توسعه روش نیمه‌ضمنی ذرات متحرک (MPS) به منظور بهبود شبیه‌سازی جریان‌های سطح آزاد با شرایط مرزی باز

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتر دانشگاه سمنان

2 محقق، مرکز تحقیقات آب و هوا، دانشگاه ویکتوریا، کانادا

3 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان

4 مدیر گروه سازه های هیدرولیکی - دانشکده عمران- دانشگاه سمنان

چکیده

روش‌های نیمه‌ضمنی ذرات متحرک (MPS) و هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) از مشهورترین روش‌های ذرات بدون شبکه (لاگرانژی) هستند که توجه محققان را در مسائل کاربردی با تغییرشکل‌های بزرگ و ناپیوستگی جریان به خود جلب کرده‌اند. هدف از این پژوهش، توسعه و بهبود شبیه‌سازی جریان با مرزهای باز با استفاده از مدل جدید ‌نیمه ضمنی ذرات متحرک با تراکم‌پذیری ضعیف (WCMPS) است. در بیشتر مطالعات انجام گرفته در زمینه روش‌های لاگرانژی، مدل‌های مورد نظر دارای شرایط مرزی بسته می‌باشند. لذا در این پژوهش، با به‌کارگیری روش بازیافت ذرات در مرزهای ورودی و خروجی، به توسعه و بهبود این مدل در شبیه‌سازی مدل‌های کاربردی با شرایط مرزی باز پرداخته شده و الگوریتم جدیدی برای شرایط مرزی ورودی و خروجی توسعه داده شده است. این الگوریتم نه‌تنها شرایط مرزهای ورودی و خروجی را بهبود می‌دهد، بلکه نوسانات فشار در مرزها را نیز کاهش می‌دهد. همچنین در این تحقیق برای پیش‌بینی بهتر سرعت در نزدیکی مرز، قانون لگاریتمی استاندارد دیوار برای ذرات سیال در مجاورت مرزهای جامد توسعه داده شده است. در ادامه، به منظور ارزیابی روش و مدل پیشنهادی برنامه‌نویسی شده با زبان C، مسأله شناخته شده و پرکاربرد جریان روی بستر خمیده نامتقارن، و سرریز اوجی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بررسی‌ها و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که مدل پیشنهادی قابلیت و کارایی بالایی در مدل‌سازی جریان‌های با سطح آزاد با شرایط مرزی باز دارد.

کلیدواژه‌ها


Adami, S. X, Hu,Y. and Adams, N. A.(2012). “Simulating three-dimensional turbulence with SPH”. In Proceedings of the Summer Program, p. 177.

Ataie-Ashtiani, B. and Farhadi, L. (2006). “A stable moving–particle semi-implicit method for free surface flows”, Fluid Dyn. Res., 38, pp. 241-256.

Chatila, J. and Tabbara, M. (2004). “Computational modeling of flow over an ogee spillway”, J. Comput. Struc. 82, pp. 1805-1812.

Deville, M. O. and Gatski, T. B. (2012). Mathematical modeling for complex fluids and flows. Springer Science and Business Media, 364225294X, p. 294.

Gotoh, H. and Sakai, T. (1999). “Lagrangian simulation of breaking wave using particle method”, Coastal Eng. J., 41(3-4), pp. 303-326.

Gotoh, H. and Sakai, T. (2006). “Key issues in the particle method for computation of wave breaking”, Coastal Eng. J., 53, pp. 171-179.

Gotoh, H., Shibahara, T. and Saka, T. (2001). “Sub-particle scale turbulence model for the MPS method- Lagrangian flow model for hydraulic engineering”, Comput. Fluid Dyn. J., 9(4), pp. 331-347.

Hirt, C.W. and Nichols, B.D. (1981). “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries”, J. Comput. Phys., 39(1), pp. 201-225.

Khayyer, A. and Gotoh, H. (2009). “Modified moving particle semi-implicit methods for the prediction of 2D wave impact pressure”, Coastal Eng., 56, pp. 419-440.

Khayyer, A. and Gotoh, H. (2010). “A higher order Laplacian model for enhancement and stabilization of pressure calculation by the MPS method”, Appl. Ocean Res., 32, pp. 124-131.

Kim, D. G. and park J. H, (2005). “Analysis of flow structure over ogee_spillway in consideration of scale and roughness effects by using CFD model”. KSCE Journal of Civil Engineering; Vol. 9, No. 2, pp. 161~169.

Kondo, M. and Koshizuka, S. (2011). Improvement of stability in moving particle semi-implicit method. Int. J. Numer. Methods in Fluids, 65(6), pp. 638-654.

Koshizuka, S. and Oka, Y. (1996). “Moving particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid”, Nucl. Sci. Eng., 123(3), pp. 421-434.

Koshizuka, S., Nobe, A. and Oka, Y. (1998). “Numerical analysis of breaking waves using the moving particle semi-implicit method”, Int. J. Numer. Methods in Fluids, 26(7), pp. 751-769.

Liu, J., Koshizuka, S. and Oka, Y. (2005). “A hybrid particle-mesh method for viscous, incompressible, multiphase flows” J. Comput. Phys., 202(1), pp. 65-93.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2010). “A weakly compressible MPS method for modeling of open-boundary free-surface flow”, Int. J. Numer. Methods in Fluids, 63(10), 1208-1232.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2011a). “A mesh-free particle model for simulation of mobile-bed dam break”, Adv. Water Resour., 34(6), pp. 794-807.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2011b). “MPS-based mesh-free particle method for modeling open-channel flows”, J. Hyd. Eng. 137(11), pp. 1375-1384.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2012a). “MPS meshfree particle method for multiphase flows”, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 229-232: pp. 13-26.

Shibata, K. and Koshizuka, S. (2007). “Numerical analysis of shipping water impact on a deck using a particle method”, Ocean Eng., 34, pp. 585-593.

Shibata, K., Koshizuka, S. and Oka, Y. (2004). “Numerical analysis of jet breakup using particle method”, J. Nucl. Sci. Technol., 41(7), pp. 715-722.

Sivakumaran, N.S., Tingsanchali, T. and Hosking, R.J. (1983). “Steady shallow flow over curved beds”, J. Fluid Mech., 128, pp. 469-487.