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Über Telemac3d

Telemac3d löst die Navier-Stokes-Gleichungen entlang eines dreidimensionalen (3d) Rechengitters mit einem endlichen Elementschema. Telemac3d trägt das tetraedrische 3d-Netz aus einem dreieckigen 2d-Netz in einer benutzerdefinierten Anzahl von vertikalen Schichten. Die Anzahl der vertikalen Schichten wird in der TELEMAC-Lenkung (CAS)-Datei definiert.

Steady 3d Simulationen mit Telemac

Dieses Tutorial zeigt, wie eine stetige Entladung mit Telemac3d mit dem SLF-Geometrieformat simuliert werden kann. *Das Tutorial baut auf der stetigen2d-Simulation der 35-m3^3/s-Entladung auf und benötigt die folgenden Daten aus den pre-processing und steady2d Tutorials, die durch Klicken auf die Dateinamen heruntergeladen werden können:

Betrachten Sie das Speichern der Dateien in einem neuen Ordner, wie /steady3d-tutorial/.

Wiederverwendung des 2d Modells

Die Simulation von 3d-Flow-Phänomenen-Flows erfordert die Anpassung von Schlüsselwörtern und zusätzlichen Schlüsselwörtern (z.B. zur Verknüpfung von Flüssigkeitsgrenzdateien) in der Steuerungsdatei (*.cas) aus dem stationären 2d-Tutorial (download stationär2d.cas).

Datei steuern

This tutorial features a steady, hydrodynamic model with an inflow rate of 35 m3^3/s (prescribed upstream flow rate boundary) and an outflow depth of 2 m (prescribed downstream elevation). The simulation uses 5 vertical layers that constitute a numerical grid of prisms. 3d outputs of U (x-direction), V (y-direction), and W (z-direction) velocities, as well as the elevation Z, are written to a file named r3dsteady.slf. 2d outputs of depth-averaged U velocity (x-direction), depth-averaged V velocity (y-direction), and water depth h are written to a file named r2d3dsteady.slf.

Der folgende Codeblock zeigt die Lenkdatei t3d_flume.cas und Details für jeden Parameter werden nach dem Codeblock bereitgestellt. Der slash / charakter kommentiert Zeilen (d.h. TELEMAC ignoriert alles in einer Zeile des /-Zeichens). Der :-Zeichen trennt VARIABLE NAME und VALUEs. Alternativ zum : kann auch ein =-Zeichen verwendet werden. Die &ETA am Ende der Datei macht TELEMAC eine Liste der verwendeten Keywords aus (in der DAMOCLES-Routine).

