مدلسازی عددی رفتار مکانیکی مصالح دانه ای اشباع با ترکیب روش اجزاء منفصل و هیدرودینامیک ذرات هموار DEM-SPH

روش اجزای منفصل (DEM) از روش های عددی معتبر در زمینه تحلیل موضوعات ژئوتکنیکی، بخصوص رفتار مصالح دانه ای است. هیدرودینامیک ذرات هموار (SPH) یکی از روش های نوین برای مدلسازی رفتار سیالات است. در مقایسه با روش های رایج دینامیک محاسباتی سیال (CFD)، مهمترین امتیاز SPH عدم نیاز آن به مش بندی است. SPH در تعیین نقاط تماس ذرات برای حل معادلات حاکم نیازی به یک مش از پیش تعریف شده ندارد. ذرات SPH خود به خود با هندسه و سطح آزاد سیال تطابق پیدا می کنند. هنگامی که برای تحلیل یک پدیده ژئوتکنیکی مانند روانگرایی ماسه، بررسی رفتار مصالح دانه ای اشباع مدنظر باشد استفاده از مکانیک سیالات و ترکیب آن با مکانیک ذرات اجتناب ناپذیر خواهد بود. از دیدگاه پیاده سازی عددی، روش ترکیبی DEM-SPH بعنوان یک روش لاگرانژی-لاگرانژی، بهترین ترکیب برای مدلسازی محیط های چندفازی است. زیرا می تواند بطور کامل نیاز به مش بندی حجمی را برطرف کند. عدم نیاز به مش بندی در مسائلی که دارای هندسه پیچیده، تغییرشکل های بزرگ یا سطح آزاد جریان هستند مزیت بزرگی محسوب می شود. با این وجود تاکنون روش ترکیبی DEM-SPH برای آنالیز و مدلسازی رفتار مکانیکی مصالح دانه ای اشباع مورد استفاده قرار نگرفته است. در این مقاله با استفاده از روش اجزاء منفصل DEM و ترکیب آن با هیدرودینامیک ذرات هموار SPH رفتار ماسه اشباع در آزمایش سه محوری زهکشی شده و زهکشی نشده، شبیه سازی شده است. در ابتدا نتایج مدل عددی با استفاده از نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی شده و سپس پاسخ زهکشی نشده محیط اشباع بررسی شده است. همچنین نتایج مدل ترکیبی DEM-SPH با نتایج مدل های قبلی بر پایه مش بندی مقایسه شده است. برای اعمال شرایط مرزی ذرات جامد، از یک غشاء انعطاف پذیر استفاده شده و شرایط مرزی سیال با استفاده از مجموعه ای از ذرات فرضی سیال متصل به غشاء پیرامونی، پیاده سازی شده است. نتایج مدل عددی DEM-SPH به خوبی با نتایج آزمایشگاهی مربوط به آزمایش سه محوری زهکشی شده بر روی مصالح خشک همخوانی دارد. همچنین نتایج مدل پیشنهادی برای محیط دانه ای اشباع با نتایج مدلهای عددی بر پایه مش بندی مطابقت دارد. با استفاده از مدل پیشنهادی علاوه بر استخراج پارامترهای کلی پاسخ ماسه اشباع تحت بارگذاری زهکشی شده و زهکشی نشده، چگونگی توزیع فشار، سرعت و جابجایی سیال در نقاط مختلف نمونه بررسی شد.

Keywords:

مدلسازی , روش اجزاء منفصل , هیدرودینامیک ذرات هموار , DEM , SPH