Simulation Flusskraftwerk - Basement - ETH Zürich

ETH Zürich
Professur für Wasserbau
HS2010
Numerische Modelle im Wasserbau
Ausgabe: Fr. 05.11.2010
Abgabe: Referat/Bericht Ende Semester
ÜBUNG BASEMENT
Simulation Flusskraftwerk
In der Übung SMS wurde ein Rechengitter mit SMS erstellt. Dies ist die Grundlage für
hydraulische Simulationen welche in dieser Übung mit BASEMENT 2.0.1 durchgeführt
werden.
Das Bild zeigt eine mögliche Lösung für ein Rechengitter. Es besteht aus 1233 Elementen,
was einem eher kleinen Problem entspricht. Die Fliessrichtung ist von links nach rechts.
Das Kraftwerk (1) sowie das Regulierwehr (2) wurden hier aus dem Gebiet ausgeschnitten.
Das Gitter besteht demnach aus zwei einzelnen, getrennten Gebieten.
Aufgaben:
1. Erstellen Sie ein Command File für eine Simulation mit stationärem Zustand. Bearbeiten
Sie dafür folgende Punkte (unter Zuhilfenahme der Dokumentation):
a) Randbedingungen (BOUNDARY block). Für den Zufluss wird ein Hydrograph
gewählt. Dieser kann in einer eigenen Datei definiert oder während der Simulation
dynamisch gesteuert werden (HID Controller). Als Slope wird 1 Promille verwendet.
Für den Abfluss-Rand können Sie entweder einen Nullgradienten, eine hq-Relation oder
ein Wehr wählen.
Tip: Um die Randbedingung zu definieren, muss ein Block STRINGDEF mit den
entsprechenden Knotennummern im GEOMETRY Block kreiert werden. Die jeweiligen
Knotennummern ermitteln Sie mittels SMS.
b) Innere Randbedingungen (INNER_BOUNDARY block.) Vorderhand muss erst das
Regulierwehr definiert werden. Man definiert zwei Strings, welche auf dem Rand des
Rechengitters liegen. Der eine string definiert den Ausfluss, der andere string den Rand
über welchen das Wasser wieder eintritt. Dabei ist darauf zu achten, dass beide Strings in
dieselbe Richtung und mit gleicher Anzahl Knoten definiert werden.
Das file mit der Wehrhöhe benötigt den selben Syntax wie es für Hydrographen oder
externe Quellen gilt.
c) Anfangsbedingung (INITIAL block). Für eine erste Simulation wird von einem
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trockenen Gebiet gestartet. Es ist auch möglich, von einem alten Zustand (einer früheren
Simulation) zu starten.
d) Reibung (FRICTION block). Das gesamte Gitter wird als einheitliches Material
behandelt. Wählen Sie einen Manning- oder Strickler Reibungsbeiwert aus. Dieser liegt
normalerweise zwischen (im Falle von Manning) 0.01 bis 0.08.
e) Simulation. Starten sie ihre erste Simulation mit einem konstanten Zufluss von 120
m 2 /s und einer Wehrhöhe von 101.3 m.ü.M. Stellt sich ein stationärer Zustand ein? Wie
lange dauert es dafür? Wie gross sind die Zeitschritte? Welches Element ist für den
Zeitschritt verantwortlich? (balance output) Kann die Simulationszeit verbessert werden?
Ist die Massenerhaltung gewährleistet? (boundary, balance output)
Visualisieren Sie die Resultate in SMS: Wird das Vorland überflutet? Wie sieht die
Wasserspiegellage und die Strömungsgeschwindigkeit im Durchstichkanal aus?
2. Turbinierung. Jetzt wird die Turbine des Kraftwerks eingebaut. Dazu definiert man im
Command File zwei EXTERNAL_SOURCE’s. Diese werden Elementen (nicht den
Nodes!) im Gitter (vor und nach dem Kraftwerk) zugeordnet. Jede solche externe Quelle
hat ein entsprechendes File mit einem Hydrographen welches die Turbine simuliert. Die
Quelle vor dem Wehr stellt eine negative Quelle dar, die Quelle nach dem Wehr
sinngemäss eine entsprechende positive Quelle. Stellen Sie die Turbine auf 70 m 3 /s ein
und verwenden Sie die allgemeinen Einstellungen aus Aufgabe 1.
Starten Sie die entsprechende Simulation. Wird die Massenerhaltung eingehalten? Wenn
nicht, wo liegt das Problem? Wie könnte man dies beheben? Wenn ja, warum wird sie
eingehalten? Was haben Sie dazu unternommen?
3. Regelung des Wehrs. Bauen sie einen Controller (PID) für das Regulierwehr ein. Dabei
soll die Wasserspiegellage in einem Element vor dem Wehr auf konstanter Höhe gehalten
werden (z.B. auf 103 müm). Für die Coefficients lautet die Syntax beispielsweise:
name_manipulated_variable:(-1.5 -0.05 -5.0).
Zusätzlich soll ein HID-Controller für den Zuflusshydrographen verwendet werden um
den Zufluss dynamisch während der Simulation steuern zu können. (Tip: Unter PROJECT
den real time factor auf eine niedrige Zahl setzen falls die Simulation zu schnell läuft) Als
Anfangsbedingung wird ein stationärer Zustand aus Aufgabe 1 gewählt.
Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen zum Aufsetzen der Controller (mit Fehlschlägen und
Erfolgserlebnissen). Wo sind die Schwierigkeiten? Wo besteht noch
Dokumentationsbedarf?
Lassen Sie dann das Modell mit variierendem Zufluss laufen. Wie reagiert das Wehr?
Wird die Regulierbedingung eingehalten?
Idealerweise lassen sie das Modell bei der Schlusspräsentation live laufen.
Daten sind online erhältlich unter http://www.basement.ethz.ch/services/lectures
Bei Fragen steht patric.rousselot@vaw.baug.ethz.ch stets zur Verfügung
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