Expand to view the steady3d.cas steering file
/ steady3d.cas
/------------------------------------------------------------------/
/			COMPUTATION ENVIRONMENT
/------------------------------------------------------------------/
/
TITLE : '3d steady'
MASS-BALANCE : YES
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE            : qgismesh.slf
3D RESULT FILE           : r3dsteady.slf
2D RESULT FILE           : r2d3dsteady.med
/ FILE FOR 2D CONTINUATION : r2dsteady.slf / activates 2d-init automatically since v9.0 (no extra keyword needed)
/
VARIABLES FOR 2D GRAPHIC PRINTOUTS : U,V,H,S,Q,F / Q enables boundary flux equilibrium controls
VARIABLES FOR 3D GRAPHIC PRINTOUTS : Z,U,V,W
/
/------------------------------------------------------------------/
/			GENERAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
/
TIME STEP : 1.
NUMBER OF TIME STEPS : 8000
GRAPHIC PRINTOUT PERIOD : 500
LISTING PRINTOUT PERIOD : 200
/
/------------------------------------------------------------------/
/			VERTICAL
/------------------------------------------------------------------/
/ vertical cell height defined by initial condition x no. of levels
/ will be adapted for every time step
NUMBER OF HORIZONTAL LEVELS : 5 / default and minimum is 2, upward vertical direction
MESH TRANSFORMATION : 1 / 0-CALCOT (user defined) 1-SIGMA (default) 3-user defined
ELEMENT : 'PRISM' / default is 'PRISM' but preferably use 'TETRAHEDRON'
/
/------------------------------------------------------------------/
/			NUMERICAL PARAMETERS
/------------------------------------------------------------------/
/
/ ADVECTION-DIFFUSION
/------------------------------------------------------------------
SCHEME FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 5
SCHEME FOR ADVECTION OF K-EPSILON : 5
SCHEME FOR ADVECTION OF TRACERS : 5
SCHEME OPTION FOR ADVECTION OF VELOCITIES : 4 / use 2 for without tidal flats for speed
SCHEME OPTION FOR ADVECTION OF K-EPSILON : 4
SCHEME OPTION FOR ADVECTION OF TRACERS : 4
/
MATRIX STORAGE : 3 / 1 (element-by-element), 3 (segment-wise faster)
SUPG OPTION : 1  / 0=none 1=classical SUPG (default) 2=Courant-scaled; single integer since v9.0
/
/ PROPAGATION HEIGHT AND STABILITY
/ ------------------------------------------------------------------
IMPLICITATION FOR DEPTH : 0.55 / should be between 0.55 and 0.6
IMPLICITATION FOR VELOCITIES : 0.55 / should be between 0.55 and 0.6
IMPLICITATION FOR DIFFUSION : 1.
FREE SURFACE GRADIENT COMPATIBILITY : 0.1  / default 1.
/
/ MASS LUMPING - enable to fasten calculations (smoothens) - possibly avoid in 3d
/ ------------------------------------------------------------------
/ MASS-LUMPING FOR DIFFUSION : 1 / 1 is ON - 0 is OFF (default)
/ MASS-LUMPING FOR DEPTH : 1.  / VELOCITY has no effect
/ MASS-LUMPING FOR WEAK CHARACTERISTICS : 1
/
/------------------------------------------------------------------/
/			HYDRODYNAMICS
/------------------------------------------------------------------/
/
/ HYDRODYNAMIC SOLVER
/------------------------------------------------------------------
NON-HYDROSTATIC VERSION : YES
/ solver options are
/ 1-conjugate method 2-conjugate residual method 3-conjugate gradient
/ 4-minimum error 5-square conjugate gradient 6-stabilized conjugate gradient CGSTAB
/ 7-Generalised Minimum RESidual GMRES is the favorite for improperly conditioned systems - RECOMMENDED in 3d
/ 8-direct solver YSMP (Yale) is not working with parallel versions
SOLVER FOR DIFFUSION OF VELOCITIES : 1 / 1-default
SOLVER FOR PROPAGATION : 7 / 7-default
SOLVER FOR PPE : 7 / 7-default
/ SOLVER FOR DIFFUSION OF TRACERS : 1 / one value per tracer
SOLVER FOR DIFFUSION OF K-EPSILON : 1 / 1-default
/
/ Set OPTIONS for GMRES
/ Increasing values for precision, but also more memory consumption
OPTION OF SOLVER FOR DIFFUSION OF VELOCITIES : 5 / 5-default since v8
OPTION OF SOLVER FOR PROPAGATION : 5 / 5-default since v8
OPTION OF SOLVER FOR PPE : 5 / 5-default since v8
OPTION OF SOLVER FOR DIFFUSION OF K-EPSILON : 5 / 5-default since v8
/
/ Solver ACCURACY
ACCURACY FOR DIFFUSION OF VELOCITIES : 1.E-8 / default is 1.E-8
ACCURACY FOR PROPAGATION : 1.E-8 / default is 1.E-8
ACCURACY FOR PPE : 1.E-4 / default is 1.E-4
ACCURACY FOR DIFFUSION OF K-EPSILON : 1.E-8 / default is 1.E-8
/
/ Solver MAXIMUM ITERATIONS
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR DIFFUSION OF VELOCITIES : 100 / default is 60
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR PROPAGATION : 200 / default is 100
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR PPE : 100 / default is 100
MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR DIFFUSION OF K-EPSILON : 200 / default is 200
/
/ PRECONDITIONING - DEFAULT Value is 2 for all
PRECONDITIONING FOR DIFFUSION OF VELOCITIES : 2
PRECONDITIONING FOR PROPAGATION : 2
PRECONDITIONING FOR PPE : 2
PRECONDITIONING FOR DIFFUSION OF TRACERS : 2
PRECONDITIONING FOR DIFFUSION OF K-EPSILON : 2
/
/ BOUNDARY CONDITIONS
/------------------------------------------------------------------
/ Use Nikuradse roughness law - all others are not 3D compatible
LAW OF BOTTOM FRICTION : 5
LAW OF FRICTION ON LATERAL BOUNDARIES : 5  / for natural banks - 0 for symmetry
FRICTION COEFFICIENT FOR THE BOTTOM : 0.1 / 3 times d90 according to van Rijn
/
/ Liquid boundaries - avoid Thompson (invalid in 3d)
PRESCRIBED FLOWRATES  : 35.;35.
PRESCRIBED ELEVATIONS : 0.;371.33
/
/ INITIAL CONDITIONS
/ ------------------------------------------------------------------
INITIAL CONDITIONS : 'CONSTANT DEPTH' / or CONSTANT DEPTH see docs sec. 4.2
INITIAL DEPTH : 0.1
INITIAL GUESS FOR DEPTH : 1 / INTEGER for speeding up calculations
/
/ Other
/------------------------------------------------------------------
VELOCITY VERTICAL PROFILES : 2;2 / 0 (user-defined), 1 (Constant), 2 (Log)
VELOCITY PROFILES : 1;1 / horizontal profile
/
/------------------------------------------------------------------/
/			TIDAL FLATS
/------------------------------------------------------------------/
TIDAL FLATS : YES / default is YES - disable for faster model runs
/ TREATMENT OF NEGATIVE DEPTHS : 2 / requires mass lumping for depth set to 1
TREATMENT ON TIDAL FLATS FOR TRACERS : 1 / ensure conservation
/ more in section docs 6.6
/
/------------------------------------------------------------------/
/			TURBULENCE
/------------------------------------------------------------------/
/ in 3d use k-epsilon model, alternatively Spalart-Allmaras (5) or
/  Smagorinsky (4) for highly non-linear flow
HORIZONTAL TURBULENCE MODEL : 3
VERTICAL TURBULENCE MODEL : 3
MIXING LENGTH MODEL : 3 / telemac docs sec. 5.2.2
COEFFICIENT FOR HORIZONTAL DIFFUSION OF VELOCITIES : 1.E-6 / is default
COEFFICIENT FOR VERTICAL DIFFUSION OF VELOCITIES   : 1.E-6 / is default
/
/------------------------------------------------------------------/
/			PARALLELISM
/------------------------------------------------------------------/
PARALLEL PROCESSORS : 0 / default is 0 - all others define number of processors
/ PARTIONING TOOL : METIS / default is METIS, others are SCOTCH, PARMETIS, PTSCOTCH
/
/ ENABLE COMMAND PRINTS IN TERMINAL
&ETA

