện tượng khác nhau Hiện tượng này thì xảy ra dưới tác dụng của trọng lực và lực cản là chủ yếu, hiện tượng kia chỉ xảy ra dưới tác dụng của trọng lực, lực cản hay lực căng mặt ngoài là chủ yếu,

Trang 25

Trong khi đó điều kiện để mô hình tương tự thủy động lực học với thiên nhiên

là tỷ số giữa tất cả các lực tác dụng gây ra các hiện tượng trong mô hình và thiên nhiên phải bằng nhau Nhưng trong thực tế, điều kiện này không thể thực hiện được do đặc điểm vật lý của lực tác dụng Cho nên có xu hướng thành lập các điều kiện tương tự riêng dựa vào tỷ lệ các lực có tác dụng chủ yếu hay một lực nào đó có tác dụng quyết định nhất đối với hiện tượng nghiên cứu để xác định ra tiêu chuẩn tương tự Ví dụ: lúc nghiên cứu các định luật về lực cản thủy lực của đường ống thì lực ma sát giữ vai trò chủ yếu; lúc nghiên cứu sự chuyển động của chất lỏng qua đập tràn thì trọng lực giữ vai trò chủ yếu Vì vậy, có thể định ra các tiêu chuẩn tương tự riêng từ định luật tương

tự cơ học của Newton bằng cách thay các lực tác dụng chủ yếu vào lực F

- Tiêu chuẩn Froude

Trong một số hiện tượng thủy lực, ví dụ lúc nước chảy qua đập tràn, qua lỗ trọng lực giữ vai trò chủ yếu, hơn hẳn ảnh hưởng của các lực khác, như lực cản, lực căng mặt ngoài, v.v Trong trường hợp đó thay trọng lực G = Mg vào trị

Cũng như vậy ta có thể xác định được các tỷ lệ của mô hình về lực, áp lực, công, công suất, qua tỷ lệ hình học bậc nhấtt

Một số hiện tượng thủy lực như dòng chảy trong sông, kênh, trong ống, … lại diễn ra dưới tác động của lực cản là chủ yếu, còn trọng lực và các lực khác chỉ là thứ yếu Do đó có thể thay lực F trong tiêu chuẩn Newton bằng lực cản T Lực cản T bao gồm lực cản nhớt và lực cản trong chế độ chảy rối

Hay

2

u J



 

Trang 26

thủy lực - Tiêu chuẩn Reynolds

Hệ số sức cản Đácxi  trong dòng chảy tầng và dòng chảy rối ở khu thành trơn chỉ phụ thuộc vào số Reynolds (Re), f(Re) Nên công thức biểu thị sự tương tự của mô hình dòng chảy tầng và dòng chảy rối ở khu thành trơn thủy lực, tiêu chuẩn Reynolds

Froude (Fr)n = (Fr)m với g 1

Xuất phát từ tiêu chuẩn

Reynolds (Re)n = (Re)m với v  1

Số Froude biểu thị quan hệ giữa lực quán tính và trọng lực: Fr = Lực quán tính/ Trọng lực

Số Reynolds biểu thị quan hệ giữa lực quán tính và lực cản: Re = Lực quán tính/ Lực cản

Trong dòng chảy rối ở khu sức cản bình phương hệ số Đácxi  không phụ thuộc số Reynolds mà chỉ phụ thuộc độ nhám tương đối / R

Nếu không thực hiện được tương tự hình học về độ nhám thì có thể chọn hệ số nhám n thích hợp để có tương tự thủy lực của dòng chảy rối ở khu sức cản bình phương

thành nhám thủy lực

Trang 27

Trong trạng thái chảy này, hệ số sức cản Đácxi  phụ thuộc vào số Reynolds

Ngoài ra còn rất nhiều tiêu chuẩn tương tự khác nhưng là thứ yếu, chỉ dùng cho từng trường hợp nghiên cứu cụ thể Ví dụ khi nghiên cứu các hiện tượng có liên quan đến khí thực cần đến tiêu chuẩn Ơle (Eu), khi nghiên cứu các hiện tượng có liên quan đến lực đàn hồi ở nước va, cần xét đến tiêu chuẩn Côsi (Ca), khi nghiên cứu các hiện tượng có liên quan tới lực căng mặt ngoài cần xét đến tiêu chuẩn Vêbe (We),

2.5 Một số chỉ dẫn làm mô hình các hiện tượng thủy lực

Sử dụng mô hình phải chú ý đến việc chọn tỷ lệ mô hình để bảo đảm giữ đúng các điều kiện tương tự của các hiện tượng thủy lực suy ra từ các định luật tương tự

