Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
MỘT SỐ GIỚI HẠN KHI ÁP DỤNG TRÀN MỎ VỊT
ĐỂ TĂNG KHẢ NĂNG THÁO
Nguyễn Phương Dung1, Hồ Sỹ Tâm1 Nguyễn Văn Thức2
1
Trường Đại học Thủy lợi, email: nguyenphuongdungn@tlu.edu.vn
2
Công ty Tư vấn - CTC Trường Đại học Thủy lợi
1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nguyên mẫu kích thước công trình được lấy
Trong số gần 7000 hồ chứa ở Việt Nam [1] từ Báo cáo TKKT tràn Ea Uy Thượng, huyện
thì số lượng các hồ chứa thủy lợi cần tăng Krông Păk, tỉnh Đắk Lắk [2]. Nghiên cứu sẽ
khả năng tháo lũ là rất nhiều. Việt Nam nằm tập trung vào biện pháp tăng chiều dài ngưỡng
trong số 5 nước chịu ảnh hưởng lớn do nước bằng cách đẩy lùi nó về phía thượng lưu - tạo
biển dâng và biến đổi khí hậu, đặc điểm này thành hình mỏ vịt trên mặt bằng, phía sau
dẫn đến dòng chảy các đầu mối công trình ngưỡng tràn giữ nguyên kích thước dốc nước
thủy thay đổi đáng kể: vào mùa lũ lưu lượng và công trình tiêu năng (xem Hình 1).
tăng lên so với phương án thiết kế ban đầu;
thời gian lũ có thể kéo dài, đỉnh lũ lớn hoặc
lũ chồng lũ.
Việc nâng cấp đầu mối, cải tạo tràn đặt ra
nhu cầu bức thiết về việc đảm bảo khả năng
tháo được lũ cực đoan, đồng thời đảm bảo an
toàn cho đầu mối và hạ du. Thực tế cho thấy
rất nhiều các đầu mối đã tiến hành nâng cấp Tràn xả lũ
tràn để tăng khả năng tháo cho tràn chính Hình 1. Mặt bằng tràn Ea Uy Thượng
hoặc làm thêm tràn phụ. Bài toán giữ được sau khi nâng cấp
hiện trạng công trình mà vẫn tăng khả năng
tháo được giải quyết với một số hình thức Nhiệm vụ cụ thể của nghiên cứu là tính
như tràn mỏ vịt, tràn labyrinth, tràn piano… toán lưu lượng tháo qua tràn mỏ vịt với các
Các hình thức này đã được chứng minh tăng cột nước khác nhau; đánh giá hiệu quả tháo
khả năng tháo lũ so với tràn đỉnh rộng hoặc của tràn mỏ vịt theo các thông số kỹ thuật đã
thực dụng truyền thống. có, từ đó chỉ ra các giới hạn áp dụng của tràn
Nghiên cứu này sẽ trả lời câu hỏi, liệu có mỏ vịt trong thực tế.
giới hạn nào cho việc áp dụng các hình thức
tràn vừa nêu ở đầu mối công trình thủy để 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
tăng khả năng tháo lũ. Bài viết sẽ đánh giá Các tác giả sẽ sử dụng phần mềm CFD mô
tập trung vào các đặc điểm: cột nước trên phỏng dòng chảy qua tràn mỏ vịt và đối
tràn, hệ số lưu lượng thực tế, hệ số hình dạng chứng với kết quả tính toán từ các phương
mặt cắt ở tràn mỏ vịt. Khả năng tháo của tràn trình cơ học chất lỏng.
mô phỏng trên mô hình toán sẽ được so sánh
với lưu lượng tháo tính theo phương pháp cơ 2.1. Phương pháp thể tích hữu hạn
học chất lỏng trong cùng điều kiện. Trong (FVM - Finite Volume Method)
giới hạn của nghiên cứu sẽ chỉ tìm hiểu về Mô hình động lực học hai chiều được xây
khả năng tháo của tràn tự do dạng mỏ vịt. dựng dựa trên cơ sở hệ phương trình
211
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
Raynolds với các thành phần được lấy trung 2.2. Phương pháp cơ học chất lỏng
bình theo độ sâu, dưới dạng véc tơ [3], được Lưu lượng tháo qua tràn tự do khi tăng chiều
viết như sau: rộng tràn nước được tính theo công thức (4).
q F G Mặt cắt của ngưỡng được thể hiện trên Hình 3.
D (1)
t x y
Bản chất toán học của phương pháp thể
tích hữu hạn là biến đổi hệ phương trình sóng
động lực hai chiều ngang dưới dạng các
phương trình đạo hàm riêng thành hệ các Hình 3. Mặt cắt tràn Ea Uy Thượng
phương trình vi phân thỏa mãn các điều kiện
ban đầu và điều kiện tại biên. Khi đó, việc Q = εm.b + b. 2g .Ho3/2 (4)
giải bài toán sóng động lực đã trở thành bài Trong đó: b là chiều dài mở rộng của tràn.
toán tìm nghiệm của hệ các phương trình vi Từ các kết quả tính toán khả năng tháo
phân thường. Trạng thái gần đúng đối với số bằng phương pháp mô hình toán và phương
Reynolds cao dòng chất lưu trên bề mặt có pháp cơ học chất lỏng sẽ tiến hành so sánh
thể được chia thành khu vực ngoài của dòng trong các trường hợp khác nhau để kết luận về
không nhớt không bị ảnh hưởng bởi độ nhớt một số giới hạn nhất định khi áp dụng hình
(phần lớn của dòng chảy) và gần với khu vực thức tràn mỏ vịt ở đầu mối công trình thủy.
