A finite element method for the Saint-Venant torsion and bending problems for prismatic beams

In this work, we present a finite element formulation for the Saint-Venant torsion and bending problems for prismatic beams. The torsion problem formulation is based on the warping function, and can handle multiply-connected regions (including thin-walled structures), compound and anisotropic bars. Similarly, the bending formulation, which is based on linearized elasticity theory, can handle multiply-connected domains including thin-walled sections. The torsional rigidity and shear centers can be found as special cases of these formulations. Numerical results are presented to show the good coarse-mesh accuracy of both the formulations for both the displacement and stress fields. The stiffness matrices and load vectors (which are similar to those for a variable body force in a conventional structural mechanics problem) in both formulations involve only domain integrals, which makes them simple to implement and computationally efficient. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Des colonies modernes sous la zone torride : et particuliérement de celle de Saint-Domingue; ouvrage dans lequel on découvre les causes de leurs malheurs, et où l'on développe les véritables principes du gouvernement que leur convient; les moyens économiques de les faire arriver promptement à la plus grande prospérité, et de rendre le sort des Nègres préférable à celui d'aucum peuple de l'Europe /

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A fuzzy logic based dynamic wave model inversion algorithm for canal regulation

A fuzzy logic based centralized control algorithm for irrigation canals is presented. Purpose of the algorithm is to control downstream discharge and water level of pools in the canal, by adjusting discharge release from the upstream end and gates settings. The algorithm is based on the dynamic wave model (Saint-Venant equations) inversion in space, wherein the momentum equation is replaced by a fuzzy rule based model, while retaining the continuity equation in its complete form. The fuzzy rule based model is developed on fuzzification of a new mathematical model for wave velocity, the derivational details of which are given. The advantages of the fuzzy control algorithm, over other conventional control algorithms, are described. It is transparent and intuitive, and no linearizations of the governing equations are involved. Timing of the algorithm and method of computation are explained. It is shown that the tuning is easy and the computations are straightforward. The algorithm provides stable, realistic and robust outputs. The disadvantage of the algorithm is reduced precision in its outputs due to the approximation inherent in the fuzzy logic. Feed back control logic is adopted to eliminate error caused by the system disturbances as well as error caused by the reduced precision in the outputs. The algorithm is tested by applying it to water level control problem in a fictitious canal with a single pool and also in a real canal with a series of pools. It is found that results obtained from the algorithm are comparable to those obtained from conventional control algorithms.

