TOMASZ KOLERSKI MODELOWANIE MATEMATYCZNE ZJAWISK LODOWYCH NA WODACH ŚRÓDLĄDOWYCH

Podobne dokumenty
KRZYSZTOF REDLARSKI PODSTAWY METODYKI ZARZĄDZANIA PROJEKTAMI W UJĘCIU KLASYCZNYM

Automatyzacja i sterowanie statkiem

MODELE STRUMIENIA POWIETRZA W PNEUMATYCE

Wprowadzenie do modelowania MES w programie SOFISTIK Materiały pomocnicze do laboratorium z metody elementów skończonych

PALE PRZEMIESZCZENIOWE WKRĘCANE

WOJCIECH WYRZYKOWSKI PODATKOWE UWARUNKOWANIA ROZWOJU PRZEDSIĘBIORCZOŚCI W POLSCE

TERMODYNAMIKA ZADANIA I PRZYKŁADY OBLICZENIOWE WIESŁAWA PUDLIKA WYDAWNICTWO POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

EWA ZABOROWSKA. Zasady projektowania WODNYCH WEZŁÓW CIEPŁOWNICZYCH

WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W PRZEPŁAWKACH BLISKICH NATURZE

Modele matematyczne do badania bezpieczenstwa systemu elektroenergetycznego TOM

Tomasz Kolerski PRAKTYCZNE ASPEKTY GOSPODARKI WODNEJ W PROJEKTOWANIU ZBIORNIKÓW RETENCYJNYCH

Program BEST_RE. Pakiet zawiera następujące skoroszyty: BEST_RE.xls główny skoroszyt symulacji RES_VIEW.xls skoroszyt wizualizacji wyników obliczeń

Karolina A. Krośnicka. Przestrzenne aspekty kształtowania i rozwoju morskich terminali kontenerowych

Ewa Zaborowska. projektowanie. kotłowni wodnych. na paliwa ciekłe i gazowe

PROJEKTOWANIE WIEDZY RELACYJNEBAZYDANYCH TACJANA NIKSA-RYNKIEWICZ

Krystyna Dzierzbicka Grzegorz Cholewiński Janusz Rachoń DLA ZAINTERESOWANYCH PYTANIA I ODPOWIEDZI

UKŁADY WIELOCZŁONOWE Z WIĘZAMI JEDNOSTRONNYMI W ZASTOSOWANIU DO MODELOWANIA ZŁOŻONYCH UKŁADÓW MECHANICZNYCH

JACEK KLUCZNIK OBLICZANIE WARTOŚCI PRĄDÓW W PRZEWODACH ODGROMOWYCH LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH

BADANIE METOD I PROJEKTOWANIE USŁUG LOKALIZACYJNYCH W SIECIACH RADIOKOMUNIKACYJNYCH

Model fizykochemiczny i biologiczny

FIZYKA I CHEMIA GLEB. Literatura przedmiotu: Zawadzki S. red. Gleboznastwo, PWRiL 1999 Kowalik P. Ochrona środowiska glebowego, PWN, Warszawa 2001

Oferta wydawnicza Politechniki Gdańskiej jest dostępna pod adresem

PRZYGOTOWANIE DANYCH HYDROLOGICZNYCH W ZAKRESIE NIEZBĘDNYM DO MODELOWANIA HYDRAULICZNEGO

Defi f nicja n aprę r żeń

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Gdańsk. w perspektywie badań młodych naukowców. Redakcja Agnieszka Gębczyńska-Janowicz Dorota Kamrowska-Załuska

15.1. Opis metody projektowania sieci kanalizacyjnej

Nowoczesne narzędzia obliczeniowe do projektowania i optymalizacji kotłów

Menu. Badania temperatury i wilgotności atmosfery

Kalkulator Audytora wersja 1.1

Rachunek różniczkowy w zadaniach

J. Szantyr Wykład nr 27 Przepływy w kanałach otwartych I

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

wymiana energii ciepła

Fizyka cieplna budowli w praktyce : obliczenia cieplno-wilgotnościowe / Andrzej Dylla. Warszawa, cop Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń

CIĘŻAR. gdzie: F ciężar [N] m masa [kg] g przyspieszenie ziemskie ( 10 N ) kg

ZUŻYCIE ENERGII DO OGRZEWANIA LOKALU W BUDYNKU WIELORODZINNYM. Paweł Michnikowski

Agnieszka Boroń, Magdalena Kwiecień, Tomasz Walczykiewicz, Łukasz Woźniak IMGW-PIB Oddział w Krakowie. Kraków, r.

gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.

TYGODNIOWY BIULETYN HYDROLOGICZNY

Janusz Datta, Marcin Włoch INŻYNIERIA ELASTOMERÓW

Modelowanie zjawisk przepływowocieplnych. i wewnętrznie ożebrowanych. Karol Majewski Sławomir Grądziel

TYGODNIOWY BIULETYN HYDROLOGICZNY

Politechnika Poznańska

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Wnikanie ciepła przy konwekcji swobodnej. 1. Wstęp

1. Dane : DANE OGÓLNE PROJEKTU. Poziom odniesienia: 0,00 m.

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

Definicje i przykłady

Zastosowanie MES do rozwiązania problemu ustalonego przepływu ciepła w obszarze 2D

WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA PRZEZ KONWEKCJĘ

Schematy blokowe dla projektowania warunków stabilności biologicznej w przepławkach

Wacław Matulewicz Dariusz Karkosiński Marek Chomiakow. Podstawy badań obwodów elektrycznych i elektromagnetycznych dla mechaników

KOMPENDIUM WIEDZY. Opracowanie: BuildDesk Polska CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNA BUDYNKÓW I ŚWIADECTWA ENERGETYCZNE NOWE PRZEPISY.

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Paweł Kłosowski Andrzej Ambroziak METODY NUMERYCZNE W MECHANICE KONSTRUKCJI Z PRZYKŁADAMI W PROGRAMIE

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

EFEKT CIEPLARNIANY. Efekt cieplarniany występuje, gdy atmosfera zawiera gazy pochłaniające promieniowanie termiczne (podczerwone).

Ujście Wisły - prezentacja - konferencja

J. Szantyr Wykład nr 19 Warstwy przyścienne i ślady 1

pt.: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROCESÓW OBRÓBKI PLASTYCZNEJ

Awarie. 4 awarie do wyboru objawy, możliwe przyczyny, sposoby usunięcia. (źle dobrana pompa nie jest awarią)

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA. Poszukiwanie optymalnej średnicy rurociągu oraz grubości izolacji

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

TYGODNIOWY BIULETYN HYDROLOGICZNY

1. BILANSOWANIE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH

Instrukcja do laboratorium z fizyki budowli.

Parametryzacja warunków przepływu wody w przepławkach biologicznych w celu automatyzacji procesu projektowania

J. Szantyr Wykład 4 Podstawy teorii przepływów turbulentnych Zjawisko występowania dwóch różnych rodzajów przepływów, czyli laminarnego i

Instrukcja stanowiskowa

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Przedmowa Przewodność cieplna Pole temperaturowe Gradient temperatury Prawo Fourier a...15

Meteorologia i Klimatologia Ćwiczenie II Poznań,

TARCZE PROSTOKĄTNE Charakterystyczne wielkości i równania

Oferta wydawnicza Politechniki Gda skiej jest dost pna pod adresem

REGULACYJNE USŁUGI SYSTEMOWE W ZAKRESIE MOCY CZYNNEJ

2. Zapoczątkowanie kawitacji. - formy przejściowe. - spadek sprawności maszyn przepływowych

SYLABUS/KARTA PRZEDMIOTU

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Wprowadzenie do opracowania map zagrożenia i ryzyka powodziowego

gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.

