Steady 2d

Erste Schritte¶

Dieser Abschnitt baut auf der SELAFIN (*.slf) Geometrie und den Conlim (*.cli) Randbedingungsdateien auf, die sich aus der TELEMAC pre-processing tutorial ergeben. Beide Dateien können auch aus dem Zusatzmaterial-Repository dieses eBook heruntergeladen werden:

• Download qgismesh.slf (Verwendungen EPSG:32633 - ETRS 89 / UTM-Zone 33N).

• Abrufgrenzen.cli.

Betrachten Sie, beide Dateien in einem neuen Ordner zu speichern, wie /steady2d-tutorial/, die alle Modelldateien enthalten.

Steering File (CAS)¶

The steering file has the file ending *.cas (presumably derived from the French word cas, which means case in English). The *.cas file is the main simulation file with information about references to the two always mandatory files (i.e., the SELAFIN *.slf geometry and the *.cli boundary files) and optional files, as well as definitions of simulation parameters. The steering file can be created or edited with a basic text editor or advanced GUI software such as Fudaa PrePro or BlueKenue. This tutorial uses a basic text editor (e.g., Notepad++ on Windows).

Für dieses Tutorial erstellt ** eine neue Textdatei** im gleichen Ordner, in dem qgismesh.slf und boundaries.cli leben und benannt sie z.B. steady2d.cas (z.B. /steady2d-tutorial/steady2d.cas). Die nächsten Abschnitte führen durch Parameterdefinitionen, die aus dem Telemac2d manual. Die finale Lenkdatei kann aus dem Zusatzmaterial-Repository heruntergeladen werden (download stationären2d.cas).

Übersicht der CAS-Datei¶

Das folgende Feld zeigt die bereitgestellte steady2d.cas-Datei, die für die Ausführung dieses Tutorials verwendet werden kann.

/---------------------------------------------------------------------
/ TELEMAC2D
/ STEADY HYDRODYNAMICS TRAINING
/---------------------------------------------------------------------

/ steady2d.cas
/------------------------------------------------------------------/
/			COMPUTATION ENVIRONMENT
/------------------------------------------------------------------/
TITLE : '2d steady'
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE            : qgismesh.slf
RESULTS FILE           : r2dsteady.slf
/
MASS-BALANCE : YES / activates mass balance printouts - does not enforce mass balance
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : U,V,B,H,S,Q,F / Q enables boundary flux equilibrium controls, B required for gaia (optional)
/
/------------------------------------------------------------------/
/			GENERAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
TIME STEP : 1.
NUMBER OF TIME STEPS : 15000
GRAPHIC PRINTOUT PERIOD : 200
LISTING PRINTOUT PERIOD : 100
/
/------------------------------------------------------------------/
/			NUMERICAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
/ General solver parameters
DISCRETIZATIONS IN SPACE : 11;11
FREE SURFACE GRADIENT COMPATIBILITY : 0.1  / default 1.
ADVECTION : YES
/
/ STABILITY CONTROLS
PRINTING CUMULATED FLOWRATES : YES
/
/ FINITE ELEMENT SCHEME PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------
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. / v8p4 default
IMPLICITATION COEFFICIENT OF TRACERS : 0.6 / v8p4 default
MASS-LUMPING ON H : 1.
MASS-LUMPING ON VELOCITY : 1.
MASS-LUMPING ON TRACERS : 1.
SUPG OPTION : 0;0;2;2 / classic supg for U and V
/
/ SOLVER
/------------------------------------------------------------------
INFORMATION ABOUT SOLVER : YES
SOLVER : 1
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR SOLVER : 200 / maximum number of iterations when solving the propagation step
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR DIFFUSION OF TRACERS : 60 / tracer diffusion
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR K AND EPSILON : 50 / diffusion and source terms of k-e
/
/ TIDAL FLATS
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
MATRIX STORAGE : 3 / default is 3
/
/ BOUNDARY CONDITIONS
/------------------------------------------------------------------
/
/ Liquid boundaries
PRESCRIBED FLOWRATES  : 35.; 0.
PRESCRIBED ELEVATIONS : 374.80565;371.33
/
/ Type of velocity profile can be 1-constant normal profile (default) 2-UBOR and VBOR in the boundary conditions file (cli) 3-vector in UBOR in the boundary conditions file (cli) 4-vector is proportional to the root (water depth, only for Q) 5-vector is proportional to the root (virtual water depth), the virtual water depth is obtained from a lower point at the boundary condition (only for Q)
VELOCITY PROFILES : 4;1
/
/ Friction at the bed
LAW OF BOTTOM FRICTION : 4 / 4-Manning
FRICTION COEFFICIENT : 0.03 / Roughness coefficient
/ Friction at the boundaries
LAW OF FRICTION ON LATERAL BOUNDARIES : 4 / 4-Manning
ROUGHNESS COEFFICIENT OF BOUNDARIES : 0.03 / Roughness coefficient
/
/ INITIAL CONDITIONS
/ ------------------------------------------------------------------
INITIAL CONDITIONS : 'ZERO DEPTH' / start with dry model conditions
/
/-------------------------------------------------------------------
/			TURBULENCE
/-------------------------------------------------------------------
/
DIFFUSION OF VELOCITY : YES / default is YES
TURBULENCE MODEL : 3
/
&ETA

Allgemeine Parameter¶

Die allgemeinen Parameter definieren die Berechnungsumgebung ausgehend von einem Simulationstitel und den wichtigsten Links zu den beiden obligatorischen Eingabedateien:

• BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli - mit einer MED-Datei verwenden Sie eine BND-Grenzdatei

• GEOMETRY FILE : qgismesh.slf

Das Modell output* kann mit folgenden Keywords definiert werden:

• RESULTS FILE : r2dsteady.slf - kann entweder eine MED-Datei oder eine SLF-Datei sein

• VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS (d.h. Ausgabeparameter):

  • U,V,H,S,Q,F , for streamwise (U: $u$) and lateral (V: $v$) velocities, water depth (H: $h$), water surface elevation (S: $wse$), discharge/fluxes (Q: $Q$), and Froude number (F: $Fr$)

  • Other variables of interest for tutorials in this eBook: bottom elevation B (required for morphodynamics with Gaia, value of the type of bottom friction used W (see below), and turbulent kinetic energy K (requires the use of the $k-\epsilon$ turbulence model).

  • Die vollständige Liste der verfügbaren Ausgabevariablen finden Sie in der Telemac2d Referenzhandbuch, Abschnitt 1.348 (Seite 92).

Die Geschwindigkeiten (U und V), die Wassertiefe (H) und die Entladung (Q) sind Standardvariablen, die in jeder Simulation verwendet werden sollten. Insbesondere ist die Entlastung Q erforderlich, um zu überprüfen, wann (Stand) sich an den Zu- und Abflussgrenzen konvergieren. Darüber hinaus ermöglicht die Entladung Q integrierte Flussmittel entlang einer benutzerdefinierten Linie im Modell zu verfolgen. Das Verfahren zur Überprüfung und Identifizierung von Entlastungen wird im Abschnitt discharge verification in der Nachbearbeitung beschrieben.

Die Zeitvariablen (TIME STEP und NUMBER OF TIME STEPS) definieren die Simulationslänge. Die Ausdruckzeiten (GRAPHIC PRINTOUT PERIOD und LISTING PRINTOUT PERIOD) definieren die Ergebnisausgangsfrequenz. Die smaller die Ausdruckzeit, je länger dauert die Simulation, da die Schreibergebnisse ein zeitraubender Prozess sind. Die Ausdruckzeiten (Frequenzen) beziehen sich auf ein Vielfaches des TIME STEPS-Parameters und müssen eine kleinere Zahl sein als die NUMBER OF TIME STEPS. Lesen Sie mehr über Zeitschritt-Parameter in der Telemac2d manual in den Abschnitten 5 und 12.4.2.

Darüber hinaus wird die MASS-BALANCE : YES-Einstellung Massenflüsse und Fehler in der Rechenregion ausdrucken, was ein wichtiger Parameter für die Überprüfung der Plausibilität des Modells ist. Beachten Sie, dass dieses Keyword nur Massenbilanzausdrucke ermöglicht und keine Massenbilanz des Modells durchsetzt, die nach diesem Tutorial und dem Telemac2d manual.

TITLE : '2d steady flow'
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE : qgismesh.slf
RESULTS FILE : r2dsteady.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
/
TIME STEP : 1.
NUMBER OF TIME STEPS : 15000
GRAPHIC PRINTOUT PERIOD : 200
LISTING PRINTOUT PERIOD : 100

Allgemeine numerische Parameter¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 7.1 in der Telemac2d manual.

