Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Đinh Văn Ƣu, TS. Bùi
Xuân Thông, đã tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành bản luận án; Cảm ơn
các chuyên gia trong và ngoài trƣờng đã đọc bản thảo và đóng góp những ý kiến quý
báu cho bản luận án.
Luận án cũng đã nhận đƣợc sự hỗ trợ tích cực của đề tài cấp Nhà nƣớc : ‘Luận
chứng khoa học về mô hình phát triển kinh tế – sinh thái trên một số đảo, cụm đảo lựa
chọn vùng biển ven bờ Việt Nam‘, mã số KC-09-12 thuộc Chƣơng trình Biển do GS.
TS. Lê Đức Tố làm chủ nhiệm.
Những động viên, giúp đỡ đó đã giúp chúng tôi vƣợt qua khó khăn để hoàn
chỉnh bản luận án này.
NGUYỄN MINH HUẤN
MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
3
20
23
26
26
31
45
57
63
63
67
97
109
116
116
116
126
133 5.1 Ch khớ tng thy vn vựng bin Qung Nam khu vc
Hi An Cự Lao Chm
5.2 Ch hon lu vựng bin nghiờn cu qua kt qu tớnh
toỏn ca mụ hỡnh
a
w
Biên độ sóng trọng lực.
A
hx
Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng X.
A
hy
Thành phần bình lưu theo phương ngang trên hướng Y.
A
h
Thành phần bình lưu tổng cộng theo phương ngang.
A
v
Thành phần đối lưu theo phương thẳng đứng.
hx
A
Thành phần bình lưu 2D trên hướng X.
hy
A
Thành phần bình lưu 2D trên hướng Y.
h
A
Thành phần bình lưu 2D tổng cộng.
b Độ nổi.
c Vận tốc sóng trọng lực.
C
g
Vận tốc nhóm sóng.
c
Thành phần khuếch tán của u trên hướng Y.
D
xy
Thành phần khuếch tán của v trên hướng X.
D
yy
Thành phần khuếch tán của v trên hướng Y.
D
v
Thành phần khuếch tán tổng cộng (u, v và các biến vô hướng).
xx
D
Thành phần khuếch tán của
U
trên hướng X.
yx
D
Thành phần khuếch tán của
U
trên hướng Y.
xy
D
Thành phần khuếch tán của
V
trên hướng X.
yy
D
Thành phần khuếch tán của
V
trên hướng Y.
M
x
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng X trong hệ phương trình truyền tải các
biến vô hướng.
M
y
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng Y trong hệ phương trình truyền tải các
biến vô hướng.
M
z
Đại lượng hiệu chỉnh trên hướng thẳng đứng trong hệ phương trình truyền
tải các biến vô hướng.
N Tần số Brunvaisala.
N
x
Số lượng các nút lưới trên hướng X.
N
y
Số lượng các nút lưới trên hướng Y.
N
z
Số lượng các nút lưới trên hướng Z.
N
t
Số bước thời gian 3D.
p Áp suất .
p
Thành phần thăng giáng mạch động của áp suất.
P
các biến vô hướng.
U, V, W Các thành phần vận tốc tức thời.
u, v, w Các thành phần vận tốc trung bình theo thời gian.
u
*s
, u
*b
Vận tốc ma sát tại bề mặt và đáy.
U
w
Vận tốc quỹ đạo sóng.
u
Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc u.
F
U
Giá trị của dòng chảy tích phân
U
theo độ sâu lấy trung bình trong một
bước thời gian tính 3D.
v
F
Vận tốc dòng chảy theo phương Y tham gia vào quá trình bình lưu của
các biến vô hướng.
v
Thành phần thăng giáng mạch động của thành phần vận tốc v.
F
V
Giá trị của dòng chảy tích phân
k
Độ lớn của bước lưới trên hướng thẳng đứng trong hệ toạ
độ sigma tại trung tâm ô.
t
2D
Bước thời gian tính của thành phần 2D.
t
3D
Bước thời gian tính của thành phần 3D.
x
Toán tử sai phân trên hướng X.
y
Toán tử sai phân trên hướng Y.
z
Toán tử sai phân trên hướng thẳng đứng.
b
Độ dày của lớp biên đáy.
a
Hệ số xác định tính chất của sơ đồ sai phân đối với thành
phần đối lưu thẳng đứng,
a
= 0 hiện;
a
= 1 ẩn.
12
,
22
Các tenxơ ứng suất thành phần theo phương ngang.
s1
,
s2
Tenxơ ứng suất trên bề mặt thoáng theo phương ngang.
b1
,
b2
Tenxơ ứng suất trên bề mặt đáy theo phương ngang.
c
Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy do dòng chảy gây ra.
w,max
Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy cực đại do sóng gây ra.
b,max
Ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy cực đại tổng cộng do sóng và dòng
chảy gây ra.