Computing Environment

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 3 in der Telemac3d manual.

Die Berechnungsumgebung definiert eine Title* (z.B. TELEMAC 3D FLUME). Die wichtigsten Parameter sind die input Dateien:

Der output* kann mit folgenden Keywords definiert werden:

Darüber hinaus druckt die MASS-BALANCE : YES-Einstellung die Massenflüsse und Fehler in der Rechenregion aus, was ein wichtiger Parameter für die Überprüfung der Plausibilität des Modells ist.

Allgemeine Parameter

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 3.2 in der Telemac3d manual.

Die Allgemeine Parameter geben time und location Einstellungen für die Simulation an:

Ändern Sie die Zeitparameter, um den Effekt in der Simulation später zu untersuchen.

Numerische Parameter

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 6 in der Telemac3d manual.

Dieser Abschnitt definiert interne numerische Parameter für die Advection und Diffusion.

In Telemac3d wird empfohlen, das sogenannte Distributive Predictor-corrector (PSI)-System (lesen Sie mehr at the BAW’s Hydraulic Engineering Repository) mit lokaler Implikation für Gezeitenwohnungen (für Geschwindigkeit, Tracer und k-epsilon) zu verwenden:

Diese Werte (5 für das System und 4 für die Systemoption) sind Standardwerte seit v8p1, aber es macht immer noch Sinn, diese Parameter für die Rückwärtskompatibilität der Lenkdatei zu definieren. Wenn das Auftreten von Gezeitenwohnungen ausgeschlossen werden kann (Anmerkung, dass bereits ein wenig Rückwasser vor einer Barriere eine Gezeitenwohnung darstellen kann), kann die SCHEME OPTIONS zur Beschleunigung der Simulation in der Regel auf 2 gesetzt werden.

Ähnlich wie Advection können die obigen Keywords verwendet werden, um DiffusionSchritte zu definieren (ADVECTION mit DIFFUSION in den Keywords zu ersetzen), wobei ein Wert von 0 verwendet werden kann, um den Standardwert von 1 und disable Diffusion zu überschreiben.

Das Schlüsselwort SUPG OPTION (Streamline Upwind Petrov Galerkin) steuert, ob Upwinding gilt und welche Art von Upwinding verwendet wird. Seit v9.0 nimmt dieses Keyword eine single ganze Zahl* (Earlierversionen akzeptierten eine Vierelementliste; dieses Formular ist nicht mehr gültig):

Lesen Sie mehr in Abschnitt 6.2.2 der Telemac3d manual.