+ ) Nếu trong nguyên hình có dòng chảy rối, thì trong mô hình dòng chảy cũng phải chảy rối;

+ ) Dòng chảy trong mô hình phải cùng trạng thái với dòng chảy trong nguyên hình Nếu trong nguyên hình là dòng chảy êm (Fr < 1) thì trong mô hình cũng phải chảy êm;

+ ) Nếu trong nguyên hình là dòng chảy xiết (Fr > 1) thì trong mô hình cũng phải chảy xiết Đặc biệt với mô hình biến dạng phải chú ý giữ đúng điều kiện này Sử dụng mô hình theo tiêu chuẩn tương tự về lực cản thì điều kiện này luôn luôn được đảm bảo;

+ ) Phải đảm bảo sự tương tự về độ nhám của thành Trên mô hình muốn đạt được các hiện tượng có liên quan tới lớp biên, hoặc muốn cho lưu tốc trong dòng chảy trên mô hình phân bố đúng như trong nguyên hình thì mô hình phải tương tự hình học

về độ nhám Trong nhiều trường hợp, điều đó không thể thực hiện được Lúc đó chỉ có thể nghiên cứu các yếu tố thủy lực trung bình (vận tốc trung bình của mặt cắt, lưu lượng );

+ ) ……

2.6 Kết luận

Nghiên cứu bằng mô hình kết hợp với lý luận và thực tế đã giúp nắm vững thêm các hiện tượng thủy lực Qua nghiên cứu các hiện tượng trên mô hình sẽ có điều kiện để kiểm tra và hiệu chỉnh lại các công thức lý thuyết, xác lập được các quan hệ thực nghiệm giữa các yếu tố riêng biệt của các hiện tượng thủy lực

Ưu điểm của mô hình có thể tạo nên các hiện tượng không thấy được bằng quan sát đơn giản Ngoài ra, có thể thấy trước được các hiện tượng ở các công trình cần thiết

kế, kiểm tra lại các giả thiết tính toán, các biện pháp công trình đưa ra lúc thiết kế

Trang 28

Chương 3 - PHẦN MỀM THỦY LỰC BA CHIỀU

Với những kết quả nghiên cứu tổng quan trong chương 1 và chương 2 Mô hình

số đã thể hiện được sự thuận lợi và ưu điểm trong nghiên cứu dòng chảy ba chiều xung quanh công trình Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan về các phần mềm thủy lực

ba chiều phổ biến hiện nay, trong đó tập trung vào hai phần mềm chính Phần mềm mã nguồn mở TELEMAC 3D giải theo phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm thương mại FLOW 3D giải theo phương pháp thể tích hữu hạn

Ngược lại, với sự phát triển của toán học và hệ thống máy tính, mô hình số được xem như là một công cụ thuận lợi, hiệu suất cao, linh hoạt và chi phí thấp cho việc phân tích các đặc điểm thủy động lực học ở các khu vực kè [12]

Trong lĩnh vực Thủy lực môi trường, các mô hình một chiều (1D) dựa trên một trong hai hình thức tích phân hoặc vi phân của phương trình St Venant được sử dụng thường xuyên Mặc dù sự phổ biến và hữu ích của mô hình 1D không thể bỏ qua, nhưng một thực tế là mô hình 1D đang gặp phải là đơn giản hóa các giả định và do đó

bị một số hạn chế cố hữu Mô hình 1D chỉ có thể cung cấp thông tin một mặt cắt trung bình mà không đưa ra bất kỳ thông tin về sự thay đổi của đặc tính dòng chảy theo phương ngang và phương thẳng đứng Cải tiến chính xác hơn dựa trên mô hình số là

sử dụng mô hình hai chiều (2D) Mô hình 2D dựa trên hình thức trung bình theo chiều sâu của phương trình ba chiều Navier-Stokes Dựa trên các phương pháp sai phân hữu hạn, khối lượng hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn cho các lời giải số

Mặc dù mô hình 2D đã được áp dụng thành công cho rất nhiều vấn đề kỹ thuật sông, nhưng các mô hình trung bình theo chiều sâu không cung cấp bất kỳ hiểu biết chi tiết theo phương thẳng đứng Ví dụ trong trường hợp của các đoạn cong ở các sông suối tự nhiên, các vị trí có xây dựng công trình, thay đổi lớn về địa hình sẽ xuất hiện

