Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Hướng dẫn sử dụng Phần mềm River 2D và các ứng dụng thực tiễn của nó __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D PHẦN MỀM RIVER2D VÀ CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA NÓ MỤC LỤC Phần 1: Tổng quan chung 1. Đặt vấn đề Việc xác định được trường vận tốc, sự phân bố vận tốc và độ sâu dòng chảy trong sông là một việc rất quan trọng trong ngành cầu đường, giao thông thủy, chỉnh trị sông và công trình ven bờ. Việc xác định trường vận tốc bằng những công thức kinh nghiệm hay bán kinh nghiệm thường cho kết quả không chính xác. Cùng với sự phát triển của công cụ máy tính và sự ra đời các phần mềm ứng dụng, việc xác định các yếu tố trong sông ngày càng trở nên đơn giản. Phần mềm river 2D là một trong số các phần mềm ứng ụng đó. Phần mềm này sẽ cung cấp những công cụ tính toán nhằm: - Tính toán dòng chảy ổn định có thể dùng để thiết kế mỏ hàn, kè lát mái, cống qua đường, mố các trụ cầu, cửa lấy nước. Bên cạnh đó việc tính toán dòng ổn định là điều kiện bắt buộc để làm số liệu biên đầu vào của tính dòng không ổn định, đưa ra điều kiện ban đầu chính xác để phép lặp ổn định. - Tính toán dòng chảy không ổn định dùng để dự báo lũ, tìm được các cao trình và vận tốc mà dòng chảy tác dụng lên các công trình thiết kế khi lũ về. 2. Mục đích Qua việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm này, chúng em đề ra ba mục đích phải đạt được, đó là: * Hướng dẫn chi tiết và dễ hiểu nhất về cách sử dụng phần mềm. * Ứng dụng vào tính toán dự báo lũ trên sông Hàn. __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D * Sau khi tìm được mô hình tính toán cho sông thực hợp lí nhất bằng cách so sánh với số liệu thực tế, sẽ đặt thêm các công trình cần thiết kế trên sông, để dự báo các hiện tượng có thể xảy ra ảnh hưởng lên công trình. 3. Cơ sở tính toán của mô hình RIVER2D a) Các dữ liệu đầu vào R2D dùng số liệu đầu vào là 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. Tài liệu địa hình được thu thập từ thực tế và được cho ở dạng file text thể hiện đày đủ các thông số của một điểm bất kì trên miền tính toán (tọa độ x,y cao độ z, độ nhám). Về độ nhám thì có hai dạng là roughness hight hoặc hệ số Manning. So sánh với một chiều, thì ảnh hưởng bên dòng hai chiều thành hai hướng và tính vào tổn thất cho ma sát với đáy sông. Quan sát tính chất địa hình và kích thước đáy sông là cách hiệu quả nhất để thiết lập điều kiện ban đầu của hệ số nhám. Khi quan sát cao trình bề mặt nước hiệu chỉnh để cho ra kết quả hệ số nhám cuối cùng. Điều kiện biên được thiết lập là tổng lưu lượng dòng đi vào (inflow) và đưa số liệu cao trình bề mặt nước ở cửa mặt cắt đi ra (outflow). Nếu R2D không dùng phương pháp ẩn về hướng và độ lớn dòng chảy (θ = 1) thì cao trình mặt nước trên sông và độ lớn vận tốc sẽ tính trực tiếp. Nghĩa là tính ra ngay mà không quan tâm độ ổn định, không giới hạn Δt. Điều kiện biên (external boundry) sẽ giảm đi sự ảnh hưởng của các số liệu không chính xác, làm cho quá trính tính toán diễn ra nhanh hơn. Điều kiện ban đầu là quan trọng ngay cả trong dòng không ổn định (Điều kiện ban đầu dùng cho cả hai dòng ổn định và không ổn định), chúng được dùng để đoán trước được nghiệm trong phép lặp. Nếu điều kiện ban đầu đúng thì thời gian lặp sẽ giảm đi, kết quả chính xác và ổn định hơn. b. Mô hình tính toán River2D là mô hình thủy động hai chiều dựa trên Mô hình toán nước nông hai chiều ngang: Hiện tượng lũ tràn được 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. Do __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D không theo chiều đứng nên những vùng có sự thay đổi dòng chảy và độ sâu lớn cần tăng độ dày đặc và tam giác đều đặn hơn. Ta cần chú ý về sự quan trọng của việc rời rạc hóa này. * Nguyên lý: Bài toán 