Hidrológiai tájékoztató, 2014
DIPLOMAMUNKA PÁLYÁZATOK - Kiss Gábor: Mozgó komplex objektumok vizsgálata háromdimenziós folyadékszimulációs környezetben
Mozgó komplex objektumok vizsgálata háromdimenziós folyadékszimulációs környezetben* KISS GÁBOR Bevezetés és célok Az elmúlt évtizedekben tapasztalt számítási kapacitás- növekedés nagyban elősegítette a részecskealapű folyadékszimuláció vízmémöki területen való alkalmazhatóságát. A tradicionális rácsháló-alapú modellekkel szemben több jelentős előnye van a részecskealapú modelleknek, mint például folyadék és komplex geometriájú mozgó objektumok kölcsönhatásának modellezési lehetősége. Talán az újszerűségüknek tudható be, hogy egyelőre nem terjedtek el széles körben a vízmérnöki modellezésben. Munkám célja éppen ezért olyan alkalmazási területek feltérképezése, ahol az amúgy számításigényesebb részecskealapú folyadékszimulációnak helye lehet hidrodinamikai jelenségek elemzésében vagy vizépítési müvek tervezésében. Módszer A munkámban vizsgált részecskealapú modellezési módszer alapja az SPH, azaz Smoothed Particle Hydrodynamics (simított részecske-hidrodinamika), amelyet néhány évtizede sikerrel használnak folyadékok mozgásának vizsgálatára. A módszer fizikai hátterét az impulzus- és a tömegmegmaradás térbeli egyenlete adja. Az egyenletek megoldásához az SPH módszer a folyadékot sok, egymáson elgördülő és eközben egymással kölcsönható számítási részecskével közelíti, amelyek elég sűrűn töltik ki a teret ahhoz, hogy a folyadék mozgása, és állapota a diszkrét számítási részecskék alapján jól közelíthető legyen (Liu & Liu 2003). Noha részecskékről beszélünk, de ezek virtuális mérete a bevethető számítási kapacitástól függ és nagyságrendekkel meghaladja a molekuláris mérettartományt. Minden számítási részecske tárolja a saját tömegére, impulzusára, és egyéb hidrodinamikai tulajdonságaira (úgy mint nyomás, hőmérséklet, entrópia, stb.) vonatkozó információkat. Szimulációk Diplomamunkámban nem a fejlesztő, hanem a felhasználó szemszögéből közelítettem meg a részecskealapú modellezést. Először mérésekkel dokumentált tesztfeladatokon vizsgáltam az alkalmazott SPH modell paraméter-érzékenységét és verifikáltam a megoldás pontosságát. Ezt követően három összetett hidrodinamikai példán keresztül demonstráltam az SPH alkalmazási lehetőségeit: Az első esetben egy háromdimenziós halat úgy modelleztem, hogy egy több ponton szabadon elforduló virtuális csontvázra illesztettem a hal felületét, majd ezzel a vázzal definiáltam előre egy, a halakra jellemző periodikus mozgást. A vizsgálat során a mozgatott hal felületével érintkező vizrészecskéket elemeztem, összesen 150 ezer SPH részecskére bontva fel a vízteret. (7. ábra). J/Ö sec IJJhm: 20**: 1. ábra. Hal felületével érintkező részecskék eloszlása felülnézetben a kiindulási helyzettől egymást követő pillanatokban, az aktuális sebesség szerint színezve Második példaként a „Pelamis” elnevezésű hullámerőművet vizsgálom (Pelamis 2014). Ez egy kígyószerű, jellemzően öt hengeres elemből álló test, amely a csatlakozási pontokban a hossztengelyre merőleges bármilyen irányban képes elfordulni (és ezáltal energiát termelni). Ezt egy szilárdtest-fizikai modell segítségével csuklós kapcsolattal modelleztem. (2. ábra) 2. ábra. A Pelamis testének fizikai váza és elmozdulásai oldal- és felülnézetben 1. Mozgó hal körüláramlása hallépcső tervezéséhez 2. „Pelamis” típusú úszó hullámerőmű mozgása energiatermelési alkalmazásokhoz 3. Zajló jégtáblák hatása hídpillérekre Ezeket a numerikus kísérleteket foglalom össze a következőkben. A test 3D modelljének megalkotása után felépítettem egy hullámzó felszínű tesztmedencét, ahol a Pelamis mozgását vizsgáltam, ezúttal 170 ezer SPH részecskével. A valós tesztmedencékhez hasonlóan a hullámzást egy előre definiált horizontális dugattyúmozgást végző fal keltette. A halmodellel ellentétben a Pelamis úszását és 24