Trang 29

dòng chảy ba chiều (3D), dòng xoáy, thứ cấp Các dòng chảy này sẽ gây ra sự thay đổi hình thái của mặt cắt ngang kênh sông và có một ý nghĩa quan trọng về sự thay đổi hình dạng của bờ sông Và không thể mô phỏng được với mô hình một chiều, hai chiều

Để nắm bắt được tính chất vật lý của dòng chảy trong các trường hợp trên thì sử dụng mô hình 3D là cần thiết Những mô hình này được dựa trên các lời giải số của các phương trình Navier-Stokes có hoặc không có giả định áp lực phân bố theo quy luật thủy tĩnh và thường kết hợp với xấp xỉ Boussinesq Các phần mềm 3D được sử dụng phổ biến hiện nay là MIKE 3, OpenFOAM, Delft 3D, FLUENT, TELEMAC 3D, FLOW 3D, … Mặc dù dựa trên các phương trình chủ đạo, các mô hình nói trên có sự khác biệt lớn trong kỹ thuật sử dụng phương pháp giải phương trình Navier-Stokes Vì

số lượng các mô hình ba chiều tăng, nên cần phải có các nghiên cứu để để làm rõ ưu

nhược điểm và phạm vi áp dụng của phần mềm [36]

Bảng 3.1 Các phần mềm thủy lực 3D

STT Tên phần

mềm

Cơ quan, nhà sản xuất

Phương pháp

1 MIKE 3

Viện Thủy lực (DHI), Đan Mạch

Sai phân hữu

2 FLOW 3D Flow Science,

4 Delft3D

Deltares, Hà Lan

Sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn

Lăng trụ

Mã nguồn mở/ Fortran, C/C++

5 FLUENT Fluent Europe

Lt, Anh Thể tích hữu hạn Lăng trụ,… Mã mở nguồn

6 TELEMAC 3D

Điện lực Pháp (EDF) Phòng nghiên cứu Thủy lực quốc gia (LNH), Pháp

Phần tử hữu hạn Lăng trụ Mã nguồn

mở/ Fortran

Trong nghiên cứu, tác giả sử dụng hai phần mềm đặc trưng được sử dụng phổ biến trong thủy lực sông là TELEMAC 3D, FLOW 3D để mô phỏng dòng chảy qua công trình kè trên đoạn sông Waal – Hà Lan và so sánh với thí nghiệm

3.2 Hệ thống phần mềm TELEMAC

3.2.1 Giới thiệu

Hê ̣ thống TELEMAC được phát triển bởi Điện lực Pháp (EDF – Electricite de France) và Phòng nghiên cứu Thủ y lực quốc gia (LNH – Laboratoire National d’Hydraulic) Hiện nay được sử dụng miễn phí và có thể tải tại trang web www.opentelemac.org Hệ thống TELEMAC sử dụng lý thuyết phần tử hữu hạn Gần

Trang 30

đây phát triển thêm lý thuyết thể tích hữu hạn để phân tích cho bài toán hai chiều và vận chuyển bùn cát không dính Tất cả các thành phần của cấu trúc được biên soạn và

sử dụng ngôn ngữ lập trình FORTRAN [37], [38], [60]

Hệ thống TELEMAC có công cu ̣ chuẩn bi ̣ và xử lý số liê ̣u trước và sau khi tính toán (pre-and post-processing) đă ̣c biê ̣t hiê ̣u quả, ta ̣o giao diê ̣n thuâ ̣n tiê ̣n và dễ dàng cho người dùng Hầu hết các chương trình xử lý số liê ̣u đều được xây dựng nên từ các thư viê ̣n ilog/Views vì thế có thể cung cấp cho người sử du ̣ng mô ̣t số lượng lớn các thông tin cần thiết

3.2.2 Cấu trúc cu ̉ a hê ̣ thống TELEMAC

Dựa vào các bước và mục đích tính toán, TELEMAC có nhiều mô đun khác nhau (hình 3.1)

Hình 3.1 Hệ thống phần mềm TELEMAC [60]

3.2.2.1 Thủy lực một chiều

TELEMAC MASCARET mô phỏng dòng chảy một chiều Dựa trên hệ phương trình Saint-Venant, các mô đun khác nhau có thể mô phỏng các hiện tượng khác nhau trong khu vực rộng lớn và cho hình dạng phức tạp, vị trí nối hoặc phân nhánh mạng lưới sông, dòng chảy ở trạng thái phân giới dưới hoặc phân giới trên, dòng chảy ổn định hay không ổn định

