Computationally Effcient Solution of a 2D Diffusive Wave Equation Used for Flood Inundation Problems - Publikacja - MOST Wiedzy

Twoje konto

zaloguj

Wyszukiwarka

Computationally Effcient Solution of a 2D Diffusive Wave Equation Used for Flood Inundation Problems

Abstrakt

This paper presents a study dealing with increasing the computational efficiency in modeling floodplain inundation using a two-dimensional diffusive wave equation. To this end, the domain decomposition technique was used. The resulting one-dimensional diffusion equations were approximated in space with the modified finite element scheme, whereas time integration was carried out using the implicit two-level scheme. The proposed algorithm of the solution minimizes the numerical errors and is unconditionally stable. Consequently, it is possible to perform computations with a significantly greater time step than in the case of the explicit scheme. An additional efficiency improvement was achieved using the symmetry of the tridiagonal matrix of the arising system of nonlinear equations, due to the application of the parallelization strategy. The computational experiments showed that the proposed parallel implementation of the implicit scheme is very effective, at about two orders of magnitude with regard to computational time, in comparison with the explicit one.

Cytowania

  • 6

    CrossRef

  • 0

    Web of Science

  • 6

    Scopus

Autorzy (2)

Cytuj jako

Pełna treść

pobierz publikację
pobrano 63 razy
Wersja publikacji
Accepted albo Published Version
Licencja
Creative Commons: CC-BY otwiera się w nowej karcie

