Ein effizienter semi-impliziter Subgrid-Ansatz für Strömungen mit freier Oberfläche auf hierarchischen Gittern

F.W. Platzek, G.S. Stelling, J.A. Jankowski, R. Patzwahl and J.D. Pietrzak

German Abstract: Es wird eine neue Modellierstrategie zur Effizienzsteigerung rechenintensiver Simulationen von Flüssen vorgestellt. Der Ansatz kombiniert einen semi-impliziten Subgrid-Ansatz zur Berücksichtigung von hochaufgelösten Geländeinformationen auf gröberen Netzen mit einer auf Hierarchischen-Netzen basierenden Strategie. Diese Kombination führt zu einer Genauigkeits- und Effizienzsteigerung hydro-numerischer Flussmodelle sowohl im stationären als auch instationären Fall. Die hier präsentierte Arbeit beschränkt sich auf den stationären Fall und zeigt, dass der „Hierarchische-Gitter-Subgrid“-Ansatz zu einer bis zu 43-fachen Verringerung der Rechenzeiten führen kann. Zusätzlich gewährt die Methode einen direkten und automatisierten Einblick in das Gitterkonvergenzverhalten. Es werden die Effizienz und Anwendbarkeit des Ansatzes sowohl an einem schematischen Beispiel als auch an einem realen Flussmodell aufgezeigt. Diesem Beitrag liegt folgende Veröffentlichung zugrunde: Platzek et al. (2015): An efficient semi-implicit subgrid method for free-surface flows on hierarchical grids. Int. J. Numer. Meth. Fluids 80 (12): S. 715-741. DOI: 10.1002/fld.4172. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

English Abstract: A new modelling strategy for improving the efficiency of computationally intensive flow problems in environmental free-surface flows is presented. The approach combines a recently developed semi-implicit subgrid method with a hierarchical-grid solution strategy. The method allows the incorporation of high-resolution data on subgrid scale to obtain a more accurate and efficient hydrodynamic model. The subgrid method improves the efficiency of the hierarchical grid method by providing better solutions on coarse grids. The method is applicable to both steady and unsteady flows, although the particular focus here is on river flows with steady boundary conditions. There, the combined hierarchical grid-subgrid method reduces the computational effort to obtain a steady state with factors up to 43. Additionally, the method provides automatic insight in grid convergence. The efficiency and applicability of the method using a schematic test for the vortex shedding around a circular cylinder and a real-world river case study is demonstrated. This work is based on: Platzek et al. (2015): An efficient semi-implicit subgrid method for free-surface flows on hierarchical grids. Int. J. Numer. Meth. Fluids 80 (12): p. 715-741. DOI: 10.1002/fld.4172. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

Reference: F.W. Platzek, G.S. Stelling, J.A. Jankowski, R. Patzwahl and J.D. Pietrzak (2017) Ein effizienter semi-impliziter Subgrid-Ansatz für Strömungen mit freier Oberfläche auf hierarchischen Gittern. BAW Mitteilungen Nr. 100 (Kompetenz für die Wasserstraßen – Heute und in Zukunft Forschungs- und Entwicklungsprojekte der BAW), p. 207-224. Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe, März 2017, ISSN 2190-9199. Available online from vzb.baw.de.