Einführung und Kupplung

Terminologie¶

Eine hydromorphodynamische Simulation impliziert die Modellierung von abgefahrenen **Sediment transport-Prozessen. Die bisherigen Abschnitte in diesem eBook konzentrieren sich auf die Hydrodynamik, die als * die Untersuchung von Flüssigkeiten in Bewegung definiert ist, und dieser Abschnitt konzentriert sich auf morphodynamik definiert als ** die Untersuchung von zeitabhängigen Veränderungen der Formen von Alluvialbetten und deren zugrunde liegenden Vorgänge.

Sediment Transport Moden¶

TELEMAC verfügt über ein dediziertes Modul namens Gaia zur Modellierung von Morphodynamik. Gaia ermöglicht die Modellierung des Sedimenttransports und der morphologischen Evolution (d.h. Topographic change) in Flüssen, Seen und Mündungen. Es kommt mit besonderen Routinen, um eine spatio-temporale Variation der Korngrößen, Grading-Kurven und Flussbettschichtung zur Simulation des Sedimenttransports in Form von *Bedload (Koarse-Sediment) und/oder *Suspended load (Endsediment) zu betrachten. Bedload wird durch Lösen von semi-empirischen Gleichungen, wie die FormelMeyer-Peter & Müller (1948) berechnet. Suspended load ist modelliert durch die Lösung der Advection-Diffusion-Gleichungen (typischerweise die RANS-Form), die Verschlüsse für Sedimenterosion und Depositionsflüsse erfordern. Figure 1 illustriert qualitativ die beiden Grundmodi des Sedimenttransports in Form von Hängelast und Bettlast. Ob ein Partikel in Suspension oder als Beladung transportiert wird, kann auch durch Berechnung der Rouse number bestimmt werden.

Sediment is further distinguished between very fine, cohesive sediment and coarser, non-cohesive sediment. In addition, Gaia accounts for bed evolution through an iterative solution of the Exner equation Exner, 1925 for mass conservation.

Die Rekrutierung von Sedimenten für Schwebelast- und Beladungstransporte erfordert einen detaillierten Blick auf das Flussbett, das später im Abschnitt über die Definition von the riverbed composition and the active layer vorgelegt wird.

Kupplung TELEMAC und Gaia¶

Das Morphodynamikmodul Gaia kann intern *gekoppelt mit den hydrodynamischen Modellen Telemac2d (Auflösung der Shallow water equations) oder Telemac3d (Auflösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes (RANS) equations) sein. Dieser Abschnitt erklärt die Arten der Kupplung Telemac2d/Telemac3d (Hydrodynamik) mit Gaia (morphodynamik).

Von Sisyphe nach Gaia¶

Sisyphe ist das traditionelle Sedimenttransportmodul in TELEMAC, das weitgehend durch das einheitlichere Gaia-Modul ersetzt wurde. Gaia basiert auf dem historischen Modul SISYPHE, mit einer Vielzahl von Verbesserungen, Korrekturen und Optimierungen implementiert. Gaias einheitlicher Rahmen verwaltet effizient verschiedene Sedimentklassen, Sand-Mud-Gemische und sowohl 2D- als auch 3D-Raumdimensionen. Um Spezifikationen über die hier vorgestellten Features in der TELEMAC-Dokumentation und dem TELEMAC-Forum zu erhalten, ist es nützlich, das SISYPHE-Erbe zu kennen. SISYPHE-Routinen sind noch in den letzten TELEMAC-Versionen über Gaia verfügbar, obwohl einige Keywords Anpassungen erfordern. Lesen Sie mehr in der Gaia manual in Anlage 8.1 und in der gaia.dico (telemac/v9.0.0/sources/gaia/gaia.dico)

Kupplung Hydrodynamik (Telemac2d/3d) und Morphodynamik (Gaia)¶

Ein hydromorphodynamisches Zahlenmodell kann entweder voll gekoppelt oder ** entkoppelt* sein.

