VORtech Computing. Experts in Technisch Rekenwerk MEMO. Testen met Zeedelta-model t.b.v. fase 4 uniformering WAQUA/TRIWAQ

Transcriptie

1 Experts in Technisch Rekenwerk MEMO EV/M6.57 Datum 27 september 26 Auteur(s) Onderwerp Documentinformatie Edwin Vollebregt Postbus AG DELFT tel fax Testen met Zeedelta-model t.b.v. fase 4 uniformering WAQUA/TRIWAQ Versie Auteur Datum Opmerkingen Review.9 EV Concept rapportage van bevindingen. 1. EV Toevoeging resultaten zonder anti-creep, wgth en crdrv. Bestandslokatie: /v3/e5q simona bo/c65668-f4-unif-wqtrw/test/zeedelta 1 Inleiding In het kader van change van het SIMONA B&O contract wordt gewerkt aan fase 4 van de uniformering van WAQUA en TRIWAQ. Deze fase betreft het uniformeren van de gebruikte data-structuren. Bij het uitvoeren van een van de deel-stappen van fase 4, het vervangen van array sep door een alias naar de bovenste laag van array zksp, zijn we op een moeilijkheid gestuit. Dat is dat array zksp in het transportgedeelte van TRIWAQ bij open randen gewijzigd wordt. De verwachting is dat het aanpassen van zksp bij open randen in het transportgedeelte niet veel effect heeft. Het voorstel is daarom om deze stap te verwijderen uit de programmatuur. Daarna kan het aliassen dan wel zonder moeilijkheden worden ingevoerd. Om te bepalen of het verwijderen van het kopieren van zksp toelaatbaar is zijn extra testen met het Zeedelta-model bedacht. In dit memo rapporteren we over de uitkomsten daarvan. 2 Beschrijving van de testen De testen die zijn uitgevoerd betreffen het Zeedelta-model fijn versie 8 (diepte volgens bodem 1999). De simulatie betreft anderhalve dag in de maand oktober Er wordt verticale verfijning gebruikt; het model is in vijftien subdomeinen verdeeld met ieder 1, 4, 7 of 1 lagen. Hetzelfde scenario is gebruikt bij het testen van de major release simona Van dit Zeedelta-model zijn in eerste instantie vier varianten gemaakt. In twee varianten is de anti-creep berekening in het transportgedeelte van TRIWAQ aangezet. In de basisversie van dit model staat deze berekening uit. Verder wordt in twee varianten van het model de QUANTF RANDOM optie gebruikt. Hiermee worden de berekeningen net wat anders uitgevoerd, waarmee de gevoeligheid van het model kan worden bepaald.

