Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN VIẾT THANH
MÔ PHỎNG SỐ DÒNG CHẢY LŨ VÀ DỰ BÁO
XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
MÃ SỐ: 62.58.02.05
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2014
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Cầu - Hầm, Khoa Công
trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Trần Đức Nhiệm
2. PGS.TS. Trần Đình Nghiên
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường
theo quyết định số /QĐ-ĐHGTVT ngày tháng năm của Hiệu
trưởng Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi:
giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Thư viện Đại học Giao thông Vận tải
3
MỞ ĐẦU
Lý do để chọn đề tài
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. Tiếp cận hướng nghiên cứu
sử dụng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài
"Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu".
Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần
mềm mô phỏng số dòng chảy 3 chiều để mô tả các đặc trưng dòng
chảy khu vực xung quanh trụ cầu, bằng kết quả mô phỏng chỉ rõ
nguyên nhân gây xói trụ cầu, quá trình phát triển chiều sâu xói theo
thời gian, và chiều sâu xói lớn nhất tại trụ cầu, kiểm chứng kết quả
mô phỏng số bằng kết quả thí nghiệm vật lý trong phòng và của các
công thức bán thực nghiệm, từ đó đề ra khả năng ứng dụng mô
phỏng số để dự đoán xói cục bộ trụ cầu ở Việt Nam trong tương lai.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu
cho trường hợp xói cục bộ tại trụ cầu có mặt cắt hình chữ nhật trong
điều kiện dòng chảy ổn định, xói nước trong.
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp lý thuyết và
phương pháp thực nghiệm trên mô hình vật lý trên cơ sở khai thác
mô hình FSUM mô phỏng dòng chảy 3 chiều có bổ sung 3 mô đun
hiệu chỉnh một số tham số tính toán.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án:
- Đề tài đã ứng dụng thành công phương pháp mô phỏng số để
nghiên cứu dòng chảy và dự đoán xói cục bộ trụ cầu, đây là một lĩnh
vực mang tính chất kinh điển của thế giới cho đến nay vẫn chưa hoàn
thiện;
4
- Kết quả nghiên cứu của luận án mang lại những nhìn nhận một
cách tổng thể và chi tiết hơn về hiện tượng xói cục bộ trụ cầu so với
các phương pháp truyền thống.
- Giới thiệu một mô hình số để mô phỏng số dòng chảy và dự
đoán xói cục bộ trụ cầu, góp phần hoàn thiện các phương pháp
nghiên cứu; cung cấp cho các nhà thiết kế một công cụ tham khảo

khi tính toán chiều sâu đặt móng trụ cầu.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm về xói, tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ
cầu
1.1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu
Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sông sâu và hẹp
ngay tại chân trụ do dòng nước tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu
trúc bình thường của dòng chảy, làm tăng cục bộ ứng suất tiếp và tốc
độ dòng chảy, vượt qua sức cản của hạt đất bao quanh chân trụ, xói
đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạo thành hố xói cục bộ ở trụ.
1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và
trong nước
1.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ
trụ cầu
Hiện nay có bốn phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục
bộ trụ cầu, bao gồm: Phương pháp giải tích, phương pháp mô hình
vật lý, phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường và phương pháp
mô phỏng số.
1.4. Đánh giá chung
1.4.1. Những thành tựu đạt được
1.4.1.1. Trên thế giới
Phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu được xây dựng
theo phương pháp lý thuyết phân tích thứ nguyên, lý thuyết hồi qui
và sai số bình phương nhỏ nhất, lý thuyết xác suất thống kê toán học,
5
lý thuyết mô hình vật lý kết hợp với đo đạc trên mô hình vật lý hoặc
tại hiện trường. Theo thống kê hiện có hơn 40 công thức đã được
giới thiệu, trong có có một số công thức được một số nước áp dụng
đưa vào qui chuẩn thiết kế công trình cầu. Đối với lĩnh vực nghiên
cứu bằng phương pháp mô phỏng số đã giới thiệu một số mô đun

phần mềm thương mại bước đầu được áp dụng để tính xói cục bộ trụ
cầu phải kể đến như CCHE-3D, FLOW-3D, FLUENT-3D, SSIIM-
3D, bước đầu đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ.
1.4.1.2. Trong nước
Điển hình là các công thức tính xói theo phương pháp lý thuyết
bán thực nghiệm của GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục và kỹ sư
Nguyễn Hữu Khải (1982), công thức của PGS.TS Trần Đình Nghiên
(1999). Trong lĩnh vực nghiên cứu xói theo phương pháp mô phỏng
số, theo hiểu biết của nghiên cứu sinh hiện chưa có nghiên cứu nào
đề cập đến.
1.4.2. Những vấn đề còn tồn tại
Đã có khá nhiều công thức tính toán được đề nghị, nhưng sự
phù hợp của từng loại công thức so với thực tế vẫn được tiếp tục
nghiên cứu. Phương pháp mô hình toán là hướng phát triển mới hiện
đại phù hợp với thực tế do xói trụ cầu được tính toán gắn với mô
hình tính toán tổng thể cho cả một đoạn sông và nó khắc phục được
những tồn tại của các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, do chế
độ dòng chảy và cơ chế xói cục bộ vùng trụ cầu rất phức tạp nên mô
phỏng toán học của những công trình đã công bố vẫn còn nhiều hạn
chế. Do đó, những nghiên cứu theo hướng này chưa nhiều và việc
ứng dụng trong thực tế vẫn còn ở mức thử nghiệm.
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
Do điều kiện về thời gian cũng như chi phí, việc tiếp cận một
phần mềm mô phỏng số mang tính chất thương mại trên thế giới gặp
rất nhiều khó khăn, trong luận án này nghiên cứu sinh sử dụng phần
6
mềm mô phỏng 3 chiều FSUM có hiệu chỉnh một số tham số tính
toán phù hợp trong mô hình toán áp dụng cho bài toán tính xói cục
bộ trụ cầu, phân tích, đánh giá, kiểm chứng so sánh kết quả tính toán
với kết quả nghiên cứu mô hình vật lý thí nghiệm trong phòng.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG SỐ VÀ
CÁCH THIẾT LẬP MÔ HÌNH BÀI TOÁN DỰ BÁO XÓI CỤC
BỘ TRỤ CẦU
2.1. Cơ sở lý thuyết và thuật toán của mô hình số
2.1.1. Hệ phương trình toán học cơ bản
Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds
(RANS) đối với dòng chảy có mặt thoáng, chất lỏng không nén được
với áp suất phi thủy tĩnh kết hợp với các phương trình truyền tải-
khuếch tán và phương trình biến đổi địa hình đáy.
- Phương trình liên tục:
(2.1)
- Phương trình động lượng:

