ارایه یک مدل هیدرودینامیک ذرات هموارشده (SPH) استاندارد برای شبیه سازی جریانهای با سطح آزاد

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری /مهندسی عمران، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشیار /دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 استاد /دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله یک مدل لاگرانژی مبتنی بر حرکت ذرات که براساس روش هیدرودینامیک ذرات هموارشده تراکم پذیر (SPH) تهیه شده است، ارایه می‌شود. این مدل قادر به شبیه‌سازی جریانهای سطح آزاد با تغییرات شدید در سطح آزاد است. شکست سد درون یک مخزن بسته به عنوان یکی از آزمونهای اصلی در صحت سنجی مدل‌های عددی جریانهای با سطح آزاد در اینجا شبیه‌سازی می‌شود و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی، تحلیلی و عددی پیشین مقایسه می‌گردد. همچنین جریان بین دو صفحه موازی (Couette flow) و جریان گودال برشی به منظور بررسی تاثیر لزجت شبیه سازی و با نتایج عددی مقایسه می‌شوند. همه نتایج بیانگر عملکرد مناسب مدل تهیه شده می‌باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Developing a Standard Smoothed Particle Hydrodynamic Model for Free Surface Flows

نویسندگان [English]

  • A Valizadeh 1
  • M Shafieefar 2
  • A.A Salehi Neyshabouri 3
1 PhD Civil Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Civil Engineering Dep., Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Professor, Civil Engineering Dep., Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In This paper a Lagrangian model is presented based on weakly compressible SPH method used for simulation of free surface flows with violated changes in free surface. Dam break in a closed tank was simulated here as one of the main test cases for validation of the free surface flow model and its results were compared with the experimental data, analytical solutions, and previous numerical results. Also, in order to study the effects of viscosity, the shear flow between two parallel plates (Couette flow) and shear cavity flow are modeled and the results were compared with the available analytical and numerical results. All comparisons showed the  power of the developed model in modeling free surface and shear flows.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lagrangian Methods
  • Free Surface Flows
  • Weakly Compressible SPH Method
  • Dam Break
  • shear cavity
  • Couette flow

پناهی، ر.، جهانبخش، الف.، سیف، م. و شفیعی فر، م. (1386)، شبیه‌سازی عددی جابجایی مایع درون مخزن و بررسی اثر دیواره‌های میانی در کاهش گشتاور ناشی از آن، پانزدهمین کنفرانس بین المللی مهندسی مکانیک، تهران، ایران، 25-27 اردیبهشت.

حسینی امین، س.م. و تقی زاده منظری، م. (1383)، استفاده از روش SPH برای مدل‌سازی Sloshing در یک مخزن نیمه پر، نشریه مهندسی دریا، سال اول شماره دوم، 1-10.

منصوررضایی، ص. و عطایی آشتیانی، ب. (1387)، شبیه‌سازی عددی امواج ضربه‌ای با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموارشده تراکم پذیر، هفتمین کنفرانس هیدرولیک ایران، 

ولی‌زاده، ع. (1387)، مدل‌سازی دوفازی پخش و انتقال آلودگیهای نفتی در دریا، رساله دکتری سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

Batchelor, G K. (1974), An introduction to fluid mechanics. Cambridge University Press: Cambridge, 635 p.

Benz, W. (1990), Smooth particle hydrodynamics: a review, in: J.R. Buchler (Ed.), The Numerical Modeling of Nonlinear Stellar Pulsation, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht,  pp. 269–288.

Colicchio, G., Greco, M. & Faltinsen, O. M. (2006), “A bem-level set domain decomposition strategy for nonlinear and fragmented interfacial flows”, Journal for Numererical Methods in Engineering, Vol. 67, pp. 1385–1419.

Dalrymple, RA. and Knio O. (2001), “SPH modeling of water waves. Proceeding of Coastal Dynamics”, ASCE, Lund, Sweden, pp. 779-787.

Gomez-Gesteira, M., Cerqueiro, D. and Dalrymple, R.A. (2005), “Green water overtopping analyzed with a SPH model”, Ocean Engineering, Vol. 32, pp. 223-238.

Gotoh, H., Shao, S.D. and Memita, T. (2004), “SPH-LES Model for Numerical Investigation of Wave Interaction with Partially Immersed Breakwater”. Coastal Engineering Journal, 46(1), pp. 39–63.

Hirt, C.W. and Nichols BD. (1981), “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries”. Journal Computational Physics, 39, pp. 201–25.

Koshizuka, S., Nobe, A. and Oka, Y. (1998), “Numerical Analysis of Breaking Waves Using the Moving Particle Semi-Implicit Method”. Int. J. Numer. Meth. Fluids, Vol. 26, pp. 751–769.

Lin, P.Z. and Liu, L.F. (1998a), “A Numerical Study of Breaking Waves in the Surf Zone”. J. Fluid Mech. Vol. 359, pp. 239–264.

Liu, G.R. and M.B. Liu, (2003), “Smoothed Particle Hydrodynamics—A Meshfree Particle Method”, World Scientific, Singapore.

Martin, JC. and Moyce W.J. (1952), “An experimental study of the collapse of liquid columns on a rigid horizontal plane”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A-Mathematical Physical and Engineering Sciences, Ser. A, Vol. 244, pp. 312–24.

Monaghan, J.J. (1985), “Particle Methods for Hydrodynamics”, Physics Reports, 3(2), 71p.

Monaghan, J.J. (1992), “Smoothed particle hydrodynamics”, Annual Review of Astronomy Astrophys, Vol. 30, pp. 543–574.

Monaghan, J.J. (1994), “Simulating free surface flows with SPH”. Journal of Computational Physics, Vol. 110, No.2, pp. 399–406.

Monaghan, J.J. (2005), “Smoothed particle hydrodynamics”. Reports on Progress in Physics, Vol. 68, pp. 1703-1759.

Monaghan, J.J., Cas, R.A.F., Kos, A.M. and Hallworth, M. (1999), “Gravity currents descending a ramp in a stratified tank”, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 379, pp. 39–70.

Nielsen, K.B. (2003), “Numerical prediction of green-water loads on ships, PhD thesis”, Technical university of Denmark, Denmark.

Pan CH, Xu XZ and Lin BY. (1993), “Simulating free surface flows by MAC method”, Estuary and Coastal Engineering, No. 1–2, pp. 51–58.

Shao, S. and Edmond Y.M. Lo (2003), “Incompressible SPH method for simulating Newtonian and non-Newtonian flows with a free surface”, Advances in Water Resources Vol. 26, pp. 787–800.

Vaughan, GL. (2005), “Simulating breaking waves using smoothed particle hydrodynamics”. Ph.D. Thesis, University of Waikato, Hamilton, New Zealand.

Wit, D.L. (2006), “Smoothed Particle Hydrodynamics A Study of the possibilities of SPH in hydraulic Engineering”, MSc Thesis, Delft University of Technology.

Zhou, Z. Q., de Kat, J. O. and Buchner, B. (1999), A nonlinear 3-D Approach to simulate green water dynamics on deck. In 7th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics. Nantes.