1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Einleitung 1

Transkript

1 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Einleitung 1 Informationen und Werkzeuge, die für eine numerische Simulation benötigt werden: Konzeptionelles Modell: Geometrie des Gebiets, Längenabmessungen, Höhen im Gebiet Boden Parameter, Geologische Daten (Verwerfungen, Flüsse etc.) Randbedingungen Anfangsbedingungen für instationäre Probleme Räumliche Dimension (Vereinfachung zu 2d oder 1d wenn möglich) Gleichungen um das Problem zu beschreiben Lösungsmethoden (FD, IFD, FE,...) Diskretisierung in Raum und Zeit Programm zur Diskretisierung der Gleichungen und zur Lösung des Gleichungssystems Werkzeuge für die Analyse / Visualisierung

2 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Einleitung 2 In dieser Übung wird ein einfaches Hydrosystem betrachtet: Stationäre Grundwasserströmungsgleichung r r r r u = f = ( ) K h q Modell GRUWA: 2d Finite Elemente Modell mit Dreieckselementen Regelmäßiges Rechtecksgitter -> Das Modell selber ist fix, diese Fragen sind im Moment unwichtig Zweck dieser Übung: Erfahrung mit Diskretisierung und Randbedingungen zu bekommen

3 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Einleitung 3 Erforderlich für die Übung: Modell GRUWA: Numerische Simulation der stationären Grundwasserströmungsgleichung Modell Tecplot: Visualisierung der Strömungsgeschwindigkeiten Beachten: Dieses Programm kann nur rechteckige Felder behandeln. Linsen müssen rechteckig sein. Die Ecken der Linsen müssen auf Gitterpunkten liegen. Quellen und Senken müssen auf Gitterpunkten liegen.

4 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Start 1 Einloggen: user: egw#computer. (#computer steht auf der rechten Seite auf der Bildschirmbox.) Z.B. Computer 3: egw03 Password: mml#computer. Z.B. Computer 3: mml03 Login mit kde Erste Schritte -Klicken Sie auf den Knopf mit der Muschel auf der unteren Bildschirmleiste. -Das Fenster mit der blauen oberen Leiste ist das aktive Fenster. Klicken Sie auf die Leiste um es zu aktivieren. -Wechseln Sie das Verzeichnis zu Donnerstag: Tippen Sie cd Donnerstag (Großbuchstaben beachten!). Donnerstag ist Ihr Arbeitsverzeichnis. -Öffnen Sie tecplot in dem Sie tecplot & tippen. Beachten Sie das &!

5 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Start 2 -Öffnen Sie Konqueror um GRUWA zu starten: Klicken Sie auf den Knopf mit dem Haus auf der Leiste am unteren Bildschirmrand. -Sie können ein Fenster vergrößern indem Sie auf den Knopf mit dem großen Quadrat rechts auf der blauen Leiste oben am Fenster klicken. -Tippen Sie im web-address Fenster von Konqueror: -Sie können das Fenster vom Bildschirm klicken indem Sie auf den Knopf mit dem kleinen Quadrat rechts auf der blauen Leiste oben am Fenster klicken. Sie können das Fenster wiederbekommen, indem Sie auf die Anwendung im mittleren Feld auf der unteren Bildschirmleiste klicken. Input von GRUWA: Diskretisierung, Grundmaterial, Linsen, Randbedingungen, Quellen Senken, Ausgabe

6 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: GRUWA 1 Gitterdiskretisierung: 4 Beachten Sie: M*N muß <= 9500 sein

7 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: GRUWA 2 -Materialeigenschaften und Linsen: Klicken um zu aktivieren!!! Immer zu 0 setzen

8 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: GRUWA 3 -Beispiele für Linsen:

9 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: GRUWA 4 -Randbedingungen: NW North NE West East SW South SE Dirichlet: [m], Neumann: [m^3/s]. Beachten: Neumann ist an den Knoten gegeben. Die Einheit ist nicht wie gewöhnlich [m/s]. Deshalb führt eine höhere Anzahl von Zellen zu größerem Fluß am Rand, wenn die Neumann Werte nicht entsprechend verkleinert werden!! Das ist speziell für GRUWA.

10 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: GRUWA 5 -Quellen und Senken: Klicken um zu aktivieren!!! -Output: Klicken zum abschicken

11 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: GRUWA 6 -Ausgabe der Simulation 2d-Graphik der Piezometerhöhen Ausgabe files: Hier wird nur die tecplot-ausgabe benötigt, um die Fließgeschwindigkeiten zu visualisieren. Falls die Geschwindigkeiten betrachtet werden sollen: Klicken Sie mit der rechten Maus auf filename.plt und halten Sie die Taste gedrückt. Wählen Sie aus dem Menü: Save link as.... Denken Sie daran im Verzeichnis Donnestag zu speichern.

