Numerieke modellering

numerieke modellering

Voor onze numerieke modellering maken we gebruik van een waaier aan commerciële pakketten, opensourceoplossingen en zelf ontwikkelde programma’s en tools. Het Waterbouwkundig Laboratorium heeft de juiste expertise in huis om uit het bestaande portfolio van modellen het meest geschikte instrument te selecteren voor elke toepassing. We houden het portfolio continu up-to-date en vullen eventuele lacunes aan. Wij zijn vertrouwd met heel wat software voor zeer uiteenlopende toepassingen. Hieronder lijsten we de belangrijkste even kort op.

Hydrologische modellen

Hydrodynamische modellen

Waterbalansmodellen

Golfmodellen

Sedimenttransport- en morfologische modellen

Analyse van scheepstrajecten

Computational fluid dynamics

Hydrostatica van schepen

Hydrodynamica van schepen

Vullen en ledigen van schutsluizen

Impact van overstromingen


naar bovenHydrologische modellen

Het Waterbouwkundig Laboratorium maakt gebruik van hydrologische modellen voor de berekening van de afvoer vanuit een rivierbekken naar de waterloop. Zo bepalen we randvoorwaarden die gebruikt worden in hydraulische modellen en waterbalansmodellen.

De meeste hydrologische modellen - zeker operationeel - van het Waterbouwkundig Laboratorium zijn conceptuele reservoirmodellen. Voor studieopdrachten maken we vergelijkingen tussen conceptuele modellen (NAM, PDM, …), gemengde conceptuele-fysisch gebaseerde modellen (bv. WetSpa) en hooggedetailleerde, fysisch gebaseerde en volledig gedistribueerde modellen (bv. MIKE SHE).

Hydrodynamische modellen

Hydrodynamische modellen in 1D gebruikt het Waterbouwkundig Laboratorium voornamelijk om waterstanden en debieten in rivieren en hun overstromingsgebieden te berekenen in functie van de tijd. We maken o.a. gebruik van MIKE11 modellen die we onderhouden en actualiseren om steeds zo goed mogelijk de actuele situatie weer te geven.

Op het gebied van hydrodynamische modellen in 2D en 3D is een waaier aan toepassingen mogelijk. Het Waterbouwkundig Laboratorium gebruikt deze modellen voor de kustzone, de rivierdelta’s en voor specifieke vraagstukken zoals zoutindringing in havens. Deze softwarepakketten hebben ook modules om het sedimenttransport te simuleren. In functie van de benodigde functionaliteiten voor de opdracht en de partners werken we o.a. met TELEMAC, Delft3D en MIKE21. Voor verschillende van deze softwarepaketten werken we mee aan nieuwe ontwikkelingen door nieuwe code te schrijven voor specifieke toepassingen of modules, of door uitgebreide testen van nieuwe functionaliteiten.

We zetten hydrodynamische modellen zowel in voor studies, adviezen en onderzoeken als voor onze operationele voorspellingsmodellen. Typische studievraagstukken zijn scenarioanalyses ter ondersteuning van het waterbeheer, de planning en de ontwikkeling van het beleid. Deze softwarepakketten bevatten naast waterbeweging ook modules voor morfologie.naar boven

Voor de operationele voorspellingsmodellen koppelt het Waterbouwkundig Laboratorium zijn hydrologische en hydrodynamische modellen aan de WISKI databank via webservices. In deze databank wordt info over neerslag, debieten, waterstanden en sedimenthoeveelheden continu opgeslagen aan de hand van metingen op het terrein. Zo doen we minimaal 4 keer per dag voorspellingen voor de komende 48 uur voor alle bevaarbare waterlopen in Vlaanderen.

