توسعه روش نیمه ضمنی ذرات متحرک (MPS) به منظور شبیه سازی جریان های دانه ای

حرکت سریع رسوبات، می تواند منجر به جریان های بسیار مخرب و گذرا در محیط های رودخانه ای و ساحلی ناشی شود که بسیاری از مسائل ژئومورفولوژی و مهندسی با آن مواجه می شوند. شکست سد بر بستر فرسایش پذیر، زمین لغزش زیر دریا، ریزش دیواره رودخانه ها و خروج رسوبات از مخازن تنها چند نمونه از این مسائل هستند. پیش بینی دقیق پیچیدگی ها در سیستم آب -رسوب (یک سیستم جریان دانه ای متراکم چند فازی) هنوز یک چالش عمده برای مدل های مبتنی بر شبکه است. با توجه به توانایی روش های لاگرانژی بدون شبکه در مدل سازی تغییر شکل های بزرگ و ناپیوستگی ها، روش های لاگرانژی بدون شبکه می توانند یک فرصت منحصر به فرد برای مقابله با چنین پیچیدگی فراهم کنند. هدف از این تحقیق توسعه مدل لاگرانژی نیمه ضمنی ذرات متحرک با تراکم ضعیف (WC-MPS) برای شبیه سازی انتقال سریع رسوبات غیر چسبنده است. مواد دانه ای به صورت یک سیال غیر نیوتنی و ویسکو پلاستیک در نظر گرفته شده است. برای پیش بینی رفتار غیر نیوتنی فاز دانه ای، از مدل رئولوژیکی هرشل بالکی استفاده گردیده است که با استفاده از مدل نمایی توسعه داده شده است. روش  MPSبا برخی نوسانات غیرفیزیکی فشار همراه است. چنین نوساناتی (هر چند کوچک) می توانند سبب ایجاد برخی ارتعاشات غیرفیزیکی شده و آستانه تسلیم جریان های دانه ای را تحت تاثیر قرار دهند. استفاده از فشار دینامیکی به جای فشار استاتیکی می تواند به تثبیت نوسانات فشار نیز کمک نماید. در برخی از مطالعات اخیر در مورد روش های MPS و SPH استفاده از فشار هیدرواستاتیک برای مواردی که شتاب قائم ناچیز باشد، پیشنهاد شده است. در مواردی که شتاب عمودی غیر قابل اغماض است، فشار هیدرواستاتیک کاربردی نمی باشد. لذا در این پژوهش، با بکارگیری فشار ترمودینامیکی هموار شده، به جای فشار هیدرو استاتیکی، به توسعه و بهبود این مدل در شبیه سازی جریان های دانه ای پرداخته شده است. در این مقاله، فروپاشی توده رسوب خشک و همچنین شکست سد بر روی بستر فرسایش پذیر با استفاده از مدل لاگرانژی بدون شبکه MPS مدل سازی گردیده است و با نتایج مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است. بررسی ها نشان می دهد که فرایندهای مرتبط با رسوب به خوبی توسط روش های لاگرانژی قابل مدل سازی بوده و نتایج عددی با اندازه گیری های آزمایشگاهی تطابق بسیار خوبی را نشان می دهد.