MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY V OTEVŘENÝCH KORYTECH

Podobné dokumenty
Modelování přepadu vody přes pohyblivou klapkovou konstrukci

Numerická simulace přestupu tepla v segmentu výměníku tepla

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ

Modelování proudění vzdušiny v elektroodlučovači ELUIII

NUMERICKÝ VÝPOČET RADIÁLNÍHO VENTILÁTORU V KLIMATIZAČNÍ JEDNOTCE

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE

Modelování zdravotně významných částic v ovzduší v podmínkách městské zástavby

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

MODELOVÁNÍ OBTÉKÁNÍ DVOU PRAHŮ V KANÁLU S VOLNOU HLADINOU Modelling of flow over two transversal ribs in a channel with free surface

TEPLOTNÍHO POLE V MEZIKRUHOVÉM VERTIKÁLNÍM PRŮTOČNÉM KANÁLE OKOLO VYHŘÍVANÉ NEREZOVÉ TYČE

1 POPIS MATEMATICKÉHO MODELU. 1.1 Použitý software FLOW-3D. Vodní nádrže , Brno

BR 52 Proudění v systémech říčních koryt

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

CFD. Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí

Matematické modelování proudění vody s volnou hladinou

Počítačová dynamika tekutin užitečný nástroj pro inženýry

SVOČ FST Bc. Václav Sláma, Zahradní 861, Strakonice Česká republika

Vliv úhlu distální anastomózy femoropoplitálního bypassu na proudové charakteristiky v napojení

IDENTIFIKAČNÍ ÚDAJE AKCE...

Studentská tvůrčí činnost D modelování vírových struktur v rozváděcí turbínové lopatkové mříži. David Jícha

(Aplikace pro mosty, propustky) K141 HYAR Hydraulika objektů na vodních tocích

Stanovení záplavového území řeky Úslavy v úseku Koterov Šťáhlavy

OBSAH: SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK

PUDIS a.s., Nad Vodovodem 2/3258, Praha 10 tel.: , fax: ,

Studentská tvůrčí činnost 2009

Proudění s volnou hladinou (tj. v otevřených korytech)

Neustálené proudění v otevřených korytech. K141 HY3V (VM) Neustálené proudění v korytech 0

FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB STUDIE PROTIPOVODŇOVÝCH OPATŘENÍ V LOKALITE DOLNÍ LOUČKY

CFD výpočtový model bazénu pro skladování použitého paliva na JE Temelín a jeho validace

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

STANOVENÍ SOUČINITELŮ MÍSTNÍCH ZTRÁT S VYUŽITÍM CFD

Záplavová území podle vyhlášky 79/2018 Sb. Ing. Josef Dohnal Povodí Vltavy, státní podnik

Vliv Mosteckého jezera na teplotu a vlhkost vzduchu a rychlost větru. Lukáš Pop Ústav fyziky atmosféry v. v. i. AV ČR

Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy

ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE Fakulta životního prostředí Katedra biotechnických úprav krajiny

FLOW PARAMETERS MEASUREMENT IN THE CURVED DIFFUSER OF THE RECTANGULAR CROSS-SECTION

Systém větrání využívající Coanda efekt

Tomáš Syka Komořanská 3118, Most Česká republika

MRATÍNSKÝ POTOK ELIMINACE POVODŇOVÝCH PRŮTOKŮ PŘÍRODĚ BLÍZKÝM ZPŮSOBEM

FSI analýza brzdového kotouče tramvaje

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky

Generování sítě konečných prvků

POSTUPY SIMULACÍ SLOŽITÝCH ÚLOH AERODYNAMIKY KOLEJOVÝCH VOZIDEL

Colloquium FLUID DYNAMICS 2007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 24-26, 2007 p.1

1141 HYA (Hydraulika)

HYDROTECHNICKÝ VÝPOČET

Posouzení vlivu vnitřních svalků na průchodnost přivaděče zhotoveného z polyetylénových trub.

Tvorba výpočtového modelu MKP

Sypaná hráz výpočet ustáleného proudění

PŘÍRODĚ BLÍZKÁ POP A REVITALIZACE ÚDOLNÍ NIVY HLAVNÍCH BRNĚNSKÝCH TOKŮ 2.část

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

Průtoky. Q t Proteklé množství O (m 3 ) objem vody, který proteče průtočným profilem daným průtokem za delší čas (den, měsíc, rok)

CVIČENÍ 4: PODÉLNÝ PROFIL, NÁVRH NIVELETY, VÝPOČET PŘÍČNÉHO PROFILU.

