CFD Munkaértekezlet, 2005. április 18. Intézményi Összefoglalók Szabadfelszínű áramlások két- és háromdimenziós numerikus modellezése folyókban, ártereken és tavakban Szemelvények a BME Építőmérnöki Kar Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén folyó CFD kutatómunkákról Dr. Józsa János tanszékvezető egyetemi tanár
Jellemző vízmérnöki feladatok, ahol gyakorlati igény van a szabadfelszínű áramlások többdimenziós numerikus modellvizsgálatára: Folyók összetett medrű, rövidebb szakaszai az árvédelmi biztonság ellenőrzése és tervezése kisvízi hajózási viszonyok vizsgálata szennyeződések elkeveredése hordalékvándorlási és medermorfológiai folyamatok élőhely-hidraulikai viszonyok vizsgálata Ártéri öblözetek töltésszakadásból eredő elöntései öblözetek mértékadó elöntései különféle feltételezett forgatókönyvek szerint lokalizációs tervek készítése szükségtározók tervezése és üzemeltetése Tavak szél keltette vízmozgásai egyes tórészek közötti vízcsere-mechanizmus nagytérségi és lokális feliszapolódási folyamatok élőhely-hidraulikai viszonyok feltárása és javítása Alkalmazott, többnyire tanszéki fejlesztésű CFD eszközök Permanens és/vagy nempermanens (stacioner és vagy tranziens) 2- és 3-dimenziós Megoldás egyenközű véges differencia, görbevonalú véges térfogat vagy adaptív négyfa-alapú rácshálón Bevezető példa a modellezendő, szélsőséges folyami és ártéri viszonyokra: a Tisza 2001. évi tarpai töltésszakadása
Példa töltésszakadás okozta ártéri elöntések 2D modellezésére Beregi Tiszahát 2001. évi elöntése a tarpai töltésszakadás következtében A szakadási szelvény környezete A 41-es főút átvágása Figyeljük meg a szakadások környezetének háromdimenziós (sőt háromfázisú) összetett folyamatait, és attól távolodva az egyre egyenletesebbé váló, sekély, lepelszerű áramlást! A szakadásoktól nem túl távol az áramlások már egyszerűsített, mélység mentén integrált, kétdimenziós formában is jó közelítéssel leírhatók.
Mélység mentén integrált 2D áramlási modell származtatása Jellemző folyami sebességeloszlás z, m 800 700 600 aug. 19: 2-es függély y = 4.52e 0.0188x Mélység menti integrál-átlagolás q U x = η z m qx = h u ( z) d z q V y = = q η z m y h v ( z) d z A térfogatmegmaradás diszkrét sémája q x, Ny h q y, É q x, K 500 400 300 200 U U u, cm/s Expon. (u, cm/s) A térfogatmegmaradás differenciálegyenlet alakja: η qx + t x q y + y = 0 q y, D x y 100 0 0 200 400 u, cm/s Az x- és y-irányú impulzusmegmaradás differenciálegyenlet alakja: x ( h + z ) 2 qx qx x y m m, x 2 + = gh + ν e t h q q + y h x τ ρ q x y ( h + z ) 2 qy qy qxqy m m, y 2 + + = gh + ν e t h x h y τ ρ q y
2D egyenközű véges differencia modell Tiszai példák: Tiszasüly-Tiszaroff, Beregi Tiszahát
A Tiszasüly-Tiszaroffi kanyar térsége Medergeometria és területhasználat a 2D modell rácshálón (40x40m) megjelenítve
Helyi jellegzetesség: Hullámtéri erdők hullámtéri simasági együttható (k) becslése
91.6 91.5 91.4 91.3 91.2 91.1 91 90.9 90.8 90.7 90.6 Tiszasüly-Tiszaroff Kalibrálás-igazolás árvízi tetőzés mért vízszintjeire 2000. IV. 17. 368 373 378 383 388 393 L, [fkm] z, [mbf] Tiszabő Kőtelek a. Kőtelek f. Tiszaroff a Tiszasüly Tiszaroff f Akolhát f. Sajfok Akolhát a. 90 89.8 89.6 89.4 89.2 1998. XI. 22. z, [mbf] Tiszabő Kőtelek a. Kőtelek f. Tiszaroff a Tiszasüly Tiszaroff f Sajfok Akolhát a. Akolhát f. Főmeder: k = 45 Szántó-legelő: k = 30 Erdő: k = 8 89 368 373 378 383 388 393 L, [fkm]
