فهرست مطالب

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال چهل و یکم شماره 2 (زمستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/12/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • پوریا شیخ بهایی، فرشید مسیبی* صفحات 1-28

    در پژوهش های منتشر شده، از پریداینامیک برای تحلیل رشد ترک در مواد ترد و شبه ترد، تحلیل رفتار پلاستیک و حل معادلات دیفرانسیل استفاده شده است. با توجه به چنین دستاوردهایی، دامنه مسایل قابل بررسی با پریداینامیک روزبه روز در حال گسترش است. استفاده از پریداینامیک برای تحلیل مسایل ضربه و انتشار موج از ابتدا مدنظر بوده است. به علت وجود یک طول مشخصه در روابط پریداینامیک، استفاده از آن برای حل مسایل در مقیاس های گوناگون مورد توجه قرار گرفته است. برخی از پژوهشگران نیز از مدل های چندفیزیکی پریداینامیک برای تحلیل مسایل انتقال حرارت، انتشار و بررسی رفتار سیالات استفاده کرده اند. تحلیل گسترش آسیب در مواد مرکب و نیز بررسی مسایل ژیومکانیک از دیگر دستاوردهای استفاده از پریداینامیک است. در کنار تمام این موارد، استفاده از پریداینامیک برای بررسی مسایل زیستی نیز در سال های اخیر مورد توجه واقع شده است. در این پژوهش، مقالات منتشر شده با موضوع استفاده از پریداینامیک برای حل مسایل مختلف مرور شده اند.

    کلیدواژگان: پریداینامیک، مکانیک شکست، مدل غیرمحلی، رشد ترک، آسیب
  • محمد بشارتی، سید احمد لاجوردی*، صادق کریم پولی، محمد رضانژاد صفحات 29-60
    با توجه به پیچیدگی های مطالعات آزمایشگاهی رشد ترک در مقیاس حفره، روش های عددی متعددی در تحلیل مسایل محیط های متخلخل استفاده شده است. این روش ها، در مورد نمونه های سه بعدی حجیم با هزینه های محاسباتی زیادی همراه است. بنابراین، ارایه روش هایی جهت کم نمودن هزینه های محاسباتی، اهمیت ویژه ای دارد. یکی از این راهکارها، شبیه سازی فرآیند رشد ترک و شکست به صورت دوبعدی و تعمیم آن به فضای سه بعدی است. در این پژوهش، امکان استفاده از این راهکار در تحلیل فرآیند تخریب مدل های سه بعدی و تخمین سریع تر رفتار ماده بررسی می شود. ابتدا، مدل های شامل یک ترک و یک حفره در نرم افزار آباکوس مدل سازی شده و در ادامه به مدل های پیچیده تر حاوی پنج حفره در آرایش های مختلف، تعمیم یافتند. مسیر رشد ترک و میزان مقاومت کششی مدل های سه بعدی و مقاطع دو بعدی به طور جداگانه محاسبه و مقایسه شدند. همچنین، مقاطع دوبعدی ابتدا در یک صفحه مختصات سه بعدی به یکدیگر الحاق شده و در نهایت در فضای سه بعدی نمایش داده شدند. نتایج نشان داد که مقاطع دوبعدی که شامل بیشترین تعداد حفرات مدل سه بعدی هستند، جواب های بهتری ارایه می دهند. از طرفی، صفحه نهایی شکستگی نمونه در مقاطع دوبعدی همانند مدل سه بعدی است. میانگین مقاومت کششی مقاطع دوبعدی تطابق قابل قبولی با مدل های سه بعدی دارند، به طوری که مقدار مقاومت محاسبه شده در بیشتر موارد، کمتر از 6% با نمونه سه بعدی اصلی اختلاف دارند. نزدیکی نتایج مقاطع دوبعدی با مدل سه بعدی و همچنین کاهش زمان پردازش مساله در حدود 85%، نشان از کارآیی روش پیشنهادی در این پژوهش است.
