Design, performance and operation of selected water structures Kosice, 2012
LLP IP Erasmus No. 11203-1660/KOSICE03
Modelování ve vodním hospodářství I. Modeling in Water Management
Ing. Hana Uhmannová, CSc., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Water Structures
Modelování – Modeling Modelování je jedna z metod poznávání a má historii.
Modeling is one of the methods of cognition and has an history.
Člověk se snažil popsat věci a jevy (které se nacházely v jeho prostředí) nejrůznějšími prostředky: verbálním popisem, graficky, pomocí matematické symboliky, fyzikálně a technicky realizovanými modely.
Human tried to describe things and phenomena (that are present in its environment) by various means : verbal description , graphically, using mathematical symbols, physically and technically implemented models.
Produktem jeho úvah byly určité systémy -
The product of his reasoning were certain systems
modely
vyjadřovaly a znázorňovaly podstatné vlastnosti
reálných systémů – objektů.
models describing the essential characteristics of real systems - objects.
Modelování – Modeling V inženýrské praxi vždy existuje dvojice
model – reálný systém.
In engineering practice there is always a pair
model - a real system .
Z tohoto hlediska rozdělujeme modely na dvě skupiny:
From this perspective, models are divided into two groups:
Modely umožňující analyzovat reálný systém,
Models allowing to analyze the real system ,
(t.j. konkretizovat a zpřesňovat naše představy o už existujícím systému. Jsou to např. modely atomu, biologických struktur, ale i počítačů, či jiných zařízení).
(ie, specify and refine our ideas about the already existing system. These include the models of the atom, biological structures , as well as computers or other devices).
Modely, které vznikly v důsledku projektování a návrhu.
Models that have arisen as a result of the planning and design.
(Realizace modelovaných zařízení se teprve plánuje. Jde o úlohy syntézy, projektování a konstruování. Činnost bývá podporovaná výpočetní technikou).
(The implementation of modeled plants are being planned. It is the job of synthesis, design and construction. The activity is supported by computer technology).
Definice – Definition Model je účelově zjednodušené zobrazení nějakého reálného nebo abstraktního světa. Matematický model je popis určitého výseku vnějšího světa matematickými prostředky. Je to obecnější druh modelu, který se dělí na:
abstraktní, ideově matematický model – výpočtový algoritmus, exaktní teoretické řešení – výpočtový model dané úlohy, konkrétní, předmětový matematický model, kterým může být nastavené řešení na počítači.
Model is purposefully simplified representation of some real or abstract world. The mathematical model is a description of a certain section of the outside world by mathematical means. It's kind of a more general model, which is divided into:
abstract mathematical model - computational algorithm, exact theoretical solution - computational model of the task, specific mathematical model, which can be set on the computer solution .
Modelování – Modeling Rozdělení - Distribution : fyzikální modely physical models
- hydraulický - hydraulic - aerodynamický - aerodynamic - jiný analogový - other analog
matematické modely mathematical models
- stanovení cílů - setting goals - analýza problému a matematická formulace, problem analysis and mathematical formulation - zjednodušující předpoklady (1D, 2D), simplifying assumptions (1D, 2D) - výběr a aplikace metody řešení (diferenční,variační…), selection and application of methods for solving (differential , variation ...) - algoritmizace úlohy a sestavení zdrojového programu, algorithm and formation of the source program - numerické testy - numerical tests - kalibrace - calibration - citlivostní analýza - sensitivity analysis - verifikace modelu - verification of the model - simulace vybraných stavů - simulation of selected situation
Modelování – Modeling Matematické modely proudění tekutin lze rozdělit dle: Mathematical models of fluid flow can be divided according to: hydraulického režimu proudění hydraulic flow regime časového režimu proudění time flow regimes
účelu, kterému slouží the purpose it serves
povahy vstupních veličin character of input variables
- laminární - laminar - turbulentní - turbulent
- stacionární, statické - stationary , static - nestacionární, dynamické - non-stationary, dynamic
- simulační - simulation - řídící - control - optimalizační - optimization
- stochastické - stochastic - deterministické - deterministic
Modelování – Modeling Matematické modely proudění tekutin lze rozdělit dle: Mathematical models of fluid flow can be divided according to: charakteristik kapaliny the characteristics fluid
teplotních podmínek temperature conditions
prostorové dimenze spatial dimensions
-s homogenní nebo nehomogenní kapalinou - of homogeneous or inhomogeneous fluid -se stlačitelnou nebo nestlačitelnou kapalinou - the compressible and incompressible fluid - s newtonskou nebo nenewtonskou kapalinou - a Newtonian fluid or nenewtonskou
- izotermické – isothermal - neizotermické - non-isothermal
- jednorozměrné - one-dimensional – 1D - dvourozměrné - two-dimensional – 2D - trojrozměrné - three-dimensional – 3D
Modelování proudění v otevřených korytech Modeling Flow in Open Natural and Constructed Channels 1D matematický model - 1D mathematical model
HEC-RAS HYDROCHECK MIKE 11
US Army Corps of Engineers, USA Hydrosoft Veleslavín, Czech republic DHI Group, Denmark
2D matematický model - 2D mathematical model
InfoWorks ICM FESWMS MIKE 21
Innovyze, USA Finite Element Surface Water Modeling System - FHWA , USA DHI Group, Denmark
3D matematický model - 3D mathematical model
MIKE 3 CFD
DHI Group, Denmark Computational Fluid Dynamics, USA
1D mathematical model HEC-RAS The program was developed by: US Department of Defense, Army Corps of Engineers
HEC – Hydrologic Engineering Center
RAS – River Analysis System
http://www.hec.usace.army.mil/ HEC-RAS Download HEC-RAS 4.1
Freeware including complete documentation:
HEC-RAS User‘s Manual
HEC-RAS Hydraulic Reference Manual
HEC-RAS Applications Guide
Example Project
Teorie – Theory Equations for Basic Profile Calculation Water surface profiles are computed from one cros section to the next by solving the Energy equation with an iterative procedure called the standart step method.
