Transport elements: Difference between revisions

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Transportstrecken bilden das Translations-und Retentionsverhalten natürlicher Gewässerläufe oder Rohrleitungen ab. Dabei unterscheiden sich die Ansätze zur Berechnung von Rohren oder natürlichen Gerinnen.
__TOC__


[[Bild:Theorie_Abb45.gif|thumb|600px|center|Abbildung 45: Berechnungsoptionen für das Transportelement]]
Transport elements model the translation and retention characteristics of natural streams and rivers or pipes. The calculation approaches of natural channels and pipes differ.


* '''''Translation (Option 1):'''''


Die Zulaufwelle wird mit einem zeitlichen Versatz, welcher der Fließzeit in der Transportstrecke entspricht, an den Auslauf verschoben. Ist die Fließzeit kleiner als der Berechnungszeitschritt, wird in den Simulationsergebnissen das Translationsverhalten nicht sichtbar.
[[Bild:Theorie_Abb45.gif|thumb|600px|left|Abbildung 45: Calculations options for the transport element]]
<br clear="left"/>


* '''''Freispiegel-Rohrleitungen (Option 2):'''''
==Translation==


Es erfolgt eine Wellenablaufberechnung für Rohre nach Kalinin-Miljukov. Die Parameter des Kalinin-Miljukov-Verfahrens werden programmintern nach Euler, 1983<ref name="euler_1983">'''Euler, G.''' (1983): Ein hydrologisches Näherungsverfahren für die Berechnung des
The wave of inflow reaches the outflow with a certain time offset. This time offset corresponds to the travel time within the transport element. If travel time is shorter than the chosen calculation time step, translation characteristics will not be visible in the simulation results.
Wellenablaufs in Kreisrohren. Wasser und Boden (Heft 2)</ref> für Kreisrohre abgeschätzt, bzw. für nicht kreisförmige Profile unter Angabe des hydraulischen Durchmessers und der Querschnittsfläche bei Vollfüllung bestimmt.
 
==Open conduit calculated using Kalinin-Miljukov==
 
A wave output is calculated for pipes using Kalinin-Miljikov. The necessary parameters for the Kalinin-Miljukov-Method are estimated program internally according to {{:Literatur:Euler_1983}} for circular pipes. For non circular profiles the parameters are determined by supplying the hydraulic diameter and the cross-section area when the considered profile is completely filled.  


:{| cellspacing="0" cellpadding="2" border="0"
:{| cellspacing="0" cellpadding="2" border="0"
|-
|-
|charakteristische Länge: || <math>L = 0.4 \cdot \frac{D}{I_S} \quad [\mbox{m}]</math>
|characteristic length: || <math>L = 0.4 \cdot \frac{D}{I_S} \quad [\mbox{m}]</math>
|-
|-
|Retentionskonstante: || <math>K = 0.64 \cdot L \cdot \frac{D^2}{Q_v} \quad [\mbox{s}]</math>
|retention constant: || <math>K = 0.64 \cdot L \cdot \frac{D^2}{Q_v} \quad [\mbox{s}]</math>
|}
|}


:mit
:with:
:D [m] = Kreisrohrdurchmesser bzw. hydraulischer Durchmesser
:<code>D</code> [m] = diameter of the circular pipe respectively hydraulic diameter
:I<sub>S</sub> [-] = Sohlgefälle des Rohres
:<code>I<sub>S</sub></code> [-] = bottom slope of the pipe
:Q<sub>v</sub> [m<sup>3</sup>/s] = scheitelvolle Abflussleistung des Rohres
:<code>Q<sub>v</sub></code> [m³/s] = maximum discharge capacity of the pipe


Die scheitelvolle Abflussleistung des Rohres wird nach dem Fließgesetz von Prandtl-Colebrook berechnet:
Maximum discharge capacity is calculated using the Prandtl-Colebrook equation:


