Projekti / Programi
Povezava metode SPH s konvencionalnimi numeričnimi metodami in robnimi pogoji za simulacije na področju dinamike vode in plavin
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.20.00 |
Tehnika |
Vodarstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.07 |
Tehniške in tehnološke vede |
Okoljsko inženirstvo |
brezmrežna numerična metoda SPH, model Tis Isat, model SPHysic, porušitveni valovi, tok s prosto gladino, tok pod tlakom, večfazni tok, transport plavin
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
V novejšem času se za numerične simulacije pojavov na področju hidrodinamike in transporta plavin vse bolj uporabljajo brezmrežne metode delcev, kjer so računski elementi masni delci. Relacije med njimi se s časom spreminjajo, kar omogoča obravnavanje tudi večjih diskontinuitet in nenadnih sprememb v tekočini. Na ta način odpravimo tudi nekatere težave, ki nastanejo pri modelih z mrežno strukturo računske domene, kot je na primer numerična difuzija, odpade pa tudi problem generiranja mreže. Ena najstarejših brezmrežnih metod je SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics).
Poseben izziv pri modeliranju z delčnimi metodami predstavljajo robni pogoji. Že modeliranje trdnih robov ni samoumevno, kot je to pri metodah, ki temeljijo na Eulerjevem opisu računske domene. Raziskave, ki se ukvarjajo z vplivom hrapavosti tal in objektov na širjenje poplavnega vala, so redke. Modeliranje robnih pogojev, prepustnih za vodo, pa je zahtevno. Nadaljnji izziv pri simulacijah realnih pojavov predstavlja računski čas, ki ga lahko skrajšamo s povezavo z računsko manj zahtevnimi modeli. To možnost uporabimo, kadar je le del računske domene izpostavljen naglim spremembam hitrostnega polja in gladine. Primer tovrstne uporabe so izpustni objekti na pregradah, v okolici katerih je tok izrazito večdimenzionalen in nestacionaren, gladina pa slabo definirana. Pod disipacijskimi objekti in v akumulaciji pa lahko tok vode in sedimentov dobro opišemo tudi z drugimi modeli, npr. dvodimezijskimi modeli temelječimi na metodi SPH, ali pa s še preprostejšimi enodimenzijskimi modeli, temelječimi na Eulerjevem opisu prostora.
Cilj projekta je dopolnitev obstoječega SPH modela Tis Isat, ki je bil razvit v okviru projektne skupine, z možnostjo upoštevanja 1) različnih vrst hrapavosti ostenja, 2) prepustnih robnih pogojev tako za vodo kot za sediment, 3) povezave med modeli, in sicer 3a) med 2D in 3D različico Tis Isat, 3b) med modeli različne resolucije (t.i. gnezdenje modelov), 3c) s konvencionalnimi modeli. S tem bi dobili orodje, ki bi bilo praktično uporabno za zahtevnejše simulacije, povezane z načrtovanjem in delovanjem hidroenergetskih objektov. S sestavljanjem modelov bi bilo možno simulirati tok vode in sedimentov z natančnostjo, ki je na določenem delu obravnavane domene potrebna. Pri tem bi uporabili višjo natančnost na območju iztokov, disipacijskih objektov ipd. in manjšo v akumulaciji. Raziskave hrapavosti ostenja bi pripomogle k natančnejšim simulacijam širjenja poplavnega vala v primeru porušitve pregrade.
Ker je metoda še razmeroma nova, lahko z razvojem metode znatno prispevamo k teoretičnemu in praktičnemu znanju o hidrodinamičnih in okoljskih problemih. Na znanstveni ravni je možen prispevek v smislu izboljšave robnih pogojev. Predvsem pretočni robni pogoj za plavine je še povsem neraziskan. Medsebojna povezava modelov različnih dimenzionalnosti predstavlja novost v svetovnem merilu. Hkrati s povezavo s konvencionalnimi modeli predstavlja omenjena novost občutno znižanje časovne zahtevnosti simulacij SPH. To je predvsem pomembno pri praktični uporabi na razmeroma velikih območjih (akumulacije in razlivna območja po morebitnih porušitvah pregrad). S predlaganimi izboljšavami modela bo mogoče razmeroma točno simulirati tudi prenos onesnažil. To ponuja razmeroma široko možnost objav in vključevanja v izobraževalni proces.
Razvoj novih robnih pogojev in povezovanje modelov ter hkratno skrajševanje računskega časa predstavlja izziv svetovnega merila vsem raziskovalcem metode SPH. Načrtovano sodelovanje z manjšim podjetjem (CGS plus, d.o.o) in mednarodno priznano organizacijo na področju strojne hidravlike (Litostroj Power) zagotavlja hiter pretok znanja med organizacijami. Metoda se neposredno navezuje tudi na prioritetni nalogi varovanja okolja in varčevanja z energijo.
