Projekti / Programi
Modeliranje hidrodinamike, transporta plavin in nanje vezanih polutantov po metodi SPH
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.20.00 |
Tehnika |
Vodarstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
matematično modeliranje, hidravlika, metoda SPH, plavine, zapolnjevanje akumulacij, transport sedimenta, transport onesnažil, porušitve pregrad
Raziskovalci (16)
Organizacije (2)
Povzetek
Metoda SPH (Smoothed Particle Hydrodynamic) je novejša metoda, pri kateri simulacije izvajamo z diskretnimi delci, in se v zadnjem času vse bolj uveljavlja pri reševanju hidravličnih problemov. Prednosti metode so, da za opis domene modeliranja ne potrebujemo računske mreže, zato je resolucija lahko poljubno podrobna, z lastnostmi posameznega delca pa lahko hkrati opišemo tudi transport in pretvorbe onesnažil. Metoda omogoča enostavnejši in točnejši opis dvofaznega toka od drugih znanih metod, saj za prosto gladino ne zahteva posebnih enačb, kar je pomembno pri modeliranju nenadnih pojavov (npr. valov zaradi različnih impulzov ali toka ob porušitvi pregrad). Primerjava z laboratorijskimi meritvami kaže pri metodi SPH odlično ujemanje poteka proste gladine, kar je pomembno pri določanju maksimalne kote gladine, ki jo npr. pri prelivanju ali porušitvah pregrad doseže razlita voda. Pomanjkljivost metode je daljši računski čas (oz. uporaba zmogljivejših računalnikov) zaradi velikega števila delcev, ki jih za podroben opis simuliranega pojava potrebujemo. V okviru projekta se bomo osredotočili na praktično uporabo modelov SPH v slovenski hidrotehnični praksi. Teoretične osnove in osnovni algoritmi metode so opisani v literaturi, na voljo so tudi izgotovljeni modeli, programi in knjižnice s pomočjo katerih bo mogoče dobre rezultate doseči v času trajanja projekta.
Obravnavali bomo problematiko, povezano z delovanjem hidroelektrarn na slovenskih rekah: 1) posledice morebitnih porušitev pregrad, 2) vpliv zapolnjevanja akumulacij z rinjenimi plavinami in s tem zmanjšanje koristnega volumna akumulacij ter vplive na poplavno varnost in učinkovitost delovanja hidroelektrarn ter 3) transport polutantov, vezanih na delce sedimenta, v akumulacije in iz njih ob praznjenju skozi talne izpuste.
Kot rezultat projekta pričakujemo 1) prenos objavljenega teoretičnega znanja v slovensko hidrotehnično prakso, 2) uporabo že razvitih in objavljenih modelov za konkretne probleme hidrotehnične prakse v Sloveniji, 3) primerjavo med doslej uporabljanimi 1D, 2D in 3D modeli, ki delujejo po metodi kontrolnih volumnov in novo metodo SPH, 4) umerjanje novorazvitih modelov na konkretnih primerih, za katere so na razpolago meritve 5) izpopolnitve obstoječih in razvoj novih algoritmov v skladu s potrebami Holdinga Slovenskih elektrarn (HSE), predvsem za a) primere delnih in postopnih ali v najslabšem primeru popolnih in trenutnih porušitev pregrad, b) modeliranje zaprojevanja akumulacij – transport rinjenih plavin, c) modeliranje izpiranja sedimenta ob odpiranju talnih izpustov na akumulacijah in d) modeliranje desorbcije polutantov iz sedimenta v akumulacijah, pri čemer se je že v preteklosti npr. na primeru razlitja nafte pokazala bistvena prednost sorodnih metod pred splošno uporabljanimi metodami kontrolnih volumnov.
Po prvem letu pričakujemo prve primerjave rezultatov med obema vrstama modelov, izpopolnitve in umerjanje novih modelov bomo večinoma izvršili v drugem letu, v tretjem letu pa bomo izdelali operativno orodje, ki bo pripravljeno za vse štiri predlagane vrste simulacij in izvršili primerjavo izdelanih modelov SPH z obstoječimi okoljskimi modeli za simulacije v rečnem okolju.