:<math>Q_v = A_v \left [ -2 \cdot \lg \left [ \frac{2.51 \cdot \nu}{D\sqrt{2gDI_S}}+\frac{k_b}{3.71 \cdot b} \right ] \cdot \sqrt{2gDI_S} \right ]</math>
:<math>Q_v = A_v \left [ -2 \cdot \lg \left [ \frac{2.51 \cdot \nu}{D\sqrt{2gDI_S}}+\frac{k_b}{3.71 \cdot b} \right ] \cdot \sqrt{2gDI_S} \right ]</math>


:mit:
:with:
:A<sub>v</sub> [m<sup>2</sup>] = Querschnittsfläche des Profils
:<code>A<sub>v</sub></code> [m²] = cross-section area of the profile
:&#957; [m<sup>2</sup>/s] = kinematische Viskosität
:<code>&#957;</code> [m²/s] = kinematic viscosity
:k<sub>b</sub> [m] = Betriebsrauheit
:<code>k<sub>b</sub></code> [m] = roughness
:g [m/s<sup>2</sup>] = Erdbeschleunigung
:<code>g</code> [m/s²] = gravitational acceleration


Entsprechend der charakteristischen Länge L wird die Gesamtlänge L<sub>g</sub> des Sammlers in n gleichlange Berechnungsabschnitte unterteilt mit
Corresponding to the characteristic length <code>L</code> the total length <code>L<sub>g</sub></code> of the element is split into <code>n</code> calculation segments of equal length.
:with:
:<math>n = \frac{L_g}{L}</math> (in which n is an integer)


:<math>n = \frac{L_g}{L}</math> (wobei n eine ganze Zahl ist)
The adjusted parameters are valid for the individual calculation segments.
 
Für die einzelnen Berechnungsabschnitte gelten die angepassten Parameter


:<math>L^* = \frac{L_g}{n}</math>
:<math>L^* = \frac{L_g}{n}</math>
:<math>K^* = K \cdot \frac{L^*}{L}</math>
:<math>K^* = K \cdot \frac{L^*}{L}</math>


Basierend auf diesen Parametern wird nach n-fachem Durchlaufen der Rekursionsformel
On the basis of these parameters the outflow at the downstream end of the element is calculated by running through the recursion formula <code>n</code> times.


:recursion formula:
:<math>Q_{a,i} = Q_{a,i-1} + C_1 \cdot (Q_{z,i-1} - Q_{a,i-1}) + C_2 \cdot (Q_{z,i} - Q_{z,i-1})</math>
:<math>Q_{a,i} = Q_{a,i-1} + C_1 \cdot (Q_{z,i-1} - Q_{a,i-1}) + C_2 \cdot (Q_{z,i} - Q_{z,i-1})</math>


:mit
:with
:Q<sub>z</sub> = Zufluss zum Berechnungsabschnitt
:<code>Q<sub>z</sub></code> = Inflow to the calculation segment 
:Q<sub>a</sub> = Abfluss aus Berechnungsabschnitt
:<code>Q<sub>a</sub></code> = Outflow of the calculation segment
:i = aktueller Berechnungszeitschritt
:<code>i</code> = current calculation time step
:i-1 = vorheriger Berechnungszeitschnitt
:<code>i-1</code> = antecedent calculation time step 
:dt = Berechnungszeitintervall
:<code>dt</code> = time step increment
:<math>C_1 = 1 - e^{-\frac{dt}{K^*}}</math>
:<math>C_1 = 1 - e^{-\frac{dt}{K^*}}</math>
:<math>C_2 = 1 - \frac{\frac{K^*}{dt}}{C_1}</math>
:<math>C_2 = 1 - \frac{\frac{K^*}{dt}}{C_1}</math>


der Abfluss am unteren Sammlerende berechnet.
This approximation approach derived by Kalinin-Miljukov is a reservoir cascade as utilized for run-off concentration. Therefore the wave output of a transport element can be simulated through a reservoir cascade of <code>n</code> reservoirs with the retention constant <code>K*</code>.


Dieses von Kalinin-Miljukov abgeleitete Näherungsverfahren ist nichts anderes als die bei der Abflusskonzentration verwendete Speicherkaskade; d.h. der Wellenablauf in einer Transportstrecke lässt sich durch eine Speicherkaskade bestehend aus n Speichern mit der Speicherkonstante K<sup>*</sup> simulieren.
This method was validated according to the paper of {{:Literatur:Euler_1983}} (refer to {{file|pdf|Test_KalMil.pdf|Test_KalMil.pdf}}).


