شبیه‌سازی عددی شناوری اجسام با اصلاح فشار در روش SPH با الگوریتم‌های دلتا و شیفت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 استادیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 استاد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، شاهین شهر، ایران

چکیده

در این مقاله از روش هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) با شرط ­مرزی دینامیک برای شبیه‌سازی دوبعدی شناوری اجسام استفاده ­شده است. نوسانات شدید در میدان فشار و سرعت یکی از مشکلات عمده در این روش است. در این مقاله، نوسانات با استفاده از الگوریتم­های دلتا و شیفت اصلاح شده­­اند. شبیه‌سازی عددی با سه­ مدل لزجت شامل لزجت واقعی سیال (لایه­ای و آشفته)، سیال ایدئال (بدون لزجت) و لزجت مصنوعی انجام شد. اعتبارسنجی این روش حاکی از آن بود که در حالت لزجت مصنوعی و همچنین سیال ایدئال باید از الگوریتم دلتا و در حالت لزجت واقعی سیال باید از الگوریتم­های دلتا و شیفت استفاده کرد تا تطابق خوبی با داده­های آزمایشگاهی حاصل شود. نهایت با شبیه‌سازی آزمایش شناوری با مدل­های عددی بهینه به دست آمده، نتایج بیانگر این بودند که روش بهینه در حالت لزجت واقعی سیال نسبت به روش­های بهینه دیگر، عملکرد بهتری در مدل‌سازی حرکت­های افقی، عمودی و چرخشی جسم شناور داشته است.