Moduł meteorologiczny w serwisie CRIS

Monika Ciak-Ozimek. Mapy zagrożenia powodziowego i mapy ryzyka powodziowego stan obecny i wdrażanie

Modelowanie skutków awarii przemysłowych w programie RIZEX-2

Spis treści. PRZEDMOWA.. 11 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ.. 13

Uniwersytecki Biuletyn Meteorologiczny

Zadanie 2. Zadanie 4: Zadanie 5:

Angelika Duszyńska Adam Bolt WSPÓŁPRACA GEORUSZTU I GRUNTU W BADANIU NA WYCIĄGANIE

Uniwersytecki Biuletyn Meteorologiczny

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Uniwersytecki Biuletyn Meteorologiczny

Aerodynamika i mechanika lotu

PIERWSZEGO. METODA CZYNNIKA CAŁKUJĄCEGO. METODA ROZDZIELONYCH ZMIENNYCH.

Egzamin z MGIF, I termin, 2006 Imię i nazwisko

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

Obciążenia środowiskowe: śnieg i wiatr wg PN-EN i PN-EN

Mgr inż. Wojciech Chajec Pracownia Kompozytów, CNT Mgr inż. Adam Dziubiński Pracownia Aerodynamiki Numerycznej i Mechaniki Lotu, CNT SMIL

Uniwersytecki Biuletyn Meteorologiczny

1.3. Prawa Eulera Pierwsze prawo Eulera Drugie prawo Eulera Tensor naprężenia w płynie... 10

Modelowanie sieci ciepłowniczych jako istotny element analizy techniczno-ekonomicznej

Transkrypt:

TOMASZ KOLERSKI MODELOWANIE MATEMATYCZNE ZJAWISK LODOWYCH NA WODACH ŚRÓDLĄDOWYCH GDAŃSK 2016

PRZEWODNICZĄCY KOMITETU REDAKCYJNEGO WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ Janusz T. Cieśliński REDAKTOR PUBLIKACJI NAUKOWYCH Michał Szydłowski RECENZENCI Kazimierz Burzyński Ryszard Staroszczyk REDAKCJA JĘZYKOWA Agnieszka Frankiewicz PROJEKT OKŁADKI Katarzyna Olszonowicz Wydano za zgodą Rektora Politechniki Gdańskiej Oferta wydawnicza Politechniki Gdańskiej jest dostępna pod adresem http://pg.edu.pl/wydawnictwo/katalog zamówienia prosimy kierować na adres wydaw@pg.gda.pl Utwór nie może być powielany i rozpowszechniany, w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób, bez pisemnej zgody wydawcy Copyright by Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2016 ISBN 978-83-7348-669-0 WYDAWNICTWO POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ Wydanie I. Ark. wyd. 9,6, ark. druku 9,0, 175/915 Druk i oprawa: Totem.com.pl, sp. z o.o., sp. k. ul. Jacewska 89, 88-100 Inowrocław, tel. 52 354 00 40

SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ... 7 WSTĘP... 11 CEL, ZAKRES I STRUKTURA PRACY... 13 1. HYDRODYNAMIKA RZEK Z POKRYWĄ LODOWĄ... 17 1.1. Jednowymiarowy model przepływu nieustalonego z pokrywą lodową... 17 1.2. Dwuwymiarowy model przepływu nieustalonego z dynamicznymi formami lodu... 23 2. FORMOWANIE POKRYWY LODOWEJ NA WODACH ŚRÓDLĄDOWYCH... 28 2.1. Formowanie lodu krystalicznego... 29 2.2. Powstawanie lodu prądowego (śryżu)... 34 3. MODEL MATEMATYCZNY DYNAMIKI LODU... 39 4. MODEL NUMERYCZNY DYNAMIKI LODU... 43 4.1. Metoda wygładzonej hydrodynamiki cząstek (SPH)... 43 4.2. Równania dynamiki lodu przy wykorzystaniu metody SPH... 49 5. BILANS CIEPLNY NA POWIERZCHNI WODY LUB LODU... 51 5.1. Promieniowanie krótkofalowe słońca... 52 5.2. Promieniowanie długofalowe... 56 5.3. Strumień ciepła na skutek parowania... 57 5.4. Strumień ciepła w efekcie konwekcji... 58 5.5. Strumień ciepła na skutek opadu atmosferycznego... 58 5.6. Przykład obliczeniowy... 59 5.7. Aproksymacja liniowa bilansu cieplnego... 60 6. TERMICZNY PRZYROST I ZANIK GRUBOŚCI POKRYWY LODOWEJ... 62 6.1. Modelowanie matematyczne przyrostu pokrywy lodowej... 62 6.2. Metoda sumy temperatur ujemnych (FDD)... 63 6.3. Obliczenie grubości pokrywy lodowej na zbiorniku Włocławek... 65 7. ZATORY LODOWE... 74 7.1. Modelowanie numeryczne zatoru lodowego... 76 8. METODY PRZECIWDZIAŁANIA ZATOROM LODOWYM... 83 8.1. Metody bierne... 83 8.1.1. Przegrody stałe... 83 8.1.2. Przegrody pływalne... 85 8.1.3. Modelowanie matematyczne przegród lodowych... 87 8.2. Metody czynne... 93 8.2.1. Lodołamanie przy wykorzystaniu poduszkowców... 93 8.2.2. Lodołamanie przy wykorzystaniu ładunków wybuchowych... 94 8.2.3. Usuwanie lodu z wykorzystaniem sprzętu budowlanego... 95 8.2.4. Usuwanie lodu przy użyciu lodołamaczy... 95 9. ZAGADNIENIA PRAKTYCZNE ZWIĄZANE Z WYSTĘPOWANIEM LODU NA RZEKACH... 100 9.1. Zjawiska lodowe na Dolnej Odrze... 103 9.2. Zjawiska lodowe na Dolnej Wiśle... 109 9.2.1. Zbiornik Włocławek... 110

6 Spis treści 9.2.2. Ujście Wisły... 114 9.2.3. Projekt stopnia wodnego poniżej Włocławka... 122 PODSUMOWANIE I WNIOSKI... 127 ZAŁĄCZNIK... 129 BIBLIOGRAFIA... 134 Streszczenie w języku polskim... 141 Streszczenie w języku angielskim... 141

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ A pole przekroju czynnego pod pokrywą lodową [m 2 ] B o szerokość przekroju czynnego na powierzchni wody [m] C wielkość zachmurzenia [ ] C współczynnik wiążący naprężenia ścinające przy dnie z prędkością turbulencji [ ] C D współczynnik efektywności przekazywania siły od wiatru na powierzchnię wody [ ] C L ciepło właściwe lodu [J g 1 K 1 ] C w współczynnik oddziaływania wiatru [ ] d w głębokość wody liczona od dna do dolnej powierzchni pokrywy lodowej [m] e s ciśnienie pary wodnej nasyconej [mb] e a ciśnienie pary wodnej [mb] F siła związana z oddziaływaniem wiatru na lód [N] a F f siła tarcia działająca wzdłuż brzegu obszaru [N] F k siła kohezji pomiędzy lodem a brzegiem [N] F N siła normalna do brzegu obszaru [N] F t siła styczna do brzegu obszaru [N] F siła pochodząca od oddziaływania płynącej wody na lód [N] w Fr Cr krytyczna liczba Froude a dla rozbudowy dynamicznej pokrywy lodowej [ ] g przyśpieszenie ziemskie [m s 2 ] G siła grawitacji [N] H rzędna zwierciadła wody [m] H w głębokość zastępcza wody liczona od dna kanału do zwierciadła wody [m] h WL współczynnik wymiany ciepła między wodą a lodem [W C m 2 ] I R natężenie opadu deszczu [mm godz 1 ] I S natężenie opadu śniegu [mm godz 1 ] I so stała słoneczna przyjmowana [W m 2 ] K funkcja interpolująca zwana jądrem interpolacji [ ] K liniowy wymiar szorstkości [m] k L przewodność cieplna lodu [W m 1 C 1 ] k W przewodność cieplna wody [W m 1 C 1 ] l długość wygładzenia [m] L L ciepło utajone topnienia lodu [kj kg 1 ] M masa optyczna atmosfery [ ] M L masa jednostkowa (na powierzchnię) cząstki lodu [kg m 2 ] M k gęstość rozkładu masy w odniesieniu do cząstki k [kg m 2 ] N koncentracja powierzchniowa lodu [ ] n d współczynnik szorstkości Manninga dla dna [s m 1/3 ] n L współczynnik szorstkości Manninga dla dna lodu [s m 1/3 ] n o wypadkowy współczynnik szorstkości Manninga [s m 1/3 ] P d, P L obwody zwilżone odniesione do dna kanału oraz do dolnej powierzchni pokrywy lodowej [m] Q natężenie przepływu [m 3 s 1 ] q x, q y przepływ jednostkowy wody w kierunku x i y [m 3 s 1 ]

