Phần mềm River 2D và ứng dụng thực tiễn của nó

Phần mềm River 2D và ứng dụng thực tiễn của nó, The software River 2D and its practical application

LOGO

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU

Giảng viên hướng dẫn : GS Nguyễn Thế Hùng

: Huỳnh Thị Thu Trâm

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

lí cơ bản của định luật bảo toàn khối lượng

và động lượng

dụng: phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn

và sai phân hữu hạn Mỗi cái có thuận lợi

và bất lợi Phương pháp thể tích hữu hạn

là ổn định và hiệu quả nhất trong khi phần

tử hữu hạn lại cho số liệu địa hình một

cách linh hoạt nhất

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

hệ số nhớt, điều kiện biên và điều kiện ban

đầu đưa vào, đó là phải rời rạc hóa địa hình

để tìm ra sự thay đổi của dòng chảy

dòng đi vào và đưa số liệu cao trình bề mặt

nước ở cửa mặt cắt đi ra

đi sự ảnh hưởng của các số liệu không chính xác Điều kiện ban đầu là quan trọng ngay cả trong dòng không ổn định được dùng để đoán

trước được nghiệm trong phép lặp

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

chiều, nghĩa là giả thiết vận tốc không chảy theo phương thẳng đứng mà chỉ chảy theo phương ngang

từ các đặc điểm toán học ra số học trên máy tính Bản chất là chuyển phép toán của ta

thành đơn giản bao gồm vô số điểm nút để máy tính làm việc với hữu hạn nút và phần tử

nguyên lý cơ bản là bảo toàn khối lượng và động lượng

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

q t

H x y

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

qx và qy là lưu luợng nguyên

tố theo hướng x và y.

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

Mô hình toán học:

bao gồm phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn, sai phân hữu hạn Bài toán thành lập biến

phân và sự rời rạc hóa của phương trình liên tục dẫn đến hệ phương trình tuyến tính trong

đó vận tốc và độ sâu tại các nút lưới là ẩn số

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

tiến về không Tích phân toàn bộ, bài toán

sử dụng phương pháp biến phân Galerkin, hay còn gọi là phương pháp trọng số dư và giải hệ phương trình bằng phương pháp

lặp conjugate gradient

phương pháp phần tử hữu hạn để giải

tính toán thành các phần tử rời rạc và nối với nhau bởi các nút

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

Các sơ đồ giải thuật

sơ đồ hiện và sơ đồ ẩn

Sơ đồ hiện tìm giá trị thời điểm t + Δt dựa t dựa vào các nút xung quanh nút đó ở thời

điểm t

lập ra mối quan hệ giữa bốn nút xung

quanh nó ở thời điểm t+1 sau đó giải

bằng phương pháp lặp kết hợp conjugate gradient để tìm ra nghiệm

MÔ HÌNH RIVER2D

CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN

1 R2D-BED moodull địa hình

1 R2D-BED moodull địa hình

1

Thay đổi các đặt trưng vật lí trong R2D_BED

R2D_bed nhận số liệu từ file “*.txt” hoặc

từ file “*.bed” có chứa các thông số đặt trưng (tọa độ, độ cao, độ nhám) của

từng điểm

• Khi nhận số liệu trong bed hiện lên các

điểm đã nhập Nếu số liệu không tốt thì

ta có thể sửa chữa thay đổi hay loại bỏ

chúng bằng lệnh (edit nodes)

• Chúng ta có thể thêm một vài điểm mới bằng lệnh “add nodes”

Thay đổi các đặt trưng vật lí

trị đặt trưng cho từng nút như trên ta còn

có thể thay đổi cho cả 1 vùng

Khi nhận thấy kết quả đã hợp lí ta có thể

đưa công trình thực tế vào để kiểm tra

bằng lệnh “import”

Thiết lập đường biên và Breakline trong BED

* Ta có thể thiết lập đường biên trong

R2D_bed bằng các lệnh

@ define exterior boundary loop: biên ngoài

@ define interior boundary loop : biên trong

@ clear all boundaries : xóa tất cả đường biên

• Breakline được tạo bằng “ define new breakline ” hoặc dùng công cụ để vẽ đường breakline Ta cũng có thể xóa các breakline đã vẽ bằng lệnh