Telemac2d verfügt über drei Lösungsanbieter, die den Tiefendurchschnitt Navier-Stokes equations (d.h. das Shallow water equations) Kundu & Cohen, 2008 (S. 262) annähern, der durch das EQUATIONS Schlüsselwort in die *.cas-Datei gewählt werden kann:

• EQUATIONS : SAINT-VENANT FE ist der default, der Telemac2d eine Saint-Venant-Finite-Elemente-Methode verwendet,

• EQUATIONS : SAINT-VENANT FV nutzt Telemac2d eine Methode des Volumens Saint-Venant und

• EQUATIONS : BOUSSINESQ nutzt Telemac2d die Boussinesq approximation, die eine konstante Dichte (incrompressible Fluidannahme) annimmt und nicht mit der Boussinesq hypothesis verwechselt werden soll.

Darüber hinaus muss eine Art Diskretisierung mit dem *DISCRETIZATIONS IN SPACE Schlüsselwort angegeben werden, das eine Liste von fünf ganzzahligen Werten ist. Die fünf Listenelemente definieren räumliche Diskretisierungsschemata für (1) Geschwindigkeit, (2) Tiefe, (3) Tracer, (4) $k-\epsilon$ turbulence und (5) $\tilde{\nu}$ advection (Spalart-Allmaras). Die Mindestlänge der Keyword-Liste beträgt 2 (für Geschwindigkeit und Tiefe) und alle anderen Elemente sind optional. Die Listenelemente können folgende Werte annehmen, die die räumliche Diskretierung definieren:

• 11 (*default) aktiviert (lineare) dreieckige Diskretisierung im Raum (d.h. dreieckige Dreiecke),

• 12 aktiviert quasi-bubble Diskretisierung mit 4-Nodes und

• 13 aktiviert die quadratische Diskretierung mit 6 Knoten.

Die Telemac2d manual empfiehlt, ** den Standardwert von DISCRETIZATIONS IN SPACE : 11;11** zu verwenden, der einer linearen Diskretierung für Geschwindigkeit und Wassertiefe zuordnet, die ** rechnerisch schnell, aber potentiell instabil** ist. Die Option 12;11 kann verwendet werden, um freie Oberflächeninstabilitäten oder -schwingungen zu reduzieren (z.B. zusammen mit steilen Badegradienten). Die Option 13;11 erhöht die Genauigkeit der Ergebnisse, die Rechenzeit, die Speichernutzung und ist derzeit nicht in Telemac2d verfügbar.

Darüber hinaus kann das FREE SURFACE GRADIENT Schlüsselwort zur Erhöhung der Stabilität eines Modells definiert werden. Sein Standardwert ist 1.0, aber es kann in der Nähe von Null reduziert werden, um Stabilität zu erreichen. Die Entwickler schlagen einen Mindestwert von 0. vor, aber realistischere Ergebnisse lassen sich erzielen, indem dieses Keyword auf etwas mehr als Null gesetzt wird (z.B. 0.1). Beispielsweise kann die folgende Keyword-Kombination Oberflächeninstabilitäten (auch als wiggles oder Oscillations bezeichnet) reduzieren:

DISCRETIZATIONS IN SPACE : 12;11
FREE SURFACE GRADIENT : 0.1

Standardmäßig wird Advection über das Keyword ADVECTION : YES aktiviert und kann nur für bestimmte Begriffe deaktiviert werden:

ADVECTION OF H : NO / deactivates depth advection
ADVECTION OF U AND V : NO / deactivates velocity advection
ADVECTION OF K AND EPSILON : NO / deactivates turbulent energy and dissipation (k-e model) or Spalart-Allmaras advection
ADVECTION OF TRACERS : NO / deactivates tracer advection

Das PROPAGATION Keyword (Standard: YES) steuert die Simulation von Ausbreitungs- und verwandten Phänomenen. So wird z.B. die disabling propagation (PROPAGATION : NO) auch Diffusion deaktivieren. Die andere Runde, wenn die Verbreitung aktiviert ist, kann Diffusion getrennt deaktiviert werden. Lesen Sie mehr über Diffusion in Telemac2d im Abschnitt turbulence.

Finite Elemente¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 7.2.1 in der Telemac2d manual.

Telemac2d verwendet endliche Elemente für iterative Lösungen an die Shallow water equations. Das TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM Keyword ermöglicht es, den ursprünglichen Satz von Gleichungen (option1) zu ersetzen, die an TELEMACs endlichen Element-Löser mit einer generalisierten Wellengleichung beteiligt sind (**Option 2*). Der Ersatz (d.h. die Verwendung der generalisierten Wellengleichung) wird auf *Standard seit v8p2 eingestellt und verringert die Rechenzeit, glättet aber die Ergebnisse. Dieser Standard (TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM : 2) aktiviert automatisch den Masseneinbruch für Tiefe und Geschwindigkeit und impliziert eine explizite Geschwindigkeitsdiffusion.

Die Telemac2d manual gibt an, dass anstelle der bald abgeschriebenen TYPE OF ADVECTION die folgenden Skalare SCHEME FÜR ADVECTION Keywords gelten:

SCHEME FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 1 / default
SCHEME FOR ADVECTION OF TRACERS : 1 / default
SCHEME FOR ADVECTION OF K-EPSILON : 1 / default

Die drei SCHEME FOR ADVECTIONScalar Keywords können folgende Werte annehmen:

• 1 setzt eine nicht massenkonservative Methode der Eigenschaften (Standard für alle),

• 2 setzt ein Semi-Implizit-System und aktiviert das Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG)-System (weiter unten),

• 3, 4, 13 und 14 aktivieren das so genannte NERD-System (diese Nummern aktivieren nur verschiedene Programme in 3d),

• 5 setzt ein massenkonservatives PSI-Verteilungssystem (nicht mit Gezeitenwohnungen) und

• 15 setzt das massenkonservative ERIA-System, das mit Gezeitenwohnungen arbeitet.

Die Optionen 4 und 5 verlangen, dass der CFL-Zustand kleiner ist als 1.

**Das SUPG OPTION (Streamline Upwind Petrov Galerkin)-Keyword definiert, ob Upwinding gilt und welche Art von Upwinding gilt. Die SUPG OPTION ist eine Liste von vier ganzen Zahlen, wobei jedes Element einen der folgenden Werte annehmen kann:

• 0 deaktiviert Upwinding,

• 1 ermöglicht Aufwinden mit einem klassischen SUPG-System (erstellt, wenn die CFLbedingung unbekannt ist), und

• 2 ermöglicht das Upwinding mit einem modifizierten SUPG-System, bei dem Upwinding der CFL-Zustand entspricht (erstellt, wenn der CFLZustand klein ist).

Der Standard ist SUPG OPTION : 2;2;2;2, wo

• das erste Listenelement bezieht sich auf die Strömungsgeschwindigkeit (default 2),

• die zweite Wassertiefe (default2 - gesetzt an 0 wenn MATRIX STORAGE : 3)

• das dritte an Tracer (default2) und

• das letzte (vierte) k-epsilon-Modell (default 2).

Beachten Sie, dass das SUPG OPTION Keyword ** für viele Keyword-Kombinationen nicht optional* ist und dieses Tutorial SUPG OPTION : 0;0;2;2 verwendet.

Implicitation parameters (IMPLICITATION FOR DEPTH, IMPLICITATION FOR VELOCITIES, and IMPLICITATION FOR DIFFUSION OF VELOCITY) apply to the semi-implicit time discretization used in Telemac2d. To enable cross-version compatibility, implicitation parameters should be defined in the *.cas file. For DEPTH and VELOCITIES use values between 0.55 and 0.60 (default is 0.55 since v8p1); for IMPLICITATION FOR DIFFUSION OF VELOCITY use 1.0 (default).

Der Standard TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM : 2 beinhaltet die sogenannte mass-Klumpung, was zu einer Glättung der Ergebnisse führt. Für die Flusssteuerungsoption des *TREATMENT OF NEGATIVE DEPTHS Keywords und den Standardwert für die Behandlung von Gezeitenwohnungen sind bestimmte Massenklumpungswörter und -werte erforderlich. Dazu sollten die Massen-Klumping-Keywords als:

MASS-LUMPING ON H : 1.
MASS-LUMPING ON VELOCITY : 1.
MASS-LUMPING ON TRACERS : 1.

Darüber hinaus können MASS-LUMPING FOR WEAK CHARACTERISTICS : 1. definiert werden, die Telemac2d mit schwachen Eigenschaften machen (siehe unten). Der Standardwert jedes MASS-LUMPING ...Schlüsselworts ist 0. und der Maximalwert ist 1., die Massenmatrizen diagonal macht.