(2.2)
- Phương trình truyền tải-khuếch tán nồng độ các chất:
(2.3)
- Phương trình mô tả biến đổi đáy:
(2.4)
2.1.2. Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên
* Các điều kiện ban đầu bao gồm:
- Mực nước
- Vận tốc dòng chảy
- Nồng độ bùn cát
- Địa hình đáy
* Các điều kiện biên bao gồm:
- Điều kiện biên cứng
- Điều kiện biên hở
- Điều kiện biên mặt thoáng
- Điều kiện biên tại đáy đối với phương trình động lượng
7

- Điều kiện biên tại đáy đối với phương trình nồng độ bùn
cát
2.2. Phương pháp giải số đối với FSUM
Hệ phương trình toán học của FSUM được giải theo phương
pháp sai phân hữu hạn ẩn bán Lagrange phát triển dựa trên phương
pháp được Casulli phát triển năm 1993 được rời rạc hóa qua 2 bước:
- Bước 1: Rời rạc hóa hệ phương trình dựa trên giả thuyết
áp suất thủy tĩnh
- Bước 2: Hiệu chỉnh các thành phần vận tốc và mực nước
do yếu tố phi thủy tĩnh
2.3. Hệ thống tổng quát các file số liệu của FSUM
Bao gồm các file dữ liệu lưu trữ các thông số tính toán cần thiết
để chạy chương trình.
2.4. Xây dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu
trong FSUM
2.4.1. Các giả thiết
1. Kênh có hình dạng chữ nhật, có độ dốc đáy không thay đổi.
2. Dòng chảy ổn định với lưu lượng biên thượng lưu và mực
nước ở hạ lưu là không thay đổi trong quá trình tính toán và lưu
lượng phân bố đều trên mặt cắt ngang.
3. Hạt vật liệu đáy có kích thước đều, đồng nhất.
4. Bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ, gió, sóng, độ mặn và nồng
độ các chất hòa tan khác có trong môi trường lỏng.
5. Chỉ nghiên cứu bài toán trong trường hợp xói nước trong,
nghĩa là không có bùn cát tại biên đầu vào và trong dòng chảy không
có nồng độ bùn cát vào thời điểm ban đầu.
2.4.2. Các bước thiết lập mô hình mô phỏng xói cục bộ trụ
cầu bằng phần mềm FSUM
Bước 1: Nhập số liệu các thông số từ giao diện bao gồm kích
thước dài, rộng, cao của máng, độ dốc dọc máng, kích thước bước

lưới tính toán.
Bước 2: Thiết lập lưới sai phân, mô hình trụ cầu, thiết lập các
biên miền tính toán tạo ra file FLG và thiết lập số lớp thẳng đứng tạo
ra file HKK.
8
Bước 3: Nhập số liệu các điều kiện biên: lưu lượng biên lối
vào, mực nước biên lối ra, đường kính trung bình hạt d
50
, biên rối tạo
ra các file WSS, BDR, SSC và SED.
Bước 4: Nhập số liệu tham số tính toán: độ nhám Manning, hệ
số khuếch tán theo phương ngang, phương thẳng đứng, hệ số nhớt rối
được hiệu chỉnh phân bố theo khu vực sao cho đạt được kết quả tính
tốt nhất so với số liệu thí nghiệm.
Bước 5: Nhập tham số thời gian: bước thời gian, tần suất ghi
kết quả tính toán, thời gian chạy mô hình.
Bước 6: Chạy chương trình.
Bước 7: Xuất kết quả tính toán ra file dạng ASCII để so sánh
với số liệu thực đo trong phòng thí nghiệm và trình bày đồ họa bởi
phần mềm đồ họa TECPLOT 10.0, GNUPLOT 4.6.
2.5. Các hiệu chỉnh mô hình số bài toán mô phỏng xói cục
bộ trụ cầu
2.5.1. Thiết lập độ nhám theo khu vực
2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết
a) Tại đáy sông khu vực xung quanh trụ cầu
Khi trụ cầu đặt trong sông sẽ làm xáo trộn dòng chảy so với lúc
bình thường khi không có mặt trụ cầu và làm tăng độ nhám. Giá trị
tăng độ nhám phụ thuộc vào các yếu tố như hình dạng trụ cầu, kích
thước của trụ so với toàn bộ mặt cắt ngang sông, số lượng trụ, cách
bố trí trụ và khoảng cách giữa các trụ. Sự ảnh hưởng của bề mặt trụ

