بررسي فرآيند نفوذ و جابجايي در يك جريان دو فازي آب و هوا به روش هيدروديناميك ذرات هموار(SPH)

Investigation of convection-diffusion process in a two-phase air-water flow using Smoothed Particle Hydrodynamics

در اين مقاله به بررسي فرآيند نفوذ و جابجايي در يك جريان دوبعدي دوفازي آب و هوا توسط روش هيدروديناميك ذرات هموار پرداخته مي‌شود. شبيه‌سازي جريان‌هاي دوفازي نيازمند آگاهي از وضعيت دقيق سطح مشترك بين دو فاز است كه روش اس‌پي‌اچ بدليل ماهيت لاگرانژي و بدون مش بودن به‌راحتي سطح مشترك بين دو فاز را شناسايي مي‌كند. براي شبيه‌سازي از كد متن باز اسفيزيكس دو بعدي تك فاز كه براي مسائل سطح آزاد كاربرد فروان دارد، استفاده مي‌شود. اين كد با اضافه كردن نيروي كشش سطحي و يك فشار اضافي به معادله مومنتوم، به يك كد دوفازي آب و هوا ارتقاء يافته است. همچنين براي درك بهتر فرآيند نفوذ و جابجايي، معادله غلظت نيز مورد بررسي قرار گرفته شده است. براي اعتباربخشي مسئله دوفازي آب و هوا ابتدا مسائل مخزن ساكن آب و هوا و فشار هيدرواستاتيكي مورد بررسي قرار گرفته است. همچنين مسئله شكست سد دوفازي بر روي بستر نامحدود شبيه‌سازي شده و نتايج با داده‌هاي آزمايشگاهي مقايسه و نتايج قابل قبولي بدست آمده است. سپس فرآيند نفوذ و جابجايي و توزيع غلظت براي جريان دوفازي آب و هوا براي سه ضريب نفوذ متفاوت انجام شده است و نتايج بدست آمده تطابق خوبي با نتايج تحليلي داشته است. نتايج بدست آمده نشان مي‌دهد كه روش اس‌پي‌اچ يك روش مناسب براي شبيه‌سازي جريان‌هاي دوفازي نظير آب و هوا و همچنين فرآيند نفوذ و جابجايي است.

In this paper, the convection-diffusion process in a two-phase air-water flow is investigated. Two-phase flows of air and water are important and are widely used in the industrial applications. Simulation of such a flow needs a proper understanding of the interface between two phases where these is a change in fluids properties. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian and meshless method which can simply detect the interface of multiphase flows. Here, we develop the open-source SPHyiscs2D code into two phase and implement the convection-diffusion equation by looking carefully at surface tension forces. To validate, first the still-water problem is investigated to ensure that the hydrostatic pressure at the interface is predicted and then the dam-break problem on an infinite bed is compared with the available experimental data. Results show that the combination of surface tension formulations and an additional artificial force gives a better result. Finally, the convection-diffusion process and the concentration distribution are shown for the air-bubble rising problem for different diffusive coefficients. It will be shown that the SPH method is a useful tool for studying multiphase flows and convection-diffusion processes.