Das OPTION OF CHARACTERISTICS Keyword definiert die Methode der Merkmale, die ein *strong (Standard 1) oder ein **weak (2)*-Formular einnehmen können. Eine schwache Form verringert Diffusion, ist konservativer und erhöht die Rechenzeit. Telemac2d schaltet automatisch vom Standard stark (1) auf das schwache (2) Formular, wenn

• die TYPE OF ADVECTION ist an 1

• jeder SCHEME FOR ADVECTION ... ist an 1 oder

• Alle SCHEME OPTION FOR ADVECTION OF ... ist an 2.

Keine dieser Optionen sollten mit Tracern verwendet werden, weil sie nicht massenkonservativ sind.

Finite Volumes¶

Die endliche Volumenmethode wird hier für Vollständigkeit und ausführliche Beschreibungen in Abschnitt 7.2.2 der Telemac2d manual und dem Malpasset-Beispiel (telemac/v9.0.0/examples/telemac2d/malpasset/) genannt. Zur Aktivierung des endlichen Volumensystems verwenden:

EQUATIONS : 'SAINT-VENANT FV' / the apostrophes are strictly needed here

Die endliche Volumenmethode beinhaltet die Definition eines Schemas durch das FINITE VOLUME SCHEME Schlüsselwort, das einen der folgenden Ganzzahlwerte annehmen kann:

• 0 ermöglicht das Programm Roe (1981)

• 1 ist der default und ermöglicht das kinetische Schema Audusse et al., 2000

• 3 ermöglicht das Zokagoa & Soulaïmani (2010)-System, das mit Gezeitenwohnungen unvereinbar ist,

• 4 ermöglicht das Tchamen & Kahawita (1998)-System zur Modellierung der Benetzung und Trocknung einer komplexen Badymetrie,

• 5 ermöglicht das Harten Lax Leer-Contact (HLLC)-System Toro, 2009 und

• 6 ermöglicht das System Weighted Average Flux (WAF) Ata, 2012, für das die Parallelität derzeit nicht umgesetzt wird.

Die endlichen Volumen/Elemente-Systeme sind (semi-) explizit und potenziell einer Instabilität unterworfen. Aus diesem Grund wird eine gewünschte CFL-Zustand und ein variabler Zeitschritt empfohlen:

DESIRED COURANT NUMBER : 0.9
VARIABLE TIME-STEP : YES / default is NO
DURATION : 15000

Das DURATION Schlüsselwort ist erforderlich, um die Simulation zu beenden.

Der variable Zeitschritt führt zu unregelmäßigen Listenausgängen, während die graphische Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit des oben definierten TIME STEP geschrieben wird. Beachten Sie, dass ** dieses Tutorial VARIABLE TIME-STEP : NO** verwendet.

Das FINITE VOLUME SCHEME TIME ORDER Schlüsselwort definiert das Zweitbestellungen-Zeitschema, das standardmäßig auf Euler explizit (1) gesetzt ist. Die Festlegung des Zeitplanauftrags an 2 macht Telemac2d über das Newmark-System, bei dem ein Integrationskoeffizient verwendet werden kann, um den Integrationsparameter zu ändern. Beachten Sie, dass NEWMARK TIME INTEGRATION COEFFICIENT : 1 Euler explizit entspricht. Um diese Optionen in der Lenkdatei umzusetzen, verwenden Sie die folgenden Einstellungen:

FINITE VOLUME SCHEME TIME ORDER : 2 / default is 1 - Euler explicit
NEWMARK TIME INTEGRATION COEFFICIENT : 0.5 / default is 0.5

Andere Tutorials und das Telemac Forum empfehlen jedoch die folgenden Schemaeinstellungen für endliche Volumes:

FINITE VOLUME SCHEME : 5 / HLLC
FINITE VOLUME SCHEME SPACE ORDER : 1
FINITE VOLUME SCHEME TIME ORDER : 1

Zusätzliche Keyword-Empfehlungen für das endliche Volumenschema sind die folgenden:

OPTION FOR THE DIFFUSION OF VELOCITIES : 2 / only option to get mass conservation but can cause problems with tidal flats
SCHEME FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 3 / use 3, also for FV - MATRIX STORAGE must be 3
SCHEME OPTION FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 4 / overrides SUPG OPTION and OPTION FOR CHARACTERISTICS
NUMBER OF CORRECTIONS OF DISTRIBUTIVE SCHEMES : 2 / increase for higher accuracy and longer computing time, requires SCHEME OF ADVECTION 3,4,5, or 15 and OPTION 2,3,4
TYPE OF SOURCES : 2 / 2=Dirac is the only possibility for mass conservation, the default=1 means linear function and is not mass conservative
CONTINUITY CORRECTION : YES / particularly important when not only discharge but also depth is imposed at boundaries

Je nach Art der Analyse können auch die löserbezogenen Parameter von SOLVER, SOLVER OPTIONS, MAXIMUM NUMBER OF ITERATION FOR SOLVER und TIDAL FLATS geändert werden. Insbesondere werden alle TIDAL FLAT Schlüsselwörter ** mit dem FV-Schema** überholt*.

Numerische Solver Parameter¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 7.3.1 in der Telemac2d manual.

Der Soldat kann mit den SOLVER, *SOLVER FOR DIFFUSION OF TRACERS und SOLVER FOR K-EPSILON MODEL Keywords ausgewählt und spezifiziert werden, bei denen folgende Einstellungen empfohlen werden:

SOLVER : 1 / default is 3
SOLVER FOR DIFFUSION OF TRACERS : 1
SOLVER FOR K-EPSILON MODEL : 1

Die Einstellung der SOLVER an 1 anstelle des Standardwertes von 3 wird mit TREATMENT OF THE LINEAR SYSTEM : 2 (d.h. der Standard seit v8p2) für konsistente und rückwärtskompatible Lenkdateien empfohlen.

Jeder Soldat-Keyword kann einen ganzzahligen Wert zwischen 1 und 8 annehmen, wobei 1-6 konjugieren Sie Gradientenmethoden verwenden:

• 1 setzt die konjugierte Gradientenmethode für symmetrische Matrizen,

• 2 setzt die konjugierte Restmethode ein,

• 3 setzt den konjugierten Gradienten auf normaler Gleichungsmethode,

• 4 legt die minimale Fehlermethode fest,

• 5 setzt die quadrierte Konjugat-Gradientenmethode ein,

• 6 setzt die stabilisierte Biconjugate-Gradient (BICGSTAB)-Methode,

• 7 setzt die Methode Allgemeinisierte Mindestermittlung (GMRES) und

• 8 setzt den Direktlöser der Yale University (YSMP) fest, der nicht mit Parallelismus kompatibel ist.

Die GMRES-Methode kann mit dem endlichen Elementsystem mit folgenden Lösungsoptionen für die Krylov space aktiviert werden:

SOLVER OPTION : 2 / hydrodynamic propagation
SOLVER OPTION FOR TRACERS DIFFUSION : 2 / tracer diffusion
OPTION FOR THE SOLVER FOR K-EPSILON MODEL : 2 /  k-e or Spalart-Allmaras

Die Lösungsoptionen variieren zwischen den Werten *2 für ein kleines Netz und 5 für ein großes Netz. Integers von 3 oder 4 können für mittlere Maschen verwendet werden. Die Telemac2d manual empfiehlt laufende Simulationen mehrfach, um einen optimalen Wert zu finden, wobei höhere Werte (in der Nähe von 5) die Zeit für eine Iteration erhöhen, aber zu einer schnelleren Konvergenz führen.

Numerische Genauigkeit¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 7.3.2 in der Telemac2d manual.

Die Genauigkeits-Keywords machen Telemac2d eine Iteration stoppen, wenn zwei aufeinander folgende Lösungen für das gleiche Element variieren um weniger als eine ACCURACY Schwelle. Dazu können die folgenden Standardgenauigkeitsschwellen variiert werden (Telemac2d ignoriert nicht relevante Parameter):

SOLVER ACCURACY : 1.E-4 / propagation steps
ACCURACY FOR DIFFUSION OF TRACERS : 1.E-6 / tracer diffusion
ACCURACY OF K : 1.E-9 / diffusion and source terms of turbulent energy transport
ACCURACY OF EPSILON : 1.E-9 / diffusion and source terms of turbulent dissipation transport
ACCURACY OF SPALART-ALLMARAS : 1.E-9 / diffusion and source terms of the Spalart-Allmaras equation

In der Praxis sollte die Genauigkeit der Lösung nicht größer sein als 1.E-3 (10$^{-3}$). Dagegen führen sehr kleine Genauigkeiten zu längeren Rechenzeiten. Zusätzlich oder alternativ zu den Genauigkeits-Keywords können die folgenden Standardnummern maximaler Iterationen geändert werden, um die Berechnungen zu beschleunigen:

MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR SOLVER : 100 / maximum number of iterations when solving the propagation step
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR DIFFUSION OF TRACERS : 60 / tracer diffusion
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR K AND EPSILON : 50 / diffusion and source terms of k-e or Spalart-Allmaras

Telemac2d wird Warnmeldungen ausdrucken, wenn die Konvergenz mit der definierten Kombination von Genauigkeit und maximalen Iterationsnummern-Keywords nicht erreicht werden konnte. Die Warnmeldungen können mit dem INFORMATION ABOUT SOLVER* Keyword deaktiviert werden, obwohl die Deaktivierung von Konvergenzwarnungen nicht empfohlen wird.

