Hidrológiai Közlöny, 2017 (97. évfolyam)
2017 / 4. szám - SZAKMAI CIKKEK - Fleit Gábor - Baranya Sándor: 3D numerikus modell igazolása komplex szabadfelszínű áramlások vizsgálatára
45 Fleit G. és Baranya S.: 3D numerikus modell igazolása komplex szabadfelszínű áramlások vizsgálatára másodpercre követő időpillanatra átlagoltuk, hogy a mo- delleredmények összevethetők legyenek a laboratóriumban mért felszíngörbékkel, melyek rögzítésénél értelemszerűen hasonló módon kellett eljárni. A számított és időátlagolt, valamint a mért vízfelszín profilok összevetését mutatja be a 7. ábra. A profilokat jó összevethetőség érdekében a laboratóriumi mérésekkel megegyezően vettük fel, ahogy azt az 5. ábrán már bemutattuk. Az előző, bukó feletti áramlást vizsgáló példához hasonlóan a modell a jelen feladatnál is jó pontossággal becsli a műtárgy felvízi oldalán kialakuló vízszintet, vagyis a szerkezet víz alá kerülése következtében kialakuló visszaduzzasztást („A” és „B” jelű profilok). A híd közvetlen alvizén kialakuló nagy felszíngradiens szintén helyesen jelenik meg a számított eredményekben. A hidrodinamikai modellezés szempontjából kritikus vízugrás, illetve a vízugrást követő hullámsor láthatóan nem csak jellegét tekintve jelenik meg, ahogy azt már a 6. ábrán bemutattuk, de a szimulált hullámsor fázisát és amplitúdóit tekintve is jó egyezést mutat a kísérleti eredményekkel. A híd körül kialakuló összetett áramlás hatása nemcsak hossz-, de keresztirányú értelemben is összetett szabadfelszínt eredményez („a”-„e” jelű profilok). A kisbetűkkel jelölt profilokat szemléltető ábrarészeken megfigyelhető, hogy a felépített LES modell a markánsabb vízfelszín egyenlőtlenségeken (vízugrás, hullámsor) túlmenően, a bukó feletti kritikus áramlási állapotú szakaszon kialakuló egészen finom különbségeket is nagy pontossággal képes reprodukálni. A vízfelszín ilyen kis léptékű változásainak leképzése numerikus modellezési szempontból messze nem triviális, a napjainkban még mindig széles körben használt, egyszerűbb szabadfelszínszámítási módszereket alkalmazó áramlási modellekkel (pl. SSIIM, Delft-3D) ilyen részletesség elérésére hasonló térbeli felbontás mellett sincs lehetőség. Fontos azonban megjegyezni, hogy nagyobb léptékű vizsgálatok (pl. folyószakaszok modellezése) esetén - ahol ezek a modelleszközök tipikusan használatosak - nem is igen fordul elő ilyen összetett, és gyorsan változó felszínalak, így a nyomásgradiensek pontos numerikus leképzése sem igényli az itt bemutatott többfázisú leírásmódot. Műtárgyak környezetében azonban a pontos szabadfelszín számítás már kulcsfontosságúvá válik, mivel a vízszintek alakulása szoros kölcsönhatásban van a kialakuló áramlási sebességmezővel, vagyis amíg az alkalmazott modelleszköz nem képes az előbbit jó pontossággal reprodukálni, addig nem remélhetjük utóbbi helyességét sem. A pontos áramlási megoldás azonban alapvető a műtárgyhidraulikai vizsgálatok esetén, az ugyanis meghatározza a műtárgyat érő erőhatásokat, valamint a helyi gyorsulások és örvények hatására kialakuló medereróziós hatásokat is nagyban befolyásolja. érzékenységéről is. Az egyes tesztfeladatokat a jelen tanulmányban ismertetetteknél kétszer durvább hálófelbontással is lefuttattuk, mely a műtárgyak felvizén kialakuló duzzasztott vízszintek pontosságán - mint kulcskérdés — nem rontott, azonban a részletesebb, finomabb térléptékű felszínegyenlőtlenségek (pl. hullámsor, vízugrás) nem, vagy nem pontosan jelentek meg a megoldásban. Prototípus léptékű vizsgálatok esetén értelemszerűen a léptékkel arányosan növelhető a felbontás, azonban az előbb leírtak tükrében rácshálóérzékenység vizsgálat mindenképp ajánlott. Ugyan az adaptív idő lépés hozzájárul a számítások gyors elvégzéséhez, az explicit megoldó miatt mégis komoly számítási kapacitás, illetve idő szükséges futtatásokhoz: az első mintafeladat néhány másodperce közel egy napot vett igénybe egy 4 magos személyi számítógépen, míg a második és harmadik példa (kb. 2-3 perc szimulációs idő) szuperszámítógépi környezetben 2x6 magon is több napig tartott. 04 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 Profit c Profil d Profil e 0.1 i-----------—| n1 0.1 005---------------------- 0.05 0.05 • Mért 0--------------------J o 0------Modellezett (LES) 0 0.1 0.2 0.3 0 0.1 0.2 0.3 0 0.1 0.2 0.3 y lmJ 7. ábra. Mért és modellezett szabadfelszín profilok összehasonlítása a két hosszirányú (A, B) és az öt keresztirányú (a, b, c, d, e) metszetben Figure 7. Comparison of measured and modelled free surface profiles in the two longitudinal (A,B) and the five transversal (a, b, c, d, e) slices ÖSSZEFOGLALÁS A bemutatott háromdimenziós numerikus modell egy, a jelenlegi legkorszerűbb numerikus matematikai és hidrodinamikai módszerekre épülő ingyenes és nyílt forráskódú áramlási modell, mely így bárki számára elérhető és használható. Ugyan a modelleszköz az óceán- és vízmémöki szakterületek széles spektrumán előforduló áramlástani és hordalékmozgási feladatok megoldására kínál lehetőséget, jelen tanulmány keretein belül főleg folyómémöki szempontból releváns mintapéldákon keresztül mutattuk be a szoftver alkalmazhatóságát és képességeit. A teljesség kedvéért megjegyezzük, hogy a számítógépes szimulációkat Reynolds-átlagolt turbulencia modellezéssel {k-w) is elvégeztük, hogy feltárjuk a két leírásmód közötti különbségeket az áramlási sebességek statisztikai jellegű összehasonlításával, azonban jelen tanulmány céljából adódóan ezeket az eredményeket itt nem közöljük. A három bemutatott mintaalkalmazás kapcsán fontos említést tenni az eredmények rácsháló felbontására való A modell többfázisú rendszerek modellezésére alkalmas, így már egyszerűbb feladatok esetén is megoldásra kerül nemcsak a folyadék, de a levegő fázis hidrodinamikai állapota is, ami maga után vonja a fázisok közti szabadfelszín helyzetének meghatározását, mint kulcsfontosságú feladatot. Az alkalmazott modell a level set method- ot alkalmazza erre a célra, melynek relevanciáját a többi, szélesebb körben alkalmazott módszer (pl. VOF) között már az első, gátszakadásos mintafeladat is jól illusztrálta.
