Materiały ćwiczeń

Transkrypt

1 Opracował: Andrzej Strżyńs Materały ćwczeń Modelowane zjaws fzycznych może zostać wyonane przy pomocy: - model fzycznych w sal, - model matematycznych a) stosjących wzory różnczowe b) wyorzystjących empryczne wzory zysane na podstawe badań modelowych pomarów. Modele fzyczne pomary na AR w Kraowe wyonje sę w laboratorm hydrotechncznym, natomast modele matematyczne dostępne na Katedrze Inżyner Wodnej to: - EMRC NISA program ompterowy stosjący do oblczeń metodę elementów sończonych - HEC-RAS program ompterowy stosjący wzory empryczne Modele teren wyonywać można przy zastosowan programów GIS: Map Info, Arc Info, AtoCad (rozszerzena), Mcrostaton, Idrs, Srfer nnych. Dane teren mogą zostać zastosowane do programów wyonjących oblczena modelowe lb nżynerse. Program HEC-RAS wyorzystje fltry pozwalające na orzystane z danych GIS/CADD. Modelowane zjaws hydralcznych doonje sę za pomocą badań na modelach fzycznych lb matematycznych. Modelowane fzyczne bazje na podobeństwe mędzy prototypem a modelem. W metodze tej odtwarzamy na model nteresjące nas zjawsa hydralczne z zachowanem zasad podobeństwa dynamcznego. W zarese projetowana obetów hydrotechncznych posłgjemy sę najczęścej modelam fzycznym stosjąc zwyle ryterm podobeństwa Frode'a, poneważ domnjącym zjawsam są sła cężośc bezwładnośc ceczy [Szster 1986] Lczba podobeństwa Frode'a oznacza stosne sł bezwładnośc do sł cężośc [A.T.Trosolańs 1969]; µ l υ µ l υ Fr = = 3 3 µ gl γl gdze; µ - gęstość[g/m 3 ] υ- prędość [m/s] l- dłgość [m] g- przycągane zemse[m/s 2 ] Jeżel przeważający wpływ na zjawsa dynamczne mają sły tarca, wówczas można modelować wedłg podobeństwa Reynoldsa [A.T.Trosolańs 1969] ; 2 2 µ l υ R e = υ 2 η l l gdze; η- lepość dynamczna

2 W podobnych dynamczne przepływach ceczy rzeczywstej, w tórych sły tarca wewnętrznego wywerają decydjący wpływ na przebeg zjawsa, lczba Reynoldsa ma tę samą wartość. Prawo podobeństwa Reynoldsa odnos sę do zjaws rch cał stałych porszających sę w ośrod płynnym; wówczas cężar cała jest równoważony wyporem hydrostatycznym, wywerającym nań przez otaczający ośrode, a sła czynna przy rch stalonym zżywa sę wyłączne na poonane oporów ośroda. W przypad gdy dwa podobne zjawsa dynamczne przebegają pod wyłącznym lb przeważającym dzałanem sł sprężystośc modeljemy wg prawa Cachy'ego [A.T.Trosolańs 1969] ; 2 2 µ l υ Ca = 2 El Modele matematyczne Badana modelowe stanową jedno z stotnych narzędz pracy projetowana bdowl obetów hydrotechncznych. Przy ch pomocy doonać można prognozy poprawnośc ch dzałana oreślena parametrów rytycznych jae mogą wystąpć w trace esploatacj. Dlatego węc w pratyce, w porównan z modelowanem fzycznym charateryzją sę nższym osztam szyboścą wyonana. Badana na modelach fzycznych mogą zostać ogranczone do onecznego mnmm. Modelowane z wyorzystanem metody elementów sończonych. Interesjące nas zjawsa hydrodynamczne można zdefnować równanam różnczowym, tóre są rozwązywalne metodam nmerycznym. Program NISA/3D-FLUID słży do nmerycznego modelowana lamnarnego brzlwego rch płynów. Modelowane nmeryczne programem NISA opera sę na następjących równanach; W ładze artezjańsm równane zachowana cągłośc strg; Równane momentów Naver-Stoes; ρ + t ( ρ ) = 0 σ j ρ + = ρf + ;=1,2,3 t j gdze; ƒ - sła zwązana z cężarem ośroda dzałająca na jednostę objętośc w ern б j - tensor naprężeń zdefnowany jao; σ j = pδj + τj gdze; p - cśnene zwązane z przepływem termodynamcznym Naprężena występjące w ceczy Newtonowsej mogą być zapsane jao;

