مدل‌سازی شکست سد با بستر فرسایش‌پذیر با استفاده از روش SPH

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی سازه‌های دریایی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

2 استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

روش هیدرودینامیک ذرات هموار، یک روش عددی لاگرانژی مبتنی بر مقیاس ذره و مناسب برای مسائل هیدرودینامیک سطح آزاد است. کد عددی SPHysics از جمله کدهایی است که با روش SPH میدان سیال را حل می‌کند. این کد متن باز قادر به حل محیط سیال تک فاز و محدود به سیالات نیوتنی است. در این تحقیق با توسعه کد دو بعدی سریال SPHysics به یک مدل دو فازی غیرنیوتنی با مدل بینگهام، مسأله شکست سد با بستر متحرک ناشی از رسوبات به روش SPH مدل‌سازی شده است. برای توسعه مدل از تعریف یک ترم جدید برای فشار افزوده استفاده شده است. سپس مدل برای مسائل مختلف شبیه‌سازی مورد استفاده قرار گرفته و نتایج با مدل‌های مشابه و داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. در انتها نیز از مدل برای شبیه‌سازی مسأله شکست سد در بستری از رسوبات که به صورت سیال غیرنیوتنی بینگهام مدل شده، مورد استفاده قرار گرفته است و نتایج با مدل MPS و نتایج آزمایشگاهی صحت‌سنجی شده است. نتایج نشان می‌دهند مدل SPH توانایی خوبی در مدل‌سازی مسأله با تلاش اجرایی معقول در مقایسه با روش MPS دارد.

کلیدواژه‌ها


ولی­زاده، ع.، شفیعی­فر م. و صالحی نیشابوری، ع. (1390)، "ارائه یک مدل هیدرودینامیک ذرات هموار شده (SPH) استاندارد برای شبیه‌سازی جریان‌های با سطح آزاد"، نشریه تحقیقات منابع آب ایران، سال هفتم، شماره 3، ص.ص. 75-84.

Colagrossi A. and Landrini M. (2003). "Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics", Journal of Computational Physics 191: 448-475.

Crespo A. J. C. (2008). "Application of the smoothed particle hydrodynamics model SPHysics to free-surface hydrodynamics", Ph.D. Thesis, University of Vigo.

Evangelista S. and Altinakar M. S. (2013). "Simulation of dam-break waves on movable beds using a multi-stage centered scheme", International Journal of Sediment Research 28(3): 269-284.

Gomez-Gesteira M., Crespo A. J. C., Rogers B. D., Dalrymple R. A., Dominguez J. M. and Barreiro A. (2012). "SPHysics-development of a free-surface fluid solver-Part 2: Efficiency and test cases, Computers & Geosciences 48(0): 300-307.

Gomez-Gesteira M., Rogers B., Crespo A., Dalrymple R., Narayanaswamy M. and Dominguez J. (2012). "SPHysics-development of a free-surface fluid solver-Part 1: Theory and Formulations.", Computers & Geosciences, Vol. 48. pp 289-299.

Hosseini S. M., Manzari M. T. and Hannani S. K. (2007). "A fully explicit three-step SPH algorithm for simulation of non-Newtonian fluid flow", International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow 17(7): 715-735.

Jánosi I. M., Jan D., Szabó K. G. and Tél T. (2004). "Turbulent drag reduction in dam-break flows", Experiments in Fluids 37(2): 219-229.

Komatina D., and Jovanovic M. (1997). "Experimental study of steady and unsteady free surface flows with water-clay mixtures", Journal of Hydraulic Research 35(5): 579-590.

Liu M. and Liu G. (2010), "Smoothed particle hydrodynamics (SPH): An overview and recent developments", Archives of Computational Methods in Engineering, 17, 25-76.

López D., Marivela R. and Garrote L. (2010), "Smoothed particle hydrodynamics model applied to hydraulic structures: a hydraulic jump test case", Journal of Hydraulic Research, 48, 142-158.

Lucy L. B. (1977). "A numerical approach to the testing of the fission hypothesis", The Astronomical Journal 82: 1013-1024.

Maghsoudi M. S., Aghababazadeh H. and Shafieefar M. (2012). "Numerical modeling of material dumping during break water construction using SPH", International Conference on Ports and Marine Structures (ICOPMAS), Tehran, Iran.

Monaghan J. J. (1994). "Simulating free surface flows with SPH", Journal of Computational Physics 110(2): 399-406.

Monaghan J. J. (2005). "Smoothed particle hydrodynamics", Reports on Progress in Physics 68: 1703.

Monaghan J. J. and Kocharyan A. (1995). "SPH simulation of multi-phase flow", Computer Physics Communications 87(1-2): 225-235.

Omidvar P., Stansby P. K. and Rogers B. D. (2012), "Wave body interaction in 2d using smoothed particle hydrodynamics (SPH) with variable particle mass", International Journal for Numerical Methods in Fluids, 68, 686-705.

Ran Q., Tong J., Shao S., Fu X., and Xu Y. (2015). "Incompressible SPH scour model for movable bed dam break flows", Advances in Water Resources, 82, 39-50.

Rogers B. D., Dalrymple R. A. and Stansby P. K. (2010), "Simulation of caisson breakwater movement using 2-D SPH", Journal of Hydraulic
Research, 48, 135-141.

Shakibaeinia A. and Jin Y. C. (2011). "A mesh-free particle model for simulation of mobile-bed dam break", Advances in Water Resources 34(6): 794-807.

Shi Y. B., Pan C. H., et al. (2012). "2D movable-bed mathematical model for dam-break flow and sediment transport", Shuili Xuebao/Journal of Hydraulic Engineering 43(7): 834-841+851.

Toosi S. R., Ayyoubzadeh S. A. and Valizadeh A. (2015). "The influence of time scale in free surface flow simulation using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)", KSCE Journal of Civil Engineering, 19(3), 765-770.

Valizadeh A., Shafieefar M., Monaghan, J. and Neyshaboori S. S. (2008), "Modeling two-phase flows using SPH method," Journal of Applied Sciences, 8, 3817-3826.

Zhangand S. and Duan J. G. (2011). "1D finite volume model of unsteady flow over mobile bed", Journal of Hydrology 405(1-2): 57-68.