Luận văn Nghiên cứu đặc trưng của dòng chảy các hạt bằng phương pháp SPH

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu đặc trưng của dòng chảy các hạt bằng phương pháp SPH

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------------------------- TRẦN THỊ THANH HUYỀN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CỦA DÒNG CHẢY CÁC HẠT BẰNG PHƢƠNG PHÁP SPH LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2020
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------------------------- TRẦN THỊ THANH HUYỀN NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG CỦA DÒNG CHẢY CÁC HẠT BẰNG PHƢƠNG PHÁP SPH Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 8520101.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Tiến Cƣờng HÀ NỘI – 2020
3. i Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ---------------o0o--------------- LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Thị Thanh Huyền Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Tiến Cường. Các nội dung được trình bày trong luận văn “Nghiên cứu đặc trưng của dòng chảy các hạt bằng phương pháp SPH” là trung thực, đáng tin cậy và không trùng với bất kỳ một nghiên cứu nào khác đã được thực hiện. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Ngƣời cam đoan Trần Thị Thanh Huyền
4. ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn là TS. Nguyễn Tiến Cường đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và thường xuyên động viên để tác giả hoàn thành nghiên cứu này. Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo tham gia giảng dạy tại Khoa Cơ học Kỹ thuật và Tự động hóa, Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã luôn quan tâm và tạo điều kiện trong suốt thời gian tác giả học tập và nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể Ban Lãnh đạo, cán bộ Viện Cơ học đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong công việc để tác giả hoàn thành chương trình Thạc sỹ nâng cao trình độ chuyên môn của mình. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới nhóm nghiên cứu trong seminar tại Phòng Thủy động lực và Giảm nhẹ thiên tai đã có những góp ý quý báu trong quá trình tác giả thực hiện luận văn. Tác giả xin cảm ơn tập thể các cán bộ, chuyên viên Phòng Đào tạo, Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN đã tạo điều kiện trong suốt thời gian tác giả học tập. Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè thân thiết, những người đã luôn đồng hành, động viên và giúp tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả Trần Thị Thanh Huyền
5. 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................ 5 MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 7 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 7 2. Mục tiêu của luận văn ............................................................................................. 7 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 7 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 7 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn............................................................ 8 6. Bố cục của luận văn ................................................................................................. 8 CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................................. 9 1.1. Vai trò của dòng chảy hạt......................................................................................... 9 1.2. Các hướng tiếp cận giải quyết bài toán dòng chảy hạt .......................................... 12 1.3. Xuất xứ và khả năng ứng dụng của phương pháp số SPH ..................................... 13 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................ 13 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................... 13 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................. 14 CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH HÓA BÀI TOÁN ...................... 16 2.1. Phương pháp SPH .................................................................................................. 16 2.1.1. Ý tưởng của phương pháp SPH ............................................................... 16 2.1.2. Các phương trình cơ bản trong SPH ........................................................ 16 2.1.3. Hàm Kernel .............................................................................................. 19 2.2. Mô hình hóa chuyển động của dòng chảy các hạt ................................................. 20 2.2.1. Các phương trình cơ bản theo hướng tiếp cận bằng lý thuyết cơ học đất đá ........ ............................................................................................................. 20 2.2.2. Rời rạc các phương trình sử dụng phương pháp SPH ............................. 20 2.2.3. Tính ứng suất theo mô hình đất Drucker-Prager ..................................... 21
6. 2 2.3. Mô hình hóa chuyển động của tường chắn có cấu trúc từ các cấu kiện cứng dạng khối hộp chữ nhật ...................................................................................................... 24 2.3.1. Lý do chọn nghiên cứu............................................................................. 24 2.3.2. Mô hình hóa các khối hộp ........................................................................ 24 2.3.3. Mô hình hóa tương tác giữa các cấu kiện và sàn ..................................... 25 2.4. Mô hình hóa tương tác giữa dòng chảy hạt với các cấu kiện của tường chắn và tương tác giữa các cấu kiện với nhau ................................................................................. 27 CHƢƠNG 3 . TÍNH TOÁN VÀ HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH SỐ .................................. 29 3.1. Kiểm định mô hình tính toán dòng chảy hạt .......................................................... 29 3.1.1. Cơ chế phá hủy của dòng chảy hạt .......................................................... 29 3.1.2. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả số sử dụng phương pháp MPM . 35 3.2. Hiệu chỉnh mô hình tương tác giữa các cấu kiện ................................................... 38 3.2.1. Thiết lập bài toán ..................................................................................... 38 3.2.2. Thực hiện thí nghiệm ............................................................................... 39 3.2.3. Tính toán hiệu chỉnh mô hình số.............................................................. 41 3.3. Hiệu chỉnh mô hình tương tác giữa dòng chảy hạt và tường chắn dạng khối ....... 44 3.1.1. Thiết lập bài toán ..................................................................................... 