“ deletle breakline segment ”

RIVER2D_MESH là 1 chương trình trong river2d,

nhiệm vụ chính của nó là rời rạc hóa vùng tính toán, tạo lưới tam giác và đưa các điều kiện cần thiết để

chạy RIVER2D Đây là khâu quan trọng nhất ảnh

hưởng rất lớn đến kết quả tính toán

Chương trình R2D_MESH không phải chứa hết toàn

bộ dữ liệu, nó không có khả năng cho dữ liệu đưa vào Kết quả của nó là nội dung của các PTHH, điều kiện chia lưới và đặt điều kiện biên cho lưới ∆ đã chia Khi

đó, nó nhận số liệu đầu vào từ bed file (*.bed và xuất

ra file dầu vào của RIVER2D *.cdg )

R2dmesh.ico

Mô tả đường biên “boundary”

cũng có thể lựa chọn vẽ đường biên trong

lập điều kiện biên cho mô hình dòng chảy

* Điều kiện biên được thiết lập trong menu

Mô tả đường biên “boundary”

nước tại các biên ở cửa ra và được đặt bởi

outflow by area” cho 1 vùng

kiện biên thành không có bằng cách chọn

“set no flow” trong boundary menu hay

"Set no flow by area" là lệnh áp dụng cho

cả vùng

hiện ở bất kì thời điểm nào vì nó là số liệu

ít nhất

Chia lưới trong R2D_MESH

được bắc đầu bằng việc rời rạc biên trước chọn "boundary nodes" từ "generate' Một hộp thoại hiện ra yêu cầu khoảng cách các điểm mặc định là 1000 met thì các điểm

sẽ tự động xuất hiện

các điểm vào mesh để chia lưới theo ý

muốn và hạn chế các phần tử xấu và tăng

độ chính xác cho mô hình tính toán Ta có thể thêm điểm bằng nhiều công cụ khác

Thêm điểm trong mesh

"uniform fill ": Thêm điểm trong toàn miền.

"area fill " đặt theo vùng quan trọng.

"region fill " thêm vùng dạng hình chử nhật

"add floating node " thêm điểm cố định và

"add fixed node " thêm điểm di động

chỉnh tạo mật độ các điểm hợp lí nhất

Tam giác hóa cho mesh

Nó gọi ra phép tam giác hóa Delauney để

cho ra dạng tam giác tốt nhất.

dịch chuyển các điểm (floating nodes) để tạo tam giác đều hơn

worst triangle” và ta phải thay đổi nó

bằng cách thêm, di chuyển hay xóa các

điểm cố định hoặc di động

Tam giác hóa cho mesh

Trong quá trình tam giác hóa ta phải chú ý đến chỉ số Qi ở góc trái màn hình

thể hiện cho chất lượng tam giác hóa thấp nhất của mesh

thay đổi Cho phếp Qi nằm từ 0.15 đến

0.5 Tốt nhất là Qi=0.3 đến 0.5 (tại đây ta

có thể dừng quá trình làm mịn)

Lưu trữ dữ liệu

là “save as mesh” hoặc “save as river2D

quá trình làm tiếp theo của ta

“save as river 2D input file” sẽ lưu dữ liệu

trong river2D có đuôi là *.cdg khi nó đã *.cdg

có đầy đủ dữ liệu để chạy Và chương trình

sẽ yêu cầu nhập điều kiện vận tốc ban đầu giả định (chọn bằng 0)

Modul RIVER2D

 Thay đổi điều kiên biên bằng tay

 Dùng chương trình river2D để giải bài toán tính dòng ổn định

kết quả ra màn hình để kiểm tra thông tin

river 2D để cải thiện việc tính toán

Dòng chảy không ổn định

 Chạy dòng không ổn định trong

“ run steady ” ở menu flow Các

thông số cần chú ý khi chạy

dòng ổn định

* “ present time ” là thời điểm từ

bắt đầu đến lúc đang chạy

* “ final time ” là thời gian mà

tính xong sự truyền động ổn

định

* “ time increment ” là kích cỡ

bước thời gian tiến hành

* “ max time increment ” là kích

cỡ lớn nhất của bước tăng thời

gian

Dòng chảy ổn định (steady flow)

