Xem mẫu
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực
hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực,
chƣa đƣợc công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả
Nguyễn Viết Thanh
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải
Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và
PGS.TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới các thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm
tƣởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhƣng nhờ sự động viên, khích lệ của
các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án
đã đƣợc hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn các
nhà khoa học trong và ngoài nƣớc, tác giả của các công trình nghiên cứu đã
đƣợc nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tƣ liệu quý
báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trƣờng, Phòng
Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hội
đồng Tiến sỹ Nhà trƣờng vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và
hoàn thành chƣơng trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi
lời cảm ơn đến TS. Đặng Hữu Chung-Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí
nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển thuộc Viện Khoa học
Thủy lợi Việt Nam vì những sự giúp đỡ quý báu về thuật toán mô phỏng, xây
dựng các mô hình thí nghiệm vật lý cũng nhƣ sự giúp đỡ, hƣớng dẫn về mặt
kỹ thuật.
Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình
đã đƣa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn Lãnh
đạo Ban Quản lý Khu kinh tế Quảng Bình đã tạo điều kiện cho nghiên cứu
sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động
viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời
gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực
hiện luận án.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Nguyễn Viết Thanh
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... xi
0.1. Lý do để chọn đề tài ....................................................................................... xi
0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án.......................................... xii
0.2.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................... xii
0.2.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................... xiv
0.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... xvi
0.3. Cấu trúc của luận án ..................................................................................... xvi
CHƢƠNG 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 nƣớc ............. 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 nƣớc ............................... 5
1.3. Tổng quan về các phƣơng pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu ...................... 6
1.3.1. Phƣơng pháp giải tích ............................................................................. 6
1.3.2. Phƣơng pháp mô hình vật lý .................................................................... 7
1.3.3. Phƣơng pháp đo xói thực tế tại hiện trƣờng .......................................... 14
1.3.4. Phƣơng 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
iv
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 đƣợc ..................................................................... 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 33
1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................... 34
1.8. Kết luận chƣơng I..........................................................................................34
CHƢƠNG 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 phƣơng trình toán học cơ bản........................................................... 35
2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên ............................................... 37
2.2. Phƣơng 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 bƣớc 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 trƣờng dòng chảy, vận tốc trƣớc và sau trụ cầu
dọc theo chiều dòng chảy................................................................................. 54
2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 54
v
2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc .................... 54
2.6. Kết luận Chƣơng II........................................................................................ 57
CHƢƠNG 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 chƣơng III ....................................................................................... 77
CHƢƠNG 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 lƣới 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 hƣớng dòng chảy ......... 86
4.2.1. Thiết lập hình học .................................................................................. 86
4.2.2. Thiết lập lƣới mô phỏng......................................................................... 87
4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên ................................................................... 88
nguon tai.lieu . vn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực
hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực,
chƣa đƣợc công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả
Nguyễn Viết Thanh
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải
Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và
PGS.TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới các thầy về định hƣớng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm
tƣởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhƣng nhờ sự động viên, khích lệ của
các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án
đã đƣợc hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn các
nhà khoa học trong và ngoài nƣớc, tác giả của các công trình nghiên cứu đã
đƣợc nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tƣ liệu quý
báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trƣờng, Phòng
Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hội
đồng Tiến sỹ Nhà trƣờng vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và
hoàn thành chƣơng trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi
lời cảm ơn đến TS. Đặng Hữu Chung-Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí
nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển thuộc Viện Khoa học
Thủy lợi Việt Nam vì những sự giúp đỡ quý báu về thuật toán mô phỏng, xây
dựng các mô hình thí nghiệm vật lý cũng nhƣ sự giúp đỡ, hƣớng dẫn về mặt
kỹ thuật.
Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình
đã đƣa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn Lãnh
đạo Ban Quản lý Khu kinh tế Quảng Bình đã tạo điều kiện cho nghiên cứu
sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động
viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời
gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực
hiện luận án.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Nguyễn Viết Thanh
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... xi
0.1. Lý do để chọn đề tài ....................................................................................... xi
0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án.......................................... xii
0.2.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................... xii
0.2.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................... xiv
0.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... xvi
0.3. Cấu trúc của luận án ..................................................................................... xvi
CHƢƠNG 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 nƣớc ............. 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 nƣớc ............................... 5
1.3. Tổng quan về các phƣơng pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu ...................... 6
1.3.1. Phƣơng pháp giải tích ............................................................................. 6
1.3.2. Phƣơng pháp mô hình vật lý .................................................................... 7
1.3.3. Phƣơng pháp đo xói thực tế tại hiện trƣờng .......................................... 14
1.3.4. Phƣơng 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
iv
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 đƣợc ..................................................................... 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 33
1.7. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................... 34
1.8. Kết luận chƣơng I..........................................................................................34
CHƢƠNG 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 phƣơng trình toán học cơ bản........................................................... 35
2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên ............................................... 37
2.2. Phƣơng 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 bƣớc 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 trƣờng dòng chảy, vận tốc trƣớc và sau trụ cầu
dọc theo chiều dòng chảy................................................................................. 54
2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 54
v
2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc .................... 54
2.6. Kết luận Chƣơng II........................................................................................ 57
CHƢƠNG 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 chƣơng III ....................................................................................... 77
CHƢƠNG 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 lƣới 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 hƣớng dòng chảy ......... 86
4.2.1. Thiết lập hình học .................................................................................. 86
4.2.2. Thiết lập lƣới mô phỏng......................................................................... 87
4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên ................................................................... 88