Tidal Flats¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 7.5 in der Telemac2d manual.

Das TIDAL FLATS (Standard: YES)-Keyword gilt nur für das -Endelemente-Schema (EQUATIONS keyword) und kann mit finite volumes ignoriert werden. Der Begriff Tidal kann leicht verwirrend sein, da Gezeitenwohnungen außerhalb der Küstenregionen auftreten können: Tidalfläche können überall dort auftreten, wo eine Benetzung und Trocknung von Gitterzellen oder an Strömungsübergängen auftreten kann (z.B. wenn schnell fließendes Wasser in eine Rückwasserzone gelangt). Benetzung und Trocknung und Strömungsübergänge treten in fast allen Umgebungen komplexer auf als ein quadratisches Flaum, weshalb die Aktivierung von Gezeitenwohnungen in Telemac2d-Modellen sehr empfehlenswert ist. Obwohl die Aktivierung von Gezeitenflaggen zu längeren Rechenzeiten führt, liefert in den meisten Fällen eine Berechnung mit Gezeitenflaggen physikalisch vernünftige Ergebnisse.

Das TIDAL FLATS Schlüsselwort ist mit einigen anderen Telemac2d Schlüsselwörtern verbunden, die Modellstabilität und körperliche Aussagefähigkeit treiben. Die folgenden Keyword-Setups können in der Regel auf (Quasi) stetige, reale Flüsse und Kanäle (im Gegensatz zu Lab-Flumen mit vereinfachten Geometrien) angewendet werden:

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

Die OPTION FOR THE TREATMENT OF TIDAL FLATS akzeptiert ganze Werte zwischen 1 und 3, um eine der folgenden Optionen auszuwählen:

• 1 erkennt Gezeitenflächen und korrigiert den freien Oberflächengradienten.

• 2 entfernt Gezeiten-Flachelemente mit einer Maskierungstabelle, die jeden Beitrag der betroffenen Netzelemente eliminiert. Diese Option kann die Massenerhaltung des Modells beeinflussen.

• 3 ähnelt 1, fügt aber einen Porositätsbegriff zu halbtrockenen Netzelementen hinzu. Dies betrifft die Wassermenge im Modell, die hier das mit der Porosität multiplizierte Tiefenintegral entspricht. Eine Benutzer-Fortran-Datei kann verwendet werden, um den Porositätsterm in der USER_CORPOR Unterroutine zu ändern.

Das **TREATMENT OF NEGATIVE DEPTHS (Standard: 1)*-Keyword definiert einen Ansatz zur Beseitigung negativer Wassertiefenwerte, bei dem folgende ganze Zahlen verwendet werden können:

• 0 deaktiviert jede Behandlung negativer Wassertiefe.

• 1glättet konservativ negative Wassertiefe (*default).

  • Nur für diese Option steht ein Float-Nummern-Keyword THRESHOLD FOR NEGATIVE DEPTHS (Standard: 0.) zur Verfügung.

  • Durch die Einstellung der Schwelle auf z.B. -0.1 wird erreicht, dass negative Wassertiefen (z.B. -0,05 m) größer als -0,1 Meter unverändert bleiben.

• 2 verhängt eine Flussbegrenzung, die streng positive Wassertiefe gewährleistet.

• 3 acts similarly as 2 but for the ERIA Advection scheme (set SCHEME FOR ADVECTION OF TRACERS to 4 or 5). This option is appropriate for modeling conservative tracers.

Matrix Handling¶

*Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 7.6 in der Telemac2d manual.

Telemac2d bietet mehrere Optionen für die Matrix-Handling, die für bestimmte Solvent-Systeme eingerichtet werden müssen.

Das MATRIX STORAGE Schlüsselwort kann auf:

• 1 für die Verwendung von klassischen Element-by-Element-Matrix-Speicher.

• 3 für die Verwendung von randbasiertem Matrixspeicher (Standard). Diese Standardeinstellung ist erforderlich, wenn ein *SCHEME FÜR ADVECTION ... Keyword auf 3,4, 5, 13, 14 oder 15 gesetzt wird und wenn eine direkte SOLVER auf8 gesetzt wird.

Das zusätzliche Schlüsselwort MATRIX-VECTOR PRODUCT* kann verwendet werden, um zwischen Multiplikationsmethoden für das endliche Elementsystem zu wechseln. Der Standardwert von 1 (Vektorvervielfältigung durch eine nicht zusammengesetzte Matrix) sollte derzeit *nicht geändert werden, da die einzige Alternative (2 für frontal zusammengesetzte Matrixvervielfältigung) nicht zur Parallelität und Quasi-Bubble-Diskretisierung umgesetzt wird.

Rahmenbedingungen¶

Die folgenden Beschreibungen der Reibparameter beziehen sich auf Abschnitt 4.2 in der Telemac2d manual.

Flüssigkeitsgrenzen-Keywords geben den räumlich definierten strom- und stromabwärtigen Flüssigkeitsgrenzen in der Conlim (*.cli)-Datei created with BlueKenue. Dieser Abschnitt enthält die Zuordnung von stationären Flüssigkeitsgrenzen für eine Entladung von 35 m$^3$/s. Zu diesem Zweck wird die vorgeschaltete Randbedingung auf eine stetige Zielzuflussrate (Offene Grenze mit vorgegebenem Q) gesetzt und die nachgeschaltete Randbedingung erhält eine Stage-discharge relation (Offene Grenze mit vorgegebenem Q und H) zugewiesen (Recall Fig. 15). Für die Ausführung dieses Tutorials fügen Sie also die folgenden Schlüsselwörter in die Steuerungsdatei (*.cas) ein:

• Das Keyword PRESCRIBED FLOWRATES : 35.;0. gibt dem *upstream-Grenzrand einen Flussrate von 35 m$^3$/s zu und verhängt keinen Fluss an der *downstream-Grenzkante. Die nachgeschaltete Q-Regelung von 0,0 lässt Telemac2d diesen Wert für die nachgeschaltete Grenze ignorieren (nur vorbeschriebene Tiefe).

• The keyword PRESCRIBED ELEVATIONS : 374.80565;371.33 assigns a water surface elevation $wse$ (or H in Telemac) in meters above sea level (m a.s.l.) to both the upstream and downstream boundaries.

Die Reihenfolge der vorgeschriebenen Flußraten (Q) und $wse$ (H)-Werte hängt von der Reihenfolge der Definition der Grenzen ab. Somit definiert das erste Listenelement Werte für die vorgeschaltete und das zweite Listenelement für die nachgeschaltete offene Begrenzung.

Flüssige Randbedingungen können jeder offenen Grenze in der Datei *.cli zugeordnet werden.

Ein Geschwindigkeitsprofiltyp kann in Form einer Liste, die die gleiche Elementfolge wie die oben definierten PRESCRIBED ... Schlüsselwörter hat, jeder vorgegebenen Q (Flowrate) oder vorgeschriebenen U (Velocity) offenen Grenze zugeordnet werden. Dazu können vor- und nachgeschaltete Geschwindigkeitsprofile mit dem VELOCITY PROFILES Schlüsselwort definiert werden, das die folgenden Werte akzeptiert:

• 1 ist die default-Option, die die Strömungsrichtung an den Grenzknoten normal an ihren Kanten definiert. Diese Option ordnet dem Vektor eine Länge von 1 zu und multipliziert ihn mit einem numerischen Faktor, um einen Zieldurchfluss zu erzielen.

• 2 liest U- und V-Geschwindigkeitsprofile aus den Randbedingungen (*.cli)-Datei, die mit einer Konstante multipliziert werden, um einen Zielfluss zu erzielen.

• 3 verhängt die Geschwindigkeitsvektorrichtung normal an die Grenze und liest den Wert (UBOR) aus der *.cli-Datei, die dann mit einer Konstante multipliziert wird, um einen Zielfluss zu erzielen.

• 4 setzt die Geschwindigkeitsvektorrichtung normal zur Grenze und berechnet die Norm des Wertes proportional zur Quadratwurzel der Wassertiefe. Diese Option kann nur mit einer vorbeschriebenen Q offenen Grenze verwendet werden.