Vollgekoppeltes Modell

Ein vollgekoppeltes Modell löst die hydrodynamische Navier-Stokes equations gleichzeitig mit Sedimenttransportgleichungen (d.h. Erosion und Abscheidungsfluss von und zum Flussbett über die Exner equation). Bed Elevation (d.h. Topographic change) wird für jeden Zeitschritt berechnet, was zu long Berechnung Zeiten führt. Neben der Kopplung der Schwerkraft-getriebenen Hydrodynamik (d.h. der Schüttung entlang Talhängen), Sediment transport und Topographic change kann ein Modell auch mit (Oberflächen-)Wellenhydrodynamik gekoppelt werden.

Anwendungsbereich: Schnelle morphodynamische Prozesse, wie hyperkonzentrierte sedimentbeladene Strömungen oder Trümmerfluss.

Entkoppeltes Modell

Ein entkoppeltes Modell wechselt zwischen der Lösung von Hydrodynamik und Morphodynamik (d.h. der Exner equation). Das Flussbett wird bei der Berechnung hydrodynamischer Größen als fest angesehen, und dann werden Betthöhenänderungen getrennt nach dem berechneten Strömungsfeld berechnet. Dieser asynchrone Ansatz ist rechnerisch effizienter als die volle Kupplung.

Anwendungsbereich: Die meisten Flussmodelle, insbesondere See- oder Ozeanmodelle, bei denen morphodynamische Zeitskala viel länger sind als hydrodynamische Zeitskala.

Gaia folgt dem ** entkoppelten* Ansatz. Der für die morphodynamische Berechnung verwendete Zeitschritt ist der gleiche wie für Hydrodynamik (in der Telemac2d- oder Telemac3d-Lenkdatei angegeben). Zu jedem Zeitpunkt werden Hydrodynamik zunächst mit dem eingefrorenen Bett gelöst, dann werden die Sedimenttransportgleichungen und die Bettentwicklung (Exnergleichung) basierend auf dem berechneten Strömungsfeld gelöst.

Anforderungen an die Coupling Gaia¶

Neben den standardmäßigen Telemac2d-Lenkungs-, Begrenzungs- und Geometrie-Mesh-Dateien erfordert die Kopplung der Hydrodynamik mit Gaia eine neue Steuerungsdatei (*.cas) die in der Hauptlenkungsdatei der Simulation referiert werden muss. Zu diesem Zweck erstellen Sie ** einen neuen Ordner für das Gaia Tutorial** (z.B. /gaia2d-tutorial/), kopieren Sie die dry-initialized steady2d simulation and results files (oder klonen Sie das gaia2d-tutorial repository) und ** erstellen Sie eine neue Gaia-Lenkdatei** (z.B. gaia-morphodynamics.cas). So sollten die folgenden Dateien im Modellierungsordner für dieses Tutorial leben:

• Das Rechennetz in Form von qgismesh.slf.

• Die Randdefinitionen in Form von boundaries.cli.

• The results of the dry-initialized steady 2d model run for 35 m$^3$/s in the form of r2dsteady.slf (dry steady run ending at T=15000).

• Eine Telemac2d-Lenkungsdatei für dieses Tutorial, die auf der trocken-initialisierten stationären 2d-Lenkungsdatei erstellt und steady2d-gaia.cas.

• Die neue gaia-morphodynamics.caslenkdatei.

Paar Gaia in der Hydrodynamik Lenkungsdatei¶

Um die Kopplung von Gaia mit einer Telemac2d/Telemac3d-Simulation programmatisch umzusetzen, müssen zusätzlich zu den in der steady2d chapter erläuterten Keywords ein paar neue Keywords definiert werden. Das erste zusätzliche Keyword ist die Basis für jede Kopplung mit Telemac2d oder Telemac3d Lenkdatei:

/ steady2d-gaia.cas
COUPLING WITH : 'GAIA'

Darüber hinaus verlinkt das GAIA STEERING FILE Keyword die oben erstellte gaia-morphodynamics.cas in der hydrodynamischen Steuerungsdatei Telemac2d (oder Telemac3d):

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
GAIA STEERING FILE : gaia-morphodynamics.cas

