ỨNG DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT LƯU NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY LỰC TRÀN PIANO

7/4/2022 4:59:00 PM
Luận án TS của Giảng viên Lê Anh Tuấn, BM Thủy lực về chế độ thủy lực của tràn Piano sử dụng phần mềm mô phỏng chất lưu (CFD) được thực hiện tại trường Đại học Gifu, Nhật Bản

Hiện tượng nóng lên toàn cầu được dự đoán sẽ làm tăng cường độ mưa do sự gia tăng bốc hơi từ mặt đất và khả năng lưu trữ độ ẩm trong khí quyển. Mặc dù tổng lượng mưa hàng năm không thay đổi đáng kể trong vài thập kỷ, nhưng cường độ của các cơn bão có thể sẽ nghiêm trọng hơn. Theo một báo cáo năm 2016, các cơn bão tấn công Đông và Đông Nam Á đã mạnh lên từ 12% đến 15% trong vòng 37 năm qua. Điều này có thể gây ra sự cố sập bờ bao của các hồ chứa nhỏ đã lỗi thời.

Với các mô hình khí hậu sẵn có khác nhau và sự phát triển của các phương pháp luận mới để phân tích dữ liệu khí hậu và thủy văn, cũng như các yêu cầu ngày càng cao hơn từ cộng đồng về tiêu chuẩn quản lý an toàn, một số lượng lớn các đập hiện có cần phải cải thiện hoặc phục hồi các công trình tràn để loại bỏ dòng chảy dư thừa và nguy cơ từ các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Khả năng xả của tràn có thể được gia tăng bằng cách: 1) tăng chiều dài tràn; 2) tăng hệ số lưu lượng; 3) tăng cột nước trước tràn, hoặc bất kỳ kết hợp nào trong 3 cách trên. Cột nước tràn có thể được nâng cao bằng cách hạ thấp đỉnh đập và lắp đặt cửa xả, hoặc nâng chiều cao đập để cho phép mực nước hồ chứa cao hơn. Tuy nhiên, việc áp dụng cách tiếp cận này sẽ dẫn đến tăng chi phí đầu tư và quản lý vận hành. Sự gia tăng hệ số lưu lượng nói chung có thể được thực hiện bằng cách định hình lại hình dáng ngưỡng tràn và cải thiện kênh dẫn thượng lưu, nhưng với chi phí lớn. Một sửa đổi phổ biến hơn đối với các đập hiện có để thích ứng với các trận lũ lớn là việc mở rộng chiều dài ngưỡng tràn mà không tăng chiều rộng kết cấu liên quan, vốn luôn bị giới hạn bởi cách bố trí các công trình xả hoặc điều kiện địa điểm.

Trong bối cảnh này, tràn Piano (PKW) đã được phát triển. Loại đập tràn này là sự phát triển thêm của đập tràn ngưỡng răng cưa, lần đầu tiên được khởi xướng bởi Hydrocoop phối hợp với Đại học Biskra (Algeria), Phòng thí nghiệm thủy lực của Elictricité de France (Pháp) và Đại học Roorkee (Ấn Độ). Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng đập này có thể cung cấp khả năng tháo nhiều hơn gấp bốn lần so với đập tràn mặt cắt thực dụng truyền thống với cùng một cột nước tràn và chiều dài trên đập.

Tràn PKW Terminus, Mỹ

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của ngành Khoa học máy tính (CS), các mô hình số ngày càng được sử dụng rộng rãi, áp dụng trong các ngành khoa học tự nhiên. Luận văn Tiến sĩ của NCS Lê Anh Tuấn (Giảng viên Bộ môn Thủy lưc – Khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước) thực hiện tại trường Đại học Gifu – Nhật Bản đã sử dụng phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) để nghiên cứu rõ hơn về các chế độ thủy lực qua tràn Piano như: phân tích đường dòng chuyển động qua các tường khoang tràn, so sánh các công thức thực nghiệm tính toán lưu lượng qua tràn hiện có, phân tích tính hiệu quả của tràn Piano với các loại tràn khác, phân tích độ nhạy của các thông số hình học ảnh hưởng đến khả năng tháo của tràn. Các phần mềm CFD được sử dung (Flow3D, Ansys, OpenFoam) đã tỏ ra hiệu quả trong việc nghiên cứu chế độ thủy lực phức tạp của tràn Piano. Kết quả mô phỏng luôn được hiệu chỉnh và kiểm định dựa vào kết quả từ mô hình vật lý để đảm bảo độ tin cậy.

