اصلاح شرایط مرزی روش هیدرودینامیک ذرات هموار در مدل سازی بالاروی موج با استفاده از قابلیت پردازش موازی

بالاروی و روگذری موج یکی از عوامل مهم در طراحی سازه های ساحلی است و تخمین مناسب آن در تعیین تراز طراحی سازه های دریایی تاثیر دارد. بالاروی و شکست موج، باعث تغییرات و بهم ریختگی زیاد سطح آب می‌شود که با توجه به قابلیت روش هیدرودینامیک ذرات هموار در شبیه سازی این پدیده، از این روش در پژوهش حاضر استفاده شده است. یکی از عوامل تاثیرگذار بر بالاروی، تنش بستر است که اعمال آن می‌تواند باعث بهبود نتایج گردد. در این راستا، در این پژوهش با معرفی دو رویکرد جدید، مدل عددی sph بگونه‌ای توسعه یافت که نیروی اصطکاک با دو رویکرد متفاوت به ذرات مجاور مرز اعمال گردد. نتایج این مدل با روابط تحلیلی-تجربی معتبر مقایسه و مشاهده گردید که با تصحیح مدل، دقت افزایش یافته و میزان بالاروی با مقدار خطای کم‌تری ارزیابی می‌گردد. بر اساس نتایج به‌دست آمده، اعمال نیروی اصطکاک تاثیر بسزایی بر پاسخ‌ها دارد و میزان بهبود نتایج وابسته به هندسه و شرایط موج است. اگر بالاروی همراه با لغزش موج روی سطح بستر باشد، تاثیر اعمال نیروی اصطکاک بر بهبود نتایج افزایش می‌یابد به‌نحوی‌که در بعضی از مدل ها خطای 90 درصدی را به 6 درصد کاهش می دهد. با توجه به هزینه محاسباتی بالای روش sph نسبت به سایر روش‌های مرسوم عددی، از قابلیت پردازش موازی و استفاده از ظرفیت کارت گرافیک به‌منظور کاهش زمان محاسبات استفاده شد. همچنین، برای ارزیابی عملکرد این مدل، هزینه محاسباتی گام‌های مختلف روش توسعه یافته در هر دو شرایط استفاده و عدم استفاده از پردازش موازی با یکدیگر مقایسه شد.

Improving Boundary Condition in Wave Run-up Simulation using SPH-GPU

Wave run up and overtopping are two important processes in design of coastal structures and in definition of their crest elevation. Wave run up in contribution with wave breaking generates local turbulences as well as large deformations around free surface profile. Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) method as a powerful Lagrangian method in modeling free surface flows is modified and applied in this study to estimate wave run up properly. Two modifications i.e. stepped and smoothed approaches are introduced to implement bed shear stress in SPH models. The results are compared with reliable predictions based on experimental and analytical studies. It is concluded that neglecting bed shear stress as a common practice in SPH methods can generate significant errors in estimating wave run up, while these errors are diminished efficiently by means of the introduced methods. The rate of this improvement, however, depends on slope geometry as well as wave condition and it is more sensible in simulating sliding waves over the bed slope during run up phenomenon. In this case, 90% error of the unmodified methods has been decreased to 6% using the modified SPH method. In addition, parallel processing using graphical processing units (GPU) are utilized to increase the efficiency of the modified model. The efficiency of GPU in comparison with CPU is evaluated and computational costs of different numerical steps are analyzed. It is observed that calculation of forces is the main time consuming step and using GPU can speed up the modified model significantly.