3.2.2.2 Thủy lực hai chiều

TELEMAC 2D là mô hình tính dòng chảy 2 chiều ngang, giải hê ̣ phương trình Saint-Venant (bao gồm mô phỏng hiê ̣n tượng truyền các chất hòa tan) TELEMAC-2D có hai phiên bản khi dùng hai phương pháp tính khác biê ̣t

Trang 31

Phần tử hữu ha ̣n: Trong phiên bản này, hê ̣ phương trình Saint-Venant viết dưới

da ̣ng không bảo toàn sẽ được giải bằng phương pháp chiếu (Projection Method) sử dụng sơ đồ ẩn Phương pháp này có tính ổn đi ̣nh cao với tốc đô ̣ tính nhanh

Thể tích hữu ha ̣n: Hê ̣ phương trình Saint-Venant viết dưới da ̣ng bảo toàn sẽ được giải bằng phương pháp Godunov (xấp xỉ bất biến Riemann) và sử dụng sơ đồ hiê ̣n Phương pháp này cho phép tính toán sóng gián đoa ̣n ngay cả khi đi ̣a hình phức

ta ̣p (bài toán vỡ đâ ̣p) với tốc đô ̣ tính nhanh

3.2.2.3 Thủy lực ba chiều

TELEMAC 3D là mô mô hình tính dòng chảy 3 chiều, giải hê ̣ phương trình Navier-Stokes (bao gồm mô phỏng hiê ̣n tượng truyền các chất hòa tan có hoă ̣c không tham gia phản ứng hóa ho ̣c)

TELEMAC 3D được sử dụng để thực hiện một loạt các mô phỏng số Giải phương trình Navier-Stokes 3D qua một bước thuật toán phân đoạn, sử dụng xấp xỉ Boussinesq (J M Hervouet, 2007) Một trong những ưu điểm chính của thuật toán bước phân đoạn, đó là người sử dụng có thể lựa chọn lời giải số phù hợp nhất với các

số hạng khác nhau của các phương trình Navier-Stokes

3.2.2.4 Nước ngầm

ESTEL 2D: Mô hình số dòng chảy hai chiều và vận chuyển chất trong tầng ngầm ESTEL 2D có ba mô đun: Mô đun dòng chảy giải phương trình Richards trong vùng bão hòa và không bão hòa bằng phương pháp phần tử hữu hạn; Mô đun theo dõi

di chuyển của hạt giải phương trình khếch tán – đối lưu bằng phương pháp Carlo và mô đun vận chuyển giải phương trình khếch tán – đối lưu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Monte-ESTEL 3D: Giải phương trình Richards bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lưới phi cấu trúc ba chiều và chuyển động của các hạt theo phương trình Fokker-Plank ESTEL 3D cũng có thể được kết hợp với mô hình TELEMAC 2D để liên kết dòng chảy ngầm với dòng chảy mặt

3.2.2.5 Ta ̉i bùn cát

SISYPHE: Giải bài toán tải bùn cát và biến hình lòng dẫn hai chiều Mô hình này phân miền tính toán thành hai phần:

- Phần dòng chảy phía trên đáy: Tính tải bùn cát lơ lửng hay sát đáy (dính và không dính) với nhiều thành phần ha ̣t khác nhau

- Phần dưới đáy giả đi ̣nh: Giải bài toán bồi lắng và cố kết của bùn cát dưới đáy Hai phần sẽ trao đổi bùn cát tương tác với nhau

SEDI 3D: Giải bài toán tải bùn cát ba chiều

3.2.2.6 Tính toán sóng biển

ARTEMIS: Tính toán sóng biển có xét đến các hiê ̣n tượng vâ ̣t lý như phản xa ̣, nhiễu xa ̣, khuyếch tán của sóng biển khi truyền vào vùng nước nông trước và trong cảng biển

Trang 32

TOMAWAC: Tính toán truyền sóng trong vùng ven bờ Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn bằng cách đơn giản hóa hệ phương trình theo mật độ quang phổ và góc của sóng

3.2.2.7 Bô ̣ xử lý trước và sau tính toán (pre- post processing)

RUBENS: Vẽ kết quả tính toán (graphical post-processor)

MATISS/ BlueKenue: Bộ ta ̣o lưới

STBTEL: Giao diện lưới

POTEL 3D: Vẽ các lát cắt 2D từ kết quả 3D

3.2.3 Ứng dụng

Những ứng dụng chính của hệ thống phần mềm TELEMAC:

- Vỡ đập;

- Nghiên cứu lũ;

- Ảnh hưởng của công trình;

- Phát triển và quản lý cửa biển;

