شبيه‌سازي دو بعدي برخورد گوه به سيال نيوتني و سيال غيرنيوتني از نوع هرشل‌بالكلي-دايلاتنت با استفاده از روش WCSPH

2D Simulation of a wedge impact problem into the Newtonian and Herschel Bulkley Dilatant non-Newtonian fluids, using WCSPH method

مسئله برخورد گوه به سطح آزاد سيال كاربردهاي مهمي در زمينه‌هاي مختلف مهندسي و در صنايع دريايي دارد و محاسبه نيروي وارد به گوه به خصوص در لحظات اوليه برخورد مورد علاقه بسياري از محققان مي باشد. هدف اين مقاله حل عددي برخورد گوه به سيال نيوتني و سيال غيرنيوتني هرشل بالكلي دايلاتنت با استفاده از روش لاگرانژي هيدروديناميك ذرات هموار با تراكم پذيري ضعيف است. برخي سيالات غيرنيوتني مانند سيال دايلاتنت يا هرشل بالكلي دايلاتنت به دليل داشتن خاصيت غليظ شوندگي در محل اعمال تنش، در برابر ورود گوه به سيال از خود مقاومت نشان مي دهند. در اين تحقيق از الگوريتم پيش بيني و تصحيح جهت حل معادلات استفاده شده است. جهت ايجاد پايداري از تصحيح چگالي (در سيالات نيوتني و غيرنيوتني) و ويسكوزيته مصنوعي (فقط در سيال نيوتني) استفاده شده است. جهت اعتبار سنجي سطح آزاد و بررسي صحت استفاده از سيال هرشل بالكلي دايلاتنت مسئله شكست سد با استفاده از شرط مرزي انعكاسي حل شده است. در ادامه مسئله برخورد گوه به سيال نيوتني صحت سنجي شده و با تغيير سه پارامتر لزجت، تنش تسليم و توان نرخ برش در سيال هرشل بالكلي و استفاده از شرط مرزي نيروي دافعه موناقان مسئله برخورد شبيه سازي شده و نتايج آن به صورت مقادير نيرو، ضريب فشار و سرعت گوه با هم و همچنين با نتايج آزمايشگاهي سيال نيوتني مقايسه شده است. جهت صرفه‌جويي در زمان، مقادير اوليه فشار هيدرواستاتيكي از ابتدا به سيال اعمال مي شود.

The impact problems associated with water entry have important applications in various aspects of naval architecture and ocean engineering. Also the calculation of impact force is favorable to many researchers. The purpose of this study is to simulate the impact problem of a wedge into the Newtonian and also Herschel Bulkley dilatant non-Newtonian fluids using the Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH) method. Some non-Newtonian fluids, such as dilatant or Herschel Bulkley dilatant fluids can resist against the wedge entry due to their shear thickening effect. In this research a prediction and correction algorithm is used to solve the governing equations. Density correction and also artificial viscosity (which is used only in Newtonian fluids) are used to prevent the numerical instability. To show the validation, ability and robustness of the generated code to capture the free surface in Newtonian and non-Newtonian fluids, the dam break problem with the image boundary condition is simulated. After validating the code and the used method, the impact problem of a wedge with Monaghan repulsive force boundary condition in Newtonian and Herschel Bulkley Dilatant non-Newtonian fluids are investigated and the results of force, pressure coefficient and velocity of the wedge are presented and compared with experiments and also with each other. To save time, the initial values of hydrostatic pressure are imposed as an initial condition of the fluid.