Kiểm định bộ số liệu sóng trên đảo nổi bằng SWASH 1D
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (451.1 KB, 3 trang )
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
KIỂM ĐỊNH BỘ SỐ LIỆU SÓNG
TRÊN ĐẢO NỔI BẰNG SWASH 1D
Phạm Lan Anh1, Thiều Quang Tuấn1, Phan Khánh Linh1
1
Trường Đại học Thủy lợi, email:
1. GIỚI THIỆU CHUNG
3. SWASH - MƠ PHỎNG SĨNG TỚI BỜ
Q trình thủy động lực sóng trên đảo nổi
san hơ rất đa dạng. Sóng truyền từ vùng nước
rất sâu, qua mái trước thềm rất dốc và qua
đầu đoạn thềm nước nông sẽ bị vỡ do sự thay
đổi độ sâu đột ngột và do giới hạn độ sâu
nước. Sau vùng sóng vỡ dải năng lượng sóng
tần số cao truyền sang vùng tần số thấp, hình
thành sóng tần số thấp (0.004-0.04Hz), chu kì
dài (250s-25s) [Symonds 1982]. Trên thềm
san hơ, sóng ngoại trọng lực sinh ra từ cơ chế
điểm vỡ di động trong vùng sóng vỡ được
chứng minh là chiếm ưu thế hơn so với cơ
chế cưỡng bức từ nhóm sóng ngắn ngồi khơi
[Baldock 2012]. Sự tương tác giữa sóng và
thềm san hơ là một q trình phức tạp và
nhiều nghiên cứu vẫn chưa hiểu rõ hết về q
trình này. Nghiên cứu mơ hình số được xem
là xu hướng hiện nay khi sự hỗ trợ của công
cụ máy tính mơ phỏng ngày một phát triển.
SWASH- mơ hình mã nguồn mở được
phát triển bởi Zịjlema và Stelling là mô hình
phi thủy tĩnh mơ phỏng q trình biến đổi
sóng phi truyến trong vùng nước nông.
SWASH phù hợp cho mô phỏng q trình
biến đổi sóng trên đảo nổi san hơ, bắt được
sóng ngoại trọng lực và hiện tượng nước
dâng, sóng leo… (Zijlema và Stelling
2005,2011, 2012).
SWASH dựa trên mơ hình phi tuyến nước
nông đưa vào áp lực phi thủy tĩnh rút ra từ
phương trình Navier-Stoke bảo tồn khối
lượng và động lượng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để đạt được mục tiêu phân tích và kiểm
định kết quả đo từ thí nghiệm mơ hình vật lí,
mơ hình số được xây dựng từ thí nghiệm mơ
hình vật lí và kết quả của mơ hình số được so
sánh trực tiếp với kết quả của của thí nghiệm
u w
0
(1)
x z
u u 2 wu
1 ph pnh xz xx
(2)
t x
z
x
z
x
w uw w2
1 pnh zz zx
t
x
z
z
x
z
(3)
z = (x,t) cao trình mặt nước tự do; z = 0
ngang với mực nước tĩnh; z = d(x) là cao
trình đáy
u(x,z,t) w(x,z,t) lần lượt là lưu tốc theo
phương ngang và lưu tốc theo phương đứng
ph(x,z,t) và pnh(x,z,t) lần lượt là áp lực thủy
tĩnh và áp lực phi thủy tĩnh
xx, xz, zz ứng suất rối
udz 0
t x d
(4)
Phương trình (4) xác định cao trình mặt
nước
Số hạng ma sát đáy quan trọng với sóng
ngoại trọng lực vào sóng leo.
b c f
UU
h
(5)
cf - hằng số ma sát
U - vận tốc dịng lấy trung bình theo độ sâu
h = d + tổng độ sâu nước
Sóng bắt đầu vỡ khi mặt trước sóng thỏa
mãn:
558
gd
t
(6)
- Thông số ngưỡng bắt đầu vỡ; = 0.6;
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
gd
t
Các kịch bản thí nghiệm được tiến hành
với các độ sâu d và chiều cao momen và chu
kì đỉnh khác nhau Hmo, Tp.
(7)
- Thơng số ngưỡng sóng ngừng vỡ;
0<<
5. MƠ HÌNH SỐ
4. MƠ HÌNH VẬT LÍ
Biên phía Tây (biên trái): dao động mực
nước tại đầu đo 1 (WG1) η~t. Trong mơ hình
SWASH, vị trí đặt biên ảnh hưởng tới kết
quả tính. Cụ thể vị trí đặt biên thích hợp từ
0.1
sponge layer dày 65m (>2 chiều dài sóng).
Đây là biên dập tắt sóng phản xạ bị động.
Bằng cách tăng số lớp chia theo độ sâu
nước, Swash sẽ cải thiện được khả năng phân
tán sóng theo tần số. Tuy nhiên số lớp chia
càng nhiều thì thời gian tính tốn càng lớn.
Thơng thường thì số lớp chia từ 1-3 lớp là đủ
để mơ phỏng q trình vật lí xảy ra trong và
ngồi vùng sóng vỡ. Trong báo cáo này, 2
lớp chia được lựa chọn để mơ phỏng.
Các mắt lưới địa hình được chia với
khoảng cách phương ngang x = 0.1m.