2 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 2 zonder anti-creep met anti-creep oorspronkelijke invoer/programma zd3da zd3da-ac aangepaste invoer: Quantf random zd3da-qr zd3da-ac-qr aangepast programma: zonder kopieren zks nozks nozks-ac aangepaste invoer: Wghthalftime Tiel wghth - aangepaste invoer: Visc-kruistermen uit crdrv - Tabel 1: Omschrijving van de zes uitgevoerde simulaties. Vervolgens zijn de twee varianten van het model met en zonder anti-creep termen en zonder QUANTF RANDOM met twee verschillende programmaversies gedraaid. De ene programmaversie is revisie 312 van de moederversie van WAQUA/TRIWAQ in SIMONA (23 augustus 26, startpunt van de branch van deel 2 van fase 4). De andere programmaversie is revisie 312 met een kleine wijziging, zodat arrays zksp en zksh in trsdif niet meer gewijzigd worden bij open randen. Tenslotte zijn er naar aanleiding van de eerste resultaten van de testen en van de bespreking hiervan bij RIKZ twee aanvullende testen uitgevoerd. In de eerste hiervan zijn de oorspronkelijke invoer en programma gebruikt (geen anti-creep, geen QUANTF RANDOM, revisie 312), met een enkele wijziging: bij de instroomrand in de Waal bij Tiel wordt WGHTHALF- TIME=5. gebruikt. Hiermee wordt ervoor gezorgd dat de automatische debietverdeling wat stabieler wordt. In de tweede aanvullende test wordt naast deze wijziging ook optie CROSS DERIV= off gebruikt. Daarmee wordt het effect van de viscositeitskruistermen voor het Zeedelta-model onderzocht. Deze termen zijn obsolete en zullen in een volgende uit WAQUA/TRIWAQ worden verwijderd. Maar ze worden in de oorspronkelijke invoer wel nog steeds gebruikt. Al met al zijn er acht simulaties uitgevoerd, zie Tabel 1. 3 Resultaten van de simulaties met anti-creep optie De grootste verschillen worden verwacht in de simulaties met anti-creep optie. Dat is omdat er in de anti-creep berekeningen veelvuldig gebruik wordt gemaakt van de zks-arrays, waardoor de aanpassing op open randen meer effect zou moeten hebben. Als eerste zijn de simulaties zd3da-ac en zd3da-ac-qr met elkaar vergeleken. Dit levert de basis gevoeligheid van het Zeedelta-model op: de verschillen die je al krijgt als er op een andere manier wordt afgerond in de berekeningen. De grootste gevoeligheid is te zien bij en in de monding van de Nieuwe Waterweg. In de waterstand komen hier verschillen van enkele centimeters voor (Figuur 1, boven). In de zoutconcentraties lopen de verschillen op tot lokaal 8-1 kg/m 3, wederom in de monding van de Nieuwe Waterweg (Figuur 2, boven). Tenslotte zijn er flinke verschillen in de waterstand te zien bij de instroomrand in de Waal bij Tiel (Figuur 3, boven). De overeenkomstige verschillen tussen de runs met en zonder kopieren van de zks-arrays worden getoond in Figuur 1, onder (waterstand monding Nieuwe Waterweg), Figuur 2, onder (zoutconcentratie tweede laag, monding nieuwe Waterweg) en Figuur 3, onder (waterstand bij instroomrand bij Tiel).

3 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 3 Het kopiëren van zks introduceert alleen verschillen bij open randen. Daarom worden in Figuur 4 de verschillen in de berekende waterstanden bij de zeerand getoond. In de bovenste grafiek van deze figuur de verschillen ten gevolge van optie QUANTF RANDOM, in de onderste ten gevolge van het niet meer kopiëren van zks. Let op dat de grootste verschillen in deze figuren 1 mm zijn. De conclusie hiervan is dat er bij open randen geen significante effecten van het niet meer kopiëren van zks zijn te zien. De patronen van de verschillen komen in alle gevallen goed overeen. De absolute waardes verschillen wel, maar het is niet te zeggen of de verschillen in het ene of het andere geval groter zijn. Alleen bij de instroomrand bij Tiel worden er in de twee figuren verschillende schalen gebruikt. Daar zijn de verschillen ten gevolge van nozks groter dan de gevoeligheid. Dit wordt waarschijnlijk vooral veroorzaakt doordat er een punt van de open rand extra is drooggezet. Overigens komt de gevoeligheid van het model bij deze rand waarschijnlijk door het mechanisme van de automatische debietverdeling. Deze lijkt te kunnen worden verminderd met de optie WGHTHALFTIME waarmee relaxatie kan worden toegevoegd, zie de resultaten hiermee in de volgende paragraaf. 4 Overige testen 4.1 Resultaten m.b.t. kopiëren zks-arrays zonder anti-creep optie De berekeningen zonder anti-creep optie geven de volgende verschillen te zien. De gevoeligheid is vergelijkbaar als wanneer de anti-creep optie wel wordt gebruikt, zie Figuur 5. Het uitschakelen van het kopieren van de zks-arrays heeft geen invloed meer. In de berekende zout-concentraties zijn de verschillen overal nul, in de waterstand is er alleen op een open rand een verschil te zien. Deze laatste bevinding is verrassend. Blijkbaar heeft het kopiëren van posities van laaginterfaces naar open randpunten alleen invloed op de transportberekening wanneer de anti-creep optie wordt gebruikt. Bovendien is er geen effect op de flow-berekening, en zorgt de aanpassing in de code niet voor verschillen in afrondgedrag. 4.2 Instabiliteit van de debiet-rand bij Tiel Naar aanleiding van de geconstateerde grote gevoeligheid bij Tiel is er een extra run uitgevoerd waarin op de instroomrand de optie WGHTHALFTIME=5. is gebruikt. Deze zorgt ervoor dat de debietverdeling over de open rand minder snel kan variëren in de tijd (halveringstijd van de gewichten 5 minuten). Daarmee wordt bepaald instabiel gedrag van het mechanisme voor automatische debietverdeling verminderd of voorkomen. Het resultaat van deze aanpassing wordt getoond in Figuur 6. Deze figuur toont tijdseries van de waterstand in een controlestation op enkele kilometers afstand van de rand met en

