Modelagem com Delft3D


Ofertado como disciplina optativa para alunos de graduação do curso da Engenharia Ambiental da UFPR e como disciplina de “Tópicos Especiais” nos programas de pós-graduação PPGERHA (ERHA7057 –Tópicos especiais em engenharia de recursos hídricos e ambiental) e PPGEA (EAMB7039 – Tópicos especiais em engenharia ambiental III: Modelagem com Delft3D), 3 créditos, carga horaria: 45h

Professores : Tobias Bleninger (contato) e Bruna Polli
Horários e sala de aula: Segundas (PF16) das 13:30-15:10h, Quartas (PF16) das 13:30-15:10h
Horários para simulação: Segundas das 15:30-17:10h, Quartas das 15:30-17:10h (PF16)
Horário de consultas: Por favor, agendar por email ou telefone (contato)


Contexto / Background

Hydrodynamic modelling is an essential method to study scenarios for hydro-environmental problems, such as pollutant or cooling water discharges, sediment transport, lake eutrophication, river training, etc. Delft3D is a world leading 3D modeling suite to investigate hydrodynamics, sediment transport and morphology and water quality for fluvial, estuarine and coastal environments. Since 2011, the Delft3D flow (FLOW), morphology (MOR) and waves (WAVE) modules are available in open source. The hydrodynamic module Delft3D-FLOW is a multidimensional hydrodynamic simulation program that calculates non-steady flow and transport phenomena resulting from tidal and meteorological forcing. The primary purpose of the computational model Delft3D-FLOW is to solve various one-, two- and three-dimensional, time-dependent, non-linear partial differential equations related to hydrostatic and non-hydrostatic free-surface flow problems on a structured orthogonal grid to cover problems with complicated geometry. The equations are formulated in orthogonal curvilinear co-ordinates on a plane or in spherical coordinates on the globe. The hydrodynamic module is based on the shallow water equations. The equations are solved with a robust and highly accurate solution procedure.

Some supported features are:
• Propagation of long waves (barotropic flow);
• Density gradients due to a non-uniform temperature and salinity concentration distribution (density driven flows);
• Transport of dissolved material and pollutants;
• Transport of sediments, including erosion, sedimentation and bed load transport;
• Many options for boundary conditions, such as water level, velocity and discharge boundaries
• Simulation of drying and flooding of inter-tidal flats;
• Turbulence modelling to account for the vertical turbulent viscosity and diffusivity;
• Online visualization of model parameters enabling the production of animations.


Ementa

Revisão das equações de quantidade de movimento e continuidade: Sistemas bi e tridimensionais. Escoamentos estratificados.  Revisão de métodos numéricos: diferenças finitas, estabilidade. Ferramentas computacionais: editores, processadores, scripts. Introdução a geração de malha. Introdução a interpolação batimetrica. Modelagem numérica da hidrodinâmica e de processos de mistura e transporte em Sistemas Ambientais. Exemplos em rios, lagos, reservatórios e águas costeiras. Pós-processamento de dados.


Objetivos

Criar a habilidade de fazer revisão critica e entender modelos e conceitos existentes de estudos de sistemas ambientais relacionados a modelagem de fenômenos de transporte. Poder planejar, montar e avaliar simulações numéricas. Aplicação do modelo numérico Delft3D-Flow.


Pré-requisitos recomendados: Mecânica dos Fluidos I e II ou intermediário, Processos de Dispersão no Meio Ambiente. Notebook para executar simulações.


Programa/calendário

No. Dia Data Conteúdo
1 seg. 11/03/2019 Introdução: Contexto, motivação, plano de aula, cronograma. Revisão das equações de quantidade de movimento e continuidade: Sistemas bi e tridimensionais (notas em pdf).
2 qua. 13/03/2019 Revisão de métodos numéricos: diferenças finitas, estabilidade (notas em pdf).
3 seg. 18/03/2019 Modelagem: Conceitos, premissas, limitações. Instalação e configuração do modelo Delft3D. Ferramentas computacionais: editores, processadores, scripts.
4 qua. 20/03/2019 Introdução à Hidrodinâmica e Formulação Matemática e numérica do Delft 3D (notas em pdf).  Interface gráfico e compilação de dados e montagem de projeto básico (test case da aula e veja também screencasts e Test cases online).
5 seg. 25/03/2019 Introdução a geração de malha.
6 qua. 27/03/2019 Modelagem 2DH: condições de contorno e condições iniciais
7 seg. 01/04/2019 Pós-processamento com Quickplot
8 qua. 03/04/2019 Introdução a interpolação batimétrica.
9 seg. 08/04/2019 Seminário de artigos de Delft3D (Prova S1)
10 qua. 10/04/2019 Modelagem 3D
11 seg. 15/04/2019 Simulações em sala de aula: testes de estabilidade, de resolução e sensibilidade.
12 qua. 17/04/2019 Dados medidos e observações. Processador DASHBOARD. Calibração e validação. Auxiliary data for modeling (Hidroweb, HidroSAT (ANA), SAR (ANA), InMet, Windy, COPEL, Mudak, Bacia Rio Verde, Dados oceanograficos, SurfaceWater changes, LakeViz, FloodRiskAnalyzer, ClimateApp).
13 seg. 22/04/2019 Simulações em sala de aula: conclusão da montagem do modelo e simulações
14 qua. 24/04/2019 Obtenção de resultados das simulações, formato de saída, visualização e animação do escoamento e comparação com dados medidos. Exemplos online e ferramenta de padronizar e configurar gráficos (Muppet, veja MCR V7.11 aqui).
15 seg. 29/04/2019 Aplicação e documentação de modelos em projetos de engenharia.
16 qua. 01/05/2019 Feriado – sem aula
17 seg. 06/05/2019 Simulações em sala de aula: calibração final
18 qua. 08/05/2019 Simulações em sala de aula: cenários
19 seg. 13/05/2019 Simulações em sala de aula: cenários
20 qua. 15/05/2019 Discussão final e entrega de projetos (P1)
21 seg. 20/05/2019 Apresentações de projetos (Prova P2)
22 qua. 22/05/2019 Apresentações de projetos (Prova P2)
23 seg. 28/06/2019 Prova Final para alunos de graduação

Provas

  • 20%: uma apresentação oral de 10min. de um artigo científico S1 (individual) com arguição de 5min.
  • 50%: 1 Projeto de modelagem P1 (em grupo)
  • 30%: 1 Prova P2 (apresentação (em grupo) do projeto de modelagem e arguição oral (individual), sem consulta)
  • Nota N = S1*0.2 + P1*0,5 + P2*0,3
    •   se N ≥ 7   aprovado com nota final NF = N
    • Para alunos da graduação:
    •         se N < 4   reprovado
    •         se 4 ≤ N < 7 prova final F
    •                    se (F+N)/2 ≥ 5 aprovado com nota final NF = (F+N)/2
    •                    se (F+N) < 5 reprovado
  • Freqüência: com faltas de mais de 25% -> reprovado

Referencias e informações adicionais

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