    کلیدواژگان: محیط متخلخل، رشد ترک، مدل سازی، آباکوس، مقاطع دوبعدی
  • شهرام مقامی*، عبدالله سهرابی، بیدار، نیلوفر باباآدم صفحات 61-82
    روش های عددی یکی از ابزارهای مورد استفاده برای تحلیل پاسخ لرزه ای است، که در این میان روش اجزای مرزی جایگاه ویژه ای دارد. در این پژوهش، مطالعه جامعی بر چگونگی تاثیر ابعاد المان و طول گام زمانی بر پایداری و دقت نتایج روش اجزای مرزی حوزه زمان صورت پذیرفته است. به این منظور دو پارامتر β و L/λ که به طور گسترده در ادبیات فنی برای ارزیابی پایداری روش های عددی شناخته شده اند مورد استفاده قرار گرفته اند. سه محیط همگن، شبه همگن و ناهمگن با تحلیل مجموعا 280 مدل عددی مورد مطالعه قرار گرفته و مشخص شده است که پایداری و دقت نتایج در تحلیل محیط ناهمگن وابستگی اساسی به دو پارامتر مذکور داشته و نتایج قابل قبول تنها هنگامی حاصل می شود که موج در هر گام زمانی فاصله ای در حدود یک چهارم تا نصف طول المان را طی کرده  (β=0.24-0.40) و حداقل یک و نیم گره به ازای طول موج کمینه تعریف شود  (λ/L >1.0). همچنین مشخص شد در تحلیل محیط ناهمگن، ضریب β مربوط به محیطی که سرعت کمتری دارد، تعیین کننده پایداری و دقت نتایج تحلیل اجزای مرزی حوزه زمان خواهد بود.
    کلیدواژگان: پایداری، ناپایداری تناوبی، اجزای مرزی، حوزه زمان، طول گام زمانی، ابعاد المان، پارامتر بتا
  • محمدهادی معتقد، مرتضی بهبهانی*، مازیار چنگیزیان صفحات 83-100
    در تحقیق حاضر یک روش المان مرزی چندقطبی سریع تک‏سطحی اصلاح شده (MSLFMM) برای حل مسایل انتقال حرارت هدایتی با مقیاس بزرگ ارایه شده است. این روش با کاربرد تقریب دوردست (FFA) در روش چندقطبی سریع تک‏سطحی متداول (SLFMM) حاصل شده است. از این تقریب جهت محاسبه ضرایب تاثیر المان‏های دور از هم درون سلول‏های همسایه و همچنین تعیین گشتاور المان‏های درون سلول‏های دور استفاده شده است. انجام این دو مهم نه‏تنها از دشواری روابط محاسباتی و پیچیدگی در برنامه‏نویسی کم می‏نماید، بلکه بر کاهش زمان محاسباتی تاثیر چشمگیری دارد. چندین مثال برای ارزیابی روش پیشنهادی در نظر گرفته شده است. زمان محاسباتی روش پیشنهادی در مقایسه با روش المان مرزی متداول (CBEM)، روش چندقطبی سریع تک‏سطحی متداول و روش چندقطبی سریع چندسطحی (MLFMM) نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که سرعت حل این روش بسیار بالاتر از روش تک‏سطحی متداول بوده و با توجه به سادگی کاربرد آن قابل مقایسه با روش چندسطحی است. در نهایت برای بررسی توانایی روش پیشنهادی جهت حل مسایل پیچیده، انتقال حرارت هدایت دایم درون یک بدنه موتور شبیه‎سازی شده است. مقایسه میان نتایج روش حاضر و نتایج روش حجم محدود (نرم‏افزار فلوینت) بیانگر انطباق مناسب با خطای کمتر از 1/5 درصد است.