Toạ độ sigma.
Hệ số sóng trọng lực.
Tần số sóng trọng lực.
n
Tần số của các phân triều.
số Richardson Ri.
Hình 2.3 Kết quả so sánh của 8 mô hình dự báo ứng suất biến dạng tiếp tuyến đáy
trung bình và cực đại dưới tác động của sóng và dòng chảy.
Hình 3.1 Sơ đồ lưới tính.
Hình 3.2 Sơ đồ xác định các thành phần thông lượng bình lưu.
Hình 3.3 Sơ đồ khối tổng quát mô hình dòng chảy 3 chiều.
Hình 4.1 Trạng thái ban đầu của phân bố nồng độ muối và dòng chảy.
Hình 4.2 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T. Sơ đồ
ngược dòng – trường hợp A.
Hình 4.3 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T Sơ đồ Lax
– Wendroff – trường hợp B.
Hình 4.4 Phân bố nồng độ muối bề mặt tại các chu kỳ 0,5T, T, 1,5T và 2T Sơ đồ suy
giảm biến động tổng cộng TVD với hàm giới hạn – trường hợp C.
Hình 4.5 Vị trí ban đầu của fron muối.
Hình 4.6 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp A.
Hình 4.7 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp B.
Hình 4.8 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp C.
Hình 4.9 Biến trình phát triển của dòng chảy và phân bố độ muối
tại các chu kỳ triều của trường hợp D.
Hình 4.10 Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0m; T = 0s
A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x
2/3
m.
Hình 4.11 Trường ứng suất đáy với đặc trưng sóng H = 0,5m; T = 7s
A - Địa hình đáy không đổi z = 5m; B - Địa hình đáy biến đổi z = 2x
2/3
m.
Hình 5.12 Phân bố dòng thăng tháng XII đại diện mùa mưa.
Hình 5.13 Phân bố dòng chảy theo mặt cắt:
A. tháng VII đại diện mùa khô
B. tháng XII đại diện mùa mưa. DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Giá trị của các tham số sử dụng trong các sơ đồ khép kín rối
Bảng 2.2 Giá trị trung bình của z
o
đối với các dạng đáy khác nhau.
Bảng 2.3 Chỉ dẫn lựa chọn mô hình tính toán lan truyền sóng.
Bảng 5.1 Tốc độ gió trung bình tháng và cực đại (m/s) vii
Bảng 5.2 Số lượng bão (áp thấp nhiệt đới) đổ bộ hoặc ảnh hưởng trực tiếp đến khu
vực nghiên cứu.
Bảng 5.3 Lưu lượng nước trung bình và lớn nhất thời kỳ quan trắc 1977 – 1985.
Bảng 5.4 Giá trị biên độ và góc vị đặc trưng các phân triều của trạm Sơn Trà - 3 -
MỞ ĐẦU
Bờ biển Việt Nam trải dài trên 3200km với 114 cửa sông lớn nhỏ, vùng biển
Việt Nam với diện tích trên 1 triệu km
2
các đặc điểm động lực của vùng nước. Mô phỏng cấu trúc dòng chảy phải là một trong
những trọng điểm đầu tiên trong quá trình nghiên cứu các hiện tượng liên quan từ độ
ổn định của các công trình thủy, đến xâm nhập mặn, khuyếch tán các chất nhiễm bẩn,
vận chuyển trầm tích, và sinh thái môi trường biển. Những thông tin tin cậy về chế độ
động lực có thể nhận được từ các phương pháp nghiên cứu phù hợp như thu thập phân
tích các số liệu đo đạc, mô hình vật lý và mô hình toán học.
Luận án sẽ tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình số trị bài toán thủy động
lực ba chiều quy mô vừa (mesoscale) mô phỏng dòng chảy không dừng và quá trình
bình lưu khuếch tán dưới tác động tổng hợp của các quá trình thủy triều, khí hậu - khí
tượng, biến động của mật độ nước do hiện tượng bất đồng nhất của nhiệt độ, độ muối
và một số tác động của sóng bề mặt trong vùng nước nông ven bờ.
Luận án này gồm phần mở đầu, 5 chương, kết luận, danh mục công trình của tác
giả và tài liệu tham khảo.
Chương I Tổng quan tình hình nghiên cứu dòng chảy ba chiều vùng biển
ven bờ trình bày một cách tổng quát các phương pháp, kết quả nghiên cứu trên thế giới
và ở trong nước về cấu trúc ba chiều của dòng chảy trong biển và vùng nước ven bờ.
