hİd 473 yeralt ısuyu modelleri - hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/h473/sayisal model...

50
HİD 473 Yeraltısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı Levent Tezcan 2013-14 Güz Dönemi Modelleme Problemin Tanımlanması Kavramsal Modelin Geliştirilmesi Hidrojeolojik Süreçler Sınır Koşulları Matematiksel Modelin Geliştirilmesi Diferansiyel Eşitlikler Analitik & Sayısal Yöntemler Modelin Kurulması Kalibrasyon & Veri Toplama Sonuçların Elde Edilmesi

Upload: others

Post on 19-Sep-2019

21 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

HİD 473 Yeraltısuyu Modelleri

Sayısal Analiz

Sonlu Farklar Yaklaşımı

Levent Tezcan2013-14 Güz Dönemi

Modelleme

Problemin Tanımlanması

Kavramsal Modelin Geliştirilmesi

Hidrojeolojik Süreçler Sınır Koşulları

Matematiksel Modelin Geliştirilmesi

Diferansiyel Eşitlikler Analitik & Sayısal Yöntemler

Modelin Kurulması Kalibrasyon & Veri Toplama

Sonuçların Elde Edilmesi

Page 2: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

SAYISAL YÖNTEMLER

• Yeraltısuyu Akımını ifade eden Diferansiyel Eşitlik,  Cebirsel DoğrusalMatris eşitliklerine dönüştürülür.

• İki dönüştürme yaklaşımı yaygın olarak kullanılır:

• SONLU FARKLAR YAKLAŞIMI

• SONLU ELEMANLAR YAKLAŞIMI 

SONLU FARKLAR YAKLAŞIMI

dfdt

f t t f ttt

lim

( ) ( )

0

Page 3: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

dfdt

f t f t 0 1( )

f t t f tt

f t( ) ( )

( )

f t t f t t f t( ) ( ) ( )

f t t f t t f t( ) ( ) ( ) t=0.1

0.20.1

t

0.0

0.30.40.50.60.70.80.91.0

f(t)

1.00000.90000.81000.72900.65610.59050.53140.47830.43050.38740.3487

Page 4: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

0.0010.01

t

0.1

f(1)

0.34870.36600.3677

dfdt

f

f t e t( )

f e( ) .1 0 36791

f t t f t t f t( ) ( ) ( ) t 0

t 0 f tf t t

t( )

( )

1

f t t f tt

t( ) ( )

( )

( )

112

112

f( ) .1 0 3855

f( ) .1 0 3676

Page 5: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Taylor Seri Açılımı

f f x xdfdx

x xd f

dx

x xd f

dx

i i i i

i i

i i

1 1

12

2

2

13

3

3

12

13

( )

( )

!( ) ....

x x f x f x x fi i i i ( ) :1 1

Taylor Seri Açılımı

x x f x f x x fi i i i ( ) :1 1

f f x xdfdx

x xd f

dx

x xd f

dx

i i i i

i i

i i

1 1

12

2

2

13

3

3

12

13

( )

( )

!( ) ....

Page 6: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

birincidfdx

türev:

dfdx

f fx x

x xx x

d f

dx

x xx x

d f

dx

i i

i i

i i

i i

i i

i i

1

1

12

1

2

2

13

1

3

3

12

13

( )

( )( )

!( )( )

....

dfdx

f fx x

xi i

i i

1

1

0( )

birincidfdx

türev:

dfdx

f fx x

x xx x

d f

dx

x xx x

d f

dx

i i

i i

i i

i i

i i

i i

1

1

12

1

2

2

13

1

3

3

12

13

( )

( )( )

!( )( )

....

dfdx

f fx x

xi i

i i

1

1

0( )

Page 7: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

ikincid f

dx türev:

2

2

d f

dx

f f f

x xxi i i

i i

2

21 1

12

220

( )

dfdx

f fx x

xi i

i i

1

1

0( )

dfdx

f fx x

xi i

i i

1

1

0( )

d f

dx

f f f

x xxi i i

i i

2

21 1

12

220

( )

Page 8: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

2D DENGELİ YAS AKIM EŞİTLİĞİ‘NİN SONLU FARKLAR ŞEKLİ

2

2

2

2 0x y

x

y

i,j

xi

yi i+1,j

xi+1

i-1,j

xi-1

i,j-1yi-1

i,j+1yi+1

xi

yj

i,j i+1,j

i,j+1 i+1,j+1

Page 9: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

İleri Farklar Yaklaşımı

( ) ( ) ....

