توسعه دو روش SPH تراكم ناپذير بهمنظور شبيه سازي جريان‌هاي سطح آزاد حاوي رسوب

Development of Two Incompressible SPH methods to simulate sediment-laden free surface flows

دو حل‌گر عددي SPH تراكم ناپذير، شامل يك روش صريح اصلاح شده و يك روش شبه ضمني، به مسايل جريان سطح آزاد حاوي رسوب توسعه داده شده‌است. روش صريح حاضر، با استفاده از طرح‌هاي گسسته‌سازي سازگار، دقت روش‌هاي صريح معمول را تا حدودي بهبود مي‌بخشد. روش ضمني نيز علاوه بر آن، متضمن ارضاي كامل شرط تراكم‌ناپذيري است. در روش‌هاي ارايه شده، فاز مايع با استفاده از معادلات ناوير-استوكس مدل‌سازي مي‌شود. براي پيش‌بيني رفتار غير نيوتني فاز رسوب، از مدل ريولوژيكي پلاستيك بينگهام استفاده شده‌است. دقت و قابليت روش‌هاي عددي توسعه داده شده، در ابتدا با حليكمسيلهتك‌فاز انتقال رسوب غير ماندگار ناشي از شكست سد و سپس به كمك مسيله شكست سد بر بستر فرسايش پذير و انتقال مخلوط دوفازي آب-رسوب،به صورت دو بعدي بررسي و با نتايج آزمايشگاهي و عددي موجود مقايسه شده‌است. مقايسه نتايج نشان مي‌دهد كه روش‌هاي ارايه شده و به ويژه روش ضمني، داراي توانايي بالايي در مدل‌سازي مشخصه‌هاي جريان آب و رسوب و نيز اندركنش بين جريان، انتقال رسوب و تغييرات مورفولوژيكي بستر فرسايش‌پذير، ناشي از جاري شدن سيلاب‌هاي شديد هستند.

Two incompressible SPH numerical solvers, including a modified explicit method and a new implicit method have been developed to simulate the sediment-laden free surface flow problems. Using consistent discretization schemes, the proposed explicit method improves somewhat the accuracy of the usual explicit ISPH methods. The implicit method additionally guarantees the incompressibility condition completely. In the presented methods, the liquid phase is modeled using Navier-Stokes equations and to predict the non-Newtonian behavior of the sediment phase, the Bingham plastic rheological model is used. The accuracy and capabilities of the developed incompressible SPH methods is first validated incomparison with available experimental and numerical results of a single-phase water-sediment mixture flow generated by unsteady dam break problem. Then, they are applied to simulate an eroding dam break problem with a two-phase flow sedimenttransport. Comparison of the obtained results with the results in the literature shows that the developed methods particularly the implicit one, are very powerful tools for simulation of the problems including sediment transport induced by violent free surface flow, with interactions between flow and sediment and morphological changes in bed.