تأثیر مقیاس زمان در شبیه سازی جریانات با سطح آزاد با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سازه های آبی دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشیار گروه سازه های آبی دانشگاه تربیت مدرس

3 استادیار دانشگاه لرستان، خرم آباد

چکیده

جریانات با سطح آزاد در علوم هیدرودینامیک و هیدرولیک دارای اهمیت زیادی می­باشند. شبیه­سازی این جریانات به علت شرط مرزی متحرک آن‌ها مشکل می­باشد. روش هیدرودینامیک ذرات هموار(SPH) یک روش ذره­ای، لاگرانژی و بدون شبکه­بندی است که در شبیه­سازی جریانات با سطح آزاد مانند شکست سد به کار برده می­شود. یکی از مشکلاتی که در شبیه­سازی SPH وجود دارد این است که زمان محاسبات برای شبیه­سازی پدیده­هایی که زمان وقوع آن‌ها طولانی است، بسیار زیاد می­باشد و نیاز به استفاده از رایانه‌ها با سرعت زیاد و یا موازی کردن رایانه­هاست. در این مقاله روشی برای کاهش تعداد محاسبات و در نتیجه کاهش زمان اجرای آن‌ها، با بررسی تأثیر مقیاس زمان در شبیه­سازی عددی جریانات دارای سطح آزاد در روش SPH ارائه شده است. نمونه مورد مطالعه، پدیده شکست سد می­باشد. برای صحت­سنجی مدل SPH، نتایج عددی شکست سد با نتایج آزمایشگاهی و نتایج حاصل از تحقیقات قبلی مقایسه شد. این نمونه در مقیاس­های مختلف بررسی و نتایج آن در زمان­های متناظر برای مقیاس­های طولی مختلف، محاسبه شده است. نتایج بدست آمده در شکست سد به عنوان یک جریان با سطح آزاد، نشان می­دهد که با کاهش مقیاس طولی، مقیاس زمان کاهش می­یابد و رابطه بین این دو مقیاس در شبیه­سازی عددی شکست سد، از قانون فرودی برای جریانات سطح آزاد پیروی می­کند. باریکه برای نسبت­های مقیاس 3 و 6، نسبت زمان وقوع پدیده در این مقیاس­ها به مقیاس اصلی، با تعداد ذرات یکسان به ترتیب به اندازه 3/42 و 2/59 درصد کاهش می­یابد. با بررسی­های انجام شده بر روی زمان اجرا توسط رایانه، در مدل­های مختلف مشخص شد که با کاهش مقیاس مدل، زمان اجرای آن توسط رایانه، به میزان قابل توجهی کاهش می­یابد. باریکه این کاهش برای مقیاس طولی 6 به میزان 2/58 درصد می­رسد. سپس مقایسه بین وقوع پدیده در زمان­های متناظر در مقیاس­های طولی مختلف با یکدیگر انجام شد. مقایسه نتایج نشان دادند که با کاهش مقیاس، با دقت یکسان، تعداد محاسبات و در نتیجه زمان آن‌ها کاهش می­یابد. این بدان معناست که با کاهش مقیاس مدل و انجام محاسبات مشابه، مقیاس زمان و در نتیجه زمان اجرای محاسبات کاهش می­یابد. از این رویکرد می­توان در جهت کاهش زمان انجام محاسبات برای پدیده­هایی که زمان وقوع آن‌ها طولانی است، در روش SPH استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The influence of time scale in free surface flow simulation using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

نویسندگان [English]

  • Seyedeh Laila Razavi Toosi 1
  • Seyed Ali Ayyoubzadeh 2
  • Ali Reza Vali Zadeh 3
1 Ph.D. Student of Water Structure Department, Tarbiat Modares University,Tehran
2 Associate Professor of Water Structure Department, Tarbiat Modares University, Tehran
3 Assistant Professor, Lorestan University, Khoramabad
چکیده [English]

   In hydrodynamic and hydraulic science, free surface flows are important but they are difficult to simulate because boundary conditions are required on an arbitrarily moving surface. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a meshfree, Lagrangian particle method for modeling free surface flows such as dam break. One of problems in SPH is time consuming calculations in cases that they occurrence time are large. They need computers with strong CPU and memory. Recently, the parallel is used in this situation. In this paper, the influence of time scale in free surface flow simulation using SPH is considered. Dam break simulation with SPH in different scales is investigated and time scale influence is then obtained. For SPH model verification, the results were compared with experimental and numerical results of pervious researches. The dam break results as free surface flow show that the model with less scale model has less time of occurrence. Thus, the computer run time was decreased. The relation between two scales in dam break simulation indicates that the Froude law for free surface flow is valid. For models with scales of 3 and 6 with equal number of particles, the time of occurrence and computation were decreased about 42% and 59%, respectively. Therefore the computers run time can be decreased when this new-proposed scheme isused.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dam break
  • Time scale
  • Smoothed Particle Hydrodynamic
  • Free surface flow simulation