Application of MPS and FEM based Fluid-Structure Interaction Model to a Sequential Dam-Break Problem on Çoruh River

Abstract

Studies about fluid-structure interaction (FSI) problems do not have a long history. Fluid and structure has been separately modelled with different formulations by researchers. However, studies about FSI are limited and problems investigated in these studies are mostly out of civil engineering areas. Problems such as dam-breaking, flood effect on structure, slushing effect and tsunami are the problems consisting of a fluid structure interaction in civil engineering. The present study, a fluid structure interaction model is developed by using moving particle semi-implicit method (MPS) and finite element method (FEM) for fluid and structure, respectively. The developed code is applied to an idealized sequential dam-break problem. The effect of failed upper dam on the lower dam body is investigated in terms of pressure readings. Besides, behavior of flood in lower reservoir is observed with given profiles of surface water. Both results can be used for future studies and taking protective measures.

Keywords

• Fluid-Structure Interaction,FSI,MPS,Contact Mechanics,Sequential Dam-Break

MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması

Abstract

Akışkan-yapı etkileşimi (fluid-structure interaction: FSI) çok uzun bir geçmişe sahip değildir. Araştırmacılar tarafından akışkan ve yapı ayrı ayrı farklı formülasyonlar ile modellenmiştir. Fakat literatürdeki akışkan yapı etkileşimini inceleyen çalışmalar sınırlı sayıdadır ve bu çalışmalarda incelenen problemler çoğunlukla inşaat mühendisliği alanlarının dışında kalmıştır. Baraj yıkılmaları, taşkının yapılara etkisi, çalkalanma etkisi ve tsunami gibi problemler inşaat mühendisliğindeki akışkan-yapı etkileşimini içeren problemlerdir. Bu çalışmada, akışkan için “Moving Particle Semi-implicit (MPS)” metodu ve yapı için sonlu eleman metodu (finite element method: FEM) kullanılarak bir akışkan-yapı etkileşim modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen model idealize edilmiş ardıl baraj-yıkılma problemine uygulanmıştır. Yıkılan üst barajın alt baraj gövdesindeki etkisi basınç okumaları ile gözlemlenmiştir. Bunun yanında, alt baraj haznesindeki taşkın davranışı verilen su yüzeyi profilleri ile gözlemlenmiştir. Her iki sonuç da ileriye dönük çalışmalar ve alınacak önlemler için kullanılabilir.

Keywords

• Akışkan-Yapı Etkileşimi,FSI,MPS,Kontak Mekanik,Ardıl Baraj-Yıkılma

References

1. Bathe K.J., (1982), Finite element procedures in engineering analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 735ss.
2. Bathe K.J., Chaudhary A., (1985), A solution method for planar and axisymmetric contact problems, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 21, 65-88.
3. Bathe K.J., Zhang H., Ji S., (1999), Finite element analysis of fluid flows fully coupled with structural interactions, Computers & Structures, 72(1-3), 1-16.
4. Dowell E. H., Hall K. C., (2001), Modeling of fluid–structure interaction, Annu. Rev. Fluid Mech., 33 (1), 445–490.
5. Hwang S., Khayyer A., Gotoh H., Park J., (2014), Development of a fully lagrangian MPS-base coupled method for simulation of fluid– structure interaction problems, J. Fluids Struct., 50, 497–511.
6. Khayyer A., Gotoh H., (2008), Development of CMPS method for accurate water-surface tracking in breaking waves, Coast. Eng. J., 50(2), 179–207.
7. Khayyer A., Gotoh H., (2009), Modified moving particle semi-implicit methods for the prediction of 2d wave impact pressure, Coast. Eng., 56(4), 419–440.
8. Khayyer A., Gotoh H., (2011), Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method, J. Comput. Phys., 230(8), 3093–3118.

9. Khayyer A., Gotoh H., (2013), Enhancement of performance and stability of MPS mesh-free particle method for multiphase flows characterized by high density ratios, J. Comput. Phys., 242, 211–233.
10. Koshizuka S., Oka Y., (1996), Moving particle semi-implicit method or fragmentation of incompressible fluid, Nucl. Sci. Eng., 123, 421–434.
11. Ohayon R., Felippa C.E., (2001), Advances in computational methods for fluid–structure interaction and coupled problems, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 190, 2977–3292.
12. Tanaka M., Masunaga T., (2010), Stabilization and smoothing pressure in MPS method by quasi-compressibility, J. Comput. Phys., 229(11), 4279–4290.
13. Tezduyar T., Bazilevs Y., (2008), Fluid–structure interaction, Comput. Mech., 43, 1–189.