مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

توسعه روش هیدرودینامیک ذرات هموار برای مدل‌سازی جریان دوفازی آب-رسوب با استفاده از مدل رئولوژیکی μ(I)

نویسندگان
پوریا امیدوار 1
مهران خیرخواهان 2
خسرو حسینی 3
1 استادیار گروه مهندسی مکانیک دانشگاه یاسوج
2 دانشچوی دکتری دانشگاه سمنان
3 مدیر گروه سازه های هیدرولیکی -دانشکده عمران= دانشگاه سمنان
چکیده
مطالعه تغییرات شکل سطح بستر رسوبی ناشی از حرکت جریان آب و ردیابی حرکت ذرات رسوب به علت ماهیت پیچیده خود یکی از مسائل مورد علاقه محققین در علم مکانیک سیالات می‌باشد. در دهه اخیر، مدل‌سازی جریان سیال به کمک روش‌های لاگرانژی از جمله روش هیدرودینامیک ذرات هموار بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مطالعه جهت انجام مدل‌سازی از توسعه کد متن باز اسفیزیکس دوبعدی بهره گرفته می‌شود و برای مدل‌سازی رفتار فاز رسوبات از مدل ویسکوپلاستیک μ(I) استفاده می‌شود که این مدل بر اساس ویژگی‌های دانه‌ها از جمله اینرسی و ضریب اصطکاک به دست آمده است. در ابتدا، برای بررسی عملکرد مدل ویسکوپلاستیک به کار گرفته شده در کد برای مسأله تک فاز، از مدل آزمایشگاهی فروپاشی ستون دانه‌ای استفاده می‌شود که در آن میانگین‌گیری هارمونیک میان ویسکوزیته ذرات به کار می‌رود. مقایسه نتایج در این مرحله با مدل آزمایشگاهی بیان‌گر عملکرد مناسب مدل ویسکوپلاستیک می‌باشد. در ادامه، با توسعه کد به جریان دو فاز نیوتنی-غیرنیوتنی و اعمال ویسکوزیته هارمونیک برای تعامل ذرات دانه‌ای و استفاده از معادله اُوِن برای تعامل دو فاز مختلف ، مساله شکست سد بر روی بستر متحرک مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج حاکی از آن است که مدل به کار گرفته شده در این تحقیق دقت قابل قبولی در مقایسه با مدل آزمایشگاهی دارد و می‌تواند برای شبیه‌سازی سیستم‌های دوفازی آب- رسوب به کار گرفته شود.
کلیدواژه‌ها
روش هیدرودینامیک ذرات هموار
مدل رئولوژیکی μ(I)
معادله اون
شکست سد با بستر متحرک

موضوعات

عنوان مقاله English

Development of Smoothed Particle Hydrodynamics for simulating two-phase water-sediment flow using μ(I) rheological model

نویسندگان English

Pourya Omidvar 1
Mehran Kheirkhahan 2
khosrow hosseini 3
2 PhD Student , Semnan University, Iran
3 Department of Civil Engineering, Semnan University, Iran
چکیده English

The investigations of changes in bed surface of sediment due to the fluid flow and tracing sediment motion are complex and attractive for the researchers. In the recent decade, modeling of fluid flow using the Lagrangian methods, e.g. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), is of interest. In this study, the open-source two dimensional SPHyiscs code is used to model the two phase Newtonian and non-Newtonian flows using the μ(I) visco-plastic model, which is obtained according to particle properties including inertia and friction coefficient. First, and in order to study the visco-plastic model, the one phase code is extended to non-Newtonian and the SPH results are compared with the experimental model of the collapsing granular column, where a harmonic interpolation is used for the viscosity of particles. In this stage, the comparison of the SPH model with the experimental data shows a good agreement. Then, the numerical method is utilized for the simulation of Newtonian dam-break fluid flow over a movable bed. The proposed model treat sediments as a non-Newtonian fluid using μ(I) model, by implementing the harmonic interpolation for the viscosity coupled with the Owen’s relation at the interface. Results show that the proposed model has a capability for simulating two-phase water sediment systems.

