III) Quá trình rời rạc hóa trên R2D_Mesh:
2. Cách thực hiện
Ta hãy thực hiện thử trên chương trình đả tính sẵn sau:
Nghĩa là ta sẽ thực hiện ví dụ về habitat trên
Đây là số liệu về kênh.
6 Ta sẽ chọn cách tính liên tục Phân biệt hai cách tính
• Continuous(liên tục) là dùng phép nội suy tuyến tính các giá trị xung quanh nút.
• Discrete (rời rạc) các điểm sẽ lấy bằng với các điểm xung gần nó nhất. Ở đây ta sử dụng habitat để biểu diễn độ sâu, vận tốc, và số liệu về kênh (channel index).
Hộp thoaị sau đây
8 Bây giờ thì ta đã có thể biễu diễn các giá trị khác nhau của habitat bằng việc sử dụng contour/colour trong display. v
Ta có thể mở file này, khi đó sẽ thấy:
Đầu tiên nó chứa đựng tên file sử dụng tên file dùng chung cho thông tin này. Sau lần hai nhập vào sẽ không có gì nếu không có dữ liệu kênh thay đổi. Hàng thứ hai nắm toàn bộ lưu lượng vào và tổng số nút trong miền. Phần còn lại là giống như file Nodal attributes ngoại trừ nút tổng kết và giá trị WUA mà thay thành vùng phân bố nút đó. Vùng này là vùng nằm trong “thiessen polygon”.
RIVER2D
DÒNG KHÔNG ỔN ĐỊNH (TRANSIENT FLOW)
II) Giới thiệu
River2D cho dòng không ổn định (transient flow) là một phần trong modul RIVER2D, kết quả của quá trình chay này là một quá trình diễn biến theo thời gian của dòng chảy. nó sẽ cung cấp cho ta trường vận tốc, diện ngạp và thời gian lũ về hay đỉnh lũ tại một trạm đo nào đó. Để sử dụng river2D(transient flow) bạn phải phải thực hiện xong tất cả các bước trước đó và có kết quả tốt.
Ngoài kết quả của tính toán dòng chảy ổn định, điều kiện biên của transient yêu cầu là các số liệu điễn biến theo thời gian, là Q~t ở cửa vào và H~t ở cửa ra.
* Các giai đoạn thực hiện chạy river2d transient
• Xác định giá trị dòng chảy mà đã điều chỉnh về độ nhám (roughness)cho tới khi kết quả gần với số liệu quan sát được
• Đặt điều kiện ban đầu cho bản mô phỏng dòng chảy tức thời
• Đặt đièu kiện biên cho miền. Thưòng lấy dạng lưu lượng thuỷ văn ở mặt vào và cao trình mực nước ở mặt ra trong các thời điểm.
• Đặt các hệ số cần thiết.
• Chọn dạng và tần suất của đầu ra tức thời cho bài toán mô phỏng
II). Các bước chạy chương trình
1. Điều kiện ban đầu
Điều kiện ban đầu phải xác định ở từng nút của vùng. Khi sử dụng river 2D mà chứa điều kiện ổn định, ta dùng điều kiện ban đầu bất kì. Đó là bởi vì ta không quan tâm đến con đường nào mà chỉ quan tâm là lấy kết quả cuối cùng của dòng ổn định. Trong dạng dòng chảy không ổn định thì đường dẫn là quan trọng nên điều kiện ban đầu phải trình bày điều kiện dòng chảy như thể nào ở thời gian bắt đầu thay đổi lưu lượng đi vào miền đó. Bởi vì nó khác là điều kiện ban đầu mà có tính chất quạn trọng trong miền dữ liệu, nó là bài toán sử dụng thông số có điều kiện biên ban đầu. Nó được hoàn thành bởi việc chạy dữ liệu ở điêù kiện ổn định với điều kiện biên không
đổi và dùng làm điều kiện biên lúc mới bắt đầu có sự thay đổi lưu lượng. Theo cách đó, chạy chương trình không ổn định từ điều kiện ban đầu ( của phếp tính ổn định) biểu hiện là điều kiên biên ở lúc bắt đầu thay đổi lưu lượng. Thời điểm tức thời đó ta sẽ tăng vào vùng sông khảo sát là từ 2 đến 10 m3/s. Ta sẽ dùng kết quả dòng ổn định ban đầu với lưu lượng là 2m3/s làm điều kiện ban đầu và lưu trong file .cdg.