( ) ( )

x x x xddx

ddx

x x xxx

Geri Farklar Yaklaşımı

( ) ( ) ....

( ) ( )

x x x xddx

ddx

x x xxx

Page 10: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Orta Farklar Yaklaşımı

ddx

x x x xxx

( ) ( ) 2

xi

(x)

x

B

xi+1

x+x

(x+x)

xi-1

(x-x)

x-x

İleri Farklar

Geri Farklar

Orta Farklar

Page 11: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

ikincid

dx türev:

2

2

d

dx

x x x x x

xx

2

2 2

2

( ) ( ) ( )

2D DENGELİ YAS AKIM EŞİTLİĞİ‘NİN SONLU FARKLAR ŞEKLİ

2

2

2

2 0x y

Page 12: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

2

2

2

2 0x y

i j i j i j i j i j i j

x y

1 12

1 12

2 20, , , , , ,

x y

i j i j i j i j i j

, , , , ,

14 1 1 1 1

2D DENGESİZ YAS AKIM EŞİTLİĞİ‘NİN SONLU FARKLAR ŞEKLİ

2

2

2

2x yST t

Page 13: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Zamana göre türev

t tt k t

k k

1

İFY

t tt k t

k k

1

GFY

İleri ve Geri Farklar Yaklaşımı

i jk,

xx

y

y

i jk1,

i jk, 1

i jk, 1

i jk1,

t

t

i jk,1

i jk,1

t=(k+1)t

t=(k-1)t

Page 14: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

İleri Farklar Yaklaşımı (t)

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

x y

ST t

1 12

1 12

1

2 2, , , , , ,

, ,

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

1 1 1 1, , , , ,,, , , i jk,

1

Açık=Belirtik (Explicit) Çözüm

Geri Farklar Yaklaşımı (t)

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

x y

ST t

11 1

11

211 1

11

2

1

2 2, , , , , ,

, ,

i jk,

i j

ki jk

i jk

i jk

i jk

11 1

11

11

11

, , , , ,,, , ,

Kapalı=Örtük (Implicit) Çözüm

Page 15: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Açık ve Kapalı Çözümler

k

k+1

x

t Bilinenleri

k i+1ki-1

k

ik+1 Aranan

k

k+1

x

t Bilinenleri

k i+1ki-1

k

ik+1 Aranani-1

k+1 i+1k+1

b

Örnek

L R

R

(t>0)

ki

ki+1

ki-1

x

=sbt =sbti i+1i-1

xi xi+1

1 2 3 4 5

Başlangıç ve SınırKoşulları

b=1.5 mx=3 mK=0.5 m/gS=0.02

L= 1= 6.1m t

R= 5= 6.1m t

R= 5= 1.5m t

2= 3= 4= 6.1m t

Page 16: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Örnek

i j

ki jk

i jk

i jk

i jk

x

ST t

1 1

2

12, , , , ,

i j

ki jk

i jk

i jk

i jkT

St

x, , , , ,

1

2 1 12

i j

ki jk

i jk

i jk

i jkT

St

x, , , , ,

1

2 1 12

TS

t

xt

2

12

0 1

. gün

Page 17: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

i j

ki jk

i jk

i jk

i jkT

St

x, , , , ,

1

2 1 12

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

, , , , ,

, , , , ,

. ..

.

.