Průběh a důsledky havarijního úniku CNG z osobních automobilů

Základy hydrauliky vodních toků

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Splaveniny. = tuhé částice přemísťované vodou anorganický původ organický původ různého tvaru a velikosti

VYHLÁŠKA ze dne 30. dubna 2018 o způsobu a rozsahu zpracovávání návrhu a stanovování záplavových území a jejich dokumentace

Numerické řešení proudění stupněm experimentální vzduchové turbíny a budících sil na lopatky

NUMERICKÁ SIMULACE PROUDĚNÍ DVOUFÁZOVÉ VLHKÉ PÁRY OHYBEM POTRUBÍ Numerical simulation of two phase wet steam flow in pipeline elbow

Konstrukční zásady. Na toku budou technicky řešeny tyto objekty: spádové objekty (stupně, prahy, skluzy)

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

PROUDĚNÍ V KAVITĚ VYVOLANÉ SMYKOVÝM TOKEM PŘI VELKÝCH REYNOLDSOVÝCH ČÍSLECH Shear-driven cavity flow at high Reynolds numbers

koryta ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 1 Jan Krupička jan.krupicka fsv.cvut.czcz

OCHRANA MOSTNÍCH OBJEKTŮ PROTI JEJICH DESTRUKCI VLIVEM POVODŇOVÝCH OVÝCH UDÁLOST LOSTÍ

PROUDĚNÍ REGULAČNÍ MEZISTĚNOU TURBÍNOVÉHO STUPNĚ PŘI ROTACI OBĚŽNÉHO LOPATKOVÁNÍ. Jaroslav Štěch

Experimentáln. lní toků ve VK EMO. XXX. Dny radiační ochrany Liptovský Ján Petr Okruhlica, Miroslav Mrtvý, Zdenek Kopecký.

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Hydraulické výpočty spádových objektů (stupeň) zahrnují při známých geometrických parametrech přelivného tělesa stanovení měrné křivky objektu (Q-h

Porovnání výsledků numerické analýzy programem FLUENT s měřením emisí NOx pro granulační kotel K11

Podpora vymezování záplavových území a studií odtokových poměrů oblast povodí Berounky

POHYB SPLAVENIN. 8 Přednáška

Rekonstrukce portálního řečiště v rámci chirurgického řešení pokročilého karcinomu pankreatu experiment na velkém zvířeti (biomechanická část)

κ ln 9, 793 ρ.u.y B = 1 κ ln f r, (2.2) B = 0 pro k s + < 2, 25, (2.3)

Mechanika s Inventorem

EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ

FSI analýza jezové klapkové hradící konstrukce

CFD simulace teplotně-hydraulické charakteristiky na modelu palivové tyči v oblasti distanční mřížky

Zásady křížení vodních toků a komunikací Doc. Ing. Aleš Havlík, CSc.

THE MEASUREMENT OF FLOW PARAMETERS IN SQUARE CROSS SECTION BEND

4. VYTVÁŘENÍ KORYTA RELIÉFU. Vnější síly: pohyb ledovců + tekoucí voda vytváření SEKUNDÁRNÍHO RELIÉFU: VZNIK POVODÍ. Práce vody v tocích: 3.

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 2, rok 2014, ročník XIV, řada stavební článek č.

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 2. a , Roztoky -

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Simulace (nejen) fyzikálních jevů na počítači

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Vodní skok, tlumení kinetické energie

1 Úvod. Poklesová kotlina - prostorová úloha

Proudové pole ve vstupní části aerodynamického tunelu

Pokud proudění splňuje všechny výše vypsané atributy, lze o něm prohlásit, že je turbulentní (atributy je třeba znát).

Vliv vířivého proudění na přesnost měření průtoku v komínech

Studie proveditelnosti Protipovod ových opat ení na ece Úhlav v P ešticích

p gh Hladinové (rovňové) plochy Tlak v kapalině, na niž působí pouze gravitační síla země

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Hydromechanické procesy Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Transkript:

MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY V OTEVŘENÝCH KORYTECH Ing., Martin KANTOR, ČVUT Praha Fakulta stavební, martin.kantor@fsv.cvut.cz Annotation This article deals with CFD modelling of free surface flow in a rectangular open channel passing a bend of circular curvature and/or section of bridge structure with piers. Úvod Tento článek popisuje matematické modelování proudění vody v otevřeném korytě. První část se soustřeďuje na proudění v pravidelném kanále s možností porovnání namodelovaných dat s daty z experimentu. V druhé části se aplikují získané poznatky na proudění v přirozeném korytě s mostním objektem o několika polích. 1. Proudění vody obdélníkovým kanálem v oblouku Proudění vody o volné hladině v obloucích říčních koryt nabývá v důsledku odstředivé síly odlišného charakteru od proudění v přímé trati. Odstředivá síla způsobuje naklonění hladiny v příčném směru. Rozdílná distribuce poměru tlakových a odstředivých sil v příčném průřezu pak způsobuje příčné proudění, a to ve spojení s podélným prouděním charakterizuje proudění jako spirálovité. Změna charakteru proudění vůči přímé trati přináší také odlišné namáhání říčního koryta, a tomu odpovídá deformace dna a břehu říčního koryta. Experimentálně se tímto problémem zabýval J. L. Rozovský [1], který na základě svých fyzikálních experimentů odvodil několik základních vztahu, např. pro výpočet sklonu hladiny v oblouku, nebo pro výpočet středového úhlu, který přísluší délce oblouku, na které se plně vyvine příčné proudění apod. 1.1 Model a výpočet Z Rozovského experimentu [1] byla vybrána základní geometrie kanálu (viz. Obrázek 1): obdélníkový kanál o šířce 0,8 metru, zakřivená část kanálu je tvořena 180 obloukem o středním poloměru 1,2 metru, hloubka rovnoměrného proudění ve vstupním a výstupním u je 0,06 metru. - 1 -

Okrajové podmínky modelu byly převzaty z Rozovského experimentu [1]. Aby nemusela být modelová dlouhá vstupní část, kde by se plně vyvinul rychlostní, je přímá část před obloukem zkrácena a vstupní rychlostní je upraven tak aby odpovídal plně vyvinutému rychlostním u v přímém kanále (viz. Obrázek 1). Dno a stěny kanálu jsou řešeny jako pevná stěna se standardně zadanou hodnotou drsnosti. vstupní δ = 74 výstupní Obrázek 1: Modelovaná geometrie / umístění okrajových podmínek / definování u. K matematickému modelování byl využit software ANSYS Fluent. Proudění v kanále bylo řešeno 3D a jako vícefázové proudění modelem Volume of Fluid a podle toho byla také vytvořená výpočetní síť. Výpočetní oblast kanálu byla vyplněna strukturovanou výpočetní sítí tvořeno pravidelnými hexa- prvky o počtu 1,6 mil. buněk. V doméně vyplněné vzduchem jsou elementy rozměru 1 x 1 x 2 cm a v doméně vyplněné vodou jsou elementy rozměru 0,5 x 0,5 x 1 cm. Zahuštění výpočetní sítě směrem ke stěně a k hladině nebylo uvažováno. Z principu využití vícefázového proudění (voda-vzduch) bylo nutno řešit proudění jako neustálené s časovým krokem t = 0.02 s. Řešení bylo považováno za zkonvergované po ustálení rychlostních a tlakových podmínek v kontrolním u. Turbulence byla řešena třemi turbulentními modely: k-ε Realizable, k-ω SST, Reynolds Stress model (RSM). 1.2 Vyhodnocení Na základě porovnání vypočtených dat s daty z Rozovského experimentu [1] bylo zjištěno následující (viz. Obrázek 2, 3): dobrá shoda modelovaných dat s měřenými daty, rozdíly mezi jednotlivými turbulentními modely jsou minimální. - 2 -

0.40 v (m.s-1) 0.30 0.20 0.10 0.00 Fluent k-e Fluent k-w Fluent rsm Exp. Rozovskji b/b (-) 0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.625 0.75 0.875 1 Obrázek 2: Rychlostní průměrné svislicové rychlosti v u δ = 74 (δ je středový úhel kruhového oblouku měřený od jeho počátku). 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 y (m) 0.1 m.s -1 b/b (-) 0 0.125 0.25 0.375 0.5 0.625 0.75 0.875 1 Fluent k-e Fluent k-w Fluent RSM Exp. Rozovskij Obrázek 3: Příčné složky rychlosti v u δ = 74. Kvalitu modelovaných dat výrazně ovlivňuje hustota výpočetní sítě. Pro získaní přesnějších výsledků je nutné zahustit výpočetní síť v blízkosti stěn a hladiny. Protože v oblouku dochází k příčnému naklonění hladiny a poloha hladiny je vlastním řešením úlohy, nejde úloha zjednodušit nahrazením volné hladiny okrajovou podmínkou symmetry. Přednastavená hodnota residuí (1e-3) při výpočtu je nedostatečná pro plné vyvinutí příčného proudění v oblouku koryta. V tomto případě je nutné residua nastavit na hodnotu 1e-4 až 1e-5. 2. Proudění vody v přirozeném korytě v oblouku s mostním objektem V rámci řešení projektu, kde se simuloval průchod extrémních průtoků soustavou mostních objektů na vodním toku Třebovka ve východních Čechách, se na jednom z mostních objektů prováděla 3D simulace proudění. Cílem bylo nabídnou zadavateli netradiční pohled na problematiku proudění mostními objekty. Základní simulace postihuje proudění v oblasti koryta a blízkého inundačního území v délce několika kilometrů a je provedena v softwaru Surface Water Modeling System (SMS). Tento software je založen ne metodě konečných prvků a řeší danou úlohu jako 2D, za předpokladu zprůměrovaných svislicových rychlostí. Tímto přístupem lze získat 2D interpretaci rozložení svislicových rychlostí a hloubek pro celou zájmovou oblast (viz. Obrázek 4). - 3 -

