Беликов Виталий Васильевич. Совершенствование методов и технологий прикладного численного моделирования в гидравлике открытых потоков

Короткий опис

Беликов Виталий Васильевич. Совершенствование методов и технологий прикладного численного моделирования в гидравлике открытых потоков : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.16 Москва, 2005 373 с. РГБ ОД, 71:05-5/675

Российское акционерное общество энергетики и электрификации
"Единая энергетическая система России" (РАО «ЕЭС России»)
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт
энергетических сооружений" (ОАО «НИИЭС»)
На правах рукописи
БЕЛИКОВ Виталий Васильевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ
ПРИКЛАДНОГО ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В
ГИДРАВЛИКЕ ОТКРЫТЫХ ПОТОКОВ
Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология
Диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва - 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Математические и численные модели течений в приближении мелкой воды на нерегулярных сетках 21
1.0 Существующие и перспективные подходы к компьютерному моделированию открытых потоков 21
1.1. Одномерные уравнения Сен-Венана в деформируемом русле и их
дискретизация 26
1.2. Неявная схема конечных объемов на треугольной сетке для расчета
течений с малыми и умеренными числами Фруда в двумерной плановой постановке 43
1.3. Явная схема распада разрывов для расчета течений с умеренными и
большими числами Фруда на гибридных сетках 52
1.4. Двухслойная двумерная модель паводковых течений 75
1.5. Компьютерные программы для расчета открытых потоков 84
Глава 2. Технологии компьютерного моделирования открытых потоков92
2.1. Сбор и обработка исходных данных, схематизация объекта
исследования, выбор адекватных численных моделей 92
2.2. Принципиальная схема применения ГИС-технологий 103
2.3. Генерация неструктурированных гибридных сеток 106
2.4. Методика интерполяции рельефа земной поверхности в узлы расчетной
сетки 113
2.5. Тестирование, калибровка и верификация компьютерных моделей 124
Глава 3. Численное моделирование паводковых, ветровых и приливных течений в сложных ситуационных условиях с учетом природных и антропогенных воздействий 134
3.1. Компьютерная модель Москворецкой речной системы 134
3.2. Расчет зон затопления низовьев р.Волга при паводках с учетом
переменного уровня Каспийского моря 154

3.3. Моделирование паводковых течений на полуострове Ямал с учетом
промысловых автодорог и ветровых нагонов 162
3.4. Выбор проектных решений по ликвидации последствий
катастрофического наводнения в Приморском крае на основе результатов
компьютерного моделирования 172
3.5. Исследование взаимодействия стоковых, приливных и ветровых течений
в мелководных заливах на о. Сахалин 188
Глава 4. Разработка и применение компьютерных гидравлических
моделей участков рек при проектировании гидротехнических
сооружений 206
4.1. Численное исследование влияния инженерных сооружений на глубину
затопления поймы р.Туры в районе г.Тюмени 206
4.2. Компьютерный анализ вариантов водозаборного ковша г. Якутска с
учетом влияния русловых деформаций р. Лена 219
4.3. Расчет сопряжения отводящего канала ГЭС с руслом р. Кванза в нижнем
бьефе гидроузла Капанда (Ангола) 231
4.4. Прогнозирование влияния русловых полузапруд на изменение условий
судоходства в нижнем бьефе Горьковской ГЭС 248
4.5. Исследование уровенных режимов р. Волга в бьефах проектируемого
Нижегородского гидроузла на численной гидравлической модели 261
Глава 5. Расчет параметров волн прорыва в бьефах гидроузлов как
основа для оценки вероятного вреда от их прохождения 272
5.1. Особенности численного моделирования развития прорана в грунтовой
плотине (на примере р. Pjorsa в Исландии) 272
5.2. Примеры расчета параметров прорывных паводков на малом водотоке и
крупной реке с применением ГИС-технологий 282
5.3. Балльная система оценки степени возможных разрушений от наводнений
294
и волн прорыва.

5.4. Компьютерное моделирование дождевого паводка, приведшего к
разрушению плотины (на примере р. Дюрсо под Новороссийском) 303
5.5. Гидравлические расчеты параметров волны излива и оценка зон
затопления в случае повреждения сооружений Саратовской ГЭС 313
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 331
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 337
ПРИЛОЖЕНИЕ 358