12 1 1

11 1

0 5 150 02

0 1

32

0 416 2

Çözüm

k i=1 i=2 i=3 i=4 i=50 6.10 6.10 6.10 6.10 6.101 6.10 6.10 6.10 6.10 1.502 6.10 6.10 6.10 4.18 1.503 6.10 6.10 5.30 3.86 1.504 6.10 5.77 5.04 3.48 1.505 6.10 5.60 4.69 3.30 1.506 6.10 5.43 4.49 3.13 1.507 6.10 5.32 4.32 3.02 1.508 6.10 5.23 4.19 2.93 1.509 6.10 5.16 4.10 2.86 1.50

10 6.10 5.11 4.02 2.81 1.50

Page 18: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

k

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

i=4

i=3

i=2

t=0.1 gün

k

t=0.15 gün

i=4

i=3i=2

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

0 5

10 15

Page 19: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Geri Farklar DenklemiKapalı ‐ Örtük Çözüm

i j

ki jk

i jk

i jk

i jk

x

ST t

1

1 111

2

12, , , , ,

i j

ki jk

i jk

i jk

i jk

x

ST t

1

1 111

2

12, , , , ,

i jk

i jk

i jk

i jk

ST

x

t

ST

x

t

11

21

11

2

2, , ,

,

Page 20: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

b

Örnek

L R

R

(t>0)

ki

ki+1

ki-1

x

=sbt =sbti i+1i-1

xi xi+1

1 2 3 4 5

Başlangıç ve SınırKoşulları

b=1.5 mx=3 mK=0.5 m/gS=0.02

L= 1= 6.1m t

R= 5= 6.1m t

R= 5= 1.5m t

2= 3= 4= 6.1m t

i jk

i jk

i jk

i jk

ST

x

t

ST

x

t

11

21

11

2

2, , ,

,

i jk

i jk

i jk

i jk

11

21

11

2

20 02

0 5 1530 1

0 020 5 15

30 1

, , ,

,

.. . .

.. . .

Page 21: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

i jk

i jk

i jk

i jk

1

1 1114 4 2 4, , , ,. .

k+1=1t=(k+1)t=0.1

i=2 2 11

21

2 11

204 4 2 4 . .

10 1

20 1

30 1

204 4 2 4. . .. .

11

21

31

204 4 2 4 . .

6 1 4 4 2 4 6 121

31. . . .

i jk

i jk

i jk

i jk

1

1 1114 4 2 4, , , ,. .

k+1=1t=(k+1)t=0.1

i=2 11

21

31

204 4 2 4 . .

i=3 21

31

41

304 4 2 4 . .

i=4 31

41

51

404 4 2 4 . .

Page 22: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

i

i

i

2 4 4 2 4

3 4 4 2 4

4 4 4 2 4

11

21

31

20

21

31

41

30

31

41

51

40

. .

. .

. .

6 1 4 4 14 64

4 4 14 64

4 4 1 5 14 64

21

31

21

31

41

31

41

. . .

. .

. . .

Page 23: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

4 4 1 0 20 74

1 4 4 1 14 64

0 1 4 4 16 14

21

31

41

21

31

41

21

31

41

. .

. .

. .

4 4 1 0

1 4 4 1

0 1 4 4

20 74

14 64

16 14

21

31

41

.

.

.

.

.

.

21

31

41

6

5 8

5

m

m

m

.

Page 24: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Gauss Yoketme Yöntemi

a a a

a a a

a a a

x

x

x

b

b

b

110 120 130

210 220 230

310 320 330

1

2

3

10

20

30

E

E

E

10

20

30

a a

a a

x

x

b

b

Ea

Ea

Ea

Ea

a x bEa

Ea

221 231

321 331

1

2

21

31

10

110

20

210

10

110

30

310

332 3 3221

221

31

331

E

E

E

21

31

32

Gauss Yoketme Yöntemi

Page 25: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

a a a

a a

a

x

x

x

b

b

b

ba

b aa

b a aa

110 120 130

221 231

332

1

2

3

10

21

32

332

332

221 231 3

221

310 120 2 130 3

110

0

0 0

x

xx

xx x

Gauss Yoketme Yöntemi

4 2 1

3 6 4

2 1 8

12

25

32

11

21

31

X

X

X

Gauss Yoketme Yöntemi

Page 26: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Crank‐Nicholson Yaklaşımı

