BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP TẠI phòng thí nghiệm LCIS - ESISAR

Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy
Laurent LÈFEVRE – Giáo sư của phòng thí nghiệm LCIS, cùng các anh chị đồng
nghiệp trong LCIS đã tạo điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành kì thực tập của
mình. Trải qua khoảng thời gian thực tập tại LCIS em đã học được rất nhiều điều từ
mọi người từ kiến thức chuyên ngành tới cách giao tiếp và tác phong trong môi trường
công nghiệp. Em đã có cơ hội mang những kiến thức được học trong trường ứng dụng
trong thực tế, điều đó giúp em thấy được cần phải thay đổi một số yếu tố trong lý
thuyết như thế nào trước khi đưa chúng ra thực tế. Bên cạnh kiến thức, em còn được
chia sẻ những kinh nghiệm sống, cách làm việc với mọi người ở nhiều độ tuổi khác
nhau và định hướng công việc tương lai của mình. Ngoài ra việc tuân thủ các quy tắc
của phòng thí nghiệm LCIS đã giúp em trở nên nhanh nhẹn và làm việc nguyên tắc hơn.
Thực sự việc thực tập ở phòng thí nghiệm LCIS là một bước đệm, nền tảng rất tốt
để em có thể thực hiện tốt công việc tiếp theo của mình đó là làm luận văn tốt nghiệp,
đồng thời em cũng có sự tự tin nhất định khi gửi hồ sơ xin việc tại các công ty thuộc
chuyên ngành của mình.
Valence, ngày 09 tháng 03 năm 2017

Trương Quang Lộc

SVTH: Trương Quang Lộc

1


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: Giới thiệu phòng thí nghiệm LCIS - ESISAR .............................................. 4

1. Tổng quan ................................................................................................................... 4
2. Các hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS ..................................................... 4
CHƯƠNG 2: Báo cáo quá trình thực tập : Hệ thống kênh thủy lợi .................................... 6
1. Yêu cầu, nhiệm vụ thực tập tốt nghiệp ....................................................................... 6
2. Tổng quan về hệ thống kênh thủy lợi ......................................................................... 6
2.1. Định nghĩa ............................................................................................................ 6
2.2. Vai trò của hệ thống thủy lợi................................................................................ 7
2.3. Tình hình thủy lợi ở Việt Nam ............................................................................. 7
3. Giới thiệu hệ thống kênh của LCIS .......................................................................... 10
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 10
3.2. Thiết lập phương trình toán cho hệ thống kênh LCIS ....................................... 11
4. Phương pháp Lattice Boltzman ................................................................................. 12
4.1. Giới thiệu phương pháp Lattice Boltzman ......................................................... 12
5. Mô phỏng kênh LCIS bằng phương pháp Lattice Boltzman .................................... 15
5.1. Mô phỏng một đoạn sông giới hạn bởi 2 van (Reach) ....................................... 15
5.2. Mô phỏng các thành phần kết nối của hệ thống kênh ........................................ 17
a. Đập nước (gate, vanne) ..................................................................................... 17
b. Đập tràn (spillway) ........................................................................................... 18
c. Bơm thủy lực: .................................................................................................... 18
d. Cấu trúc kết hợp giữa đập nước và đập tràn (Mixed) ....................................... 19
6. Mô phỏng bằng matlab áp dụng phương pháp Lattice Boltzman ............................. 19
6.1. Thiết kế các thành phần trên matlab .................................................................. 19
6.2 Xây dựng mô hình kênh LCIS trên matlab ......................................................... 21
6.3. Kết quả mô phỏng thu được: .............................................................................. 23
7. Hướng phát triển ....................................................................................................... 26
Tài Liệu Tham Khảo ..................................................................................................... 27