 Mô phỏng dòng chảy qua tràn PKW bằng CFD (trái) so sánh với mô hình vật lý (phải)

Từ các kết quả thu được, tác giả mong muốn có đóng góp ít nhiều vào cộng đồng các nhà khoa học nghiên cứu tràn Piano, một dạng tràn còn chưa thực sự phổ biến trên thế giới.

Giới thiệu thêm về tỉnh Gifu, trường Đại học Gifu và các cơ hội học bổng

Gifu là một tỉnh nằm ở tiểu vùng Tokai, vùng Chubu, vị trí trung tâm của Nhật Bản. Thủ phủ của tỉnh là thành phố Gifu. Nơi đây từng là trung tâm chế tạo kiếm của toàn nước Nhật. Hiện tại, Gifu là trung tâm du lịch khu vực miền Trung của Nhật Bản với rất nhiều địa điểm đáng đến.

 Câu cá bằng chim cốc trên sông Nagara

 Thành cổ Gifu mùa hoa anh đào nở

Làng cổ Shirakawago nổi tiếng mùa đông

Đại học Gifu là trường đại học quốc gia tại tỉnh Gifu, được thành lập vào năm 1949. Đây là một trong số những ngôi trường quốc lập đầu tiên tại Nhật Bản, áp dụng hệ thống giáo dục mới từ Chính phủ

Hơn 70 năm thành lập và phát triển, Đại học Gifu đã và đang đảm bảo tiêu chuẩn nghiên cứu và chất lượng giáo dục hàng đầu. Cùng với Đại học Nagoya, Đại học Gifu là một trong hai ngôi trường đào tạo hàng đầu tại vùng Chubu (khu vực trung tâm Nhật Bản). Theo tổng hợp từ Institute of Higher Education, Đại học Gifu được công nhận là 1 trong 100 trường đại học tốt nhất tại khu vực Châu Á – Thái Bình Dương, đứng thứ 106 trong Top 500 trường đại học chất lượng nhất toàn cầu.

 Sân trường ĐH Gifu

 Lễ trao bằng Tiến sĩ tại trường

Đặc biệt, Đại học Thủy Lợi và Đại học Gifu có quan hệ liên kết trong nhóm IC-GU12, hàng năm có rất nhiều cơ hội học bổng các bậc học Thạc sĩ, Tiến sĩ được cấp cho sinh viên nước ngoài từ các trường thành viên. Một vài trong số đó là:

  • Học bổng MEXT (Monbukagakusho) là học bổng toàn phần, được cấp bởi Chính phủ Nhật Bản. Sinh viên nhận học bổng này không phải chi trả bất cứ khoản chi phí nào trong quá trình học tập và mỗi tháng được nhận 147.000 yên Nhật (~30 triệu VND) tiền sinh hoạt phí. Vì vậy đây là học bổng rất cạnh tranh, mỗi năm thường chỉ có 1-2 ứng viên dành được học bổng này trong rất nhiều hồ sơ đăng ký.
  • English Program Scholarship là học bổng của The United Graduate School of Agricultural Sciences (thuộc Đại học Gifu). Mỗi tháng sinh viên được cấp 60.000 yên (~12 triệu VND).
  • Học bổng Tokai liên kết giữa ĐH Gifu và ĐH Nagoya. Mỗi tháng sinh viên có 180.000 yên (~36 triệu VND). Là học bổng có giá trị cao nhất nên tính cạnh tranh cũng rất lớn.
  • Ngoài ra còn rất nhiều học bổng từ các tổ chức, doanh nghiệp cấp hàng năm cho sinh viên được nhà trường tiến cử.

Nói tóm lại, có rất nhiều các cơ hội để học tập, nghiên cứu tại đất nước mặt trời mọc mà sinh viên sẽ không phải quá quan tâm về vấn đề tài chính.