Orta Farklar YöntemiTek Yönlü Akım

12

2 211 1

11

1 12

1

( ) ( )

( )

( )

ik

ik

ik

ik

ik

ik

ik

ik

x

ST t

Crank‐Nicholson Yaklaşımı

( ) ( )( )

( ) ( )( )

, , , , , ,

, , , , , ,

, ,

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i jk

i

x

y

ST

11 1

11

1 12

11 1

11

1 12

1

2 1 2

2 1 2

jk

t

0<<1

Page 27: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Duraylılık

TS

t

x

t

y

2 2

12

b

Örnek

L R

R

(t>0)

ki

ki+1

ki-1

x

=sbt =sbti i+1i-1

xi xi+1

1 2 3 4 5

Başlangıç ve SınırKoşulları

b=1.5 mx=3 mK=0.5 m/gS=0.02

L= 1= 6.1m t

R= 5= 6.1m t

R= 5= 1.5m t

2= 3= 4= 6.1m t

Page 28: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Crank‐Nicholson Denklemi

12

2 211 1

11

1 12

1

( ) ( )

( )

( )

ik

ik

ik

ik

ik

ik

ik

ik

x

ST t

k+1=1t=(k+1)ti = 2

1

2

2 231

21

11

30

20

11

2 21

20( ) ( )

( )( )

x

S

T t

i=21

2

2 231

21

11

30

20

10

2 21

20( ) ( )

( )( )

x

S

T t

i=3 1

2

2 241

31

21

40

30

20

2 31

30( ) ( )

( )( )

x

S

T t

i=41

2

2 251

41

31

50

40

30

2 41

40( ) ( )

( )( )

x

S

T t

Page 29: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

1

2

2 6 1 6 1 2 6 1 6 1

3

0 02

0 0756 13

121

2 21( . ) ( . . . )

( )

.

.( . )

x

1

2

2 6 1 2 6 1 6 1

3

0 02

0 0756 14

131

21

2 31( ) ( . . . )

( )

.

.( . )

x

1

2

15 2 6 1 2 6 1 6 1

3

0 02

0 0756 14

131

2 41( . ) ( . . . )

( )

.

.( . )

x

1

2

2 211 1

11

1 12

1

( ) ( )

( )

( )

ik

ik

ik

ik

ik

ik

ik

ik

x

S

T t

(( )

)

( )

ik

ik

ik

ik

ik

ik

S x

T t

S x

T t

11

21

11

1

2

1

2 1

2 1

Page 30: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

ik

ik

ik

ik

ik

ik

11 1

11

1 16 8 2 8. .

31

21

11

30

20

106 8 2 8 . .

41

31

21

40

30

206 8 2 8 . .

51

41

31

50

40

306 8 2 8 . .

ik

ik

ik

ik

ik

ik

11 1

11

1 16 8 2 8. .

31

216 8 6 1 6 1 2 8 6 1 6 1 . . . . . .

41

31

216 8 6 1 2 8 6 1 6 1 . . . . .

1 5 6 8 6 1 2 8 6 1 6 141

31. . . . . .

Page 31: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

31

216 8 6 1 29 28 . . .

41

31

216 8 29 28 . .

1 5 6 8 29 2841

31. . .

6 8 1 0 35 38

1 6 8 1 29 28

0 1 6 8 30 78

21

31

41

21

31

41

21

31

41

. .

. .

. .

6 8 1 0

1 6 8 1

0 1 6 8

35 38

29 28

30 78

21

31

41

.

.

.

.

.

.