Estudio de las ecuaciones de Boussinesq para la modelización de tsunamis

[es]Podemos encontrar las ecuaciones de Boussinesq en la descripción de playas, rios y lagos. Estas ecuaciones estudian la dinámica de las aguas poco profundas como las ecuaciones “ Korteweg-deVries (KdV)". Sin embargo, a pesar de ser más conocidas, las ecuaciones de KdV, no son capaces de modelar olas solitarias propagándose en distintas direcciones. Entre muchas otras aplicaciones de las ecuaciones de Boussinesq destaca la de modelar olas de tsunamis. Estos tipos de olas ya son perfectamente descritos por las ecuaciones de Navier Stokes, pero todavía no existen técnicas que permitan resolverlas en un dominio tridimensional. Para ello se usan las ecuaciones de Boussinesq, pensadas como una simplificación de las ecuaciones de Navier Stokes. Los años 1871 y 1872 fueron muy importantes para el desarrollo de las ecuaciones de Boussinesq. Fue en 1871 cuando Valentin Joseph Boussinesq recibió el premio de la “Academy of Sciences”, por su trabajo dedicado a las aguas poco profundas. Ahí fue donde Boussinesq introdujo por primera vez los efectos dispersivos en las ecuaciones de Saint-Venant. Por ello, se puede decir que las ecuaciones de Boussinesq son más completas físicamente que las ecuaciones de Saint-Venant. Las ecuaciones de Boussinesq contienen una estructura hiperbólica (al igual que las ecuaciones no lineales de aguas poco profundas) combinada con derivadas de orden elevado para modelar la dispersión de la ola. Las ecuaciones de Boussinesq pueden aparecer de muchas formas distintas. Dependiendo de como hayamos escogido la variable de la velocidad podemos obtener un modelo u otro. El caso más usual es escoger la variable velocidad en un nivel del agua arbitrario. La efectividad de la ecuación de Boussinesq seleccionada variará dependiendo de la dispersión. Una buena elección de la variable velocidad puede mejorar significativamente la modelización de la propagación de ondas largas. Formalmente, como veremos en el capítulo 1, podemos transformar términos de orden elevado en términos de menor orden usando las relaciones asintóticas. Esto nos proporciona una forma elegante de mejorar las relaciones de dispersi\'on. Las ecuaciones de Boussinesq más conocidas son las que resolveremos en el capítulo 2. En dicho capítulo veremos la ecuación cúbica de Boussinesq, que sirve para describir el movimiento de ondas largas en aguas poco profundas; las ecuaciones de Boussinesq acopladas, que describen el movimiento de dos fluidos distintos en aguas poco profundas (como puede ser el caso de un barco que desprende accidentalmente aceite, el aceite va creando una capa que flota encima de la superficie del agua); la ecuación de Boussinesq estándar, que describe un gran número de fenómenos de olas dispersivas no lineales como la propagaci\ón en ambas direcciones de olas largas en la superficie de aguas poco profundas. Pero en olas de longitud de onda corta presenta una inestabilidad y la ecuación es incorrecta para el problema de Cauchy, por ello Bogolubsky propuso la ecuación de Boussinesq mejorada. Esta ecuación es la última que estudiaremos en el capítulo 2 y es una ecuación físicamente estable, correcta para el problema de Cauchy y además como veremos en el capítulo 3, apropiada para las simulaciones numéricas. Como ya indicado, en el capi tulo 1 deduciremos las ecuaciones de Boussinesq a partir de las ecuaciones físicas del flujo potencial. El objetivo principal es deducir dos modelos de ecuaciones de Boussinesq acopladas y obtener su relación de dispersión. Para llegar a ello, se usa un método de la expansión asintótica de la velocidad potencial en términos de un pequeño parámetro. De esta manera conseguimos dos modelos distintos, cada uno asociado a uno de los dos modelo de disipación que hemos establecido. Por último dado que las ecuaciones siempre vienen dadas en variables dimensionales, volveremos a la notación dimensional para analizar la relación de dispersión de las ecuaciones de Boussinesq disipativas. En el capí tulo 2 pasaremos a su resolución analítica, buscando soluciones de tipo solitón. Introduciremos el método de la tangente hiperbólica, muy útil para encontrar soluciones exactas de ecuaciones no lineales. Usaremos este método para resolver la ecuación cúbica de Boussinesq, un sistema de ecuaciones acopladas de Boussinesq, la ecuación estandar de Boussinesq y la mejorada. Los sistemas que aparecen en la aplicación del método de la tangente hiperbólica estan resueltos usando el software Mathematica y uno de ellos irá incluido en el apéndice A. En el capíulo 3 se introduce un esquema en diferencias finitas, que sirve para convertir problemas de ecuaciones diferenciales en problemas algebraicos fácilmente resolubles numéricamente. Este método nos ayudaráa estudiar la estabilidad y a resolver la ecuación mejorada de Boussinesq numéricamente en dos ejemplos distintos. En el apéndice B incluiremos el programa para la resolución numérica del primer ejemplo con el Mathematica.

森林流域单元水文模型的构建与应用

目前全球缺水、水污染、洪涝灾害以及水土流失仍然非常严重，尤其在我国北方地区。流域水文模型可用来进行不同需水管理的情景分析，为解决我国水问题提供科学依据。分布式水文模型是流域水文模型的发展方向，具有显著特点：1）应用前景广泛，不仅可以模拟流域水文过程，还可以协助模拟泥沙或污染物的运移过程，为水利工程设计、水土保持、环境保护等领域提供技术支持；2）能够预测流域土地利用或气候变化下的流域水文响应过程变化，为管理部门提供决策支持；3）模型所需要的参数全部具有物理意义，可通过实际测量确定，适合模拟实测系列较短或是无观测流域的水文过程；4）对于目前国际水文界的前沿问题—水文尺度转换提供了一种有效的解决途径。 然而分布式水文模型还不完善，如1)真实性问题。对一些水文过程和边界条件还不确定。2)尺度转换问题。目前很少考虑尺度对参数有效性的影响。3)检验问题。还无法判断对有些难以测量的水文状态变量的模拟正确与否。4)计算时间和数据存储的问题。有些分布式水文模型虽然具有很强的水文物理基础和完善的模型结构，但是计算时间过长和(或)数据存储过大，难以应用。上述问题的核心就是对分布式水文模型的核心—单元水文模型的研究不够，需要为进一步完善单元水文模型进行研究。 本文采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程、Richards方程、Penman-Monteith方程等等构建了以有限差分法求解的适用于森林流域的单元水文模型，并通过实验室模拟试验和坡地径流场资料进行了验证，主要结论为： 通过不同坡度和不同雨强下的室内坡面产汇流实验模拟，表明：该模型模拟的坡面流和壤中流过程与实测过程基本一致，峰现时间、径流历时、峰值流量、出流总量模拟值与实测值的相对误差均较小，基本小于10%。模型的模拟精度较高，实用性较强，为深入研究壤中流机制和改进流域降雨-径流模型提供了理论依据。 通过坡地径流观测场实测资料的验证，表明：该模型模拟的坡面流过程精度较高，累计流量的精度更高于小时过程的精度，离差系数、效率系数、确定系数均较理想，具有应用价值，有助于改善分布式水文模型在森林流域的模拟效果。

