I. Giới thiệu và đặt vấn đề
Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số 3D SSIIM vào mô phỏng dòng chảy và hố xói quanh trụ cầu là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực thủy lực công trình. Việt Nam, với mật độ sông ngòi cao, đang đối mặt với thách thức về xói mòn quanh các công trình cầu. Mô hình 3D SSIIM được phát triển bởi N. Olsen, là công cụ hiệu quả để mô phỏng dòng chảy và xói lở. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng mô hình này để tính toán dòng chảy và hố xói quanh trụ cầu Sài Gòn 2, so sánh kết quả với các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết.
1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Nghiên cứu về mô hình toán số 3D đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu ngoài nước như của Ebrahim Jafari và Kouros Nekoufar đã sử dụng mô hình SSIIM để tính toán hố xói quanh trụ cầu. Trong nước, các nghiên cứu của Huỳnh Thanh Sơn và Lê Song Giang cũng đã áp dụng mô hình 3D để mô phỏng dòng chảy và biến hình lòng dẫn. Tuy nhiên, việc ứng dụng mô hình SSIIM vào bài toán thực tế tại Việt Nam vẫn còn hạn chế.
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của nghiên cứu là ứng dụng mô hình 3D SSIIM để mô phỏng dòng chảy quanh trụ cầu và xói mòn tại khu vực cầu Sài Gòn 2. Nội dung bao gồm: nghiên cứu cơ sở lý thuyết của mô hình, thử nghiệm mô hình với các bài toán cơ bản, thu thập và phân tích dữ liệu thực tế, và áp dụng mô hình vào bài toán thực tế.
II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Mô hình 3D SSIIM dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình chuyển tải bùn cát. Mô hình này sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải các phương trình thủy lực. Nghiên cứu này kết hợp phương pháp mô hình toán số với việc thu thập và phân tích dữ liệu thực tế để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
2.1. Lịch sử phát triển của mô hình SSIIM
Mô hình SSIIM được phát triển từ những năm 1990, dựa trên phần mềm CFD SPIDER. Mô hình này được thiết kế để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong các hệ thống thủy lực phức tạp. Mô hình 3D SSIIM đã được cải tiến để giải quyết các bài toán thực tế như xói lở quanh trụ cầu.
2.2. Phương pháp toán số trong mô hình SSIIM
Mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình chuyển tải bùn cát. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy quanh trụ cầu và xói mòn trong các điều kiện thủy lực khác nhau.
III. Thử nghiệm và ứng dụng mô hình
Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm mô hình 3D SSIIM với các bài toán cơ bản như dòng chảy ổn định trong kênh phẳng và xói quanh trụ cầu. Kết quả thử nghiệm được so sánh với các kết quả thực nghiệm và lý thuyết để đánh giá độ chính xác của mô hình.
3.1. Thử nghiệm dòng chảy ổn định trong kênh phẳng
Mô hình được thử nghiệm với bài toán dòng chảy ổn định trong kênh phẳng. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả giải tích, cho thấy độ chính xác cao của mô hình 3D SSIIM trong việc mô phỏng dòng chảy.
3.2. Thử nghiệm xói quanh trụ cầu
Mô hình được áp dụng để mô phỏng xói mòn quanh trụ cầu hình tròn. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm và công thức thực nghiệm, cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình 3D SSIIM trong việc dự đoán hố xói quanh trụ cầu.
IV. Áp dụng mô hình vào bài toán thực tế
Nghiên cứu áp dụng mô hình 3D SSIIM vào bài toán thực tế tại cầu Sài Gòn 2. Mô hình được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và xói mòn quanh hai trụ cầu chính. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi đáy sông và độ sâu hố xói qua thời gian.
4.1. Thu thập và phân tích dữ liệu thực tế
Dữ liệu về địa hình, thủy văn và thủy lực của đoạn sông Sài Gòn được thu thập và phân tích. Các thông số kỹ thuật của cầu Sài Gòn 2 cũng được xem xét để làm đầu vào cho mô hình.
4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá
Mô hình mô phỏng dòng chảy và xói mòn quanh trụ cầu trong thời gian một năm. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáy sông và độ sâu hố xói lớn nhất qua các tháng. Kết quả mô phỏng được so sánh với các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết, cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình 3D SSIIM trong thực tế.