3 + + µ δ = λ τ j j j j gdze; λ - lepość µ - współczynn lepośc dynamcznej Porównjąc powyższe równana otrzymjemy; j j f p t + ρ + µ + λ + = + ρ Równane energ ośroda; (2.3.6) gdze; e - energa ceplna q - strmeń cepła w ern j бj*бj/б - praca wyonana przez sły powerzchnowe (2.3.7) Po prawej strone równana perwszy sładn opsje odwrotny przepływ energ w momence ompresj, pozostałe dwa opsją parametry rozproszena Ф. W programe znajdją sę taże równana opsjące przepływ cepła. Program NISA pozwala tworzyć elementy o różnym ształce różnej lośc werzchołów (węzłów).

4 Kolejność wyonywana projet. Wyonane projet ochrona przed powodzą przy zastosowan program HEC-RAS. 1. Otwarce nowego projet Fle -> New Project Należy wpsać dowolną nazwę opsjącą projet w pol ttle nazwę pl w pol Fle Name. Po otwarc projet należy zdelarować jednost SI (Optons-> Unt System...). 2. Wdo oryta. Geometrc Data -> Rver Rch Po nacśnęc przycs Rver Rch możlwe jest rysowane stosjąc lewy przycs myszy w ern przepływ wody. Konec pracy 2 l. Program pyta o podane nazw rze odcna rze (np. górny, środowy tp.). Nareślone oryto ne odzwercedla parametrów geografcznych zlewn. Można je węc szcować ta, by w przyblżony sposób przedstawało wdo oryta. Wszyste potrzebne dane meszczane są jao dane lczbowe meszczane w odpowednch tabelach. 3. Kolejne ce. Program wyonje oblczena dla ceów posadających dopływy. Ich szce wyonje sę ja w pnce 2, meszczając jśca w poblż ce głównego. Po zaończen rysowana ce, program zapyta o nazwę ce nazwę odcna. Następne program wysyła pytane, czy połączyć tworzony ce z stnejącą rzeą. Należy sę najprawdopodobnej zgodzć. Zostawamy wówczas nazwę rze podajemy nazwę odcna leżącego ponżej jśca narysowanego właśne ce. Potem (?) podajemy nazwę połączena ob ceów (co tam jest, most, masto, stopeń, lb nne mejsca charaterystyczne). Pnt trzec należy powtarzać, aby narysować całą seć rzeczną. 4. Przeroje poprzeczne. Najproścej jest otworzyć oeno nacsając onę Cross Sectons. W men górnym tego oena wyberamy polecene Optons -> Add a New Cross-secton. Przy one rver wyberamy nazwę rze, a przy one Reach nazwę odcna rze, na tórej zamerzamy założyć przerój. Przeroje poprzeczne nmerowane są malejąco zgodne z begem rze. Nmery te (podawane w one Rver Statons ) ne odzwercedlają fatycznych odległośc, lecz można zastosować systematyę hydrologczną do ch ops. W one descrpton meszczamy ops przeroj (Można pozostawć pste pole). Dane odległośc przeroj poprzecznego () wpsywane mają być w one Staton, a wysoośc dna (y) w one Elevaton. W programe Hec-Ras w oenach Downstream Reach Lenghts podaje sę odległość do następnego (zgodne z begem ce) przeroj poprzecznego. W one LOB wpsać należy odległość pomędzy przerojam po lewym brzeg, w one Channel po os trasy a w one ROB odległość wzdłż brzeg prawego.