độ sâu dòng chảy cũng như vận tốc trong khi chương trình chạy cũng như khi quá trình kết thúc bằng cách dùng các lệnh

trong menu “display”

points to csv file” thì chương trình sẽ xuất

to csv file” thì cho ta các giá trị mặt cắt

Chỉnh sửa mesh trên River2D

ta sẽ biết được vùng nào cần phải hiệu

chỉnh lại lưới tam giác

hiện được việc này trước hết ta phải mở

các lệnh, công cụ tương đương (thêm,

bớt, tam giác hóa… trong R2D_mesh để hiệu chỉnh mesh sao cho tại các vùng cần

là rời rac hóa tốt nhất

Dòng chảy không ổn định (transient)

phải có các dữ liệu sau đây

2 Thay đổi điều kiện biên của dòng ổn định sang

dòng không ổn định

* Quan hệ giữa Lưu lượng và thời gian ở các cửa

vào (được lưu ở dạng file *.cdq)

* Quan hệ giữa mực nước theo thời gian ở cửa ra

(được lưu ở dạng file *.cdh)

Điều kiện ban đầu, điều kiện biên

chảy ổn định với điều kiện biên không đổi làm điều kiện biên lúc mới bắt đầu có sự thay đổi

lưu lượng và được lưu trong file *.cdg

boundary…” trong menu “flow”

Với cửa vào đã xác định (inflow) ta chọn

“time varying discharge” và chỉ đường dẫn

elevation” và chỉ đường dẫn đến file *.bch

của cửa ra

Thay đổi điều kiện biênĐặt trưng của biên

Nhập file *.cdq tương ứng

Nhập file *.cdq tương ứng

Nhập file *.cdh tương ứng

Vùng cửa vào

Vùng cửa ra

Đặt trưng của biên

Vùng cửa vào

Chạy transient

thoại suất hiện

và điều kiện biên là đúng thì hộp hội thọai này mới xuất

Các bước thực hiện trên RIVER2D

•Thiết lập điều kiện biên,

breakline

•Rời rạc hóa biên, thêm, xóa, di chuyển điểm, và tam giác hóa mesh

•Hiệu chỉnh làm đều mesh

•Lưu dữ liệu mesh sang river2d

ổn định

•Chạy dòng không ổn định transient,

•Chạy dòng ổn định xác định các tông số của sông (vận tốc, độ sâu)

•Dựa vào kết quả thay đổi lại mesh trong river2d.

•Chạy lại dòng

ổn định trên river2d

Tổng kết:

nhất là kết quả chạy với dòng ổn định (run steady flow) và chạy dòng không ổn định (run transient), mỗi kết quả có một ứng

dụng riêng trong nghành thủy lợi chúng

ta Ta có thể áp dụng các kết quả đó để

phục vụ cho nhiều lợi ích khác nhau

sự ảnh hưởng của

nó đối với dòng chảy, đối với lòng sông

Có trường vận tốc giúp ta đánh giá đuợc mức độ tác động của dòng chảy đối với bờ, từ

đó đưa ra dự báo

về sợ xói lỡ ở các đoạn sông

Kiểm tra công trình Dự báo xói lỡ

Ứng dụng dòng không ổn định

Dự báo lũ

Khi tính toán dòng không ổn định cho một lưu vực hồ thì ta có thể biết được đường quá trình lũ từ đó đưa ra phương án điiều tiết thích hợp

Điều

tiết lũ

Giới thiệu về sông hàn

 sông Vĩnh Điện: là một phân lưu của sông Thu Bồn được bổ sung thêm một lượng nước từ sông