ф
4

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные в диссертации математические модели, численные ме-тоды и компьютерные технологии применялись для решения многих практи-ческих задач гидравлики мелководных открытых потоков. В одних случаях численное моделирование позволило заменить дорогостоящий физический эксперимент, в других - исследовать сложную пространственную структуру течений на обширных территориях, в третьих — осуществить расчет и про¬гноз динамики распространения паводковых волн естественной и техноген¬ной природы в протяженной русловой сети, и т.д. Предложенные автором методы и технологии расчетов на адаптивных гибридных сетках с примене¬нием современных геоинформационных систем обеспечивают быстрое и эф-фективное построение компьютерных гидравлических моделей реальных объектов и проведение многовариантных проработок возможных проектных и управленческих решений с целью их оптимизации.
& Сформулируем наиболее важные конкретные результаты, полученные
в процессе выполнения диссертационной работы.
1. Разработан комплекс математических моделей, алгоритмов и про¬грамм расчета нестратифицированных открытых потоков в приближении мелкой воды, позволяющий исследовать широкий класс нестационарных те¬чений в одномерной, двумерной и двухслойной схематизациях с учетом де-формируемого дна и при любых числах Фруда. В составе комплекса:
■ Численная модель паводкового стока с речных бассейнов, использую¬щая “неотрицательный" алгоритм расчета по уравнению диффузионной вол¬ны и реализующая принцип блочного конструирования моделей водосборов;
■ Одномерная численная модель и программа расчета течений в русло¬вой сети с учетом транспорта наносов, деформируемого дна, пойменной ак-кумуляции, переменного бокового притока и сквозного расчета водосливных плотин в условиях подтопления со стороны нижнего бьефа;
331

■ Неявная схема конечных объемов для расчета течений и деформаций дна в дву.мерной плановой постановке на треугольных сетках, обеспечиваю¬щая консервативную аппроксимацию конвективных членов и пригодная для моделирования водоворотных зон;
■ Явная схема распада разрывов и компьютерная программа для расчета течений с большими числами Фруда на гибридных треугольно¬четырехугольных сетках, позволяющая производить сквозной счет при на¬личии гидравлических прыжков и зон обмеления;
■ Двухслойная одномерно-двумерная математическая модель паводко¬вых течений, построенная без введения новых эмпирических констант, и ее численная реализация на треугольных сетках для исследования течений в системе меандрирующих русел с широкой поймой и при наличии искусст-венных сооружений.
Все программы, входящие в состав комплекса, сертифицированы [30,36,39-41].
2. Разработаны современные методы и технологии компьютерного мо-делирования открытых потоков, включающие:
■ Технологию и программу подготовки цифровой модели рельефа с ис-пользованием электронных топографических карт и промеров глубин с при-менением систем спутникового позиционирования;
■ Алгоритм и программу построения нерегулярных треугольных и гиб-ридных треугольно-четырехугольных сеток, визуально адаптируемых к гео-метрии и батиметрии области и особенностям течения;
■ Метод, алгоритм и программу интерполяции рельефа земной поверхно¬сти и других величин, заданных на нерегулярных наборах точек, в узлы рас¬четной сетки;
■ Принципы и методы схематизации объекта исследования, выбора адек-ватных численных моделей, их калибровки и верификации;

■ Методику и программу визуализации результатов расчетов с примене-нием ГИС-технологий.
3. Произведена апробация разработанных методов и технологий чис-ленного моделирования, как на тестовых задачах, так и на более чем 50 ре-альных объектах.
■ Созданы компьютерные гидравлические модели бассейнов и участков рек. В их числе: модель Москворецкой речной системы; модели протяжен¬ных участков р. Волга (от Верхневолжского бейшлота до Иваньковской пло¬тины (600 км) и далее до Горьковского гидроузла (700 км), от Горьковского г/у до п. Сормово (50 км); от Жигулевской до Волгоградской плотины и да¬лее до устья (более 1300 км)); несколько участков р. Лена и ее притоков (в районе г.г. Ленска, Олекминска, Якутска, Вилюйска; устья р. Алдан), модель
р. Волхов и оз. Ильмень с притоками, модель речной системы Преголя- Дейма-Лава в Калининградской области и др.
■ С применением разработанного программного обеспечения произво¬ла дился гидравлический расчет мостовых переходов в Западной Сибири, на п/о
Ямал, на Дальнем Востоке; нижних бьефов Горьковского г/у, г/у Капанда (Ангола), г/у Белоомут на р. Ока и др.; волн прорыва в бьефах Истринского, Красноярского, Угличского, Рыбинского, Саратовского, Сызранского, Крас-нодарского, Новосибирского гидроузлов, разрушения плотины на р. Дюрсо под Новороссийском; решались задачи о размывах подводных переходов трубопроводов (р.р. Обь, Белая, Кама, оз. Чайво, Пильтун (о. Сахалин)), об обеспечении условий судоходства (р.р. Дон, Белая, Волга, Ока, Лена), об оп-тимизации конструкций водозаборных и берегозащитных сооружений и уменьшении негативных русловых деформаций (р.р. Колыма, Лена, Вилюй, Белая, протока Бузан); а также ряд других задач.
■ Сопоставление результатов расчетов с данными натурных измерений показало достаточную для практических приложений точность разработан¬ных методик. Общий объем выполняемых исследований (до 10 проектов в
333

