نشریه علمی هیدرولیک

نشریه علمی هیدرولیک

شبیهسازی عددی جریان آب عبوری از روی پله با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار با تراکم‌پذیری ضعیف با به کارگیری کرنل اسپیلاین درجه سوم

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان
1 گروه آموزشی مهندسی عمران - دانشکده مهندسی - دانشگاه بیرجند - بیرجند - خراسان جنوبی- ایران
2 گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند
3 گروه آموزشی مهندسی عمران دانشکده مهندسی شهید نیکبخت دانشگاه سیستان و بلوچستان- زاهدان- ایران
4 هیئت علمی دانشکده مهندسی عمران - دانشگاه بیرجند
چکیده
روش‌های مبتنی بر شبکه‌بندی که از گذشته ابزاری مفید برای مدل‌سازی جریان بوده‌اند، دارای محدودیت‌هایی می‌باشند. روش هیدرودینامیک ذرات هموار از جمله روش‌های رایج بدون شبکه است که مورد توجه قرار گرفته‌‌است. با توجه به کاربرد وسیع روش هیدرودینامیک ذرات هموار با تراکم‌پذیری ضعیف، در پژوهش حاضر انتشار جریان آب عبوری از روی پله، با استفاده از این روش، شبیه‌سازی شده‌است. بدین منظور ابتدا معادلات حاکم بر سیال گسسته‌سازی گردیده‌‌است. سپس نتایج عددی مسئله انتشار جریان شکست سد با داده‌های تجربی صحت‌سنجی شده‌است. با توجه به اهمیت فاصله ذرات و تابع کرنل در روش هیدرودینامیک ذرات هموار، تاثیر این دو پارامتر بر نتایج روش مذکور مورد بررسی قرار گرفته‌است. نتایج صحت‌سنجی نشان‌دهنده سطح بالایی از دقت و سازگاری بین نتایج شبیه‌سازی و داده‌های مرجع است. سپس، دو سناریو شبیهسازی شده‌است: (1) جریان شکست سد از دو پله به سمت پایین سقوط کرده، به بستر رسیده و در دو جهت انتشار یافته‌است. (2) دو پله به شکل مانع در جهت جریان قرار داده شده و برخورد جریان آب با این موانع بررسی شده‌است. نتایج شبیه‌سازی با نتایج حاصل از نوعی مدل عددی حجم سیال به وسیله نرمافزار استار سی‌دی مقایسه گردیده‌است و یک تجزیه و تحلیل کمی با محاسبه نرم اقلیدسی انجام شده‌است که این معیار خطا از1.2723e-4 تا 4.9367e-4متر متغیر است. مقایسه نتایج شبیه سازی‌های انجام شده با داده‌های عددی و آزمایشگاهی نشان می‌دهد که روش هیدرودینامیک ذرات هموار با تراکم‌پذیری ضعیف می‌تواند به عنوان روشی مناسب جهت شبیه‌سازی جریان آب عبوری از روی پله مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Adami, S., Hu, X.Y. & Adams, N.A. (2012). A generalized wall boundary condition for smoothed particle hydrodynamics. Journal of computational physics, 231(21), 7057- 7075.
Balakin, B.V., Hoffmann, A.C. & Kosinski, P. (2014). Coupling STAR-CD with a population-balance technique based on the classes method. Powder Technology, 257, 47-54.
Bishop, C.M. & Nasrabadi, N.M. (2006). Pattern recognition and machine learning, Vol. 4, Springer.
Colombo, M., Thakrar, R., Fairweather, M. & Walker, S.P. (2019). Assessment of semi-mechanistic bubble departure diameter modelling for the CFD simulation of boiling flows. Nuclear Engineering and Design, 344, 15-27.
Cruchaga, M.A., Celentano, D.J. & Tezduyar, T.E. (2007). Collapse of a liquid column: numerical simulation and experimental validation. Computational Mechanics, 39, 453- 476.
Dernowsek, J., Rezende, R., Passamai, V., Noritomi, P., Kemmoku, D., Nogueira, J., Lara, V., Vilalba, F., Mironov, V. & da Silva, J. (2016). Modeling and simulation of diffusion process in tissue spheroids encaged into microscaffolds (lockyballs). In: Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 38, pp. 1737-1742, Elsevier. Doi: 10.1016/B978-0-444-63428-3.50294-0
Fourtakas, G., Vacondio, R. & Rogers, B.D. (2015). On the approximate zeroth and first‐order consistency in the presence of 2‐D irregular boundaries in SPH obtained by the virtual boundary particle methods. International journal for numerical methods in fluids, 78(8),475-501.
Fraga Filho, C.A.D., Fraga Filho, C.A.D. & Castro. (2019). Smoothed Particle Hydrodynamics. Springer. Doi: 10.1007/978-3-030-00773-7
Gingold, R. & Monaghan, J. (1982). Kernel estimates as a basis for general particle methods in hydrodynamics. Journal of Computational Physics, 46(3), 429- 453.
Gingold, R.A. & Monaghan, J.J. (1977). Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars. Monthly notices of the royal astronomical society, 181(3), 375-389.
Harten, A. (1997). High resolution schemes for hyperbolic conservation laws. Journal of computational physics, 135(2), 260-278.