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 trở 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: Dựa vào hai nguyên lý cơ bản là bảo toàn khối lượng và động lượng. - Bảo toàn khối lượng : Xét một phần tử nhỏ: 0 = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ y q x q t H y x Phát biểu: lượng nước có trong phần tử bằng tổng lượng vào trừ lượng đi ra. -Bảo toàn động lượng : __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 4 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D 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 nguyên tố theo hướng x và y.lưu luợng * 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 thẻ viết gọn : __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 5 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D C(H,U,V)=0; M x (H,U,V)=0; M y (H,U,V)=0; Dùng phếp lặp thử dần với các điều kiện biên ban đầu của H,U, V, ta có C RVUHC =),,( ^^^ X X RVUHM = ),,( ^^^ yy RVUHM = ),,( ^^^ Đây là bài toán thử dần đến khi R c ,R x ,R y 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. Chương trình chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán. Với phương pháp này ta chia miền tính toán thành các phần tử rời rạc và nối với nhau bởi các nút. 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. * Sai số do quá trình rời rạc: • Nguyên nhân sai số: Chú ý sai số này rất quan trọng trong việc tính toán mô hình nước nông. Sai số do hai nguyên nhân: - Do bờ __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 6 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D - Khi có sự thay đổi lớn về vận tốc và chiều cao. + Đầu tiên là dòng nước ở gần đáy sông làm thay đổi vận tốc, giảm vận tốc ở gần đáy xuống. + Trường hợp khác là tại đáy cao, bỗng trũng xuống quá nhanh vận tốc cũng thay đổi nhanh tạo dòng chảy xiết. • Giải pháp Cần có nhiều phần tử và nhiều nút ở các vùng mà vận tốc thay đổi đột ngột, vùng thay đổi ngột chiều sâu. Phần mềm có khả năng cung cấp đủ việc tạo thêm nhiều phần tử các vùng tổn thất và vẫn giữ được tốc độ giải chương trình như cũ. * Các sơ đồ giải được dùng để giải bài toán Có 2 phương pháp được sử dụng là sơ đồ hiện và sơ đồ ẩn. • Sơ đồ hiện Sơ đồ hiện tìm giá trị thời điểm t + Δt dựa vào các nút xung quanh nút đó ở thời điểm t. Ưu điểm Nó thuận lợi cho việc tính toán từng điểm một cách độc lập Không ma trận nào cần để lưu trữ và thời gian giải nhanh. Nhược điểm __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 7 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Bước thời gian phải được giới hạn để giữ ổn định. Nếu Δt vượt qua thì bước thời gian phải giảm xuống và tính lại. Kết quả tính vận tốc không ổn định tại một điểm theo sơ đồ hiện. • Sơ đồ ẩn 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 Kết quả tính vận tốc ổn định tại một điểm theo sơ đồ ẩn. Nhược điểm: Quá trình tính toán lâu vì phải giải lặp nhiều lần. Phần 2: Chương trình RIVER2D Chương trình River 2D được phát triển bởi trường đại học University of Alberta, và gồm có 4 modul nhỏ Bed, Ice, Mesh, và River 2D, mỗi modul có một chức năng riêng nhưng đều nhằm một mục đích là mô hình hóa bài toán một cách tốt nhất. A) BED __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 8 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D 1. Khái quát chung River2D_bed là chương trình hữu dụng cho hệ thống dữ liệu của river2D, là bước đầu tiện khi thực hiện mô hình hóa bằng R2D. R2D_BED là chương trình đo vẽ địa hình, quá trình thường là tạo sơ bộ dịa hình dưới dạng file dữ liệu đầu vào, sau đó biên tập và tinh lọc lại dữ liệu bằng R2D_BED . Kết quả của R2D_BED được sử dụng trong R2D_mesh để phát triển thành một chương trình tính rời rạc hoá. River2D được dùng để giải tìm vận tốc và độ sâu của nước. Cuối cùng river2D_habitat dùng để