В этой статье я опишу некоторые цифровые гидродинамические модели, а также сориентирую по трудоемкости подобных работ. В качестве презентаций я подготовил короткие видео-зарисовки на Рутубе.
Комплексное моделирование поверхностного стока и ливневых сетей в городах.
Такой проект состоит из двух частей:
1. гидрологическая часть: моделирование поверхностного стока на городских водосборах
2. гидродинамическая часть: моделирование расходов в коллекторах ливневой сети
Описание процесса:
- создание цифровой модели рельефа и ортофотоплана
- создание расчетных областей с точками вылива: дождеприемники/лотки, водосливы виде бордюров, зоны шероховатостей и зоны инфильтраций в Hec-Ras.
- аналитический расчет кривой редукции дождя и расчет продолжительности ливня заданной обеспеченности
- моделирование коллекторов ливневой сети в Civil 3d
- гидродинамическое моделирование пиков паводковых волн в коллекторах ливневой сети.
Выводы:
-довольно трудоемкая задача из-за сложной поверхности водосборов: бордюры, заборы, газоны, локальные возвышения вертикальной планировки. Проект может длиться несколько месяцев на районную сеть. На строительную площадку около месяца.
- на выходе тотальный контроль за поверхностным стоком. Можно получить прогноз: сколько будет стоять лужа в том или ином месте, скорость снижения ее глубины. Точные гидрографы расходов в каждой трубе и колодце ливневой сети.
Моделирование прорыва защитной противопаводковой дамбы.
Очень актуальная задача для поселений, которые находятся в затапливаемых поймах. При помощи гидродинамического моделирования можно определить такие параметры, как: максимальная глубина затопления, время добегания волны от начала образования прорана; максимальная скорость течения, продолжительность затопления, карта глубин затопления, скорость снижения уровня в верхнем и нижнем бьефах.
Численное моделирование помогает в решении задач, поставленных РД 153-34.2-002-01 Временная методика оценки ущерба и ГОСТ Р 22.1.11-2024 Мониторинг состояния водоподпорных водонапорных гидротехнических сооружений.
Описание процесса:
- создание цифровой модели рельефа и ортофотоплана
- создание расчетных областей и сущности защитной дамбы с продольным профилем по гребню
- создание сценария развития прорана: инициирующий момент суффозия или перелив. Дальнейшее расширение прорана на основе аналитических моделей транспорта наносов.
Выводы:
- моделирование небольшого поселения, защищенного дамбой длиной в ~3км и высотой по гребню 3-5метров при наличии данных (уровни/расходы в реке, ЦМР и продольный профиль дамбы) занимает 1-2 недели.
- моделирование несколько усложняется наличием мостов, водопропускных труб и прочих искусственных сооружений, пересекающих пойму.
- в качестве результатов полный список карт, эпюр и значений согласно РД 153-34.2-002-01 и ГОСТ Р 22.1.11-2024: скорости, уровни, глубины, расходы, время, характер течения и тд.
Моделирование гидротехнических сооружений
Сюда я отношу гидродинамическое моделирование в таких сооружениях, как
быстротоки, многоступенчатые водосливы, разделительные камеры, пруды-осветлители, мостовые переходы, байпасы.
Гидродинамическая модель многоступенчатого водослива.: уровни, поперечное распределение скоростей, скорость распространения возмущений.
Гидродинамическая модель мостового перехода. Можно получить поперечную эпюру скоростей под мостом с учетом опор моста.
Гидродинамическая модель быстротока и успокоителя: гидравлический прыжок, сжатое сечение, эпюры скоростей.
Описание процесса:
- создание цифровой модели проектного рельефа
- создание расчетной области
- создание нестационарных граничных условий волновых процессов
Выводы:
- очень индивидуальные задачи, с разной точностью решений. Трудоемкость обычно от недели до месяца.
- Результаты более точные, чем при аналитических расчетах, но вертикальная эпюра скоростей усредняется. А это значит, что подобные задачи менее прецизионны по сравнению с полным CFD моделированием.
Гидродинамические аварии накопителей жидких отходов.
Я сознательно обхожу стороной прорывы плотин объектов гидроэнергетики. Остановимся на объектах горнодобывающей промышленности: обваловки прудов-осветлителей, дамбы хвостохранилищ, плотинки водохранилищ.
Численное моделирование гидродинамических аварий сильно помогает спрогнозировать куда и в каких количествах потечет вода. Особенно это актуально, когда пруды-накопители находятся с нагорной стороны от промышленной площадки и есть риск затопления территорий, где находится обслуживающий персонал.
В более масштабных моделях можно моделировать волны прорыва неньютоновских реологических жидкостей (пульпа) при авариях крупных сто метровых дамб хвостохранилищ.
Описание процесса:
- создание цифровой модели рельефа
- создание расчетной области
- создание аккумулирующих объемов в качестве начальных условий и процесса развития прорана.
Выводы:
- очень индивидуальные задачи. Трудоемкость обычно месяц-два.
- Результаты хороши, особенно в условиях сложного горного рельефа.
Моделирование селей и поверхностного стока.
Так называемое "rain on grid" моделирование. Гидрологические модели образования поверхностного стока на природных ненарушенных водосборах и концентрация его в водотоки. Дополнительно можно моделировать прирост стоков на твердую фазу и изменение реологических свойств грязевых потоков (модели Бингхам, Хершли-Баркли и тд.)
Описание процесса:
- создание цифровой модели рельефа
- создание расчетной области
- начальные условия: кривая редукции осадков, расходы и уровни в местной гидрографической сети.
Выводы:
- очень интересные и сложные задачи. Трудоемкость около года. Требуется коллектив авторов: гидролог, гидрогеолого, расчетчик Hec-Ras, геодезист.
- Результаты тянут на диссер, ИМХО.
Гидродинамический анализ пульпопровода (гидротранспорта).
Очень полезный инструмент для хвостовых хозяйств объектов горной добычи. Позволяет моделировать потоки пульпы в напорно-безнапорном режиме.
Описание процесса:
- создание цифровой модели рельефа и коридора линейного объекта
- создание трубопроводной сети в Civil 3d
- решение обратной задачи: пересчет шероховатости трубопровода с учетом гидравлический потерь пульпы. (согласно "Пособие
по проектированию гидравлического транспорта (к СНиП 2.05.07-85)".
Выводы:
- очень интересная задача для тех кто "в теме". Трудоемкость примерно месяц на 1 километр. Требуется качественные исходные данные по составу пульпы: гранулометрия, динамическая вязкость.
- Результаты не имеют аналогов. Ибо kolxoz это всегда custom solutions.