توسعه روش نيمه‌ضمني ذرات متحرك (MPS) به منظور بهبود شبيه‌سازي جريان‌هاي سطح آزاد با شرايط مرزي باز

Development of Moving-particle Semi-implicit Method (MPS) in order to Improve Simulation of Free Surface Flows with Open Boundary Conditions

روش­های نیمه­ضمنی ذرات متحرك (MPS) و هیدرودینامیك ذرات هموار (SPH) از مشهورترین روش‌های ذرات بدون شبكه (لاگرانژی) هستند كه توجه محققان را در مسائل كاربردی با تغییرشكل‌های بزرگ و ناپیوستگی جریان به خود جلب كرده­اند. هدف از این پژوهش، توسعه و بهبود شبیه­سازی جریان با مرزهای باز با استفاده از مدل جدید ­نیمه ضمنی ذرات متحرك با تراكم­پذیری ضعیف (WCMPS) است. در بیشتر مطالعات انجام گرفته در زمینه روش‌های لاگرانژی، مدل‌های مورد نظر دارای شرایط مرزی بسته می‌باشند. لذا در این پژوهش، با به­كارگیری روش بازیافت ذرات در مرزهای ورودی و خروجی، به توسعه و بهبود این مدل در شبیه­سازی مدل‌های كاربردی با شرایط مرزی باز پرداخته شده و الگوریتم جدیدی برای شرایط مرزی ورودی و خروجی توسعه داده شده است. این الگوریتم نه‌تنها شرایط مرزهای ورودی و خروجی را بهبود می‌دهد، بلكه نوسانات فشار در مرزها را نیز كاهش می‌دهد. همچنین در این تحقیق برای پیش‌بینی بهتر سرعت در نزدیكی مرز، قانون لگاریتمی استاندارد دیوار برای ذرات سیال در مجاورت مرزهای جامد توسعه داده شده است. در ادامه، به منظور ارزیابی روش و مدل پیشنهادی برنامه­نویسی شده با زبان C، مسأله شناخته شده و پركاربرد جریان روی بستر خمیده نامتقارن، و سرریز اوجی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بررسی­ها و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد كه مدل پیشنهادی قابلیت و كارایی بالایی در مدل­سازی جریان‌های با سطح آزاد با شرایط مرزی باز دارد.

Mesh-free particle (Lagrangian) methods, such as moving-particle semi-implicit (MPS) and smoothed particle hydrodynamics (SPH), are the newest methods in computational fluid dynamics, which have been applied in flow problems with large deformations and inconsistency. The aim of this research was to develop and improve the simulation of open-boundary free-surface flows, using the new method of weakly compressible MPS (WC-MPS) .Most studies in the field of Lagrangian models are concerned with closed boundary conditions. This study, introduces a comprehensive method for MPS modeling of cases with inflow and outflow boundaries. Inflow and outflow boundaries are considered and the boundary conditions and recycling of particles are prescribed. The algorithm not only improves the inlet and outlet boundary conditions, but also reduces the pressure fluctuations at boundaries. To evaluate the proposed method, the famous applied flow problem of ogee spillway and steady shallow flow over curved bed is analyzed. The program is written in C language and validations are performed for this code. Comparison of the results of proposed model and physical models showed acceptable accuracy in modeling the free surface flows with open boundary conditions.