شبیه‌سازی سیستم دوفازی نیوتنی-غیرنیوتنی با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار و مدل هرشلبالکی

یکی از مسائل مورد علاقه محققین در علم هیدرولیک، بررسی نحوه حرکت ذرات رسوب و تغییرات شکل سطح بستر رسوبی (مورفولوژی) ناشی از جریان آب بالای رسوبات می‌باشد. در این مقاله به کمک روش لاگرانژی هیدرودینامیک ذرات هموار (sph) جریان دوفازی آبرسوب مدل‌سازی شده است. از ویژگی‌های روش‌های لاگرانژی می‌توان به قابلیت مدل‌سازی تغییرشکل‌های بزرگ و مرزهای حدواصل میان دو سیال مختلف و همچنین ردیابی ذرات در مدل‌های چندفازی اشاره کرد. در این مطالعه جهت انجام مدل‌سازی از توسعه کد sphysics2d بهره گرفته شده است که در آن مقادیر فشار به صورت صریح و به کمک معادله حالت محاسبه می‌شوند. برای بررسی رفتار فاز رسوبات، مدل غیرنیوتنی ویسکوپلاستیک هرشل بالکی پاپاناستاسیو (hbp) مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین در این مدل توسعه یافته برای بررسی تعامل ذرات دانه‌ای رسوبات از میانگین‌گیری هارمونیک میان لزجت و برای تعامل دو فاز مختلف از معادله owen استفاده شده است. در این تحقیق به علت وجود اختلاف چگالی میان دو فاز آب و رسوب، از یکی از روش‌های اصلاح شده موجود برای معادلات پیوستگی و مومنتوم استفاده گشته است. برای بررسی صحت عملکرد مدل ویسکوپلاستیک به کار گرفته شده در کد، از مدل آزمایشگاهی شکست سد ذرات دانه‌ای استفاده گردید و پس از آن برای بررسی کد دو فازی توسعه یافته از مدل آزمایشگاهی شکست سد آبرسوب با بستر متحرک استفاده گشت. نتایج حاکی از آن است که مدل به کار گرفته شده در این تحقیق قابلیت بالایی در شبیه سازی سیستم‌های دوفازی آب رسوب خواهد داشت.

Simulation of twophase Newtonian and nonNewtonian systems using smoothed particle hydrodynamics and herschelbulkley model

One of the most important problems, in the field of hydraulic science, is the study of the behavior of sediment particles and the morphology changes in water flows above sediments. In this research, twophase flow of watersediment is modeled using the fully Lagrangian SPH method in weakly compressible form. One of the features of the SPH method is the ability to model large deformation, the interface between two phases, as well as particle tracing in multiphase models. In this study, the opensource SPHysics2D code is used where pressure is explicitly calculated using the equation of state. In order to investigate the behavior of sediment, the viscoplastic nonNewtonian model of Herschel Bulkley Papanastasiou (HBP) has been used. Here, the watersediment interface is modeled using Owen’s equation where a harmonic mean is used for the viscosity. Due to the density difference between phases, a modified method is used for the continuity and momentum equations. Moreover, an experimental data of the granular dambreak was used to validate the viscoplastic model, and also an experimental data of the dambreak over a moveable bed (watersediment simulation)was utilized to study the performance of the twophase flow model. The results indicated that the model of the present study has a high potential for simulating watersediment systems.