hiển thị và giải thích kết quả. 2. Các tính năng hữu dụng trong R2D_BED Các đặc trưng vật lí liên quan trong sông cần thiết cho việc tính toán là cao trình đáy và độ nhám của lòng sông. River2D_bed cho phép những giá trị này có riêng ứng với từng điểm hoặc chung cho một vùng. R2D_BED cũng cho phép mặc định đường biên (“define exterior boundary loop”: biên ngoài, “define interior boundary loop”: biên trong) và cũng có thể xóa bỏ chúng (clear all boundaries). Những đường biên này có thể đặt ở R2D_mesh, nhưng cũng có thể lặp lại với một mesh mới. Việc thể hiện chính xác địa hình sông trên R2D_BED có thể là yếu tố chủ yếu trong toàn bộ quá trình làm. Không những chính xác về mặt dữ liệu, tin cậy và tính kinh nghiệm cũng cần thiết khi nối các điểm phân tán. River2D là phần mềm dựa vào phương pháp tạo lưới tam giác, bao gồm các đường nét đứt (breakline), cho việc nội suy các nút trên đó. Các giá trị nút thường được đo bởi từng điểm, nhưng breakline cũng có khả năng tạo ra các giá trị nút. R2D_BED cho phép đặt và xoá các đoạn breakline. Tính năng này cũng có trên R2D_MESH. Các công cụ khác nhau bao gồm định vị điểm, các đường breakline và biên, tam giác hoá, cũng như đường viền và màu sắc hoá địa hình để dễ cho ta cái nhìn trực quan về địa hình. Trong hầu hết trường hợp thì sự thay đổi là có thể nhận thấy ngay lập tức. 3. Mô tả file địa hình a. Tổng quát R2D_BED có thể đọc được hai dạng file đầu vào là dạng file text (*.txt) hoặc dạng file bed của chương trình (*.bed). những file *.bed cũng được đưa vào modul R2D_MESH. __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 9 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Có hai loại file *.bed được dùng bởi bed. Đầu tiên là nhóm các nút trong breakline hoặc trong biên. Nó sẽ thuận tiện cho việc sử dụng các tài liệu soạn thảo để điều chỉnh file này. Thứ hai là các nút, doạn breakline, và các biên sẽ riêng lẽ và rõ ràng. Trong khi R2D_BED đọc, nó sẽ đưa ra chỉ phần hiện, nó là copy từ file ẩn( là file có chứa dấu ngoặc). Trong file hiện (file không chứa dấu ngoặc) thì khó để sửa đổi số liệu. Mesh sẽ không đọc các được các file hiện. Trong dạng hiện, cấu trúc cơ bản nhất của file là dãy các nút, ứng với nó là dãy các đoạn chứa các nút này. Và cuối cùng là bởi dãy các đoạn biên. Biên giữa các phần mà được nhấn mạnh trong file này với dấu {} Trong dạng ẩn, brekline và biên được xác định cùng với thể hiện các giá trị mà nút mang. Dấu ngoặc dùng để xác định giá trị của các nút (cả trong breakline và biên đóng hoặc mở). Vì vậy, không cần sự liên tục nối nhau trong cùng một đường breakline và biên. Chú ý rằng có thể xáo trộn các đường breakline và biên. Ví dụ, một file mà là file ẩn chính có thể có vài breakline ngắn dọc theo nó. Những đường này sẽ có thể cần định hình theo cách trình bày ẩn. Ví dụ: (trong file bed) Đây là một ví dụ về mô tả địa hình bed cho việc sử dụng river2D. Nó đưa ra một dạng sông điển hình với việc chạy vòng theo dòng chảy nơi mà có thể dòng chảy sẽ nằm trong vùng đồi cao hơn. __________________________________________________________________ Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm 10 [...]... Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Ban đầu chưa có chương trình, cửa sổ ghi "Untitleed - R2Dmesh" khi file Mesh tải xuống Chuyển thành tên file mesh Các công cụ của mesh và các icon của nó: - Vài chức năng ứng dụng trên bed giống Mesh Giá trị về độ cao và độ nhấn của Mesh là được nội suy từ bed a Đưa fide Bed vào: Đầu tiên mở "Open Bed file" tìm file name: *.bed cần dùng File bed chứa các điểm... hai điểm Các nút phải được đặt tên ở đâu đó trước trong list các nút, thậm chí là một phần trong breakline Nối các phần thấp hoặc trũng ở bắc và nam vào trong dòng ra hoăc vào của sông 15 Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D b) Định dạng dữ liệu trong R2D-BED • Điểm nút Một điểm nó đại diện trong file bed và bao gồm... sông Cả hai nằm lần lượt ở bắc và nam của đoạn sông Khi thêm vào các đoạn breakline nữa thì nó nối với nhau và nối với dòng đi vào và dòng đi ra 12 Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D • Hai nhóm điểm mô tả cho vùng giữa sông Đường kín đầu tiên là bờ hoặc lòng sông Nó mang dấu [ ] vì nó không phải thể hiện biên mà... edit node hiện lên, nếu nó đã có trên màn hình Cho phếp sửa các 25 Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D nút đã có sẵn bằng cách vào edit Mỗi điểm mới sẽ được mặt định cao trình đáy và hệ số nhám nên cần phải sửa lại 3.3.3 Edit nodes Lệnh này có thể thay đổi tọa độ, cao trình điểm, độ nhám và mã của nút Lệnh này có hiệu... breakline hở, nó bắt đàu và kết thúc bởi hai điểm khác nhau Dáu ngoặc giúp ta dễ đọc và biên tập dữ liệu nút đưa vào hơn Yêu cầu duy nhất là dấu ngoặc đơn ứng trước và sau hai nút đầu tiên và kết thúc của đoạn đó 16 Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Dấu ngoặc vuông,[ ] là một breakline đóng, mà điểm bắt đầu và kết thúc... đường mà nó tạo thành một đa giác kín (quared) c { …}: curly bracket để mô tả điều kiện biên 2 Cách thứ hai: là sơ đồ hiện các phần của breakline Sau khi đặt các điểm, các đoạn này có thể đưa vào Mỗi nhánh chứa 1 tên đoạn với các điểm ở mỗi lần kết thúc Những điểm này phải đưa vào rõ ràng như điểm cá nhân Nó là phương pháp tận dụng Bed Khi các đoạn yêu cầu được đưa vào, phần đoạn được giới hạn bởi các miền... Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Mô tả boundary Mô tả quá trình tạo biên và rời rạc hoá biên(có đặt cả điều kiện ban đầu) 31 Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Quá trình thực hiện vẽ đường biên trên mesh -Tài liệu mesh, thể hiện bởi bản đồ contour, cho ra tổng quát cả một miền địa hình bởi các số liệu... tác dụng trên nó còn có tác dụng hướng dòng chảy trên sông và rất cần trong việc rời rạc hóa miền tính toán Mọi sự kết hợp từ bán kính, vùng, miền được sử dụng là sự sắp đặt các hoạt điểm nối Mỗi điểm thêm vào lấy độ cao đáy và độ nhám có được do sự nội suy tuyến tính các modul địa hình, khi đó dãy các điểm đặt vào Mesh miền (nút, độ cao đáy và độ nhóm tương đối theo) sẽ chuyển đổi đến dày đặc các. .. các lệnh nằm trong menu và một số lệnh cần thiết đã đưa ra dưới dạng biểu tượng 19 Thực hiện bởi: Võ Nguyễn Đức Phước Huỳnh Thị Thu Trâm Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D a Menu “file” Cũng như mọi phần mềm ứng dụng khác, menu “file” dùng để quản lý lưu trữ những tập tin đã làm, mở file đã làm Một điểm đặc biệt của menu “file’ trong R2D_BED là nhận thông số đầu vào... âm, và có giá trị bằng 0 vể độ cao và độ nhám * Lấy ra các điểm trong file nodal csv (extract points to csv file) Extract point cũng giống file nodal csv, chỉ khác là các điểm này được lấy ra từ file nodal csv những điểm tùy ý người sử dụng các file đưa vào đã có để đưa ra bất cứ điểm nào ta chọn nó cho phép người sử dụng so sánh các lưới khác nhau của cùng một vùng c) Các lệnh trong menu “bed” Các . Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D Hướng dẫn sử dụng Phần mềm River 2D và các ứng dụng thực tiễn của nó __________________________________________________________________ Thực hiện. Trâm 1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm River 2D PHẦN MỀM RIVER2D VÀ CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA NÓ MỤC LỤC Phần 1: Tổng quan chung 1. Đặt vấn đề Việc xác định được trường vận tốc, sự phân bố vận tốc và. máy tính và sự ra đời các phần mềm ứng dụng, việc xác định các yếu tố trong sông ngày càng trở nên đơn giản. Phần mềm river 2D là một trong số các phần mềm ứng ụng đó. Phần mềm này sẽ cung cấp