森林流域坡面流与壤中流耦合模型的构建与应用

采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程和Richards方程构建了以有限差分法求解的坡面流与壤中流耦合模型,并模拟了不同坡度和不同雨强下的坡面产汇流室内实验.结果表明:该模型模拟的坡面流和壤中流过程与实测过程基本一致,峰现时间、径流历时、峰值流量、出流总量模拟值与实测值的相对误差均较小,基本小于10%.模型的模拟精度较高,实用性较强,为深入研究壤中流机制和改进流域降雨-径流模型提供了理论依据.

Análise do risco associado à rotura da barragem de Fernandilho. Modelação hidrodinâmica da onda de cheia

As cheias provocadas por roturas de barragens constituem eventos catastróficos que podem conduzir a perdas consideráveis de vidas humanas e de bens materiais. Para melhorar a segurança, em relação a este risco potencial, torna-se necessário avaliar a segurança da população e das estruturas, existentes ou a construir, e estimar a extensão dos danos em caso de acidente. Neste estudo, após a indicação da legislação em vigor, apresenta-se uma descrição sumária do modelo DamBreak. Descrevem-se as equações básicas que definem o modelo de formação da brecha e que caracterizam o processo de formação da cheia. Também se referem as equações de Saint-Venant, as quais caracterizam o processo de propagação da cheia. De seguida é feita uma descrição da barragem de Fernandilho, do leito do Barranco d

Utilização de redes TIN em modelos distribuídos de precipitação/escoamento superficial

A comunicação apresenta as directivas de desenvolvimento de um modelo distribuído e a sua aplicação à Ribeira da Pradiela (distrito de Évora, afluente do Dejebe). A utilização de modelos distribuídos de precipitação/escoamento superficial para modelação integrada dos fenómenos hidrodinâmicos, transporte de sedimentos e qualidade da água à escala da bacia hidrográfica, é fundamental para uma correcta percepção dos binómios causas/efeitos e consequente gestão optimizada dos recursos hídricos. Os modelos distribuídos existentes assentam em malhas estruturadas de células regulares adjacentes (DEM) ou em malhas de triângulos irregulares adjacentes (TIN). Os primeiros têm um processamento relativamente simples e são compatíveis com a estrutura matricial de uma imagem raster, contudo obrigam a uma densidade de informação uniforme sobre a área em estudo, apresentam problemas de escala na representação das linhas de água e das variáveis distribuídas como a altitude, classes de solo, classes de uso do solo, dotações de rega, fertilizantes e pesticidas. As redes TIN são mais versáteis e no caso particular de os pontos levantados sobre o terreno formarem uma métrica regular, a rede TIN representa uma malha estruturada. Os modelos existentes que utilizam uma malha TIN definem a rede hidrográfica pelas arestas comuns dos triângulos que formam um ângulo côncavo entre si. Esta implementação pode forçar a existência de linhas de água onde não existem traços morfológicos da sua existência. A metodologia proposta para gerar as linhas de água passa por definir uma área de influência associada a cada nó (polígono de Voronoi) que drena por uma linha de água definida entre o próprio nó e o nó vizinho com o qual forma o maior declive. Esta metodologia é relativamente simples, não cria ambiguidades e permite criar uma rede hidrográfica cuja estrutura é perfeitamente compatível com a implementação de um algoritmo de diferenças finitas. As secções transversais das linhas de água são definidas como função da área a montante da respectiva secção. A precipitação efectiva é calculada à escala da bacia pelo método da curva número (CN) do Soil Conservation Service (SCS) e à escala de uma parcela pela equação de Richardson. O escoamento é resolvido pela equação da onda cinemática nas linhas de água de ordem superior, pela equação de conservação da massa nas depressões e pelas equações de Saint-Venant na linha de água principal. É considerado o destacamento nas encostas e o destacamento/ transporte/ deposição nas linhas de água. Também é considerado o transporte de poluentes adsorvidos aos sedimentos, bem como fenómenos de wash-off .

