مدلسازی عددی جریان بر روی سرریز به روش نیمه ضمنی ذرات متحرک با تراکم ضعیف (WCMPS) (مطالعه موردی: سد دهن قلعه)

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسنده

استادیار گروه مهندسی عمران، پردیس بیجار، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران.

چکیده

روش‌های ذرات بدون شبکه، نسل جدیدی از تکنیک‌های عددی هستند که امکان مدل‌سازی عددی جریان را در شرایطی که تغییرشکل‌های بزرگ و یا گسستگی مرزها وجود دارد، فراهم می‌سازد. لذا در این تحقیق با توجه به اهمیت و نقش سرریز در کنترل و هدایت جریان به پایین دست، به شبیه ‏سازی جریان بر روی سرریز سد دهن قلعه به روش بدون شبکه نیمه ضمنی ذرات متحرک با تراکم ضعیف (WCMPS) پرداخته شده است. در این روش با به‌کارگیری روش بازیافت ذرات در مرزهای ورودی و خروجی، به شبیه‌سازی با شرایط مرزی باز پرداخته شده است. این روش نه ‌تنها شرایط مرزهای ورودی و خروجی را بهبود می‌دهد بلکه نوسانات فشار در مرزها را نیز کاهش می‌دهد. با توجه به مزایای این روش در این مطالعه به بررسی پارامترهای هیدرولیکی جریان بر روی سرریز لبه پهن، شوت و باکت پرتابی سد دهن قلعه پرداخته شده است. مدل مورد نظر، عمق و سرعت جریان را در ابتدای کانال درست در پای پنجه سرریز با خطای کمتر از 10 درصد، عمق، سرعت و عدد فرود جریان را در رقوم کف باکت پرتابی با خطای کمتر از 10 درصد و طول پرش را به ازای دبی 600 متر مکعب بر ثانیه با حداکثر خطا 12 درصد شبیه‏سازی نموده است. همچنین نتایج مدل عددی مذکور نشان داد مقدار شاخص کاویتاسیون در طول سرریز بزرگتر از 8/1 است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Ataie-Ashtiani, B. & Farhadi, L. (2006). A stable moving–particle semi-implicit method for free surface flows, Fluid Dyn. Res., 38, 241-256.
Chow, V.T. (1988). Open-Channel Hydraulics. McGraw-Hill, New York, 365–380
Fadafan, M.A. & Kermani, M.R.H. (2017) Moving particle semiimplicit method with improved pressures stability properties. Journal of Hydroinformatic, 20(6), 1268–1285.
Falvey, H.T. (1990). Cavitation in Chutes and Spillways. Engineering Monograph 42. In: Water Resources Technical Publication; US Printing Office, Bureau of Reclamation: Denver, CO, USA.
Fu, L. & Jin, Y. (2015). Investigation of non-deformable and deformable landslides using mesh-free method. Journal of Ocean Engineering, 109, 192–206.
Gotoh, H. & Sakai, T. (2006). Key issues in the particle method for computation of wave breaking. Coastal Eng. J., 53, 171-179.
Gotoh, H., Shibahara, T. & Saka, T. (2001). Subparticle scale turbulence model for the MPS method- Lagrangian flow model for hydraulic engineering. Comput. Fluid Dyn. J., 9(4), 331- 347
Jafari Nodoushan, E. & Shakibaeinia, A. (2018). Multiphase mesh-free particle modeling of local sediment scouring with μ(I) rheology. Journal of Hydroinformatics, 21(2), 279-294. doi: https: //doi. org/10.2166/hydro.2018.068.
Jafari Nodoushan, E. Shakibaeinia, A. & Hosseini, K.A. (2018). multiphase meshfree particle method for continuum-based modeling of dry and submerged granular flows. Powder Technology, 335, 258-274.
Jafari-Nodoushan, E., Hosseini, K., Shakibaeinia, A. & Mousavi, S.F. (2016) Meshless particle modelling of free surface flow over spillways. Journal of Hydroinformatics, 18(2), 354–370.
Jandaghian, M., Karimi, A. & Shakibaeinia, A. (2021).  Enhanced weakly compressible MPS method for immersed granular flows. Advances in Water Resources152, 103908.
Jin, Y., Guo, K., Tai, Y. & Lu, Ch. (2016). Laboratory and Numerical study of the flow field of subaqueous block sliding on a slope. Ocean Engineering, 124, 371-383
Khayyer, A. & Gotoh, H. (2009). Modified moving particle semi-implicit methods for the prediction of 2D wave impact pressure. Coastal Eng., 56, 419-440.
Khayyer, A. & Gotoh, H. (2010). A higher order Laplacian model for enhancement and stabilization of pressure calculation by the MPS method, Appl. Ocean Res., 32, 124-131.
Kondo, M. & Koshizuka, S. (2011). Improvement of stability in moving particle semi-implicit method. Int. J. Numer. Methods in Fluids, 65(6), 638- 654.
Koshizuka, S. & Oka, Y. (1996). Moving particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid. Nucl. Sci. Eng., 123(3), 421-434.
Koshizuka, S., Tamako, H. & Oka, Y. (1995) A particle method for incompressible viscous flow with fluid fragmentation. Comput. Fluid Dyn. J., 4(1), 29–46.
Liu, J., Koshizuka, S. & Oka, Y. (2005). A hybrid particle-mesh method for viscous, incompressible, multiphase flows. J. Comput. Phys., 202(1), 65 93.
Nabian, M.A. & Farhadi, L. (2016). Multiphase Mesh-Free Particle Method for SimulatingGranular Flows and Sediment Transport. J. of Hydraulic Engineering, ASCE, 143(4), https://doi.org/10. 1061/(ASCE)HY.1943-7900.00012.
Shakibaeinia, A. & 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. & Jin, Y.C. (2011a). A meshfree particle model for simulation of mobile-bed dam break, Adv. Water Resour., 34(6), 794- 807.
Shakibaeinia, A. & Jin, Y.C. (2011b). MPS-based mesh-free particle method for modeling open-channel flows. J. Hyd. Eng. 137(11), 1375-1384.
Shakibaeinia, A. & Jin, Y.C. (2012). MPS meshfree particle method for multiphase flows, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 229-232, 13-26.
Shibata, K. & Koshizuka, S. (2007). Numerical analysis of shipping water impact on a deck using a particle method, Ocean Eng., 34, 585-593.
Shibata, K., Koshizuka, S. & Oka, Y. (2004). Numerical analysis of jet breakup using particle method. J. Nucl. Sci. Technol., 41(7), 715-722.
Tajnesaie, M. Shakibaeinia, A. & Hosseini, K. (2018). Meshfree particle numerical modelling of sub-aerial and submerged landslides. Computers and Fluids, 172, 109-121.