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HEC-RAS 2D

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A ottobre 2016 è stata rilasciata la versione ufficiale di HEC-RAS 5.0.3 con le nuove funzionalità per la modellazione bidimensionale e numerosi miglioramenti delle funzioni gia presenti nella versione precedente. Il pacchetto completo di software, esempi applicativi e documentazione può essere scaricata all'indirizzo:

HEC-RAS 5.0 2D

di seguito potete trovare una breve descrizione delle caratteristiche del software con particolare riferimento alle possibilità di modellazione bidimensionale

Presentazione

HEC ha aggiunto la capacità di eseguire uno schema di modellazione bidimensionale all'interno della simulazione condotta HEC-RAS in regime di moto vario. Gli utenti possono quindi eseguire una modellazione in moto vario con schema monodimensionale (1D) combinato anche con uno schema quasi-bidimensionale e/o bidimensionale puro (2D) con l'aggiunta di un'area 2D nel modello nello stesso modo come si farebbe per aggiungere una cella d'accumulo (storage area) nel modello quasi-bidimensionale. Un'area 2D viene aggiunta nel modello disegnando un poligono 2D, definendo il modello digitale del terreno e quindi agganciando l'area 2D al modello monodimensionale attraverso l'uso di uno sfioratore laterale (lateral structure). Nelle versioni future di HEC-RAS, l'area 2D potrà essere collegata al modello allo stesso modo di come è possibile attualmente collegare e utilizzare storage aree.

Corso di Formazione HEC-RAS - Modellazione bidimensionale

 

HEC-RAS capacità di modellazione bidimensionale

Le nuove funzionalità di simulazione della propagazione dei deflussi in HEC - RAS sono state sviluppate per permettere all'utente di eseguire la modellazione 1D/2D combinato. L'algoritmo di modellazione del moto bidimensionale in HEC-RAS ha le seguenti caratteristiche:

  1. Modellazione combinata 1D e 2D: La possibilità di eseguire una modellazione combinata 1D e 2D all'interno dello stesso modello in regime di moto vario permette all'utente di lavorare su schemi fluviali più complessi, utilizzando la modellazione 1D per l'asta fluviale principale, e la modellazione 2D nelle zone esterne che lo richiedono per modellare in modo fedele la propagazione dei deflussi.
  2. Equazioni complete di Saint Venant o di diffusione dell'onda in 2D: Il programma risolve sia le equazioni 2D di diffusione dell'onda o quelle complete di Saint Venant. Questa opzione è selezionabile dall'utente, offrendo quindi una maggiore flessibilità all'utente. In generale, le equazioni di diffusione dell'onda in 2D consentono al software di funzionare più velocemente garantendo inoltre una maggiore stabilità. Le equazioni 2D in forma completa di Saint Venant sono applicabile a una gamma più ampia di problemi, ma la grande maggioranza delle situazioni può essere modellata con sufficiente precisione con le equazioni di diffusione dell'onda .
  3. Algoritmo di soluzione ai volumi finiti: Il risolutore delle equazioni di moto bidimensionale utilizza un algoritmo implicito ai Volume finiti. L'algoritmo di soluzione consente di utilizzare passi temporali di calcolo maggiori rispetto ai metodi espliciti . L'approccio ai volumi finiti fornisce una misura dei miglioramenti in termini di stabilità e robustezza rispetto alle tradizionali tecniche differenziali di soluzione basate su metodi a elementi finiti.
  4. Algoritmo per la soluzione accoppiata dei modelli 1D e 2D: Gli algoritmi di soluzione 1D e 2D sono strettamente accoppiati nello stesso passo temporale di calcolo. Questo permette una perfetta coerenza a ogni passo temporale tra i modelli 1D e 2D. Ad esempio, se un fiume è modellato in 1D, ma l'area dietro un argine è modellata in 2D, il deflusso al di sopra dell'argine o eventualmente attraverso una breccia nell'argine è valulato utilizzando come carico di monte il livello nel fiume 1D e come carico di valle il livello nell'area 2D. L'equazione dello stramazzo è utilizzata per calcolare il deflusso al di sopra l'argine o attraverso la breccia
  5. Maglie computazionali strutturate non strutturate: Il software è stato progettato per utilizzare mesh computazionali strutturati o non strutturati. Ciò significa che le cellule computazionali possono essere triangoli, quadrati, rettangoli o anche elementi a cinque e sei facce. La maglia può essere una miscela di forme e dimensioni delle celle. Il contorno esterno della maglia computazionale è definito con un poligono.
  6. Tabella dettagliata delle proprietà idrauliche per le celle di calcolo: Ogni cella e ogni faccia della cella per tutta la maglia di calcolo è pre-trattata al fine di sviluppare dettagliate tabelle di proprietà idrauliche basate sul DTM utilizzato nel processo di modellazione, vedi Figura 1 .