4 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 4 zonder de WGHHTALFTIME-optie. Hierin is te zien dat de waterstand met de optie veel minder slingeringen vertoont. 4.3 Effect van de viscositeitskruistermen op het Zeedelta-model In 21 zijn er problemen geconstateerd met de viscositeitskruistermen die samenhangen met de kromlijnigheid van het rekenrooster. De parallelle versie van WAQUA gaf met name in het rivierengedeelte van het Zeedelta-model andere resultaten dan niet-parallelle versies. Dit bleek eraan te liggen dat de viscositeitskruistermen verwijderd waren. Nader onderzoek heeft toen aangetoond dat deze termen normaliter heel klein zijn, veel kleiner dan de viscositeit zelf. In de buurt van schotjes wordt er echter onterecht toch een grote bijdrage aan de impulsvergelijking toegevoegd. Zie memo s EV/M1.6 en EV/M1.9. Naar aanleiding van dit onderzoek is besloten om de viscositeitskruistermen weer toe te voegen aan de programmatuur, om de rekenresultaten van bestaande modellen zo min mogelijk te beïnvloeden. Wel zijn de termen instelbaar gemaakt, en is er besloten om ze op termijn te verwijderen. In WAQUA staan de termen default uit en in TRIWAQ aan, net als in de eerste parallelle versie. Met name voor TRIWAQ is deze situatie ongewenst. In de voorgaande testen, die allemaal met TRIWAQ zijn uitgevoerd, zijn steeds de viscositeitskruistermen meegenomen in de berekening. Om te onderzoeken wat hier het effect van is hebben we een extra run uitgevoerd. De resultaten daarvan worden getoond in Figuur 7. De figuur laat zien dat er grote verschillen in de berekende waterstanden ontstaan. In de Lek bedragen deze zo n 7.5 cm, in de Waal ruim 13 cm en in de Maas 9 cm. Deze effecten zijn niet-fysisch. In de afregeling van het model worden ze via de bodemruwheid gecompenseerd, wat tot onrealistische wrijvingscoëfficiënten leidt. Daarom zou de optie CROSS DERIV bij het maken en updaten van schematisaties altijd op off moeten worden gezet. We stellen voor dat de default ook in TRIWAQ off wordt gemaakt, dat een duidelijke waarschuwing ( obsolete ) wordt gegeven wanneer een gebruiker toch on opgeeft, dat dit goed in de release notes van de volgende release (27-1) wordt gecommuniceerd, en dat de termen in het voorjaar van 28 (voor release 28-1) definitief worden verwijderd uit de programmatuur. 5 Conclusies en aanbevelingen De conclusie van de uitgevoerde testen is dat het kopiëren van de zks-arrays naar openrandpunten in het transportgedeelte van TRIWAQ geen merkbaar effect heeft op de simulatieresultaten. In simulaties zonder anti-creep termen (de default voor alle TRIWAQ-simulaties) is het verschil echt nul. In simulaties met anti-creep termen zijn er verschillen te zien, maar is het effect niet te onderscheiden van de inherente gevoeligheid van het gebruikte model. Hieruit blijkt wat ons betreft dat het kopiëren kan worden verwijderd uit de programmatuur zonder dat gebruikers daar last van zullen hebben.