8 Wykaz ważniejszych oznaczeń R promień hydrauliczny [m] R siła pochodząca od naprężeń wewnętrznych lodu [N] r, r wektory kierunkowe opisujące położenie rozpatrywanego punktu i punktu sąsiedniego [m] RH wilgotność względna [%] S spadek linii energii [ ] S T suma średnich temperatur dobowych [ C] t zmienna niezależna odniesiona do czasu [s] T a temperatura powietrza [ C] T ak temperatura powietrza [K] T s temperatura powierzchni wody [ C] T sk temperatura powierzchni wody [K] T t ciepło topnienia lub zamarzania wody [ C] u, v składowe prędkości powierzchniowej lodu w kierunku x i y [m s 1 ] u prędkość dynamiczna [m s 1 ] u w, v w składowe prędkości wody w kierunku x i y [m s 1 ] V cr prędkość graniczna dla statycznej pokrywy lodowej [m s 1 ] V er prędkość erozyjna lodu [m s 1 ] V prędkość lodu na powierzchni wody [m s 1 ] L V p prędkość powierzchniowa wody [m s 1 ] V prędkość wody [m s 1 ] w V L d w w prędkość średnia wody w strefie działania tarcia od lodu lub dna [m s 1 ] W prędkość wiatru [m s -1 ] x, y zmienne niezależne odniesione do odległości [m] wysokość położenia Słońca [ ] deklinacja słoneczna [ ] a emisyjność atmosfery [ ] s emisyjność powierzchni wody [ ] xy, xx, yy współczynniki lepkości dynamicznej [Pa s] całkowita grubość pokrywy lodowej [m] grubość pokrywy lodowej liczona od jej dolnej powierzchni do linii zwierciadła wody [m] z kąt zenitu [ ] stała Karmanna [ ] f współczynnik filtracji przez lód [m s 1 ] współczynnik zaniku promieniowania w lodzie [m 1 ] a gęstość powietrza [kg m 3 ] L gęstość lodu [kg m 3 ] s gęstość śniegu [kg m 3 ] w gęstość wody [kg m 3 ] stała Stefana-Boltzmana [Wm 2 K 4 ] xx, yy składowe normalne naprężenia wewnętrznego w lodzie lub rumowisku lodowym [Pa] xy, yx składowe styczne tensora naprężeń wewnętrznych [Pa] ax, ay naprężenie styczne wytworzone na skutek działania wiatru [Pa] dx, dy naprężenie styczne przy dnie w kierunku x i y [Pa] gx, gy naprężenie styczne pomiędzy lodem a dnem kanału w kierunku x i y [Pa] Lx, Ly naprężenie styczne na dolnej powierzchni lodu w kierunku x i y [Pa] sx, sy naprężenie styczne na powierzchni kanału kierunku x i y [Pa]