Słowa kluczowe

Informacje szczegółowe

Kategoria:
Publikacja w czasopiśmie
Typ:
artykuły w czasopismach
Opublikowano w:
Water nr 11, strony 1 - 24,
ISSN: 2073-4441
Język:
angielski
Rok wydania:
2019
Opis bibliograficzny:
Artichowicz W., Gąsiorowski D.: Computationally Effcient Solution of a 2D Diffusive Wave Equation Used for Flood Inundation Problems// Water -Vol. 11,iss. 10 (2019), s.1-24
DOI:
Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.3390/w11102195
Bibliografia: test
  1. Heniche, M.; Secretan, Y.; Boudreau, P.; Leclerc, M. A two-dimensional finite drying-wetting shallow water model for rivers and estuaries. Adv. Water Resour. 2000, 23, 359-372. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  2. Horritt, M.S. Evaluating wetting and drying algorithms for finite element models of shallow water flow. Int. J. Numer. Methods Eng. 2002, 55, 835-851. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  3. Begnudelli, L.; Sanders, B.F. Unstructured grid finite-volume algorithm for shallow-water flow and scalar transport with wetting and drying. J. Hydraul. Eng. ASCE 2006, 132, 371-384. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  4. Liang, Q.; Borthwick, A.G.L. Adaptive quadtree simulation of shallow flow with wet-dry fronts over complex topography. Comput. Fluids 2009, 38, 221-234. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  5. Szydłowski, M.; Kolerski, T.; Zima, P. Impact of the Artificial Strait in the Vistula Spit on the Hydrodynamics of the Vistula Lagoon (Baltic Sea). Water 2019, 11, 990. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  6. Tan, W.Y. Shallow Water Hydrodynamics; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 1992. otwiera się w nowej karcie
  7. Song, L.; Zhou, J.; Guo, J.; Zou, Q.; Liu, Y. A robust well-balanced finite volume model for shallow water flows with wetting and drying over irregular terrain. Adv. Water Resour. 2011, 34, 1915-1932. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  8. Vacondio, R.; Palù, A.D.; Mignosa, P. GPU-enhanced Finite Volume Shallow Water solver for fast flood simulations. Environ. Modell. Softw. 2014, 57, 60-75. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  9. Oritz, P. Shallow water flows over flooding areas by a flux-corrected finite element method. J. Hydraul. Res. 2013, 52, 241-252. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  10. Gourgue, O.; Comblen, R.; Lambrechts, J.; Kärnä, T.; Legat, V.; Deleersnijder, E. A flux-limiting wetting-drying method for finite-element shallow-water models, with application to the Scheldt Estuary. Adv. Water Resour. 2009, 32, 1726-1739. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  11. Cimorelli, L.; Cozzolino, L.; Della Morte, R.; Pianese, D.; Singh, V.P. A new frequency domain analytical solution of a cascade of diffusive channels for flood routing. Water Resour. Res. 2015, 51, 2393-2411. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  12. Cimorelli, L.; Cozzolino, L.; D'Aniello, A.; Pianese, D. Exact solution of the Linear Parabolic Approximation for flow-depth based diffusive flow routing. J. Hydrol. 2018, 563, 620-632. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  13. Zhang, X.H.; Ishidaira, H.; Takeuchi, K.; Xu, Z.X.; Zhuang, X.W. An approach to inundation in large river basins using the triangle finite difference method. J. Environ. Inform. 2004, 3, 51-63. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  14. Prestininzi, P. Suitability of the diffusive model for dam break simulation application to a CADAM experiment. J. Hydrol. 2008, 361, 172-185. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  15. Moussa, R.; Bocquillon, C. On the use of the diffusive wave for modeling extreme flood events with overbank flow in the floodplain. J. Hydrol. 2009, 374, 116-135. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  16. Hromadka, T.V.; Yen, C.C. A diffusion hydrodynamic model (DHM). Adv. Water Resour. 1986, 9, 118-170. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  17. Han, K.Y.; Lee, J.T.; Park, J.H. Flood inundation analysis resulting from levee-break. J. Hydraul. Res. 1998, 36, 747-759. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  18. Lal, A.M. Weighted implicit finite-volume model for overland flow. J. Hydraul. Eng. ASCE 1998, 124, 941-950. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  19. Cea, L.; Garrido, M.; Puertas, J. Experimental validation of two-dimensional depth-averaged models for forecasting rainfall-runoff from precipitation data in urban areas. J. Hydrol. 2010, 382, 88-102. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  20. Di Giammarco, P.; Todini, E.; Lamberti, P. A conservative finite elements approach to overland flow: The control volume finite element formulation. J. Hydrol. 1996, 175, 267-291. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  21. Arico, C.; Sinagra, M.; Begnudelli, L.; Tucciarelli, T. MAST-2D diffusive model for flood prediction on domains with triangular Delaunay unstructured meshes. Adv. Water Resour. 2011, 34, 1427-1449. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  22. Szymkiewicz, R.; Gąsiorowski, D. Simulation of unsteady flow over floodplain using the diffusive wave equation and the modified finite element. J. Hydrol. 2012, 464-465, 165-167. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  23. Toro, E.F. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics; Springer: Berlin, Germany, 1997. otwiera się w nowej karcie