NEVLA model

Het NEVLA model - kort voor ‘NEderlands-VLAams’ - is een hydrodynamisch model dat ontwikkeld werd in de SIMONA software. Het omvat de Belgische kustzone, de Westerschelde en Zeeschelde en ook debijrivieren Durme, Rupel, Nete, Dijle en Zenne. Deze rivieren zijn allemaal tot aan hun getijgrens opgenomen in het model. SIMONA staat voor ‘SImulatie MOdellen voor de NAtte waterstaat’ en is het instrumentarium waarvan deNEVLA schematisatie Nederlandse Overheid (Rijkswaterstaat) gebruik maakt voor haar watermanagementtaken. Door de NEVLA schematisatie in deze software op te bouwen en te onderhouden, kan het model makkelijk in een internationale (Vlaams-Nederlandse) context worden gebruikt.

Het model wordt door het Waterbouwkundig Laboratorium onderhouden in een 3D- en 2D-versie. De 3D-versie wordt vooral gebruikt voor berekeningen van saliniteit en sedimenttransport (zand en slib). De 2D-versie is sneller in gebruik en zorgt voor operationele voorspellingen.

Waterbalansmodellen

We doen een beroep op waterbalansmodellen (zoals MIKE Basin) voor studies rond waterbeschikbaarheid en waterallocatie. We zetten ze bv. in bij scenarioanalyses voor wijzigende klimatologische omstandigheden of een wijzigende watervraag.

Golfmodellen

Numerieke modellering van golven is een manier om het gedrag van de kustverdediging te bestuderen. Het Waterbouwkundig Laboratorium maakt voornamelijk gebruikt van SWASH, DualSPHysics en XBeach. Ook zijn we actief betrokken bij de verdere ontwikkeling van DualSPHysics. Het XBeach pakket wordt ook ingezet voor kustmorfologische studies.

Sedimenttransport- en morfologische modellennaar boven

De kennis over de sedimentdynamiek en de morfodynamiek in de waterwegen, het estuarium en de kustzone wordt in wiskundige modellen beschreven. Lacunes in de kennis worden door gericht onderzoek en meetcampagnes aangepakt om op die manier de zwakke punten in de modellen stap voor stap structureel verbeteren. Basismodellen voor het hele werkingsgebied worden up-to-date gehouden door aanpassing van geometrie en randvoorwaarden aan uitgevoerde werken en evoluties op het terrein.

Verschillende types wiskundige modellering worden ingezet afhankelijk van de toepassing. Voor de kortere tijdsschalen zijn procesmodellen - die aangedreven worden door hydrodynamische modellen - het meest aangewezen. Voor langere tijdschalen worden ook modellen met geïdealiseerde procesbeschrijving of geïdealiseerde geometrie ontwikkeld. Daarnaast worden empirische modelleringen toegepast, die aangedreven worden door sedimentgerelateerde of morfologische data.

Analyse van scheepstrajecten

Het Waterbouwkundig Laboratorium beschikt over een specifieke tool om scheepsverkeer te analyseren.

AIS data-analysetool

Het Waterbouwkundig Laboratorium ontwikkelde een tool om Automatic Identification System (AIS) data op een flexibele en effectieve manier te analyseren. AIS data bevatten informatie die bv. gebruikt kan worden bij de analyse van het scheepsverkeer voor operationele doeleinden of voor specifieke manoeuvres op welbepaalde locaties.

Omdat datavolumes vaak zeer groot zijn, sorteert de AIS data-analysetool eerst de nodige scheepsinformatie. Nadien wordt die gefilterd op basis van specifieke parameters zoals de scheeps- of reiskarakteristieken. Voor de visualisatie van de data voorziet de AIS data-analysetool exportopties in verschillende formaten die compatibel zijn met GIS viewers.

Computational fluid dynamics

Met Computational Fluid Dynamics) (CFD), oftewel numerieke stromingsleer, bestuderen we stromingen van vloeistoffen en gassen (zoals water en lucht) via numerieke weg met behulp van computers. Hierbij worden de Navier-Stokes vergelijkingen innaar boven discrete vorm opgelost, waardoor we gedetailleerd stromingspatronen kunnen simuleren. CFD wordt gebruikt om de hydrodynamische krachten op schepen te bepalen en om de stroming door of in de omgeving van waterbouwkundige constructies te simuleren.