Alapállapot kalibrált modelleredménye - vízfelszín 1 cm-es szintvonalakkal - keresztszelvény a kanyarban - vízhozam 83%-a a hullámtéren folyik le 92 90 88 86 84 82 80 78 76 74 3200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 z, [mbf] 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Y = 230240 m 3200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 q, [m2/s] L, [m]
Beavatkozások hatásának értékelése alapállapot hidraulikai folyosó (erdőritkítás, k = 8 helyett 15) nyárigátak elbontása
Beavatkozások hatásának értékelése Fajlagos vízhozam-eloszlás és megváltozása alapállapot erdőritkítás (k = 8 helyett 15) nyárigátak elbontása
Összesített fajlagos vízhozam-változás Beavatkozások hatásának értékelése - az erdőritkítás, - a nyárigát elbontás és - az össz-beavatkozás vízszintcsökkentő hatása 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25 395 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 dz, [m] Tiszabő Kőtelek Tiszaroff Tiszasüly Tiszabura 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25 L, [fkm] 395 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 dz, [m] Tiszabő Kőtelek Tiszaroff Tiszasüly Tiszabura L, [fkm] 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25 395 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 dz, [m] Tiszabő Kőtelek Tiszaroff Tiszasüly Tiszabura L, [fkm]
A Duna Szap-Gönyü közötti szakaszának 2- és 3D áramlásmodellezése
Ultrahangos mederletapogatás alapján felállított digitális mederfelszín-modell a Duna 1792-1802 fkm közötti szakaszára
A meder érdességmagasságának, mint legfontosabb áramlási modellparaméternek elsődleges becslése fagyasztásos mederfelszín-minták alapján
Simasági együtthatók kalibrálása kisvízi és árvízi viszonyokra, a 2002-es árvízi mérések alapján: k főmeder = 41 m 1/3 /s k hullámtér = 12 m 1/3 /s 2-D kisvízi és árvízi modellezés Q=1800 m 3 /s z Gönyü =107,6 mbf Fajlagos vízhozam, [m2/s] 40 30 20 Q=6500 m 3 /s z Gönyü =112,6 mbf 10 0 Q=9000 m 3 /s z Gönyü =114,4 mbf
A Szap-Gönyü közötti Duna-szakaszának 3D turbulens áramlásmodellezése Távlati cél: A meder morfológiai változásainak vizsgálata Első lépés: 3D áramlási modell adaptálása Főbb modelljellemzők: Térbeli, k-ε turbulencia-modell (SSIIM) Strukturált, görbe-vonalú rácsháló Nem-hidrosztatikus nyomáseloszlás Eddig elvégzett munkarészek: Modell tesztelése A modellezett 10 km-es Duna-szakasz rácshálójának generálása Kalibrálás mért vízfelszín-görbékre és sebességeloszlásokra
3D kalibrációs sebességadatok gyűjtése ADCP-vel mért jellemző háromdimenziós sebességeloszlás
Modellkalibrálás és igazolás ADCP sebességmérések és modelleredmények mélység menti összehasonlítása adp 19.-ssiim 6. profil adp 15.- ssiim 5. profil 6.00 6.00 5.00 5.00 magasság a mederfenéktől [m] 4.00 3.00 2.00 ADCP SSIIM magasság a mederfenéktől [m] 4.00 3.00 2.00 ADCP SSIIM 1.00 1.00 0.00 0.00 0.00 100.00 200.00 0.00 100.00 200.00 réteg középsebesség [cm/s] réteg középsebesség [cm/s]
Modellkalibrálás és igazolás Keresztszelvényekben mért és modellezett sebességeloszlások mélységátlagolt összevetése
Szelvény menti mért és modellezett sebességnagyság-eloszlás Modellezett csavaráramlás
