مدل‌سازی سیال تراکم‌ناپذیر در محفظه بسته حاوی بستر متخلخل با روش SPH

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 گروه مهندسی آب- دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 دانشگاه ولیعصر رفسنجان، ایران

5 هیئت علمی گروه مهندسی آب دانشگاه گرگان

چکیده

سابقه و هدف: شبیه‌سازی همزمان جریان سطحی و زیرسطحی روی بستر منابع آبی پیش‌نیاز مدل‌سازی روند حرکت آلودگی در منابع آب و خاک محسوب می‌شود و یکی از پرچالش‌ترین و مهم‎ترین مدل‌سازی‌ها به منظور حفاظت از منابع آبی و خاک محسوب می‌شود. برای مدل‌سازی این پدیده معمولا جریان در محیط سیال بطور جداگانه مدل‌سازی و نتایج حاصل بعنوان شرایط مرزی برای مدل‌سازی جریان در محیط متخلخل استفاده می‌شوند. در این تحقیق تنها با استفاده از معادلات ناویر استوکس، جریان در هر دو محیط بطور همزمان با روش هیدرودینامیک ذرات هموار شده (SPH) مدل‌سازی شده‌است. هدف این تحقیق، مدل‌سازی حرکت سیال درون محیط متخلخل است.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق از معادلات ناویر استوکس دارای جملات اضافی استفاده شده‌است که قابلیت حل در هر دو محیط سیال و متخلخل را بطور همزمان دارند. این معادلات با روش SPH گسسته‌سازی و با الگوریتم دو گام نیمه ضمنی حل شده‌اند. این الگوریتم شامل دو گام پیش‌بینی و تصحیح است. در گام پیش‌بینی کلیه متغیرها برای ذرات بصورت صریح و در گام تصحیح بصورت ضمنی محاسبه می‌گردند. جهت صحت‌سنجی مدل تهیه‌شده، شبیه سازی جریان دو بعدی در یک ظرف استوانه‌ای شکل با مدل SPH اتجام شده‌ و سپس نتایج مدل‌سازی حرکت سیال داخل محیط متخلخل با نتایج حل تحلیلی آن مقایسه شده‌اند.
یافته‌ها: پس از بررسی نتایج موقعیت سطح آزاد سیال در محفظه حاوی آب، انحراف معیار نسبت مقادیر محاسباتی بر مشاهداتی و میانگین نسبت مقادیر محاسباتی بر مشاهداتی در محاسبه ارتفاع سطح آزاد با مدل عددی حاضر به ترتیب 015/0 و 04/1 و همچنین در محاسبه فشار به ترتیب 18/0 و 2/1 بوده‌است. در ادامه جریان سطحی و زیرسطحی در محفظه حاوی سیال و محیط متخلخل با حل همزمان معادلات ناویر استوکس با روش SPH مدل‌سازی شده‌اند.
نتیجه‌گیری: حل همزمان معادلات در دو محیط و همچنین مرز بین دو محیط موجب کاهش خطای ناشی از چند مرحله‌ای بودن مدل‌سازی و دقیق تنظیم نشدن شرایط در مرز بینابینی (خصوصا در مورد هندسه‌های پیچیده) می‌شود. در این تحقیق مقایسه‌ای نیز بین نتایج مدل‌سازی در دو حالت مختلف قرارگیری ذرات مجازی (دارای موقعیت ثابت و متحرک) انجام شده‌است. پس از مقایسه مقادیر سرعت جریان، مشاهده می‌شود که خطا در محاسبه مولفه عمودی سرعت در مرز بین سیال و محیط متخلخل، برای هر دو حالت تقریبا یکسان بوده‌است اما با مقایسه مقادیر مولفه افقی سرعت، در حالت دوم (مجازی متحرک) مقدار انحراف معیار نسبت مقادیر محاسباتی بر مشاهداتی نسبت به حالت اول (مجازی ثابت) به میزان 2/0 به صفر نزدیک‌تر شده‌است که بطور کلی بیانگر ارتقای نتایج در حالت ذرات مجازی متحرک به ثابت بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation of incompressible fluid over porous media by SPH

نویسندگان [English]

  • Habibeh Sheybanifard 1
  • Amirahmad Dehghani 2
  • Meysam Salarijazi 3
  • Rasoul Memarzadeh 4
  • Mohammad Abdolhosseini 5
1 Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
2 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Iran
3 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources (GUASNR), Iran
4 Vali-e-Asr University of Rafsanjan: Rafsanjan, Kerman, Iran
5 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources: Gorgan, Golestan, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Simultaneous simulation of surface and subsurface flow on the bed is a prerequisite for modeling the movement of pollution in water resources and it is also considered as one of the most challenging and important modeling for protecting soil and water resources. Typically, the Navier-Stokes equations, along with a coupling method, are utilized to simulate this process. Given the inherent complexity of defining the boundary between water and porous media, a common strategy involves separately modeling fluid flow within the fluid zone. The outcomes of this fluid zone simulation are subsequently employed as essential boundary conditions for simulating the flow within the porous medium. This research, in particular, utilizes the smoothed particle hydrodynamic method (SPH) a mesh-less approach to tackle these challenges.
Materials and methods: This article aims to improve the modeling of flow in both environments by proposing a new Navier-Stokes equation with additional terms customized for each specific setting: fluid and porous media. The equations were discretized by SPH method and two steps semi-implicit method. The volume fraction of each particle is calculated in the initial and prediction steps, and the difference between the volume fraction amounts is used to calculate all variables in the current time step. To validate the model, simulation of 2D flow in a cylinder and through the porous media were considered and the results were validated base on the theoretical results.
Results: Upon comparing the estimated free surface fluid level in the cylinder using SPH with the theoretical results, the standard deviations of the ratio of calculated values to observations were found to be 0.015 for the free surface level and 0.18 for pressure. Additionally, the averages ratio of calculated values to observations for free surface level and pressure were 1.04 and 1.2, respectively. To model surface and subsurface flow in a tube containing fluid and a porous medium, the Navier-Stokes equations were solved using the SPH method.
Conclusion: This simultaneous modeling of flow in both environments mitigates errors introduced by multi-step modeling, particularly in cases of complex geometries where accurate interface setup may be challenging. In this study, an additional comparison was conducted between two placement modes of virtual particles: fixed and moving positions. Evaluation of flow velocity values revealed that the accuracy in calculating the vertical component of velocity at the interface was nearly identical for both cases. However, when comparing the horizontal component of velocity, the second case (virtual particles in motion) exhibited a standard deviation of the ratio of calculated values to observations closer to zero by 0.2 compared to the first case which is used fixed virtual particles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : Free-surface flows
  • Porous media
  • Numerical modeling
  • Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics method (SPH)