hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667319020084hydrophysics-58Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОФИЗИКИFUNDAMENTAL ISSUES OF HYDROPHYSICSВоздействие негидростатической длинноволновой динамики на гидротехнические сооруженияImpact of non-hydrostatic long wave dynamics on hydrotechnical constructionsВольцингерН. Е.VoltzingerN. E.

Москва

Moscow

КлеванныйК. А.KlevannyyK. A.

Санкт-Петербург

St.-Petersburg

kklevannyy@mail.ruИнститут океанологии им. П. П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of SciencesRussian FederationООО «Кардинал-софт»РоссияLLC CARDINAL-SoftRussian Federation2019291120211226676Copyright © Вольцингер Н.Е., Клеванный К.А., 20212021Вольцингер Н.Е., Клеванный К.А.Voltzinger N.E., Klevannyy K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/58

Для моделирования длинноволнового воздействия на гидротехнические сооружения ставится краевая задача в трехмерной области для уравнений движения, неразрывности, конституентов плотности и характеристик турбулентности. Задача решается разностным методом поэтапно на каждом временном шаге; негидростатическая компонента давления определяется на заключительном этапе решением краевой задачи для уравнения Пуассона. Расчеты выполняются с помощью программного комплекса CARDINAL. Используется гранично-зависимая криволинейная сетка, по вертикали s-преобразование. Характеристики турбулентности рассчитываются с помощью k-e модели. Численный метод тестируется на модельных примерах. Для оценки влияния негидростатического модуля приводятся результаты расчета экстремального цунами на водозаборе атомной электростанции Эль-Дабаа, Египет, проектируемой на побережье Средиземного моря, и расчет поля скорости при штормовом нагоне в судопропускном сооружении комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений. Обнаружено, что в негидростатической постановке при входе в узость, на поднятии дна увеличение вертикальных скоростей во всей толще воды до поверхности вызывает здесь локальный подъем уровня. Приводимые приложения метода показывают, что динамическая компонента давления может заметно модифицировать структуру течений на элементах гидротехнического сооружения.

For modeling of long-wave impact on hydraulic engineering constructions the boundary value problem in three-dimensional area for the equations of the motion, continuity, constituents of density and characteristics of turbulence is set. The problem is solved by finite-difference fractional time method; non-hydrostatic component of pressure is defined at the final stage by the solution of a boundary value problem for the Poisson’s equation. Calculations are carried out by means of the program system CARDINAL. The boundary-fitted curvilinear grid is used, in the vertical direction s-transformation is used. Characteristics of turbulence are calculated with the help of k-e model. The numerical method is tested on simplified examples. Assessment of influence of non-hydrostatic pressure component is made with calculation of extreme tsunami on a water intake of nuclear power plant El-Dabaa, Egypt projected on the Mediterranean coast and calculation of the velocity field during the storm surge in the navigation canal of St.-Petersburg Flood Protection Barrier. It is revealed that in non-hydrostatic solution at an entrance to narrowness, on a bottom raising increase in vertical velocities from bottom to surface, causes local rise in water level here. The provided applications of a method show what dynamic component of pressure can modify considerably structure of currents on elements of the hydraulic engineering constructions.