5 Wartość lczby Mannnga równeż w one Channel podajemy typowe dla oryt rzecznych (podpowem, że od o do 0.035). W onach LOB ROB, można podawać wartośc Wartośc te są oreślane na podstawe stan oryta teren zalewowego. Man Channel Ban Statons opcja pozwalająca na oreślene położena oryta głównego terenów zalewowych (wartośc podawane w oenach LOB ROB). 5. Występowane stref martwych przepływ w przerojach poprzecznych. Ineffectve flow areas woda w tych strefach ne porsza sę, lb wyazje bardzo małe prędośc przepływ. levees Strefy wylczena przepływ. Woda z tych stref jest snęta bloced obstrctons wyłączene zpełne częśc oryta. (przeszody, tórych lość można delarować dla ażdego przeroj) 6. Mosty, przepsty, groble, mocnena - dane wprowadza sę po oreślen wszystch przerojów modelowanych ceów. Uwaga! Pojęce most wąże sę z oną w programe HEC-RAS możlwe jest przy życ tego narzędza wyonane onstrcj mostów bez flarów, oraz przelewów (zapór). Wyonane flarów mostowych (pers) przepstów mostowych odbywa sę w następnej olejnośc.

6 Przeroje mostowe meszcza sę pomędzy przerojam poprzecznym. Dla przyład, aby meścć most pomędzy przerojam 6 5 należy nadać m nazwę z zares (5,6). Parametry opsjące położene pomostów/jezdn(pomostów). Dec/Roadway Data Edtor Dstance pole ODLEGŁOŚĆ stosowane jest do oreślena odległośc pomędzy rajem jezdn w ern górnych odcnów rze, a perwszym przerojem podanym w górę rze. Wdth - pole SZEROKOŚĆ oreśla szeroość jezdn. Wer Coeffcent - Współczynn wydat przelew dla warnów przepływ przez oronę most. Równane standardowe. Sew Angle ąt oreślający stawene most względem rze Upstream Statonng, Hgh hord, Low hord oreśla ształt pomost od strony górnego beg rze. Dane wprowadzane są od brzeg lewego do prawego. Pomost znajdje sę pomędzy parametram Hgh hord a Low hord. Most ne ms być doładne mejscowony w grancach przeroj, ale należy zachować tę samą salę jednoste. Downstream Statonng, Hgh hord, Low hord w ten sam sposób ja wyżej oreślć należy ształt most od strony wody dolnej. US Embanment SS oreśla spade drog od strony wody górnej. Spade oreśla sę jao stosne odległośc do wysoośc. DS Embanment SS oreśla spade drog od strony wody dolnej. Ma Allowable Sbmergence Masymalne możlwe zanrzene podczas przepływ nad oroną most. Po przeroczen tej wartośc przepływ nad mostem jest oblczany równanem energ a ne równana cśnena standardowego równana przelew.

