Alle promoties, intree- en afscheidsredes worden gehouden in de Aula van de TU Delft, Mekelweg 5, Delft
Promotie
Ondiepwatermodel
12 maart 2001 | 13.30 uur
Hr. M.D.J.P. Bijvelds | civiel ingenieur
Promotor | Prof.dr.ir. G.S. Stelling (fac. CiTG)
Numerical modelling of estuarine flow over steep topography
Bij het gebruik van numerieke ondiepwatermodellen voor het voorspellen van de waterbeweging in grootschalige gebieden is de horizontale resolutie van het rekenrooster vaak ontoereikend om voldoende nauwkeurigheid van de numerieke modellen te kunnen garanderen met betrekking tot kleinschalige fenomenen. De nauwkeurigheid van de verkregen oplossingen kan hierdoor sterk afhankelijk zijn van de keuze van het rekenrooster. Dit geldt met name voor de keuze van het verticale rekenrooster in gebieden met een sterk variërende bodemligging. Twee semi-impliciete driedimensionale numerieke ondiepwatermodellen zijn ontwikkeld die gebruik maken van dezelfde ruimtelijke discretisatie en tijdsintegratie en alleen verschillen in de keuze van het verticale coördinatenstelsel. Deze aanpak maakt een consistent vergelijk van verschillende verticale rekenroosters mogelijk. De twee meest gebruikte verticale coördinatensystemen (het geopotentiale Cartesische coördinatenstelsel (z-model) en het "boundary fitted" s-coordinatenstelsel (s-model)) zijn in deze modellen toegepast. Het z-model heeft als nadeel dat de bodem en het vrije wateroppervlak middels een "trapjeslijn" wordt geschematiseerd terwijl het s-model aanleiding geeft tot fouten in de bepaling van de horizontale barocliene drukgradiënt. Vergelijking van modelresultaten met laboratoriummetingen en veldmetingen laat zien dat grote discrepanties tussen het z-model en het s-model voorkomen in gebieden met sterk variërende bodemligging, met name daar waar stratificatie optreedt. In gebieden met relatief kleine variaties in de bodemligging zijn de afwijkingen tussen beide modellen gering. Als algemene conclusie kan worden gesteld dat voor de modellering van de waterbeweging in estuaria een verticaal rekenrooster gekozen dient te worden waarvan de oriëntatie van de roosterlijnen zoveel mogelijk samenvalt met het te verwachten stromingsveld en dichtheidsgradiënten. In sommige gevallen kan het gebruik van rekenroosters met een hoge horizontale resolutie (met een maaswijdte van de orde van grootte van de waterdiepte) nodig blijken te zijn om verticale structuren van de stroming goed te kunnen weergeven. Naast de onnauwkeurigheden in de numerieke afhandeling van de differentiaalvergelijkingen geeft de turbulentiemodellering aanleiding tot afwijkingen tussen de rekenresultaten en observaties. Voor de modellering van de turbulentie in vrije oppervlaktestromingen wordt veelvuldig gebruik gemaakt van het zogenaamde k-e turbulentiemodel. Echter, in ondiepwaterstroming kan de turbulentie sterk anisotroop zijn en het standaard k-e model is dan niet langer bruikbaar. Een tweelengteschalen k-e turbulentiemodel is ontwikkeld dat rekening houdt met deze anisotropie van de turbulentie. De met het model verkregen anisotrope turbulente viscositeit is gerelateerd aan zowel de kleinschalige turbulentie als de grootschalige quasi-tweedimensionale turbulentie. Ondanks de beperkingen en aannamen van het tweelengteschalenmodel komen de berekende waarden voor deze horizontale Reynoldsschuifspanningen goed overeen met gemeten waarden voor deze grootheid. Het standaard k-e turbulentiemodel geeft hier een duidelijke onderschatting van deze turbulente spanningen. Voor driedimensionale toepassingen geeft het nieuwe turbulentiemodel slechts aanleiding tot een marginale verhoging van de rekentijd.