Luận án Tiến sĩ: Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu

i<br /> <br /> LỜI CAM ĐOAN<br /> Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực<br /> hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực,<br /> chƣa đƣợc công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình<br /> nào khác.<br /> <br /> Tác giả<br /> <br /> Nguyễn Viết Thanh<br /> <br /> ii<br /> <br /> LỜI CẢM ƠN<br /> Luận án Tiến sĩ đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải<br /> Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và<br /> PGS.TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc<br /> tới các thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện<br /> thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm<br /> tƣởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhƣng nhờ sự động viên, khích lệ của<br /> các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án<br /> đã đƣợc hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn các<br /> nhà khoa học trong và ngoài nƣớc, tác giả của các công trình nghiên cứu đã<br /> đƣợc nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tƣ liệu quý<br /> báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.<br /> Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trƣờng, Phòng<br /> Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hội<br /> đồng Tiến sỹ Nhà trƣờng vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và<br /> hoàn thành chƣơng trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi<br /> lời cảm ơn đến TS. Đặng Hữu Chung-Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí<br /> nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển thuộc Viện Khoa học<br /> Thủy lợi Việt Nam vì những sự giúp đỡ quý báu về thuật toán mô phỏng, xây<br /> dựng các mô hình thí nghiệm vật lý cũng nhƣ sự giúp đỡ, hƣớng dẫn về mặt<br /> kỹ thuật.<br /> Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình<br /> đã đƣa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn Lãnh<br /> đạo Ban Quản lý Khu kinh tế Quảng Bình đã tạo điều kiện cho nghiên cứu<br /> sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu.<br /> Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động<br /> viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời<br /> gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực<br /> hiện luận án.<br /> Hà Nội, tháng 10 năm 2014<br /> <br /> Nguyễn Viết Thanh<br /> <br /> iii<br /> <br /> MỤC LỤC<br /> LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................i<br /> LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................ii<br /> DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................vii<br /> DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................viii<br /> MỞ ĐẦU ................................................................................................................... xi<br /> 0.1. Lý do để chọn đề tài ....................................................................................... xi<br /> 0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án.......................................... xii<br /> 0.2.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................... xii<br /> 0.2.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................... xiv<br /> 0.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... xvi<br /> 0.3. Cấu trúc của luận án ..................................................................................... xvi<br /> CHƢƠNG I - TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC BỘ<br /> TẠI TRỤ CẦU ........................................................................................................... 1<br /> 1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu ................................... 1<br /> 1.1.1. Khái niệm, phân loại xói .......................................................................... 1<br /> 1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu....................................................... 2<br /> 1.1.2.1. Khái niệm xói cục bộ trụ cầu ................................................................ 2<br /> 1.1.2.2. Cơ chế xói cục bộ trụ cầu ..................................................................... 3<br /> 1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong nƣớc ............. 5<br /> 1.2.1. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới ............................. 5<br /> 1.2.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nƣớc ............................... 5<br /> 1.3. Tổng quan về các phƣơng pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu ...................... 6<br /> 1.3.1. Phƣơng pháp giải tích ............................................................................. 6<br /> 1.3.2. Phƣơng pháp mô hình vật lý .................................................................... 7<br /> 1.3.3. Phƣơng pháp đo xói thực tế tại hiện trƣờng .......................................... 14<br /> 1.3.4. Phƣơng pháp mô phỏng số..................................................................... 16<br /> 1.3.4.1. Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trên thế<br /> giới ................................................................................................................... 16<br /> 1.3.4.2. Sơ lược quá trình phát triển của phương pháp mô phỏng số trong<br /> nước.................................................................................................................. 21<br /> <br /> iv<br /> 1.3.4.3. Một số phần mềm mô phỏng thủy động lực học thông dụng trên thế<br /> giới hiện nay..................................................................................................... 22<br /> 1.4. Đánh giá chung ............................................................................................. 30<br /> 1.4.1. Những thành tựu đạt đƣợc ..................................................................... 30<br /> 1.4.1.1. Trên thế giới ........................................................................................ 30<br /> 1.4.1.2. Trong nước .......................................................................................... 31<br /> 1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại ....................................................................... 