Pomen za razvoj znanosti
Metoda SPH je v hidravličnih raziskavah novejša metoda, ki jo trenutno uporabljajo le redke inštitucije in znanstveniki. Raziskave in matematično modeliranje pojavov in procesov pri porušitvah pregrad ter transportu sedimenta in na delce plavin vezanih onesnažil po metodi SPH tudi v svetovnem merilu predstavljajo pomemben prispevek k novim znanjem in uporabi matematičnih modelov na področju hidravlike in varstva okolja. Prijavitelj in partnerji se uvrščajo med prve, ki so tovrstne raziskave uporabili tudi za račun praktičnih primerov. V okviru projekta je bila metoda prvič praktično uporabljena na področju vodarstva v Sloveniji.
Matematični modeli na osnovi metode SPH so še v razmeroma zgodnji fazi razvoja, zato so možne številne teoretične izpopolnitve. Samostojna izdelava tridimenzijskega matematičnega modela Tis Isat ter matematična utemeljitev, izdelava in vgradnja novega robnega pogoja v metodi SPH predstavljajo pomemben dosežek v mednarodnem merilu. Vse doslej uporabljene metode opisa trenja med delci kapljevine in steno so bile pomanjkljive, saj se je med trdno steno in kapljevino pojavljalo območje »odrivanja« delcev, ki je povzročilo nepravilnosti v toku. Novoizdelani model Tis Isat z vgrajenim izboljšanim robnim pogojem je vsaj enako dober kot drugi objavljeni in v praksi uporabljeni modeli. Primerjava z meritvami iz literature (Martin in Moyce, 1952) je pokazala boljše ujemanje rezultatov modela, ki je še posebej izrazito pri daljših časih simulacije. Model Tis Isat deluje znatno hitreje od drugih SPH modelov, s katerimi smo ga primerjali. Dodatne izpopolnitve robnih pogojev modela omogočajo simulacije z daljšim časovnim korakom, kar je zelo pomembno pri modelih SPH, kjer so simulacije običajno dolgotrajne. Rezultati so bili priznani tudi s strani združenja »SPHERIC«, kamor se je projektna skupina s FGG včlanila, in objavljeni v spletnem glasilu združenja. Model Tis Isat, nova formulacija robnega pogoja ter primerjava z rezultati meritev so podrobneje opisani tudi v izvirnem znanstvenem članku, objavljenem v reviji Strojniški vestnik.
Model Tis Isat, ki temelji tudi na lastnem teoretičnem znanju, je bil v nadaljevanju dopolnjen z novimi teoretičnimi in aplikativnimi znanji. Izvedena je bila verifikacija modela z meritvami v naravi in laboratorijskih razmerah. Model smo dopolnili z možnostjo širjenja polutantov in sedimenta ter možnostjo izpiranja sedimenta iz dna v primeru erodibilnega dna, pri čemer sta upoštevani tako advekcija kot disperzija polutanta. Kljub naglemu razvoju metode in modelov SPH je trenutno model Tis Isat edini, ki hkrati zmore izvajati vse naštete vrste simulacij. Možnosti uporabe tako izboljšanega modela so se znatno razširile; poleg področja hidravličnih raziskav je izpopolnjeni model uporaben tudi pri modeliranju procesov zasipavanja akumulacij in kakovosti površinskih voda. Predvsem je pomembna možnost simulacij na območjih z onesnaženim sedimentom, ki so v svetu in Sloveniji pogosta (npr. akumulacije hidroelektrarn ali priobalna območja, kamor reke prinašajo onesnažene plavine). Pri preverjanju modela smo uporabili tudi nove metode meritev (nekontaktne vizualizacijske metode), ki omogočajo meritve v zelo kratkih časovnih intervalih, posnetih s hitroslikovnimi kamerami.
Metoda SPH je našla mesto tudi v pedagoškem procesu na UL-FGG. Pri predmetih druge in tretje stopnje študija je metoda umeščena v več predmetov, metoda in njena uporaba pa je tudi predmet več diplomskih nalog in doktorske disertacije. Mlada raziskovalka, ki sodeluje pri razvoju in uporabi modelov po metodi SPH, je soavtorica večine objav v obdobju trajanja projekta. Predvsem mlajši kader, ki je sodeloval pri uporabi in razvoju modelov SPH, ima zato široke možnosti mednarodnega sodelovanja, hkrati pa bo lahko pridobljeno znanje uspešno uporabil pri nadaljnjem znanstvenem in strokovnem razvoju hidrotehnične stroke v Sloveniji.