3.2.4.1 Phương trình với giả thiết tuân theo áp lực thủy tĩnh

TELEMAC giải phương trình thủy động lực học ba chiều với giả định sau: Phương trình Navier-Stokes ba chiều với một bề mặt tự do thay đổi theo thời gian;

Biến đổi không đáng kể tỷ trọng trong bảo toàn các phương trình khối lượng (chất lỏng không nén được);

Đơn giản hóa vận tốc W theo phương đứng, bỏ qua số hạng khuếch tán, đối lưu

và các số hạng khác;

Giả thuyết áp lực phân bố tuân theo quy luật thủy tĩnh (giả thuyết kết quả trong

đó áp lực ở một độ sâu là tổng của áp suất không khí ở bề mặt chất lỏng cộng với trọng lượng của chất lỏng phía trên);

Xấp xỉ Boussinesq cho động lượng (các biến mật độ không được đưa vào trong

số hạng trọng lực)

Theo giả thiết trên, phương trình ba chiều là [39]

Phương trình liên tục:

Trang 33

3.2.4.2 Phương trình với giả thiết không tuân theo áp lực thủy tĩnh

Bằng việc đơn giản hóa vận tốc theo phương đứng W, bỏ qua sự khuếch tán, đối lưu và các số hạng khác Do đó, áp lực tại một điểm là chỉ liên quan đến trọng lượng của cột nước nằm phía trên và áp lực khí quyển tại bề mặt Lúc này TELEMAC 3D giải phương trình vận tốc theo phương đứng W tương tự như các phương trình U

và V Áp suất xem phân bố thủy tĩnh và bổ sung thêm số hạng trọng lực

Trong đó: u, v và w là thành phần của vector vận tốc u; Z là bề mặt tự do; z là

độ cao điểm trong dòng chảy; vtlà hệ số nhớt; là mật độ của nước và FMxvà F Mylà các số hạng nguồn

3.2.5 Lưới tính toán

3.2.5.1 Lưới hai chiều

Lưới hai chiều được xây dựng bằng phần tử tam giác với ba nút, bằng các phần mềm tương thích với hệ thống TELEMAC (Matisse, BLUEKENUE, .) Ngoài ra,

Trang 34

STBTEL kiểm tra định hướng chính xác số thứ tự của lưới, các liên kết linh hoạt giữa đánh số địa phương và việc đánh số nút lưới tổng thể

3.2.5.2 Lưới ba chiều

Lưới 3D được xây dựng hình lăng trụ gồm 6 nút, được tự động phát triển theo hai giai đoạn trong quá trình mô phỏng của TELEMAC 3D Đầu tiên, lưới 2D được xây dựng để bao phủ vùng tính toán Sau đó lưới 3D được xây dựng lại theo phương đứng và tùy thuộc vào số lớp chọn [40] (hình 3.2)

Hình 3.2 Xây dựng lưới ba chiều [40]

Trang 35

và các lực khác thì xu hướng đẩy theo các hướng khác nhau Đối với các hạt chất lỏng chuyển động, lực có xu hướng đẩy hạt theo hướng mới là lực quán tính Ngược lại, các chất lỏng xung quanh hạt sẽ tạo ra các lực nhớt để hướng các lớp dòng chảy cùng đi theo một hướng Trong dòng chảy tầng, ứng suất nhớt chiếm ưu thế nên loại bỏ các ảnh hưởng của bất kỳ độ lệch trong dòng chảy của chất lỏng Mặt khác, trong dòng chảy rối, các ứng suất nhớt không thể vượt qua các lực quán tính và dòng chảy bị xáo trộn Vì vậy, tiêu chí đó có thể mô tả khi một dòng chảy là tầng hoặc rối là tỷ lệ của lực quán tính đối với ứng suất nhớt tác động lên các hạt chất lỏng Tỷ lệ này được gọi

là "Số Reynolds" (R UL  / ) [41]

Dòng chảy rối đặc trưng bởi các tính chất [42]:

- Dòng chảy rối là không ổn định, đây là đặc trưng cơ bản dẫn đến một trạng thái nhiễu loạn;

- Dòng chảy rối là dòng chảy ba chiều;

- Dòng rối có cấu trúc xoáy khác nhau trải dài trong một phạm vi rộng theo tỷ lệ chiều dài;

- Dòng chảy rối là một giá trị quan trọng của xoáy;

- Rối làm khuếch tán trong dòng chảy Khi chất lỏng với nồng độ khác nhau đưa vào dòng chảy, quá trình khuếch tán rối diễn ra và làm thay đổi nồng độ;