Hệ số bắt đầu vỡ 0.6 và hệ số kết thúc vỡ
sau hiệu chỉnh là 0.2; hệ số ma sát Manning
0.03 là tương đối lớn nhưng với trường hợp
đáy san hô lại cho kết quả khá sát giữa mơ
hình và thực nghiệm.
Bước thời gian tính tốn là 0.01s.
Mơ hình đảo được thiết lập chính thái, tỉ lệ
dài 1:40 trong máng sóng dài 45m, rộng 1m
cao 1.2m. Địa hình đáy đảo gồm: mái dốc
trước đảo độ dốc 1:20 dài 10m; chuyển tiếp
lên thềm phẳng dài 10m; phía sau là bờ đảo
mái đá đổ độ dốc 1:3.5. Các đầu đo sóng từ
WG1 tới WG5 được bố trí với các khoảng
cách như (hình 1) dùng để đo cao trình mặt
nước. Tồn bộ đảo được đặt cách máy tạo
sóng 22m. Để dập tắt phản xạ sinh ra do mơ
hình thì tại vị trí cuối máng được bố trí khối đá
đổ và tại vị trí máy tạo sóng sẽ có bộ hấp thụ
sóng Active Reflection Compensation – ARC.
Tại máy tạo sóng sinh ra sóng ngẫu nhiên phổ
JONSWAP với hệ số đỉnh phổ = 3.3 (hình 1)
Bảng 1. Các điều kiện đầu vào
của thí nghiệm
No.
1
2
3
4
5
6
D20H07T113
D20H07T150
D20H10T135
D20H10T180
D20H12T150
D20H12T200
Hmo (m)
0.07
0.07
0.1
0.1
0.12
0.12
Tp (s)
1.13
1.50
1.35
1.80
1.50
2.0
1m
d (m)
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
1m
3m
3m
2m
0.7m
0.5m
10m
22m
10m
4.5m
Cao ®é mỈt n−íc (m)
Hình 1. Cao độ đáy đảo và vị trí các đầu đo mực nước
swash
lab
0.10
0.05
0.00
-0.05
400
500
Thêi gian (s) 600
700
800
Hình 2. Đường mặt nước thực đo (màu đỏ) và đường mặt nước theo mơ hình - Đầu đo 2
559
Cao độ mặt nớc (m)
Tuyn tp Hi ngh Khoa hc thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
Swash
Lab
0.10
0.05
0.00
-0.05
400
500
600
Thêi gian (s)
700
800
0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.10
0.09
0
Cao do mat nuoc
(m)
Hmo(m)
Hình 3. Đường mặt nước thực đo (màu đỏ) và đường mặt nước theo mơ hình - Đầu đo 3
Swash
Lab
5
10 Xp (m) 15
20
25
-0.03
-0.04
-0.05
-0.06
-0.07
-0.08
0
Swash
Lab
5
10 Xp (m) 15
20
Hình 4. Đường mặt nước (trái) và chiều cao mô men (phải) dọc theo mặt cắt đảo ngang đảo
6. CÁC KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH
Kết quả kiểm định đường mực nước cho
các kịch bản hầu hết cho thấy các giá trị giữa
mơ hình tính và thực nghiệm khá sát nhau.
Trên hình 2, 3 là kết quả so sánh mực nước
tại đầu đo 2 và 3 cho trường hợp
D20H07T150. Với góc kết thúc vỡ = 0.2
cho đường quá trình phổ sát nhất với phổ
theo kết quả thực nghiệm (hình 5).
Lab
= 0.3
= 0.2
0.0020
7. KẾT LUẬN
Qua kiểm định bộ số liệu sóng trên địa
hình đảo nổi bằng Swash 1D nhìn chung có
thể thấy mơ hình mơ phỏng tốt chiều cao
sóng, nước dâng đặc biệt là sóng ngoại trọng
lực sinh ra sau vùng sóng vỡ và các kết quả
giữa thí nghiệm và mơ hình khá nhất qn
với nhau.
Tuy nhiên cần phân tích độ nhạy cho hệ số
vỡ và độ nhám với các độ sâu nước khác nhau
để kiểm định chính xác các thơng số mơ hình.
E (m2/Hz)
0.0015
0.0010
0.0005
0.0000
0.0
0.5
1.0
1.5
Trên hình 4, mơ hình dự đốn khả năng
nước dâng do sóng trên thềm nước nơng; sự
dâng lên có liên quan tới sự lan truyền của
sóng ngoại trọng lực sau vùng sóng vỡ và
nguy cơ gây ngập lụt đường bờ.
Tuy nhiên chiều cao sóng có xu thế giảm
dần trên thềm san hơ do sau sóng vỡ năng
lượng sóng ngắn hầu hết đã tiêu hao chỉ cịn
năng lượng sóng dài chiếm ưu thế trên thềm.
Tại một vài vị trí đầu đo giữa thềm (WG4)
mơ hình có vẻ đánh giá thấp hơn các giá trị
mực nước và chiều cao sóng.
2.0
f (Hz)
Hình 5. Phổ thực đo (màu đỏ), phổ với
=0.3 (màu xanh) phổ với =0.2, (màu đen)
Từ kết quả đường mật độ phổ chứng minh
Swash có khả năng tái hiện lại xu hướng
truyền năng lượng sang dải tần số thấp - vùng
tần số sóng ngoại trọng lực (<0.04Hz).
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Zijlema
(2012)
Modelling
wave
transformation across a fringing reef using
swash.
[2] Zijlema (2012) Swash use (version 6.01).
560