7 Mn Wer Flow Elevaton pozom wody, od tórego program rozpoczyna oblczena przepływ ponad oroną most. Jeżel pole zostawone jest pste oblczena rozpoczęte są w chwl zwęszena napełnena ponad górną rawędź most. Wer Crest Shape (Sbmergence Crtera) wybór jednej z dwóch metod opsjących zmnejszene współczynna wydat przelew (wer coeffcent) w marę zwęszena zanrzena most. Do wybor są dwe metody: - albracja perwszej metody została wyonana dla przelew w ształce trapez (trapezodal shaped broad crested wer), a drga w ształce trójąta (stoża) (Ogee spllway shape). Parametry hydralczne bdowl przeraczających rzeę W przerojach, w tórych znajdją sę mosty, przepsty mocnena brzegów dna oblczane są straty energ na samej bdowl, ponżej bdowl w mejsc rozszerzena przeroj powyżej bdowl, gdze następje zawężene przeroj. Podzał na lasy przepływającej wody: Class A low flow przepływ podrytyczny, - straty pomędzy przerojam 1 2 straty energ oblczane jao straty na tarce, - straty pomędzy przerojam 2 3 (przepływ przez most) możlwość oblczena metodam: równane energ, zrównoważena moment przepływ, równane Yarnella, metoda (hydralcs of brdge waterways) FHWA WSPRO, - przeroje 3 4 oblczane są straty na tarce zmanę przeroj, Class B low flow przepływ zarówno nadrytyczny ja podrytyczny Class C low flow przepływ nadrytyczny W szczególnych przypadach program wyonje oblczena dla przelewów, przepływ pod cśnenem oraz przepływ meszanego (lasy A, B, C pod cśnenem). Doładnejsze nformacje znaleźć można w rozdzale 6 podręczna Hec-Ras.

8 Brdge Modelng Approach Edtor możlwa wprowadzene parametrów danych dla poszczególnych bdowl mostowych. Po otwarc ono dalogowe możlwa zdelarowane parametrów przepływ perwszego most. Dla ażdego przepst w obrębe jednego most możlwe jest zdelarowane różnych parametrów. Low Flow Methods przepływy ponżej dolnej rawędz most (ponżej Low Hord) Przepływ pomędzy przerojem 2 3 oreślany jest przy pomocy jednej lb węcej metod spośród dostępnych czterech: - a.) równane energ - b.) oreślene równowag momentów - c.) równane Yarnell a (rch tylo lasy A podrytyczny (rwący)) - d.) metoda FHWA WSPRO (rch tylo lasy A podrytyczny) Hghest Energy Answer - W przypad włączena l metod oblczenowych, możlwe jest stawene wybor wyn najmnej orzystnego. Dla metody momentów a.) przyładową wartoścą współczynna Cd (drag coeffcent) jest wartość 2. W metodze Yarnell a można stosować np. wartość K=1.25 (per shape). Hgh Flow Methods przepływy wysoe (powyżej rawędz Hgh Hord most) Oblczena mogą być wyonywane tylo metodą zachowana energ, lb momentów (pressre and/or wre). W przypad drgej metody należy zdelarować współczynn Cd (Sbmerged Inlet+Otlet Cd). W pol: Wartość współczynna Cd dla wlot (Sbmerged Inlet Cd (Blan for Table) można ne wpsywać żadnej wartośc, wówczas program będze lczył Cd na podstawe wspomnanych wyżej metod: trapezodal shaped broad crested wer, lb Ogee spllway shape.

9 Istneje równeż możlwość tworzena mostów flarów o standardowych ształtach poprzez polecene Brdge Desgn. Po wyonan zarys most flarów można w następnej olejnośc tworzyć bardzej somplowane ształty bdowl w sposób opsany powyżej. 7. Flary mostów. Podpory mostów meszcza sę olejno poprzez oreślene położena symetr flar względem przeroj górnego (Centerlne Staton Upstream) dolnego (Centerlne Staton Downstream). Każdy flar oreślony jest względem przeroj górnego dolnego. Należy podać co najmnej przez dwe pary danych oreślające szeroość flara na oreślonej wysoośc. W wersz 1 podajemy wówczas położene dolne flara, a wersz 2 położene szczyt flara. W przypad tworzena flarów o bardzej somplowanych ształtach należy podać węcej danych. Floatng Debrs (rmowso rchome) możlwość oreślena warstwy transportowanego rmowsa. Debrs Wdth szeroość pasa, Debrs Hegth mąższość pasa. Floatng Debrs (rmowso rchome) możlwość oreślena warstwy transportowanego rmowsa. Debrs Wdth szeroość pasa, Debrs Hegth mąższość pasa. 8. Przepsty pod mostam. Po wyonan most, tórego dolna rawędź (Low hord) sęga dna, zysjemy bdowlę pętrzącą. Można w nej wyonywać różnego rodzaj przepsty celem możlwena przepływ wody. Możlwe jest zaprojetowane jednego lb węcej przepst. W perwszej olejnośc oreślamy metodę rozwązana równań przepływ wody przez przepst.