Eine zusätzliche Möglichkeit zur Beschleunigung besteht darin, eine Massenklumpung für Diffusion, Tiefe und/oder schwache Eigenschaften zu ermöglichen. Massenklumpen führt zu schneller Konvergenz, aber es führt künstliche Dispersion in den Ergebnissen ein, weshalb die Massenklumpung durch die TELEMAC-Entwickler entmutigt wird. Die bereitgestellte steady3d.cas umfasst die Schlüsselwörter für Massenklumpen, obwohl sie über die / zu Beginn der Zeile deaktiviert sind.

** Implizitierungsparameter* (IMPLICITATION FOR DEPTH und IMPLICITATION FOR VELOCITIES) sollten zwischen 0,55 und 0,60 (Standard 0,55 seit v8p1) eingestellt werden und den Grad der zeitlichen Gewichtung in der Diskretisierung kontrollieren. IMPLICITATION FOR DIFFUSION wird standardmäßig auf 1.0 gesetzt. Lesen Sie mehr in Abschnitt 6.4 der Telemac3d manual.

Mit dem Parameter FREE SURFACE GRADIENT COMPATIBILITY kann die Modellstabilität erhöht werden. Sein Standardwert ist 1.0, aber es kann auf 0.1 reduziert werden, um störende Schwingungen in Modellen mit steilen Badgradienten zu unterdrücken.

Für Flusshydraulik wird die Aktivierung der nicht-hydrostatischen Druckkorrektur empfohlen: NON-HYDROSTATIC VERSION : YES. Dies fügt zu jedem Zeitschritt eine Poisson-Gleichung (PPE) hinzu, deren Soldat von SOLVER FOR PPE,OPTION OF SOLVER FOR PPE, ACCURACY FOR PPE,MAXIMUM NUMBER OF ITERATIONS FOR PPE und PRECONDITIONING FOR PPE gesteuert wird. Der Standardlöser der CAS-Datei (7, GMRES) und das Genauigkeitsziel von 1.E-4 sind für die meisten Flussmodelle geeignet. Lesen Sie mehr über die Solvenzparameter in Abschnitt 6.5 der Telemac3d manual.

Vertikale (3d) Parameter

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 4.1 in der Telemac3d manual.

Telemac3d wird Horizontal Ebenen (d.h. Schichten) hinzufügen, die Kopien der 2d-mesh entsprechen, um eine 3d-mesh Prismen (Standard) oder Tetraeder zu bauen. Diese Parameter können definiert werden mit:

Um mit dem Schreiben von Subroutinen zu beginnen (es ist keine Magie), werfen Sie einen Blick auf das *bottom bc Beispiel (~/telemac/v9.0.0/examples/telemac3d/bottom_bc/). Insbesondere prüfen Sie die Benutzer fortran-Datei /user_fortran-source/user_mesh_transf.f und deren Ruf in der Lenkdatei t3d_bottom_source.cas durch die Definition des FORTRAN FILEkeyword und der Einstellung von MESH TRANSFORMATION : 2.

Geöffnet (flüssig)

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 4.2 in der Telemac3d manual.

Parameter für *Boundary Conditions ermöglichen die Definition von Rauhigkeitsgesetzen und Eigenschaften von Flüssigkeitsgrenzen.

TELEMAC-Entwickler empfehlen die Nutzung des Nikuradse (1933)Rohheitsgesetzes in 3d (Anzahl 5), da alle anderen nicht sinnvoll oder nicht integral in der 3d-Version implementiert sind. Um das Nikuradse (1933)Rohheitsrecht auf den Grund und die Grenzen anzuwenden, verwenden Sie:

Die Flüssiggrenzwerte für PRESCRIBED FLOWRATES und PRESCRIBED ELEVATIONS entsprechen den Definitionen der *downstream Grenzkante in Zeile 2 und der *upstream Grenzkante in Zeile 3. Aus der Grenzdatei versteht TELEMAC die *downstream-Grenze als Randnummer 1 (erstes Listenelement) und die *upstream-Grenze als Randnummer 2 (zweites Listenelement). Daher:

The 0. value for the water does physically not make sense at the upstream boundary, but because they do not make sense, and because the boundary file (boundaries.cli) only defines (prescribes) a flow rate (by setting LIUBOR and LIVBOR to 5), TELEMAC will ignore the zero-water depth at the upstream boundary.