- Dòng rối gây tiêu hao năng lượng cho các dòng chảy Khi động lượng các hạt chất lỏng khác nhau tiếp xúc với nhau, làm giảm động năng của dòng chảy, do giảm gradient vận tốc Năng lượng được chuyển đổi sang năng lượng bên trong chất lỏng hoặc nhiệt;

- Dòng chảy rối khác nhau về kích thước, độ lớn và đặc tính theo thời gian Khi số Reynolds lớn, xuất hiện trạng thái không ổn định trong dòng chảy và hình thành các xoáy nước với các kích thước khác nhau Lý tưởng nhất, để có thể mô phỏng, với các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, đầy đủ các biến rối; điều này có thể chỉ thực hiện được khi độ phân giải lưới là đủ nhỏ để bắt được các chi tiết Tuy nhiên, điều này tương đối khó khăn vì những hạn chế trong bộ nhớ máy tính

và thời gian xử lý

Do sự hạn chế về không gian bởi tỷ lệ theo chiều ngang và chiều dọc khi mô hình hóa Ví dụ, trên 1 km biển có thể tạo ra các kích thước xoáy theo chiều ngang, nhưng theo chiều dọc, kích thước xoáy là hạn chế bởi độ sâu của nước và phân chia theo lớp Vì vậy việc tách biến rối theo phương ngang và dọc theo các tỷ lệ không liên quan đến các trạng thái động lực được áp dụng trong TELEMAC 3D Điều đó liên quan đến việc xác định độ nhớt theo phương ngang, cũng như độ nhớt thẳng đứng thay

vì cùng một giá trị độ nhớt Từ khóa trong mô hình là «HORIZONTAL TURBULENCE MODEL, VERTICAL TURBULENCE MODEL”

Trang 36

3.2.6.1 Mô hình Constant viscosity

Ảnh hưởng của độ nhớt và khuếch tán Độ nhớt là hằng số theo phương ngang

và đứng trên toàn miền tính toán Sử dụng từ khóa là “COEFFICIENT FOR HORIZONTAL DIFFUSION OF VELOCITIES” và “COEFFICIENT FOR VERTICAL DIFFUSION OF VELOCITIES”

Giá trị của hệ số có một ảnh hưởng nhất định về cả kích thước và hình dạng của các vòng xoáy và xoáy Một giá trị nhỏ sẽ có xu hướng tiêu tan các xoáy nước quy mô nhỏ, giá trị lớn sẽ có xu hướng tiêu tan các xoáy có quy mô lớn

3.2.6.2 Mô hình Mixing length (vertical model)

Mô hình rối dọc theo phương đứng với từ khóa VERTICAL TURBULENCE MODEL: 2 = "MIXING LENGTH")

Các khuyếch tán theo chiều dọc của vận tốc được tự động tính bởi TELEMAC 3D bằng sự tổng hợp của việc chọn mô hình rối hoặc không xét đến ảnh hưởng của số hạng mật độ Mô hình rối dọc theo phương đứng thể hiện độ nhớt rối (số hạng khếch tán) là một hàm của gradient vận tốc trung bình và chiều dài xáo trộn (lý thuyết của Prandtl) Người dùng phải nhập các tùy chọn cho các mô hình rối dọc theo phương đứng:

1: Mô hình chuẩn của Prandtl (mặc định) ;

3: Mô hình Nezu và Nakagawa;

5: Mô hình Quetin Phù hợp với ảnh hưởng lực kéo của gió Trong thời tiết có gió, một lớp cách bề mặt hình thành và có độ nhớt giảm;

6: Mô hình Tsanis Phù hợp với ảnh hưởng lực kéo của gió

3.2.6.3 Mô hình Smagorinsky

Mô hình smagorinsky được đề nghị, đặc biệt trong trường hợp có sự xuất hiện của dòng chảy phi tuyến cao

3.2.6.4 Mô hình k-ε

Mô hình k–ε được đưa vào TELEMAC theo đề nghị của Rodi và Launder để

giải các phương trình rối Với từ khóa "HORIZONTAL TURBULENCE MODEL" và

"VERTICAL TURBULENCE MODEL"

Mô hình k–ε bao gồm một phương trình giải các phương trình cân bằng cho k (năng lượng rối) và ε (hệ số tiêu tán năng lượng rối) Áp dụng mô hình này thường đòi hỏi phải sử dụng một lưới 2D mịn so với mô hình độ nhớt là hằng số và mất nhiều thời gian tính toán hơn

