توسعه مدل عددی بدون شبکه برای شبیه‏ سازی پدیده رانش زمین به صورت مستغرق

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان

2 بخش مهندسی عمران، ژئوفیزیک و معدن، دانشگاه پلی تکنیک مونترال، مونترال، کانادا

3 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان

چکیده

رانش‏ زمین پدیده طبیعی پیچیده ­ای است که معمولاً در نزدیکی کوه­ ها، اقیانوس ­ها، خلیج ­ها و مخازن به ‏وقوع می­ پیوندد. در سال­ های اخیر، افزایش اثر خطرات رانش‏ زمین روی زندگی بشر در سراسر جهان، نیاز به ‏یافتن روش‌های اقتصادی و قابل‏ قبول برای پیش ­بینی وقوع و قدرت تخریب رانش‏ زمین­ ها را افزایش داده ‏است. تلفات انسانی در اثر رانش‏ زمین در کشورهای درحال توسعه بیشتر بوده، درحالی‌که زیان ­های اقتصادی در کشورهای توسعه­ یافته شدیدتر است. پیچیدگی ‏های پدیده رانش‏ زمین (به‏ ویژه در زیر آب) که شامل جریان چندفازی همراه با تغییرشکل‏های بزرگ می ‏شود، مدل‏سازی عددی این پدیده را با روش‏های موجود شبکه ‏مبنا مشکل می ‏سازد. به‏ همین دلیل، هدف از انجام تحقیق حاضر، تهیه و توسعه یک مدل عددی بدون شبکه برای شبیه‏ سازی پدیده رانش‏ زمین می‌باشد. روش‌های لاگرانژی بدون شبکه، ازجمله روش هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) و روش نیمه ‏ضمنی ذرات متحرک (MPS)، امکان مدل‌سازی عددی جریان و رسوب را در شرایطی که تغییرشکل‌های بزرگ و یا گسستگی در مرزها وجود دارد، فراهم می‌سازد. در این تحقیق، از روش لاگرانژی MPS برای شبیه‏ سازی پدیده رانش‏ زمین با جریان دوفازی استفاده شده‏ است. فاز رسوب به صورت سیال غیرنیوتنی (ویسکو-پلاستیک) و به‏ کمک مدل رئولوژی µ(I) به مدل معرفی گردیده است. مدل توسعه داده شده برای رانش مستغرق صلب و رسوبی صحت ‏سنجی و ارزیابی شده و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی و عددی موجود مقایسه گردید. پروفیل سطح آب و سطح رسوب به‏دست آمده از این مدل عددی توافق خوبی با نتایج موجود نشان می ‏دهد، به ‏گونه‏ ای که میزان خطای RMSE محاسبه شده در پیش‏ بینی پروفیل سطح آب و رسوب در مدل عددی مطالعه حاضر نسبت به مدل‏های عددی مقایسه ‏شده دیگر کمتر می ‏باشد.

کلیدواژه‌ها


جعفری­ندوشن، ا. (1394). مدل­سازی انتقال رسوبات غیرچسبنده به روش نیمه­ضمنی ذرات متحرک (MPS). رساله دکتری، مهندسی عمران، دانشگاه سمنان.

Assier Rzadkiewicz, S. Mariotti, C. and Heinrich, P. (1997). “Numerical simulation of submarine landslides and their hydraulic effects”. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 123(4): 149-159.

Ataei-Ashtiani, B., Shobeyri, G. and Farhadi, L. (2008). “Modified incompressible SPH method for simulating free surface problems”. Fluid Dynamics Research, 40: 637-661.

Cremonesi, M., Frangi, A. and Perego, U., (2010). “A Lagrangian finite element approach for the analysis of fluid-structure interaction problems”. Int. J. Numer. Methods Fluids 84: 610–630.

Cremonesi, M., Frangi, A. and Perego, U., (2011). “A Lagrangian finite element approach for the simulation of water-waves induced by landslides”. Comput. Struct. 89: 1086–1093.

Da Cruz F., Chevoir F., Roux J.N. and Iordanoff I. (2004). “Macroscopic friction of dry granular materials”. Tribology Series 43: 53-61

Da Cruz F., Emam S., Prochnow M., Roux J.N. and Chevoir F. (2005). “Rheophysics of dense granular materials: Discrete simulation of plane shear flows”. Phys. Rev. E 72: 021309.