The Energy equatin is writen as follows : Where:
Z1, Z2 …elevation of the main channel inverts Y1, Y2 …depth of water at cross section V1, V2 …average velocities α1, α2 …velocity weighting coefficients g
…gravitational acceleration
he
…energy head loss
HEC-RAS Hydraulic Reference Manual CHAPTER 2
Teorie – Theory The energy head loss - he - between two cross sections is comprised of friction losses and contration or expansion losses
The equatin for energy head loss is follows : Where: L
… discharge weighted reach length
S f … representative friction slope between two section C … expansion or contraction loss coefficient
The distance weighted reach lenght L is calculated as: Where: L lob , Lch , L rob
… cross section reach lengths specified for flow in the left overbank (lob), main channel (ch), and right overbank (rob), respectively
Q lob + Qch + Q rob … arithmetic average of the flows between sections for the left overbank, main channel, and right overbank, respectively HEC-RAS Hydraulic Reference Manual - CHAPTER 2
Teorie – Theory Cross Section Subdivision for Conveyace Calculations
The determination of total conveyance and the velocity coefficient for a cross section requires that flow be subdivided into units for which the velocity is uniformly distributed.
Conveyance is calculated within each subdivision from the following form of Manning´s equation (based on English units) :
HEC-RAS Hydraulic Reference Manual CHAPTER 2
Where: Q
… dischardge
K
… conveyance for subdivision
n
… Manning´s roughness coefficient for subdivision
A … flow area for subdivision R … hydraulic radius for subdivision ( A / P
area/wetted perimeter )
Teorie – Theory Cross Section Subdivision for Conveyace Calculations The approach used in HEC-RAS is to subdivide flow in the overbank areas using the input cross section n-value break points (locations where n-value change) as the basic for subdivision (Figure 2 – 2).
HEC-RAS Hydraulic Reference Manual CHAPTER 2
The program sumps up all the incremental conveyances in the overbanks to obtain a conveyance for the LEFT overbank and RIGHT overbank.
The MAIN channel conveynce is normally computed as a single conveyance element. The TOTAL conveynce for the cross section is obtained by summing the tree subdivision conveyances (left, channel, and right).
Teorie – Theory Composite Manning´s n for the Main Channel
HEC-RAS Hydraulic Reference Manual CHAPTER 2
Where:
nc
… composite or equivalent coefficient of roughness
P
… wetted perimeter of entire main channel
Pi
… wetted perimeter of subdivision I
ni
… coefficient of roughness for subdivision
General Philosophy of the Modeling System HEC–RAS obsahuje čtyři moduly :
HEC – RAS contains four components:
•
Proudění ustálené.
•
•
Proudění neustálené.
•
Transport sedimentů.
• •
•
Kvalitu a jakost vody.
•
Steady flow water surface profile computation. Unsteady flow simulation. Movable boundary sediment transport computations. Water quality analysis.
Prezentace je zaměřena především na získání základního přehledu používání programu HEC-RAS na běžné úlohy.
The presentation is focused on obtaining a general overview of using the program HEC-RAS for common tasks.
Prezentace je zaměřena na aplikaci ustáleného proudění.
The presentation focuses application of steady flow.
on
the
Ustálené proudění - Steady Flow
výpočet průběhu hladiny v profilech říční sítě nebo dílčích úsecích toků calculationg water surface profile of full network of channels, or a single river reach
řeší proudění říční, bystřinné, jejich kombinace, modeling subcritical, supercritical, and mixed water flow regime
řeší proudění přes objekty: propustek, most, jez modeling flow over objects: bridges, culverts, weirs, and structures
výpočet průběhu hladin je založen na metodě „po úsecích“ , vychází z Bernoulliho rovnice computation procedure is based on the solution of energy equation
rovnice hybnosti: přechod proudění bystřinné - říční, proudění pod mostem, soutok. momentum equation is utilized in situations where the water surface profile is rapidly varied. These situations include miwed flow regime calculations (hydraulic jumps), hydraulics of bridges, stream junctions.
Pozn.: následující představení programu je zaměřeno na základní strukturu a základní popis činností.
Design, performance and operation of selected water structures
Děkuji za pozornost Thank you for your attention
Kosice, 2012