Page 32: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Birinci ve ikinci satırlar birinci elemanına bölünür:

1 0 147 0

1 6 8 1

0 1 6 8

5 203

29 28

30 78

21

31

41

.

.

.

.

.

.

Gauss Eliminasyon

Birinci satırdan ikinci satır çıkartılarak yeni ikinci satır elde edilir:

1 0 147 0

0 6 653 1

0 1 6 8

5 203

34 483

30 78

21

31

41

.

.

.

.

.

.

Gauss Eliminasyon

Page 33: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Gauss Eliminasyon

İkinci ve üçüncü satırlar ikinci elemanlarına bölünür:

1 0 147 0

0 1 0 150

0 1 6 8

5 203

5 183

30 78

21

31

41

.

.

.

.

.

.

Gauss Eliminasyon

İkinci satırdan üçüncü satır çıkartılarak yeni üçüncü satır elde edilir:

1 0 147 0

0 1 0 150

0 0 6 650

5 203

5 183

35 963

21

31

41

.

.

.

.

.

.

Page 34: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

1 0 147 0

0 1 0 150

0 0 6 650

5 203

5 183

35 963

21

31

41

21

31

41

21

31

41

.

.

.

.

.

.

41

31

41

21

31

35 9636 650

5 408

5 183 0 150 5 994

5 203 0 147 6 084

..

.

. . .

. . .

m

m

m

İterasyon Tekniği

x y

x y

3

2 4

x y

yx

3

42

Page 35: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Jacobi ‐ İterasyonİterasyon

No x y

1 0 0

2 x = 3 - 0 = 3 y = (4-0)/2 = 2

3 x = 3 - 2 = 1 y = (4-3)/2 = 1/2

4 2.5 1.5

5 1.5 0.75

6 2.25 1.25

n 2 1

Gauss‐Seidel ‐ İterasyonİterasyon

No x y

1 0 0

2 x = 3 - 0 = 3 y = (4-3)/2 = 0.5

3 x =3 - 0.5 =2.5 y=(4-2.5)/2 =0.75

4 2.25 0.875

5 2.125 0.9375

6 2.0625 0.9687

n 2 1

Page 36: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

3D Sonlu Farklar Akifer Modeli

Akifer Modeli

Page 37: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Hücre Merkezli Grid Sistemi

(Block Centered Grid Sys.)

i,j i+1,j

i,j+1

i-1,j

i,j-1

xi

yj

xi+1/2xi-1/2

xx x

yy y

ii i

jj j

1 21

1 21

2

2

/

/

3D

i,j i+1,ji-1,j

Page 38: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

2D Yeraltısuyu Akımı

y

x

i

j

2D Yeraltısuyu Akımı

x

Tx y

Ty

W Stxx yy( ) ( )

x

Qy

Q W Stxx yy( ) ( )