Wykaz ważniejszych oznaczeń 9 kąt tarcia wewnętrznego dla rumowiska lodowego [ ] w kąt tarcia wewnętrznego pomiędzy lodem a dnem kanału [ ] szerokość geograficzna [ ] całkowity strumień ciepła [W m 2 ] B promieniowanie długofalowe powierzchni ziemi [W m 2 ] E strumień ciepła wynikający z efektu parowania [W m 2 ] H strumień ciepła konwekcyjnego [W m -2 ] R strumień ciepła wynikający z promieniowania krótkofalowego słońca [W m 2 ] S strumień ciepła wynikający z opadu deszczu lub śniegu [W m 2 ] So całkowite promieniowanie krótkofalowe padające na powierzchnię płaską [W m 2 ] azymut słoneczny [ ] kąt godzinowy [ ]

WSTĘP Model matematyczny jest opisem sposobu działania układu i jego reakcji na wprowadzane zakłócenia. Może on być wykorzystany na etapie planowania lub projektowania obiektów inżynierskich jak również optymalizacji działań już istniejących budowli. Symulacja pracy planowanego obiektu w warunkach modelowych jest niezbędna w celu ustalenia najlepszej lokalizacji i sposobu pracy tego obiektu w celu zaspokojenia wszystkich potrzeb użytkowników. W odniesieniu do obiektów hydrotechnicznych często stosowaną praktyką jest wykonywanie modelu hydraulicznego, który jest wykonywany w skali i przy zachowaniu prawa podobieństwa. Drugą możliwością jest wykorzystanie modelu matematycznego, który z założenia ma umożliwić przedstawienie dowolnego zagadnienia hydraulicznego przez rozwiązanie odpowiednio skonstruowanych równań matematycznych. Oba przedstawione podejścia cechują się pewnego rodzaju przybliżeniem w stosunku do rzeczywistości. Dobrze zaprojektowany model hydrauliczny jest w stanie prawidłowo odtworzyć rzeczywistość, jednak na skutek zmiennej skali przełożenie wyników modelowych na działanie prototypu może nastręczać sporych trudności. Dodatkowo należy wziąć pod uwagę fakt, że oddziaływanie większości obiektów hydrotechnicznych ma znaczny zasięg przestrzenny. Wobec czego model wykonany w rozsądnej skali będzie kosztowny ze względu na swój rozmiar. Z drugiej strony dysponujemy narzędziem w postaci modelu matematycznego, który bazuje na rozwiązaniu równań opisujących wszystkie procesy zachodzące w naturze. Niestety nie ma możliwości skonstruowania pełnego matematycznego opisu rzeczywistości ze względu na zbyt duży stopień skomplikowania oraz nieznajomość wszystkich procesów fizycznych. Dodatkowo, większość równań matematycznych opisujących zjawiska hydrodynamiczne nie ma rozwiązania analitycznego, co oznacza, że przy rozwiązaniu równań posiłkujemy się metodami numerycznymi. W tym kontekście model numeryczny jest uproszczeniem, sprowadzonym do postaci dyskretnej, których rozwiązanie w formie numerycznej jest aproksymacją rozwiązania dokładnego. Z tego względu wyniki modelu numerycznego są przybliżeniem rzeczywistości, które będzie tym dokładniejsze im bardziej szczegółowo opiszemy zjawiska naturalne oraz im lepszy schemat rozwiązania numerycznego wykorzystamy. Za wykorzystaniem wyników modelowania numerycznego do wspomagania procesu projektowania przemawia stosunkowo niewielki koszt poniesiony na zastosowanie tego modelu do rzeczywistego obiektu inżynierskiego. Prawidłowe rozpoznanie procesów towarzyszących inwestycjom przekłada się na znaczne oszczędności w ich realizacji i wyższy zysk wynikający z prawidłowego działania obiektu. Bez tego etapu pracy większość założeń, przyjmowanych zarówno na etapie planowania lub przy projektowaniu budowli, musi bazować na tak zwanej wiedzy ogólnej, doświadczeniu projektanta przy podobnych obiektach lub szacunkach wynikających z niekoniecznie słusznej opinii eksperckiej. Aby wyzbyć się subiektywnej oceny niezbędne jest przedstawienie rzetelnych obliczeń popartych prawidłowo przyjętymi danymi wejściowymi. Wraz z rozwojem mocy obliczeniowej komputerów coraz więcej procesów fizycznych zachodzących w naturze jest możliwych do modelowania na drodze numerycznej. Zjawiska lodowe nie stanowiły nigdy głównego trendu w pracach badawczych zespołów naukowych. Badanie zjawisk lodowych na rzekach zostało zapoczątkowane w połowie zeszłego stulecia, ale dopiero w ostatnich dekadach nastąpił znaczny postęp wiedzy na ten