    کلیدواژگان: روش المان مرزی، روش چندقطبی سریع، تقریب دوردست، انتقال حرارت هدایت، مقیاس بزرگ
  • جواد رستمی* صفحات 101-116
    در این مقاله انتقال حرارت نانوسیالات در یک میکروکانال با استفاده از مدل یکفازی به روش همگن و مدل دوفازی به روش بونجورنو به صورت عددی حل و با نتایج مدل اویلری-لاگرانژی به عنوان یک روش دقیق، مقایسه شده است. سیال پایه آب و نانوذرات از دو جنس اکسید آلومینیوم و مس هستند. غلظت حجمی نانوذرات تا 2% و قطر آن ها 100 نانومتر و برای پرهیز از افت فشار زیاد در میکروکانال، رژیم جریان آرام و محدوده عدد رینولدز از 250 تا 1000 است. معادلات حاکم شامل پیوستگی، ممنتوم و انرژی به روش حجم کنترل حل شده اند. برای حل معادلات ممنتوم از روش سیمپل استفاده شده است. نتایج نشان می دهند که حداکثر اختلاف نتایج مدل یک فازی همگن با نتایج مدل دوفازی اویلری-لاگرانژی برای نانوسیال آب-اکسد آلومینیوم در رینولدز 1000 و غلظت 2% اتفاق می افتد و برابر با 7/33 درصد و برای نانوسیال آب-مس در رینولدز 250 و غلظت 1% اتفاق می افتد و 6/6 درصد است. همچنین حداکثر اختلاف نتایج مدل بونجورنو با نتایج مدل اویلری-لاگرانژی برای نانوسیال آب-اکسید آلومینیوم در رینولدز 250 و غلظت 2% اتفاق می افتد و برابر با 3 درصد و برای نانوسیال آب-مس در رینولدز 1000 و غلظت 2% اتفاق می افتد و 2/09 درصد است. به این ترتیب با مدل بونجورنو می توان با حداکثر 3% خطا به نتایج روش دقیق اویلری-لاگرانژی دست یافت بدون آنکه به برنامه نویسی به روش پردازش موازی و امکاناتی مانند ابرکامپیوتر نیاز باشد.
    کلیدواژگان: نانوسیال، مدل یک فازی همگن، مدل دوفازی بونجورنو، مدل دوفازی اویلری-لاگرانژی
  • میثم محمدزاده شیرازی*، احسان صابونیها، علیرضا کاظمی، سید شهاب الدین آیت اللهی صفحات 117-136
    رفتار جابجایی نفت و میزان به دام افتادن آن در ناحیه اطراف چاه توسط سیال پیش شوی فرآیند اسیدکاری حایز اهمیت است. در این مطالعه، رفتار ویسکوز و مویینگی جریان دو فازی در مقیاس منفذی با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در این کار یک مدل دو بعدی، بر اساس معادلات میدان فازی کان هیلیارد و ناویر استوکس، ایجاد و با استفاده از روش اجزای محدود حل شد. با توجه به اهمیت نیروهای حاکم در این جابجایی، نمودار فازی براساس عدد مویینگی و نسبت ویسکوزیته تهیه و سپس با کارهای تجربی گزارش شده قبلی مقایسه گردید. پس از شناسایی حداکثر و حداقل دامنه عدد مویینگی (Nc) و نسبت ویسکوزیته (M)، پایدارترین منطقه جابجایی در Log M ≈ 0.5 و Log Nc ≈ -2 قرار گرفت. علاوه بر این، تاثیر چهار متغیر مستقل شامل حجم تزریق  (5>1>PV)، عدد مویینگی (0>Log Nc<-6)، نسبت ویسکوزیته (20.95) در Log M> 0 و 1 π/6 و(2->Log Nc<-4.5) اتفاق می افتد. شایان ذکر است که برای Log M<0، شرایط بهینه در Log M ≈ 0، Log Nc ≈ -3.5، PV ≈ 4 و θ ≈ π/6 رخ می دهد.
    کلیدواژگان: اسید کاری، سیال پیش تزریق، دینامیک سیالات محاسباتی، آنالیز حساسیت، عدد موئینگی
  • مهدی محمودی مهریزی، محمد سفید*، امیرمسعود صالحی زاده صفحات 137-153

    شبیه ‍ ‍‍ سازی عددی مسایل چند فازی با سطوح مشترک پیچیده و جریان های با نسبت چگالی بالا به دلیل پخش ذرات و واگرایی، یکی از چالش های حل عددی می باشد. تحلیل مسایل معدودی با روش هیدرودینامیک ذرات هموار مبتنی بر چگالی برای حل جریان های سطوح مشترک پیچیده صورت گرفته در حالی که اکثر شبیه سازی ها با روش هیدرودینامیک ذرات هموار تراکم ناپذیرانجام شده است. حل جریان های با نسبت چگالی بالا با روش هیدرودینامیک ذرات هموار با پراکندگی ذرات و واگرایی می باشد. برای رفع پراگندگی ذرات از روش های مختلف از جمله یک نیروی دافعه در سطح مشترک و یا روش تخصیص مقدار مجدد چگالی تصحیح شده استفاده شده است ولی مشکل از هم گسیختگی ذرات در سطح مشترک در زمان های بالاتر وجود دارد. در مطالعه حاضر، یک روش جدید هیدرودینامیکی ذرات هموار بر اساس چگالی استفاده شده است. به منظور جلوگیری از پخش ذرات مخصوصا در سطح مشترک در زمان های پایانی از یک روش ساده با حذف ذرات ناسازگار استفاده شده است. همچنین، طرح بهینه سازی جابجایی ذرات به منظور منظم سازی در سطح مشترک دو فاز با اجرای دقیق الگوریتم تغییر دو مرحله به گونه ای ایجاد شده است که توزیع منظم ذرات به طور پیوسته و محافظه کارانه ای حفظ می شود. برای بررسی دقت شبیه سازی، نتایج شبیه سازی عددی جریان های پوازویل دو فاز با نسبت های ویسکوزیته متفاوت، ناپایداری رینولدز-تیلور، بالا رفتن یک حباب در سیال با حل های تحلیلی و عددی مقایسه شده است که دقت و پیوستگی شبیه سازی حاضر بالاتر و یا همسان با دیگر شبیه سازی ها می باشد.