* '''''offene Gerinne mit Angabe eines Querprofils (Option 3):'''''
==Open Channel flow with input of channel geometry==


[[Bild:CharLaenge.gif|thumb]]
[[Bild:CharLaenge.gif|thumb|300px]]


Auch hier wird mit Hilfe der Wellenablaufberechnung nach Kalinin-Miljukov das Translations- und Retentionsverhalten abgebildet. Aus der Normalabflussbeziehung nach Manning-Strickler wird die charakteristische Länge als Parameter des Kalinin-Miljukov-Verfahrens abgeleitet (Rosemann, 1970)<ref name="rosemann_1970">'''Rosemann, H.-J., Vedral, J.''' (1970): Das Kalinin-Miljukov Verfahren zur Berechnung des Ablaufs von Hochwasserwellen. Schriftenreihe der bayerischen Landesstelle für Gewässerkunde München, Heft 6</ref>.
Translation and retention characteristics are modeled for open channel flow by using Kalinin-Miljukov as well. The characteristic length as a Parameter of the Kalinin-Miljukov-Method is derived out of the uniform flow relationship according to Manning-Strickler ({{:Literatur:Rosemann_1970}}).


Mit der charakteristischen Länge erfolgt für das Gerinne eine Aufteilung in einzelne Segmente. Für jedes Segment wird mit Hilfe der Normalabflussbeziehung über eine nichtlineare Speicherberechnung (siehe Bodenfeuchtesimulation) die Berechnung des Übertragungsverhaltens vollzogen.
Via the characteristic length the channel is split into individual segments. For each segment transmission behavior is modeled with a non-linear reservoir (refer to [[Speicherbaustein]])with help of the uniform flow relationship.  


* '''''Benutzung einer Wasserspiegel – Querschnittsfläche - Abfluss Kennlinie (Option 4):'''''


Ist das Übertragungsverhalten der Transportstrecke durch vorangegangene Wasserspiegellagenberechnung bekannt, kann das Ergebnis in Form einer Wasserspiegel-Querschnitt-Abfluss Kennlinie benutzt werden.
;Hint : For the simulation in BlueM a fictional vertical wall of 1m height is added to the provided channel geometry/profile in the [[TRS-File]].<br clear="all" />


==Literaturverzeichnis==
==Using a water level – cross-section area - discharge characteristic curve==
 
If the transmission behavior of a transport element is known through prior water level calculation, the results can be used in the form of a water level- cross-section area- discharge characteristic curve.
 
==Open conduit pipes using a non-linear reservoir==
 
The calculation utilizes the building block (a non-linear [[Speicherbaustein|reservoir]])according to {{:Literatur:Ostrowski_1992}}.
The wave outflow is calculated via Teilfüllungs- bzw. Teilabflusskurve. Thereby the non-linear component of the outflow process is considered as opposed to the calculation using Kalinin-Miljukov.
 
 
==Literature==
<references/>
<references/>


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Latest revision as of 08:31, 9 January 2015

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Transport elements model the translation and retention characteristics of natural streams and rivers or pipes. The calculation approaches of natural channels and pipes differ.


Abbildung 45: Calculations options for the transport element


Translation

The wave of inflow reaches the outflow with a certain time offset. This time offset corresponds to the travel time within the transport element. If travel time is shorter than the chosen calculation time step, translation characteristics will not be visible in the simulation results.