SVTH: Trương Quang Lộc

2

Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Phòng thí nghiêm LCIS trong trường ESISAR ........................................4
Hình 1-2. Sinh viên LCIS .........................................................................................5
Hình 2-1. Hệ thống tưới cây trồng ...........................................................................6
Hình 2-2. Nhà máy thủy điện Sơn La .......................................................................8
Hình 2-3. Hạn hán do thiếu nước .............................................................................9
Hình 2-4. Hệ thống kênh của phòng thí nghiệm LCIS ...........................................10
Hình 2-5. Sơ đồ kênh của LCIS .............................................................................10
Hình 2-6. Một đoạn sông ........................................................................................11
Hình 2-7. Một điểm trên lưới Boltzman .................................................................15
Hình 2-8. Đập nước (Gate) .....................................................................................17
Hình 2-9. Mô hình đập nước ..................................................................................19
Hình 2-10. Mô hình bơm ........................................................................................20
Hình 2-11. Mô hình kết hợp ...................................................................................20
Hình 2-12. Mô hình 1 đoạn sông ............................................................................21
Hình 2-13. Mô hình kênh LCIS ..............................................................................22
Hình 2-14. Giai đoạn đầu 1 ....................................................................................23
Hình 2-15. Kết thúc mô phỏng 1 ............................................................................24
Hình 2-16. Giai đoạn đầu 2 ....................................................................................25
Hình 2-17. Kết thúc mô phỏng 2 ............................................................................25
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2-1. Các thông số của hệ thống kênh LCIS ..................................................11

SVTH: Trương Quang Lộc

3

Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

CHƯƠNG 1: Giới thiệu phòng thí nghiệm LCIS - ESISAR
1.

Tổng quan

LCIS (Le Laboratoire de Conception et d’Intégration de Systèmes) được thành lập
vào tháng 10 năm 1996 ở Valence, một thành phố lớn của Pháp. LCIS là phòng thí
nghiệm trực thuộc trường ESISAR – là 1 trường trong khối trường kỹ sư kỹ thuật
Grenoble INP và là phòng nghiên cứu thí nghiệm đầu tiên của trường đại học ở vùng
Valence.
Phòng thí nghiệm bao gồm hơn sáu mươi người, gần một nửa trong số họ là giảng
viên.

Hình 1-1. Phòng thí nghiêm LCIS trong trường ESISAR
2.

Các hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS

Các hoạt động nghiên cứu tại LCIS chủ yếu hướng tới các hệ thống nhúng
(Embedded system) và giao tiếp mạng (Communication network). Các chủ đề nghiên
cứu liên quan đến các đặc điểm kỹ thuật, mô hình, thiết kế, truyền thông, xác nhận và
chẩn đoán của các hệ thống này. Các hoạt động này đồng bộ với các chuyên gia đào
tạo của ESISAR với các chuyên ngành khác nhau được đại diện bởi giảng viên từ
ESISAR và IUT of Valence. Hướng phát triển của phòng thí nghiệm LCIS là đề xuất
các phương pháp và mô hình mới, phát triển các công cụ, thường được áp dụng cho
môi trường công nghiệp.

SVTH: Trương Quang Lộc

4


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hằng năm phòng thí nghiệm LCIS được các tổ chức lớn công nhận các nghiên
cứu của sinh viên và giảng viên của LCIS như IFAC, MED,… và cũng nhận được
nhiều thành tích trong các cuộc thi về kỹ thuật của Pháp.

Hình 1-2. Sinh viên LCIS

SVTH: Trương Quang Lộc

5


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

CHƯƠNG 2: Báo cáo quá trình thực tập : Hệ thống kênh thủy lợi
1.

Yêu cầu, nhiệm vụ thực tập tốt nghiệp
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống kênh thủy lợi và mô hình kênh của LCIS.
- Tìm hiểu phương pháp Lattice Boltzman.
- Mô phỏng mô hình kênh bằng phương pháp Lattice Boltzman.
- Đặt cơ sở cho đề tài Luận văn tốt nghiệp.

2.

Tổng quan về hệ thống kênh thủy lợi

2.1. Định nghĩa
Hệ thống thủy lợi là hệ thống vận chuyển và kiểm soát lượng nước cung cấp cho
cây trồng trong thời gian đều đặn để tăng sản lượng và tạo điều kiện thích hợp để phát
triển khi hệ thống trồng trọt bị thiếu nước gây ra bởi sự thiếu hụt lượng mưa, thoát
nước quá mức hoặc giảm nước, đặc biệt là ở các khu vực khô cằn. Khi xây dựng các
công trình thuỷ lợi để tưới, tiêu cho cây trồng hay cấp nước cho các nhu cầu dùng
nước, thì hệ thống kênh mương đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thực hiện
nhiệm vụ dẫn nước, phát huy tổng hợp hiệu quả đầu tư của công trình (Hình 2-1).
Hệ thống thủy lợi là yếu tố quan trọng trong việc sử dụng nước sinh hoạt hằng
ngày, các sản phẩm công nghiệp, và đặc biệt trong nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi)
hằng năm cung cấp cho 40% các sản phẩm nông nghiệp. [1]