Khi điều kiện ban đầu này đã có, ta thực hiện bước tiếp theo là điều kiện biên cho bài toán tức thời.
2.Điều kiện biên.
Dòng không ổn định có điều kiện dòng chảy tới hạn thường lấy tài liệu thuỷ văn là lưu lượng dòng vào và cao trình mực nước tại cửa ra. Chiều dài và rộng là số liệu của bài toán hai chiều. Ở đó tài liệu thuỷ văn sẽ chỉ lấy sổ liệu của thời điểm Q=2m3/s. Còn 1D có số liệu được sử dụng chứa đựng các tài liệu thủy văn cần thiết. 1D có thể phát triển bởi việc kết hợp miền 2D và điều kiện biên ở 1D có thể chọn sao cho trùng với số liệu trạm đo.
Trong ví dụ fortress có dòng vào và dòng ra mà yêu cầu điều kiện biên. Trong tài liệu dòng vào sẽ tăng lưu lượng lên từ 2 đến 10 m3./s trong 1h. Vì ta không biết lưu lượng dòng đi ra thì biên sẽ như thế nào trong suốt thời gian thay đổi lưu lượng, thật khó để tạo ra dạng địa hình thuỷ văn giả thiết cho điều kiện biên này. Vì vậy ta sẽ dùng quan hệ độ sâu của dòng chảy ra. Cho dạng điều kiện biên này sẽ cho phếp mực nước ra sẽ thay đổi khi thay đổi lưu lượng dòng chảy dọc theo điều kiện biên. Khi thoả, bài toán thuỷ văn sẽ có thể có nhiều kết quả xấp xỉ để đưa ra kết quả đúng nhất cho biên mà ở thời điểm nào đó. Độ sâu là dạng đặc trưng cho điều kiện. Mực nước ra ở thời điểm bất kì sẽ phụ thuộc vào lưu luợng ra ở các bước thời gian.
CÁC BƯỚC ĐƯA ĐIỀU KIỆN BIÊN TỨC THỜI
Chạy River2D, mở file mà ta đã chạy ổn định, chuẩn bị các số liệu để chạy. Sau khi cửa sổ giao diện mở file chọn “edit flow boundary…” trong menu “flow”
Đưa điều kiện biên cửa vào
Dùng chuột, đưa điều kiện biên dòng chảy vào (màu xanh). Nó sẽ mở ra hộp thoại. Ta nhận thấy biên này thật ra là dòng đi vào và nó được xác định biên 2m3/s là kết quả của việc chạy dòng không ổn định, là thời điểm ban đầu trước khi lưu lượng
thay đổi. Ta sẽ xác định dòng vào để chạy transient mà điều kiện biên của nó là lưu lượng thay đổi theo thời gian t (Q~t)
Ta sẽ bắt đầu đặt điều kiện biên cho dòng vào.
Để thay đổi điều kiện biên ta chọn “Time Varying Discharge” khi đó chương trình đòi hỏi ta chỉ đường dẫn đến file lưu trữ quan hệ (Q~t). Chú ý ta có thể mở file này ra xem bằng cách chạy trong môi trường word.
Thay đổi điều kiện biên dòng ra. Ta cũng thực hiện chọn menu “flow>edit flow boundary”. Dùng chuột nhấp vào vùng cửa ra (có màu xanh lá cây), lúc này chương trình hiện lên hộp hội thoại. Từ đây ta chọn “time varying elevation” trong vùng “outflow condition” khi chương trình yêu cầu chọn đường dẫn ta chọn đến file *.bch lưu trữ quan hệ H~t ở cửa ra.
