Folyami hidrodinamikai modellezés Dr. Krámer Tamás egyetemi docens BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
Numerikus modellezés 0D 1D 2D 3D Alacsony Kézi számítások Részletesség és pontosság Bonyolultság Számítási igény Adatigény Gyakorlati modellezés Magas Tudományos kutatás
Nagyobb folyóhálózatok modellrendszere: 1D
1D alapegyenletek = St Venant egyenletek 0 x Q t A Folytonossági egyenlet: Impulzus- egyenlet: 0 ) / ( 2 S E x z ga x A Q t Q 3 1 2 2/3 ) ( 1 i i i i E A R k QQ S i = 1 2 3
Fonatos vagy meanderező folyószakaszok árvízi modellezése
2D alapegyenletek = Reynolds-átlagolt sekélyvízi egyenletek by sy b bx sx b y z gh gh h q y h pq x t q x z gh h pq y gh h p x t p y q x p t h 2 2 2 2 2 1 2 1 0 Impulzusegyenlet (x és y irányban): Folytonossági egyenlet: z y x p h q
Csavaráramlások
Árvízi áramlás egyenes öszetett szelvényű mederben
3D alapegyenletek: Reynolds-átlagolt Navier-Stokes Impulzusegyenlet (x és y irányban): Folytonossági egyenlet: z y x 0 j j x u 0 1 3 2 j j i i i j j i j j i i x u u g x p x x u x u u t u, 1,2,3 j i u v w
Szabálytalan medergeometria
Növényzet okozta ellenállás
1. példa: Dunai alsó rakpart szélesítésének hidrodinamikai hatásai
Számítási rácsháló Függőlegesen 8 réteg Vízszintesen 200 x 75 cella 120e cella
Mederdomborzat Ultrahangos keresztszelvény-felmérés Interpolált domborzati térkép
Modell igazolása Mérés 3D modellezés
Hidrodinamikai változók eloszlása TKE Vízszint
Keresztirányú áramlási vektorok
A szekundér áramlások meghatározási elve
Szekundér áramlások
3D áramlási modell: SSIIM Áramlást leíró alapegyenletek:» Reynolds átlagolt Navier-Stokes egyenletek» Turbulencia-modell: k-ε modell Numerikus megoldás:» Véges térfogat típusú megoldás» Görbe vonalú, strukturált számítási rácsháló Hordaléktranszport modell: Külön DLL (Dynamic Link Library) fájlba beprogramozva C programnyelven Áramlási modell Hordaléktranszport-modell Turbulencia mező Fenék-csúsztatófeszültség mező
Helyi kimélyülés vizsgálata kisminta és numerikus modellezéssel
Helyi kimélyülés vizsgálata kisminta modellezéssel Laboratóriumi kismintán modellezett pillér körüli kimosódás
Helyi kimélyülés vizsgálata számítógépes modellezéssel Számítási rácsháló felülnézete és a pillér körüli részlete
Helyi kimélyülés vizsgálata számítógépes modellezéssel Hídpillér körüli áramlási struktúra
Helyi kimélyülés vizsgálata számítógépes modellezéssel Helyi kimélyülés időbeli alakulása
Helyi kimélyülés vizsgálata számítógépes modellezéssel Egyensúlyi medergeometria
Homokmedrű folyó morfodinamikai vizsgálata
Sarkantyúk Sarkantyú = az áramló víz munkáját felhasználó folyószabályozási mű Hidrodinamikai hatások: mederszelvény szűkítése Áramlás gyorsulása az ellentétes oldalon Áramlás lassulása a sarkantyúk között Morfológiai hatások Hajózási útvonal mélyülése Feltöltődés a sarkatyúk között Hosszabb folyószakaszon megoszló hatás eléréséhez: sarkantyúsor
Sarkantyúsor modellezett morfológiai hatása Eredeti meder Sarkantyúk beépítése után kialakult új egyensúlyi meder Ábrán: vízmélységek alacsony, még éppen hajózható vízállás mellett 30
Sarkantyú mögötti áramlási mező Másodlagos forgó Forgó Főáramlás
Turbulens kinetikai energia térbeli eloszlása Felszíni réteg Fenékközeli réteg
Vizsgált vízjárási állapot és időszak: Q = 1950 m 3 /s T = 160 nap Tervváltozatok vizsgálata Új sarkantyúk (kék) az eredeti mederben 2014.03.06. 33
Áramkép 2014.03.06. 34
Mederváltozások a szimulált időszak alatt 2014.03.06. 35
Mederváltozások a szimulált időszak alatt, a sarkantyúk térségében 2014.03.06. 36
jellemző mederalakzatok a Dunán 2014.03.06. 37
Tervváltozatok vizsgálata A vízmélység változás szempontjából (LKHV mellett) Jelen állapot 1. Tervváltozat 2014.03.06. 38
Tervváltozatok vizsgálata (Duna, Béda) Nagyvízi állapot (Q = 3090 m 3 /s), lerakódás mértéke a 21. nap végén
Tervváltozatok vizsgálata (Béda) Nagyvízi állapot (Q = 3090 m 3 /s), mederalak a 21. nap végén
Feladat: kanyargós folyóban hidrodinamikai modellezéssel megvizsgálni a keresztirányú cirkuláció összefüggését a vízjárási állapottal
Kanyargósság (sinuosity) Homokpadok Sodorvonal
Hosszirányú és keresztirányú sebességeloszlás idealizált folyókanyarban
Részfeladatok és alkalmazott szoftverek Egy idealizált folyószakasz strukturált rácshálójának generálása (Matlab?) Stacioner szimulációk (SSIIM CFD) Megjelenítés (Tecplot) és elemzés (Matlab?)