Tiến Sĩ Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ TẠI TRỤ CẦU 1
1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu 1
1.1.1. Khái niệm, phân loại xói 1
1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu 2
1.1.2.1. Khái niệm xói cục bộ trụ cầu 2
1.1.2.2. Cơ chế xói cục bộ trụ cầu 3
1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước 5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới 5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước 5
1.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu 6
1.3.1. Phương pháp giải tích 6
1.3.2. Phương pháp mô hình vật lý 7
1.3.3. Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường 14
1.3.4. Phương pháp mô phỏng số 16
1.3.4.1. Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trên thế giới 16
1.3.4.2. Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trong nước 21
1.3.4.3. Một số phần mềm mô phỏng thủy động lực học thông dụng trên thế giới hiện nay 22
1.4. Đánh giá chung 30
1.4.1. Những thành tựu đạt được 30
1.4.1.1. Trên thế giới 30
1.4.1.2. Trong nước 31
1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại 31
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 32
1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 33
1.7. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 34
1.8. Kết luận chương I 34
CHƯƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁCH THIẾT LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN TÍNH XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 35
2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô phỏng số 35
2.1.1. Hệ phương trình toán học cơ bản 35
2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên 37
2.2. Phương pháp giải số đối với FSUM 40
2.3. Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM 44
2.4. Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu trong FSUM 47
2.4.1. Các giả thiết 47
2.4.2. Các bước thiết lập mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu đối với FSUM 47
2.5. Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục bộ trụ cầu 48
2.5.1. Thiết lập độ nhám theo khu vực 48
2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết 48
2.5.1.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh 51
2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng phần tử hạt .52
2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết 52
2.5.2.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh 53
2.5.3. Thiết lập mô đun mô tả trường dòng chảy, vận tốc trước và sau trụ cầu dọc theo chiều dòng chảy 54
2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết 54
2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc 54
2.6. Kết luận Chương II 57
CHƯƠNG III - THÍ NGHIỆM VỀ XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU 58
3.1. Giới thiệu về các thí nghiệm 58
3.1.1. Mục tiêu và nguyên tắc xây dựng mô hình thí nghiệm 58
3.1.2. Mô tả thí nghiệm 59
3.2. Trình tự thí nghiệm 61
3.2.1. Công tác chuẩn bị 61
3.2.2. Trình tự các thí nghiệm 62
3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất 62
3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai 63
3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba 64
3.3. Các quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm 65
3.3.1. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ nhất 65
3.3.2. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ hai 68
3.3.3. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ ba 71
3.4. Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm 75
3.5. Kết luận chương III 77
CHƯƠNG IV - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79
4.1. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đơn 79
4.1.1. Thiết lập hình học 79
4.1.2. Thiết lập lưới mô phỏng 80
4.1.3. Xây dựng các điều kiện biên 81
4.1.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm 82
4.1.4.1. Cơ chế dòng chảy, trường véc tơ vận tốc và xói xung quanh trụ 82
4.1.4.2. Quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ theo thời gian 84
4.2. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt dọc theo hướng dòng chảy 86
4.2.1. Thiết lập hình học 86
4.2.2. Thiết lập lưới mô phỏng 87
4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên 88
4.2.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm 89



4.2.4.1. Trường dòng chảy xung quanh trụ cầu 89
4.2.4.2. Trường dòng chảy trước và sau trụ cầu theo phương dọc 90
4.2.4.3. Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu 92
4.3. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy 94
4.3.1. Xây dựng mô hình hình học 94
4.3.2. Thiết lập hình học và lưới mô phỏng 95
4.3.3. Thiết lập các điều kiện biên 96
4.3.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực nghiệm 96
4.3.4.1. Trường dòng chảy và vận tốc xung quanh các trụ cầu 96
4.3.4.2. Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu 97
4.4. Kết luận chương IV 99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .100
I. KẾT LUẬN 100
1. Những đóng góp chung của luận án 100
2. Những đóng góp mới của luận án 103
3. Những tồn tại, hạn chế 103
II. KIẾN NGHỊ 104
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
PHỤ LỤC . 120
MỞ ĐẦU
1. Lý do để chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng công trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây dựng ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta, với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng nhiều cây cầu mới được xây dựng thì càng xuất hiện vấn đề hư hỏng cầu, thậm chí là sập cầu mỗi khi bão lũ xãy ra mà theo kết quả điều tra nguyên nhân chính là do xói cục bộ tại chân trụ cầu và mố cầu. Do vậy, nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là một lĩnh vực gần như là kinh điển của khoa học động lực học dòng sông ở cả trên thế giới và tại Việt Nam, đây là một vấn đề mang tính chất thời sự mà các kết quả nghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện. Có rất nhiều nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước đã được công bố; ở nước ta có một số nhà khoa học như GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục, PGS.TS. Trần Đình Nghiên đã và đang quan tâm nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu, mố cầu, cơ chế xói cục bộ, đã đề xuất các công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu lớn nhất và đã được các kỹ sư thiết kế cầu áp dụng để tính cao trình đặt đáy móng mố, trụ cầu; tuy nhiên, phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu hiện nay được xây dựng vào phương pháp nghiên cứu nửa lý thuyết nửa thực nghiệm sử dụng các mô hình xói trong điều kiện thí nghiệm ở trong phòng trên các máng thủy lực có hiệu chỉnh tham số tính toán theo các tài liệu đo xói trụ cầu hiện đang sử dụng khai thác ngoài thực tế. Có thể nói hiện nay chưa có phương pháp tính xói cục bộ trụ cầu theo các phương trình lý thuyết được các Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường và các nhà khoa học cầu đường chấp nhận.