• 5 erhebt die Geschwindigkeitsvektorrichtung normal zur Grenze und berechnet die Norm des Wertes proportional zur Quadratwurzel einer virtuellen Wassertiefe.

Mit der vorgelagerten Grenze ist eine vorbeschriebene Q Grenze, dieses Tutorial verwendet VELOCITY PROFILES : 4;1 in der Lenkdatei. Lesen Sie mehr über Optionen zur Definition von Geschwindigkeitsprofilen in Abschnitt 4.2.8 der Telemac2d manual.

Ursprüngliche Bedingungen¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 4.1 in der Telemac2d manual.

Die Ausgangsbedingungen beschreiben den Zustand des Modells zu Beginn einer Simulation. Telemac2d erkennt die folgenden Arten von Anfangsbedingungen, die in der Lenkdatei mit dem Stichwort INITIAL CONDITIONS : 'TYPE' definiert werden können, wobei TYPE eine der folgenden sein kann:

• ZERO ELEVATION initialisiert die freie Oberflächenerhebung unter 0 (*default). Die anfänglichen Wassertiefen entsprechen somit der unteren Erhebung.

• CONSTANT ELEVATION initialisiert die freie Oberflächenerhebung zu einem Wert, der mit einem INITIAL ELEVATION Keyword definiert ist, das einen Standardwert von 0. hat. So entsprechen die anfänglichen Wassertiefen der Subtraktion der unteren Erhebung aus der Wasseroberflächenerhebung $wse$. Die anfängliche Wassertiefe wird an Knoten auf Null gesetzt, wo die untere Höhe höher ist als durch das *INITIAL ELEVATION Keyword definiert.

• ZERO DEPTH initialisiert die Simulation mit 0 (d.h. $wse$ entspricht der unteren Erhebung). So beginnt das Modell mit trockenen Bedingungen, ähnlich wie im BASEMENT tutorial.

• CONSTANT DEPTH initialisiert die Wassertiefe auf einen Wert, der durch ein INITIAL DEPTH Keyword definiert ist, das einen Standardwert von 0. hat.

• TPXO SATELLITE ALTIMETRY initialisiert das Modell anhand von Informationen, die von einer benutzerdefinierten Datenbank bereitgestellt werden (z.B. das OSU TPXO Modell für ocean tides). Lesen Sie mehr in Abschnitt 4.2.12 der Telemac2d manual zur Modellierung von Meeressystemen.

Zuerst die anfängliche Wassertiefe mit dem folgenden Schlüsselwort als 0 definieren, was bedeutet, dass das Modell mit einem trockenen Flussbett initialisiert wird:

INITIAL CONDITIONS : 'ZERO DEPTH'

Die Simulationsgeschwindigkeit kann deutlich erhöht werden, wenn das Modell bereits einmal bei derselben (initialen) Entladung läuft. Das Ergebnis einer früheren Simulation kann für den Anfangszustand mit den COMPUTATION CONTINUED : YES (Standard ist NO) und PREVIOUS COMPUTATION FILE : *.slf (Beweiss des Namens einer *.slf-Datei) Keywords verwendet werden. Diese Art der Modell-Initialisierung wird auch als hotstart bezeichnet. Lesen Sie mehr über Hotstarts in den Abschnitten unsteady simulation und Gaia. Auch Abschnitt 4.1.3 in der Telemac2d manual bietet Beschreibungen für weitere (hotstart) Berechnungen.

Friktion (Roughness)¶

Die folgenden Beschreibungen der Reibparameter beziehen sich auf Abschnitt 6.1 in der Telemac2d manual.

Das LAW OF BOTTOM FRICTION Keyword definiert ein Rauheitsmodell für topographische Grenzen, das auf:

• 0 ohne Reibung.

• 1 für die Haaland (1983)-Gleichung, die eine implizite Form der Colebrook & White (1937)-Gleichung ist, die auf dem Darcy-Weisbach Reibfaktor $f_D$ entsteht. Dieses Gesetz beinhaltet eine hohe Unsicherheit, die sich aus dem experimentellen Datensatz des Originalautors ergibt.

• 2 für die Chézy (1776)Rohheit, die ähnlich wie 3 und 4 verwendet werden kann.

• 3 für Strickler (1923) raue $k_{st}$ (weiterlesen, z.B. in der 1d hydraulics exercise), die inverse von $n_m$ (4).

• 4 für Manning (1891) raue $n_m$ (weiterlesen, z.B. in der 1d hydraulics exercise), die inverse von $k_{st}$ (3).

• 5 für das Nikuradse (1933)Rohheitsrecht, das 3 $\cdot D_{90}$ laut Rijn (2019) entsprechen sollte.

• 6 für das logarithmische Gesetz der Wand für turbulente Ströme. Diese Option geht davon aus, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit eine logarithmische Funktion des Abstandes von der Wand über die viskosen und Pufferschichten ist. Die Dicke dieser Schichten ist eine Funktion der Wandrauhlänge Von Karmàn, 1930.

• 7 für die Colebrook & White (1937)-Gleichung, die den Darcy-Weisbach Reibfaktor $f_D$ für turbulente Strömungen in glatten Rohren berechnet.

With respect to the 2d applications in this eBook, the most relevant bottom roughness models are 3 Strickler, 1923, 4 Manning, 1891, and 6 (log law). The Nikuradse (1933) roughness law (5) is recommended for 3d simulations (see the Telemac3d tutorial). Friction is more generally referred to as with the general coefficient $c_{f}$, which has a particular relevance for bedload transport (cf. morphodynamic calculations with Gaia).

The FRICTION COEFFICIENT FOR THE BOTTOM keyword sets the value for a characteristic roughness coefficient. For instance, when the friction law keyword is set to 3 Strickler, 1923, the friction corresponds to the Strickler roughness coefficient $k_{st}$ (in fictive units of m$^{1/3}$ s$^{-1}$). For rough channels (e.g., mountain rivers) $k_{st} \approx 20$ m$^{1/3}$ s$^{-1}$ and for smooth concrete-lined channels $k_{st} \approx 75$ m$^{1/3}$ s$^{-1}$. In fully turbulent flows, the Strickler roughness can be approximated with $k_{st} \approx \frac{26}{D_{90}^{1/6}}$ Meyer-Peter & Müller, 1948 where $D_{90}$ is the grain diameter of which 90% of the surface grain mixture are finer. This tutorial features the application of a Manning roughness coefficient of $n_m$= 0.03, which is the inverse of $k_{st}$ and implemented with:

LAW OF BOTTOM FRICTION : 4 / 4-Manning
FRICTION COEFFICIENT : 0.03 / Roughness coefficient

Darüber hinaus sollten für die Flüssigkeitsgrenzen spezifische Rauheitsbedingungen festgelegt werden (siehe above), die später bei der Modellkalibrierung nicht geändert werden sollten. Zu diesem Zweck ist eine gemessene stage-discharge relation zur Rückberechnung von durchschnittlichen Hydraulikquerschnitten erforderlich. Hierfür werfen Sie einen Blick auf die Python exercise on 1-d hydraulics for solving the Manning-Strickler Formel.

LAW OF FRICTION ON LATERAL BOUNDARIES : 3 / integer (3 is Strickler)
ROUGHNESS COEFFICIENT OF BOUNDARIES : 33.3 / float inverse of n_m=0.03

Turbulenzen¶

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 6.2 in der Telemac2d manual.

Turbulenz beschreibt einen scheinbar zufälligen und chaotischen Zustand der Fluidbewegung in Form von dreidimensionalen Wirbeln (eddies). Wahre Turbulenz ist nur in 3D-Vortäuschung vorhanden, und wenn es auftritt, dominiert es meist alle anderen Strömungsphänomene durch Erhöhung der Energiedissipation, Drag, Wärmeübertragung und Mischen Kundu & Cohen, 2008. Das Phänomen der Turbulenz ist seit langem ein Mysterium für die Wissenschaft, da turbulente Ströme (read more about the implementation in RANS) beobachtet wurden, aber nicht durch die linearen Gleichungssysteme erklärt werden konnten. Heute gilt Turbulenz als zufälliges Phänomen, das beispielsweise durch Einführung statistischer Parameter in linearen Gleichungen berücksichtigt werden kann. Wenn z.B. Turbulenzen auf die tiefgemittelte Navier-Stokes equations Anwendung finden, entspricht eine numerische Lösung für eine Menge (z.B. Strömungsgeschwindigkeit) $value = \overline{mean value} + value fluctuation'$. Dazu gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Umsetzung von Turbulenzen in numerischen Modellen Nezu & Nakagawa, 1993.

