روش بهبود یافته هیدرودینامیک ذرات روان برای شبیه‌سازی جریان سرریز لبه تیز

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک

چکیده

تحقیق پیش رو به بررسی عددی جریان روگذر از یک سرریز لبه تیز بر اساس روش هیدرودینامیک ذرات روان در حالت دو بعدی می­پردازد. میدان جریان حاصل شدیداً پویا بوده و سطح آزاد آن به دلیل جریان روگذر تغییر شکل و انحنای زیادی دارد. دامنه حل در امتداد افق بین مرزهای ورودی (بالادست) و خروجی جریان (پایین دست) گسترش یافته حال آن که جریان در امتداد قائم بین کف آبراهه و سطح آزاد متحرک محدود است. رویکردی متفاوت برای شروع محاسبات و اختصاص شرایط اولیه پیشنهاد شده است که همگرایی نسبتاً سریع جریان به حالت ماندگار را به دنبال دارد. همچنین جمله تصحیح هیدرواستاتیک با هدف بهبود خاصیت حفظ حجم سیال به معادله بقای جرم در شکل گسسته افزوده شده است. صحت این ادعا با شبیه­سازی طولانی مدت مخزن هیدرواستاتیک در حضور و نیز عدم حضور جمله مذکور تصدیق می­شود. افزون بر آن، نتایج از افزایش دقت محاسبات در پیش­بینی تراز افتان آب در مخزن بالادست سرریز برای حالت بدون جریان ورودی حکایت می­کند. بدین منظور یک رابطه تقریبی در قالب حل تحلیلی معادله بقای جرم ارائه شده است. ضمن مقایسه نتایج تحقیق حاضر با داده­های آزمایشگاهی موجود برای نیم­رخ تیغه جریان عبوری از سرریز و نیز توزیع سرعت و فشار، تطابقی رضایت­بخش حاصل شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Improved Smoothed Particle Hydrodynamics for Free Surface Flow over Sharp-Crested Weir

نویسنده [English]

  • Ali Mahdavi
Department of Civil Engineering, Arak University
چکیده [English]

     This work presents a numerical investigation of free surface overflow from a sharp-crested weir based on 2-D weakly-compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. The flow field behaves highly dynamic with strongly deforming free surfaces generated by overtopping jet. A different way of initializing the computation is developed with the relative merits of more rapid convergence to desired steady state. Improved preservation of bulk fluid volume is obtained by recourse to a new hydrostatic correction term, substituted into the mass conservation law. This is confirmed by analyzing the hydrostatic tank test separately in absence and in presence of the correction term. Improvement is also achieved in predicting the draining process of weir-reservoir system when there is no inflow. Comparison with experimental nappe envelops as well as velocity and pressure distributions demonstrate satisfactory agreement in each case.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Inflow/outflow boundary condition
  • non-hydrostatic pressure
  • Navier–Stokes equations
  • Lagrangian method
Aristodemo F, Marrone S, Federico I, “SPH modeling of plane jets into water bodies through an inflow/outflow algorithm”, Ocean Engineering, 2015, 105, 160-175.
Colagrossi A, Landrini M, “Numerical simulation of interfacial flows by smoothed particle hydrodynamics”, Journal of Computational Physics, 2003, 191 (2), 448-475.
Federico I, Marrone S, Colagrossi A, Aristodemo F, Antuono M, “Simulating 2D open-channel flows through an SPH model”, European Journal of Mechanics-B/Fluids, 2012, 34, 35-46.
Ferrari A, “SPH simulation of free surface flow over a sharp-crested weir”, Advances in Water Resources, 2010, 33, 270-276.
Ferrari A, Dumbser M, Toro EF, Armanini A, “A new 3D parallel SPH scheme for free surface flows”, Computers and Fluids, 2009, 38, 1203-1217.
Ghadampour Z, Hashemi MR, Talebbeydokhti N, Neill SP, Nikseresht AH, “Some numerical aspects of modelling flow around hydraulic structures using incompressible SPH”, Computers and Mathematics with Applications, 2015, 69 (12), 1470-1483.
Gómez-Gesteira M, Dalrymple RA, “Using a three-dimensional smoothed particle hydrodynamics method for wave impact on a tall structure”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2004, 130 (2), 63-69.
Haun S, Reidar N, Olsen B, Feurich R, “Numerical modelling of flow over trapezoidal broad-crested weir”, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2011, 5 (3), 397-405.
Hu XY, Adams NA, “A multi-phase SPH method for macroscopic and mesoscopic flows”, Journal of Computational Physics, 2006, 213 (2), 844-861.  
Kirkgoz MS, Akoz MS, Oner AA, “Experimental and theoretical analyses of two-dimensional flows upstream of broad-crested weirs”, Canadian Journal of Civil Engineering, 2008, 35 (9), 975-986.
Liu GR, Liu MB, “Smoothed Particle Hydrodynamics: A Meshfree Particle Method”, World Scientific, Singapore, 2003.
Liu MB, Liu GR, “Smoothed particle hydrodynamics (SPH): An overview and recent developments”, Archives of Computational Methods in Engineering, 2010, 17 (1), 25-76.
Lodomez M, Erpicum S, Dewals B, Pirotton M, Archambeau P, “Comparison between experimental and SPH models over a sharp-crested weir”, 5th International Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures, Belgium, 2014.
Lv X, Zou Q, Reeve D, “Numerical simulation of overflow at vertical weirs using a hybrid level set/VOF method”, Advances in Water Resources, 2011, 34 (10), 1320-1334.
Mahdavi A, “Pseudo-fluid particles for fluid-rigid body coupling in SPH”, KSCE Journal of Civil Engineering, 2018, 22 (11), 4194-4204.
Mahdavi A, Talebbeydokhti N, “Modeling of non-breaking and breaking solitary wave run-up using shock-capturing TVD-WAF scheme”, KSCE Journal of Civil Engineering, 2011, 15 (6), 945-955.
Mahdavi A, Talebbeydokhti N, “A hybrid solid boundary treatment algorithm for smoothed particle hydrodynamics”, Scientia Iranica. Transaction A, Civil Engineering, 2015, 22 (4), 1457-1469.
Mahdavi A, Hashemi MR, Talebbeydokhti N, “A localized differential quadrature model for moving boundary shallow water flows”, Journal of Hydraulic Research, 2012, 50 (6), 612-622.
Meister M, Burger G, Rauch W, “On the Reynolds number sensitivity of smoothed particle hydrodynamics”, Journal of Hydraulic Research, 2014, 52 (6), 824-835.
Mello CEFD, “BEM numerical simulation of spillway flows”, Rem: Revista Escola de Minas, 2014, 67 (1), 21-26.
Monaghan JJ, “Simulating free surface flows with SPH”, Journal of Computational Physics, 1994, 110 (2), 399-406.
Rajaratnam N, Muralidhar D, “Pressure and velocity distribution for sharp-crested weirs”, Journal of Hydraulic Research, 1971, 9 (2), 241-248.
Ramamurthy AS, Tim US, Rao MVJ, “Flow over sharp-crested plate weirs”, Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1987, 113 (2), 163-172.