mostní konstrukce Obrázek 4: Ortofoto snímek zájmové oblasti / digitální model terénu a výpočetní síť / mapa hloubek / mapa průměrných svislicových rychlostí. 2.1 Model a výpočet Detailní 3D simulace proudění v okolí mostního objektu je provedena na malém výseku z celkové oblasti (viz. Obrázek 5, 6) v software ANSYS Fluent. Výpočetní model se skládá z vlastního mostního objektu (3 mostní otvory o rozměru 4,8 x 2,4 m s klenbou, délky 6 m) a z oblasti koryta před mostním objektem (délky 35 m) a za ním (délky 20 m). výstupní vstupní Obrázek 5: Geometrie modelované oblasti. - 4 -

Obrázek 6: Detail geometrie mostní konstrukce. Výpočetní síť obsahuje 313 tis. objemových elementů. Převážná část výpočetních elementů je typu hexa (šestistěny), v blízkosti stěn jsou prvky typu tetra (čtyrstěny) a prisma (jehlan). Hustota výpočetních elementů se směrem k mostnímu objektu zvětšuje. Největší elementy rozměru 0,8 x 0,8 m jsou soustředěny v oblasti před a za mostním objektem v místech volného proudu, v blízkosti mostního objektu je síť zahuštěna na rozměr 0,2 x 0,2 m. Okrajové podmínky modelu (vstup / výstup) byly převzaty z výsledku 2D simulace v softwaru SMS. Vstupní okrajová podmínka je definována jako hmotnostní tok vody s pevně definovanou polohou hladiny. Výstupní okrajová podmínka je definována jako tlaková s nulovým tlakem a pěvně definovanou polohou hladiny. Dno a svahy koryta jsou řešeny jako pevná stěna se standardně zadanou hodnotou drsnosti. Simulace odpovídá průchodu Q 100, tj. průtoku který se v daném místě pravděpodobně vyskytne jednou za sto let. Počáteční podmínka odpovídala modelu částečně naplněnému vodou po určitou výškovou úroveň. Z principu využití vícefázového proudění (voda-vzduch) bylo nutno řešit proudění jako neustálené s časovým krokem t = 0.005 s. Řešení bylo považováno za zkonvergované po ustálení rychlostních a tlakových podmínek v kontrolním u. Turbulence byla řešena turbulentním modelem k-ε Realizable. 2.2 Vyhodnocení Základním výstupem z modelu je průběh hladiny a proudové pole v okolí mostní konstrukce (viz. Obrázek 7). Dalším výsledkem simulace je např. rozložení tečných napětí po stěnách - 5 -

koryta, které je možno využít ke stanovení míst s potenciálním vznikem výmolů (viz. Obrázek 8). Počátkem pohybu splavenin se ve svých pracích věnoval Shields [2]. Odvodil několik vztahů, které popisují vztah mezi velikostí zrna, jeho objemovou hmotností a mezním tečným napětím, při kterém dochází k začátku pohybu částice u dna. Obrázek 7: Průběh hladiny (vlevo) a povrchových rychlostí na hladině (vpravo). Obrázek 8: Potenciální místa vzniku výmolu pro zrno o průměru d 10 mm (vlevo) / d 15 mm (vpravo). ZÁVĚR Pohyb vody v otevřený korytech je charakteristický prouděním o volné hladině. Numerické řešení tohoto problému je založeno na simulaci vícefázového proudění a to je výpočetně náročnější než například řešení ustáleného tlakového proudění. Z tohoto důvodu jsou postupy CFD metod aplikovatelné u otevřených koryt v případech lokálních problémů (tj. řešení objektů na vodních tocích jezů, mostních ů, propustků apod.). Tento příspěvek vznikl v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS - projekt 1M0579 MŠMT ČR. LITERATURA [1] Rosovskii, I. L., Flow of water in bends of open channels, Publisher by the Academy of Sciens of the Ukrainian SSR, Kiev (1975) printed in Jerusalem by S. Monson [2] Raplík, M., Výbora, P., Mareš, K., Úprava tokov, (1989) - Bratislava - 6 -