FINETM/Marine
Het softwarepakket FINETM/Marine, ontwikkeld door NUMECA, berekent de turbulente lucht-waterstroming rond een vaartuig op basis van de Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) vergelijkingen. Het Waterbouwkundig Laboratorium focust zijn onderzoek enerzijds op het nabootsen van experimentele resultaten bekomen via sleeptankonderzoek (o.a. schip-oeverinteractie, schip-schipinteractie en het gedrag van schepen in golven). Anderzijds gebruiken we deze software om de nodige input (bv. windcoëfficiënten van schepen) te leveren voor onderzoekssimulatoren waarvoor het Waterbouwkundig Laboratorium geen experimentele faciliteiten heeft.

OpenFOAM
OpenFOAM is een gratis, open source CFD software die ontwikkeld wordt door de OpenFOAM Foundation. Het pakket bevat meerdere solvers om specifieke stromingsproblemen te simuleren. Het Waterbouwkundig Laboratorium gebruikt OpenFOAM voornamelijk voor de modellering van lokale stromingsprocessen door of in de omgeving van waterbouwkundige constructies.

Hydrostatica van schepen

Het Waterbouwkundig Laboratorium kan een breed gamma aan software voor hydrostatische berekeningen van schepen inzetten, elk met eigen functionaliteiten en mogelijkheden.

DELFTship
DELFTship Pro is een compleet ontwerppakket voor toepassingen in de mariene sector. Hiermee kunnen we elke mogelijke rompvorm ingeven en het kent een grote flexibiliteit. Dankzij de visuele benadering kan het gebruikt worden voor bijna elk drijvend object.

Rhino en Orca3D
Dit programma berekent de hydrostatica en stabiliteit van een schip en kan een breed gamma aan invoer- en uitvoerbestanden verwerken.

Hydrodynamica van schepennaar boven

Ook voor de studie van de hydrodynamica van schepen beschikken we over verschillende onderzoeksmogelijkheden.

ROPES
ROPES is een project dat het effect van passerende schepen bestudeert op de beweging van afgemeerde schepen. De grootte van schepen neemt almaar toe en er worden continu nieuwe terminals ontwikkeld langs waterwegen en toegangswegen tot de havens. Voor de planning en ontwikkeling van de operationele havenactiviteiten is het dus zeker belangrijk om de impact goed in kaart te brengen.

ProToel
Het Waterbouwkundig Laboratorium ontwikkelde samen met de Universiteit Gent afdeling Maritieme Techniek de software ProToel (Probabilistisch Toelatingsbeleid). Het gaat om een gebruiksvriendelijke toepassing die de tijvensters van maatgevende schepen bepaalt tot de Vlaamse havens op basis van zowel probabilistische criteria (maximale kans op bodemraking) als deterministische criteria (minimale kielspelingen, maximale stroomsnelheid, enz.).

Een gebruiker kan in de ProToel-GUI de gewenste reis simuleren door selectie van het schip, de ladingsconditie, de vaarroute met bijhorende vaarsnelheden en het/de gewenste tijdstip(pen) van vertrek. Op elk trajectpunt vraagt ProToel de voorspelde hydrometeogegevens (getij, stroom en directioneel golfklimaat) op via een webservice die het Waterbouwkundig Laboratorium host. Voor berekeningen op lange termijn is het mogelijk om astronomische hydrometeogegevens te definiëren in de lokale databank. De reacties van het schip op zeegang (dynamische verticale beweging) en squat (stationaire verticale beweging) berekenen we met behulp van een databank van scheepsbewegingskarakteristieken (bekomen uit modeltesten en numerieke berekeningen).