Hình 2-1. Hệ thống tưới cây trồng

SVTH: Trương Quang Lộc

6


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

2.2. Vai trò của hệ thống thủy lợi
Hệ thống thủy lợi được sử dụng để hỗ trợ trồng trọt nông nghiệp, duy trì cảnh
quan, và tái phủ xanh các mảnh đất bị xáo trộn ở những vùng khô hạn và trong những
thời điểm mưa không đủ. Ngoài ra, việc tưới tiêu cũng có một số ứng dụng khác trong
sản xuất cây trồng, bao gồm việc bảo vệ cây trồng chống lại sương giá, ngăn chặn sự

phát triển của cỏ dại trong các cánh đồng và ngăn ngừa sự củng cố đất . Ngược lại,
nông nghiệp chỉ dựa vào lượng mưa trực tiếp được gọi là đất canh tác mưa hoặc đất
khô [2].
Hệ thống thủy lợi cũng được sử dụng để ngăn chặn bụi, xử lý nước thải, và trong
khai thác mỏ. Thủy lợi thường được nghiên cứu cùng với hệ thống thoát nước, đó là
việc loại bỏ tự nhiên hoặc nhân tạo nước mặt và nước mặt dưới mặt đất từ một khu
vực nhất định.
2.3. Tình hình thủy lợi ở Việt Nam
Theo số liệu mới nhất, năm 2017, đến nay cả nước ta có 75 hệ thống thủy lợi lớn,
800 hồ đập loại lớn và vừa, hơn 3.500 hố có dung tích trên 1 triệu m3 nước và đập cao
trên 10 m, hơn 5.000 cống tưới- tiêu lớn, trên 10.000 trạm bơm lớn và vừa với tổng
công suất bơm 24,8 triệu m3/h, rất nhiều công trình thủy lợi vừa và nhỏ. Các hệ thống
có tổng năng lực tưới trực tiếp cho 3,45 triệu ha, tạo nguồn cấp nước cho 1,13 triệu ha,
tiêu cho 1,4 triệu ha, ngăn mặn cho 0,87 triệu ha và cải tạo chua phèn cho 1,6 triệu
ha đất canh tác nông nghiệp [2]. Diện tích lúa, rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày
được tưới không ngừng tăng lên qua từng thời kì. Chính nhờ thủy lợi phát triển góp
phần giúp kinh tế phát triển, đặc biệt là lĩnh vực nông nghiệp phát triển, đưa Việt Nam
thành một trong những quốc gia xuất khẩu lúa gạo hàng đầu thế giới và một số loại
nông sản khác.
Hệ thống thủy lợi còn kéo theo việc phát triển của các nhà máy thủy điện ở Việt
Nam. Tổng công suất thủy điện của Việt Nam trên lý thuyết vào khoảng 35.000MW,
trong đó 60% tập trung tại miền Bắc, 27% phân bố ở miền Trung và 13% thuộc khu
vực miền Nam.[3] Đến năm 2013, tổng số dự án thủy điện đã đưa vào vận hành là 268,
với tổng công suất 14.240,5 MW. Năm 2014, thủy điện chiếm khoảng 32% trong tổng

SVTH: Trương Quang Lộc

7

Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

sản xuất điện. Cho đến nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100MW hầu như
đã được khai thác hết.[3]
Một số nhà máy thủy điện lớn ở Việt Nam có công suất lớn (> 1000MW) như Sơn
La (Hình 2-2), Hòa Bình, Lai Châu…

Hình 2-2. Nhà máy thủy điện Sơn La
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề mà hệ thống thủy lợi ở Việt Nam:
+ Các công trình phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, mặc dù cũng đã đầu tư xây
dựng nhiều hồ chứa thượng nguồn kết hợp hệ thống đê dưới hạ du nhưng hiện nay hệ
thống đê biển, đê sông và các cống dưới đê vẫn còn nhiều bất cập, phần lớn đê chưa đủ
mặt cắt thiết kế, chỉ chống lũ đầu vụ và cuối vụ, chính vụ (miền Trung), các cống dưới
đê hư hỏng và hoành triệt nhiều.
+ Việc kiểm soát và quản lý thủy lợi theo cách truyền thống còn nhiều hạn chế
như hiệu suất vận chuyện nước đến người sử dụng thấp, cung cấp nước còn mất nhiều
thời gian, dẫn đến khi thời tiết thay đổi gây ra tình trạng mất nước hay hạn hán.
(Hình 2-3)

SVTH: Trương Quang Lộc

8


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hình 2-3. Hạn hán do thiếu nước
Kết luận: Cần có phương pháp quản lý thủy lợi khác để tháo và thoát lượng nước
lớn khi cần thiết, giảm thiểu lượng nước mất đi trong quá trình vận chuyển và đồng
thời việc đưa nước đền nơi sử dụng còn cần phải đáp ứng kịp thời.