کلیدواژه‌ها


Smiley face

[1]          Lucy, L. B. “A Numerical Approach to the Testing of the Fission Hypothesis”, J. Astron. vol. 82, pp. 1013-1024, 1977.
[2]          Gingold, R. A. and Monaghan, J. J. “Smoothed Particle Hydrodynamics: Theory and Application to Non-Spherical Stars”, Mon. Not. R. Astron. Soc. vol. 181, no. 3, pp. 375-389, 1977.
[3]          Monaghan, J. J. “Simulating Free Surface Flows with SPH”, J. Comput. Phys. vol. 110, no. 2, pp. 399-406, 1994.
[4]          Pan, K., IJzermans, R., Jones, B., Thyagarajan, A., van Beest, B., and Williams, J. “Application of the SPH Method to Solitary Wave Impact on an Offshore Platform”, Comput. Part. Mech. vol. 3, no. 2, pp. 155-166, 2016.
[5]          Priyambada, A. and Tarwidi, D. “3D GPU-Based SPH Simulation of Water Waves Impacting on a Floating Object”; ICCREC: IEEE, 2017.
[6]          Buruchenko, S. K. and Canelas, R. B. “Validation of Open-Source SPH Code DualSPHysics for Numerical Simulations of Water Entry and Exit of a Rigid Body”;  Proc. Int. Conf. Offshore Mech. Arct. Eng. - OMAE, 2017.
[7]          Domínguez, J. M., Crespo, A.J.C., Hall, M., Altomare, C., Wu, M., Stratigaki, V., Troch, P., and Cappietti, L. “SPH Simulation of Floating Structures with Moorings”, Coast. Eng. vol. 153, p. 103560, 2019.
[8]          Liu, Z. and Wang, Y. “Numerical Investigations and Optimizations of Typical Submerged Box-Type Floating Breakwaters Using SPH”, Ocean Eng. vol. 209, p. 107475, 2020.
[9]          Cheng, X., Liu, C., Zhang, Q., He, M., and Gao, X. “Numerical Study on the Hydrodynamic Characteristics of a Double-Row Floating Breakwater Composed of a Pontoon and an Airbag”, J. Mar. Sci. Eng. vol. 9, no. 9, p. 983, 2021.
[10]        Chow, A. D., Stansby, P. K., Rogers, B. D., Lind, S. J., and Fang, Q. “Focused Wave Interaction with a Partially-Immersed Rectangular Box Using 2-D Incompressible SPH on a GPU Comparing with Experiment and Linear Theory”, Eur. J. Mech. B-Fluids, 2022.
[11]        Crespo, A.J.C., Domínguez, J.M., Rogers, B.D., Gómez-Gesteira, M., Longshaw, S., Canelas, R., Vacondio, R., Barreiro, A., and García-Feal O. “DualSPHysics: Open-Source Parallel CFD Solver Based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)”, Comput. Phys. Commun. vol. 187, pp. 204-216, 2015.
[12]        Monaghan, J. J. and Lattanzio, J. C. “A Refined Particle Method for Astrophysical Problems”, Astron. astrophys. vol. 149, pp. 135-143, 1985.
[13]        Monaghan, J. J. “Smoothed Particle Hydrodynamics”, Annu. Rev. Astron. Astr. vol. 30, no. 1, pp. 543-574, 1992.
[14]        Varnousfaaderani, M. R. and Ketabdari, M. “Numerical Simulation of Plunging Wave Breaker Impact by a Modified Turbulent WCSPH Method”, J. Brazil. Soc. Mech. Sci. Eng. vol. 37, no. 2, pp. 507-523, 2015.
[15]        Gotoh, H., Shao, S., and Memita, T. “SPH-LES Model for Numerical Investigation of Wave Interaction with Partially Immersed Breakwater”, Coast. Eng. vol. 46, no. 1, pp. 39-63, 2004.
[16] Dalrymple, R. A. and Rogers, B. “Numerical Modeling of Water Waves with the SPH Method”, Coast. Eng. vol. 53, no. 2-3, pp. 141-147, 2006.
[17]        Monaghan, J. J., Cas, R. A., Kos, A., and Hallworth, M. “Gravity Currents Descending a Ramp in a Stratified Tank”, J. Fluid Mech. vol. 379, pp. 39-69, 1999.
[18] Batchelor, G. “Introduction to Fluid Dynamics” Cam. Univ. Press., ed: Cambridge, UK, 1974.
[19] Verlet, L. “Computer Experiments on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Molecules”, Phys. Rev. vol. 159, no. 1, p. 98, 1967.
[20] Molteni, D. and Colagrossi, A. “A Simple Procedure to Improve the Pressure Evaluation in Hydrodynamic Context Using the SPH”, Comput. Phys. Commun. vol. 180, no. 6, pp. 861-872, 2009.
[21]        Lind, S. J., Xu, R., Stansby, P. K., and Rogers, B. D. “Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics for Free-Surface Flows: A Generalised Diffusion-Based Algorithm for Stability and Validations for Impulsive Flows and Propagating Waves”, J. Comput. Phys. vol. 231, no. 4, pp. 1499-1523, 2012.
[22] Skillen, A., Lind, S., Stansby, P. K., and Rogers, B. D. “Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) with Reduced Temporal Noise and Generalised Fickian Smoothing Applied to Body–Water Slam and Efficient Wave–Body Interaction”, Comput. Method. Appl. M. vol. 265, pp. 163-173, 2013.
[23] Lee, E. S., Moulinec, C., Xu, R., Violeau, D., Laurence, D., and Stansby, P. “Comparisons of Weakly Compressible and Truly Incompressible Algorithms for the SPH Mesh Free Particle Method”, J. comput. Phys. vol. 227, no. 18, pp. 8417-8436, 2008.
[24]        Mokos, A., “Multi-Phase Modelling of Violent Hydrodynamics Using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) on Graphics Processing Units (GPUs)”, PhD Dissertation, The University of Manchester, UK,  2014.
[25]        Monaghan, J. J., Kos, A., and Issa, N. “Fluid Motion Generated by Impact”, J. Waterw. Port C-Asce. vol. 129, no. 6, pp. 250-259, 2003.
[26]Monaghan, J. J. “Smoothed Particle Hydrodynamics”, Rep. prog. phys. vol. 68, no. 8, p. 1703, 2005.
[27] Raad, P. E. and Bidoae, R. “The Three-Dimensional Eulerian–Lagrangian Marker and Micro Cell Method for the Simulation of Free Surface Flows”, J. Comput. Phys. vol. 203, no. 2, pp. 668-699, 2005.
[28]  Silvester, T. B. and Cleary, P. W. “Wave-Structure Interaction Using Smoothed Particle Hydrodynamics”, A A, vol. 2, p. 2, 2006.
[29]        Hadžić, I., Hennig, J., Perić, M., and Xing-Kaeding, Y. “Computation of Flow-Induced Motion of Floating Bodies”, Appl. math. model. vol. 29, no. 12, pp. 1196-1210, 2005.
[30]Barreiro, A., Crespo, A., Dominguez, J., Garcia-Feal, O., Zabala, I., and Gomez-Gesteira, M. “Quasi-Static Mooring Solver Implemented in SPH”, J. Ocean Eng. vol. 2, no. 3, pp. 381-396, 2016.
[31] Altosole, M., Benvenuto, G., Figari, M., and Campora, U. “Real-Time Simulation of a COGAG Naval Ship Propulsion System”; P. I. Mech. Eng. M-J Eng. vol. 223, no. 1, pp. 47-62, 2009.