    کلیدواژگان: شبیه سازی، هیدرودینامیک ذرات هموار، جریانهای چند فازی، پخش ذرات
|
  • Pouria Sheikhbahaei, Farshid Mossaiby * Pages 1-28

    In the published studies, peridynamics has been used to simulate crack growth in brittle and quasi-brittle materials, simulation of plastic behaviour and solution of differential equations. With such achievements, the  extent of problems which can be solved using peridynamics is growing. Peridynamics was intended to analyze the impact and the wave propagation problems since its introduction. Due to existence of the characteristic length in peridynamics relations, it has been used to solve problems in various scales. Some researchers have also used peridynamics multiphysics models to analyze heat transfer, diffusion and fluid behavior problems. Analyzing the damage growth in composite materials and investigation of geomechanical problems are among other achievements of using peridynamics. In addition to all these cases, application of peridynamics to biological problems has also received attention in recent years. This paper reviews the studies on the applications of peridynamics in the solution of different problems.

    Keywords: Peridynamics, Fracture mechanics, Nonlocal model, Crack growth, Damage
  • Mohammad Besharati, Seyed Ahmad Lajevardi *, Sadegh Karimpouli, Mohammad Rezanezhad Pages 29-60
    Due to the complexity of laboratory studies of crack growth in pore scale, several numerical methods have been used to analyze the porous media problems. These methods have high computational costs for large 3D samples. Therefore, it is important to provide bypath methods to reduce the computational costs. One of these methods is to simulate the crack growth and failure process in 2D, and generalize it to 3D space. In this research, the possibility of using this method  for failure analysis of 3D models and faster estimation of material behavior is investigated. First, models including one crack and one pore were modeled in ABAQUS software, and then generalized to more complex models containing five pores in different arrangements. Crack growth path and tensile strength of 3D models and 2D sections were calculated and compared separately. Also, the 2D sections were first merged into a 3D coordinate plane and finally displayed in 3D space. The results showed that the 2D sections which include the largest number of pores in the 3D model, provide better results. Moreover, the final fracture plane of the sample in 2D sections is the same as the 3D model. The average tensile strength of 2D sections is acceptable compared to 3D models and shows less than 6% difference from the original models in most cases. The close match between 2D and 3D models, as well as reducing the run time of processing to about 85%, is promising and indicates the efficiency of such methods.
    Keywords: porous media, Crack growth, modeling, Abaqus, Two-dimensional sections
  • Shahram Maghami *, Abdollah Sohrabi-Bidar, Niloufar Babaadam Pages 61-82
    Numerical approaches are one of the best tools for seismic response analysis. In between,  the Boundary Element Method (BEM) has attracted special attention. In this paper, a comprehensive study has been performed to characterize the dependence of stability and accuracy of the time domain BEM on the chosen time step duration and effective length of the elements. To this end, the two parameters β and λ/L, widely known and used in the literature for the investigation of numerical stability and accuracy, have been employed. Three different environments as homogeneous, pseudo-homogeneous and non- homogeneous have been analyzed through total number of 280 numerical models. It is found that the stability and accuracy of the used algorithm is considerably influenced by the mentioned parameters, in a way that stable and accurate results will be achieved merely when the wave travels one-fourth to less than half the element size during each time step (0.24<β<0.4) and also when at least one and a half node is defined per the shortest wave-length (λ/L>1.5). It also became clear that in the modeling of non-homogeneous environments, the β value for the environment with the lowest wave velocity specifies the range of acceptable results.