12 Wstęp temat. Najistotniejszą pracą podsumowującą wczesne badania i osiągnięcia w dziedzinie dynamiki procesów lodowych jest monografia Ashton a [8], które będzie kilkukrotnie cytowane w mojej pracy. Opis matematyczny zjawisk lodowych jest skomplikowany ze względu na złożoność procesu oraz dużą ilość elementów mających wpływ na zachowanie się lodu na rzekach. W modelowaniu tworzenia się lodu na rzekach należy uwzględnić procesy związane z termiką wody, nukleacją kryształów lodu, powstawaniem lodu brzegowego lub lodu prądowego (śryżu), transportem lodu prądowego w całej objętości wody oraz kry lodowej na powierzchni wody. Jeśli chcemy zająć się pokrywą lodową i jej rozbudową istotne jest uwzględnienie przyrostu grubości lodu na skutek procesów termicznych, sposobu zachowania dopływającej kry lodowej do górnej krawędzi pokrywy oraz wszelkich procesów zatorowych w postaci zatorów podwieszonych i innych. Z kolei modelowanie rozpadu pokrywy lodowej wiąże się z symulowaniem topnienia termicznego lodu na skutek zjawisk meteorologicznych. Drugim możliwym scenariuszem rozpadu pokrywy lodowej jest proces dynamiczny, któremu zwykle towarzyszy gwałtowny spływ skruszonej kry lodowej, co potencjalnie może prowadzić do powstawania zatorów. Wszystkie przedstawione sytuacje wymagają szczegółowego przestudiowania pod względem fizyki procesu a następnie sformułowania odpowiedniego opisu matematycznego. Początkowo symulowano procesy lodowe w formie statycznej, przez uwzględnianie dodatkowej powierzchni, na której występują odpory ruchu dla poruszającej się wody, co przedstawili Pariset i Hausser w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku [113, 114]. Model ten jest stosunkowo prosty i wymaga jedynie uwzględnienie dodatkowego współczynnika szorstkości w równaniu zachowania pędu, oraz zmniejszenia przekroju czynnego o unoszącą się na powierzchni pokrywę lodową. Oczywiście w tak skonstruowanych równaniach nie ma możliwości modelowania zatorów lodowych pod względem ich lokalizacji i czasu powstawania. Modele uproszczone były i nadal są szeroko stosowane z uwagi na swoja prostotę i dużą dostępność [25, 96]. Od lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku rozpoczęto próby modelowania dynamiki lodu na rzekach, które zakończyły się stworzeniem w ośrodku naukowym uniwersytetu Clarkson modelu matematycznego DynaRICE, którego pomysłodawcą jest H.T. Shen [86, 142]. Model ten jest jak dotąd jedynym, który umożliwia określenie miejsca i czasu powstania zatoru lodowego bez uprzedniego definiowania tej lokalizacji. Jest to bardzo pomocne narzędzie przy projektowaniu obiektów hydrotechnicznych mogących wpływać na potencjał zatorowy rzeki.