mà độ nhớt là quan trọng (các lớp biên). 2.3. Các trường hợp tính toán
Các phương trình liên tục và phương trình
Tràn tháo lũ của đầu mối công trình Ea Uy
Navier-Stokes cho dòng chảy được phân tách
Thượng được sửa chữa nhằm nâng cao năng
thành phần trung bình và dao động (mean and
lực tháo lũ qua tràn. Cụ thể, ở phương án cũ
fluctuating component) được cho ở phương
tràn chỉ rộng 15m (bằng đúng chiều rộng dốc
trình 2 và 3:
nước); phương án mới được thay thế bằng tràn
u v
0 (2) mỏ vịt - ngưỡng tràn được đẩy về phía thượng
x y lưu, chế độ chảy tự do, tổng chiều dài ngưỡng
u v 1 p 2 u 2 u tràn là 45m (gấp 3 lần phương án ban đầu).
u v v 2 2 (u ' v ') (u '2 )
x y x x y y x Các cột nước được khảo sát sẽ thay đổi từ
u v 1 p 2 u 2 u - 2m. Mô hình toán mô phỏng bằng
u v v 2 2 (u ' v') (v'2 ) (3) Flow3D và chia lưới thế tích được thể hiện
x y x x y x y
trên Hình 4.
Trong đó: u và v là các thành phần vận tốc
(tương ứng là giá trị trung bình và dao động
của chúng); p là mật độ; p là áp suất; ν là độ
nhớt động học của lưu chất tại một điểm.
Việc giải các phương trình dao động trên
được thực hiện bằng các mô phỏng toán dùng
Flow3D. Mô hình được thể hiện ở Hình 2.
Hình 4. Lưới thể tích ở thượng lưu tràn
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Thực hiện các mô phỏng trên mô hình
toán, kết quả được trích xuất trên hình 5. Cột
nước được thể hiện là H = 1,5m. Lưu lượng
Hình 2. Mô hình tràn Ea Uy Thượng ghi nhận được trên mô hình toán khi ổn định
sau khi nâng cấp là xấp xỉ 110m3/s. Trong khi đó, khi dùng
212
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
công thức (4) thì khả năng tháo là 136m3/s.
Điều này cho thấy hệ số lưu lượng và mức độ
ảnh hưởng của hệ số hình dạng đã làm khả
năng tháo thay đổi theo hướng giảm đi khi
cột nước tăng lên.
Hình 7. Dạng biến đổi của hệ số lưu lượng
và hệ số hình dạng
4. KẾT LUẬN
Theo các kịch bản tính toán, lưu lượng
tháo với tràn mỏ vịt chỉ có hiệu quả ứng với
cột nước H < 1m. Cột nước từ 1m - 2m thì
khả năng tháo đã giảm. Như vậy giới hạn áp
dụng trong trường hợp cụ thể này là cột nước
nhỏ hơn 1m. Có thể tràn mỏ vịt vẫn phát huy
hiệu quả đối với cột nước 1,5m nhưng cột
nước càng cao thì khả năng tháo của tràn mỏ
vịt không khác với phương án đã thiết kế ban
đầu (Btr = 15m).
Hình 5. Kết quả khả năng tháo trên Flow3D Mối tương quan giữa hệ số lưu lượng,
ứng với cột nước H = 1,5m chiều dài, lưu lượng tháo nước là tương đối
So sánh giá trị lưu lượng tháo khi cột nước phức tạp. Thực tế cho thấy các tính toán điều
tăng dần từ 0,5m - 2,0m được biểu đồ như ở tiết lũ cho dạng tràn mỏ vịt (hay móng ngựa
hình 6. Khả năng tháo thực tế khi cột nước hoặc labyrinth, piano) đều đang chọn hệ số lưu
cao không thể chỉ đơn thuần tính toán theo lượng ít thay đổi trong các điều kiện cột nước
công thức (4). khác nhau. Điều này có thể dẫn đến sai lệch trị
số lưu lượng tháo thực tế và từ đó làm sai lệnh
đường quá trình xả trên biểu đồ điều tiết lũ.
Hậu quả là mực nước hồ có thể tăng lên rất
nhanh, có thể gây mất an toàn đầu mối.
Trong khối lượng tính toán của các tác giả
đã xét đến ảnh hưởng của cột nước sau
Hình 6. So sánh khả năng tháo qua tràn ngưỡng, độ dốc của máng sau ngưỡng và cột
nước trên dốc của tràn đến khả năng tháo.
Ở các trường hợp cột nước < 1m thì lưu Các nội dung này sẽ được các tác giả tổng
lượng tháo theo cả 2 phương pháp sẽ cho trị hợp và phân tích đầy đủ ở những nghiên cứu
số lớn tương đương nhau. Theo công thức tiếp theo.
tính toán lưu lượng đã nêu thì trong tất cả các
trường hợp đều có B = 45m. Điều đó có 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
nghĩa là tràn mỏ vịt đã phát huy tác dụng kéo [1] http://thuyloivietnam.vn/home#hientrangcongtrinh,
dài khẩu diện tràn nước của tuyến tràn và làm 2021, Thống kê của Tổng cục Thủy lợi.
cho lưu lượng qua tràn tăng lên đáng kể. Hệ số [2] HEC-ICC4, 2017, Phụ lục báo cáo TKKT
lưu lượng trong các trường hợp đều cho hồ Ea Uy Thượng.
ε(m) ~ 0,39. Cột nước càng lớn hệ số lưu [3] FLOW-3D® Version 12.0 User’s Manual
lượng càng giảm; ứng với trường hợp cột nước (2018). FLOW-3D [Computer software].
H = 0,5m cho kết quả hệ số lưu lượng và hệ Santa Fe, NM: Flow Science,
số hình dạng là lớn nhất. Inc. https://www.flow3d.com.
213
nguon tai.lieu . vn