3.2.7 Lời giải số

Tất cả các module mô phỏng được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN Khi sử dụng một mô đun mô phỏng từ hệ thống TELEMAC, người dùng có thể có các chương trình con cụ thể cho từng phiên bản với mã code tiêu chuẩn Những chương trình con được viết để người dùng có thể dễ dàng lập trình và sửa đổi

Trang 37

TELEMAC 3D có nhiều kỹ thuật và sơ đồ số để giải các bài toán tùy theo độ chính xác khác nhau [40]

Để giải hệ phương trình, TELEMAC đưa ra bảy phương pháp khác nhau:

- Gradient liên hợp (Conjugate gradient);

- Số dư liên hợp (Conjugate residual);

- Gradient liên hợp dựa trên phương trình chuẩn (Conjugate gradient on a normal equation);

- Cực tiểu sai số (Minimum error);

- Gradient liên hợp bình phương (Squared conjugate gradient);

- Phương pháp ổn định Gradient liên hợp (Conjugate gradient stabilized method

liệu tham chiếu, với từ khóa REFERENCE FILE, hoặc liên quan đến một lời giải phân

tích mà sau đó được lập trình hoàn toàn bởi người sử dụng

3.2.9 Công cụ hỗ trợ

Khi mô phỏng cần phải sử dụng nhiều tài nguyên máy tính, vì vậy có thể được khuyến khích để chạy các tính toán trong các máy đa xử lý, hoặc trong các cụm máy chủ TELEMAC 3D có sẵn trong một phiên bản mô phỏng song song để tận dụng lợi thế tính toán này của máy tính

Phiên bản TELEMAC 3D chạy song song sử dụng thư viện MPI đã được cài đặt trước Người dùng ban đầu quy định cụ thể số lượng bộ vi xử lý được sử dụng bởi

các từ khóa PARALLEL PROCESSORS Đó là từ khóa kiểu số nguyên có thể giả định

các giá trị sau:

0: Thực hiện các phiên bản TELEMAC 3D thông thường (mặc định);

1: Thực hiện các phiên bản TELEMAC 3D song song trong bộ xử lý;

2: Thực hiện các phiên bản TELEMAC 3D song song bằng cách sử dụng số quy định của bộ vi xử lý

Với kỹ thuật này TELEMAC cho thờ i gian tính nhanh hơn Nên thuận lợi trong việc lập trình, bằng cách can thiệp vào mã nguồn; Lựa chọn lời giải phù hợp cho từng

số hạng

Trang 38

3.3 Phần mềm FLOW 3D

3.3.1 Giới thiệu

FLOW 3D® là phần mềm tính toán động lực học chất lỏng (CFD) được phát triển bởi kỹ sư của Flow Science, Inc, USA Sử dụng khả năng của máy tính để giải phương trình chuyển động của chất lỏng bao gồm phương trình động lượng, phương trình liên tục và các hiện tượng vật lý của dòng chảy

Phần mềm FLOW 3D là một mô hình thích hợp để giải quyết các vấn đề động lực học chất phức tạp và có khả năng mô hình hóa một loạt các dòng chảy Được sử dụng rộng rãi cho mô hình 3D không ổn định về độ cao của mặt thoáng và hình dạng phức tạp Hai kỹ thuật số được sử dụng là: 1) Thể tích hữu hạn (VOF) phương pháp được sử dụng để mô hình hóa dòng chảy với độ cao - mặt thoáng và 2) phương pháp vùng thể tích phân đoạn (Fractional Region - Volume Obstacle Representation) (FAVOR) Trong phần mềm này, phương trình liên quan đến các chất lỏng được giải bằng cách sử dụng các phép xấp xỉ sai phân hữu hạn (hoặc thể tích)

3.3.2 Ứng dụng

Những ứng dụng chính của phần mềm FLOW 3D:

- Không gian vũ trụ: Cung cấp thông tin về sự ổn định nhiên liệu/ sự tiếp nhận, điều chỉnh nhiệt độ đông lạnh, tạo bọt và phân phối điện tích thông qua sử dụng các bề mặt chất lỏng/ khí chính xác, giải pháp tản nhiệt

- Tự động: Cung cấp các giải pháp mô phỏng với nhiều thách thức trong ngành công nghiệp ô tô, bao gồm cả động lực dòng chảy, chuyển năng lượng nhiệt trong chất lỏng và chất rắn, thay đổi pha, độ trong chuyển động tự do của các chất rắn