SVTH: Trương Quang Lộc

9


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

3.

Giới thiệu hệ thống kênh của LCIS

3.1. Giới thiệu
Hệ thống kênh của phòng thí nghiệm LCIS là một hệ thống thủy lợi đơn giản
và thu nhỏ, mô tả tương đối chính xác hoạt động của một đoạn sông với một hệ
thống thủy lợi gồm các ống dẫn nước, đập tràn, bơm nước, đập nước, hệ thống
thoát nước... Mô hình này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các phương
pháp đã nghiên cứu về thủy lợi, lưu lượng dòng chảy, mực nước dâng đóng các
đập...

Hình 2-4. Hệ thống kênh của phòng thí nghiệm LCIS

Hình 2-5. Sơ đồ kênh của LCIS
SVTH: Trương Quang Lộc

10


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hệ thống kênh LCIS bao gồm 1 máy bơm thủy lực, 3 đập nước, 2 đập tràn, 7
sensor đo mực nước để lấy dữ liệu về máy tính xử lý.
Bảng 2-1. Các thông số của hệ thống kênh LCIS [4]
Đặc tính (đơn vị)

STT

Số liệu

1

Chiều dài (m)

2

Chiều rộng (m)

0.1

3

Mức nước dâng tối đa (m)

0.2

4

Khoảng cách giữa 2 van trước và sau (m)

6.8

5

Chiều cao của đập tràn trước (déversoir) (cm)

12

6

Chiều cao của đập tràn sau (déversoir) (cm)

5.2

7

Lưu lượng tối đa (lít/s)

8

Hệ số hiệu suất của van và đập tràn

9

Hệ số độ dốc

8

4
0.66
0.0016

Đánh giá hệ thống thủy lợi LCIS
Ưu điểm: Hệ thống có tương đối đầy đủ các thành phần của một hệ thống
thủy lợi. Có tích hợp các thiết bị hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu và học tập.
Nhược điểm: Tiết diện của sông trong hệ thống được cố định là hình chữ
nhật. Độ sâu của sông tương đối nhỏ so với chiều dài sông trong mô hình.
3.2. Thiết lập phương trình toán cho hệ thống kênh LCIS

Hình 2-6. Một đoạn sông
Tại một thời điểm bất kì, xét đoạn sông (ngăn cách bởi 2 van), chiều rộng là
B, chiều dài là L, tại vị trí x Є [0,L] có độ cao h chuyển động với vận tốc trung
bình là u. Độ dốc của kênh là 𝑆𝑏 = sin(I). Bỏ qua độ nhớt trong dòng sông. Lưu
lượng của sông là:
𝑄 = 𝐵. ℎ. 𝑢

SVTH: Trương Quang Lộc

(3.1)

11


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Phương trình Saint Venant của lưu chất theo trục x và thời gian t [1]:
𝜕𝐴 𝜕𝑄
+
=0
(3.2)
𝜕𝑡 𝜕𝑥

𝜕𝑄 𝜕 𝑄2
𝜕ℎ
[ ] + 𝑔. 𝐴 ( + 𝑆𝑓 − 𝑆𝑏 ) = 0
+
(3.3)
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝐴
𝜕𝑥
Trong đó : A là tiết diện của khối chất lỏng. A=B.h

(3.4)

𝑆𝑓 là hệ số ma sát

𝑆𝑓 =

𝑛 2 𝑢2
𝐵ℎ

4/3

, n là hệ số Manning

(𝐵+2ℎ)

Thay (3.1), (.3.4) vào (3.2) và (3.3). Đặt F =𝑔. ℎ(𝑆𝑏 − 𝑆𝑓 ), ta được:
𝜕ℎ 𝜕(ℎ𝑢)
+
=0
(3.5)
𝜕𝑡

𝜕𝑥
𝜕(ℎ𝑢) 𝜕 1 2
( 𝑔ℎ + ℎ𝑢2 ) = 𝐹
+
(3.6)
𝜕𝑡
𝜕𝑥 2
Đây là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa mực nước và vận tốc của dòng
sông.
Khi đạt đến dòng chảy ổn định (le régime stationnaire), chiều cao h và vận tốc u
của khối thể tích tại vị trí x không phụ thuộc vào thời gian nên
𝜕(ℎ𝑢)
𝜕𝑡

𝜕𝑡

=0 và

= 0, ta có phương trình vi phân của h của dòng chảy ổn định :
𝜕ℎ𝑟𝑠 𝑔. ℎ𝑟𝑠 (𝑆𝑏 − 𝑆𝑓 )
=
𝜕𝑥
𝑔ℎ𝑟𝑠 − 𝑢2

4.

