شبیه‌سازی سیستم دوفازی نیوتنی-غیرنیوتنی با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار و مدل هرشل-بالکی

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 دانشگاه یاسوج

2 دانشگاه سمنان

چکیده

یکی از مسائل مورد علاقه محققین در علم هیدرولیک، بررسی نحوه حرکت ذرات رسوب و تغییرات شکل سطح بستر رسوبی (مورفولوژی) ناشی از جریان آب بالای رسوبات می‌باشد. در این مقاله به کمک روش لاگرانژی هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) جریان دوفازی آب-رسوب مدل‌سازی شده است. از ویژگی‌های روش‌های لاگرانژی می‌توان به قابلیت مدل‌سازی تغییرشکل‌های بزرگ و مرزهای حدواصل میان دو سیال مختلف و همچنین ردیابی ذرات در مدل‌های چندفازی اشاره کرد. در این مطالعه جهت انجام مدل‌سازی از توسعه کد SPHysics2D بهره گرفته شده است که در آن مقادیر فشار به صورت صریح و به کمک معادله حالت محاسبه می‌شوند. برای بررسی رفتار فاز رسوبات، مدل غیرنیوتنی ویسکوپلاستیک هرشل بالکی پاپاناستاسیو (HBP) مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین در این مدل توسعه یافته برای بررسی تعامل ذرات دانه‌ای رسوبات از میانگین‌گیری هارمونیک میان لزجت و برای تعامل دو فاز مختلف از معادله Owen استفاده شده است. در این تحقیق به علت وجود اختلاف چگالی میان دو فاز آب و رسوب، از یکی از روش‌های اصلاح شده موجود برای معادلات پیوستگی و مومنتوم استفاده گشته است. برای بررسی صحت عملکرد مدل ویسکوپلاستیک به کار گرفته شده در کد، از مدل آزمایشگاهی شکست سد ذرات دانه‌ای استفاده گردید و پس از آن برای بررسی کد دو فازی توسعه یافته از مدل آزمایشگاهی شکست سد آب-رسوب با بستر متحرک استفاده گشت. نتایج حاکی از آن است که مدل به کار گرفته شده در این تحقیق قابلیت بالایی در شبیه سازی سیستم‌های دوفازی آب- رسوب خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها


امیدوار، پ. خیرخواهان، م. و حسینی، خ. (1397). " توسعه روش هیدرودینامیک ذرات هموار برای شبیه­سازی جریان دوفازی آب-رسوب با استفاده از مدل رئولوژیکی μ(I)"، مجله مهندسی مکانیک مدرس، 18(8): 173-182.

ﻓﺮزﯾﻦ، س.؛ حسن زاده، ی.؛ اعلمی، م. ت. و فاتحی، ر. (1393). "توسعه دو روش SPH تراکم ناپذیر به منظور شبیه‌سازی جریان‌های سطح آزاد حاوی رسوب"، مجله مهندسی مکانیک مدرس، 14(12): 103-91.

خیرخواهان، م. و حسینی، خ. (1396). "مدل‌سازی جریان دانه‌ای به کمک مدل رئولوژیکی μ(I) در روش SPH"، نشریه هیدرولیک ایران، 4(12): 55-43.

Colagrossi, A. and Landrini, M. (2003). “Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics”, J Comput Phys 191:448–475.

Grenier, N. Antuono, M. Colagrossi, A. Le Touze, D. and Alessandrini, B. (2009). “An Hamiltonian interface SPH formulation for multifluid and free surface flows”, J Comput Phys 228:8380–8393.

Fourtakas, G. and Rogers, B.D. (2016). “Modelling multi-phase liquid-sediment scour and resuspension induced by rapid flows using Smoothed Particle Dynamics (SPH) accelerated with a Graphic Processing Unit (GPU)”. Adv. Water Resour. 92, pp. 186-199.

Fu, L. and Jin, Y.C. (2016). “Improved Multiphase Lagrangian Method for Simulating Sediment Transport in Dam-Break Flows”. ASCE, J. Hydraul. Eng. 142(10): 04016005.

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

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 1: Theory and Formulations”. Compu Geosci. http://www.Sphysics.org

Khanpour, M. Zarrati, A.R. Kolahdoozan, M. Shakibaeinia, A. and Amirshahi, S.M. (2016). “Mesh-free SPH modeling of sediment scouring and flushing”. J. Computer and fluids. 129, pp. 67-78.

Kheirkhahan, M. and Hosseini, Kh. (2018). “Comparison of the μ(I) and HBP models for simulating granular media”. J. Modern physics C. 29(4), 1850050.

Lajeunesse, E. Monnier, J. and Homsy, G. (2005). “Granular slumping on a horizontal surface”. Phys. Fluids, 17(10), pp. 1-15.

Lucy, L.B. (1977). “A numerical approach to testing the fission hypothesis”, The Astron. J., 82(12), pp.1013-1024.

Monaghan, J.J. (1994). “Simulating free surface flows with SPH”. J. Comput. Phys., 110, pp. 399-406.

Monaghan, JJ. Kos, A. (1999). “Solitary waves on Cretan beach”, J Waterway Port Coast Ocean Eng 125:145–154.

Monaghan, JJ. (2005). “Smoothed Particle Hydrodynamics”, Rep Prog Phys 68:1703–1759.

Morris, J.P. Fox, P.J. and Zhu, Y. (1997). “Modeling low Reynolds number incompressible flows using SPH”, J Comput Phys 136:214–226.

Nikeghbali, P. and Omidvar, P. (2018). “Application of SPH method to breaking and undular tidal bores on a movable bed”, J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng. (ASCE) 144(2): 04017040.

Omidvar, P. and Nikeghbali, P. (2017). “Simulation of violent water flows over a movable bed using smoothed particle hydrodynamics”, J Mar Sci Technol 22:2, pp. 270-287.

Razavitoosi, S.L. Ayyoubzadeh, S.A. and Valizadeh, A. (2014). “Two-phase SPH modelling of waves caused by dam break over a movable bed”, Int. J., sediment research. 29(3), pp. 344-356.

Rogers, B.D. Dalrymple, R.A. and Stansby, P.K. (2008). “SPH modeling of floating bodies in the surf zone”, In: Proceeding of 31st International Conference on Coastal Engineering (ICCE), Germany, pp. 204215.

Spinewine, B. (2005). “Two-layer flow behaviour and the effects of granular dilatancy in dam-break induced sheet-flow”, PhD thesis, Univerisite´ de Louvain, Belgium.

Szewc, K. (2017). “Smoothed particle hydrodynamics modeling of granular column collapse”. Granular Matter, 19(1), 3, pp. 1-13.

Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2011b). “A mesh-free particle model for simulation of mobile-bed dam break”. Advanced Water Resources, Vol. 34, pp. 794-807.

Zhu, H. Kim, Y.D. and De Kee, D. (2005). “Non-Newtonian fluids with a yield stress”, J. Non-Newtonian Fluid Mech. 129, pp. 177–181.