Pomen za razvoj znanosti
Čeprav so Eulerjeve metode še vedno najbolj v uporabi za simulacije toka s prosto gladino, postajajo novejše Lagrangeove brezmrežne metode vedno bolj priljubljene. Ena izmed takšnih Lagrangeovim metod je metoda SPH, ki je še vedno v fazi raziskovanja in se konstantno dopolnjuje in razvija. Raziskovanje in simuliranje valov, ki nastanejo zaradi morebitnih porušitev pregrad ter modeliranje transporta sedimentov po metodi SPH pa predstavlja razvijalcem metode velik izziv, saj lahko prispeva k boljšemu razumevanju pojavov v hidravliki. Metoda SPH je razmeroma mlada in se ves čas izpopolnjuje in razvija. V okviru raziskovalne skupine smo izdelali lasten SPH model Tis Isat. Model smo v okviru projektnega obdobja dopolnjevali in razvijali. Naš model je prvi SPH model, ki je bil izdelan v Sloveniji, dopolnitev modela z novimi robnimi pogoji pa predstavlja pomemben dosežek v mednarodnem merilu. Ena izmed glavnih slabosti metode SPH je razmeroma dolg računski čas simulacij. Naša raziskovalna skupina je razvila dva vmesnika, ki nam omogočata povezovanje med modeli različne dimenzionalnosti in med modeli različne resolucije. Z uporabo vmesnikov pri simulacijah toka vode v kanalu z razširitvijo smo znatno znižali računski čas simulacij. Vmesnik, ki omogoča povezovanje med modeli različne dimenzionalnosti po metodi SPH je eden prvih prvih tovrstnih razvitih vmesnikov na svetu in je bil dobro sprejet s strani združenja SPHERIC, katere članica je tudi naša raziskovalna skupina. Na 7. mednarodni SPH konferenci, ki jo je organiziralo omenjeno združenje SPHERIC, smo delovanje tega vmesnika podrobno predstavili. Nova tehnika je bila prav tako predstavljena v izvirnem znanstvenem članku, objavljenem v SCI reviji Strojniški vestnik. Sočasne simulacije dinamike vodnega toka in transporta plavin so predmet številnih raziskav in študij. Tovrstne raziskave predstavljajo pomemben prispevek k svetovni znanosti. V okviru naše raziskovalne skupine smo v model Tis Isat vgradili nove prepustne robne pogoje, ki omogočajo simulacije izpiranja in odlaganja plavin. Poleg omenjene dopolnitve smo razvili tudi vmesnik, ki nam omogoča izračun strižnih napetosti v naravnih hudourniških strugah po metodi SPH. Tudi ta del predstavlja koristen prispevek na znanstvenem področju, saj so v svetu razvite le redke enačbe, ki nam po metodi SPH omogočajo izračun strižnih napetosti v hudournikih z značilno velikimi padci dna in izrazito nepravilno geometrijo struge.
Pomen za razvoj Slovenije
Čeprav je metoda SPH razmeroma nova, omogoča simulacije različnih hidravličnih in okoljskih problemov. Dopolnjeni SPH model Tis Isat je zelo primeren za uporabo v slovenski hidrotehnični stroki, saj bo pripomogel k boljšemu razumevanju hidrodinamičnih pojavov in transporta sedimenta ter k boljšemu določanju poplavnih območij. Model je zelo uporaben za simulacije porušitvenih valov, ki bi nastali zaradi morebitnih porušitev pregrad. Rezultati tovrstnih simulacij so uporabni za povečanje poplavne varnosti na območjih, ki so poplavno ogrožena in kjer bi lahko porušitveni valovi povzročili veliko materialno škodo ter ogrozili življenja ljudi. Poleg toka vode pa je za pravilno upravljanje s hidroelektrarnami zelo pomembno poznati tudi transport plavin, predvsem v akumulacijah hidroelektrarn. Naš omenjeni SPH model omogoča tudi simulacije tovrstnih pojavov. Dobro sodelovanje s sofinancerji nam omogoča hiter pretok informacij z univerze v prakso. Ta izmenjava izkušenj in znanja med izobraževalno organizacijo ter organizacijami iz gospodarstva (sofinancerji) je zelo pomembna, saj nam omogoča dostop do informacij o praktičnih primerih, s pomočjo katerih lahko umerimo svoje lastne modele. Umerjen in preverjen model pa je vsekakor dobro orodje za simulacije obratovanja hidroenergetskih objektov. Naša raziskovalna skupina se je kot prva slovenska skupina vključila v združenje SPHERIC, kar nam omogoča sodelovanje z vrhunskimi raziskovalci metode SPH. Sodelovanje na delavnicah in konferencah, ki jih organizira združenje SPHERIC, pa vsekakor dobro vpliva na našo promocijo. Predstavitev naših dosežkov pred vrhunskimi strokovnjaki nam namreč omogoča večjo prepoznavnost našega raziskovalnega dela, kar nam je že in nam bo upamo tudi v bodoče omogočalo mednarodno sodelovanje z drugimi priznanimi inštitucijami, ki se ukvarjajo z razvojem metode SPH.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