Q

x

Q Q

xi j i j i j

i

, / , / ,

1 2 1 2

Page 39: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

x

Tx x

Tx

Txxx

ixx

i jxx

i j

1

1 2 1 2 / , / ,

11 2 1 2

1

1 2

1

1 2 xT

xT

xixx

i jk

i jk

ixx

i jk

i jk

ii j i j/ , / ,

, ,

/

, ,

/

yT

y

yT

yT

y

yy

jyy

i jk

i jk

jyy

i jk

i jk

ji j i j

11 2 1 2

1

1 2

1

1 2 , / , /

, ,

/

, ,

/

Page 40: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

2D YAS Akımı Sonlu Farklar Eşitliği

1

1

1 2 1 2

1 2 1 2

1

1 2

1

1 2

1

1 2

1

1 2

xT

xT

x

yT

yT

y

ixx

i jk

i jk

ixx

i jk

i jk

i

jyy

i jk

i jk

jyy

i jk

i jk

j

i j i j

i j i j

/ , / ,

, / , /

, ,

/

, ,

/

, ,

/

, ,

/

W St

ki j

i jk

i jk

,, , 1

yT

xx

T

y

yT

xx

T

y

yT

xx

T

y

j

xx

ii jk

i

yy

ji jk

j

xx

ii jk

i

yy

ji jk

j

xx

ii

yy

j

i j i j

i j i j

i j i j

1 2 1 2

1 2 1 2

1 2 1 2

1 21

1 21

1 21

1 21

1 2 1 2

/ , , /

/ , , /

/ , , /

/,

/,

/,

/,

/ /

yT

xx

T

y

x y W x yS

t

j

xx

ii

yy

ji jk

i jk

i ji j

i jk

i jk

i j i j1 2 1 2

1 2 1 2

1

/ , , /

/ /,

,, ,

Page 41: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

B xT

y

D yT

xF y

T

x

H xT

y

i j i

yy

j

i j j

xx

ii j j

xx

i

i j i

yy

j

i j

i j i j

i j

,/

,/

,/

,/

, /

/ , / ,

, /

1 2

1 2 1 2

1 2

1 2

1 2 1 2

1 2

E B D F H x yS

t

Q x yS

th W

i j i j i j i j i j i ji j

i jk

i ji j

i jk k

, , , , ,,

,,

,

1 1

Page 42: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

j B

j D E F

j H

i i i

1

1

1 1

D H E F B Qi j i jk

i j i jk

i j i jk

i j i jk

i j i jk

i jk

, , , , , , , , , , , 1 1 1 1

1

Page 43: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

Hücreler Arası Transmissivite

T xT T

x T x Txx

xx xx

xx xxi j i j

i j i j

i j i j i j i j

1 2 1 2

1

1 1

2/ , / ,

, ,

, , , ,

T xT T

x T x Txx

xx xx

xx xxi j i j

i j i j

i j i j i j i j

1 2 1 2

1

1 1

2/ , / ,

, ,

, , , ,

T yT T

y T y T

T yT T

y T y T

yy

yy yy

yy yy

yy

yy yy

yy yy

i j i j

i j i j

i j i j i j i j

i j i j

i j i j

i j i j i j i j

, / , /

, ,

, , , ,

, / , /

, ,

, , , ,

1 2 1 2

1

1 1

1 2 1 2

1

1 1

2

2

Page 44: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

D E F Qi j i jk

i j i jk

i j i jk

i jk

, , , , , , , 1 1

1

D E F Qk k k k1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1

1, , , , , , ,

E F Q

D E F Q

D E F Q

D E F Q

D E Q

k k k

k k k k

k k k k

k k k k

k k k

1 1 1 2 11

2 1 2 2 2 3 21

3 2 3 3 3 4 31

4 3 4 4 4 5 41

5 4 5 5 51

E F

D E F

D E F

D E F

D E

Q

Q

Q

Q

Q

k

k

k

k

k

k

k

k

k

k

1 1

2 2 2

3 3 3

4 4 4

5 5

1

2

3

4

5

11

21

31

41

51

'0

0

1D KatsayıMatrisi

Page 45: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

2D KatsayıMatrisinin Yapısı

EBD

HEBD

HEBD

HEBD

HEBD

FHEB

FHEB

FHEB

FHEB

FHE

NCOL

NCOL1

2D YAS AKIMI SONLU FARKLAR PROBLEMİ

Page 46: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

PROBLEM

j

i

i=1 i=2 i=3

j=3j=2

j=1

Veriler

xi yj Sij Txij Tyij N ij

50 100 3050 100 3050 100 30

250 80 0.02 200 100 0.01 26250 240 0.01 300 150 0.01 29250 100 0.02 200 100 0.01 27300 80 0.03 350 175 0.01 20300 240 0.04 400 200 0.009 27300 100 0.02 200 100 0.01 25400 80 0.01 310 155 0.01 19400 240 0.01 290 145 0.01 22400 100 0.03 180 90 0.01 19