Figura 1 - Rete di calcolo non strutturata con i dati dettagliati del modello digitale del terreno

Nella figura 1 è illustrato un esempio di maglia di calcolo sovrapposta ai dati del terreno. Le celle computazionali sono rappresentate dalle linee nere spesse. I centri di calcolo cellulari sono rappresentati dai nodi neri e sono i luoghi dove viene calcolata per ogni cella il livello idrico e la poratta. La curva altezza/volume per ogni cella si basa sui dati del terreno sottostante . Ogni faccia della cella è una sezione trasversale dettagliata basata anch'essa sul terreno sottostante. Questo metodo di rappresentazione delle celle permette all'acqua di spostarsi tra le celle in base ai dati del terreno sottostante. Pertanto un piccolo canale che attraversa le celle e le cui dimensioni sono molto più piccole della dimensione delle celle viene comunque rappresentato tramite la curva altezza/volume delle celle oltre che dalle proprietà idrauliche delle facce tra le celle. Ciò significa che l'acqua scorre tra le celle più grandi ma comunque il deflusso è condizionato dalle caratteristiche del canale . Un esempio di un piccolo canale che attraversa celle della griglia molto più grandi è illustrato nella Figura 2. L'esempio illustrato nella figura 2 presenta diversi canali che sono molto più piccoli della dimensione media della cella utilizzata per modellare la zona. Tuttavia, come illustrato nella Figura 2, il deflusso avviene attraverso i piccoli canali in funzione delle proprietà idrauliche del canale. Il deflusso rimane nei canali fino a quando la portata non è tale da causare la tracimazione delle sponde e quindi il deflusso si riversa nelle aree adiacenti.


Figura 2 - Esempio che mostra i vantaggi di utilizzare un approccio basato sulla variabilità del DTM all'interno della cella

  1. Dettagliata mappatura dello scenario degli allagamenti con animazioni: La perimetrazione delle aree allagabili così come le animazioni dello scenario degli allagamenti in funzione del tempo può essere fatta all'interno di HEC-RAS utilizzando le funzionalità di RAS - Mapper. La mappatura delle aree allagate si basa sul DTM, ciò significa che la reale superficie bagnata sarà basata sui dettagli della morfologia del terreno sottostante e non sulla dimensione della cella di calcolo. Le celle quindi possono anche essere parzialmente bagnate/asciutte.
  2. Algoritmo di calcolo basato su sistemi Multi-Processore: Il modello di calcolo 2D è stato programmato per sfruttare i sistemi multi-processore presenti sui computer moderni (architettura parallela). In questo l'algoritmo di soluzione presenta una maggiore velocità e quindi i computer dotati di più processori saranno in grado di eseguire la modellazione 2D più velocemente rispetto ai computer a singolo processore
  3. Motori di calcolo a 64 e 32 bit: HEC-RAS è ora dotato di motori di calcolo sia a 64 bit che a 32 bit. Il software utilizzerà automaticamente i motori di calcolo a 64 bit se si installa su un sistema operativo a 64 bit.