کلیدواژه‌ها English

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method
μ(I) rheological model
Owen’s equation
dam break problem with movable bed
[1] M. B. Liu, G. R. Liu, Smoothed particle hydrodynamics (SPH): an overview and recent developments, Archives of Computational Methods in Engineering, Vol. 17, pp. 25–76, 2010.
[2] M Rostami Hosseinkhani, P. Omidvar, S. Allahyaribeik, M. Torabi Azad, The effects of boom on oil plume dispersion using smoothed particle hydrodynamics (SPH), Modares Mechanical Engineering, In press. (in Persianفارسی)
[3] M. Khanpour, A. R. Zarrati, M. Kolahdoozan, A. Shakibaeinia, S. M. Amirshahi, Mesh-free SPH modeling of sediment scouring and flushing, Journal of Computer and fluids, Vol. 129, pp. 67-78, 2016.
[4] L. B. Lucy, A numerical approach to testing the fission hypothesis, The Astronomical Journal, Vol. 82, No.12, pp. 1013-1024. 1977.
[5] J. J. Monaghan, Simulating free surface flows with SPH, Journal of Computational Physics, Vol. 110, pp. 399-406, 1994.
[6] M. Rostami, P. Omidvar, Smoothed Particle Hydrodinamics for the rising pattern of oil droplets, Journal of Fluid Engineering, In Press, 2018.
[7] K. Szewc, Smoothed particle hydrodynamics modeling of granular column collapse, Granular Matter, Vol. 19, No. 3, pp. 1-13, 2017.
[8] L. Fu, Y. C. Jin, Improved Multiphase Lagrangian Method for Simulating Sediment Transport in Dam-Break Flows, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 142, No. 6, pp. 04016005, 2016.
[9] G. Fourtakas, B. D. Rogres, Modelling multi-phase liquid-sediment scour and resuspension induced by rapid flows using Smoothed Particle Dynamics (SPH) accelerated with a Graphic Processing Unit (GPU), Advances in Water Resource, Vol. 92, pp. 186-199, 2016.
[10] S. L. Razavitoosi, S. A. Ayyoubzadeh, A. Valizadeh, Two-phase SPH modelling of waves caused by dam break over a movable bed, International Journal of sediment research, Vol. 29, No. 3, pp. 344-356, 2014.
[11] S. Farzin, Y. Hassanzadeh, M. T. Aalami, R. Fatehi, Development of Two Incompressible SPH methods to simulate sediment laden free surface flows, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 12, PP. 91-103, 2015. (in Persianفارسی )
[12] A. Shakibaeinia, Y. C. Jin, A mesh-free particle model for simulation of mobile-bed dam break, Advanced Water Resources, Vol. 34, pp. 794-807, 2011b.
[13] P. Omidvar, P. Nikeghbali, Simulation of violent water flows over a movable bed using smoothed particle hydrodynamics, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 22, No.2, pp. 270-287, 2017.
[14] P. Nikeghbali, P. Omidvar, Application of SPH method to breaking and undular tidal bores on a movable bed, Journal Waterway, Port, Coastal, Ocean Engineering, Vol. 144, No. 2, pp. 04017040, 2018.
[15] J. Chauchat, M. Médale, A three-dimensional numerical model for dense granular flows based on the μ(I) rheology, Journal of Computational Physics, Vol. 256, pp. 696–712, 2014.
[16] T. Xu, Y. C. Jin, Modelng free-surface flows of granular flow collapses using a mesh-free method, Journal of Powder Technology, Vol. 298, pp. 20-34, 2016.
[17] M. Kheirkhahan, Kh. Hosseini, Modeling granular flow using μ(I) rheological model in SPH method, Journal of hydraulic, Vol. 12, No. 4, pp. 43-55, 2018. (in Persianفارسی )
[18] M. Gomez-Gesteira, A. J. C. Crespo, B. D. Rogers, R. A. Dalrymple, J. M. Dominguez, A. Barreiro, Sphysics-Development of a Free-Surface Fluid Solver-Part 1: Theory and Formulations, Computers and Geosciences, Vol.48, pp. 289-299, 2012.
[19] F. da Cruz, S. Emam, M. Prochnow, J. Roux, F. Chevoir, Rheophysics of dense granular materials: discrete simulation of plane shear flows, Physical Review E, Vol. 72, pp. 1-24, 2005.
[20] N. Grenier, M. Antuono, A. Colagrossi, D. Le Touze, B. Alessandrini, An Hamiltonian interface SPH formulation for multifluid and free surface flows, , Vol. 228, No.22, pp. 8380–8393, 2014.
[21] J. P .Morris, P. J. Fox, Y. Zhu, Modeling low Reynolds number incompressible flows using SPH, Journal of Computational Physics, Vol. 136, pp. 214–226, 1997.
[22] J. J.Monaghan, A. Kos, Solitary waves on Cretan beach, Journal Waterway, Port, Coastal, Ocean Engineering, Vol. 125, pp. 145–154, 1999.
[23] B. D. Rogers, R. A. Dalrymple, P. K. Stansby, SPH modeling of floating bodies in the surf zone, Proceeding of 31st International Conference on Coastal Engineering (ICCE), Germany, pp. 204-215, 2008.
[24] P. Jop, Y. Forterre, O. Pouliquen, Crucial role of sidewalls in granular surface flows: consequences for the rheology, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 541, pp. 167–192, 2005.
[25] A. Colagrossi, M. Landrini, Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics, Journal of Computational Physics, Vol.191, pp. 448–475, 2003.
[26] P. Omidvar, Wave loading on bodies in the free surface using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), PhD Thesis, UK, Manchester, pp. 75-85, 2010.
[27] E. Lajeunesse, A. Mangeney-Castelnau, J. P. Vilotte, Spreading of a granular mass on a horizontal plane, Physics of Fluids, Vol. 16, No. 7, pp. 2371–2381, 2004.
[28] B. Spinewine, Two-layer flow behaviour and the effects of granular dilatancy in dam-break induced sheet-flow, PhD thesis, Univerisite´ de Louvain, Belgium, 2005.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 8
آذر 1397
صفحه 173-182