Hidrológiai Közlöny, 2017 (97. évfolyam)
2017 / 4. szám - SZAKMAI CIKKEK - Fleit Gábor - Baranya Sándor: 3D numerikus modell igazolása komplex szabadfelszínű áramlások vizsgálatára
46 Hidrológiai Közlöny 2017. 97. évf. 4. sz. A folyómémöki gyakorlatban a tavi vagy tengeri feladatokkal ellentétben az áramló mellett gyakran megjelenik a rohanó vízmozgás is, továbbá szükségszerűen az ezek közti átmenetek is, melyek számítógépes modellekben történő leképzése még napjainkban is komoly kihívást jelent. Ilyen viszonyok jellemzően vízmémöki műtárgyak (pl. zsilipek, bukók, surrantok) környezetében alakulnak ki és méretezési szempontból kulcsfontosságúak. Tervezési szempontból mértékadó lehet pl. a rohanó szakasz(ok) hossza, vagy a vízugrás(ok) helye és/vagy hossza, melyek számszerűsítését hagyományosan tapasztalati összefüggések, vagy fizikai kisminta modellezés útján hajtanak végre. Utóbbi idő- és anyagi szempontból is költséges, továbbá a mérési eredmények prototípus léptékre történő átszámítása terhelt a léptékhatás hibáival is {Heller 2011). A második tesztfeladaton keresztül bemutattuk, hogy a modell alkalmas a rohanó áramlás és az áramló-rohanó átmenet reprodukálására, továbbá hogy a műtárgy alvizi oldalán, a rohanó áramlású szakaszon kialakuló finomabb térléptékű hullámsor is megfelelő fázissal és amplitúdóval jelenik meg a megoldásban. A folyókba épített különböző szerkezetek, pl. hidak közvetlen környezetében jelentősen megnövekszik a turbulencia, olyan örvények és háromdimenziós áramlási struktúrák jelennek meg, melyek numerikus reprodukálása túlmutathat a Reynolds-átlagolt turbulencia modellezés alkalmazhatóságán, fejlettebb eljárások alkalmazandók. Az utolsó, víz alá kerülő híd körüli áramlást vizsgáló tesztfeladatban egy erősen háromdimenziós áramlás numerikus vizsgálatát végeztük el, ahol a pontos eredmények nem csak a szabadfelszín, de a turbulencia megfelelő kezelését és modellbeli leképezését is megkövetelte. Bemutattuk a valós áramlási viszonyokhoz egy lépéssel közelebb vivő nagy örvény szimulációt, illetve relevanciáját ilyen komplex hidrodinamikai jelenség modellezésében. A LES mo- delleredmények időátlagolásával kapott, mért értékekkel összevethető eredmények kielégítőek: a kialakuló összetett szabadfelszínt, a híd alvizi oldalán megjelenő hullámsort és a rohanó-áramló átmentet (vízugrás) is nagy pontossággal becsli a modell, továbbá a finomabb léptékű, keresztirányú felszínprofilok is jó egyezést mutatnak a kísérleti eredményekkel. A bemutatott eredmények kivétel nélkül alátámasztják a bemutatott modell, illetve általánosságban a modem numerikus modelleszközök alkalmazhatóságát részletes, műtárgyhidraulikai vizsgálatokhoz kapcsolódó feladatok megoldásában, melyek gyorsabb és olcsóbb (különösen ingyenes szoftver esetén) alternatívát jelenthetnek a klasszikusan alkalmazott fizikai kisminta-modellezéssel szemben. Hangsúlyozzuk azonban, hogy a két modellezési eljárás együttes alkalmazása biztosíthatja a legmegbízhatóbb eredményeket, hiszen így a csak egyik módszerre jellemző hibák (pl. numerikus vagy diszkretizációs hiba; léptékhatás) a másikkal kiküszöbölhetők, az eredmények ezek tükrében felülvizsgálhatók. Egy laboratóriumi kísérletek alapján igazolt numerikus modell azonban már megbízhatóan alkalmazható lehet pl. különböző tervvariánsok gyors és hatékony - akár párhuzamosan futó - kiértékelésére, mely laboratóriumi körülmények közt komoly építési- és mérési időigényt jelentene. A bemutatott modell egy további fontos előnye, hogy az áramlástani vizsgálatokon túlmenően megfelelő paraméterezés és modelligazolás után alkalmas lehet az áramlás-mederfenék kölcsönhatás leírására, a hordalék felkeveredésének, vándorlásának és kiülepedésének szimulációjára is. Ennek köszönhetően tudományos célként a helyi léptékű morfodinamikai vizsgálatok is megfogalmazódhatnak, amelynek kiemelt szerepe lehet a jövőben mérnöki beavatkozások müszaki-ökológiai-gazdasági vizsgálatainál. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A fenti eredményeket aTÁMOP-4.2.2.B-10/l--2010-0009 projekt támogatta. A cikk az Emberi Erőforrások Minisztériuma ÚNKP-16-2-I. kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatásával készült. A második szerző továbbá köszönetét fejezi ki a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíj támogatásáért. IRODALOMJEGYZÉK Baranya S., Goda L., Józsa./., Rákóczi L. (2008). Complex hydro- and sediment dynamics survey of two critical reaches on the Hungarian part of river Danube. IOP Conference series: Earth and Environmental Science, 4:(1) Paper 012038. 13p. Baranya S., Józsa J. (2009). Morphological Modeling of a Sand-bed Reach in the Hungarian Danube. In: Proc. 33 th IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, Canada, 2009, pp.3680-3687. Baranya S., Olsen N. R. B., Stoesser T, Sturm T. W. (2013). A nested grid based CFD model to predict bridge pier scour. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management, 167:(5)pp. 259-268. Bihs H., Kamath A., Chella M. A., Aggarwal A., Arn- sten 0. A. (2016). A new level set numerical wave tank with improved density interpolation for complex wave hydrodynamics. Computers and Fluids, 140:191-208. Chorin A. (1968). Numerical solution of the Navier- Stokes equations. Math. Comput., 22(745). Das .S'., Das R., Mazumdar A. (2013). Circulation characteristics of horseshoe vortex in scour region around circular piers. Water Science and Engineering, 6(l):59-77. CungeJ. A., Holly F. M., Verwey A. (1980). Practical aspects of computational river hydraulics. Pitman Advanced Publishing Program, (ISBN-13: 978-0273084426). Dottori F., Salamon P., Bianchi A., Alfieri L., HirpaF. A. (2016). Development and evaluation of a framework for global flood hazard mapping. Advances in Water Resources. 94:87-102. Fleit G. (2016). Komplex szabadfelszínű áramlások numerikus modellezése. Hidrológiai Tájékoztató, 2016:13-14. Gottlieb S., Shu C.-W. (1998). Total variation diminishing Runge-Kutta schemes. Mathematics of Computation, 61 (221): 73 -85. Heller V. (2011). Scale effects in physical hydraulic engineering models. Journal of Hydraulic Engineering, 49(3):293-306. Hirt C„ Nichols B. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39:201-225.
