On the construction of computational methods for shallow water flow problems

Applied SciencesApplied Science

Boosted robustness of semi-implicit subgrid methods for shallow water flash floods in hills

The widespread availability of high-resolution Digital Elevation Models (DEM), has led to the development of subgrid numerical modeling techniques, based on Shallow Water Equations (SWE). Detailed DEM data is clustered as much as possible within a coarse grid cell that is preferably much larger than a raster pixel. This has considerable advantages for model efficiency, in particular for flood mapping. But overland flow on hills, key to rainfall-runoff, may have several problems with accuracy and stability. These issues arise especially during downhill flooding and with surface runoff on inclined planes. It is the focus of this paper. As robust solutions we propose: (1) a special volume correction equation with intrinsic wetting and drying but without stability constraints and, (2) a simple thin layer calculation that is accurate for runoff on coarse grids with sloping subgrids. Especially the combination (1) and (2) makes the subgrid method highly efficient on slopes, as is demonstrated by a few examples.Environmental Fluid Mechanic

Experiments and computations on unsteady separating flow in an expanding flume

An unsteady, separating flow with a free surface was investigated with a physical model and a numerical model. To simulate tidal flow, the prescribed flow rate at the inflow boundary was a half-period sine function of time. Measurements of velocities and wave heights were conducted by using LDV and a wave-height meter in a straight open channel with a sudden widening and a non-reflective outlet. Distributions of depth-averaged velocities at different times were obtained. Numerical simulation of this flow was carried out using a computer programme of second-order accuracy. The development of the recirculation region in course of time was well simulated, and the observed splitting of the main eddy in a later phase of the experiment and the secondary eddy in the concave corner were reproduced. The computational results are markedly influenced by the boundary conditions at closed boundaries and the eddy viscosity applied.Hydraulic EngineeringCivil Engineering and Geoscience

Computational modelling flow and transport

Lecture notes CT wa4340. Derivation of equations using balance principles; numerical treatment of ordinary differential equations; time dependent partial differential equations; the strucure of a computer model:DUFLO; usage of numerical models.Hydraulic EngineeringCivil Engineering and Geoscience

Efficiënt berekenen van vertikale strukturen

Bij het oplossen van vragen over de morfodynamische processen die zich voor de kust afspelen, is inzicht in de dynamiek van vooroever en brandingsruggen onontbeerlijk. Een instrument dat hierbij aan bij kan dragen is het ARGUS videosysteem dat in het kader van het KUST*2000 onderzoekprogramma bij Bergen Egmond zal worden opgesteld. Een vergelijkbaar videosysteem is reeds in gebruik in Noordwijk. Ondanks de vorderingen die met dit systeem worden behaald, kent het systeem zijn beperkingen. Integratie met een golfvoortplantingsmodellijkt een geschikte benadering voor kustlangse uniforme banksystemen. Echter de morfologie van deze banken is minder kustlangs dan wordt aangenomen. Het onderkennen van muigeulen zal een uitbreiding van de interpretatietechniek naar drie dimensies vragen, waarbij naast het golfvoortplantingsmodel ook een 3D-stromingsmodel zal moeten worden ingezet. Door de snelle ontwikkeling van de computertechnologie is het sinds enige tijd mogelijk de bewegingsvergelijkingen voor stroming met een vrij oppervlak (zoals bijvoorbeeld zeeën en estuaria) volledig drie-dimensionaal op te lossen. Echter, voor praktische situaties kan een volledig drie-dimensionaal model inefficiënt en duur zijn. Dit geldt zeker wanneer men geïnteresseerd is in de morfologische ontwikkeling van kustprofielen waarvoor geldt dat de karakteristieke tijdschalen een orde van grootte van maanden of zelfs jaren hebben. Versnelling van de berekeningen is in deze gevallen vanuit praktisch oogpunt gezien een noodzaak. Een voorwaarde hierbij is echter wel dat informatie over de vertikale strukturen van de stroming hierbij niet verloren gaat. In dit rapport zullen de mogelijkheden voor het efficiënt berekenen van vertikale strukturen in 3D-modellen besproken worden. Daarbij moet onderscheid gemaakt worden tussen het beperken van de rekentijd per tijdstap en het terugbrengen van de totale rekentijd door grotere tijdstappen te nemen. Voorts is het mogelijk de vereenvoudigingen te rangschikken naar mathematisch fysisch (mf) of numerieke (num) aard. In onderstaande tabel worden de te behandelen onderwerpen schematisch weergegeven. In hoofdstuk 5 zal een overzicht van de te verwachten rekentijden worden gegeven, gevolgd door de conclusies en aanbevelingen in hoofdstuk 6.Hydraulic EngineeringCivil Engineering and Geoscience