Anstelle einer Liste in der Steuerung *.cas-Datei können die flüssigen Randbedingungen auch mit einer flüssigen Randbedingungsdatei im Textformat ASCII definiert werden. Zu diesem Zweck kann eine LIQUID BOUNDARIES FILE oder eine STAGE-DISCHARGE CURVES FILE (§ 4.3.8 und 4.3.10 in der Telemac3d manual] definiert werden. Die steady3d.cas-Datei enthält diese Keywords im Abschnitt COMPUTATION ENVIRONMENT, obwohl sie am Anfang der Zeile durch das /-Zeichen deaktiviert sind. Eine flüssige Begrenzungsdatei (QSL) kann so aussehen:

# t3d_canal.qsl
# time-dependent inflow upstream-discharge Q(2) and outflow downstream-depth SL(1)
T           Q(2)     SL(1)
s           m3/s     m
0.            0.     374.0
500.        100.     375.0
5000.       150.     575.7

Bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit kann für alle Flüssigkeitsgrenzen ein horizontales und ein vertikales Geschwindigkeitsprofil vorgegeben werden. Bei nur einem downstream und einer upstream Flüssigkeitsgrenze (in dieser Reihenfolge nach der oben definierten Grenzdatei) sind die Geschwindigkeitsprofil-Keywords Listen von je zwei Elementen, wobei der erste Eintrag auf den downstream* und das zweite Element auf upstream Grenzkanten bezieht:

Lesen Sie mehr über Optionen zur Definition von Geschwindigkeitsprofilen in Abschnitt 4.3.12 der Telemac3d manual.

Ursprüngliche Bedingungen

Die *initial-Bedingungen beschreiben den Zustand zu Beginn der Simulation. Dieses Tutorial verwendet eine konstante Höhe (entsprechend einer konstanten Wassertiefe) von 2. und ermöglicht die Verwendung einer anfänglichen Vermutung für die Wassertiefe, um die Simulation zu beschleunigen:

Turbulenzen

Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf Abschnitt 5.2 in der Telemac3d manual.

Die Grundprinzipien der Turbulenz und deren Anwendung an die Navier-Stokes equations werden in der steady Telemac2d tutorial erläutert. In 3d empfehlen TELEMAC Entwickler das k−ϵk-\epsilon Modell (3) für die meisten Flussanwendungen. Folgende Modellnummern sind sowohl für HORIZONTAL TURBULENCE MODEL als auch für VERTICAL TURBULENCE MODEL erhältlich:

Die Lenkdatei verwendet das Modell k−ϵk-\epsilon für horizontale und vertikale Richtungen:

If VERTICAL TURBULENCE MODEL is set to 2 (mixing length), a MIXING LENGTH MODEL value can be assigned. Since v9.0, the default is 3 (Nezu & Nakagawa (1993), recommended for river flow). A value of 1 (Prandtl mixing length) remains available and is preferable for strongly tidal environments.

Laufen Telemac3d

Gehen Sie in den Konfigurationsordner der lokalen TELEMAC-Installation (z.B. ~/telemac/v9.0.0/configs/) und starten Sie die Umgebung (z.B. pysource.openmpi.sh - verwenden Sie die gleiche wie für die Erstellung von TELEMAC).

cd ~/telemac/v9.0.0/configs
source pysource.openmpi.sh
If you are using the Hydro-Informatics (Hyfo) Mint VM

Wenn Sie mit der Mint Hyfo VM zusammenarbeiten, laden Sie die TELEMAC-Umgebung wie folgt ein:

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

Mit der geladenen TELEMAC-Umgebung wechseln Sie in das Verzeichnis, in dem die oben erstellten 3d-flume-Simulationszeiten (z.B. /home/telemac/v9.0.0/mysimulations/steady3d-tutorial/) gespeichert sind und die *.cas-Datei ausführen, indem Sie das Skript telemac3d.py anrufen.

cd ~/telemac/v9.0.0/mysimulations/steady3d-tutorial/
telemac3d.py steady3d.cas

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

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

CORRECT END OF RUN

ELAPSE TIME :
                            10  MINUTES
                            17  SECONDS
... merging separated result files

... handling result files
       moving: r3dsteady.slf
... deleting working dir

My work is done
References
  1. Nikuradse, J. (1933). Strömungsgesetze in rauhen Rohren [Laws of flow in rough pipes]. VDI Forschungsheft, Beilage Zu “Forschung Auf Dem Gebiete Des Ingenieurwesens,” Ausgabe B, Band 4(361), 26.
  2. van Rijn, L. C. (2019). Critical movement of large rocks in currents and waves. International Journal of Sediment Research, 34(4), 387–398. 10.1016/j.ijsrc.2018.12.005
  3. Spalart, P., & Allmaras, S. (1992). A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. In 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (p. 22). American Institute of Aeronautics. 10.2514/6.1992-439
  4. Nezu, I., & Nakagawa, H. (1993). Turbulence in Open-Channel Flows (1st ed.). Routledge. 10.1201/9780203734902
Numerische Simulationen
Unsteady 2d
Numerische Simulationen
Gaia (Morphodynamik)