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Prinzip der Moving Boundary Method

Bei der Simulation von Wasserströmungen mit der FE-Methode ist es notwendig, die Wasserspiegeländerungen in Zeitschritten zu betrachten. Zu Beginn der Berechnung ist nur ein Teil des Gebiets benetzt. Die Anzahl der benetzten Elemente eines FE-Netzes ändert sich daher während jedes Rechenschrittes. Grundgedanke der  Moving Boundary Method ist, immer nur die zum betrachteten Zeitpunkt benetzten Elemente in der Berechnung zu berücksichtigen. Trockene Elemente werden nicht betrachtet. Ein Element wird als benetzt definiert, wenn in einem Knoten des Elementes die Summe aus initialer Wasserhöhe H und der Wasserspiegeländerung tex2html_wrap_inline577 größer ist als ein vorher definierter Wert tex2html_wrap_inline579 .
Während jedes Rechenschritts wird eine Elementmatrix für jedes Element berechnet. Durch ein  Galerkin Lumping dieser Matrix erhält man eine Diagonalmatrix [ULM, 1994]. Das hieraus folgende Gleichungssystem kann für jedes Element getrennt berechnet werden. Die Ergebnisse der Berechnung, Wasserhöhen und Geschwindigkeiten in den Knoten, müssen über die zugehörigen Knoten superponiert werden.

  figure139
Abbildung: Definition benetztes Element

Als Ansatz der FE-Berechnung wurden folgende Gleichungen verwendet:

1. Massenbilanz
math143

2. Impulsbilanz
math154

 Hierbei bedeutet:¯

tex2html_wrap_inline581 : Geschwindigkeit

tex2html_wrap_inline577 : Wasserhöhe

H: Anfangswasserhöhe

Z: z-Koordinate der Sohle

g: Erdbeschleunigung

A: Viskosität

n: Reibungsbeiwert

  figure160
Abbildung: Erläuterung zu den Gleichungen

Die Gleichungen werden nach der Standard-Galerkin-Methode diskretisiert. Hierbei werden als Ansatzfunktion lineare Dreiecke gewählt. Das Programm verwendet eine  Zwei-Schritt-Methode zur Lösung der Gleichungen. Der erste Rechenschritt kann wie folgt beschrieben werden:
math166
math174

Der zweite Rechenschritt:
math182
math194


Michael Burghardt