Monthly Archives Styczeń 2018

HEC-RAS

2 stycznia 2018
/ / /

HEC-RAS jest ogólnodostępnym oprogramowaniem do budowy modeli hydraulicznych. Posiada bardzo przyjazny użytkownikowi interfejs. W mojej ocenie bardziej przyjazny niż znane programy komercyjne służące do modelowania.

W module przepływów ustalonych obliczenia polegają na rozwiązaniu jednowymiarowego równania energii strumienia. Straty energii wzięte są pod uwagę poprzez tarcie obliczane z formuły Manninga i kontrakcję czyli współczynnik mnożony przez zmianę wysokości prędkości. W miejscach ruchu szybkozmiennego czyli gdy mamy do czynienia z mieszanym reżimem przepływu np. wewnątrz mostów, w miejscach połączeń lub rozdziału przepływu stosuje się równania ilości ruchu. Do modelu można wprowadzić wszelkie przeszkody takie jak: mosty, przepusty, budowle hydrotechniczne, obiekty na terenach zalewu itp. Moduł ten jest doskonały do oceny regulacji koryta, zmiany położenia wałów i wpływu zabudowy terenów zalewowych na położenie zwierciadła wód powodziowych.

HEC-RAS może obliczyć profile zwierciadła wody dla ruchu spokojnego, rwącego lub ich kombinacji.

Wydatek poszczególnych przekrojów obliczany jest poprzez podział przekroju poprzecznego na mniejsze obszary dla których można przyjąć stały rozkład prędkości. Podstawa do określenia granic to miejsca zmian współczynnika szorstkości koryta n. Dla każdego z podobszarów wydatek obliczany jest wg formuły Manninga.

Jeżeli nachylenie skarp koryta jest większe od 1:5 oraz jeżeli występuje więcej niż jedna wartość współczynnika szorstkości n, obliczony zostaje współczynnik szorstkości zastępczej – przy czym nachylenie skarp jest tu zdefiniowane jako stosunek poziomej odległości między punktami zmiany współczynnika n do różnicy ich wysokości:

Zaleca się przy tym sprawdzenie zasadności obliczonej wartości.

W module jednowymiarowym konieczne jest obliczenie pojedynczej wartości wysokości energii dla danego przekroju która jest obliczana jako średnia ważona dla całego przekroju.

 

Jako warunek brzegowy górny i dolny można wybrać głębokość krytyczną (Critical Depth). Głębokość krytyczna jest to głębokość, dla której całkowita wysokość energii strumienia jest minimalna. Jest ona wyznaczana poprzez zastosowanie procedury iteracyjnej, obliczającej wysokość energii dla kolejnych zwierciadeł wody, aż do osiągnięcia jej wartości minimalnej. Głębokość krytyczną można wyznaczyć dwiema metodami: paraboli (mniej dokładną ale szybszą) i siecznych (dokładniejszą).

Równania energii stosuje się tylko dla przepływów wolnozmiennych. Przy przejściach z ruchu spokojnego w rwący i odwrotnie kiedy mamy do czynienia z ruchem szybkozmiennym stosowana jest zasada ilości ruchu i obliczenia z formuł empirycznych.

Przy analizie przepływów silnie nadkrytycznych (Fr>1,6) może dochodzić do porwania powietrza przez strumień. W HEC-RAS stosuje się dwie formuły aby uwzględnić wpływ napowietrzania strumienia. Zależne one są od liczby Froude’a.

Ograniczenia dla przepływu ustalonego:

  • Przepływ musi być ustalony
  • Przepływ musi być wolnozmienny – poza budowlami hydrotechnicznymi.
  • Przepływ jest jednowymiarowy – prędkość przepływu w kierunku głównego przepływu bez uwzględnienia innych składowych wektora prędkości.
  • Spadki koryta są niewielkie – nie przekraczające 1:10

W module przepływów ustalonych HEC-RAS wykonuje symulacje w oparciu o model UNET stworzony przez dr Roberta L. Barkau. Może być stosowany głównie przy przepływach spokojnych jednak radzi sobie z przepływami o wszystkich reżimach. Dodatkowo moduł ten pozwala na modelowanie zalewów (storage area) i ich wzajemnych połączeń z ciekami.

Prawa fizyki rządzące przepływem mogą być wyrażone przez równania różniczkowe ciągłości i pędu.

Dolny warunek brzegowy wymagany jest na wszystkich dolnych końcach odcinka modelu. Można go określić jako:

  • Hydrogram stanu
  • Hydrogram przepływu
  • Jednowartościowa krzywa konsumcyjna
  • Głębokość normalną wynikającą z równań Manninga

HEC-RAS określa poziom zwierciadła wody w poszczególnych przekrojach – analiza stacjonarna. Podstawowymi danymi do stworzenia modelu są dane geometryczne.

Read More