Open conduit calculated using Kalinin-Miljukov

A wave output is calculated for pipes using Kalinin-Miljikov. The necessary parameters for the Kalinin-Miljukov-Method are estimated program internally according to Euler (1983)[1] for circular pipes. For non circular profiles the parameters are determined by supplying the hydraulic diameter and the cross-section area when the considered profile is completely filled.

characteristic length: [math]\displaystyle{ L = 0.4 \cdot \frac{D}{I_S} \quad [\mbox{m}] }[/math]
retention constant: [math]\displaystyle{ K = 0.64 \cdot L \cdot \frac{D^2}{Q_v} \quad [\mbox{s}] }[/math]
with:
D [m] = diameter of the circular pipe respectively hydraulic diameter
IS [-] = bottom slope of the pipe
Qv [m³/s] = maximum discharge capacity of the pipe

Maximum discharge capacity is calculated using the Prandtl-Colebrook equation:

[math]\displaystyle{ Q_v = A_v \left [ -2 \cdot \lg \left [ \frac{2.51 \cdot \nu}{D\sqrt{2gDI_S}}+\frac{k_b}{3.71 \cdot b} \right ] \cdot \sqrt{2gDI_S} \right ] }[/math]
with:
Av [m²] = cross-section area of the profile
ν [m²/s] = kinematic viscosity
kb [m] = roughness
g [m/s²] = gravitational acceleration

Corresponding to the characteristic length L the total length Lg of the element is split into n calculation segments of equal length.

with:
[math]\displaystyle{ n = \frac{L_g}{L} }[/math] (in which n is an integer)

The adjusted parameters are valid for the individual calculation segments.

[math]\displaystyle{ L^* = \frac{L_g}{n} }[/math]
[math]\displaystyle{ K^* = K \cdot \frac{L^*}{L} }[/math]

On the basis of these parameters the outflow at the downstream end of the element is calculated by running through the recursion formula n times.

recursion formula:
[math]\displaystyle{ Q_{a,i} = Q_{a,i-1} + C_1 \cdot (Q_{z,i-1} - Q_{a,i-1}) + C_2 \cdot (Q_{z,i} - Q_{z,i-1}) }[/math]
with
Qz = Inflow to the calculation segment
Qa = Outflow of the calculation segment
i = current calculation time step
i-1 = antecedent calculation time step
dt = time step increment
[math]\displaystyle{ C_1 = 1 - e^{-\frac{dt}{K^*}} }[/math]
[math]\displaystyle{ C_2 = 1 - \frac{\frac{K^*}{dt}}{C_1} }[/math]

This approximation approach derived by Kalinin-Miljukov is a reservoir cascade as utilized for run-off concentration. Therefore the wave output of a transport element can be simulated through a reservoir cascade of n reservoirs with the retention constant K*.

This method was validated according to the paper of Euler (1983)[1] (refer to Test_KalMil.pdf information.png).

Open Channel flow with input of channel geometry

CharLaenge.gif

Translation and retention characteristics are modeled for open channel flow by using Kalinin-Miljukov as well. The characteristic length as a Parameter of the Kalinin-Miljukov-Method is derived out of the uniform flow relationship according to Manning-Strickler (Rosemann (1970)[2]).

Via the characteristic length the channel is split into individual segments. For each segment transmission behavior is modeled with a non-linear reservoir (refer to Speicherbaustein)with help of the uniform flow relationship.


Hint
For the simulation in BlueM a fictional vertical wall of 1m height is added to the provided channel geometry/profile in the TRS-File.

Using a water level – cross-section area - discharge characteristic curve

If the transmission behavior of a transport element is known through prior water level calculation, the results can be used in the form of a water level- cross-section area- discharge characteristic curve.

Open conduit pipes using a non-linear reservoir

The calculation utilizes the building block (a non-linear reservoir)according to Ostrowski (1992)[3]. The wave outflow is calculated via Teilfüllungs- bzw. Teilabflusskurve. Thereby the non-linear component of the outflow process is considered as opposed to the calculation using Kalinin-Miljukov.


Literature

  1. 1.0 1.1 Euler, G. (1983): Ein hydrologisches Näherungsverfahren für die Berechnung des Wellenablaufs in Kreisrohren. Wasser und Boden (Heft 2) (PDF information.png)
  2. Rosemann, H.-J., Vedral, J. (1970): Das Kalinin-Miljukov Verfahren zur Berechnung des Ablaufs von Hochwasserwellen. Schriftenreihe der bayerischen Landesstelle für Gewässerkunde München, Heft 6
  3. Ostrowski, M. (1992): Ein universeller Baustein zur Simulation hydrologischer Prozesse, Wasser und Boden, Heft 11 (PDF information.png)