La Thọ và sông quá dáng rồi tập trung chảy về sông Hàn

 Sông Túy Loan: lưu vực sông Túy Loan nằm bên trái sông Vu Gia Nó hợp với song yên cuùng đổ

về sông Hàn Sông này đứng thứ ba trong việc gây kũ cho sông Hàn

 Sông Hàn là doạn nhập lưu cuối cung đổ ra của biển Thuận Phước Vĩnh Điện Đà Nẵng của các

sông Vĩnh Điện, sông Túy Loan và Sông Yên

Sông Hàn có hai dòng chảy, xuôi (dòng chảy

thượng nguồn) và ngược (dòng triều)

Bài toán tính tràn lũ hạ du sông Hàn

suất khoảng 1/100 được chia thành 9434 phần

tử gồm 5021 nút Biên cứng của miền tính

không cần đưa ra chính xác mà có thể được xác

định trong quá trình tính toán Tạ phân thành 5

vùng biên: cửa sông Hàn, sông Tuý-Loan, sông Yên, Sông Quá-Giáng và sông Vĩnh-Điện ( có hợp lưu của nhánh sông La-Thọ ) Điều kiện biên cho tại cửa sông Hàn được xử lý từ số liệu thủy triều tại trạm Tiên Sa, có tham khảo đến mực nước tổng hợp (kể cả nước dâng do gió mùa, bảo ) Tại bốn biên lỏng còn lại cho lưu lượng được xác định từ tài liệu thủy văn

Biên mực nước biển hạ lưu (Trạm Tiên-Sa) chọn con triều tính toán 7 ngày (vì thông thường dạng lũ nguy hiểm xảy ra trong

bảy ngày), theo tần suất 5% Các biên

vào nhận giá trị theo tần suất tính toán

5%

số sẽ thể hiện đúng hiện tượng xảy ra

Nhưng ở đây ta bỏ qua ảnh hưởng do bão làm tăng mực nước triều Nhưng đối với

các sông quan trọng thì tần xuất thiết kế nên từ 1% dến 2%

Bài toán tính tràn lũ hạ du sông Hàn

Thực hiện mô hình trên sông Hàn

sông hàn, tinh lọc số liệu, thiết lập các

đường biên cho mô hình sau đó lưu file

này dưới đuôi *.bed

các điều kiện biên cho dòng vào và dòng

Đưa độ nhám và vẽ biên trong BED

Mesh chưa hoàn thiện

Chạy dòng ổn định và hiển thi kết quả

Hoàn thiện lại mesh

Mesh hoàn thiện

Chạy dòng không ổn định và xuất kết quả

trình diễn biến lưu lượng Q~t tại các biên lỏng

Tiên Sa

thì chương trình mới chạy

số liệu tại điểm, xuất số liệu hình ảnh,

lưu trong 5h

Dòng chảy lũ tại thời điểm 70h

Đường quá trình lũ tại các trạm

độ sâu các trạm trong quá trình lũ

Độ sâu dòng chảy tại trạm NHS47

Nhận xét

 So sánh với thực tế tại trạm NHS47 ta thấy đường

quá trình lưu lượng tính toán và đường quá trình lưu lượng thực tế có dạng giống nhau Nhưng về trị số

đỉnh lũ thì có sụ sai khác Phân tích nguyên nhân dẫn đến sự sai khác đó là do các nguyên nhân sau đây:

 Quá trình thiết lập độ nhám tính toán cho mô hình

chưa hoàn chỉnh vì không có tài liệu thực tế.

 Đường biên còn nhiều chỗ không chính xác từ đó dẫn đến vận tốc một số điển không chính xác

 Ở đây chúng em tính toán với tần xuất tinh toán 5% nhưng thực tế lũ sông hàn có tần suất khoảng 1-2%.

 Bỏ qua sự ảnh hưởng của gió bão và các yếu tố khác.