- Công nghệ sinh học: Áp dụng động lực học chất lỏng đến lĩnh vực công nghệ sinh học là một thực hành tương đối mới và có tiềm năng lớn để cải thiện nhiều thiết bị

y tế đang được sử dụng hoặc thực hiện FLOW 3D là một công cụ mô phỏng mạnh mẽ với một loạt các khả năng tích hợp, bao gồm bề mặt thoáng/ dòng kín, thay đổi mật độ, thay đổi pha, di chuyển các đối tượng và phân tích ứng suất cơ học và nhiệt

- Vùng ven biển và hàng hải: Các ứng dụng ven biển và hàng hải bao gồm thiết

kế tàu, tác động của sóng và gió Đối với các ứng dụng ven biển, FLOW 3D dự đoán các chi tiết các cơn bão và sóng thần tác động lên trên kết cấu ven biển và phân tích các thiệt hại gây ra

- Vật liệu phủ lớp bề mặt: Tối ưu hóa quá trình sơn có thể gặp khó khăn để mô hình do quy mô nhỏ của chất lỏng chuyển động và ảnh hưởng của hiệu ứng như độ bám dính và sức căng bề mặt FLOW 3D có thể phân tích các quá trình này thông qua

mô phỏng gradient lực căng bề mặt do thay đổi nhiệt độ, truyền nhiệt, sự bay hơi, ngưng tụ, vận chuyển chất hòa tan và kiểm soát mật độ

- Năng lượng: FLOW 3D cung cấp phân tích bao gồm các lĩnh vực liên quan đến năng lượng như: Nhiên liệu hoặc hàng hóa dập dềnh trên biển; hiệu ứng sóng trên

Trang 39

dàn khoan ngoài khơi; hiệu suất tối ưu hóa cho các thiết bị, thiết kế các thiết bị để thu năng lượng từ sóng

- Công nghệ chế tạo: Thiết kế các vòi phun, khả năng hấp thụ của mô hình vật liệu xốp và các thành phần hàng hóa tiêu dùng khác

- Đúc kim loa ̣i: Cung cấp công cụ để nâng cao kết quả bằng cách giải quyết các vấn đề chất lượng và năng suất với thời gian ít hơn bằng cách xem xét các khái niệm khác với mô hình trước khi thép nguội bị cắt hoặc khuôn mẫu được sửa đổi: Phun làm mát, co ngót, sấy…

- Dòng chảy siêu nhỏ: Mô hình hóa cho một loạt các ứng dụng dòng chất lỏng siêu nhỏ: Tích hợp cơ khí, thể lỏng, quang học và chức năng điện tử trên thiết bị rất nhỏ cung cấp hình ảnh 3D giúp phân tích định lượng các kết quả

- Nước và Môi trường: Mô phỏng các vấn đề phải đối mặt với các nước và ngành công nghiệp môi trường, từ các dự án thủy điện lớn với các hệ thống xử lý nước thải thành phố nhỏ Mô phỏng có thể đóng một vai trò rất quan trọng để lựa chọn kiểm tra thiết kế, giúp làm giảm sự phức tạp và tập trung nỗ lực vào các giải pháp tối ưu Những hiểu biết giá trị thu được từ thử nghiệm với số lượng tùy chọn thiết kế khác nhau có thể tiết kiệm thời gian và chi phí đáng kể Các trường hợp ứng dụng: Đập tràn,

vỡ đập, thủy lực sông, trụ cầu, các khu vực ảnh hưởng thủy lực, chất gây ô nhiễm, lở tuyết, lũ quét, sóng thần, thiết kế hệ thống thoát nước

u, v, w: Vận tốc theo các phương;

DIF

R : Số hạng khếch tán;

RSOR: Số hạng nguồn;

VF: Khối chất lỏng trong mỗi ô;

Ax, Ay, Az: Diện tích mặt cắt ngang theo các mặt;

: Tỷ trọng chất lỏng;

Trang 40

Ngoài ra có thể xác định nhiều khối ô lưới để tạo ra các mắt lưới hiệu quả hơn khi mô hình hóa trường dòng chảy phức tạp Các khối ô lưới bổ sung có thể được định nghĩa là hoàn toàn trong cùng một khối ô lưới, có thể đưa thêm tại một biên của một khối ô lưới (gọi là một khối liên kết), hoặc một phần có thể chồng lên nhau

ô lưới theo mỗi hướng

3.3.4.2 Lưới bao gồm nhiều khối

Một loại lưới có kích thước đồng đều sẽ không hiệu quả cho hình học rất phức tạp vì một mạng lưới bao gồm một khối duy nhất sẽ chứa quá nhiều ô lưới Đối với bài toán phức tạp sử dụng nhiều khối lưới để tăng độ phân giải mô phỏng tại khu vực quan

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	4,95 MB