Stabilité magnétohydrodynamique des cuves d'électrolyse : aspects physiques et idées nouvelles

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Modelling the hydraulics of the Carlisle 2005 flood event

The performance of a 2D numerical model of flood hydraulics is tested for a major event in Carlisle, UK, in 2005. This event is associated with a unique data set, with GPS surveyed wrack lines and flood extent surveyed 3 weeks after the flood. The Simple Finite Volume (SFV) model is used to solve the 2D Saint-Venant equations over an unstructured mesh of 30000 elements representing channel and floodplain, and allowing detailed hydraulics of flow around bridge piers and other influential features to be represented. The SFV model is also used to corroborate flows recorded for the event at two gauging stations. Calibration of Manning's n is performed with a two stage strategy, with channel values determined by calibration of the gauging station models, and floodplain values determined by optimising the fit between model results and observed water levels and flood extent for the 2005 event. RMS error for the calibrated model compared with surveyed water levels is ~±0.4m, the same order of magnitude as the estimated error in the survey data. The study demonstrates the ability of unstructured mesh hydraulic models to represent important hydraulic processes across a range of scales, with potential applications to flood risk management.

Analytic Benchmark Solutions for Open-Channel Flows

An important test of the quality of a computational model is its ability to reproduce standard test cases or benchmarks. For steady open–channel flow based on the Saint Venant equations some benchmarks exist for simple geometries from the work of Bresse, Bakhmeteff and Chow but these are tabulated in the form of standard integrals. This paper provides benchmark solutions for a wider range of cases, which may have a nonprismatic cross section, nonuniform bed slope, and transitions between subcritical and supercritical flow. This makes it possible to assess the underlying quality of computational algorithms in more difficult cases, including those with hydraulic jumps. Several new test cases are given in detail and the performance of a commercial steady flow package is evaluated against two of them. The test cases may also be used as benchmarks for both steady flow models and unsteady flow models in the steady limit.

Solid mass falling into the reservoirs shallow water equations validity from the engineering point of view

Water waves generated by a solid mass is a complex phenomenon discussed in this paper by numerical and experimental approaches. A model based on shallow water equations with shocks (Saint Venant) has developed. It can reproduce the amplitude and the energy of the wave quite well, but because it consistently generates a hydraulic jump, it is able to reproduce the profile, in the case of high relative thickness of slide, but in the case of small relative thickness it is unable to reproduce the amplitude of the wave. As the momentum conservation is not verified during the phase of wave creation, a second technique based on discharge transfer coefficient α, is introduced at the zone of impact. Numerical tests have been performed and validated this technique from the experimental results of the wave's height obtained in a flume.

Modelagem hidrodinâmica e estudo morfológico do Lago Água Preta: um dos mananciais da Grande Belém

As condições naturais dos recursos hídricos podem ser modificadas com o uso insustentável dos mesmos. Por exemplo, em Belém, capital do Estado do Pará, o lago Água Preta, apresenta uma história de degradação que põe em risco o abastecimento de água potável em Belém. Nesse contexto, a principal contribuição do presente trabalho, é a realização de um estudo sobre a modelagem hidrodinâmica e a morfologia do lago Água Preta. Tal estudo foi efetuado a partir de duas fontes de dados. A primeira é um mapa topobatimétrico de 1975, que faz parte dos arquivos da COSANPA. A segunda foi uma batimetria realizada com um ADCP em 2009. A modelagem iniciase com a elaboração dos modelos de elevação de terreno de 1975 e 2009, também utilizados para o estudo morfológico do lago. Para a utilização do modelo hidrodinâmico, são necessários os modelos de elevação de terreno supracitados; o modelo de rugosidade do relevo subaquático do lago, para o cálculo do coeficiente de Manning; e as condições de contorno. As simulações hidrodinâmicas de velocidade e profundidades foram realizadas utilizando o modelo de Saint-Venant do tipo águas rasas. No caso das profundidades, as mesmas foram comparadas com dados disponíveis na literatura, a fim de validá-las. Os resultados das simulações hidrodinâmicas, ou seja, profundidades e velocidades, associadas ao estudo morfológico, são peças chave na análise dos padrões de escoamento e de tendências de assoreamento do lago.