Thí nghiệm sử dụng Mô Hình Vật Lý (MHVL) trong lĩnh vực thủy động lực học đóng vai trò thiết yếu trong việc thiết kế và xây dựng các công trình quan trọng như hệ thống thủy lợi, nhà máy thủy điện, cầu cảng, công trình chỉnh trị sông, cũng như các biện pháp bảo vệ cửa sông và bờ biển. Mặc dù sự phát triển của các phương pháp số và mô hình toán học đã giảm bớt sự phụ thuộc vào mô hình vật lý trong một số trường hợp, MHVL vẫn giữ một vị trí quan trọng. Bài viết này sẽ điểm lại quá trình phát triển của nghiên cứu thí nghiệm MHVL, những thách thức hiện tại và đưa ra nhận định về tương lai của lĩnh vực này, dựa trên các dữ liệu thí nghiệm MHVL được thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam từ những năm 1960.
1. Lịch Sử Phát Triển của Mô Hình Vật Lý
Từ những năm 1960, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã ứng dụng mô hình vật lý trong nghiên cứu và thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện. Các thí nghiệm MHVL giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về các quá trình thủy động lực học phức tạp, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu.
2. Mô Hình Vật Lý Thủy Động Lực Học Ngày Nay
Hiện nay, mặc dù các mô hình số đã có những bước tiến đáng kể, nhưng chúng vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn mô hình vật lý trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật thủy lực phức tạp liên quan đến sông và biển. Các yếu tố như địa hình phức tạp, tương tác giữa dòng chảy và cấu trúc công trình, và các hiện tượng xâm thực, xói lở vẫn đòi hỏi phải có sự kiểm chứng và đánh giá thông qua mô hình vật lý. Ngược lại, MHVL cũng không thể mô phỏng được tất cả các yếu tố của thế giới thực, đặc biệt là các yếu tố liên quan đến quy mô lớn và thời gian dài.
Hình ảnh minh họa một thí nghiệm mô hình vật lý trạm bơm Nghi Xuyên, cho thấy quá trình nghiên cứu và kiểm tra các thông số kỹ thuật.
3. Tương Lai Của Mô Hình Vật Lý Trong Nghiên Cứu Thủy Lợi
Trong tương lai, các phòng thí nghiệm vẫn cần duy trì và phát triển nghiên cứu dựa trên mô hình vật lý, đồng thời đầu tư vào việc ứng dụng và phát triển các mô hình số và phương tiện tính toán hiện đại. Sự kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình số sẽ tạo ra một phương pháp tiếp cận toàn diện và hiệu quả hơn trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật thủy lực phức tạp.
Sự phối hợp này cho phép các nhà khoa học và kỹ sư tận dụng tối đa ưu điểm của cả hai phương pháp: Mô hình vật lý cung cấp dữ liệu thực nghiệm chính xác, trong khi mô hình số cho phép mô phỏng các kịch bản khác nhau và dự đoán các tác động trong tương lai.
Hình ảnh mô hình vật lý sông Hậu đoạn qua Long Xuyên, thể hiện khả năng mô phỏng dòng chảy và tác động của các công trình.
4. Kết Luận
Mô hình vật lý tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và thiết kế các công trình thủy lợi, thủy điện, chỉnh trị sông và bảo vệ bờ biển. Mặc dù các phương pháp số đã phát triển mạnh mẽ, MHVL vẫn cung cấp những thông tin quan trọng và chính xác mà các mô hình số chưa thể thay thế hoàn toàn. Sự kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình số sẽ là xu hướng tất yếu trong tương lai, giúp chúng ta giải quyết các thách thức kỹ thuật thủy lực một cách hiệu quả và bền vững.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Smeaton, “An experimental Enquiry concerning the natural Powers of Water and Wind to turn Mills, and other Machines, depending on a circular Motion,” Phil. Trans., vol. 51, no. (for 1759), pp. 100–174, 1760.
[2] L. Euler, “Regula facilis pro diiudicanda firmitate pontis aliusve corporis similis excognita firmitate moduli,” Euler Arch., vol. 486, no. 1776, pp. 271–285, 1776.