10 W drgej oreślamy ształt przepst (Shape). W zależnośc od wybor część pól staje sę neatywna. Np. przy wyborze przepst ołowego pole Span staje sę neatywne mamy możlwość wpsana średncy przepst w pole dalogowe Dam. Przy wyborze przepst prostoątnego pole Span staje sę atywne wpsjemy w ne szeroość przepst. Pole Dam zamena sę w Rse oreślamy w nm wysoość przepst. Istneje możlwość tworzena przepstów o nnych ształtach. Po wyborze ształt można oreślć materał, z tórego wyonany został przepst (Chart #) ształt wlot (Scale #). Dstance to pstream XS pozwala na oreślene odległośc przepst od przeroj leżącego powyżej. Clvert length pozwala na oreślene dłgośc przepst. Centerlne Statons Upstream/Downstream - położene przepst względem górnego/dolnego przeroj poprzecznego (odcęte). Upstream/Downstream Invert Elev. położene (rzędna) dna przepst względem przeroj górnego/dolnego. Entrance Loss Coeff. współczynn strat na wloce. Et Loss Coeff. współczynn strat na wyloce. Mannng s n for Top/Bottom współczynn Mannnga w górnej/dolnej częśc przepst. Depth to se Bottom n głęboość do tórej oblczena wyonane są wartośc lczby Mannnga zdelarowane w one Mannng s n for Bottom. Depth Bloced mąższość czynnów blojących przepływ wody po dne przepst. 8. Wprowadzene danych przepływ stalonego. Dane przepływ mszą być wprowadzone, dla co najmnej jednego (ostatnego) odcna ażdego z dopływów. Wartość przepływ przyjmowana jest dla wszystch znajdjących sę wyżej neopsanych przerojów. Dane przepływ mogą cechować ażdy przerój poprzeczny. Wprowadzene danych polega na oreślen przepływ warnów grancznych. Należy je wprowadzać w następjącej olejnośc: - zróżncowane przepływów Enter/Edt Nmber of Profles możlwe jest zdelarowane l różnych przepływów np. Q 1%, Q 5% Q 10% w jednym procese oblczenowym. - dane fal powodzowej od górnych odcnów w dół rze Flow change locaton. W sytacj posadana węszej lczby danych nż w przerojach zamyających zlewnę, należy stawć

11 załad: Rver, Rech Rver Sta na odpowedn przerój dodać odpowedne pole nacsając Add a Flow Change Lacaton. Pojawa sę nowy wersz, w tórym wprowadzamy swoje dane (ne oleg). Wprowadzene danych brzegowych Reach Bondary Condtons. Warn brzegowe można wprowadzać dla wszystch przerojów Set bondary for all profles lb, w przypad posadana doładnych pomarów na całym ce dla ażdego z osobna set bondary for one profle at a tme. W one Select bondary condton locatons and types pojawa sę wówczas odpowedno węsza lość werszy. Wysoość zwercadła wody na począt ońc modelowanego system rzecznego. Dla przepływ rwącego (podrytyczny) można jedyne oreślać dane na ońc oblczanego odcna zlewn, a dla przepływ spoojnego perwsze (górne) przeroje.