A. Sviluppo del 2D Computational Mesh

La modellazione 2D in HEC-RAS utilizza uno schema di soluzione ai Volumi finiti. Questo algoritmo è stato sviluppato per consentire l'uso di una maglia di calcolo sia strutturata che non strutturata. Ciò significa che la maglia di calcolo può essere una miscela di celle con 3, 4, 5 e 6 lati. L'utente può comunque selezionare una risoluzione da utilizzare per scomporre il dominio di calcolo in celle utilizzando gli strumenti automatici presenti all'interno. La maglia di calcolo 2D è sviluppata in HEC-RAS effettuando le seguenti operazioni:

  1. Tracciare il poligono di contorno dell'area 2D
  2. Creazione della maglia di calcolo 2D
  3. Modifica/Rettifica ldella maglia di calcolo 2D
  4. Caricamento del DTM
  5. Associazione del DTM con la geometria
  6. Esecuzione del pre-processore geometrico 2D


Fig. 3 - Tracciamento del poligono di contorno dell'area 2D


Fig. 4 - Esecuzione del pre-processore geometrico 2D e composizione griglia di calcolo


Fig. 5 – Dettaglio della griglia di calcolo

B. Collegare un area di flusso 2D ad una 1D fiume Reach con strutture laterali

Attualmente le aree 2D possono essere agganciata alle aste simulate in monodimensionale unicamente utilizzando strutture laterali. Nella versione definitiva l'utente sarà in grado di collegare le aree 2D come si può attualmente collegare una cella d'accumulo con il modello monodimensionale. Il processo per collegare un'area 2D ad una atsa si compie nell'editor geometrico di HEC-RAS.


Fig. 6 – Connessione area 2D con modello 1D tramite sfioratore laterale

C. Coefficienti per Lateral Structure

In generale, i coefficienti di stramazzo per le strutture laterali (sfioratori) dovrebbero essere inferiori ai valori tipicamente utilizzati per sbarramenti trasversali (briglie). Infatti quando si utilizza una struttura laterale per trasferire il flusso dal fiume (regione 1D) alla pianura (area 2D) i coefficienti di stramazzo da utilizzare devono essere correttamente ridotti altrimenti i deflussi scambiati tra modello 1D e modello 2D saranno eccessivi e non realistici.

D. Condizioni al contorno per aree 2D

Oltre a collegare un'area di flusso 2D a un'asta ci sono 4 tipi di condizioni al contorno che possono essere utilizzate direttamente sull'area 2D. Queste condizione al contorno sono:

Le condizioni al contorno relative al moto uniforme e alla scala di deflusso possono essere utilizzate solo nei punti in cui ci sono immissioni o fuoriuscite di portata nella/dalla area 2D. La portata sarà positiva quando entra nell'area 2D e negativa quando fuoriesce.

  • variazione di livello
  • variazione di portata
  • moto uniforme
  • scala di deflusso

 

Esecuzione combinata 1D/2D Unsteady flusso Modello

In HEC-RAS l'esecuzione di un modello in moto combinato 1D/2D non è diverso rispetto all'utilizzo di un modello a moto vario con schema 1D. Il modulo di calcolo a moto vario 2D è integrato direttamente nel motore di calcolo HEC-RAS e non è un programma separato. Così le simulazioni 1D e 2D vengono svolte contemporaneamente per ogni step temporale. Questo permette una perfetta coerenza tra gli elementi 1D e quelli 2D.


Fig. 7 – Finestra della simulazione combinata 1D-2D

 

Visualizzazione uscita combinata 1D/2D

Dopo aver completato una simulazione in moto vario è possibile visualizzare tutti i risultati utilizzando le funzionalità offerte da HEC-RAS, attualmente l'output della modellazione 2D è limitato ed è solo possibile visulalizzare le aree allagate all'interno di RAS Mapper.


Fig. 8 – Caricamento in RAS Mapper del modello e associazione con DTM


Fig. 9 – Visualizzazione aree allagabili in RAS Mapper

 

2D file di output (HDF5 file binario)

L'output della modellazione bidimensionale, così come alcuni risultati di quella monodimensionale, è contenuto in un file binario che è scritto nel formato HDF (Hierarchical Data Format). Simile a un documento XML, i file HDF consentono agli utenti di specificare relazioni di dati complessi e consentono l'accesso diretto a parti del file senza dover leggere l'intero contenuto.

 

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