THT211 Strømning i kanaler og vassdrag

Emnet gir en introduksjon til de fysiske prinsippene for strømning i vassdrag, åpne kanaler og delfylte rør, og demonstrerer hvordan disse prinsippene benyttes i typiske ingeniøranvendelser og i hydraulisk programvare (HEC-RAS, HY-8, SWMM). Målet er at studentene kan gjennomføre de vanligste ingeniøranalysene manuelt (for hånd med kalkulator eller i Excel/Python) eller vha. hydraulisk programvare, og kan forholde seg kritisk til analysene og resultatene. Emnet inneholder også en mindre laboratoriekomponent. Emnet er i første rekke rettet mot studenter som gjennomfører studieprogrammet i vann- og miljøteknikk, men kan også være relevant for andre teknologistudenter og studenter ved MINA-fakultetet.

Emnet består av tre hoveddeler med følgende innhold:

• Stasjonær endimensjonal strømning:
  • Introduksjon, grunnleggende begreper, repetisjon av prinsippene for strømning i helt fylte rør.
  • Bevaring av masse, bevegelsesmengde og energi, spesifikk energi, friksjonstap, singulærtap, uniform strømning, normaldybde.
  • Kritisk strømning og bølgehastighet, vannstandssprang og overløp, vannføringsmålinger.
  • Vannlinjeberegninger, introduksjon til HEC-RAS, kalibrering/validering.
  • Stoff- og sedimenttransport, erosjon og selvrensing, dimensjonering av kanaler og avløpsrør.
  • Kulverthydraulikk og kulvertdimensjonering, introduksjon til HY-8.
• Ikke-stasjonær endimensjonal strømning:
  • Introduksjon til St. Venants likninger og prinsipper for numerisk løsning.
  • Introduksjon til ledningsnettkomponenten i SWMM, kalibrering/validering.
• Ikke-stasjonær todimensjonal strømning:
  • Introduksjon til gruntvannslikningene og prinsipper for numerisk løsning.
  • Introduksjon til/demonstrasjon av 2D-simuleringer i HEC-RAS.

Kunnskap:

• Studenten kan forstå og beskrive de grunnleggende fysiske prinsippene og likningene for stasjonær endimensjonal strømning i åpne kanaler
• Studenten kan forstå og beskrive likningene for uniform strømning og hvilken rolle uniform strømning spiller som likevektstilstand i kanalstrømning
• Studenten kan forstå og beskrive fenomenet kritisk strømning, og hvilke praktiske og beregningsmessige konsekvenser det har for kanalstrømning
• Studenten kan forstå og beskrive prinsippene for vannlinjeberegninger og hvordan disse er implementert i HEC-RAS
• Studenten kan forstå og beskrive grunnleggende prinsipper og likninger knyttet til stoff- og sedimenttransport, sedimentering og erosjon i kanaler og avløpsrør
• Studenten kan forstå og beskrive ulike strømningsregimer i kulverter, samt prinsipper for dimensjonering og kapasitetsvurderinger av kulverter
• Studenten kan forstå og beskrive St. Venants likninger, inkludert vanlige forenklinger av likningene
• Studenten har kjennskap til prinsipper for numerisk løsning av St. Venants likninger, inkludert hvordan løsningen er implementert i SWMM
• Studenten har kjennskap til gruntvannslikningene og hvordan den numeriske løsningen av disse er implentert i HEC-RAS
• Studenten kan forstå og beskrive prinsipper for kalibrering og validering av modeller for kanalstrømning

Ferdigheter:

• Studenten kan anvende kunnskapen i listen over til å løse enklere kanalstrømningsproblemer, inkludert grunnleggende dimensjonering av kanaler, avløpsrør og hydrauliske installasjoner i vannløp, manuelt eller med generell numerisk programvare
• Studenten kan gjennomføre grunnleggende hydrauliske analyser og dimensjonering i programmene HEC-RAS, HY-8 og SWMM
• Studenten kan gjøre kritiske vurderinger av inndata og utdata fra hydraulisk programvare og tolke typiske numeriske diagnosemeldinger som slik programvare gir brukeren

Generell kompetanse:

• Studenten har erfaring med å bruke programvare utviklet for ingeniører
• Studenten har erfaring med å forstå sammenhengen mellom en matematisk modell i form av et likningssett og den numeriske implementeringen som ferdig programvare tilbyr
• Studenten har erfaring med kalibrering av modeller som inneholder usikre parametre
• Studenten har erfaring med å stille opp og implementere numeriske løsninger av enkle (differensial)likninger i generell numerisk programvare