12 Dla ażdego odcna zlewn możlwe jest opsane warnów brzegowych. Połączena występjące wewnątrz system rzecznego generowane są atomatyczne. Użytown ma jedyne opsać srajne odcn. Dane wprowadzane mogą być na cztery sposoby zależne od wybranej metody oblczenowej: Znane napełnene (nown W.S.) należy podać napełnene w ażdym przeroj, w tórym mają zostać wyonane oblczena. Napełnene granczne (Crtcal Depth) ne ma onecznośc oreślana napełneń. Są one oblczane przez program przyjmowane jao parametr brzegowy. Napełnene normalne (Normal Depth) należy podać spade ln energ w cel oblczeń wzorem Mannnga. Zwyle dla tego typ oblczeń dostateczną doładność zysje sę poprzez wprowadzene danych spad zwercadła wody lb dna. Spade podaje sę w wartoścach bezwzględnych. Podane rzywej onsmcyjnej (Ratng Crve) można ją podawać w ażdym przeroj poprzecznym. 9. Dane przepływ zmennego. Oblczena ne mszą dotyczyć wszystch ceów, węc należy wybrać obszar (plan), na tórym wyonane są oblczena. Cdn. 10. Wyonane oblczeń przepływ stalonego. Należy pamętać o tym, że wprowadzone zmany w danych fal warnów brzegowych wymagają oblczena wynów na nowo. Modł wyonje oblczena w przypad poprawnego wyonana całego projet. W przecwnym raze wyśwetlane są nformacje o błędach. Ich różnorodność nestety ne pozwala na wymenene wszystch moślwośc. w raze problemów należy sontatować sę z prowadzącym przedmot, lb samodzelne naprawć błędy lb wprowadzć brające dane. Informacja o błędach wypsywana jest bardzo przejrzyśce nawet osoby ne znające j. angelsego, śledząc ją doładne wnna odszać problem go snąć. 11. Wyonane oblczeń przepływ zmennego. 12. Przedstawene wynów Wyn oblczeń mogą być przedstawone w przerojach poprzecznych, profl podłżnym oraz w postac tabel. W tabelach przedstawone są osobno parametry oblczone w przerojach poprzecznych bez z bdowlam hydrotechncznym. Możlwa jest równeż wzalzacja wynów w trzech wymarach. Program wyreśla rzywe onsmcyjne, w przypad stnena odpowednch danych hydrogramy fal.

13 Wyn oglądane na erane omptera można drować (Prnt), lb zapsywać do schowa systemowego (Copy Plot to Clpboard) następne wlejać do programów Offce. Rysn można równeż onwertować do format AtoCad (Wrte DXF fle). Wyn mogą być przedno modyfowane. Objaśnena staweń wzalzacj: Plans wybór różnych danych wejścowych dla tej samej geometr. Profles wybór poszczególnych odcnów ceów. Varables wzalzacja położena zwercadła wody, ln energ, napełnena grancznego dla lczby Frode a, zadanego napełnena w przerojach (opcjonalne), porywy lodowej, wartośc lczby Mannnga, reślene przerojów poprzecznych. Velocty dstrbton wzalzacja oblczonej prędośc w ceach (ma sens w przypad dżego zróżncowana szorstośc w przerojach poprzecznych). Labels szczegółowe oreślene zawartośc przerojów, men legendy. Lnes and symbols stalene olorów, opsów zadanych przepływów tp. Set temporary scale oreślene sal atalne oglądanego wyn. Set persstent scale oreślene sal rysnów całego projet. Grd opcje sat rysnów. Zoom wndow locaton W przypad wyonana powęszeń rysnów (zoom) modyfacja położena oena podgląd całośc. Font Szes możlwa zmanę czcon jej welośc dla: tytł (perwszej następnych ln), Legendy, wartośc sal na osach X Y, opsów os wartośc Lczby Mannnga oraz nazwy odcna rze. 13. Drog stdence. Projet ma zawerać odpowedną lość nformacj o badanym projece zarówno danych wejścowych ja wynów oblczeń. Proszę wyonać projet sładający sę z ce głównego dopływ. Na ceach wnny znajdować sę mosty przepsty (co najmnej po jednej onstrcj). Model pownen zostać oblczony dla przepływ stalonego. Proszę zmodyfować rysn do wydr ta, aby ne marnować nepotrzebne atrament (szczególne nebesego).