cầu đến độ nhám là một hàm số của vận tốc dòng chảy. Vận tốc dòng
chảy tại khu vực trụ cầu trong phương trình động lượng phụ thuộc
vào độ nhám theo khu vực, đây là một tham số quan trọng ảnh hưởng
đến quá trình xói trụ cầu.
Cowan (1956) đề xuất công thức tính độ nhám trong điều kiện
kênh đáy phẳng, mặt cắt hình chữ nhật, vật liệu đáy hạt đều:
n=n
b
+n
0
(2.5)
9
trong đó, n
b
là giá trị độ nhám vật liệu đáy kênh trong điều kiện
kênh thẳng, đáy phẳng; n
0
là hệ số nhám do ảnh hưởng của vật cản
(trụ cầu). Bảng 2.1 và 2.2 liệt kê giá trị của độ nhám n
b
và n
0
tương
ứng theo thống kê của Cục khảo sát địa chất Mỹ (USGS):
Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám n
b
Vật liệu
đáy
Đường kính trung
bình hạt (mm)

Giá trị độ nhám n
b
Cát 0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
0.012
0.017
0.020
0.022
0.023
0.025
0.026
Bê tông
Đá
Cát hạt thô
Sỏi mịn
Sỏi trung
Sỏi thô
-
-
1-2
-
2-64
-
0.012-0.018
0.011

0.026-0.035
0.024
0.028-0.035
0.026
Bảng 2.2: Giá trị hệ số nhám n
0
Mức độ ảnh
hưởng
Giá trị độ
nhám n
1
Mô tả
Không đáng kể 0.000-0.004 Diện tích chiếm chỗ của trụ nhỏ
hơn 5% so với diện tích mặt cắt
ngang kênh
Có ảnh hưởng 0.005-0.015 Diện tích chiếm chỗ của trụ từ 5%
đến 15% so với diện tích mặt cắt
ngang kênh
Ảnh hưởng
đáng kể
0.020-0.030 Diện tích chiếm chỗ của trụ từ 15%
đến 50% so với diện tích mặt cắt
ngang kênh
Ảnh hưởng lớn 0.040-0.050 Diện tích chiếm chỗ của trụ lớn
hơn 50% so với diện tích mặt cắt
ngang kênh
b) Tại bề mặt trụ cầu
Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu theo kết quả nghiên cứu
của Barnes (1967) được trình bày ở bảng 2.3.
Bảng 2.3: Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu

Bề mặt vật liệu Độ nhám, n
Bê tông xi măng 0.012
Thủy tinh 0.010
Nhựa dẻo, mica 0.009
10
Thép nhẵn 0.012
Gỗ phẳng 0.012
Gỗ thô 0.013
2.5.1.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh số liệu
Để thiết lập mô đun hiệu chỉnh độ nhám cục bộ, trước hết thiết
lập file chứa tọa độ các điểm bao quanh trụ cầu trong sơ đồ lưới sai
phân, sử dụng file có đuôi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) và sử dụng phần
mềm Exel trong trong Microsoft office 2007 để thiết lập giá trị độ
nhám tại từng điểm theo tọa độ (i,j) với i theo phương x và j theo
phương y (hình 2.2).

Hình 2.2: Thiết lập khu vực nhám
cục bộ xung quanh trụ
Sau khi nhập tọa độ các điểm tính toán và gán giá trị độ nhám
cục bộ theo vật liệu chế tạo trụ, tiếp tục xây dựng chương trình con
tính toán được kết nối với chương trình chính của FSUM đặt tên là
Mô-đun1.
2.5.2. Hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt bùn cát
2.5.2.1. Cơ sở lý thuyết
Khi tính tốc độ chìm lắng của phần tử hạt sử dụng giả thiết các
phần tử hạt riêng rẽ lắng tự do trong trạng thái nước yên tĩnh và
không bị tác động bởi các phần tử hạt xung quanh đồng thời cũng giả
thiết rằng các hạt phần tử là những khối hình cầu có hệ số ma sát
tương đương với hệ số ma sát của các hạt tương ứng. Thực tế khi di
chuyển, các hạt mịn có thể liên kết thành một nhóm nhỏ di chuyển

đồng thời dẫn đến tốc độ chìm lắng của những nhóm hạt này lớn hơn
so với từng hạt rời trong cột nước. Mặt khác, tại những khu vực có
11
nồng độ tập trung bùn cát lớn, dòng chảy bao quanh phần tử hạt có
thể tạo ra ma sát hướng lên tác dụng vào các phần tử hạt xung quanh
làm cản trở sự chìm lắng của các phần tử hạt (Van Rijn,1993). Do
vậy, tốc độ lắng phần tử hạt thực tế, ký hiệu là w'
s
, nhỏ hơn so với
giá trị w
s
được tính trong công thức của Soulsby (1997).
w'
s
= k.w
s
(2.6)
Bằng kinh nghiệm chạy mô hình áp dụng để kiểm chứng các kết
quả đo thí nghiệm, nghiên cứu sinh rút ra được hệ số thực nghiệm
k=0.90-0.95 sẽ cho kết quả tính chiều sâu xói và hình dạng hố xói
khá phù hợp khi so sánh với kết quả đo thực nghiệm.
2.5.2.2. Thiết lập mô đun hiệu chỉnh
Thiết lập mô đun hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng phần tử hạt, trước
hết thiết lập miền tính toán xung quanh trụ cầu bằng phần mềm
Matlab R2011 tạo ra các file có đuôi dạng (*.txt) hoặc (*.dat) chứa
tọa độ (i,j) và giá trị hệ số điều chỉnh k tại các điểm lưới sai phân
trong miền tính toán với i theo phương x và j theo phương y (hình
2.4).
Hình 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt
Sau đó xây dựng chương trình con tính tốc độ chìm lắng phần

