Bez deszczu w środkowoeuropejskim klimacie nie byłoby życia, ale po tygodniu obfitych opadów każdy przypomina sobie powiedzenie „co za dużo, to niezdrowo”. Przy odpowiednim podejściu do deszczówki możemy jednak maksymalnie ograniczać niepożądane skutki opadów.
Radzenie sobie z wodami opadowymi bywa niezwykle problematyczne, szczególnie że większość instalacji dobierana jest według odgórnie nakreślonych norm lub programów wykorzystujących wzory analityczne. Takie podejście sprawdza się w wielu przypadkach, jednak niestety nie w każdym. Kiedy nie mamy pewności, jak wyglądał będzie rozpływ wody, gdzie zatrzymają się osady lub też testujemy nowe rozwiązanie konstrukcyjne, z pomocą przychodzi nam oprogramowanie Particleworks, służące do pełnowymiarowego podejścia do problemu.
W niniejszym artykule skupimy się na podejściu do deszczówki w kontekście kanałów i komór podziemnych systemów kanalizacyjnych, a także obrazowaniem przepływów przez koryta rzeczne podczas podwyższonego stanu wód.
W obszarze kanałów, kolektorów oraz zbiorników akumulacyjnych, można wskazać kilka obszarów naszego zainteresowania projektowego, które przy pomocy symulacji jesteśmy w stanie optymalizować. Misja symulacji jako wsparcia podczas projektowania urządzenia jest o tyle istotna, że możemy sprawdzić za jej pomocą wszelkie najgorsze scenariusze pracy układu oraz skutki, jakie najgorszy scenariusz niesie za sobą.
W jednym przypadku wizją najgorszą będzie maksymalny przepływ przez urządzenie podczas nawałnicy, w kolejnym awaria jednego z odbiorników, a w innym znowu brak przepływu i kumulujące się osady.
Kiedy chcemy zrobić taką symulację i posprawdzać, czy wszystko z naszym konceptem jest w porządku, to czego potrzebujemy?
- Geometrię trójwymiarową projektowanego urządzenia w formacie STL lub OBJ. Są to formaty, które eksportują nasze modele 3D jako powierzchnie składające się z trójkątów. Mamy możliwość bardzo łatwego eksportu takich geometrii z każdego oprogramowania CAD (np. Revit, AutoCAD, Solidworks, Catia, NX)
- Położenie geometryczne wlotów i wylotów, a także przepływy objętościowe wody podczas wybranych schematów pracy (np. wykres chwilowych natężeń przepływu podczas burzy, minimalny przepływ sanitarny itd.)
- W przypadku, gdy interesuje nas nanoszenie i akumulacja osadów, będziemy potrzebować również gęstości oraz rozkładu wielkości cząstek niesionych przez osad.
Całość procesu jest wypracowaną przez naszą firmę metodyką, która pozwala na dowolne wariacje testów i optymalizacji, przy maksymalnym ograniczeniu czasu potrzebnego na przygotowanie i przeprowadzenie symulacji.
Trzeba mieć jednak świadomość, że za znacznie większymi możliwościami zaglądania do wnętrza urządzeń idzie też fakt, że wyników nie otrzymamy od razu, jak to jest w przypadku modeli zero wymiarowych. Na czas potrzebny do obliczeń wpływ mają również: dokładność symulacji, okres zjawiska, które chcemy zbadać oraz sprzęt (kartę graficzną), który wykorzystamy w procesie.
W naszym zasięgu jest wykonywanie symulacji stanu ustalonego oraz zmiennego w czasie nawet w zakresie wielu godzin. Tak długie symulacje nie były dostępne jeszcze kilka lat temu z powodu niedostatecznego rozwoju kart GPU. Po wykonaniu symulacji możemy w łatwy sposób wizualnie sprawdzać, co działo się w środku. Poza ogólnym poglądem na charakter zjawiska do dyspozycji mamy też różnego rodzaju raporty, które pozwalają dokładnie sprawdzić:
- Gdzie i ile wody w danym czasie przepływało lub było zakumulowane.
- Czy ciecz dotarła w miejsce, do którego dotrzeć nie powinna i ile czasu w nim przebywała.
- Jak dobrze udało się zmyć daną powierzchnię.
- Miejsca akumulacji osadów.
- Siły oraz momenty działające na konkretne obiekty (np. zasuwy) pod naporem wody.
- Profile prędkości oraz ciśnienia w konkretnym miejscu w wybranej chwili.
- Interakcję cieczy z otaczającym ją powietrzem.
- Wzrost ciśnienia powietrza w komorach zamkniętych.
- Systemy odpowietrzenia komór.
O kilku komercyjnych zastosowaniach tego typu symulacji, prototypowanych w oprogramowaniu Particleworks, które aktualnie działają w naszym kraju, można przeczytać w 14 wydaniu Messengera na str.19.
Zastosowanie oprogramowania jest znacznie szersze i jego zalet doszukać można się również w większej skali. Kiedy woda opadowa spłynie już do rzeki i będzie jej na tyle dużo, że wystąpi możliwość zagrożenia zalaniem miast lub innej infrastruktury, symulacja w oprogramowaniu Particleworks pozwoli wytypować nam najbardziej niebezpieczne miejsca oraz zapobiegać skutkom powodzi. W tym przypadku w celu przygotowania analizowanej geometrii program CAD nam nie wystarczy, choć może się przydać.
Aby zachować maksymalnie rzeczywiste wyniki, należy bazować na jak najdokładniejszej geometrii jako istotnym elemencie wsadowym do symulacji. W Polsce oraz innych krajach Unii Europejskiej mamy dostęp do bardzo dużej bazy map terenowych o wysokiej dokładności, które w przypadku polskiego geoportalu są bezpłatne.
Chmura punktów w pliku pobranym z geoportalu przechowuje dane o współrzędnych geograficznych, wysokości nad poziomem morza oraz definicję obiektów (powierzchnia gruntu, drzewo, dno rzeki lub np. budynek). Dzięki tak dokładnie zdefiniowanej geometrii możliwe jest szybkie odfiltrowanie istotnych dla symulacji obiektów.
Symulacje tego typu pod kątem fizyki i ustawień symulacji są niezwykle proste, jednak potrafią przynieść kluczowe dla bezpieczeństwa przeciwpowodziowego odpowiedzi. Jako model pokazowy przygotowaliśmy taką symulację na geometrii miasta Kłodzko podczas powodzi błyskawicznej.
Autor: Piotr Eliasz, MESco sp. z o.o.