Như ta thấy, depth unit discharge relationship đã được xác định. Ta thay đổi các giá trị đã được mặc định. Nếu ta có taì liệu thuỷ văn cho điều kiện biên này thì ta chọn “time varying elevation” và đặt file giống như đưa điều kiện dòng vào. Nó cũng tương tư như tài liệu dòng chảy thuỷ văn trên (time varying discharge) nhưng chỉ khác cột thứ nhì chứa cao trình mặt nuớc là m. Và để ý rằng ta để lũ chạy qua lớn hơn 1h đồng hồ băng 5000s để thấy rõ hết lũ chảy qua cả đoạn sông như thế nào.
3. Chạy dòng không ổn định (transient flow)
Sau hoàn thành tất cả các bước trên ta bắt đầu cho chạy dòng không ổn định. Vào menu “Flow” chọn “Run transient” thì chương trình sẽ xuất hiện hộp thoại và ta cần đặt giá trị cho chúng. Cần chú ý rằng các điều kiện ban đầu ta đặt đúng thì hộ thoại mới xuất hiện
Ta có thể thấy nó khá giống với dòng ổn định nhưng có các điểm khác nhau cần chú ý sau:
- “present time” là thời điểm mà chương trình chạy đến lúc dừng hẳn. nhưng khác nhau là ở dòng không ổn định, time không thể lớn lên. The present time dược dùng để đặt điều kiện biên ban đầu phụ thuộc vào giá trị thuỷ văn đưa vào và ra trong khoảng thời gian đó. Nghĩa là nó chỉ thiết lập lúc bắt đầu quá trình. Ta nên đặt thời gian này là 0.
-“final time” là thời điểm thực hiện quá trình thuỷ động lực học đã ngưng lại. ở dòng ổn định, việc thực hiện này chỉ được khi thời gian là nhỏ hơn hoặc bằng final time. Dòng chảy vào của ta được xác định từ 0 đến 1h. Nhưng ta sẽ chạy dến 5000s. việc này sẽ chắc chắn là lũ đã qua miền trứơc khi kết thúc tính toán.
- Δt la khoảng cách của bước thời gian. Chương trình này sẽ tư động điều chỉnh thấp xuống hoặc tăng lên nếu cần để giữ cho kết quả nằm trong giới hạn cho
phép sau mỗi bước thời gian. Nếu nó chạy trơn tru thì nó sẽ tiếp tục ở giá trị goal time đó.
- “goal time” là khoảng thời gian lớn nhất cho phép của denta t. Giá trị này cũng dùng trong việc phân tích và tìm ra kết quả. Ví dụ goal denta t là 2, thì các giá trị t là 2, 4, 6, 8, mặc dù Δt nhỏ hơn 2.
Ở mỗi bước, river2D giải quyết bài toán của hệ phương trình phi tuyến. Nghĩa là giải quyết bằng cách dùng phương pháp gần đúng như là phương pháp lặp để giải quyết bài toán, dùng phương pháp newton raphson…
“#iteration per Δt”nghĩa là phép lặp này đã thực hiện bao nhiêu lần để thoã mãn yêu cầu hội tụ ở các bước cuối.
- “Max # of iteration per Δt” để giới hạn số lần lặp cho mỗi bước thời gian. Nếu số lần lặp thật sự đạt đến giá trị này trước khi thay đổi trong một tiêu chuẩn thì bước thời gian giảm xuống còn nữa giá trị của nó. Ta để số lần lặp tối thiểu là 9
- “solution tolerance” là dùng giá trị xác định được điều khiển khoản hội tụ mà yêu càu trong mỗi bước thời gian. Trong phép lặp newton raphson, giá trị ở mỗi sự thay đổi là 3 cho mỗi nút là được so sánh với giá trị mong muốn từ phép lặp trước. nếu nó thay đổi ít hơn giá trị cho phép của người sử dụng thì bước thời gian sẽ được chấp nhận. Giá trị lớn hơn cho phép thì kết quả sẽ lấy từ vài phếp lặp của newtơn raphson trong từng bước thời gian. Tuy nhiên, độ chính xác có thể không thoả và số liệu là không ổn định có thể xảy ra. Việc kiểm tra đề nghị là sai số là 0.01. Ta sẽ dùng giá trị naỳ mặc định cho mô phỏng của ta.