𝜕ℎ

(3.7)

Phương pháp Lattice Boltzman

4.1. Giới thiệu phương pháp Lattice Boltzman
Phương pháp Lattice Boltzman là phương pháp số dùng để mô phỏng dòng chảy
của các hệ thống thủy lợi và các đặc tính vật lý của hệ thống. Phương pháp này liên
quan đến động học của phần tử lưu chất trong một lưới phần tử. Yếu tố quan trọng của
mỗi mô hình xây dựng từ phương pháp này chính là mật độ phân bố f i(x,t) biểu thị mật
độ phân tử lưu chất đi vào vùng x tại thời điểm t với vận tốc là vi. Vận tốc vi này phải
tương ứng với các phần tử trong lưới nên trong khoảng thời gian ∆t thì phần tử với vận
tốc vi sẽ đi đến điểm tiếp theo trong lưới là x+vi.∆t.
Đồng thời, khi chuyển động trong lưới, các phần tử sẽ có 2 giai đoạn trong mỗi ∆t:
Giai đoạn va chạm (Collision) và giai đoạn lan truyền (Propagation). Trong giai đoạn
va chạm, các phần tử đi vào vùng x tại cùng thời điểm t với cùng mật độ là f iin(x,t) sẽ
va chạm nhau. Và kết quả sẽ tạo ra mật độ mới tại vùng x fiout(x,t). Sau đó các phần tử
SVTH: Trương Quang Lộc

12


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

này sẽ di chuyển đến điểm tiếp theo trong mạng lưới và thiết lập vận tốc mới tại điểm
đó.
Phương trình của 2 giai đoạn này là:
Giai đoạn va chạm: fiout(x,t) = fiin(x,t) + Ωi(fin)
Giai đoạn lan truyền :

fiin(x+

(4.1)

out

vi.∆t,t+∆t) = fi (x,t)

(4.2)

in

Trong đó : Ωi(f ) là biểu thị cho sự thay đổi mật độ khi xảy ra quá trình va chạm.
Thông thường giá trị của Ωi(fin) được xác định theo mô hình Bhatnagar-GrossKrook [5].
1

eq

Ωi (f in ) = (fi − fiin )
Với: τ là thời gian phục hồi và

τ
eq
fi

(4.3)

là hàm phân bố cân bằng cục bộ (equilibrium
eq

distribution function), là mật độ phần tử có Ωi(fi ) = 0, tức là không có hiện tượng va
chạm.
Từ 3 phương trình (4.1), (4.2) và (4.3), ta có:

1

eq

fi (x + vi Δt, t + Δt) = fi (x, t) + (fi (x, t) − fi (x, t))
τ

(4.4)

4.2. Hệ phương trình của hàm phân bố cân bằng
Áp dụng khai triển Taylor cho phương trình vế trái của phương trình (4.4) đến bậc
2:
fi (x + vi Δt, t + Δt) = fi + (Δ𝑡𝜕𝑡 + 𝑣𝑖 Δ𝑡𝜕𝑥 )fi + (Δ𝑡𝜕𝑡 + 𝑣𝑖 Δ𝑡𝜕𝑥 )2 fi (4.5)
Với fi = fi(x,t)
Suy ra :
1

(Δ𝑡𝜕𝑡 + 𝑣𝑖 Δ𝑡𝜕𝑥 )fi + (Δ𝑡𝜕𝑡 + 𝑣𝑖 Δ𝑡𝜕𝑥 )2 fi = (fieq − fiin )
τ

(4.6)

Áp dụng khai triển Chapman-Enskog [6] cho 𝜕𝑡 , 𝜕𝑥 và fi:
𝜕𝑡 = 𝜖𝜕𝑡1 + 𝜖 2 𝜕𝑡2

(4.7)

𝜕𝑥 = 𝜖𝜕𝑥1

(4.8)

fi = fi0 + 𝜖fi1 + 𝜖 2 fi2

(4.9)