Die horizontalen und vertikalen Dimensionen von turbulenten Wirbeln können sehr unterschiedlich sein, vor allem in Flüssen und Übergängen zu Rückwasserzonen (Gezeitenflächen), wo die breite horizontale Flussdimension (Flußbreite $w$) deutlich größer ist als die vertikale Flussdimension (Wassertiefe $h$): $w >> h$. Telemac2d bietet mehrere Turbulenz-Modelle, die auf die vertikalen und/oder horizontalen Abmessungen angewendet werden können und mit dem TURBULENCE MODEL Schlüsselwort definiert werden, das eine ganze Zahl für eine der folgenden Optionen ist:

• 1 to use a constant viscosity coefficient (default) for turbulent viscosity, molecular viscosity, and Diffusion. This closure option should not be used with Stage-discharge relation open boundaries (i.e., do not use with prescribed Q and H) Wilson et al., 2002.

• 2, um die Ältere Formel für den Diffusion-Koeffizienten $D$ zu verwenden. Der Elder Turbulence Verschluss gibt auch kleine Fehler für Stage-discharge relation offene Grenzen (d.h. verwenden Sie diese Option nicht mit vorgeschriebenem Q und H) Wilson et al., 2002.

• 3 to use the $k-\epsilon$ two-equation model solving the Navier-Stokes equations. The first equation represents a turbulence closure for the turbulent kinetic energy $k$; the second equation is a turbulence closure for the turbulent dissipation $\epsilon$. Both equations express that the sum of change of (I) $k$ and $\epsilon$ in time, and (II) Advection transport of $k$ and $\epsilon$ equal the sum of (1) Diffusion transport of $k$ and $\epsilon$, (2) the production rate of $k$/$\epsilon$, and (3) the destruction rate of $k$/$\epsilon$ Launder & Spalding, 1974. The $k-\epsilon$ model is a generalization of the mixing length model (see option 5) and assumes that the turbulent viscosity is isotropic (valid for many river applications, but not for circular-rotating flows or groundwater) Bradshaw, 1987. Thus, the $k-\epsilon$ model introduces two additional equations and requires a finer mesh than the constant viscosity option 1, which leads to a longer computation time. Yet, the $k-\epsilon$ model generally yields accurate results and small errors with Stage-discharge relation open boundaries Wilson et al., 2002. The following default keywords are associated with the $k-\epsilon$ model:

  • VELOCITY DIFFUSIVITY : 1.E-6 entsprechend der kinematischen Viskosität $\nu$ Wasser (10$^{-6}$m$^2$/s).

  • TURBULENCE REGIME FOR SOLID BOUNDARIES : 2 for rough walls of closed boundaries to apply the value chosen for the LAW OF BOTTOM FRICTION and ROUGHNESS COEFFICIENT OF BOUNDARIES keywords (recall section Friktion (Roughness)). For smooth closed boundary walls set TURBULENCE REGIME FOR SOLID BOUNDARIES : 1.

  • INFORMATION ABOUT K-EPSILON MODEL : YES ermöglicht die Konsolenausgabe von Informationen über die Schließlösung $k-\epsilon$.

• 4, um das Modell Smagorinsky (1963) (auch bekannt als Allgemeine Zirkulation) zu verwenden, das aus der Klimamodellierung stammt. Es handelt sich um eine *große Wirbelsimulation (LES, im Gegensatz zu RANS). Das Smagorinsky (1963)-Modell entspricht nicht Diffusion.

• 5, um ein Mischlängenmodell nach der Theorie von Prandtl zu verwenden, dass eine Fluidmenge seine Eigenschaften für eine charakteristische Länge bewahrt, bevor sie sich mit dem Schüttgutfluss Bradshaw, 1974 vermischt.

• 6, um das Spalart & Allmaras (1992) one-equation RANS Modell zu verwenden, das eine einzige Transportgleichung für eine modifizierte turbulente kinematische Viskosität $\tilde{\nu}$ löst, aus der die eddy-Viskosität $\nu_t$ über eine wandnahe Dämpfungsfunktion abgeleitet wird. Die Transportgleichung für $\tilde{\nu}$ umfasst Konvektion, Diffusion, einen Produktionsbegriff proportional zur lokalen Stammrate, und einen Zerstörungsterm, der von der Entfernung zur nächsten festen Wand abhängt. Im Vergleich zum $k-\epsilon$ Modell ist Spalart-Allmaras rechnerisch leichter (eine Gleichung anstelle von zwei), aber der wandfernbasierte Vernichtungsterm macht eine ausreichende Nahwandnetzauflösung wichtig. Das Modell wurde ursprünglich für hoch-Reynolds number aerodynamische (Aerospace) Ströme mit milden negativen Druckgradienten entwickelt und in TELEMAC-2D als Tiefenmittel RANS-Verschluss angepasst. Folgende Schlüsselwörter gelten; beachten Sie, dass Keywords, die K-EPSILON in ihrem Namen enthalten, auch den Spalart-Allmaras-Löser regieren:

  • INFORMATION ABOUT SPALART-ALLMARAS MODEL : YES ermöglicht Konsolenausgang für den SA-Löser (default = YES).

  • TURBULENCE REGIME FOR SOLID BOUNDARIES : 2 für raue feste Wände (verwenden Sie 1 für glatte Wände); gleiche Rolle und Werte wie für das $k-\epsilon$Modell (siehe Friktion (Roughness)).

  • VELOCITY DIFFUSIVITY : 1.E-6 -- kinematische Viskosität des Wassers (10$^{-6}$ m$^2$/s), gleiche Rolle wie im Modell $k-\epsilon$.

  • ACCURACY OF SPALART-ALLMARAS : 1.E-9 -- Konvergenzschwelle für die Diffusion und den Source-term Schritt der $\tilde{\nu}$-Gleichung (default10^-9).

  • SCHEME FOR ADVECTION OF K-EPSILON steuert die Advektion von $\tilde{\nu}$; verwenden Sie die gleichen Empfehlungen wie $k-\epsilon$ (z.B. 14 mit Tidal Flats, 4 ohne).

  • Das 5. Element DISCRETIZATIONS IN SPACE setzt die räumliche Diskretierung für $\tilde{\nu}$ (default 11) ein.

  • SOLVER FOR K-EPSILON MODEL, MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR K AND EPSILON und PRECONDITIONING FOR K-EPSILON MODEL regeln alle auch das SA-Lösesystem.

Dieses Tutorial nutzt das $k-\epsilon$Modell (3) aufgrund seiner Popularität und seiner breiten Anwendbarkeit (nicht mit Korrektheit zu verwechseln).

DIFFUSION OF VELOCITY : YES / enabled by default
TURBULENCE MODEL : 3

Start Telemac2d¶

Mit der Steuerungsdatei (*.cas) ist die letzte notwendige Zutat für den Betrieb einer stationären hydrodynamischen 2d-Simulation mit Telemac2d verfügbar. Stellen Sie sicher, dass alle benötigten Dateien in einem Simulationsordner (z.B. ~HOMETEL/mysimulations/steady2d-tutorial/) abgelegt werden. Die benötigten Dateien können auch von diesem eBook steady2d tutorial repository heruntergeladen werden und beinhalten:

• qgismesh.slf

• boundaries.cli

• steady2d.cas

Mit diesen Dateien vorbereitet, laden Sie die TELEMAC-Umgebung und führen Sie Telemac2d nach den Erläuterungen in den nächsten Abschnitten.

Umgebung und Dateien laden¶

Gehen Sie in den Konfigurationsordner der Telemac-Installation (z.B. HOMETEL/configs/, wo HOMETEL so etwas wie /home/telemac/v9.0.0/ sein könnte) und laden Sie die Umgebung (z.B. pysource.gfortranHPC.sh - verwenden Sie das gleiche wie bei compiling Telemac).

cd ~/telemac/v9.0.0/configs
source pysource.gfortranHPC.sh

cd ~/telemac/v8p2/configs
source pysource.hyfo-dyn.sh

Starten Sie eine Telemac2d Simulation¶

Um eine Simulation zu starten, wechseln Sie in das Verzeichnis (cd), in dem die Simulationsdateien leben und die Lenkdatei (.cas) mit dem Skript telemac2d.py ausführen:

cd ~/telemac/v9.0.0/mysimulations/steady2d-tutorial/
telemac2d.py steady2d.cas -s

Die -s-Flagge ist nicht unbedingt erforderlich, sondern nützlich für die Überarbeitung von Simulationsmerkmalen, wie Flussläufe über die Flüssigkeitsgrenzen oder die Gesamtsimulationszeit. Es wird eine Datei mit dem Namen steady2d.cas.[...].sortie schreiben und kann für die Konvergenzanalyse verwendet werden, die im Scheinwerferkapitel unter quantitative convergence beschrieben wird.