50 100 1850 100 1850 100 18

N=0.01 m/günQw=-100 m3/sW=N+Qw

Page 47: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

i j T xi-1/2 T xi+1/2 T yj-1/2 T yj+1/21 1 1.143 0.949 0.000 0.8331 2 1.500 1.263 0.833 0.7691 3 1.143 0.727 0.769 0.0002 1 0.949 0.931 0.000 1.2072 2 1.263 0.939 1.207 0.9092 3 0.727 0.537 0.909 0.0003 1 0.931 1.117 0.000 0.9213 2 0.939 1.064 0.921 0.7233 3 0.537 0.735 0.723 0.000

Dij Fij Bij H ij Eij Qij91.43 75.93 0.00 208.33 -775.69 -10600.00

360.00 303.16 208.33 192.31 -1663.80 -18000.00114.29 72.73 192.31 0.00 -879.32 -13750.0075.93 74.51 0.00 362.07 -1232.51 -14640.00

303.16 225.43 362.07 272.73 -4043.38 -78380.0072.73 53.73 272.73 0.00 -999.19 -15300.0074.51 89.37 0.00 368.44 -852.32 -6400.00

225.43 255.41 368.44 289.20 -2098.48 -22080.0053.73 73.47 289.20 0.00 -1616.40 -23200.00

Page 48: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

1 2 3 4 5 6 7 8 91 E11 H11 0.00 F11 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Q11-D1112 B12 E12 H12 0.00 F12 0.00 0.00 0.00 0.00 Q12-D1223 0.00 B13 E13 H13 0.00 F13 0.00 0.00 0.00 Q13-D1334 D21 0.00 B21 E21 H21 0.00 F21 0.00 0.00 Q215 0.00 D22 0.00 B22 E22 H22 0.00 F22 0.00 Q226 0.00 0.00 D23 0.00 B23 E23 H23 0.00 F23 Q237 0.00 0.00 0.00 D31 0.00 B31 E31 H31 0.00 Q31-F3118 0.00 0.00 0.00 0.00 D32 0.00 B32 E32 H32 Q32-F3229 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 D33 0.00 B33 E33 Q33-F333

1 -775.69 208.33 0.00 75.93 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -13342.862 208.33 -1663.80 192.31 0.00 303.16 0.00 0.00 0.00 0.00 -28800.003 0.00 192.31 -879.32 0.00 0.00 72.73 0.00 0.00 0.00 -17178.574 75.93 0.00 0.00 -1232.51 362.07 0.00 74.51 0.00 0.00 -14640.005 0.00 303.16 0.00 362.07 -4043.38 272.73 0.00 225.43 0.00 -78380.006 0.00 0.00 72.73 0.00 272.73 -999.19 0.00 0.00 53.73 -15300.007 0.00 0.00 0.00 74.51 0.00 0.00 -852.32 368.44 0.00 -8008.658 0.00 0.00 0.00 0.00 225.43 0.00 368.44 -2098.48 289.20 -26677.439 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 53.73 0.00 289.20 -1616.40 -24522.45

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.200.00 7.72 -0.92 -0.10 -1.46 0.00 0.00 0.00 0.00 155.440.00 192.31 -879.32 0.00 0.00 72.73 0.00 0.00 0.00 -17178.570.00 -0.27 0.00 16.13 -4.77 0.00 -0.98 0.00 0.00 210.000.00 303.16 0.00 362.07 -4043.38 272.73 0.00 225.43 0.00 -78380.000.00 0.00 72.73 0.00 272.73 -999.19 0.00 0.00 53.73 -15300.000.00 0.00 0.00 74.51 0.00 0.00 -852.32 368.44 0.00 -8008.650.00 0.00 0.00 0.00 225.43 0.00 368.44 -2098.48 289.20 -26677.430.00 0.00 0.00 0.00 0.00 53.73 0.00 289.20 -1616.40 -24522.45