год силами нескольких человек) доказывает эффективность разработанной технологической цепочки и всех ее звеньев.
4. Результаты численного моделирования использовались в научно-исследовательских, проектных и производственных организациях для разра-ботки рекомендательных и нормативных документов, для выбора оптималь¬ных проектных и управленческих решений, составления декларации безопас¬ности ГТС и т.п. Разработанные автором программы внедрены в ряде учеб¬ных, проектных и производственных организаций: МГУ им. Ломоносова, МФТИ, С.Петербургский Государственный Университет водных коммуника¬ций, МГУП "Мосводоканал", ФГУП "Канал им. Москвы", ОАО "Гипрореч- транс", ОАО "Научно-исследовательский институт энергетических сооруже¬ний".
5. На основе анализа результатов расчетов сформулирован ряд выво¬дов, в том числе:
■ Вывод о слабой пространственной и временной изменчивости коэффи-циента шероховатости по Маннингу в руслах равнинных рек при расчетах по двумерным уравнениям Сен-Венана с учетом конвективных членов (т.е. ко¬гда все потери напора, кроме трения, учитываются непосредственно уравне¬ниями) и при наличии хорошей батиметрии. Для всех исследованных объек¬тов (более 30 по двумерным моделям) в различных климатических зонах ко¬эффициент шероховатости варьировался в пределах от 0.022 до 0.028 со средним значением (в 70 % случаев) 0.025. Максимальное значение 0.028 достигалось на участке скального переката Хатын-Тумул на средней Лене, причем оно не изменялось в широком диапазоне расходов от 3000 мЗ/с до 40 000 мЗ/с (натурный эксперимент). Минимальное значение 0.022-0.023 дос¬тигалось на участках рек, сложенных галечно-гравелистым грунтом (р. Лена в районе г. Ленска, г. Олекминска, р. Колыма у пос. Зырянка) и также прак¬тически не зависело от уровней воды. Коэффициенты шероховатости поймы также не очень сильно варьируются (на практике от 0.04 до 0.07 со средним

значением 0.05). Этот вывод имеет большое практическое значение, посколь¬ку позволяет проводить расчеты речных участков, даже не имея данных для калибровки модели.
* ■ Вывод о возможности решения одной из основных задач гидравлики -
распределения расходов между рукавами многорукавного русла - для всех фаз гидрологического режима (от паводка до межени) без специального под¬бора коэффициентов шероховатости, если использовать детальную батимет¬рию русел, двумерные уравнения мелкой воды и достаточно густые расчет¬ные сетки.
■ Вывод о необходимости применения двухслойных моделей мелкой во¬ды при расчете течений в системе меандрирующих русел с затапливаемой широкой поймой. Стандартные одномерные методики дают в этих случаях очень неточные результаты.
* Вывод об эффективности краткосрочного прогноза расходов и уровней воды в реках, основанного на принципе “ дубль-прогноза“, когда расчет бо- ^ ковой приточности ведется по двум принципиально различным методикам
(по модулю стока и по метеорологическим данным), а прогноз осуществляет¬ся путем экстраполяции натурной кривой с учетом вида двух расчетных кри¬вых.
6. В процессе разработки методики расчета волны прорыва при разру-шении гидроузлов получены следующие результаты.
■ Сформулирован вывод о необходимости применения в расчетах сер-тифицированных электронных топографических карт, позволяющих “привя-зать” параметры волны прорыва и зоны затопления к инфраструктуре рас-четной области.
■ Разработан алгоритм (и программа) совместного расчета (по двумер¬ным уравнениям Сен-Венана) водопропускных сооружений гидроузла и про¬рана в грунтовой части плотины, позволяющий адекватно рассчитывать сум¬марные расходы через водосбросы и проран с учетом реальной батиметрии
335

водохранилища и притока воды к нему. Оказалось, что для некоторых гидро-технических объектов никакие разумные сценарии аварии напорного фронта не приводят к ущербам, превышающим величину ущербов при прохождении расчетных паводков.
■ Разработана балльная система оценки степени разрушений и ущербов при прохождении природной или техногенной паводковой волны, основан¬ная на удельной энергии потока. Карта возможных ущербов, построенная по 12-балльной шкале, позволяет оценить масштабы разрушений, назначить страховые ставки, определить мероприятия по предотвращению ущербов.
■ Сформулирован вывод о неэффективности создания упрощенных ме-тодик расчета волны прорыва, использующих некие характерные параметры гидроузла и водотока. Опыт расчетов показывает, что каждый гидротехниче-ский объект является уникальным, характеризуется своей, присущей только ему, батиметрией, топографией, конструктивными особенностями, инфра-структурой нижнего бьефа, и поэтому требует индивидуального подхода к построению адекватной численной модели и исследованию возможных сце-нариев и последствий гидродинамической аварии.