  24. LeVeque, R.J. Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems; Cambridge University Press: Cambridge, MA, USA, 2002. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  25. Neal, J.C.; Fewtrell, T.J.; Bates, P.D.; Wright, N.G. A comparison of three parallelisation methods for 2D flood inundation models. Environ. Modell. Softw. 2010, 25, 398-411. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  26. Yu, D. Parallelization of a two-dimensional flood inundation model based on domain decomposition. Environ. Modell. Softw. 2010, 25, 935-945. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  27. Gąsiorowski, D. Analysis of floodplain inundation using 2D nonlinear diffusive wave equation solved with splitting technique. Acta Geophys. 2013, 61, 668-689. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  28. Hsu, M.H.; Chen, S.H.; Chang, T.J. Inundation simulation for urban drainage basin with storm sewer system. J. Hydrol. 2000, 234, 21-37. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  29. Teng, J.; Jakeman, A.J.; Vaze, J.; Croke, B.F.W.; Dutta, D.; Kim, S. Flood inundation modelling: A review of methods. Recent advances and uncertainty analysis. Environ. Modell. Softw. 2017, 90, 210-216. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  30. Bates, P.D.; De Roo, A.P.J. A simple raster-based model for flood inundation simulation. J. Hydrol. 2000, 236, 54-77. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  31. Yu, D.; Lane, S.N. Urban fluvial flood modelling using a two-dimensional diffusion-wave treatment. part 1: Mesh resolution effects. Hydrol. Process. 2006, 20, 1541-1565. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  32. Neal, J.; Fewtrell, T.; Trigg, M. Parallelisation of storage cell flood models using OpenMP. Environ. Modell. Softw. 2009, 24, 872-877. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  33. Prestininzi, P.; Di Baldassarre, G.; Schumann, G.; Bates, P.D. Selecting the appropriate hydraulic model structure using low-resolution satellite imagery. Adv. Water Resour. 2011, 34, 38-46. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  34. Leandro, J.; Chen, A.S.; Schumann, A. A 2D parallel diffusive wave model for floodplain inundation with variable time step (P-DWave). J. Hydrol. 2014, 517, 250-259. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  35. Hunter, N.M.; Horritt, M.S.; Bates, P.D.; Wilson, M.D.; Werner, G.F. An adaptive time step solution for raster-based storage cell modeling of floodplain inundation. Adv. Water Resour. 2005, 28, 975-991. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  36. Bates, P.D.; Horrit, M.S.; Fewtrell, T.J. A simple inertial formulation of the shallow water equations for efficient two-dimensional flood inundation modeling. J. Hydrol. 2010, 387, 33-45. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  37. Dazzi, S.; Vacondio, R.; Dal Palù, A.; Mignosa, P. A local time stepping algorithm for GPU-accelerated 2D shallow water models. Adv. Water Resour. 2018, 111, 274-288. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  38. Feng, K.; Molz, F.J. A 2-D, diffusion based, wetland flow model. J. Hydrol. 1997, 196, 230-250. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  39. Gąsiorowski, D.; Szymkiewicz, R. Mass and momentum conservation in the simplified flood routing models. J. Hydrol. 2007, 346, 51-58. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  40. Gąsiorowski, D. Impact of diffusion coefficient averaging on solution accuracy of the 2D nonlinear diffusive wave equation for floodplain inundation. J. Hydrol. 2014, 517, 923-935. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  41. Lal, A.M. Performance comparison of overland flow algorithms. J. Hydraul. Eng. ASCE 1998, 124, 342-349. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  42. Fletcher, C.A.J. Computational Techniques for Fluid Dynamics; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 1991; Volume I. otwiera się w nowej karcie
  43. Szymkiewicz, R. Method to solve 1D unsteady transport and flow equations. J. Hydraul. Eng. ASCE 1995, 121, 396-403. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  44. Szymkiewicz, R. Numerical Modeling in Open Channel Hydraulics; Water Science and Technology Library; Springer: New York, NY, USA, 2010. [CrossRef] otwiera się w nowej karcie
  45. Dahlquist, G.; Bjorck, A. Numerical Methods; Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ, USA, 1974.
  46. Lin, C.A.; Ecer, A.; Periaux, J.; Satofuka, N.; Fox, P. Parallel Computational Fluid Dynamics. In Development and Applications of Parallel Technology; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 1999.
  47. Chow, V.T. Open Channel Hydraulics; otwiera się w nowej karcie
  48. McGraw-Hill Book Company: New York, NY, USA, 1959. © 2019 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). otwiera się w nowej karcie
Weryfikacja:
Politechnika Gdańska

wyświetlono 118 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Analysis of Floodplain Inundation Using 2D Nonlinear Diffusive Wave Equation Solved with Splitting Technique

2013

Impact of diffusion coefficient averaging on solution accuracy of the 2D nonlinear diffusive wave equation for floodplain inundation

2014

Simulation of unsteady flow over floodplain using the diffusive wave equation and the modified finite element method

2012

Modelling of FloodWave Propagation with Wet-dry Front by One-dimensional Diffusive Wave Equation

2014
Meta Tagi