12
Practical Unit 2 21 Exercise Course for Computer Based River Modelling PRACTICAL UNIT 2 exercise task Performing a steady state simulation and interpretation of the results In the course of practical unit 2 a steady state simulation has to be carried out based on the input data of practical unit 1. The main focus in this unit is given to the performance of simulations with the model and the interpretation of the results. Additionally, modifications of the input data (geometry, boundary conditions) are scheduled. The effects of modified input data on model hydraulics should give some additional information for understanding onedimensional hydrodynamicnumerical modelling. Aims Performing the simulation Interpretation of the results Change of boundary conditions, geometry data, etc. Interpretation of results for simulations with modified input data Visualisation of the modelling results Control of plausibility for the modelling results InputData Geometric and steady state data from practical unit 1 Detailed Information about morphological modifications steady state flow data (discharge) performing a steady state simulation modified geometric input data

PRACTICAL UNIT 2 exercise task - iwhw.boku.ac.at · on the input data of practical unit 1. The main focus in this unit is given to the The main focus in this unit is given to the

Embed Size (px)

Citation preview

Practical Unit 2    2‐1 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

PRACTICAL UNIT  2     exercise task 

Performing a steady state simulation  and interpretation of the results 

  In the course of practical unit 2 a steady state simulation has to be carried out based on  the  input  data  of  practical  unit  1.  The main  focus  in  this  unit  is  given  to  the performance  of  simulations with  the model  and  the  interpretation  of  the  results. Additionally, modifications  of  the  input  data  (geometry,  boundary  conditions)  are scheduled. The effects of modified input data on model hydraulics should give some additional  information  for understanding one‐dimensional hydrodynamic‐numerical modelling.   Aims 

Performing the simulation  Interpretation of the results  Change of boundary conditions, geometry data, etc.   Interpretation of results for simulations with modified input data  Visualisation of the modelling results  Control of plausibility for the modelling results 

 Input‐Data  

Geometric and steady state data from practical unit 1  Detailed Information about morphological modifications   steady state flow data (discharge) 

    

performing a  steady state simulation  modified geometric input data 

Practical Unit 2    2‐2 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

PRACTICAL UNIT 2 approach 

1. Starting the simulation  The modeller puts together a plan by selecting a specific set of geometric data and flow data (from practical unit 1). This can be done by                         File       New Plan 

                Once a Plan Title and Short Identifier (Short ID) have been entered, the modeller can select  a  Flow  Regime  for which  the model will  perform  calculations.  “Subcritical”, “Supercritical”, or  “Mixed  flow  regime”  calculations  are  available.  For  “Mixed  flow regime” HEC‐RAS calculates – depending on the specific situation – both, subcritical and/or supercritical flow. It is recommended to use principally “Mixed flow regime”, unless a specific problem requires to do differently.   Clicking on „Compute“ starts the simulation.    The results of the calculation can be examined in the cross‐section               , in the   longitudinal plot               ,  in the 3D‐Plot              and in the table‐output                      .    Possible errors, warnings or notes are listed in              .     

starting the simulation

flow regime

Practical Unit 2    2‐3 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

Interpretation of results:   Different  variables  as  well  as  the  simulated  profiles  can  be  selected  within  the visualization modules under:          Options       Profiles…   /   Variables…                         It is obvious that for steady state conditions up to 500 m³/s no overbank flow occurs. Further, that 500 m³/s has to be described as bankfull discharge. Additionally  it can be seen that during a simulation of 700 m³/s the whole overbank area is flooded.  The  longitudinal profile plot  shows  that  the bed  slope and  the water  surface  slope are parallel (Figure bottom  left). Beyond that, the energy slopes are parallel as well, which  denotes  that  the  distribution  of  flow  velocities  in  the whole  section  is  the same. The velocities are presented in the figure at the bottom on the right side.                    

interpretation

Practical Unit 2    2‐4 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

2. Variation of boundary conditions  Hereby, we change the boundary conditions. Firstly, we use „Critical Depth“  instead of „Normal Depth“ and afterwards „Known W.S.“.  The following values can be taken for „Known W.S.“:  

  The  different  results  can  be  observed  in  the  longitudinal  plot  (Figure  left:  normal depth; center: known W.S., right: critical depth).             The simulated results exhibit, that there are no significant differences by comparing the method  of  normal  depth  and  the  use  of  a  rating  curve  as  initial  conditions. However the use of critical depth features different water surface levels especially on the downstream end of the modelling reach. This signifies the necessity of an inflow and outflow stretch.       