12 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Tecplot Visualisierung der Geschwindigkeiten mit tecplot: Aktivieren Sie das tecplot-fenster. Lesen Sie das Datenfile ein. Im Menü File gehen Sie zu Load DataFile(s) und klicken auf das entsprechende file. Denken Sie daran, das file sollte im Verzeichnis Donnerstag sein!! Laden Sie das style file. Gehen Sie zum Menü Style und klicken Sie auf Paste Style From File. Wahlen Sie 'GRUWA.sty aus Donnerstag'. Visualisieren des Vektors: Klicken Sie auf 'Vector' im Menü auf der linken Seite. Wählen Sie die Komponenten: U-> V4: VX and V-> V5: VY Falls nötig ändern Sie die Länge der Vektoren: Im Menü Field wählen Sie Vektor Length und ändern die Zahl z.b. um eine Größenordnung. Falls nötig ändern Sie die Contour-Levels: Im Menü Field wählen Sie Contour Levels und klicken z.b. auf 'Reset Levels Falls Sie ein neüs file einlesen, schließen Sie das alte indem Sie in File New Layout wählen. Beim schließen sollten Sie nicht speichern.

13 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Üb. 1 und m 1000 m undurchlässig Diese Übungen brauchen kein tecplot! y h = 100 m K f = m/s h = 90 m Abb. 1 undurchlässig x Üb. 1: Berechnen Sie die Höhen für das Gebiet in Abb. 1 mit GRUWA. Verwenden Sie x= y=20 m Elemente. Beachten Sie die Randbedingungen. Was ist die richtige Randbedingung and den Ecken des Gebietes? Üb. 2: Wiederholen Sie Üb.1, jedoch setzen Sie einen Förderbrunnen in die Mitte des Gebietes. Der Brunnen hat eine Pumprate von m 3 /s. Versuchen Sie feine und grobe Diskretisierungen. Wie ändert sich die Höhe mit der Diskretisierung? Was ist realistischer?

14 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Üb m 1000 m undurchlässig K f 1 = m/s y h = 100 m K f 1 K f 2 h = 80 m Abb. 2 Üb. 3: x undurchlässig Fügen Sie eine Linse von 100 x 100 Metern ein. Die Ecken der Linse müssen mit Gitterpunkten zusammenfallen. Die Randbedingungen sind in Abb. 2 gezeigt. Setzen Sie die Durchlässigkeit der Linse zu 10, 0.1 und 0.01 mal der Durchlässigkeit K f1. Schauen Sie die Geschwindigkeiten mit tecplot an. Wie beeinflußt die Linse das Geschwindigkeitsfeld?

15 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Üb. 4 K f 1 = m/s K f 2 = m/s Verwenden Sie das gleiche Modell wie in Üb. 1. Diskretisieren Sie mit 80 x 20 Zellen. Fügen Sie Linsen ein, um die oben gezeigten Permeabilitätskonstellationen zu erzeugen. (Sie benötigen für die ersten beiden 2 Linsen und für die dritte 8 Linsen). Visualisieren Sie diesmal nur die x-komponente der Geschwindigkeit in tecplot. Am einfachsten geht das, indem Sie nicht das GRUWA.sty -file laden. Schalten Sie das Gitter aus, indem Sie auf den mesh-knopf auf der linken Leiste klicken. Dann klicken Sie auf contour and wählen V4: VX. Sie können auch unter Field (obere Leiste) die Variable Contour variable wählen und dann V4: VX wählen.

16 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Üb. 4 Dann gehen Sie zu Field, Contour Attributes und wählen unter Contour Plottype die Option Flood. Gehen Sie dann zu Field, Contour Legend und klicken auf Show Contour Legend. Versuchen Sie die mittlere Geschwindigkeit in x-richtung über das Gebiet abzuschätzen. (Genaue Zahlen sind nicht wichtig). Vergleichen Sie die geschätzten mittleren Geschwindigkeiten für die drei Fälle. Wie könnten Sie das Ergebnis interpretieren angesichts der Tatsache, daß Sie in allen Fällen den gleichen Druckgradienten angelegt haben? Wenn Sie nicht genügend Zeit haben, vergleichen Sie nur die ersten beiden Fälle. Wenn Sie noch Zeit übrig haben, probieren Sie einfach eigene Aquifersysteme aus.

17 1. Übung Modellierung von Hydrosystemen: Ende Bitte schliessen Sie alle Programme. Loggen Sie sich aus der shell mit exit aus. Bitte klicken Sie auf den exit Knopf auf der unteren Bildschirmleiste (das ist der Knopf unter dem Knopf mit dem Schloß) und schalten Sie den Bildschirm aus. Bitte verstauen Sie die Tastatur und die Maus und versenken Sie den Bildschirm. Es folgt eine Vorstellung von GIMOLUS von Dr. Maren Paul. Anmeldung per an: (Schicken Sie Ihren Vornamen, Nachnamen, Adresse und Matrikelnummer, und geben Sie an ob Ihre Daten gelogged werden dürfen).