Đề xuất kiến nghị

lũ cho các sông khác

bố trí các trạm đo mưa dày hơn trên

thượng nguồn, khoảng cách giữa hai thời đoạn đo nên thu hẹp ngắn lại

con sông nhằm xác định đúng các thông

số ban đầu Cung cấp số liệu mở cho

những người có tâm huyết thực hiện các nghiên cứu mang tính thực tiễn

Tổng quan

tính toán thiết kế các công trình chỉnh trị

sông Nhưng thực tế chúng ta chỉ có tài này tại một số trạm đo nhất định trên sông Với những tài liệu này thì không đủ thực hiện

quá trình tính toán nếu tại vùng chỉnh trị

không có trạm đo

hình RIVER2D vào việc tính toán thiết kế

công trình, từ đó mà có thể đưa phần mềm vào ứng dụng thực tế cho ngành thủy lợi

chúng ta

Mô tả tuyến sông chỉnh trị

 Sông Vệ bắt nguồn từ vùng núi phía Tây của huyện

Ba Tơ Sông chảy theo hướng Tây Nam – Đông Bắc

đổ ra biển qua cửa Cổ Luỹ và cửa Đức Lợi sông dài

90 Km, có diện tích lưu vực 1260 km, Độ cao trung bình khoảng 170(m), mật độ lưới sông 0,79

km/km2 Các nhánh sông lớn của sông Vệ như sông

Tà Nô, sông Mễ, nhánh sông Thoa…

 Đoạn sông từ ngã ba giao nhau giữa sông Thoa và sông Vệ kéo dài đến Cửa Lở khoảng 15,0 Km qua địa

phận Thị trấn Sông Vệ, dòng chảy chuyển biến khá

mạnh, tình hình sạt lở càng nghiêm trọng, chủ lưu

dòng chảy đổi hướng phá vỡ thế cân bằng hiện có

Mô hình tính toán

thôn Hòa Mỹ - Hành Phước – Nghĩa Hành hiện tại đang xói lỡ rất mạnh

không có sông nhánh bổ sung lưu lượng

hai chiều ổn định với lưu lượng tạo lòng vì lưu lượng này ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình tạo lòng sông

Quá trình tính toán trên RIVER2D

thành một file đầu vào cho R2D_Bed

(*.txt) Từ file này tiến hành chạy trong môi trường bed để tinh lọc số liệu và vẽ đường biên miền tinh toán

ra Tiến hành vẽ các đường breakline và

tạo lưới phần tử cho miền tính toán

hiển thị kết quả tính vận tốc và cao trình mực nước Dựa vào kết quả này hoàn

thiện lại mesh

Chạy lại chương trình với mesh hoàn

thiện Hiển thị trường vận tốc dòng chảy bằng hình ảnh qua đó xác định được trục động lực của vùng chỉnh trị Kết hợp với

những công thức thực nghiệm và bán thực nghiệm ta vạch được tuyến chỉnh trị

chạy bed và vẽ lại đường biên

trình thực tế

Quá trình tính toán trên RIVER2D

Chạy dòng không ổn định với lưới sơ bộ đã tạo và hoàn thiện lưới

thiện, trích xuất các số liệu về vận tốc, độ sâu dòng chảy

chảy có thỏa yêu cầu đặt ra khi thiết kế

công trình

Quá trình tính toán trên RIVER2D

Địa hình vùng tính toán trong R2D_Bed

Lưới phần tử chưa có mỏ hàn

Trường vận tốc khi chưa mỏ hàn

Trường vận tốc khi chưa mỏ hàn

Bố trí mặt bàng mỏ hàn

Kiểm tra dòng chảy khi có công trình

dòng chảy trong mỏ hàn vẫn không thật

sụ tốt Đề xuất thiết kế lại mỏ hàn

Nhận xét về phần mềm

trình dòng chảy ra ở đoạn sông cong như nhau nhưng máy có thể đưa ra kết quả

đúng với thực tế đó là mực nước ở bờ lõm cao hơn bờ lồi

trên sông, giúp người thiết kế có cái nhìn tổng quan về dòng chảy trên sông

bất kì bằng trực quan lẫn số liệu, giúp cho việc thiết kế chính xác hơn

Thuận lợi

em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của

giáo sư Nguyễn Thế Hùng, của thầy Huy và

sự động viên của các thầy trong khoa là

động lực để giúp chúng em đi đến bước cuối cùng

học lý thuyết và hoàn thành đồ án môn học chỉnh trị sông nên các kiến thức dễ nắm bắt hơn cũng như lập mô hình tính toán dễ dàng hơn