محاسبه عددي نيروي موج بر ستونهاي استوانه اي درجريان آشفته با اصلاح روش هيدروديناميك ذرات هموار با استفاده از اصلاح مشتقات كرنل و حلگر ريمن

Numerical Computation of Wave Forces to Cylindrical Piles in Turbulent Flow by WCSPH Method using Combination of Kernel Gradients Correction and Riemann Solvers

در اين مقاله مدلسازي برخورد موج سه بعدي با تعدادي استوانه‌ پشت سر هم با روش هيدرودينامك ذرات هموار((WCSPH صورت گرفته است. شبيه سازي در حالت غيردايم و با استفاده از معادلات ناويراستوكس در حالت لاگرانژي انجام شده است. شبيه-سازي جريان آشفته با مدل آشفتگي SPS در معادلات مومنتوم انجام شده است. عليرغم مزيت توليد سطح آزاد دقيق توسط روش هيدروديناميك ذرات هموار اما استفاده از اين روش و بخصوص بكارگيري مدل آشفتگي منجر به خطاهاي زيادي در ميدان فشار و در نتيجه نيرو مي شود. بنابراين به علت نوسانات زياد و غيرفيزيكي ميدان فشار در اين روش از حلگر ريمن استفاده شده است. بعلاوه اصلاح مشتقات كرنل در كنار عملگر ريمن ناپايستار، بدليل استفاده از ترمهاي ديفيوژن در معادلات مومنتم، انجام شده است. مدل عددي بدون اصلاح كرنل و بدون ريمن SPH-T ، مدل SPH-T-R كه در آن فقط ريمن استفاده شده و مدل عددي توسعه يافته SPH-T-NCR كه علاوه بر ريمن ، اصلاح گراديان كرنل نيز صورت گرفته است، معرفي شدند. محاسبات نشان دادند كه مدل SPH-T داراي نوسانات فشار بسيار زياد است كه با اضافه كردن ريمن ( مدل SPH-T-R) اين نوسانات شديد مستهلك شدند، اما همچنان جوابها از نتايج آزمايشگاهي دور است. اما مدل توسعه يافته SPH-T-NCR بدليل استفاده همزمان از ريمان و اصلاح گراديان كرنل ، نتايج قابل قبولي در شكست سد دو بعدي و سه بعدي ارايه داده است. براي اعتبارسنجي اين مدل عددي اصلاح شده، نيروي افقي موج حاصل از شكست سد بر روي مانع با نتايج آزمايشگاهي مورد مقايسه قرار گرفته است. تطابق خوبي بين نتايج اين روش با نتايج آزمايشگاهي در پيش‌بيني نيروي كل و نيروي برخورد اوليه وجود داشت. سپس نيروي ناشي از برخورد موج منظم با استفاده از موجساز به يك استوانه و سه استوانه پشت سر هم محاسبه و الگوي جريان آب اطراف آن‌ها مدلسازي شدند.

Cylindrical piles are commonly used in coastal and offshore engineering as support structures for piers, offshore platforms and wind turbines. In this research wave impact to consecutive cylindrical piles was numerically simulated by Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH).The Simulation was performed by unsteady state Navier-Stokes Equations in Lagrangian form. Modelling the real fluid in simulation, the SPS Turbulent method with laminar viscosity was applied in momentum equations. WCSPH has the advantage of exact free surface simulation. But applying this method and especially with turbulent methods causes large errors in pressure field and wave forces. Therefore due to large and unphysical oscillations in pressure field, Riemann Solvers was used to modify the WCSPH. Furthermore due to using diffusion terms in momentum equations, the corrected gradient of kernel was applied. The developed method with non-conservative Riemann solvers with corrected gradient of kernel was called SPH-T-NCR against the non-modified method called SPH-T. Validating the numerical model, the horizontal wave force was compared to three dimensional dam break experimental data. Good agreement was seen between SPH-T-NCR results and those of experimental. Then the resulting force of a regular wave to one and three cylindrical piles was computed. Furthermore the flow pattern around the piles was simulated.