Báo cáo nghiên cứu khoa học: Phần mềm River 2D và ứng dụng thực tiễn của nó ppt

LOGO
LOGO
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC
PHẦN MỀM RIVER2D VÀ ỨNG DỤNG THỰC
TIỄN CỦA NÓ
Giảng viên hướng dẫn : GS. Nguyễn Thế Hùng
Sinh viên thực hiện : Võ Nguyễn Đức Phước
: Huỳnh Thị Thu Trâm

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

R2D tính toán dựa trên các nguyên tắc vật
lí cơ bản của định luật bảo toàn khối lượng
và động lượng

Có 3 phương pháp mà sơ đồ của R2D áp
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

R2D yêu cầu số liệu địa hình, hệ số nhám và
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.


Điều kiện biên được thiết lập ở tổng lưu lượng
dòng đi vào và đưa số liệu cao trình bề mặt
nước ở cửa mặt cắt đi ra.

Dòng điều kiện bờ (external boundry) sẽ giảm
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:

R2D mô hình bằng bài toán nước nông hai
chiều, nghĩa là giả thiết vận tốc không chảy
theo phương thẳng đứng mà chỉ chảy theo
phương ngang

Nguyên lý của mô hình này là sự chuyển đổi
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

Mô hình vật lý của bài toán là dựa vào hai
nguyên lý cơ bản là bảo toàn khối lượng và
động lượng.

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:
Mô hình vật lí


Bảo toàn khối lượng:
với một phần tử nhỏ
thì

Phát biểu: lượng nước
có trong phần tử bằng
tổng lượng vào trừ
lượng đi ra.
0
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
y
q
x
q
t
H
y
x

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:


Bảo toàn động lượng
Theo phương x:
Theo phuơng y:
Với
H là độ sâu dòng chảy
U và V là vận tốc trung bình
theo hưóng x và y.
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:

Dùng 3 phương pháp trong bài toán rời rạc
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.

Từ mô hình vật lí ta có thể viết gọn :
C(H,U,V)=0;
M
x
(H,U,V)=0;
M
y
(H,U,V)=0;
Dùng phép lặp
thử dần với các

điều kiện ban đầu
của H,U,V ta có

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

Đây là bài toán thử dần đến khi Rc,Rx,Ry
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

Để giải bài toán thì mô hình river2d dùng
phương pháp phần tử hữu hạn để giải

Phương pháp phần tử hữu hạn chia miền
tính toán thành các phần tử rời rạc và nối
với nhau bởi các nút.

Mô hình toán nước nông hai chiều ngang:

Mặt thuận lợi nhất của
phương pháp phần tử hữu
hạn là linh động về mô tả
địa hình. Phần tử có thể
thay đổi kích thước và
hình dạng dễ dàng, cho
phép các biên phức tạp
vẫn được tính toán đầy
đủ, cũng như cho phép

chia nhỏ địa hình ở các
vùng thay đổi lớn về vận
tốc và chiều cao.

Các sơ đồ giải thuật

Có 2 sơ đồ được dùng để giải bài toán là
sơ đồ hiện và sơ đồ ẩn.

Sơ đồ hiện tìm giá trị thời điểm t + Δt dựa
vào các nút xung quanh nút đó ở thời
điểm t.

Sơ đồ ẩn từ giá trị một nút 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
LOGO
MÔ HÌNH RIVER2D
CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN

PHẦN MỀM RIVER2D
R2D-BED moodull địa hình1
R2D_ICE (dùng cho sông có băng)
2
R2D_MESH rời rac hóa miền tính toán3
RIVER2D tính toán dòng chảy
4
RIVER2D có 4 modull nhỏ, mỗi modull có một nhiệm vụ quan trọng

khác nhau
1 R2D-BED moodull địa hình1 R2D-BED moodull địa hình1

RIVER2D_BED
Nhập và tinh lọc sữa chữa số liệu sao cho hợp lí nhất
1
Mặt định những đường biên, breakline
2
3
Hiển thị trực quan bằng màu sắc các thông số
4
R2D_bed là chương trình đo vẽ địa hình, là bước đầu tiên
trong quá trình mô hình hóa bằng R2D. Nó có cả bộ công
cụ của chương trình, nhưng riêng nó có những tính năng
hữu dụng sau
Đưa công trình thiết tế vào để kiểm tra
R2d_bed.ico

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

Đối với độ nhám ngoài vệc thay đổi các giá
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
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”

Ở R2D_BED ta đã vẽ đường biên, nhưng ta
cũng có thể lựa chọn vẽ đường biên trong
menu” boundary” của R2D_MESH.

Nhưng chỉ trong MESH ta mới có thể thiết
lập điều kiện biên cho mô hình dòng chảy
* Điều kiện biên được thiết lập trong menu
”boundary”
* Điều kiện biên cho cửa vào: là tổng lưu
lượng các dòng đi vào đoạn biên và dùng
lệnh “set inflow” cho 1 diểm và “set inflow
by area” cho 1 vùng.

Mô tả đường biên “boundary”
•
Điều kiện biên cửa ra: là cao trình mặt
nước tại các biên ở cửa ra và được đặt bởi
lệnh “set outflow” cho 1 diểm và “set
outflow by area” cho 1 vùng.
•

Ta cũng cõ thể thay đổi vùng đã có điều
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.
•
Việc thiết lập điều kiện biên có thể thực
hiện ở bất kì thời điểm nào vì nó là số liệu
ít nhất

Chia lưới trong R2D_MESH

Thông thường thì việc rời rạc hóa phải
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.

Tiếp theo của việc rời rạc hóa là điền thêm
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
nhau trong menu “generate”

Thêm điểm trong mesh

Các lệnh cơ bản nhất của điền các điểm là


"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

Với những lệnh như trên ta có thể thêm hiệu
chỉnh tạo mật độ các điểm hợp lí nhất.

Tam giác hóa cho mesh

Ta có thể tạo tam giác bất cứ lúc nào khi
thêm điểm vào bằng lệnh “triangulate”.
Nó gọi ra phép tam giác hóa Delauney để
cho ra dạng tam giác tốt nhất.

Để làm cho tam giác thêm đều đặn thì cần
dùng lệnh “smooth”. Quá trình làm mịn
dịch chuyển các điểm (floating nodes) để
tạo tam giác đều hơn.

Các tam giác xấu được tìm bởi lệnh “find
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

Chỉ số Qi là chỉ số chất lượng của mesh
thể hiện cho chất lượng tam giác hóa thấp
nhất của mesh

Chỉ số Qi thay đổi khi ta làm mịn thì Qi
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)