Pomen za razvoj Slovenije
Metoda SPH in njena praktična uporaba ponuja širok spekter uporabe v hidravličnih in okoljskih raziskavah in je zato zanimiva za upravljalce z vodami, še posebej pa na področju hidroenergetike. Izdelani model predstavlja pomembno orodje za slovensko hidrotehnično stroko in družbo, saj bo prispeval k učinkovitejšemu pridobivanju obnovljive energije in k boljšim življenjskim pogojem na poplavno ogroženih območjih. Zelo pomemben prispevek predstavlja uporaba rezultatov modelnih simulacij za povečanje poplavne varnosti na območjih, kjer bi morebitne porušitve pregrad lahko povzročile veliko materialno škodo in ogrozile življenja ljudi. Rezultati projekta se neposredno navezujejo tudi na prioritetni nalogi varovanja okolja in varčevanja z energijo. Akumulacije hidroelektrarn so okoljsko zelo občutljiva območja, kjer se v sedimentu pogosto odlagajo onesnažila. Poznavanje dinamike premeščanja plavin na teh območjih, še bolj pa poznavanje procesov toka vode na območjih energetskih objektov, predstavlja pomemben dejavnik pri pravilnem upravljanju z obnovljivimi viri energije in naravnimi viri nasploh.
Dobro sodelovanje s sofinancerji omogoča dostop do informacij o dejanskih potrebah slovenske hidrotehnične prakse, aplikacije pa lahko takoj preizkusimo pri reševanju konkretnih problemov. Kot prvi referenčni primer navajamo simulacijo delne porušitve nasipov na akumulaciji načrtovane črpalne hidroelektrarne Kozjak. Za verifikacijo in kalibracijo modela so bili uporabljeni podatki meritev na fizičnem in predhodno izdelanem matematičnem modelu. Ujemanje rezultatov je dobro, model Tis Isat pa lahko služi kot numerični model operativnega orodja v različnih primerih ogrožanja zaradi porušitev pregrad. Drugi referenčni primer je raziskava toka v hipnih spremembah profila kanala, kjer so bile za verifikacijo rezultatov modela uporabljene podrobne meritve na fizičnem modelu. Oba primera sta bila predstavljena domači in tuji strokovni javnosti.
Sodelovanje z vrhunskimi strokovnjaki in organizacijami na področju razvoja in uporabe metode SPH v okviru združenja SPHERIC, ki ga je UL Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo kot prva slovenska skupina dosegla v preteklem projektnem obdobju, je pomembno za promocijo znanja in dela Univerze v Ljubljani in Slovenije. Udeležba na znanstvenih srečanjih skupine pomeni hkrati promocijo in dostop do najnovejših spoznanj in tehnik, ki se uvajajo in uporabljajo v ekspertni skupini razvijalcev metode SPH. Na ta način pridobljeni stiki in možna nadaljnja sodelovanja z inštitucijami, kjer se ista metoda uporablja, predstavljajo pomemben potencial pri vključevanju v nove mednarodne znanstvene in strokovne kroge.
Samostojna izdelava lastnega modela Tis Isat predstavlja primer prenosa mednarodnega znanja v slovensko znanstveno in strokovno sfero. Sodelovanje s sofinancerjema in sodelujočo RO (IJS) zagotavlja prenos teoretičnega znanja z univerze v prakso in hkrati omogoča uporabo optimalne strojne in programske opreme ter po količini in kakovosti ustrezne vhodne podatke za modele. Tudi izmenjava znanja med izobraževalno, raziskovalno in sodelujočo organizacijo iz gospodarstva (CGS plus, d.o.o.) nedvomno predstavlja velik potencial za nadaljnje sodelovanje in odpira možnosti zaposlitev relevantnega kadra, ki se bo usposabljal med projektom, v gospodarstvu in/ali obeh znanstveno-raziskovalnih inštitucijah.
Metoda je z uporabo ustreznih grafičnih vmesnikov zelo nazorna. Z izdelanimi vmesniki je metoda SPH že v uporabi tudi pri predstavitvah v pedagoškem procesu na dodiplomskem študiju, na novih podiplomskih študijih pa je vključena v več predmetov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