5 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 5 Bij het testen is verder gebleken dat de instroomrand bij Tiel instabiel gedrag vertoont en dat dit kan worden verholpen door relaxatie toe te passen. Dit zou moeten worden aangepast in het model. Tenslotte is gebleken dat in het model de viscositeitskruistermen nog worden gebruikt. Deze zijn niet-fysisch en worden op termijn verwijderd uit de programmatuur. Het model zou hierop moeten worden aangepast.

6 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 6 Met anti creep, orig berekening vs. quantf random, 27:1 : Met anti creep, orig vs. no zks, sep, 27 1 : Figuur 1: Verschillen in de berekende waterstanden in de monding van de Nieuwe Waterweg. Boven: gevoeligheid, verschil tussen runs zd3da-ac en zd3da-ac-qr. Onder: invloed van het kopieren van zks, verschil tussen runs zd3da-ac en nozks-ac.

7 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 7 Met anti creep, orig berekening vs. quantf random, rp, k=2, 27 1, : [kg/m 3 ] Met anti creep, orig vs. no zks, rp, k=2, 27 1 : [kg/m 3 ] Figuur 2: Verschillen in de berekende zoutconcentraties in de monding van de Nieuwe Waterweg, in de tweede laag. Boven: gevoeligheid, verschil tussen runs zd3da-ac en zd3da-ac-qr. Onder: invloed van het kopieren van zks, verschil tussen runs zd3da-ac en nozks-ac.

8 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 8 Met anti creep, orig berekening vs. quantf random, 27:1 : MAPS.sep at T=12528, 27 Oct 1998 :: Figuur 3: Verschillen in de berekende waterstanden bij de instroomrand van de Waal bij Tiel. Boven: gevoeligheid, verschil tussen runs zd3da-ac en zd3da-ac-qr. Onder: invloed van het kopieren van zks, verschil tussen runs zd3da-ac en nozks-ac.

9 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 9 Met anti creep, orig vs. quantf random, sep, 27 1 : x Met anti creep, orig berekening vs. nozks, sep, 27 1 : 1 x Figuur 4: Verschillen in de berekende waterstanden bij de randen van het gemodelleerde zeegebied. Boven: gevoeligheid, verschil tussen runs zd3da-ac en zd3da-ac-qr. Onder: invloed van het kopieren van zks, verschil tussen runs zd3da-ac en nozks-ac.

10 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september 26 1 Zonder anti creep, orig berekening vs. quantf random, sep, 27 1 : Zonder anti creep, orig berekening vs. quantf random, rp, k=2, 27 1 : [kg/m 3 ] Figuur 5: Gevoeligheid van het Zeedelta-model zonder anti-creep termen: verschillen in de berekende waterstanden (boven) en zoutconcentraties (onder) in de monding van de nieuwe Waterweg tussen runs zd3da en zd3da-qr.

11 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september Waterstand (319,1286) TIELWL Oorspronkelijke run (zd3da) met relaxatie QAD rand (wghth) Waterstand Tijd [uur] 26 OCT 27 OCT Figuur 6: Effect van de optie WGHTHALFTIME op de instroomrand bij Tiel: oorspronkelijke en nieuwe tijdseries van de waterstand in station TIELWL. Door toevoeging van de optie worden de slingeringen van de oorspronkelijke run sterk gereduceerd.

12 Memo EV/M6.57 versie 1., 27 september Effect viscositeitskruistermen (wghth crdrv) op waterstand, 27 1 : Effect viscositeitskruistermen (wghth crdrv) op waterstand, 27 1 : Figuur 7: Invloed van de viscositeitskruistermen op de berekende waterstanden van het Zeedelta-model (verschil tussen runs wghth en crdrv). Boven: overzicht van het rivierengebied. Onder: detail voor de Waal bij Tiel.