Dong, G., Wang, G., Ma, X. and Ma, Y., (2010). “Harbor resonance induced by subaerial landslide-generated impact waves”. Ocean Eng. 37: 927–934.

Forterre, Y. and Pouliquen, O. (2006). “Granular flow. La Relativit´e g´en´erale aujourd’hui”. Vol. IX, pp. 1-40.

Fu, L. and Jin, Y. (2015). “Investigation of non-deformable and deformable landslides using mesh-free method”. Journal of Ocean Engineering 109, 192-206.

Gotoh, H., Shibahara, T. and Sakai, T. (2001). “Sub particle turbulence model for the MPS method Lagrangian flow model for hydraulic engineering”. Computational Fluid Dynamics Journal. 9(4): 331-347.

Heinrich, P., (1992). “Nonlinear water waves generated by submarine and aerial landslides”. J. Waterw. Port Coast. Ocean Eng. 118 (3): 249–266.

Heller, V. and Hager, W.H., (2011). “Wave types of landslide generated impulse waves”. Ocean Eng. 38: 630–640.

Heller, V. and Spinneken, J., (2013). “Improved landslide-tsunami prediction: effects of block model parameters and slide model”. J. Geohys. Res. C 118: 1489–1507.

Jin. Y., Guo. K., Tai. Y. and Lu. Ch. (2016). “Laboratory and numerical study of the flow field of subaqueous block sliding on a slope”. Ocean Engineering. 124: 371-383.

Jop, P. Forterre and Y. Pouliquen, O. (2006). “Constitutive law for dense granular flows”. Nature 441: 727–730.

Jop. P. (2015). Rheological properties of dense granular flows. Compters Rendus Physique. 16(1): 62-72.

Khayyer, A. and Gotoh, H. (2008). “Development of CMPS method for accurate water surface tracking in breaking waves”. Coastal Engineering Journal, 50(02), 179– 207.

Kondo, M. and Koshizuka, S. (2011). “Improvement of stability in moving particle semi-implicit method”. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 65(6): 638-654.

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

Koshizuka, S., Tamako, H., and Oka, Y. (1995). “A particle method for incompressible viscous flow with fluid fragmentation”. Comput. Fluid Dyn. J., 4(1), 29–46.

Lagree. P. Y., Staron. L. and Popinet. S. (2011). “The granular column collapse as a continuum: validity of a two-dimensional Navier-Stokes model with a μ(I)-rheology”. J. Fluid Mech. 686: 378_408.

Liu, G. R., and Liu, M. B. (2003). Smoothed particle hydrodynamics: a meshfree particle method. World Scientific Publishing.

Liu, J., Koshizuka, S. and Oka, Y. (2005). “A hybrid particle-mesh method for viscous, incompressible, multiphase flows”. Journal of Computational Physics, 202(1): 65-93.

Midi, G.D.R. (2004). “On dense granular flows”. Eur. Phys. J. E 14: 341–365.

Minatti, L. and Paris, E. (2015). “A SPH model for the simulation of free surface granular flows in a dense regime”. Journal of Applied Mathematical Modelling 39, 363-382.

Savage, S.B. and Hutter, K. (1989). “The motion of a finite mass of granular material down a rough incline”. Journal of Fluid Mechanics, 199, pp. 177 – 215.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2010). A weakly compressible MPS method for modeling of open-boundary free-surface flow. Int. J. Numer Methods Fluids, 63(10), pp. 55-67.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2012a). “Lagrangian multiphase modeling of sand discharge into still water”. Advances in Water Resources, 48:55-67.

Shao, S.D. and Gotoh, H. (2005). “Turbulence particle models for tracking free surfaces”. J. of Hydraulic Research, 43(3): 276-289.

Zhao, T. (2014). “Investigation of landslide-induced debris flows by the DEM and CFD”. PhD Thesis, University of Oxford, UK.

Zweifel, A., Hager, Willi H. and Minor, H., (2006). “Plane impulse waves in reservoirs”. J. Waterway Port Coast. Ocean Eng. 132(5): 358–368.

Zweifel, A., Zuccalà, D. and Gatti, D., (2007). “Comparison between computed and experimentally generated impulse waves”. J. Hydraul. Eng. 133(2): 208–216.