Vullen en ledigen van schutsluizennaar boven

Het Waterbouwkundig Laboratorium gebruikt programma’s die het vul- en ledigingsproces van een schutsluis beschrijven in een geschematiseerde vorm. Ze berekenen de variatie in de tijd van de waterstand in de sluiskolk, de variatie in de tijd van het debiet door openingen in deuren of omloopriolen en de variatie in de tijd van langskrachten op het schip in de sluiskolk (dwarskrachten kunnen niet berekend worden).

LOCKFILL
Het programma LOCKFILL wordt gratis ter beschikking gesteld door het onafhankelijk onderzoeksinstituut Deltares. De berekeningsmethode is gebaseerd op schaalmodelonderzoek, deskstudies en eerder ontwikkelde berekeningsprogramma’s. LOCKFILL werd door Deltares ontwikkeld in de periode 1989-1993 in opdracht van Rijkswaterstaat. Dit programma laat toe om het vullen en ledigen van een sluis via openingen in de sluisdeuren te simuleren en de langskrachten op het schip in de sluiskolk te berekenen. In beperkte mate is het in LOCKFILL ook mogelijk om nivelleersystemen met korte omloopriolen en woelkelder te bestuderen.

vul_sluis
Het programma vul_sluis is een (Matlab) programma dat het Waterbouwkundig Laboratorium ontwikkeld heeft op basis van de beschikbare literatuur in verband met het programma LOCKFILL. Het werd gevalideerd met meetgegevens uit de literatuur en bijkomende meetgegevens van het Waterbouwkundig Laboratorium . Ook dit programma laat toe om het vullen en ledigen van een sluis via openingen in de sluisdeuren te simuleren en de langskrachten op het schip in de sluiskolk te berekenen. Bij de ontwikkeling van het programma vul_sluis is enkel de nivellering via openingen in de sluisdeuren in rekening genomen. Nivellering via korte omloopriolen en de component van de langskracht op het schip ten gevolge van dichtheidsverschillen is hierbij niet beschouwd.

Impact van overstromingen

Naast het bepalen van fysische parameters zoals waterstanden of stijgsnelheden in overstroomde gebieden, berekent het Waterbouwkundig Laboratorium ook de impact van overstromingen door inschattingen te maken van schade en slachtoffers. Dit naar bovendoen we om het risico voor en na een ingreep te vergelijken of om bv. de effecten van klimaatscenario’s door te rekenen.

LATIS
Om de impact van overstromingen te berekenen, ontwikkelde het Waterbouwkundig Laboratorium in samenwerking met de Universiteit Gent de specifieke GIS-tool LATIS. Die wordt gebruikt om overstromingsschade en risico’s te bepalen. De tool berekent zowel het economische risico (uitgedrukt in euro/jaar) als het risico op slachtoffers (uitgedrukt in slachtoffers/jaar). Hierbij is het overstromingsrisico het product van de kans van een overstroming en de schade van die overstroming. De schade van een bepaalde overstroming wordt bepaald door de waterdiepte en de maximale schade, wat dan weer afhankelijk is van het landgebruikstype en de socio-economische context.

LATIS gebruikt een zeer gedetailleerde landgebruikskaart tot op perceelniveau. De exacte locatie van (residentiële en industriële) gebouwen, wegen en andere constructies wordt in rekening gebracht. Op basis van deze landgebruiksinformatie en socio-economische data is het mogelijk om een potentiële schadekaart op te stellen. Die wordt gecombineerd met verschillende overstromingskaarten voor diverse terugkeerperioden om 1 risicokaart te vormen. Met behulp van schadefuncties wordt de werkelijke schade berekend op basis van de waterdiepte, maar ook de stroomsnelheid en de stijgsnelheid van het water.

LATIS speelt een belangrijke rol om te voldoen aan de eisen van de Europese Overstromingsrichtlijn (Richtlijn 2007/60/EG). Het pakket is opgebouwd in Microsoft.NET met behulp van de Idrisi API (raster-GIS, Clark Labs). De gebruikersinterface en het algoritme van het model zijn geïmplementeerd in C#.Net.

 naar boven