توسعه روش هيدروديناميك ذرات هموار براي مدل‌سازي جريان دوفازي آب-رسوب با استفاده از مدل رئولوژيكي (μ(I

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

مطالعه تغييرات شكل سطح بستر رسوبي ناشي از حركت جريان آب و رديابي حركت ذرات رسوب به علت ماهيت پيچيده خود يكي از مسائل مورد علاقه محققين در علم مكانيك سيالات مي‌باشد. در دهه اخير، مدل‌سازي جريان سيال به كمك روش‌هاي لاگرانژي از جمله روش هيدروديناميك ذرات هموار بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين مطالعه جهت انجام مدل‌سازي از توسعه كد متن باز اسفيزيكس دوبعدي بهره گرفته مي‌شود و براي مدل‌سازي رفتار فاز رسوبات از مدل ويسكوپلاستيك μ(I) استفاده مي‌شود كه اين مدل بر اساس ويژگي‌هاي دانه‌ها از جمله اينرسي و ضريب اصطكاك به دست آمده است. در ابتدا، براي بررسي عملكرد مدل ويسكوپلاستيك به كار گرفته شده در كد براي مسأله تك فاز، از مدل آزمايشگاهي فروپاشي ستون دانه‌اي استفاده مي‌شود كه در آن ميانگين‌گيري هارمونيك ميان ويسكوزيته ذرات به كار مي‌رود. مقايسه نتايج در اين مرحله با مدل آزمايشگاهي بيان‌گر عملكرد مناسب مدل ويسكوپلاستيك مي‌باشد. در ادامه، با توسعه كد به جريان دو فاز نيوتني-غيرنيوتني و اعمال ويسكوزيته هارمونيك براي تعامل ذرات دانه‌اي و استفاده از معادله اُوِن براي تعامل دو فاز مختلف ، مساله شكست سد بر روي بستر متحرك مورد بررسي قرار مي‌گيرد. نتايج حاكي از آن است كه مدل به كار گرفته شده در اين تحقيق دقت قابل قبولي در مقايسه با مدل آزمايشگاهي دارد و مي‌تواند براي شبيه‌سازي سيستم‌هاي دوفازي آب- رسوب به كار گرفته شود.

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.