Chương II Cơ sở toán học của mô hình thuỷ động lực ba chiều trình bày các
phương trình toán học của mô hình thủy động lực ba chiều, các giả thuyết xấp xỉ, các
điều kiện biên, những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực tham số hoá quá trình xáo trộn
rối, áp dụng để khép kín hệ phương trình và tác động của sóng trọng lực bề mặt.
Chương III Phương pháp số giải hệ phương trình thủy động lực xét đến các
phương pháp số trị sai phân hữu hạn xấp xỉ hệ phương trình toán học của mô hình như
sơ đồ ngược dòng, sơ đồ Lax-Wendroff, sơ đồ trung tâm và thuật giải suy giảm biến
động tổng cộng TVD, thiết lập các thuật toán chi tiết đối với từng thành phần của
phương trình, xét cách đặt điều kiện biên mực nước cho biên lỏng dựa vào số đo mực
nước tại một điểm trên biên cứng, điều kiện cho biên cửa sông trong điều kiện có phân
tầng. - 5 -
học - biểu diễn toán học của một hệ thống vật lý, các mô hình số là các mô hình toán
học trong đó các hệ phương trình toán học được rời rạc hoá và giải bằng sự trợ giúp của
máy tính điện tử. Dưới đây chúng tôi xin đề cập tới những nét cơ bản nhất, những ưu
điểm và hạn chế của các phương pháp nghiên cứu.
1.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DÒNG CHẢY BA CHIỀU
1.1.1 Phƣơng pháp đo đạc, thu thập và phân tích các số liệu đo đạc hiện - 7 -
trƣờng:
Đây là phương pháp truyền thống, đo đạc và quan trắc các hiện tượng thủy động
lực tại hiện trường là các biện pháp tối cần thiết để tìm hiểu đánh giá chế độ thủy động
lực của khu vực nghiên cứu và vai trò của nó đối với các quá trình thạch động lực, quá
trình lan truyền các chất gây ô nhiễm và ảnh hưởng của chế độ động lực khu vực lên
các công trình đã tồn tại hoặc dự kiến xây dựng.
Số liệu thực đo tại hiện trường có thể dùng để xây dựng mối liên hệ tương quan
với các khu vực liên quan khác có số liệu thực đo nhiều năm hơn và có thể sử dụng làm
số liệu đầu vào xác định các lực tác động cho mô hình vật lý hay toán học hoặc là các
số liệu hiệu chỉnh hoặc kiểm định độ chính xác đầu ra của các mô hình nghiên cứu này.
Nội dung chính của phương pháp bao gồm:
+ Tiến hành khảo sát, đo đạc tại khu vực nghiên cứu.
+ Xử lý các số liệu đo đạc.
+ Phân tích diễn biến, phán đoán xu thế.
+ Thiết lập mối quan hệ các yếu tố thủy động lực với các tác nhân trong tự
nhiên.
Phương pháp thu thập và phân tích các số liệu đo đạc là phương pháp truyền
thống, những kết quả của phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc xây
dựng các cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá biến động ngắn hạn và dài hạn, đánh giá tổng
hợp nguyên nhân.
nhiên ngoài ra chúng ta còn có thể quan sát được tác động ngược của mô hình một cách
trực quan.
Bên cạnh các ưu điểm như trên mô hình vật lý cũng có những mặt hạn chế, trước
hết là hiệu ứng thu nhỏ, mô hình vật lý nhỏ hơn thực tế nên không thể mô phỏng toàn
bộ biến động của các đặc trưng trong mối liên hệ chính xác giữa chúng, thí dụ đối với
các mô hình vùng ven bờ lực nhớt thường lớn hơn so với tự nhiên. Trong mô hình vật
lý, đôi khi các lực truyền động và điều kiện biên trong tự nhiên không thể lặp lại một
cách toàn bộ do đó cần phải lượng giá và tính đến sự thiếu hụt này khi đánh giá kết quả
của một mô hình vật lý, thí dụ ứng suất gió, tác động của lực Coriolis trong tự nhiên
không thể mô phỏng lại trong bất kỳ mô hình vật lý nào. Ngoại trừ một số trường hợp - 9 -
đặc biệt, chi phí cho hoạt động của mô hình vật lý thường lớn hơn so với mô hình số,
trong trường hợp khi mô hình số cho các kết quả tính toán chính xác ở mức độ chấp
nhận được, thì mô hình số sẽ được lựa chọn làm phương pháp nghiên cứu.
Sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng mô hình số trong nghiên cứu thủy
động lực hiện nay không làm cho mô hình vật lý trở nên lỗi thời, mô hình vật lý vẫn
tiếp tục cùng phát triển với mô hình số, xu thế hiện tại là sử dụng phương pháp liên hợp
trong đó kết quả của mô hình vật lý đối với một vùng nghiên cứu phức tạp có thể sử
dụng làm số liệu đầu vào hoặc điều kiện biên cho một mô hình số hoàn thiện bao trùm
lên vùng nghiên cứu lớn hơn và ngược lại, kết quả của mô hình số có thể sử dụng làm
điều kiện đầu vào tại biên cho mô hình vật lý.
1.1.3 Phƣơng pháp mô hình toán
Mô hình toán học là một trong những phương pháp tiếp cận tối ưu trong nghiên
cứu dòng chảy ba chiều. Bước đầu tiên trong việc mô hình hoá toán học môi trường
biển là việc xác định giới hạn của hệ thống, đó là phạm vi về không gian và trạng thái,
giới hạn của hệ thống sẽ xác định các điều kiện biên và các biến trạng thái của mô hình,
xác định bản chất, vị trí và qui mô thời gian của những điều kiện biên và điều kiện ban
đầu cần thiết. Phạm vi về không gian và trạng thái của mô hình có thể sẽ rất khác biệt
của các mô hình là các đặc trưng cơ nhiệt, vận tốc, áp suất, độ nổi, nhiệt độ, độ muối,
năng lượng rối , mô hình thủy động lực có thể dễ dàng mở rộng đối với các hợp phần
thụ động và bán thụ động tồn tại trong môi trường biển.
1.1.3.1 Hệ phương trình thủy động lực ba chiều tổng quát
Hệ phương trình toán học mô tả chuyển động của nước trong biển và đại dương
là những biến thể của hệ phương trình Navier-Stokes – hệ phương trình thông dụng
trong cơ học chất lỏng. Sự khác biệt căn bản giữa chúng là thành phần xác định ảnh
hưởng do quá trình quay của trái đất và những giả thiết xấp xỉ được áp dụng cho lớp
chất lỏng mỏng và bị phân tầng trên bề mặt cầu. Ngoài ra, môi trường nước trong tự
nhiên còn có trạng thái phụ thuộc không tuyến tính với các đặc trưng thủy nhiệt động
lực như nhiệt độ, muối, các hợp phần có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ
Mô hình số trị mô phỏng trường phân bố vận tốc và mật độ của môi trường nước - 11 -
trong tự nhiên sẽ dựa trên hệ các phương trình thủy động lực và nhiệt động lực liên hệ
với nhau thông qua quy luật bảo toàn động lượng, khối lượng và năng lượng. Hệ các
phương trình sẽ được xây dựng trong toạ độ Đề Các, các thành phần của vận tốc theo
các trục x, y và z tuần tự sẽ là U, V và W. Để thuận tiện và ngắn gọn trong biểu diễn
toán học trong một số trường hợp chúng tôi sử dụng các ký hiệu x
i
(i = 1,2,3) thay thế
cho ký hiệu các trục x, y, z và các thành phần vận tốc là U
i
(i = 1,2,3).
Phương trình bảo toàn đối với các đặc trưng của chất lỏng (động lượng, khối
lượng, nhiệt độ, độ muối ) ở dạng tổng quát được thể hiện như sau:
q
x
F
pháp số. Để đơn giản hoá hệ phương trình nhưng vẫn thể hiện được hiện tượng, chúng
ta sử dụng phương pháp phân tách các đặc trưng thành hai thành phần: một thành phần
biểu diễn chuyển động trung bình và thành phần còn lại biểu diễn giá trị thăng giáng
mạch động xung quanh giá trị trung bình.
;uuU
iii
(1.2)
Giá trị trung bình theo Osborne Reynolds được xác định bằng biểu thức sau:
2
1
t
t
i
12
i
dtU
tt
1
u
(1.3a)
x
w
x
v
x
u
321
(1.4)
Phương trình chuyển động
321
2
1321
2
x
wu
x
vu
x
u
fv
x
(1.5)
32
2
1
232
2
1
x
wv
x
v
x
vu
fu
x
P1
x
)wv(
x
)v(
x
)uv(
t
3
2
21
33
2
21
x
w
x
wv
x
wu
g
x
P1
x
)w(
x
)vw(
x
)uw(
t
w
S
x
)w(
x
)v(
x
)u(
t
lượng vào các chuyển động có qui mô thời gian nhỏ hơn.