Infolgedessen sollte eine erfolgreiche Berechnung mit folgenden Zeilen (oder ähnlichen) in Terminal enden:

[...]
                     *************************************
                     *    END OF MEMORY ORGANIZATION:    *
                     *************************************

 CORRECT END OF RUN

 ELAPSE TIME :
                             03  MINUTES
                             44  SECONDS
... merging separated result files

... handling result files
        moving: r2dsteady.slf
... deleting working dir

My work is done

So produzierte Telemac2d die Datei r2dsteady.slf, die nun im post-processing with QGIS oder ParaView analysiert werden kann.

Nachbearbeitung¶

Die Nachbearbeitung des stationären 2d-Szenarios nutzt QGIS und die PostTelemac plugin. Alternativ können auch Telemac-Ergebnisse mit ParaView oder BlueKenue.

Ergebnisse laden und das Q4TS Plugin¶

Starten Sie QGIS, create a new QGIS project, setzen Sie das Projekt CRS an UTM zone 33N, fügen Sie eine Satelliten-Bildung basemap hinzu und speichern Sie das Projekt (z.B. tm2d-postpro.qgis) im gleichen Ordner, in dem die Telemac2d Simulationsergebnissedatei (r2dsteady.slf liegt), ähnlich den Beschreibungen in der pre-processing tutorial.

Laden Sie die r2dsteady.slf Geometriedatei als Mesh-Schicht mit Drag & Drop vom Browser-Panel auf das Layers-Panel. Stellen Sie sicher, dass es mit seiner richtigen Georeferenz importiert wird: EPSG:32633 (ETRS 89 / UTM-Zone 33N).

Um mit diesem Abschnitt fortzufahren, stellen Sie sicher, dass das Q4TS-Plugin installiert ist (siehe Anleitungen unter Software Requirements section). Um die Ergebnisse ohne das Q4TS-Plugin zu erkunden, ist direkt jump to the next section. Q4TS hilfreich, um SALOME/ParaVis-ähnliche Analysen (z.B. Fortgeschrittene, Nachbearbeitungs-Pipelines, MED-zentrische Workflows) durch Umwandlungsbearbeitung durchzuführen:

• In *Processing > Toolbox, run slf2med (Q4TS-Anbieter):

  • Input .slf: r2dsteady.slf

  • Input .cli (optional): Ihre Grenzdatei, wenn Sie möchten, dass sie mitgeführt wird

  • Output .med: Sparen Sie r2dsteady.med

Dann öffnen Sie die *.med-Datei in Ihrem bevorzugten MED-fähigen Nachbearbeitungs-Workflow (ParaVis/SALOME). Dies ist das eine Q4TS-Feature, das sinnvollerweise außerhalb des QGIS in “reale Nachbearbeitung” überbrückt.

Querschnittsanalyse (Extraktwerte entlang Schnittlinien)¶

Dies ersetzt die alte “Zeichnen Sie eine Linie und Inspektion / Export” Routine von PostTelemac, aber es ist sauberer, weil es einen reproduzierbaren CSV aus einer Linienschicht produziert.

1. Erstellen Sie eine Querschnittslinienschicht:

• Erstellen Sie eine neue Line Layer (GeoPackage empfohlen) zum Beispiel control_sections.

• Digitisieren Sie eine oder mehrere Querschnittlinien über den Kanal (stromaufwärts, stromabwärts, Steuerabschnitte, etc.).

2. Export von Querschnittswerten aus dem Netz nach CSV

• Öffnen Sie Processing > Toolbox und führen Sie Export Querschnittsdatensatzwerte auf Zeilen von mesh

• Konfigurieren:

  • Input-Netzschicht: r2dsteady

  • Datengruppen: Wählen Sie aus, was Sie analysieren möchten (Beispiele)

    • WATER DEPTH (Stabilität / Benetzungsverhalten)

    • Geschwindigkeitskomponenten oder Größe (Hydraulik + Stabilitäts-Hotspots)

    • jede diagnostische Variable, die Sie auf die Ergebnisse geschrieben haben (falls vorhanden)

  • Datensatzzeit:

    • Current canvas time für “snapshot”-Checks oder

    • führen Sie mehrmals für bestimmte Zeitstempel, die Sie kümmern.

  • ** Zeilen für den Datenexport*: control_sections

  • *Line-Segmentierungsauflösung: Setzen Sie dies auf etwas, das für Ihre Meshauflösung Sinn macht (nicht über Probe).

  • Output*: speichern als *.csv

Öffnen Sie den exportierten CSV in Libre Office und Grundstücksprofilen (z.B. Tiefe vs. Kettenlage, Geschwindigkeit vs. Kettenlage). Wiederholen für stromaufwärts/abwärts gerichtete Abschnitte und vergleichen.

Was das sagt (Modell-Performancewinkel):

• Abschnittsweise Sanitätsprüfungen (z.B. Tiefen-/Verlagerungsmuster, bei denen Sie diese erwarten),

• Hotspot-Erkennung (unphysische Spikes nahe Grenzen, um steile Badymetrie Gradienten, etc.),

• “ist es noch stabil?” überprüft, indem man den gleichen Abschnitt zu mehreren Zeitschritten vergleicht.

Node-Analyse (Zeitreihen an Kontrollpunkten)¶

Bei Konvergenz-/Stabilitätsprüfungen sind Punktzeitreihen in der Regel das schnellste Signal.

1. Erstellen einer Kontrollpunktschicht:

• Erstellen Sie eine Punktschicht namens control_points.

• Fügen Sie Punkte an Orten, die Sie interessieren:

  • Nahe Zu-/Abflussgrenzen,

  • bei hydraulischen Steuerungen,

  • in Zonen, in denen die Instabilität wahrscheinlich ist (halbe Bereiche, starke Gradienten, Benetzungs-/Trockenfront).

2. Ausfuhrzeitreihe vom Netz nach CSV:

• Öffnen Sie Processing > Toolbox und führen Sie ** Zeitreihenwerte aus Punkten eines Netzdatensatzes **

• Konfigurieren:

  • Input-Netzschicht: r2dsteady

  • Datensatzgruppen: Wählen Sie die wichtigsten Variablen, die Sie überwachen möchten (Tiefe, Geschwindigkeit und alle von Ihnen ausgegebenen Diagnosefelder)

  • *Punkte für den Datenexport: control_points

  • Output*: speichern als *.csv

Geben Sie die Zeitreihe in Libre Office und verwenden Sie sie als schnelles Performance-Dashboard:

• Beruhigt sich Tiefe/Verlagerung auf einen stabilen Wert (Standzustand)?

• Sehen Sie Schwingungen oder Stacheln (numerische Probleme, Randbedingungen Probleme)?

• Kippen flache Knoten nass/trocken unrealistisch (süßen/trocknendes Tuning Problem)?

Diese extrahierten Serien sind direkt im wet initialization exercise below nutzbar.

Export nach GeoTIFF¶

Um die Modellergebnisse an einen GeoTIFFraster zu exportieren, gehen Sie auf die Processing Toolbox (in QGIS), erweitern Sie den Mesh-Eintrag und öffnen Sie das Rasterize mesh dataset**-Tool. Im Rasterize Mesh Dataset Popup-Fenster (Figure 2) setzen Sie folgende Einstellungen ein:

• *Input-Netzschicht: Wählen Sie die Telemac-Ergebnisse Netzschicht (r2dsteady)

• Datengruppen: Klicken Sie auf die Schaltfläche ******* Wählen Sie in Verfügbaren Datengruppen*** und wählen Sie eine Anzahl von Interesse aus. Dieses Tutorial beinhaltet den Export einer Strömungsgeschwindigkeit. Klicken Sie auf OK, um zum Rasterize Mesh Dataset-Tool zurückzukehren.

• Datensatzzeit: Klicken Sie auf das Pfeilsymbol nach oben/unten, um nach unten zu scrollen und den letzten Zeitschritt auszuwählen. In einer unruhigen (d.h. quasi-ständigen) Simulation könnten auch andere Zeitschritte von Interesse sein.

• Extent: Klicken Sie auf den Dropdown Pfeil > Calculate from Layer* Wählen Sie r2dsteady

• Pixelgröße: 1.0 (Standard). Bei gröberen oder feineren Maschen sollte die Pixelgröße variiert werden.

• *Ausgangskoordinatensystem: Wählen Sie EPSG:32633 (also das Koordinatenreferenzsystem des Netzes)

• *Ausgangsrasterschicht: Klicken Sie auf ..., um in einen Zielordner zu navigieren und einen Namen für den Raster einzugeben. Hier: velocity-tmax.tif.

• Run die Rasterisierung.