tử hạt w'
s
ký hiệu là Mô-đun2.
2.5.3. Thiết lập mô đun mô tả trường dòng chảy, vận tốc
trước và sau trụ cầu dọc theo chiều dòng chảy
2.5.3.1. Cơ sở lý thuyết
Việc nghiên cứu cơ chế dòng chảy, trường vận tốc xung quanh
trụ như sự hình thành của dòng chảy 3 chiều khi gặp trụ, các xoáy
12
trục ngang sát đáy (xoáy hình móng ngựa), các xoáy đứng phía sau
trụ, sự thay đổi vận tốc dòng chảy trước và sau trụ, các vấn đề này
giải thích cho sự hình thành và phát triển của xói cục bộ trụ cầu;
phần lớn các nghiên cứu trước đây dựa vào nghiên cứu lý thuyết kết
hợp với thực nghiệm để chỉ ra sự tồn tại của các hiện tượng vật lý
diễn ra tại khu vực xung quanh trụ cầu, chưa có kết quả mô phỏng
nào thể hiện chi tiết các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm đó.
2.5.3.2. Thiết lập mô đun khảo sát dòng chảy và trường vận tốc
Trên cơ sở các phương trình thủy động lực học 3 chiều để giải
bài toán dòng chảy trên sông có vật cản (trụ cầu) được áp dụng tính
toán trong phần mềm FSUM, nghiên cứu sinh đã thiết lập chương
trình con theo dõi lát cắt thẳng đứng theo phương dọc máng tại các
điểm có tọa độ lưới (i,j) đặt tên là Mô-đun3.
2.6. Kết luận Chương II
Chương II đã trình bày cơ sở lý thuyết mô phỏng số, cách xây
dựng mô hình bài toán tính xói cục bộ trụ cầu dựa trên việc sử dụng
FSUM. Trong quá trình áp dụng tính toán, luận án đã nêu ra được
một số hiệu chỉnh cần thiết về hệ số nhám cục bộ cũng như vận tốc
lắng của hạt bùn cát để cải thiện kết quả tính toán, mô phỏng riêng
cho bài toán xói cục bộ trụ cầu. Để có cơ sở phân tích, đánh giá và

kiểm chứng các kết quả tính toán xói cục bộ trụ cầu theo phương
pháp mô phỏng số, chương III sẽ trình bày một số thí nghiệm mô
hình vật lý với một số kịch bản khác nhau dựa theo các nguyên tắc
về xây dựng mô hình thí nghiệm đã trình bày ở chương I.
CHƯƠNG III
THÍ NGHIỆM VỀ XÓI CỤC BỘ TRỤ CẦU
13
3.1. Gii thiu v cỏc thớ nghim
3.1.1. Mc tiờu v nguyờn tc xõy dng mụ hỡnh thớ nghim
Mc tiờu tin hnh cỏc thớ nghim nhm kim chng kt qu
mụ phng s t ú ỏnh giỏ kh nng ỏp dng phn mm mụ phng
s cho nhng trng hp c th c tin hnh. Nguyờn tc xõy
dng mụ hỡnh thớ nghim phi da trờn nguyờn lý tng t thy lc.
Cỏc iu kin xõy dng mụ hỡnh thớ nghim c thc hin
theo nghiờn cu ca Behzad Ataie-Ashtiani (2013):
- T l gia b rng mỏng kớnh v kớch thc cnh tr ln hn
6-7 ln tng mỏng khụng nh hng n quỏ trỡnh xúi v hỡnh
thnh h xúi xung quanh tr.
- T l gia chiu sõu dũng chy v kớch thc tr cnh tr
bng 3-4 ln chiu sõu xúi khụng ph thuc vo chiu sõu dũng
chy.
- T l gia kớch thc cnh tr v ng kớnh trung bỡnh ht,
d
50
ln hn 50 ln ng kớnh ht khụng nh hng n chiu sõu
xúi.
S tng th thớ nghim cú th mụ t nh trờn hỡnh 3.2:
1.0m
Đập thành mỏng chữ nhật
đo l u l ợng chảy vào kênh

Bể chứa n ớc tuần hoàn
Kính Mica
Mô hình trụ cầu
Kênh dẫn n ớc
Hệ thống ống dẫn n ớc tuần hoàn
Cát
Hỡnh 3.2: Túm tt s thớ nghim
3.2. Trỡnh t thớ nghim
3.2.1. Cụng tỏc chun b
3.2.2. Trỡnh t thớ nghim
3.2.2.1. Thớ nghim th nht
Thớ nghim th nht c tin hnh vi mụ hỡnh tr n
vuụng cú kớch thc cnh 0.1mx0.1m c t gia tõm mỏng. Cỏc
thụng s chớnh ca thớ nghim th nht nờu ti bng 3.2.
14
Bảng 3.2. Các thông số mô hình thí nghiệm thứ nhất
Thông số Ký hiệu Giá trị
Lưu lượng Q 0.052
Vận tốc trung bình dòng chảy U
0
0.26
Chiều sâu dòng chảy h 0.20
Chiều dài máng L 20
Bề rộng máng B 1.0
Kích thước trụ bxb 0.1x0.1
Số Reynolds trụ Re 2.6x10
4
Kích thước hạt d
50
0.27