Đối với chất lỏng, chuyển động rối đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiêu
tán năng lượng. Thông thường, hiện tượng tiêu tán do rối được biểu diễn dưới giả thiết
rằng ứng suất Reynolds tỉ lệ với cường độ chuyển tải của dòng chảy trung bình, tương
tự như đối với nhớt phân tử, hệ số tỉ lệ được coi là độ nhớt rối. Trên thực tế, độ nhớt rối
sẽ có giá trị rất khác nhau theo phương ngang và phương thẳng đứng, ứng suất
Reynolds tổng hợp có thể viết dưới dạng sau:
i
j
j
i
jiij
x
u
)i(
x
u
) j(uuR
(1.9)
trong đó: (i) =
H
theo phương ngang có giá trị khác biệt so với hệ số
khuếch tán rối theo phương thẳng đứng
T
.
Hệ các phương trình 1.4 – 1.8 là hệ phương trình tổng quát mô tả chuyển động
của chất lỏng có mặt thoáng và quá trình truyền tải. Trên thực tế, khi xây dựng mô hình
cần phải đơn giản hoá hệ phương trình này ngoại trừ trường hợp khi quá trình cần mô
phỏng có gia tốc theo chiều thẳng đứng lớn.
1.1.3.2 Hệ phương trình thủy động lực ba chiều áp dụng cho vùng nước nông
ven bờ
Hệ phương trình của mô hình thủy động lực ba chiều áp dụng cho vùng nước
nông ven bờ sử dụng xấp xỉ phẳng (f-plan) bỏ qua ảnh hưởng độ cong của bề mặt trái
đất, khi tần số Coriolis được coi là không thay đổi, các trục (x
1
, x
2
) có thể định hướng
tự do trên mặt phẳng ngang, toạ độ thẳng đứng được lựa chọn sao cho x
3
= 0 tương ứng
với mực nước trung bình. Các phương trình thể hiện bề mặt thoáng và bề mặt đáy sẽ có
dạng sau:
)t,x,x(z
21
tại mặt thoáng (1.11)
)x,x(hz
21
- 15 -
21
2
11
13
T
310
xxx
u
xx
p1
x
v
v
x
v
u
t
v
x
u
321
(1.16)
Phương trình cân bằng nhiệt
2
H
21
H
13
T
3
3p0321
x
T
xx
T
xx
T
x
x
I
c
1
x
T
w
x
(T, S) = a
1
+ a
2
T + a
3
T
2
+ a
4
T
3
+ a
5
T
4
+ a
6
T
5
+ S (a
7
+ a
8
T + a
9
T
2
=2/86164 [rad/s] – tần số quay của trái đất;
- 16 -
- vĩ độ địa lý; g – gia tốc trọng trường, p – áp suất,
T
và
T
– các hệ số nhớt rối và
khuyếch tán rối theo phương thẳng đứng,
H
– hệ số khuyếch tán rối nhiệt độ và độ
muối theo phương ngang,
– mật độ nước biển,
0
– mật độ nước biển ở điều kiện tiêu
chuẩn; c
p
– nhiệt dung riêng đẳng áp của nước biển và I (x, y, z, t) – bức xạ mặt trời; a
1 -
15
– các hệ số thực nghiệm tính mật độ nước theo công thức UNESCO-1981[58]. Các
u
(1.21)
2
H22
x
v
2
(1.22)
với
H
– hệ số nhớt rối hay khuếch tán động lượng theo phương ngang.
Giá trị của áp suất có thể biểu diễn dưới dạng tổng cộng của giá trị trung bình
cân bằng và giá trị thăng giáng mạch động
dooo
qpppp
(1.23)
với: q
d
– thành phần tà áp baroclin của áp suất.
Giá trị của áp suất trung bình có thể xác định bằng:
x
g
x
p1
(1.26)
với: i = 1 và 2.
Biểu thức (1.26) biểu diễn građien của áp suất theo phương ngang, hai thành
phần đầu tiên là thành phần chính áp barotrop, thành phần thứ ba là thành phần tà áp
brocline, thành phần này được xác định khi thay thế (1.23) – (1.25) vào phương trình - 17 -
cân bằng động lượng theo phương thẳng đứng (1.15):
bg
x
q
h
3
dx)v,u()V,U(
(1.28)
0
x
V
x
U
t
21
(1.29)
h
1
h
121
2
11
1
)(
1
Q
x
P
H
x
gH
2b2s
o
2
2
a
o2
2s1s
và
),(
2b1b
– các ứng suất thành phần tại bề mặt thoáng và đáy biển;
21
Q,Q
– các thành phần áp suất tà áp tích phân theo độ sâu,
Copyright: Tài liệu đại học ©