Hotstart¶

Dieses Tutorial baut auf den Ergebnissen der dry-initialized steady2d model, da Gaia-Simulationen typischerweise ein gut entwickeltes Flussfeld als Anfangsbedingung benötigen (siehe above definitions). Die Verwendung eines früheren Simulationsergebnisses zur Modell initialisation wird hotstart genannt, was eine Ergebnisdatei aus einer vorherigen Simulation erfordert. Zu diesem Zweck stellen Sie sicher, dass die trocken-initialisierte stetig2d-Ergebnisse-Datei im Simulationsordner ist (download r2dsteady.slf). Dann definieren Sie den Hotstart in der Telemac2d-Lenkdatei mit den folgenden Keywords:

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
PREVIOUS COMPUTATION FILE : r2dsteady.slf / results of 35 CMS steady simulation
INITIAL TIME SET TO ZERO : YES / avoid restarting at 15000

Das INITIAL TIME SET TO ZERO Keyword setzt die Simulationszeit auf 0. Als nächstes stellen Sie sicher, dass alle INITIAL CONDITIONS Keywords mit einem / kommentiert werden (alternativ löschen Sie diese Zeilen von stationären2d-gaia.cas):

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
/ INITIAL CONDITIONS - not required (hotstart)
/ ------------------------------------------------------------------
/ INITIAL CONDITIONS : 'ZERO DEPTH' / use ZERO DEPTH to start with dry model conditions
/ INITIAL DEPTH : 0.005 / use INTEGER for speeding up calculations

Die trocken-initialisierte Lenkdatei verschreibt Fliessraten und Erhebungen, die Modifikationen in stationär2d-gaia.cas*** nur auf ** verschreibt. Der Grund für die Q-only-Verschreibung ist, dass wir mit Gaia modellbedingte Veränderungen in Wassertiefen und Flussbett-Höhe wollen, was bedeutet, dass die Wasseroberflächen-Höhe nicht als Randbedingung eingeschränkt werden darf (d.h. nicht vorgeschrieben). So erfordert die Einrichtung von Randbedingungen für Gaia auch leichte Änderungen der (*.cli) Datei(en), die im nächsten Abschnitt auf der Basic Setup of Gaia erläutert werden. Zu diesem Zweck stellen Sie sicher, dass in der Hydrodynamik-Lenkdatei ** nur das fließfähige verschreibungspflichtige Keyword aktiviert* und die Höhenverschreibung deaktiviert wird (mit /):

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
/ Liquid boundaries
PRESCRIBED FLOWRATES  : 35.;35.
/ PRESCRIBED ELEVATIONS : 374.805626;371.33

Kontrollabschnitte¶

Steuerungsabschnitte sind Sequenzen von Knotennummern (oder Knotenkoordinaten), an denen TELEMAC Flußmittel z.B. zur Überprüfung von Zu- und Abflussmassenbilanzen zusammensetzt. Der unruhige Simulationsabschnitt enthält detaillierte Anweisungen für defining control sections und dieses Tutorial verwendet die Datei Control-Abschnitte aus der unruhigen Simulation (download control-sections.txt).

# control sections steady2d
2 -1
Inflow_boundary
144 32
Outflow_boundary
34 5

Um die Steuerabschnitte für die Gaia-Simulation zu verwenden, fügen Sie folgendes zur Hydrodynamik-Lenkdatei hinzu:

/ steady2d-gaia.cas
/ ...
SECTIONS INPUT FILE :  control-sections.txt
SECTIONS OUTPUT FILE : r-control-flows.txt

So wird das Nachlaufen der Simulation die Flussmittel über die beiden definierten Steuerabschnitte in eine Datei namens r-control-flows.txt schreiben.

Hydrodynamische Lenkung Zusammenfassung¶

Mit den obigen Anpassungen und mit einer Simulationslänge von 30000Zeitschritten (um die morphodynamische Evolution zu beobachten) mit einer grafischen Ausdruckzeit jeder 5000Zeitschritte (um die Ausgabedateigröße zu reduzieren) sollte die endgültige hydrodynamische Lenkdatei so aussehen:

/ steady2d-gaia.cas
/
TITLE : 'gaia2d steady'
/
/ HOTSTART - continuation is automatic when PREVIOUS COMPUTATION FILE is specified (v9.0+)
PREVIOUS COMPUTATION FILE : r2dsteady.slf / here - 35 CMS initialization after t 15000
INITIAL TIME SET TO ZERO : YES / avoid restarting at 15000
/
COUPLING WITH : 'GAIA'
GAIA STEERING FILE : gaia-morphodynamics.cas
/
/ DEFAULTS FROM STEADY2D
/
/------------------------------------------------------------------/
/     COMPUTATION ENVIRONMENT
/------------------------------------------------------------------/
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE            : qgismesh.slf
RESULTS FILE           : r2dsteady-gaia.slf
/
MASS-BALANCE : YES / activates mass balance printouts - does not enforce mass balance
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : U,V,H,S,Q,F / Q enables boundary flux equilibrium controls
/
/ CONTROL SECTIONS
SECTIONS INPUT FILE :  control-sections.txt
SECTIONS OUTPUT FILE : r-control-flows.txt
/
/------------------------------------------------------------------/
/     GENERAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
TIME STEP : 1.
NUMBER OF TIME STEPS : 30000
GRAPHIC PRINTOUT PERIOD : 5000
LISTING PRINTOUT PERIOD : 5000
/
/------------------------------------------------------------------/
/     NUMERICAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
/ General solver parameters from section 7.1
DISCRETIZATIONS IN SPACE : 11;11
FREE SURFACE GRADIENT COMPATIBILITY : 0.1  / default 1.
ADVECTION : YES
/
/ FINITE ELEMENT SCHEME PARAMETERS - section 7.2.1 in the manual
/------------------------------------------------------------------
TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM : 2 / default is 2 - use 1 to avoid smoothened results
SCHEME FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 14 / alternatively keep 1
SCHEME FOR ADVECTION OF TRACERS : 5
SCHEME FOR ADVECTION OF K-EPSILON : 14
IMPLICITATION FOR DEPTH : 0.55 / should be between 0.55 and 0.6
IMPLICITATION FOR VELOCITY : 0.55 / should be between 0.55 and 0.6
IMPLICITATION FOR DIFFUSION OF VELOCITY : 1. / v9p0 default
IMPLICITATION COEFFICIENT OF TRACERS : 0.6 / v9p0 default
MASS-LUMPING ON H : 1.
MASS-LUMPING ON VELOCITY : 1.
MASS-LUMPING ON TRACERS : 1.
/ MASS-LUMPING FOR WEAK CHARACTERISTICS : 1. / enabling leads to weak characteristics
SUPG OPTION : 0;0;2;2  / classic supg for U and V
/
/ SOLVER
/------------------------------------------------------------------
INFORMATION ABOUT SOLVER : YES
SOLVER : 1
/
/ TIDAL FLATS  - see section 7.5
TIDAL FLATS : YES
CONTINUITY CORRECTION : YES / default is NO
OPTION FOR THE TREATMENT OF TIDAL FLATS : 1
TREATMENT OF NEGATIVE DEPTHS : 2 / value 2 or 3 is required with tidal flats - default is 1
/
/ MATRIX HANDLING - see section 7.6
MATRIX STORAGE : 3 / default is 3
/
/ BOUNDARY CONDITIONS
/------------------------------------------------------------------
/
LAW OF BOTTOM FRICTION : 4 / 4-Manning
FRICTION COEFFICIENT : 0.03 / Roughness coefficient
/
/ Liquid boundaries
PRESCRIBED FLOWRATES  : 35.;35.
/ PRESCRIBED ELEVATIONS : 374.805626;0.
/
/ Type of velocity profile can be 1-constant normal profile (default) and (cli) 4-vector is proportional to root (water depth, only for Q)
VELOCITY PROFILES : 4;1
/
/ INITIAL CONDITIONS - not required (hotstart)
/ ------------------------------------------------------------------
/ INITIAL CONDITIONS : 'ZERO DEPTH' / use ZERO DEPTH to start with dry model conditions
/ INITIAL DEPTH : 0.005 / use INTEGER for speeding up calculations
/
/ STABILITY CONTROLS
/ ------------------------------------------------------------------
PRINTING CUMULATED FLOWRATES : YES
/
/------------------------------------------------------------------/
/     TURBULENCE
/------------------------------------------------------------------/
/
DIFFUSION OF VELOCITY : YES / default is YES
TURBULENCE MODEL : 3
/
&ETA