Tiếp cận hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài "Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu".
0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
0.2.1. Ý nghĩa khoa học
Như chúng ta đã biết, nguyên nhân gây hư hỏng công trình cầu phổ biến nhất là do tác động của dòng chảy lũ, mà trực tiếp là do xói cục bộ đáy sông xung quanh móng mố, trụ cầu. Đánh giá xói lở tại chân trụ, mố cầu tương ứng với lưu lượng và mực nước lũ thiết kế trong lớp đất đáy sông dễ xảy ra xói rất cần thiết đối với hệ thống công trình cầu bởi vì vị trí cầu cố định, dòng chảy luôn di động gây xói sâu và mở rộng lòng vào bãi sông trong vùng dòng chảy bị ảnh hưởng của cầu, đe dọa đến an toàn công trình cầu. Trước những năm 60 của thế kỷ trước, việc đánh giá xói và tác động của xói đến công trình còn rất hạn chế. Sau những năm 60 đã có một số đáng kể các phương trình dự đoán xói và mô hình vận chuyển bùn cát, song chưa hiểu đầy đủ về cơ chế gây xói cũng như chưa có khả năng đưa ra mô hình đánh giá chính xác sự thay đổi hình thái đoạn sông ở vùng cầu trong thời gian lũ không dài. Các phương trình dự đoán xói hầu hết dựa vào mô hình vật lý rút ra từ phòng thí nghiệm, còn bị hạn chế về các yếu tố thủy lực, địa chất, kích thước trụ, chưa phản ánh đúng tính chất phức tạp của dòng chảy và bùn cát tương tác với trụ cầu, do vậy nhiều công trình cầu bị hư hỏng do lũ.
Về mặt khoa học, các đặc trưng thủy động lực học tại đáy móng trụ cầu vô cùng phức tạp, nhất là cơ chế dòng chảy xung quanh trụ, xác định chiều sâu lớn nhất có thể đạt được trong hố xói cục bộ còn nhiều điểm hấp dẫn các nhà khoa học trong và ngoài nước, ở hiện tại và tương lai.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của phần mềm máy tính và hiệu quả kinh tế mà nó mang lại, các nhà nghiên cứu đã tiếp cận hướng nghiên cứu về động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Phương pháp mô hình mô phỏng số đã đem lại những hiểu biết nhiều hơn về các đặc trưng thủy động lực học của dòng chảy một cách toàn diện và chi tiết trong lĩnh vực thủy lực sông biển và các công trình thủy lợi. Tuy nhiên, trong thủy lực công trình cầu đường thì hướng nghiên cứu này còn ít được quan tâm.
Hiện nay, trên thế giới đã xuất hiện một số phần mềm thương mại mô phỏng 3 chiều (3D) được dùng trong động lực học chất lỏng tính toán, mô phỏng dòng chảy trong sông, suối, đường ống dẫn dầu, dòng trong píttông, như FLUENT-3D, FLOW-3D, Flo-3D, SSIIM-3D, một số ít phần mềm đã được áp dụng để mô phỏng dòng chảy bao quanh trụ cầu, mô phỏng trường vận tốc và hố xói xung quanh trụ cầu. Mặc dù đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ, tuy nhiên vẫn đang dừng lại ở bước thử nghiệm, chưa có một công bố chính thức nào về khả năng áp dụng các phần mềm thương mại này vào lĩnh vực nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu. Mặt khác, một rào cản lớn của việc áp dụng các phần mềm thương mại này trên thế giới và tại Việt Nam đó là đa số các phần mềm này đòi hỏi phải được chạy trên những máy tính có cấu hình mạnh, thời gian tính toán rất lâu có khi phải mất hàng tuần, hàng tháng; các phần mềm này thường có mã nguồn đóng, khó tiếp cận và sử dụng; đặc biệt là giá thành các phần mềm thương mại đó rất cao lên đến hàng chục nghìn, hàng trăm nghìn đô la Mỹ.
Như vậy, việc ứng dụng và phát triển một mô hình số trị mã nguồn mở để mô phỏng 3 chiều để phân tích các đặc trưng thủy động lực học tại vị trí đáy móng công trình thủy lực nói chung và tại chân trụ cầu nói riêng cả về không gian và thời gian là một vấn đề có ý nghĩa khoa học cao. Mô phỏng số giúp có thêm công cụ để phân tích thủy động lực học dòng chảy. "Với sự linh hoạt của mô hình số trị, sẽ có điều kiện nghiên cứu các đặc trưng thủy động lực học một cách hoàn chỉnh hơn theo các phương diện về miền tính toán và các trường hợp tính toán. Nó sẽ mang lại những nhìn nhận một cách tổng thể hơn và chi tiết hơn so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống'' (Lê Văn Nghị, 2005, Viện KHTL Việt Nam) [6].