3.2.2.2. Thí nghiệm thứ hai
Thí nghiệm thứ hai được tiến hành với mô hình hai trụ vuông
có kích thước cạnh mỗi trụ 0.06mx0.06m được đặt dọc tâm máng
theo chiều dòng chảy Các thông số chính của thí nghiệm thứ hai nêu
tại bảng 3.3.
Bảng 3.3. Các thông số mô hình thí nghiệm thứ hai
Thông số Ký hiệu Giá trị
Lưu lượng Q 0.05
Vận tốc trung bình dòng chảy U
0
0.25
Chiều sâu dòng chảy h 0.20
Chiều dài máng L 20
Bề rộng máng B 1.0
Kích thước trụ bxb 0.06x0.06
Số Reynolds trụ Re 1.32x10
4
Kích thước hạt d
50
0.27
3.2.2.3. Thí nghiệm thứ ba
Thí nghiệm thứ ba được tiến hành với mô hình hai trụ vuông có
kích thước cạnh mỗi trụ 0.03mx0.03m được đặt vuông góc với chiều
dòng chảy, đối xứng qua trục tâm máng Các thông số chính của thí
nghiệm thứ ba nêu tại bảng 3.4.
Bảng 3.4. Các thông số mô hình thí nghiệm thứ ba
Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Lưu lượng Q 0.046 m
3
/s

Vận tốc trung bình
dòng chảy
U
0
0.23 m/s
Chiều sâu dòng
chảy
h 0.20 m
Chiều dài máng L 20 m
Bề rộng máng B 1.0 m
15
Kích thước trụ
Tỷ số G/b (G là
khoảng cách giữa
hai trụ)
bxb
G/b
0.03x0.03
3
mxm
-
Số Reynolds trụ Re 0.69x10
4
-
Kích thước hạt d
50
0.27 mm
3.3. Các quá trình thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
Các thí nghiệm được tiến hành để nghiên cứu quá trình phát
triển của xói cục bộ xung quanh trụ cầu.

3.3.1. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ
nhất
Chiều sâu xói tại trụ được đọc trực tiếp trên mặt trụ nhờ thước
tỷ lệ ghi ở mặt trụ và kim đo. Số liệu đo cách nhau 5 phút cho 2 giờ
đầu, 10 phút cho thời gian tiếp theo đến khi kết thúc thí nghiệm (sau
3.5 giờ). Theo quan sát tại thí nghiệm, xói bắt đầu hình thành tại hai
mép cạnh trụ với phạm vi từ 80-90
0
. Quá trình xói mang các hạt bùn
cát từ phía trước trụ về phía hạ lưu. Do sự tăng tốc dòng chảy, các
hạt bùn cát cứ tiếp tục bị cuốn đi tạo thành hố xói gia tăng về chiều
rộng và chiều sâu. Sự tác động của cuộn xoáy cuốn trôi bùn cát xung
quanh móng trụ cầu. Tốc độ di chuyển bùn cát từ móng trụ về phía
hạ lưu lớn hơn tốc độ di chuyển bùn cát từ thượng lưu lấp vào hố xói,
và do đó hố xói phát triển. Khi chiều sâu xói tăng, cường độ xoáy
hình móng ngựa giảm dần, do đó làm giảm tốc độ xói tại khu vực
đáy trụ. Bùn cát ra khỏi hố xói thì bồi lắng phía sau trụ hình thành
đụn cát.
Hình 3.10: Sự phát triển của chiều sâu xói cục bộ lớn nhất
theo thời gian
3.3.2. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ
hai
Chiều sâu xói tại trụ được đọc trực tiếp trên mặt mỗi trụ nhờ
thước tỷ lệ ghi ở mặt trụ và kim đo. Số liệu đo cách nhau 5 phút cho
16
2 giờ đầu, 10 phút cho thời gian tiếp theo đến khi kết thúc thí nghiệm
(sau 5 giờ)
Xói cục bộ tại chân các trụ: Quan sát quá trình thí nghiệm cho
thấy cường độ và chiều sâu xói, kích thước hố xói tại trụ thứ nhất
luôn lớn hơn tại trụ thứ hai trong suốt quá trình phát triển xói; chiều

sâu xói lớn nhất tại mỗi trụ xuất hiện tại hai mép cạnh trước của từng
trụ.
Hình 3.15: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian
3.3.3. Quá trình thực hiện và kết quả của thí nghiệm thứ ba
Chiều sâu xói tại trụ được đọc trực tiếp trên mặt mỗi trụ nhờ
thước tỷ lệ ghi ở mặt trụ và kim đo. Số liệu đo cách nhau 5 phút cho
2 giờ đầu, 10 phút cho thời gian tiếp theo đến khi kết thúc thí nghiệm
(sau 4.5 giờ).
Hình 3.20: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển
theo thời gian
3.4. Đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm
Các kết quả đo đạc được tiến hành trên các mô hình thủy lực,
các đối tượng trong mô hình đều được thu nhỏ theo tỷ lệ nhất định so
với mô hình thực tế (nguyên bản) theo lý thuyết tương tự gồm tương
tự hình học, tương tự động học và tương tự động lực học cơ bản đáp
ứng được yêu cầu so với điều kiện trụ cầu trên sông thiên nhiên; tuy
nhiên do hạn chế về điều kiện thí nghiệm nên chấp nhận một số giả
thiết như sử dụng mặt cắt máng thí nghiệm là mặt cắt hình chữ nhật,
máng thẳng, lưu lượng dòng chảy không đổi, xói chỉ xét trong điều
kiện nước trong, vật liệu đáy sử dụng cát thiên nhiên không thể thu
nhỏ đường kính hạt theo tỷ lệ vì nếu làm được như thế thì sẽ làm
thay đổi bản chất bài toán (từ xói hạt thô sẽ thành xói trong đất dính),
dòng chảy lúc này không đúng với dòng chảy thực tế trên sông, hơn
nữa đặc tính xói của hai loại địa chất này hoàn toàn khác nhau. Mặt
17
khác, mục tiêu của các thí nghiệm ở trên là dùng để kiểm chứng với
kết quả mô phỏng số, do vậy các kết quả đo đạc thu được có đủ tin
cậy để sử dụng cho nghiên cứu của luận án.
3.5. Kết luận chương III
Trên cơ sở kết quả đo đạc và các thông số mô hình thí