Der resultierende velocity-tmax-Raster wird dem Layers-Panel hinzugefügt. Für eine bessere Visualisierung ist einige Farbe hilfreich. Klicken Sie daher auf den neuen velocity-tmax, um seine Eigenschaften zu öffnen. Gehen Sie zum *Symbology, ändern Sie den Render Typ an Singleband pseudocolor und verwenden Sie Ihre Lieblingsfarbampe und die Anzahl der Klassen zur Visualisierung der Geschwindigkeit. Um 0-entries unsichtbar zu machen, klicke auf ihr Color-Symbol und setze das Opacity auf 0% oder setze das Min an 0.0001.

Ergebnisse analysieren¶

Die erste Analyse der Ergebnisse sollte die grundlegende Korrektheit des Modells beispielsweise in Bezug auf die Massenbilanz und seine zeitliche Entwicklung berücksichtigen. Hierfür öffnen Sie den *Time Controller im QGIS-Topmenü.

Quantitativer Discharge Convergence¶

Während der Simulation fließen die Keywords MASS-BALANCE : YES und/oder PRINTING CUMULATED FLOWRATES : YES-Druckmassen über Flüssigkeitsgrenzen im Terminal. Um die Flussraten und die Volumenbilanz rückwirkend zu überprüfen, muss die Simulation mit der -s-Flagge ausgeführt sein, die den Simulationszustand in einer Datei speichert, die wie steady2d.cas_YEAR-MM-DD-HHhMMminSSs.sortie genannt wird. Basierend auf der .sortie-Datei können Summen von Flußmitteln, Gesamtvolumen und Volumenfehler mit den Python-Skripten extrahiert und analysiert werden, die zusammen mit der Telemac-Installation (HOMETEL/scripts/python3/) bereitgestellt werden. Die Telemac Jupyter Notebooks (HOMETEL/notebooks/ > data manip/extraction/*.ipynb oder workshops/exo fluxes.ipynb) erläutern die Verwendung der Python-Skripte. Eine ausführliche Diskussion über Konvergenz und getwitterte Python-Skripte (pythomac) finden Sie in diesem eBook, im Kapitel quantitative Telemac convergence analysis. Mit diesen Skripten wurde Fig. 4 generiert, die die Ströme über die beiden Grenzen der stationären-2d-Studie zeigten und die Konvergenz nach etwa 7000 Zeitschritten anzeigten.

Qualitative Geschwindigkeit, Tiefe und Entladung Evolution¶

Die Konvergenz von Wassertiefe und Strömungsgeschwindigkeit und damit die Entladung kann in QGIS durch den Time Controller qualitativ beobachtet werden (siehe Aktivierung in Fig. 5). Die Frequenz der Bilder kann durch Klicken auf das Zahnrad des Zeitreglers eingestellt werden, und Bildsequenzen, die durch Klicken in der Play Taste gespielt werden. Zusätzlich verwendet Fig. 5 eine Überlagerung von Wassertiefe Pixelfarben (Kontourendiagramm) und Strömungsgeschwindigkeitsvektoren, die im Layer Styling Panel definiert sind. Die Nord- und Entladepfeile und der Titel sind Dekoratoren, die in View***Decorators gefunden werden können.

Um ** eine Reihe von Bildern zu exportieren, um sie in einen Film-ähnlichen GIF** zu verwandeln, verwenden Sie die Save Taste des Zeitreglers. Legen Sie die gewünschte Auflösung ein und definieren Sie einen Ausgabeordner. Die Serie von PNG-Bildern kann dann beispielsweise mit GIMP in einen GIF umgewandelt werden. Zu diesem Zweck herunterladen und öffnen Sie GIMP, dann:

• Öffnen Sie das erste Bild der exportierten Serie.

• Ziehen Sie alle anderen exportierten Bilder in das Layers Panel von GIMP.

• Umkehren Sie die Reihenfolge der Schichten in GIMP: Layer***Stack******* Reverse Layer Order.

• Speichern Sie das Bild als GIF: Datei**

• Select a folder to save the file, in the Name field enter [any-name].GIF, and click Export.

• Im Popup-Fenster aktivieren As Animation und Loop für immer mit einer empfohlenen Verzögerung zwischen Frames von 100 Millisekunden*. Halten Sie alle anderen Voreinstellungen und klicken Sie auf Export.

Die animierte Abbildung unten zeigt einen exportierten GIF mit Wassertiefe im Hintergrund und Strömungsgeschwindigkeit als Stromlinienvektoren von 0 bis 2,0 m/s. Die Animation zeigt, wie das Modell zu Beginn der Simulation sowohl aus seinen vorgelagerten (linken) als auch nachgeschalteten (rechts) Grenzen ausgefüllt wird. Während die vorgelagerte Entladung zusammen mit einer Wassertiefe durch eine 5 5 5-Grenze verhängt wurde, hatte die nachgeschaltete Grenze nur eine vorgeschriebene Wassertiefe 5 4 4Grenze. Die Verschreibung ausreichender Wassertiefen war notwendig, um überkritische Ströme an den Grenzen zu vermeiden, was den numerischen Modellabsturz sofort machen würde. Da der von der stromabwärtigen Grenze kommende Fluss sich bergauf bewegen muss, kann er nicht sehr schnell gehen und wird von einer von der stromaufwärtigen Grenze kommenden Wasserwelle überrollt. Wenn ein nachgeschalteter Fluss vorgegeben wurde, wäre das Modell instabiler und überbestimmter gewesen.

GIF sequence of a dry-initialized Telemac2d model (large file size!)

Übung: Erste Bedingungen¶

Die oben genannten Fig. 1 und depth-velocity animation weisen auf Stabilität nach ca. 7000 Zeitschritten hin. Ein nass-initialisiertes Modell konvergiert viel schneller, erfordert aber entweder einen vorherigen Ablauf einer trockenen Modell-Initialisierung, oder es kann andere anfängliche Zustand Keywords in Telemac verwenden. Idealerweise wird das trocken-initialisierte Modell als sogenannter Hotstart-Zustand für ein nass-initialisiertes Modell verwendet, wie es in der unsteady 2d tutorial beschrieben ist.

Hinweise zur Kalibrierung¶

Refresher: Wie funktioniert die Kalibrierung?¶

Calibration beinhaltet die schrittweise Anpassung von Modelleingangsparametern, um eine möglicherweise beste (statistische) Passform von Modell- und Messdaten zu liefern. Bei der Modellkalibrierung sollte nur ein Parameter zu einem Zeitpunkt um 10 bis 20 % Abweichungen von seinem Standardwert geändert werden. Zum Beispiel, wenn der Anfang FRICTION COEFFICIENT : 0.03, die Kalibrierung kann testen für FRICTION COEFFICIENT : 0.033, dann FRICTION COEFFICIENT : 0.036, FRICTION COEFFICIENT : 0.027 und so weiter, letztlich herauszufinden, welchen Wert für FRICTION COEFFICIENT* bringt die Modellergebnisse am nächsten zu Beobachtungen.

Darüber hinaus vergleicht eine Sensitivitätsanalyse stufenweise Modifikationen mehrerer Parameter (noch: ein zu einem Zeitpunkt) und deren Wirkung auf Modellergebnisse. Wenn z.B. eine 10 %ige Variation von FRICTION COEFFICIENT eine 5 %ige Veränderung der globalen Wassertiefe ergibt, während eine 10 %ige Variation der Rastergröße (Gedgelänge) eine 20 %ige Veränderung der globalen Wassertiefe ergibt, kann der Schluss gezogen werden, dass die Modellempfindlichkeit gegenüber der Rastergröße höher ist. Solche Schlussfolgerungen erfordern jedoch sorgfältige Überlegungen in multiparametrischen, komplexen Modellen von Flussökosystemen.

Kalibrierparameter in Telemac¶

Die folgenden Parameter können zur Kalibrierung eines 2d-Modells zu Messungen (z.B. Wasserflächenerhebung, Wassertiefe oder Strömungsgeschwindigkeitsdaten) verwendet werden:

• *FRICTION COEFFICIENT (friction section)

• Solvers, Lösungsoptionen, Implizitierung und andere numerische Parameter (numerical parameter section)

• Typ Modell initialization

• Turbulence models and parameters

Nächste Schritte¶

1. Stellen Sie sicher, dass die Simulation nach den Beschreibungen im Scheinwerferkapitel auf mass balance konservativ ist.

2. Finden Sie eine aussagekräftige Simulationsdauer für die Konvergenz einer trocken-initialisierten Simulation nach den Algorithmen des Kapitels quantitative convergence.

3. Verwenden Sie das trocken-initialisierte Modell, um mindestens 2-3 stationäre Entladungen zu simulieren (mit hotstart conditions), für die Messdaten für calibration und Validierung verfügbar sind.

4. Das kalibrierte und validierte Modell kann

• verwendet für unsteady hydrodynamicSimulationen, und

• Basis für morphodynamische sediment transport modeling with Gaia.