31<br /> 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................................... 32<br /> 1.6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 33<br /> 1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................... 34<br /> 1.8. Kết luận chƣơng I..........................................................................................34<br /> CHƢƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁCH THIẾT<br /> LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN TÍNH XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU ............................... 35<br /> 2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô phỏng số ............................................ 35<br /> 2.1.1. Hệ phƣơng trình toán học cơ bản........................................................... 35<br /> 2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên ............................................... 37<br /> 2.2. Phƣơng pháp giải số đối với FSUM .............................................................. 40<br /> 2.3. Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM ............................................. 44<br /> 2.4. Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu trong FSUM................. 47<br /> 2.4.1. Các giả thiết ........................................................................................... 47<br /> 2.4.2. Các bƣớc thiết lập mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu đối với<br /> FSUM ............................................................................................................... 47<br /> 2.5. Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục bộ trụ cầu ............... 48<br /> 2.5.1. Thiết lập độ nhám theo khu vực ............................................................ 48<br /> 2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 48<br /> 2.5.1.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh ............................................................... 51<br /> 2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng phần tử hạt.................................................52<br /> 2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết......................................................................................52<br /> 2.5.2.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh ............................................................... 53<br /> 2.5.3. Thiết lập mô đun mô tả trƣờng dòng chảy, vận tốc trƣớc và sau trụ cầu<br /> dọc theo chiều dòng chảy................................................................................. 54<br /> 2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 54<br /> <br /> v<br /> 2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc .................... 54<br /> 2.6. Kết luận Chƣơng II........................................................................................ 57<br /> CHƢƠNG III - THÍ NGHIỆM VỀ XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU ................................ 58<br /> 3.1. Giới thiệu về các thí nghiệm ......................................................................... 58<br /> 3.1.1. Mục tiêu và nguyên tắc xây dựng mô hình thí nghiệm ......................... 58<br /> 3.1.2. Mô tả thí nghiệm .................................................................................... 59<br /> 3.2. Trình tự thí nghiệm ....................................................................................... 61<br /> 3.2.1. Công tác chuẩn bị................................................................................... 61<br /> 3.2.2. Trình tự các thí nghiệm .......................................................................... 62<br /> 3.2.2.1. Thí nghiệm thứ nhất ............................................................................ 62<br /> 3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai .............................................................................. 63<br /> 3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba ............................................................................... 64<br /> 3.3. Các quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm ........................................... 65<br /> 3.3.1. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ nhất ........................ 65<br /> 3.3.2. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ hai .......................... 68<br /> 3.3.3. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ ba ........................... 71<br /> 3.4. Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm.......................................................... 75<br /> 3.5. Kết luận chƣơng III ....................................................................................... 77<br /> CHƢƠNG IV - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> SỐ VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................... 79<br /> 4.1. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đơn .......................................................... 79<br /> 4.1.1. Thiết lập hình học .................................................................................. 79<br /> 4.1.2. Thiết lập lƣới mô phỏng......................................................................... 80<br /> 4.1.3. Xây dựng các điều kiện biên .................................................................. 81<br /> 4.1.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh với kết quả đo thực<br /> nghiệm.............................................................................................................. 82<br /> 4.1.4.1. Cơ chế dòng chảy, trường véc tơ vận tốc và xói xung quanh trụ ....... 82<br /> 4.1.4.2. Quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ theo thời gian ............ 84<br /> 4.2. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt dọc theo hƣớng dòng chảy ......... 86<br /> 4.2.1. Thiết lập hình học .................................................................................. 86<br /> 4.2.2. Thiết lập lƣới mô phỏng......................................................................... 87<br /> 4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên ................................................................... 88<br /> <br />