nghiệm, chương IV sẽ áp dụng phần mềm số FSUM cùng với các
mô-đun cải tiến của nó để tính toán cho ba trường hợp bài toán
tương ứng với ba kịch bản thí nghiệm đã trình bày ở trên, qua đó
phân tích, đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng số với các kết quả
nghiên cứu thí nghiệm.
CHƯƠNG IV
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ
PHỎNG SỐ VỚI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đơn
4.1.1. Thiết lập hình học
Thiết lập hình học mô phỏng được thực hiện trên cơ sở lấy
nguyên bản hình dạng, kích thước của mô hình thí nghiệm thứ nhất
đối với bài toán trụ đơn, mô hình hình học có thể thiết lập là một
khối hình hộp có kích thước dài 10m, rộng 1.0m, cao 1.0m, độ dốc
đáy 1/1000, trụ cầu đơn vuông làm bằng gỗ (hệ số nhám mặt
n=0.012) đặt giữa tâm khối có kích thước cạnh 0.1m
4.1.2. Thiết lập lưới mô phỏng
Trong điều kiện bài toán đang xét, sau vài lần chạy thử bài toán,
mô hình lưới 3 chiều dùng để mô phỏng được chọn với bước lưới
đều ∆x=∆y=0.02m, trục z được chia thành 10 lớp tính toán với bước
lưới ∆z=0.020m. Cấu trúc lưới được thiết lập với 24.964 ô lưới
vuông trong mặt phẳng 0xy và 249.640 khối lập phương trong không
gian 0xyz.
4.1.3. Xây dựng các điều kiện biên
18
Bao gồm biên lối vào (thượng lưu) đặc trưng bởi lưu lượng Q
và biên lối ra (hạ lưu) đặc trưng bởi cao độ mực nước η.
4.1.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh
với kết quả đo xói thực nghiệm
4.1.4.1. Cơ chế dòng chảy, trường véc tơ vận tốc và xói xung

quanh trụ
Hình 4.4: Mô phỏng đường dòng trước và sau trụ
Kết quả mô phỏng cho thấy dòng chảy khi gặp trụ cầu đã đổi
hướng thành dòng chảy bao quanh trụ và dòng chảy đi xuống (hình
4.4), hố xói xuất hiện xung quanh đáy móng trụ cầu. Có thể thấy
rằng dòng chảy xuống đã gây ra áp lực tác động lên đáy tạo ra các
xoáy trục ngang (xoáy hình móng ngựa) là nguyên nhân gây tăng
chiều sâu xói cục bộ xung quanh trụ cầu. Dòng chảy thẳng đứng
trước trụ tăng cùng với sự gia tăng chiều sâu hố xói cho đến khi một
trạng thái cân bằng đạt được. Sau hơn 3 giờ mô phỏng, chiều sâu xói
tăng không đáng kể, coi như đã đạt đến chiều sâu xói cân bằng. Cũng
trên hình 4.4, ta có thể thấy rằng dòng chảy trước trụ có xu hướng
dâng cao ngay sát trước mặt trụ; xuất phát từ điểm tách dòng nằm
gần mặt thoáng, các đường dòng hướng lên trên tương tác với mặt
thoáng tạo thành các cuộn xoáy mặt. Mô phỏng cũng chỉ rõ sự tồn tại
của khu vực bị chia cắt phía sau trụ xuất hiện các xoáy đứng sau nơi
có các véc tơ vận tốc có chiều ngược với phương dòng chảy chính
(hình 4.4).
4.1.4.2. Quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ theo thời
gian
19
Hình 4.5 mô tả quá trình phát triển của xói theo thời gian tương
ứng với T=10 phút và 180 phút, màu đỏ thể hiện xói (mang giá trị
dương) và màu xanh thể hiện bồi lắng (mang giá trị âm) so với mặt
so sánh là mặt phẳng đáy máng khi chưa có xói.

a) T=10 min k) T=180 min
Hình 4.5: Xói cục bộ xung quanh trụ cầu
Từ hình 4.5 ta thấy xói đầu tiên xuất hiện tại khu vực phía trước
trụ ngay tại hai mép cạnh trụ sau đó lan dần về phía trước, hai bên trụ

và phía sau trụ; chiều sâu xói cục bộ phát triển càng lớn dần theo thời
gian, chiều sâu xói tăng rất nhanh trong khoảng thời gian 1.5 giờ đầu
sau đó giảm dần và đạt giá trị không đổi sau 3 giờ mô phỏng.
Hình 4.6: So ánh chiều sâu lớn nhất xói cục bộ giữa
thí nghiệm và mô phỏng số theo thời gian
Kết quả so sánh khá hợp lý tuy nhiên chiều sâu xói mô phỏng
lớn hơn kết quả đo thí nghiệm (sai số xấp xỉ 18,5%). Kết quả mô
phỏng sau 3.0 giờ so sánh với kết quả đo xói thí nghiệm đã cho thấy
sự khá tương đồng về mặt định tính và định lượng (Hình 4.6).
4.2. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt dọc theo
hướng dòng chảy
4.2.1. Thiết lập hình học
Kích thước của mô hình hình học trong không gian vật lý là một
khối hình lập phương có kích thước dài 10m, rộng 1.0m, cao 1.0m,
20
độ dốc đáy 1/1000, hai trụ vuông có kích thước mỗi trụ
0.06mx0.06m, trụ làm từ vật liệu mica (hệ số nhám bề mặt n=0.009).
4.2.2. Thiết lập lưới mô phỏng
Không gian vật lý thiết lập trong bài toán được rời rạc hóa bởi
mô hình lưới 3 chiều với bước lưới đều ∆x=∆y=0.01m trên mặt
phẳng Oxy, trục z được chia thành 10 lớp tính toán với bước lưới
∆z=0.020m. Cấu trúc lưới gồm 24.968 ô lưới vuông trong mặt phẳng
0xy và 249.680 khối lập phương trong không gian 0xyz.
4.2.3. Thiết lập các điều kiện biên
Bao gồm biên lối vào (thượng lưu) đặc trưng bởi lưu lượng Q
và biên lối ra (hạ lưu) đặc trưng bởi cao độ mực nước η.
4.2.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh
với kết quả đo xói thực nghiệm
4.2.4.1. Trường dòng chảy xung quanh trụ
Kết quả mô phỏng cho thấy phía sau trụ thứ hai, dòng chảy