Với 𝜖 là hệ số Knuden trong khai triển Chapman-Enskog.
Thay 3 phương trình khai triển Chapman – Enskog vào phương trình (4.6):
(Δ𝑡(𝜖𝜕𝑡1 + 𝜖 2 𝜕𝑡2 ) + 𝑣𝑖 Δ𝑡𝜕𝑥1 ). (fi0 + 𝜖fi1 + 𝜖 2 fi2 ) +
1

(Δ𝑡(𝜖𝜕𝑡1 +

eq

𝜖 2 𝜕𝑡2 ) + 𝑣𝑖 Δ𝑡𝜕𝑥1 )2 . (fi0 + 𝜖fi1 + 𝜖 2 fi2 ) = τ (fi − fiin ) (4.10)

Khai triển phương trình (4.10), ta có phương trình ở bậc 0 của 𝜖:
SVTH: Trương Quang Lộc

13


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE
eq

fi0 = fi

(4.11)

Mà ta có tổng mật độ của phần tử lưu chất lại vị trí x sẽ bằng chiều cao cột chất

lỏng (Bảo toàn khối lượng):
∑ fi = ℎ

(4.12)

𝑖

Từ đó, kết hợp phương trình (4.9), ta có:
∑ fi = ∑ fi0 + 𝜖 ∑ fi1 + 𝜖 2 ∑ fi2
𝑖

𝑖

𝑖

(4.13)

𝑖

∑ fi = ∑ fi0 = ℎ bậc 0 của ϵ trong (4.13)
𝑖

𝑖

∑ fi1 = 0 bậc 1 của ϵ trong (4.13)

⟹

(4.14)

𝑖

∑ fi2 = 0 bậc 2 của ϵ trong (4.13)

{

𝑖

Nên:
eq

∑ fi

=ℎ

(4.15)

𝑖

Vận tốc trung bình u của khối thể tích chất lỏng tại vị trí x:

𝑢=

∑𝑖 𝑣𝑖 fi

(4.16)

∑𝑖 fi

Nhân vi vào (4.9), tương tự ta có :

∑ 𝑣𝑖 fi = ∑ 𝑣𝑖 fi0 = ℎ𝑢 bậc 0 của ϵ
𝑖

𝑖

∑ 𝑣𝑖 fi1 = 0 bậc 1 của ϵ

(4.17)

𝑖

{

∑ 𝑣𝑖 fi2 = 0 bậc 2 của ϵ
𝑖

Suy ra:
∑𝑖 𝑣𝑖 fieq = ℎ𝑢

(4.18)

Phương trình bậc 1 đối với 𝜖 trong phương trình (4.10), tương tự như cách chứng
minh trên ta cũng sẽ có được phương trình:
eq

∑ 𝑣𝑖 2 fi
𝑖

SVTH: Trương Quang Lộc

=

1 2
𝑔ℎ + ℎ𝑢2
2

(4.19)
14


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

5.

Mô phỏng kênh LCIS bằng phương pháp Lattice Boltzman
5.1. Mô phỏng một đoạn sông giới hạn bởi 2 van (Reach)
Đối với hệ thống kênh LCIS, chiều dài có giá trị lớn hơn nhiều so với hai kích

thước còn lại nên để mô phỏng ta sẽ xét lưu lượng của dòng sông theo trục x, nên theo
phương pháp Lattice Boltzman, ta chọn mô hình 1D3Q (1 dimension and 3 velocities).
Theo đó, ta chia chiều dài của mỗi đoạn sông thành các điểm theo trục x, tại mỗi điểm
sẽ bao gồm 3 vector vận tốc v0, v1, v2 (Hình 2-7).
v2

v0

v1

Hình 2-7. Một điểm trên lưới Boltzman
Để đơn giản cho việc mô phỏng, ta chọn v1 = v, v2 = -v, v0 = 0. Với v =

Δ𝑥
Δ𝑡

Từ phương trình mối liên hệ giữa độ cao mực nước và vận tốc (3.5) và (3.6), ta
thấy hệ thống kênh thủy lợi có chịu ảnh hưởng của ngoại lực F (lực ma sát và lực gây
ra bởi độ dốc của hệ thống) nên áp dụng mô hình Boltzman khi có ngoại lực tác động:
1 eq
Δ𝑡
fi (x + vi Δt, t + Δt) = fi (x, t) + (fi (x, t) − fi (x, t)) + 𝑤𝑖 2 𝑣𝑖 𝐹
τ
𝑐𝑠
Trong đó :