Lee, B.-H., Park, J.-C., Kim, M.-H. & Hwang, S.-C. (2011). Step-by-step improvement of MPS method in simulating violent free-surface motions and impact-loads. Computer methods in applied mechanics and engineering, 200(9-12), 1113- 1125.
Lee, E.-S., Moulinec, C., Xu, R., Violeau, D., Laurence, D. & Stansby, P. (2008). Comparisons of weakly compressible and truly incompressible algorithms for the SPH mesh free particle method. Journal of Computational Physics, 227(18), 8417- 8436.
LeVeque, R.J. (1998). Balancing source terms and flux gradients in high-resolution Godunov methods: the quasi-steady wave-propagation algorithm. Journal of computational physics, 146(1), 346-365.
Liu, G.-R. & Liu, M. B. (2003). Smoothed particle hydrodynamics: a meshfree particle method. World scientific, 472p. https://doi.org/10.1142/5340
Liu, M., Liu, G., Lam, K. & Zong, Z. (2003). Smoothed particle hydrodynamics for numerical simulation of underwater explosion. Computational Mechanics, 30(2), 106-118.
Lobovský, L. & Groenenboom, P.H. (2009). Smoothed particle hydrodynamics modelling in continuum mechanics: fluid-structure interaction, Applied and Computational Mechanics, 3, 101–110.
Lucy, L.B. (1977). A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. The astronomical journal, 82, 1013-1024.
Mahdizadeh, H., Stansby, P.K. & Rogers, B.D. (2011). On the approximation of local efflux/influx bed discharge in the shallow water equations based on a wave propagation algorithm. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 66(10), 1295-1314.
Mahdizadeh, H., Stansby, P.K. & Rogers, B.D. (2012). Flood wave modeling based on a two-dimensional modified wave propagation algorithm coupled to a full-pipe network solver. Journal of Hydraulic Engineering, 138(3), 247-259.
Monaghan, J.J. (1994). Simulating free surface flows with SPH. Journal of computational physics, 110(2), 399- 406.
Monaghan, J.J. (2012). Smoothed particle hydrodynamics and its diverse applications. Annual Review of Fluid Mechanics, 44, 323-346.
Monaghan, J.J. & Kos, A. (1999). Solitary waves on a Cretan beach. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 125(3), 145- 155.
Monaghan, J.J. & Rafiee, A. (2013). A simple SPH algorithm for multi‐fluid flow with high density ratios. International journal for numerical methods in fluids, 71(5), 537- 561.
Moodi, S., Azhdary Moghaddam, M. & Mahdizadeh, H. (2023). Numerical Simulation of Water Flow over a Stair Through Improved Weakly Compressible Moving Particle Semi-implicit Method. International Journal of Civil Engineering, 1-12. Doi: 10.1007/s40999-023-00884-8.
Omidvar, P., Stansby, P.K. & 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(6), 686-705.
Omidvar, P., Stansby, P.K. & Rogers, B.D. (2013). SPH for 3D floating bodies using variable mass particle distribution. International journal for numerical methods in fluids, 72(4), 427-452.
Ozmen-Cagatay, H. & Kocaman, S. (2010). Dam-break flows during initial stage using SWE and RANS approaches. Journal of Hydraulic Research, 48(5), 603-611.
Purkayastha, S. & Afzal, M.S. (2022). Review of Smooth Particle Hydrodynamics and its Applications for Environmental Flows. Journal of The Institution of Engineers (India): Series A, 103(3), 921-941.
Ramli, M., Temarel, P. & Tan, M. (2015). Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method for modelling 2-dimensional free surface hydrodynamics. In: Analysis and Design of Marine Structures, C., Guedes Soares, R.A., Shenoi, eds., CRC Press, 45-52.
Valizadeh, A., Shafieefar, M., Monaghan, J. & Neyshabouri, A. (2008). Modeling two-phase flows using SPH method. Journal of Applied Sciences, 8(21), 3817-3826.
Vermeire, B.C., Witherden, F.D. & Vincent, P.E. (2017). On the utility of GPU accelerated high-order methods for unsteady flow simulations: A comparison with industry-standard tools. Journal of computational physics, 334, 497-521.
Yildiz, M., Rook, R. & Suleman, A. (2009). SPH with the multiple boundary tangent method. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 77(10), 1416- 1438.

  • تاریخ دریافت 06 اسفند 1402
  • تاریخ بازنگری 07 مرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 22 مرداد 1403