ngược tại lớp sát đáy có cường độ lớn hơn tại các khu vực khác. Sự
có mặt của trụ thứ hai phía hạ lưu đã làm cho phạm vi xuất hiện dòng
chảy ngược kéo dài hơn so với trường hợp trụ đơn. Do có sự che
chắn của trụ thứ nhất phía thượng lưu làm cho vận tốc dòng chảy tác
động vào trụ thứ hai phía hạ lưu giảm dẫn đến cường độ của các
xoáy đứng phía sau trụ thứ hai nhỏ hơn cường độ xoáy đứng phía sau
trụ thứ nhất.
4.2.4.2. Trường dòng chảy trước và sau trụ theo phương dọc
Trong khu vực giữa hai trụ cầu xuất hiện dòng chảy ngược
chiều với phương chảy chính và có xu hướng đi lên. Tại khu vực sát
đáy, dòng chảy ngược này tương tác với dòng chảy đi xuống phía
trước trụ thứ hai, chính sự tương tác này đã làm ngăn cản sự hình
thành của xoáy trục ngang (xoáy hình móng ngựa) tại đáy trước trụ
thứ hai (hình 4.12). Tại khu vực gần mặt thoáng giữa hai trụ, dòng
21
chảy ngược chiếm thế chủ đạo và đạt cường độ lớn nhất tại khu vực
gần trụ thứ hai.
Hình 4.12: Đường dòng khu vực trước giữa và sau trụ cầu
4.2.4.3. Xói cục bộ xung quanh các trụ cầu
Từ kết quả mô phỏng ta thấy quy mô và phạm vi xói của trụ thứ
nhất luôn lớn hơn trụ thứ hai điều này cho thấy sự khá tương đồng
giữa kết quả mô phỏng với quan sát thí nghiệm mặc dù hình dạng hố
xói trong mô phỏng có sự sai khác so với kết quả thí nghiệm.
Hình 4.15: Kết quả mô phỏng xói xung quanh các trụ sau
T=5 giờ tính toán
Hình 4.16: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói
lớn nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ nhất
Hình 4.17: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói
lớn nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ hai
Hình 4.16 và 4.17 là đồ thị so sánh chiều sâu xói lớn nhất giữa

kết quả mô phỏng và kết quả đo thí nghiệm sau 5 giờ, ta nhận thấy sự
tương đồng giữa mô phỏng và đo thí nghiệm, tuy nhiên kết quả có sự
chênh lệch đáng kể, chiều sâu xói mô phỏng luôn lớn hơn chiều sâu
xói đo (sai số khoảng 15% tại trụ thứ nhất và khoảng 33% tại trụ thứ
hai).
4.3. Mô phỏng số cho bài toán trụ cầu đôi đặt vuông góc với
hướng dòng chảy
22
Sử dụng các thông số của thí nghiệm thứ ba để xây dựng bài
toán mô phỏng.
4.3.1. Xây dựng mô hình hình học
Kích thước của mô hình hình học trong không gian vật lý là một
khối hình lập phương có kích thước dài 10m, rộng 1.0m, cao 1.0m,
độ dốc đáy 1/1000.
4.3.2. Thiết lập hình học và lưới mô phỏng
Mô hình lưới ba chiều dùng để mô phỏng được thể hiện ở hình
dưới đây với bước lưới đều ∆x=∆y=0.01m, trục z được chia thành 10
lớp tính toán với bước lưới ∆z=0.020m, hai trụ có kích thước
0.03mx0.03m làm bằng mica (hệ số nhám bề mặt n=0.009) đặt giữa
tâm máng vuông góc với hướng dòng chảy với khoảng cách giữa tim
hai trụ là 3xb (b là cạnh trụ). Cấu trúc lưới gồm 99.968 ô lưới vuông
trong mặt phẳng 0xy và 299.904 khối hình hộp trong không gian
0xyz .
4.3.3. Thiết lập các điều kiện biên
Bao gồm biên lối vào (thượng lưu) đặc trưng bởi lưu lượng Q
và biên lối ra (hạ lưu) đặc trưng bởi cao độ mực nước η.
4.3.4. Kết quả mô phỏng số, phân tích, đánh giá và so sánh
với kết quả đo xói thực nghiệm
4.3.4.1. Trường dòng chảy và vận tốc xung quanh các trụ
Từ hình 4.22 ta thấy, sự có mặt của hai trụ đặt vuông góc với