Példa töltésszakadás okozta ártéri elöntések 2D modellezésére Beregi Tiszahát 2001. évi elöntése a tarpai töltésszakadás következtében A magyar és ukrán területeket magában foglaló ártéri öblözet digitális terepmodellje, x = 150 m 345000 340000 335000 330000 325000 320000 315000 115 114 113 112 111 110 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100 310000 890000 895000 900000 905000 910000 915000 920000
Lokális jelenségek, amelyekre a részletes numerikus modellezés még kísérleti stádiumban van
A simasági együtthatók kalibrálása a légi- és űrfelvételek segítségével rekonstruált 2001. évi elöntések és a becsült kifolyó vízhozam alapján k szántó, legelő = 18 m 1/3 /s, k erdő,gyümölcsös = 12 m 1/3 /s megfigyelt számított
A simasági együtthatók kalibrálása a légi- és űrfelvételek segítségével rekonstruált 2001. évi elöntések és a becsült kifolyó vízhozam alapján k szántó, legelő = 18 m 1/3 /s, k erdő,gyümölcsös = 12 m 1/3 /s megfigyelt számított
A simasági együtthatók kalibrálása a légi- és űrfelvételek segítségével rekonstruált 2001. évi elöntések és a becsült kifolyó vízhozam alapján k szántó, legelő = 18 m 1/3 /s, k erdő,gyümölcsös = 12 m 1/3 /s megfigyelt számított
2D elöntés-modellezés a Vásárhelyi Terv továbbfejlesztésében Szamos-Kraszna-közi árvízi tározó Hullámfront érkezési idejének térképe az elöntés-modellezés alapján, mint a vadmenekítő dombok tervezésének alapja
Hazai sekély tavaink szél keltette áramlásainak numerikus modellezése
A vízmozgást gerjesztő szél megismerése Jellegzetes sekély tavi szélmérő-telepítés
A vízáramlás mérésének eszköze: RCM-9 (Akusztikus Doppler-elvű 2D áramlásmérő) Belső felépítés és telepítésre kész állapot
Jellegzetes ÉÉNy-i szél által keltett áramlások mért sebességvektor-idősorai a Balatonban, a Keszthelyi-öböl térségében (10 perces átlagok)
Az szél keltette vízmozgás köröző áramlási komponensei (3 órás alul-áteresztő szűréssel)
A vízmozgás létrehozója: levegő-víz határfelületi impulzusátadás A felszín közeli szélprofil mérhető és számítható paraméterei W(z) W(z a ) F z 0, W *, c z,τ sz
A köröző áramlások kialakulásának matematikai leírása és elemzése Szél keltette áramlások sekély viszonyok között: 2D közelítés A mélység menti középsebesség-mező rotáció-mezőjének elemzése A vízmélység-gradiens és a szélcsúsztatófeszültség mező szerepe A vonatkoztatási rendszer: z U τ sz U η h y u(z) u(z) z m τ m τ m x
Számított permanens áramkép, meghajtási hossz menti belső határréteg-fejlődést figyelembe vevő szélmodellel z 0,t = 0,4 m z 0,v = 0,0004 m
A szél keltette áramlások 2D modellezése a Fertő tavon
A szélmező tófelszín feletti változásának feltárása 3-pontos szélméréssel
3-pontos szélmérés az osztrák tórészen nagy meghajtási hosszakra Jellemző pillanatnyi szélsebesség-eloszlás Egyperces szélsebességek vektor-idősorai
Adaptív 2D áramlási modell négyfa-alapú rácshálója Adaptív rácsháló-finomítás mélységeloszlás, nádas-határvonal, széleloszlás, valamint a mélységátlagolt vízsebesség rotációja és divergenciája alapján a Fertőrákosi-öbölre
Mért és modellezett permanens áramkép összevetése a Fertőrákosi-öbölre Számított sebességvektorok megjelenítése egyenletes eloszlásban
Négyfa-rácsháló adaptív finomítása a teljes tóra
ÉÉNy-i szél keltette vízsebesség-mező a modell négyfa-hálóján, valamint egyenletes eloszlásban megjelenítve
Modellezett lokális vízsebesség-mező különféle hálófinomítási fokozatokkal Fent: megjelenítés a négyfa-hálón Lent: megjelenítés egyenletes eloszlásban