(5.1)

F là ngoại lực tác động. Trong trường hợp này, F =𝑔. ℎ(𝑆𝑏 − 𝑆𝑓 ),
𝑤𝑖 và 𝑐𝑠2 là các hệ số để xác định hệ thống thỏa mãn các phương

trình sau:
∑ 𝑤𝑖 = 1

(5.2)

∑ 𝑤𝑖 𝑣𝑖 = 0

(5.3)

∑ 𝑤𝑖 . 𝑣𝑖 2 = 𝑐𝑠2

(5.4)

Giải ra ta được:
𝑤0 =

SVTH: Trương Quang Lộc

2
3

1

𝑣2

6

3

, 𝑤1 = 𝑤2 = , 𝑐𝑠2 =

(5.5)

15


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE
eq

+ Tính các hàm fi

Từ các phương trình (4.15), (4.18) và (4.19), ta có hệ phương trình:
eq

=ℎ

eq

= ℎ𝑢

∑ fi
𝑖

∑ 𝑣𝑖 fi

(𝐼 )

𝑖
eq

{

∑ 𝑣𝑖 2 fi
𝑖

=

1 2
𝑔ℎ + ℎ𝑢2
2

Giải hệ (I) với i = 3, ta được
1
1
𝑔ℎ2 − 2 ℎ𝑢2
2
2𝑣
𝑣
1
1
1
= 2 𝑔ℎ2 + 2 ℎ𝑢2 +
ℎ𝑢
4𝑣
2𝑣
2𝑣
1
1
1
= 2 𝑔ℎ2 + 2 ℎ𝑢2 −
ℎ𝑢
4𝑣
2𝑣
2𝑣
eq

f0 = ℎ −
(𝐼𝐼)

eq

f1

eq

{ f2

SVTH: Trương Quang Lộc

16


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

5.2. Mô phỏng các thành phần kết nối của hệ thống kênh
a. Đập nước (gate, vanne)
Một đập nước trong một chế độ ngập nước được trình bày trong hình 2-8. Lưu
lượng Q qua cửa được điều chỉnh bởi sự khác biệt giữa mực nước thượng lưu h và
mực hạ lưu h’, và được cho bởi phương trình:
𝑄 = 𝐵. 𝛼. 𝜃. √2𝑔(ℎ − ℎ′ )

(5.6)

Hình 2-8. Đập nước (Gate)
Khi có một đập nước ở giữa sông thì lưu lượng trước và sau đập nước không thay
đổi nên ta có:
ℎ = f0 + f1 + f2

(5.7)

ℎ′ = f′0 + f′1 + f′2

(5.8)

Q=B.h.u=v.B.(f1 − f2 ) = 𝑣′. 𝐵′(f ′ 1 − f ′ 1 ) = 𝐵. 𝛼. 𝜃. √2𝑔(ℎ − ℎ′ )

(5.9)

Trong đó : B là chiều rộng trước đập nước.
B’ là chiều rộng sau đập nước
Giải hệ 3 phương trình (5.7), (5.8), (5.9) ta có :

f ′1 =
1

𝐵
𝐵′

. (f1 − f2 ) + f ′ 2

𝐵

𝐵

(5.10)
𝐵

f2 = (2f1 + (1 + ′ ) 𝑘2 + 𝑘√4 (1 + ′ ) f1 + (1 + ′ ) 𝑘2 + 4𝑟) (5.11)
2
𝐵
𝐵

𝐵
Với : k =

𝐵.𝛼.𝜃.√2𝑔
𝑣𝐵

𝐵

; 𝑟 = f0 − f ′ 0 + f1 (1 − 𝐵′) − 2f′2

SVTH: Trương Quang Lộc

17


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

b. Đập tràn (spillway)
Đập tràn là một thành phần của hệ thống thủy lợi, dùng để xả nước khi độ cao của
dòng sông cao hơn chiều cao đập tràn (Hình 2-10).
𝐿. 𝑅√2𝑔(ℎ − ℎ𝑠 )3 , ℎ > ℎ𝑠
0 , ℎ < ℎ𝑠
R là hệ số hiệu suất của đập tràn
𝑄𝑠 = {

(5.12)

Hình 2-9. Đập tràn
Kết hợp với 3 phương trình (5.7), (5.8), (5.9), ta được :
v.B.(f1 − f2 ) = {

