Hidrológiai Közlöny, 2017 (97. évfolyam)
2017 / 4. szám - SZAKMAI CIKKEK - Fleit Gábor - Baranya Sándor: 3D numerikus modell igazolása komplex szabadfelszínű áramlások vizsgálatára
44 Hidrológiai Közlöny 2017. 97. évf. 4. sz. figyelemreméltó a számított szabadfelszín részletgazdagsága, mely valószínűsíti a mérési eredmények hiányában ellenőrizhetetlen modellezett áramlási sebességtér pontosságát is. Az eredmények tükrében tehát kijelenthető, hogy az alkalmazott számítógépes modell a bemutatott áramlási feladat stabil numerikus kezelésére alkalmas, továbbá, hogy ilyen egyszerű geometriájú környezetben kialakuló komplex áramlástani jelenségek (áramló-rohanó átmenet, hullámsor a rohanó szakaszon) is kielégítő pontossággal megjelennek a megoldásban. Ilyen és ehhez hasonló jellegű, valós folyószabályozási műtárgyak tervezésénél még napjainkban is gyakori az anyagi- és időigény szempontjából is költséges kisminta modellezés, melyek kiváltására tehát jó alternatívát jelenthet a bemutatott (vagy ahhoz hasonló) naprakész numerikus módszereket alkalmazó számítógépes hidrodinamikai modell. Híd körüli áramlás A harmadik mintaalkalmazás szintén egy folyómérnöki problémából merít, melyben egy sematikus, nagyvízi állapotban víz alá kerülő hídszerkezet környezetében kialakuló turbulens áramlás részletes számítógépes modellezését végeztük el. Ilyen esetben igen összetett áramlás alakul ki a szerkezet körül: a hídfő és a felszerkezet meghá- gása esetén bukó feletti áramlásról, míg a hídpálya alatt nyomás alatti áramlásról beszélhetünk. A nyomás alatti áramlás következtében a hídpillérek körül közismerten kialakuló patkóörvények (Das és társai 2013) hatásánál többször intenzívebb eróziós erők alakulhatnak ki, mely a szerkezet stabilitását is fokozottabban veszélyeztetheti (Jones és társai 1993). A számítógépes modell laboratóriumi kisminta kísérletek (Kara és társai 2015) alapján került felépítésre és ellenőrzésre. A számítási tartomány, illetve a híd geometriájának jellemző méreteit az 5. ábra szemlélteti. Az ábra alsó felén feltüntettük azt a két hossz- illetve öt keresztirányú metszetet, melyek mentén a szabadfelszín helyzete rögzítésre került a fizikai kísérletek során, és amiket így a számítógéA számítási eredmény jó egyezést mutat a fizikai kísérlettel, a LES modell képes a híd alvizén kialakuló, modellezési szempontból kritikus vízugrás reprodukálására, mely tovább hangsúlyozza az alkalmazott numerikus eszköz robosztusságát és a LSM relevanciáját a vízmémöki gyakorlatban előforduló szabadfelszínszámítási problémák megoldásában. Nagy örvény szimuláció esetén pes modell verifikálására használhattunk. A számítási tartomány méretei 1,60 m hosszú x 0,30 m széles x 0,15 m magasra adódtak, mely az alkalmazott 2,5 mm-es cellamérettel hozzávetőleg 4,5 millió elemből álló számítási rácshálót eredményezett. A bemeneti perem típusa - az előző feladathoz hasonlóan - 0=8,5 1/s-os konstans vízhozamként lett definiálva, míg a kifolyásánál állandó vízszintet írtunk elő (zkf=0,09 cm). A híd közvetlen környezetében kialakuló összetett áramlás olyan háromdimenziós struktúrákat eredményez, melyek pontos reprodukálása már a kétegyenletes, Reynolds-átlagolt turbulencia modellek alkalmazhatóságának határait súrolja (Lee és társai 2010), így vizsgálatainkat LES modellel végeztük, mely egy lépéssel közelebb visz a valós fizikai probléma diszkrét numerikus megoldásához. A pillanatnyi modelleredmények kvalitatív kiértékelését szolgálja a 6. ábra, melyen a szimuláció és a laboratóriumi kísérletek során készített fénykép összehasonlítása látható. 5. ábra. Számítási tartomány axonometrikus nézetben és a szerkezet méretei milliméterben (fent); a számítási tartomány feliilnézete, jellemző méretekkel (milliméterben), valamint az ellenőrző metszetek Figure 5. Axonometrie view of the computational domain with the main dimensions of the structure in mm (above); plan view of the computational domain with its dimensions (in mm), and the location of the free surface measurements ahogy az már korábban ismertetve lett - a Reynolds-átlagolt turbulencia modellezéssel ellentétben nem időátlagok eredményt kapunk, hanem a megoldásban közvetlenül megjelennek a nagyobb örvényekhez köthető turbulens fluktuációk, illetve az örvények maguk is, melyek természetesen kihatnak a szabadfelszín pillanatnyi helyzetére is. A számított eredményeket ezért 100, egymást 0,1 6. ábra. Nagy örvényszimulációs, pillanatnyi számítógépes eredmény (balra) összevetése a laboratóriumi kísérletek során készített fényképpel (jobbra) Figure 6. Comparison of instantaneous large eddy simulation results (left) and a photograph taken during the laboratory experiments