Profile [m3/s]    Known W.S. [m] Upstream  Known W.S. [m] Downstream 300  109.34  103.34 500  110.47  104.47 700  111.13  105.13 

changing  boundary conditions 

inflow and outflow stretch 

Practical Unit 2    2‐5 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

3. Changing options in steady state flow analysis   Implementation of hydraulic boundaries „encroachments“:   In the options menu for steady state flow analysis                      Options  

 the so called hydraulic boundaries “encroachments” can be defined. This allows the user to perform a floodway encroachment analysis.  Once a  reach  is  selected,  the user  can enter a  starting and ending  river  station  to work  on.  By  default,  the  program  selects  all  the  sections  in  the  reach.  For  the practical  unit  we  select  cross‐section  30  as  upstream  and  cross‐section  20  as downstream boundary.  Next,  the user  should  select a profile number  to work on. Profiles are  limited  to 2 through the maximum number set in the currently opened flow data. In this practical unit we set encroachments for profile 3 (700 m³/s). The  next  step  is  to  enter  the  desired  encroachment method to be used for the currently selected profile. The available encroachment methods in HEC‐RAS are:   

Method 1 ‐ User enters right and left    encroachment station Method 2 ‐ User enters fixed to width Method 3 ‐ User specifies the percent reduction  

in conveyance Method  4  ‐  User  specifies  target  water  surface 

increase Method 5 ‐ User specifies target water increase  

and maximum change in energy   

Set  selected  range  (Left  Station  =  710 m;  Right Station = 760 m). Once the encroachment method is  selected,  and  its  corresponding  data  are entered,  the user  should press  the “Set Selected Range”‐button.                 

encroachments

Practical Unit 2    2‐6 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

 Results and Conclusion:  The results of the modified simulations are presented at the bottom of the page. Up to bankfull flow no influence of the encroachments on the water surface level can be seen.  In  contrast,  for  the  700 m³/s  discharge  simulation  a  significant  influence  on hydraulics is recognisable.                  In  the  upstream  section  of  the  encroachments  the  water  depth  considerably increases and the mean velocities decreases caused by backwater effects. In the river stretch  with  no  overbank  flow  an  acceleration  of  discharge  happens  (continuity equations) in combination with a lowering of the water surface level.  Downstream  of  the  encroachments  a  transition  to  the  normal  steady  state conditions, as  it was documented before, can be seen. Important: Always check the plausibility of your modelling result!!    To control the flow regime check the Tables (Froude number < 1).        

Practical Unit 2    2‐7 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

4. Modification of geometry   Local change of bed slope:   Till now,  all  computations dealt with  subcritical  flow  regime  (Froude number < 1). The  following  example  shall  demonstrate  the  transition  from  supercritical  to subcritical  flow  due  to  changes  in  bed  slope.  Therefore  a  river  stretch with  three different  slopes will be  investigated.  Firstly,  it  is  shown how  to  raise  the bed  level elevation.  Afterwards  a  prepared  geometric  data  set  will  be  loaded  for  the simulations.   Raising or lowering of bed elevations of a cross‐section can be done in                        Options        Adjust Elevations 

  For  the  following  calculation  a  prepared  geometric  data  set  must  be  loaded (filename: Praktikum_1.g04).                       File        New Geometry Data       Name: Praktikum_2 

                      File        Import Geometry Data       HEC‐RAS‐Format    

 

   select file and set to SI‐Units!!!   The  longitudinal plot should  look  like the figure to the right.     At  last,  the  steady  state  flow  data  must  be adapted to the new geometry:                       Number of Profiles: 1 

                            PF1: 300    Reach Boundary Conditions:  

                            Downstream: Normal Depth = 0.0028                             Upstream: Normal Depth = 0.01   We  start  the  calculation                   with  the  flow  regime  „Subcritical“,  followed  by “Supercritical“ and finally by „Mixed“.   The results should be controlled in the longitudinal plot              .   Additionally, we want to have a look at the critical depth:        Options       Variables       Critical Depth Elevation anklicken 