𝐿. 𝑅√2𝑔(f0 + f1 + f2 − ℎ𝑠 )3 , ℎ > ℎ𝑠
0 , ℎ < ℎ𝑠

c. Bơm thủy lực:
Bơm thủy lực là một thiết bị để tăng lưu lượng cho hệ thống thủy lực.
Q= Q’ + Qp

(5.13)

h=h’

(5.14)

Qp là lưu lượng tăng thêm từ bơm
Kết hợp với 3 phương trình (5.7), (5.8), (5.9), ta được :
v.B.(f1 − f2 ) = 𝑣′. 𝐵′(f ′ 1 − f ′ 1 ) +Qp

(5.15)

f0 + f1 + f2 = f′0 + f′1 + f′2

(5.16)

Giải ra, ta được :
f2 =

1
𝐵
1+ ′

𝐵

f′1 =

𝐵

𝑄𝑝

𝐵

𝑣𝐵

. (2f ′ 2 + f ′ 0 − f0 + ( ′ − 1) f1 −

1
𝐵
1+ ′
𝐵

𝐵

𝑄𝑝

𝐵

𝑣𝐵

. (2f1 + f0 − f′0 + ( ′ − 1) f1 −

SVTH: Trương Quang Lộc

)

(5.17)

)

(5.18)

18


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

d. Cấu trúc kết hợp giữa đập nước và đập tràn (Mixed)
Từ các các phần trên, ta có các phương trình của cấu trúc kết hợp này
Q= Qg + Qs
(5.13)
𝑄𝑔 = 𝐵. 𝛼. 𝜃. √2𝑔(ℎ − ℎ′ )
𝑄𝑠 = {

𝐿. 𝑅√2𝑔(f0 + f1 + f2 − ℎ𝑠 )3 , ℎ > ℎ𝑠
0 , ℎ < ℎ𝑠

Q= v.B.(f1 − f2 ) = 𝑣′. 𝐵′(f ′ 1 − f ′ 1 )

6.

(5.14)
(5.15)

(5.16)

Mô phỏng bằng matlab áp dụng phương pháp Lattice Boltzman
6.1. Thiết kế các thành phần trên matlab
a. Mô phỏng đập nước

Hình 2-9. Mô hình đập nước
b. Mô phỏng bơm thủy lực

SVTH: Trương Quang Lộc

19


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hình 2-10. Mô hình bơm
c. Mô phỏng kết hợp đập nước và đập tràn

Hình 2-11. Mô hình kết hợp
d. Mô phỏng một đoạn sông giới hạn bởi 2 đập nước (Reach)

SVTH: Trương Quang Lộc

20


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hình 2-12. Mô hình 1 đoạn sông

6.2. Xây dựng mô hình kênh LCIS trên matlab
Từ các thông tin trong phần tìm hiểu hệ thống kênh LCIS, ta có thể chia thành 2
đoạn sông kết hợp với 1 đập nước và 2 cấu trúc kết hợp

SVTH: Trương Quang Lộc

21


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hình 2-13. Mô hình kênh LCIS

SVTH: Trương Quang Lộc

22


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

6.3. Kết quả mô phỏng thu được:
+ Mô phỏng kênh được cung cấp lưu lượng
Thời gian thực hiện: 40s
Chọn độ chia ∆x = 0.35, ∆t=0.1s
Độ cao mực nước ở cuối là 7 cm
Độ mở của lần lượt các đập nước (van): θtrước = 10cm, θgiữa = 6cm, θsau = 10cm
Lưu lượng nước ở đầu vào: tăng từ 1 lít/s đến 1.2 lít/s trong thời gian từ 4 đến 30s

Hình 2-14. Giai đoạn đầu 1

SVTH: Trương Quang Lộc

23


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hình 2-15. Kết thúc mô phỏng 1
+ Mô phỏng kênh không cung cấp lưu lượng
Thời gian thực hiện: 40s
Chọn độ chia ∆x = 0.35, ∆t=0.1s
Độ cao mực nước ở cuối là 7 cm
Độ mở của lần lượt các đập nước (van): θtrước = 20cm, θgiữa = 20cm, θsau = 20cm
Lưu lượng nước ở đầu vào: không có

SVTH: Trương Quang Lộc

24


Báo cáo TTTN. GVHD: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và thầy Larent LÈFEVRE

Hình 2-16. Giai đoạn đầu 2

Hình 2-17. Kết thúc mô phỏng 2

SVTH: Trương Quang Lộc

25