- “Implicitness, θ”được dùng để xác định giá trị mà điều khiển theo bài toán giải quyết của hệ phương trình chính. Giá tri 0 là hoàn toàn hiện và 1 là hoàn toàn ẩn. giải quyết phtr chính xác nhất khi mô hình là bán ẩn: θ = 0.5
- Tuy nhiên,nó sẽ ổn định hơn nếu nó là 1(khi đó máy sẽ giới hạn thời gian vì dùng cách giải hoàn toàn ẩn). Mô hình không nên chạy ít hơn 0.5 sẽ trở nên không ổn định. Nếu bạn để mô hình dòng chảy nhỏ thì bạn sẽ có thể sẽ muốn đăt goal time step giảm khi θ = 0.5 ở đó x V C w t r = ∆∆ . Với Vw: là tốc độ tức thời, Δt là bước tăng thời gian,
Δx là khoảng cách.
Mặt khác nếu giải theo hướng tổng quát thì đó có thể lấy một tỉ lệ lớn như là sóng lũ, khi đó bạn có thể bỏ đi việc dùng giới hạn bước tăng thời gian lớn và nên lấy θ=1.
Ta sẽ không quá quan tâm đến việc chọn goal time step. Ta sẽ dùng goal là 10s. (có nghĩa là ta dùng khoảng thời gian sẽ tăng lên rất nhiều). Chương trình sẽ chạy rất trơn tru với goal time step này và cung cấp cho chúng ta chi tiết chấp nhận được với thời gian này.
Nhận xét:
Khi ta tính toán thời gian goal Δt đưa vào thì nó phải phù hợp với bài toán. Ví dụ bài toán dòng lũ thi nếu trong 1h đồng hồ ta nên tính thời gian này là 10s, nhưng nếu lũ là trong 12h thì ta nên lấy thời gian là 30 phút. Vì lũ có lưu lượng chảy về có dạng nhấp nhô nên khoảng cách nhỏ nhất về thời gian giữa các điểm cao nhất của đỉnh lũ. Trong trường hợp lũ về thì bài toán có tính ổn định cao, không cần quá giới hạn về thời gian nên θ=1 ,dùng phép tính ẩn hoàn toàn.
Total inflow và total outflow là tổng lưu lượng dòng vào và dòng ra. Và khi chạy chương trình thì bài toán sẽ thay đổi theo điều kiện biên.
Output option đơn giản là mở họp transient output, nó cho phép người sử dụng chọn và đưa ra kết quả từ phép phân tích transient.
Sau khi nhập đầy đủ các thông số ta chọn menu “option >flow option” ta nhập số liệu cuối cùng mà ta cần thiết lập. Nó là hệ số ảnh hưởng gió trong phần tử hữu hạn. Ta có thể đặt 0.25.
Chú ý rằng tất cả đã được thiết lập, ta sẽ xuẩt ra kết quả (output) 4. xuất kết quả:
River 2D là công cụ xuất ra nhiều kết quả. Mở hộp transient output option từ hộp Options.
Có 3 dạng xuất ra kết quả: đưa ra màn hình bằng video (file có đuôi avi), xuất số liệu của điểm, xuẩt cdg
Ta sẽ dùng river2D để đưa ra màn hình quá trình lũ trong bài toán mô phỏng của ta.
1 chọn “output option” trong “run transient dialog box” chương trình sẽ xuất hiện 1 cửa sổ
2. Đánh dấu vào “video output”. Nó sẽ kích hoạt lựa chọn này. 3. Vào browse và lưu video này dưới một cái tên
Trong hộp “output frame every _____goal time steps” cho phếp người sử dụng thiết lập tính liên tục của đoạn băng.
4.Đưa vào giá trị 10. Nó có nghĩa là sẽ đưa ảnh vào sau 100s trong 5000s. 5. Đưa vào giá trị 2 cho playback rate (có nghĩa là hình ảnh đó sẽ giữ trong vòng 2s)
6.chọn bất kì 3 sự lựa chọn nào
7. Vào point output. Nó sẽ có thể kích hoạt lựa chọn đưa số liệu ra ngoài. Lựa chọn này cho phép người sử dụng đựa kết quả của sự thay đổi các đặc trưng của một nút trong suốt quá trình chạy. những điểm này phải có đuôi là csv.