  

modification of  bed slope

Practical Unit 2    2‐8 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

   „Subcritical“               „Supercritical“               „Mixed“               As  can be  seen both,  subcritical and  supercritical do not  succeed  in  simulating  the hydraulic  jump, because  the  criterion Froud number < 1  respectively > 1  is  strictly kept.  

hydraulic jump

Practical Unit 2    2‐9 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

  Changes in bed elevation (simulation of local obstructions):   This  example  simulates  a  small weir  by  raising  the  river  bed  in  one  of  the  cross‐sections. Therefore, we use the originally geometry of practical unit 1.  The  small weir  is  situated between cross‐section 2685 and 2710 and has  its  top  in cross‐section 2700 with a height of 105 m a.s.l.  To guarantee a trouble‐free calculation it is recommended to increase the number of cross‐sections  in this area (cross‐section 2600 – 2800) by cross‐section  interpolation (distance: 5 m, respectively 1 m).                        

local obstructions

Detail view„small weir“

Practical Unit 2    2‐10 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

Step 1: „Fixation“ of cross‐sections 2600, 2700, 2800                                       Options       Rename River Station       delete *  

 (Check: now these cross‐sections are plotted in the plan view in dark colour)  

  Step 2: Interpolation of cross‐sections with a distance of 5 m                      Tools       XS Interpolation       Between 2 XS’s…    

 

   Constant Distance: 5m  

(Check: in plan view and longitudinal plot)   Step 3:  “Fixation” of  cross‐section 2685 and 2710  (see  step 1) and deletion of  the 

cross‐sections between 2685 and 2700 as well as 2700 and 2710                      Tools       XS Interpolation       Between 2 XS’s…    

 

   Delete Existing Interpolated XS’s   Step 4: Raising the bed levels of cross‐section 2700 to 105 m a.s.l (+ 0.95 m)                                      lifting the bed level elevation at the stations                  

                                                719 and 751 to 105  

(Check: in longitudinal plot)   Step 5: Interpolation of cross‐sections with a distance of 1 m between 2685 and 2710   

(Check: in longitudinal plot and 3D‐plot)   Step 6: Reduction in roughness‐values (for a better illustration of the hydraulic jump)                       Tables       Manning’s n or k values    

 

   marking of the middle column and Set Values: 0.028   Step 7: Input of steady state flow data  

PF 1 = 300 m3/s Reach Boundary Condition Up‐/Downstream: Normal Depth = 0.0015 

 Check of calculation                      in  the  longitudinal plot displaying  the variables Water Surface, Energy Grade Elevation and Critical Depth Elevation.   The effects of  the  changes  in  local bed  level elevation on  the water  level  shows a hydraulic  jump downstream of the “weir” as well as the critical depth on top of the obstructions.   

Practical Unit 2    2‐11 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

  Changing river width (simulation of a river widening):   In  this example  the width of  the  schematic  channel will be  increased  in  the  cross‐sections 3000 – 3500 by 35 m on both sides:                                         Altering the Positioning as well as the Bank Stations 

 (Check: in cross‐section plot and 3D‐plot) 

                                    Input of steady state flow data 

PF 1 = 300 m3/s Reach Boundary Condition Up‐/Downstream: Normal Depth = 0.0015 

 Check of calculation                      in  the  longitudinal plot displaying  the variables Water Surface, Energy Grade Elevation and Critical Depth Elevation.   

river widening

Practical Unit 2    2‐12 

Exercise Course for Computer Based River Modelling    

                 The  impact of  the widening on  river hydraulics  is clearly visible  (left  figure): At  the upstream end of the widening section a reduction of water surface level can be seen (e.g. flood protection)  in combination with an  increase of flow velocities. Further, a flattening of the energy slope is visible, which directly influences flow velocities (right figure) and bottom shear stress (sediment deposition).   Additionally, different effects on hydraulics  in  relation  to different discharges must be considered.            Further, it should be once more mentioned that the examples of the practical units are results of schematic river reaches. In reality much more boundaries have to be considered.