44 3.1.2. Tính toán hiệu chỉnh mô hình .................................................................. 46 CHƢƠNG 4 . THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BÀI TOÁN . 50 4.1. Nghiên cứu đặc trưng của dòng chảy hạt ............................................................... 50 4.1.1. Mô hình bài toán ..................................................................................... 50 4.1.2. Các kịch bản tính toán ............................................................................. 50 4.1.3. Kết quả mô phỏng so với thí nghiệm và hàm thực nghiệm .................... 50 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc tường chắn đến sự ổn định của mái dốc......... 52 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 54 NHỮNG VẤN ĐỀ CÓ THỂ PHÁT TRIỂN TỪ LUẬN VĂN ..................................... 55 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .............................................................................................................. 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 57
7. 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT SPH Smoothed Particle Hydrodynamics – Thủy động lực học hạt mịn CFD Computation Fluid Dynamics – Thủy khí động lực học tính toán CSM Computation Solid Mechanics – Cơ học vật rắn tính toán FEM Finite Element Method – Phương pháp phần tử hữu hạn FDM Finite Difference Method – Phương pháp sai phân hữu hạn DEM Discrete Element Method – Phương pháp phần tử rời rạc DDA Discontinuous Deformation Analysis – Phương pháp phân tích biến dạng rời rạc EFG Element-free Galerkin – Phương pháp phần tử Galerkin MPM Material Point Method – Phương pháp điểm vật liệu PIC Particle In Cell – Phương pháp hạt trong ô Mật độ khối lượng E Mô đun đàn hồi Young ν Hệ số Poisson  Hệ số ma sát c Hệ số kết dính  Góc giãn nở nhiệt
8. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Tính chất của vật liệu hạt .............................................................................. 29 Bảng 3.2. Các thông số của vật liệu .............................................................................. 36 Bảng 3.3. Tính chất vật liệu của các khối ..................................................................... 39 Bảng 3.4. Vị trí dịch chuyển của các khối trong thí nghiệm 1 (đơn vị: mm) ............... 40 Bảng 3.5. Vị trí dịch chuyển của các khối trong thí nghiệm 2 (đơn vị: mm) ............... 40 Bảng 3.6. Vị trí của các khối trong thí nghiệm 3 (đơn vị: mm) .................................... 41 Bảng 3.7. Vị trí tâm của các khối sau va chạm x = 10 (mm) ..................................... 42 Bảng 3.8. Tính chất vật liệu sử dụng trong mô hình ..................................................... 44
9. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sạt lở núi tại Hokkaido, Nhật Bản (2018) .................................................... 10 Hình 1.2. Sạt lở tại Shenzhen, Trung Quốc (2015) ...................................................... 10 Hình 1.3. Sạt lở núi tại Hướng Hóa, Quảng Trị (2020) ................................................ 11 Hình 1.4. Toàn cảnh sạt lở tại Thừa Thiên Huế (2020) ................................................ 11 Hình 2.1. Miền ảnh hưởng của hàm Kernel bán kính h [26] ........................................ 17 Hình 2.2. Hàm Kernel [26] ........................................................................................... 20 Hình 2.3. Biến dạng Drucker-Prager [10]..................................................................... 22 Hình 2.4. Mô hình hóa các khối hộp............................................................................. 24 Hình 2.5. Quá trình chuyển động của khối trên mặt sàn .............................................. 26 Hình 2.6. Khối trượt trên sàn ........................................................................................ 27 Hình 2.7. Mô hình tương tác giữa các khối và giữa hạt với khối ................................. 28 Hình 3.1. Cơ chế phá hủy điển hình của cột hạt thu được từ các thí nghiệm [34] ....... 29 Hình 3.2. Kết quả mô phỏng số h0 = 75 (mm), d0 = 140 (mm) .................................... 32 Hình 3.3. Kết quả mô phỏng số h0 = 75 (mm), d0 = 100 (mm) .................................... 35 Hình 3.4. Kết quả tính toán trong luận văn (b) và kết quả thực nghiệm – mô phỏng của Liu và các cộng sự (a), (c) ............................................................................................. 37 Hình 3.5. Mô hình thí nghiệm ....................................................................................... 38 Hình 3.6. Kết quả thí nghiệm x = 16,00 (mm), l = 0 (mm) ..................................... 39 Hình 3.7. Kết quả thí nghiệm x = 10 (mm), l = 0 (mm) .......................................... 40 Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm x = 16,00 (mm), l = 50 (mm) ................................... 41 Hình 3.9. Kết quả tính toán mô phỏng chuyển động của các khối x = 10 (mm), l = 0 (mm) .............................................................................................................................. 43 Hình 3.10. Thiết lập mô hình thí nghiệm 2D ................................................................ 45 Hình 3.11. Vị trí ban đầu của các khối trong thí nghiệm [35] ...................................... 45 Hình 3.12. Vị trí của các khối sau khi tương tác với dòng chảy các hạt bằng thí nghiệm [35].................................................................................................................... 46 Hình 3.13. Kết quả mô phỏng tương tác giữa dòng chảy các hạt và tường chắn có kết cấu từ các dạng khối hộp ............................................................................................... 49
10. 6 Hình 4.1. Quan hệ giữa h0/h∞ và hệ số a tổng hợp từ kết quả thí nghiệm vật lý và thí nghiệm số ....................................................................................................................... 51 Hình 4.2. Quan hệ giữa d∞/d0 và hệ số a tổng hợp từ kết quả thí nghiệm vật lý và thí nghiệm số ....................................................................................................................... 51 Hình 4.3. Quan hệ giữa (d∞−d0)/d0 và hệ số a tổng hợp từ kết quả thí nghiệm vật lý và thí nghiệm số ................................................................................................................. 52 Hình 4.4. Kết quả mô phỏng tối ưu cho tường chắn trong một số trường hợp tại thời điểm ban đầu (trái) và thời điểm kết thúc mô phỏng (phải) .......................................... 53