Page 49: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.140.00 4.45 -0.01 -0.19 -0.38 0.00 0.00 0.00 109.470.00 -0.12 60.06 -17.94 0.00 -3.65 0.00 0.00 802.060.00 -0.12 -1.21 13.15 -0.90 0.00 -0.74 0.00 278.690.00 72.73 0.00 272.73 -999.19 0.00 0.00 53.73 -15300.000.00 0.00 74.51 0.00 0.00 -852.32 368.44 0.00 -8008.650.00 0.00 0.00 225.43 0.00 368.44 -2098.48 289.20 -26677.430.00 0.00 0.00 0.00 53.73 0.00 289.20 -1616.40 -24522.45

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.14

1.00 0.00 -0.04 -0.08 0.00 0.00 0.00 24.580.00 502.14 -150.06 -0.08 -30.55 0.00 0.00 6730.430.00 -10.09 109.89 -7.61 0.00 -6.22 0.00 2354.620.00 0.00 -3.79 13.65 0.00 0.00 -0.74 234.960.00 74.51 0.00 0.00 -852.32 368.44 0.00 -8008.650.00 0.00 225.43 0.00 368.44 -2098.48 289.20 -26677.430.00 0.00 0.00 53.73 0.00 289.20 -1616.40 -24522.45

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.14

1.00 0.00 -0.04 -0.08 0.00 0.00 0.00 24.581.00 -0.30 0.00 -0.06 0.00 0.00 13.400.00 10.59 -0.75 -0.06 -0.62 0.00 246.660.00 -1331.66 4793.42 -0.06 0.00 -259.37 82499.640.00 -0.30 0.00 11.38 -4.95 0.00 120.890.00 225.43 0.00 368.44 -2098.48 289.20 -26677.430.00 0.00 53.73 0.00 289.20 -1616.40 -24522.45

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.14

1.00 0.00 -0.04 -0.08 0.00 0.00 0.00 24.581.00 -0.30 0.00 -0.06 0.00 0.00 13.40

1.00 -0.07 -0.01 -0.06 0.00 23.300.00 3.53 -0.01 -0.06 -0.19 85.250.00 -0.07 38.07 -16.61 0.00 427.840.00 -0.07 -1.64 9.25 -1.28 141.640.00 53.73 0.00 289.20 -1616.40 -24522.45

Page 50: HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri - Hacettepeyunus.hacettepe.edu.tr/~tezcan/H473/Sayisal Model Notlari.pdf · HİD 473 Yeralt ısuyu Modelleri Sayısal Analiz Sonlu Farklar Yaklaşımı

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.14

1.00 0.00 -0.04 -0.08 0.00 0.00 0.00 24.581.00 -0.30 0.00 -0.06 0.00 0.00 13.40

1.00 -0.07 -0.01 -0.06 0.00 23.301.00 0.00 -0.02 -0.06 24.160.00 530.59 -231.45 -0.06 5986.930.00 -23.04 129.94 -18.08 2013.870.00 0.00 -5.40 30.03 480.55

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.14

1.00 0.00 -0.04 -0.08 0.00 0.00 0.00 24.581.00 -0.30 0.00 -0.06 0.00 0.00 13.40

1.00 -0.07 -0.01 -0.06 0.00 23.301.00 0.00 -0.02 -0.06 24.16

1.00 -0.44 0.00 11.280.00 5.20 -0.78 98.680.00 -3289.78 18295.24 292800.32

1.00 -0.27 0.00 -0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 17.201.00 -0.12 -0.01 -0.19 0.00 0.00 0.00 0.00 20.14

1.00 0.00 -0.04 -0.08 0.00 0.00 0.00 24.581.00 -0.30 0.00 -0.06 0.00 0.00 13.40

1.00 -0.07 -0.01 -0.06 0.00 23.30

1.00 0.00 -0.02 -0.06 24.161.00 -0.44 0.00 11.28

1.00 -0.15 18.975.41 107.97

1 2 31 27.14 22.60 20.882 28.77 26.52 21.983 27.95 25.66 19.96