гидростатика/негидростатикапроекционный методцунамиштормовой нагонкомплекс сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводненийпрограммный комплекс CARDINALhydrostatics/non-hydrostaticsprojection methodtsunamistorm surgeSt.-Petersburg Flood Protection Barrierprogram system CARDINALРабота выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема № 0149-2019-0015).ReferencesВольцингер Н.E., Kлеванный K.A., Пелиновский E.Н. Длинноволновая динамика прибрежной зоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 270 c.Voltzinger N.E., Klevannyy K.A., Pelinovsky E.N. Long–wave dynamics of coastal zone. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1989. 270 p. (in Russian).Марчук Г.И., Каган Б.А. Динамика океанских приливов. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 380 с.Marchuk G.I., Kagan B.A. Dynamics of ocean tides. Kluwer Academic Publishers, 1989. 380 p.Стокер Д. Волны на воде. М.: ИЛ, 1959. 617 с.Stoker J.J. Water waves. John Wiley and Sons, 1958. 617 p.Вольцингер Н.Е., Андросов А.А., Клеванный К.А., Сафрай А.С. Океанологические модели негидростатической динамики. Обзор // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 1. С. 3–20.Voltzinger N.E., Androsov A.A., Klevannyy K.A., Safrai A.S. Oceanological models of non hydrostatic dynamics. A review. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2018, 11, 1, 3–20 (in Russian).Beisel S.A., Chubarov L.B., Dutykh D. Simulation of surface waves generated by an underwater landslides in a bounded reservoir // Rus. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 1997. V. 12, N2. P. 127–149.Beisel S.A., Chubarov L.B., Dutykh D. Simulation of surface waves generated by an underwater landslides in a bounded reservoir. Rus. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 1997, 12, 2, 127–149.Kanarska Y., Shchepetkin A., Mc Williams J.C. Algorithm for non-hydrostatic dynamics in the Regional Oceanic Modeling System // Ocean Model. J. 2007. V. 18. P. 143–147.Kanarska Y., Shchepetkin A., Mc Williams J.C. Algorithm for non-hydrostatic dynamics in the Regional Oceanic Modeling System. Ocean Model. J. 2007, 18, 143–147.Oliger J., Sundström A. Theoretical and practical aspects of some initial boundary-value problems in fluid dynamics // SIAM J. Appl. Math. 1978. V. 35, N3. P. 419–445.Oliger J., Sundström A. Theoretical and practical aspects of some initial boundary-value problems in fluid dynamics. SIAM J. Appl. Math. 1978, 35, 3, 419–445.Вольцингер Н.Е., Зольников А.В., Клеванный К.А., Преображенский Л.Ю. Расчет гидрологического режима Невской губы // Метеорология и гидрология. 1990. № 1. С. 70–77.Voltzinger N.E., Zolnikov A.V., Klevannyy K.A., Preobrazhensky L. Yu. Calculation of hydrological regime of Neva Bay. Meteorologia i Gidrologia. 1990, 1, 70–77 (in Russian).Kocyigit M.B., Falconer A., Lin B. Three-dimensional numerical modelling of free-surface flows with non-hydrostatic pressure // Int. J. for Numer. Math. Fluids. 2002. V. 40. P. 1145–1162.Kocyigit M.B., Falconer A., Lin B. Three-dimensional numerical modelling of free-surface flows with non-hydrostatic pressure. Int. J. for Numer. Math. Fluids. 2002, 40, 1145–1162.Клеванный К.А., Глянцева О.В. Влияние сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений на режим Невской губы. Influence of St.-Petersburg Flood Protection Barrier on water regime in Neva Bay // Тр.7-й Междун. конф. «День Балтийского моря». СПб.: Диалог, 2006. С. 525–532.Klevannyy K.A., Glyantseva O.V. Influence of St.Petersburg Flood Ptotection Barrier on water regime in Neva Bay. Proc. 7th International Environment Forum Baltic Sea Day. St.-Petersburg, Dialog, 2006, 529–532.Клеванный К.А., Смирнова Е.В. Использование программного комплекса CARDINAL // Журнал Университета водных коммуникаций. 2009. Вып. 1. С. 153–162.Klevannyy K.A., Smirnova E.V. Applications of program system CARDINAL. Journal of University of maritime and inland shipping. 2009, 1, 153–162 (in Russian).Программа для гидродинамического и гидроэкологического моделирования CARDINAL. ООО «Кардинал софт». URL: http://cardinal-hydrosoft.com (дата обращения: 09.11.2018).CARDINAL – program for hydrodynamical and hydroecological modeling (Cardinal-Soft LLC). URL: http://cardinalhydrosoft.com (date of access: 09.11.2018).Klevannyy K.A., Matveyev G.V., Voltzinger N.E. Integrated modeling system for coastal area dynamics // Int. J. for Numer. Meth. Fluids. 1994. V. 19, № 3. P. 181–206.Klevannyy K.A., Matveyev G.V., Voltzinger N.E. Integrated modeling system for coastal area dynamics. Int. J. for Numer. Meth. Fluids. 1994, 19, 3, 181–206.Dean R.J., Dalrymple R.A. Water wave mechanics for engineers and scientists // World Scientific. 1991.Dean R.J., Dalrymple R.A. Water wave mechanics for engineers and scientists. World Scientific. 1991.Soloviev S.L., Solovieva O.N., Go Ch.N., Kim Kh.S., Schetnikov N.A. Tsunamis in the Mediterranean Sea. 2000 B.C., 2000 A.D. Kluwer, 2000.Soloviev S.L., Solovieva O.N., Go Ch.N., Kim Kh.S., Schetnikov N.A. Tsunamis in the Mediterranean Sea 2000 B.C. A.D. Kluwer, 2000.Зайцев А.И., Клячко М.А., Куркин А.А., Пелиновский Е.Н., Ялчинер А.С. Воздействие цунами на берега и сооружения. Четырнадцатая Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», СанктПетербург (23–25 May 2018), 2018, 27–31.Zaitsev A.I., Kliachko M.A., Kurkin A.A., Pelinovsky E.N., Yalciner A.C. Impact of tsunami on shores and constructions. Proc. 14th All-Russian conference Advanced technologies of hydroacoustics and hydrophysics. St.-Petersburg, 2018, 27–31 (in Russian).Клеванный К.А., Колесов А.М., Мостаманди М.-С.В. Прогноз наводнений в Санкт-Петербурге и восточной части Финского залива в условиях работы комплекса защитных сооружений // Метеорология и гидрология. 2015. № 2. С. 61–70.Klevannyy K.A., Kolesov A.M., Mostamandi M.-S. V. Predicting the floods in St.-Petersburg and the eastern part of the gulf of Finland under conditions of operation of the flood prevention facility complex. Russian Meteorology and Hydrology. 2015, 40, N2, P. 115–122.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.