«يادداشت تحقيقاتي» الگوريتم نوين مدل‌سازي موج ديناميكي با روش حجم محدود و استراتژي ULTIMATE

» Research Note « Novel Numerical Approach for Modeling Dynamic Wave by Finite Volume and ULTIMATE Strategy

تعداد زیادی از پدیده­های طبیعی جریان سیال توسط معادلات سنت-ونانت و مدل موج دینامیكی توصیف می‌شوند. از آن جمله می‌توان به پدیده شكست سد و روندیابی سیلاب اشاره كرد. روندیابی سیلاب یك روش ریاضی برای پیش­بینی تغییرات حجم، سرعت و شكل موج سیل بصورت تابعی از زمان و مكان است. آگاهی از شدت وقوع سیلاب، نقش بسزایی در كاهش خسارت­های جانی و مالی ناشی از آن دارد. تغییرات شدید متغیر وابسته در فاصله مكانی كوتاه ویژگی بارز این پدیده­ها است. لذا در نتایج شبیه­سازی ریاضی آنها، اغلب بالا و پایین‌زدگی‌های غیرفیزیكی و نوسانات غیریكنواخت مشاهده می‌شود كه می­توانند موجب بی­اعتباری نتایج مدل‌سازی گردند. از این‌رو علاوه بر استفاده از روش گسسته­سازی كارآمد لازم است تمهیداتی برای كاهش خطا و جلوگیری از بروز نتایج غیرفیزیكی بكار گرفته شود. در این تحقیق مدل موج دینامیكی توسط روش گسسته‌سازی حجم محدود، كه روشی تقریباً جدید و بسیار كارآمد است، منفصل سازی شده است. سپس برای مدل‌سازی، الگوریتمی ارائه شده كه در عین سادگی استراتژی Ultimate را برای جلوگیری از بوجود آمدن نتایج غیرفیزیكی و نوسانات غیرواقعی به خدمت گرفته است. همچنین در الگوریتم حل پیشنهادی امكان استفاده از انواع الگوهای مرتبه بالا ممكن می­باشد و امكان استفاده از آن در انواع محیط­های كدنویسی وجود دارد. در آخر، برای بررسی صحت دستگاه معادلات گسسته و الگوریتم حل پیشنهادی، كدی در محیط نرم­افزار مت‌لب تهیه شد و نتایج آن با نتایج Chow et al. (1988) مقایسه گردید. نتایج مقایسه اعتبار دستگاه معادلات گسسته و توانمندی الگوریتم حل را اثبات نمود.

A wide range of natural phenomena is modeled by Saint-Venant equations or the dynamic wave model, such as: dam breaks and flood routing. Flood routing is a mathematical method to forecast the changes of the volume, velocity and the shape of the flood wave as a function of time and space. Knowing flood intensity and its wave propagation manners plays a substantial role in minimizing human and financial disasters. A fairly significant change of dependent variable within a short distance is a primary criterion of those phenomena. Therefore, there are often non-physical and non-uniform oscillations in the result of their numerical model, which could entirely invalidate the solution which is obtained. Hence, in addition to an efficient discretization method, some measures must be utilized to reduce cited error and prevent unrealistic results. In this investigation the dynamic wave model was discretized by Finite Volume Method, which is a novel and absolutely reliable method. Then a straightforward algorithm was introduced to solve discrete equations set which prevents spurious numerical oscillations by putting ULTIMATE strategy in use. Furthermore, take advantages of different schemes is possible in innovative algorithm and it could be implemented in various coding programs. Finally, to examine discrete equations set and proposal algorithm, a code was written in MATLAB and its outputs were compared with Chow et al. (1988). Comparison demonstrated that discrete equations set were absolutely correct and the presented algorithm is efficient and well-established.