[3] W. Froude, “Experiments upon the effect produced on the wave-making resistance of ships by lengths of parallel middle body,” Trans. Inst. Nav. Archit., vol. XVIII, no. discussion, 87-97, pp. 77–87, 1877.
[4] H. Hossdorf, “Model Analysis of Structures (trans. C. van Amerongen),” New York Van Nostrand Reinhold., vol. 1, no. 1, pp. 303–335, 1974.
[5] B. Addis, Past, current and future use of physical models in civil engineering design, vol. 174, no. 2. 2020.
[6] L. Fargue, “Expériences relatives à l’action de l’eau courante sur un fond de sable,” Ann. des Ponts Chaussées, Mémoirs Doc., vol. VII, 1, no. Semester: 426-466, pp. 11–19, 1894.
[7] O. Reynolds, “On certain laws relating to the regime of rivers and estuaries, and on the possibility of experiments on a small scale,” Rep. 57th Meet. Br. Assoc. Adv. Sci. held Manchester 1887, vol. London: Jo, p. 555-562, 1888.
[8] J. Freeman, “Hydraulic laboratory practice,” New York Am. Soc. Mech. Eng., pp. 549–551, 1929.
[9] B. Fatherree, “The first 75 years: History of hydraulics engineering at the Waterways Experiment Station,” US Army Corps Eng. Eng. Res. Dev. Cente, no. Freeman 1929, pp. 1–61, 2004.
[10] PTNTĐ, “Giới thiệu phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển,” 2008.
[11] V. KHTLVN, “Vươn lên để xứng tầm là một Viện hàn lâm khoa học,” 2010.
[12] D. Gessler and A. Johansson, “After 125 Years Of Physical Modelling Experience, What’s Next?,” Water Online, 2019, [Online]. Available: https://www.wateronline.com/doc/after-years-of-physical-modeling-experience-what-s-next-0001.
[13] Đ. T. H. Huệ and Nnk, “Thí nghiệm mô hình trạm bơm Nghi Xuyên,” Phòng TNTĐQG về động lực học sông biển, pp. 5–22, 2011.
[14] Đ. T. H. Huệ and Nnk, “Mô hình vật lý đoạn sông Hậu qua Thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang,” Phòng TNTĐQG về động lực học sông biển, 2013.
[15] L. V. Nghị, “Nghiên cứu giải pháp hạn chế bồi lắng trước cửa lấy nước trước đập dâng sau đoạn sông cong áp dụng cho đầu mối lấy nước của hệ thống thủy lợi Bắc Nghệ An,” Tạp Chí Kh&Cn Thủy Lợi, vol. 37, pp. 1–7, 2017.
[16] L. V. Nghị and Nnk, “Báo cáo kết quả thí nghiệm MHTL – Mô hình tổng thể – Tràn xả lũ Ngàn Trươi,” Phòng TNTĐQG về động lực học sông biển, 2012.
[17] N. D. Giap and Nnk, “Đánh giá hiệu quả các giải pháp công trình chỉnh trị khu vực hợp lưu sông Thao – Đà – Lô – Hồng trên mô hình toán và mô hình vật lý,” Đề tài KC.08.02/11-15. Phòng TNTĐQG về động lực học sông biển, vol. 15, no. 2015, p. 2022, 2015.
[18] L. V. Nghị, P. H. Cường, and Đ. T. M. Yến, “Mô phỏng tác động của dòng chảy qua Tuynel TN1 tới ổn định lòng dẫn và trụ cầu Ngàn Trươi trên đường Hồ Chí Minh bằng mô hình toán 3D,” Tạp Chí Kh&Cn Thủy lợi, vol. 38, pp. 1–10, 2017.
[19] J. S. Antunes Do Carmo, “Physical Modelling vs. Numerical Modelling: Complementarity and Learning,” Preprints, no. July, 2020, doi: 10.20944/preprints202007.0753.v1.
[20] L. V. Nghị, B. V. Hữu, and Nkk, “Đề tài KHCN cấp nhà nước KC08: ‘Nghiên cứu đánh giá rủi ro đối với thượng, hạ du khi xảy ra sự cố các đập trên hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà,’” Phòng TNTĐQG về động lực học sông biển., 2015.
