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

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 نویسنده مسئول، استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

4 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه ولیعصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

5 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

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 Ph.D. Student of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Corresponding Author, Professor, Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Associate Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
4 Assistant Prof., Dept. of Civil Engineering, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran
5 Assistant Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, 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)
1.Khayyer, A., Gotoh, H., Shimizu, Y., Gotoh, K., Falahaty, H., & Shao, S. (2018). Development of a projection-based SPH method for numerical wave flume with porous media of variable porosity. J. of Coastal Engineering. 140, 1-22.
2.Lin, P. (2008). Numerical Modeling of Water Waves. Taylor & Francis. New York, 504p.
3.Memarzadeh, R., & Hejazi, K. (2012). ISPH numerical modeling of nonlinear wave run-up on steep slopes. J. of the Persian Gulf. 3(10), 17-26.
4.Cimolin, F., & Discacciati, M. (2013). Navier–Stokes/Forchheimer models for filtration through porous media. J. of Applied Numerical Mathematics.72, 205-224.
5.Lucy, L. B. (1977). A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. J. of Astronomical. 82(12), 1013-1024.
6.Monaghan, J. J. (1992). Smoothed particle hydrodynamics. Annual review of astronomy and astrophysics. 30(1), 543-574.
7.Monaghan, J. J., & Kos, A. (1999). Solitary waves on a Cretan beach. J. of waterway, port, coastal, and ocean engineering. 125(3), 145-155.
8.Shao, S., & Gotoh, H. (2004). Simulating coupled motion of progressive wave and floating curtain wall by SPH-LES model. J. of Coastal Engineering. 46(2), 171-202.
9.Ataie-Ashtiani, B., Shobeyri, G., & Farhadi, L. 2008. Modified incompressible SPH method for simulating free surface problems. J. of Fluid Dynamics Research. 40(9), 637.
10.Huang, C. J., Chen, C. H., & Chang, H. H. (2011). Propagation of water waves over permeable rippled beds. J. of Ocean engineering. 38(4), 579-591.
11.Shao, S. (2010). Incompressible SPH flow model for wave interactions with porous media. J. of Coastal Engineering. 57(3), 304-316.
12.Peng, C., Xu, G., Wu, W., Yu, H.S., & Wang, C. (2017). Multiphase SPH modeling of free surface flow in porous media with variable porosity. J. of Comput & Geotech. 81, 239-248.
13.Kazemi, E., Tait, S., & Shao, S. (2020). SPH based numerical treatment of the interfacial interaction of flow with porous media. International Journalfor Numerical Methods in Fluids, 92(4), 219-245. ISSN 0271-2091.
14.Lian, Y., Bui, H. H., Nguyen, G. D., Tran, H. T., & Haque, A. (2021). A general SPH framework for transient seepage flows through unsaturated porous media considering anisotropic diffusion. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 387, 114169.
15.Liu, J., Zhang, T., & Sun, S. (2022). Study of the imbibition phenomenon in porous media by the smoothed particle hydrodynamic (SPH) method. Entropy, 24(9), 1212.
16.Mhaski, S., & Ramana, G. V. (2024). Modelling Coupled Flow-Solute Transport in Porous Media using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Computers and Geotechnics, 167, 106097.
17.Shao, S., & Lo, E. Y. (2003). Incompressible SPH method for simulating Newtonian and non-Newtonian flows with a free surface. J. of Advances in water resources, 26(7), 787-800.
18.Liu, G. R., & Liu, M. B. (2003). Smoothed particle hydrodynamics: a meshfree particle method. World scientific, 302p.
19.Crespo, A. J. C. (2008). Application of the smoothed particle hydrodynamics model SPHysics to free-surface hydrodynamics, PhD Thesis, Department of physics, university of Vigo, 150p.
20.Memarzadeh, R., Sheybanifard, H., & Zounemat-Kermani, M. (2020). Numerical and Experimental Study of Abrupt Wave Interaction with Vertical and Inclined Rectangular Obstacles. J. of Applied Fluid Mechanics. 14(3), 921-933.
21.Memarzadeh, R. (2017). Multi-phase numerical simulation of sediment transport on movable bed by SPH method, PhD Thesis, Department of civil Eng., Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, 148p. [In Persian]
22.Akbari, H., & Namin, M. M. (2013). Moving particle method for modeling wave interaction with porous structures. J. of Coastal Engineering. 74, 59-73.
23.Sheybanifard, H. (2015). Numerical simulation of Surge irrigation by SPH method, Master Thesis, Department of Water Eng., Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, 102p. [In Persian]