hướng dòng chảy đã làm thu hẹp diện tích mặt cắt ngang dòng chảy
dẫn đến sự tăng tốc của dòng chảy đặc biệt là tại khu vực giữa hai
trụ, trong khu vực này xuất hiện sự giao thoa dòng chảy.
23
Hình 4.22: Đường dòng khu vực xung quanh các trụ Hình 4.23:
Trường véc tơ vận tốc xung quanh các trụ
4.3.4.2. Xói cục bộ tại các trụ
Hình 4.25: Mô tả xói cục bộ xung quanh
các trụ sau 4.5 giờ tính toán
Khu vực xuất hiện chiều sâu xói lớn nhất gần như tương đồng
với kết quả thí nghiệm, tuy nhiên giá trị chiều sâu xói lớn nhất mô
phỏng lớn hơn kết quả đo chiều sâu xói lớn nhất (sai số 19%), phạm
vi xói và hình dạng hố xói theo kết quả mô phỏng có sự sai khác lớn
so với kết quả thí nghiệm (Hình 4.26). Sự bồi lắng phía sau trụ của
kết quả mô phỏng khá phù hợp với quan sát thí nghiệm.
Hình 4.26: So sánh chiều sâu xói lớn nhất theo thời gian
giữa mô phỏng và đo thí nghiệm
4.4. Kết luận chương IV
Tóm lại, từ các kết quả mô phỏng số cho các bài toán tương
ứng với các kịch bản thí nghiệm trong phòng cho thấy các hiện
tượng vật lý xuất hiện cùng với quá trình và phát triển của xói cục
bộ trụ cầu diễn biến đúng với các phân tích lý thuyết đã nêu. Tuy
vẫn còn tồn tại sai số khá lớn giữa kết quả tính toán và kết quả đo
thí nghiệm nhưng vẫn cho ta thấy sự tương đồng khi so sánh kết quả
mô phỏng với kết quả thí nghiệm. Vì vậy việc áp dụng phương pháp
mô phỏng số trong bài toán tính xói cục bộ trụ cầu bước đầu đã đạt
được những thành công đáng kể
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
24
I. KẾT LUẬN

2. Những đóng góp mới của luận án
1). Luận án đã ứng dụng phương pháp mô phỏng số dòng chảy
trên cơ sở phần mềm FSUM để ứng dụng vào bài toán mô phỏng số
dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu và đề xuất 3 mô đun để hiệu
chỉnh một số tham số tính toán và xử lý số liệu của mô hình, bao
gồm:
+ Mô đun hiệu chỉnh độ nhám cục bộ;
+ Mô đun hiệu chỉnh tốc độ chìm lắng của hạt rắn;
+ Mô đun biểu diễn trường dòng chảy và vận tốc theo độ
sâu.
2). Luận án đã tiến hành 3 thí nghiệm trên mô hình vật lý để
kiểm chứng kết quả mô phỏng số và khả năng ứng dụng mô hình
số đã đề xuất. Các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra được các hiện
tượng vật lý của dòng chảy xung quanh trụ và quá trình hình thành
phát triển xói đối với trụ vuông.
3). Kết quả nghiên cứu bằng mô hình số và mô hình vật lý đã
đưa ra nhận định về cơ chế dòng chảy và hình dạng cũng như quá
trình phát triển xói theo thời gian.
II. KIẾN NGHỊ
1. Tiếp tục nghiên cứu cho bài toán dòng chảy không ổn định,
lưu lượng dòng chảy biến đổi theo thời gian, đồng thời tính toán cho
trường hợp vật liệu đáy là hạt có hình dạng bất kỳ, không đồng nhất.
2. Phát triển phần mềm với hệ lưới mô phỏng là hệ lưới phi cấu
trúc nhằm mô tả chi tiết đối tượng nghiên cứu đó là khu vực xung
quanh trụ cầu (tăng mật độ lưới ở khu vực gần trụ và giảm mật độ
lưới tại các khu vực xa trụ) mục đích để giảm thời gian tính toán và
tăng độ chuẩn xác kết quả mô phỏng, ngoài ra còn có thể áp dụng mô
hình với các trường hợp trụ có hình dạng khác nhau như hình tròn,
hình ô van, trụ nhóm cọc trên bệ đài cao,
25

3. Cải thiện tính năng mô phỏng của phần mềm để thể hiện rõ
hơn quy mô và phạm vi hố xói trên đáy cát; sử dụng các phương
pháp số khác như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thể
tích hữu hạn,.có một số ưu điểm vượt trội hơn so với phương pháp
sai phân hữu hạn để thiết lập cơ sở lý thuyết tính toán cho phần mềm
số nhằm mục đích mô phỏng các bài toán có tính chất phức tạp, dòng
chảy đoạn sông cong,.
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
(1). Nguyen Viet Thanh, Dang Huu Chung, Tran Dinh
Nghien (2014); Prediction of the Local scour at the Bridge Square
Pier Using a 3D Numerical Model. Journal of Applied Science
(USA), 2014, 4, 34-42. Published Online February 2014 in SciRes:
/> />(2). NCS. ThS. Nguyễn Viết Thanh, TS. Đặng Hữu Chung,
PGS.TS. Trần Đức Nhiệm, PGS.TS Trần Đình Nghiên (2014); Sử
dụng phương pháp số dòng chảy 3 chiều để dự đoán xói cục bộ trụ
cầu đơn. Tạp chí Cầu đường Việt Nam, số tháng 3-2014.
(3). NCS. ThS. Nguyễn Viết Thanh, PGS.TS. Trần Đức
Nhiệm, PGS.TS Trần Đình Nghiên (2014); Phương pháp mô phỏng
số dòng chảy 3 chiều để dự đoán xói cục bộ trụ cầu đôi. Tạp chí Cầu
đường Việt Nam, số tháng 5-2014.