    Keywords: stability, Numerical Intermittent Instability, Boundary Elements, Time domain, Time Step Duration, Element Size, β Parameter
  • Mohammadhadi Motaghed, Morteza Behbahani-Nejad *, Maziar Changizian Pages 83-100
    A Modified Single-Level Fast Multipole Method (MSLFMM) for large-scale heat conduction problems is presented. This method is obtained by embedding the far-field approximation (FFA) within the traditional single-level fast multipole method (SLFMM). The FFA is used to compute the influence coefficients of the far elements within adjacent cells, and also to determine the moments of the elements within far cells. This approximation not only reduces the difficulty of procedures and programming, but also causes a significant decrease in the CPU time. Several problems are considered to verify and evaluate the proposed method. The computational cost of the MSLFMM is demonstrated by comparing the Conventional Boundary Element Method (CBEM), the SLFMM, and the Multi-Level Fast Multipole Method (MLFMM). It is shown that the MSLFMM is much faster than the SLFMM, and comparable with the MLFMM due to its ease of use. Finally, to check the ability of the proposed method in modeling a complicated problem, steady-state heat conduction in an engine block is solved. The numerical results show a good agreement with those obtained by a Finite Volume Method (FVM), and its difference is less than 1.5%.
    Keywords: boundary element method, Fast Multipole Method, Far-Field Approximation, Heat Conduction, Large-Scale
  • Javad Rostami * Pages 101-116
    In this paper, nanofluid heat transfer in a microchannel has been studied using homogenous and Buongiorno’s models, and compared with Eulerian-Lagrangian model. The base fluid is water and the particles are Al2O3 and Cu with a diameter of 100nm. The volume fraction is up to 2% and Reynolds number is in the range of 250-1000. The governing equations including continuity, momentum and energy, have been solved using a control volume method (SIMPLE). The results show that for Water-Al2O3, the maximum difference between the homogeneous model and the Eulerian-Lagrangian model is 7.5%, and for Buongiorno’s model is 3%. It can be concluded that the Buongiorno’s model has an acceptable accuracy in results, and is simple enough to be used. On the other hand, unlike the Eulerian-Lagrangian, Buongiorno’s model doesn’t need the parallel processing and super computers, and is a good model to predict heat transfer of nanofluids.
    Keywords: Nanofluid, Homogeneous one-phase model, Buongiorno’s two-phase model, Eulerian-Lagrangian two-phase model
  • Meisam Mohammadzadeh Shirazi *, Ehsan Sabooniha, Alireza Kazemi, Shahab Ayatollahi Pages 117-136
    Optimum oil displacement is the most important goal of pre-flush stage during matrix acidizing. In this study, the visco-capillary behavior of the two-phase flow in the pore-scale is analyzed using computational fluid dynamics. A two-dimensional model, based on Cahn–Hilliard phase-field and Navier–Stokes equations, was established and solved using the finite element method. To recognize the effective forces of two-phase flow displacement, a stability phase diagram based on the Logarithm of capillary number (Nc) versus the Logarithm of viscosity ratio (M) was constructed and then compared with the reported experimental data. After identifying both viscous fingering and capillary fingering regions, the most stable displacement region was found to be located at Log M ≈ 0.5 and Log Nc ≈ -2. Furthermore, the impact of four independent variables that critically affect the efficiency of the pre-flush stage, including pore volume of injection (1<PV<5), capillary number (-60.95) occurred at Log M > 0, -4.5 1, and θ> π/6 conditions. It is worth mentioning that for Log M< 0, the optimum condition occurred at Log M ≈ 0, Log Nc ≈ -3.5, PV ≈ 4 and θ ≈ π/6.
    Keywords: Acidizing, Pre-flush fluid, Computational fluid dynamic, Sensitivity analysis, Capillary number
  • Mahdi Mahmoodi Mehrizi, Mohammad Sefid *, AmirMadood Salehizadeh Pages 137-153

    Numerical simulation of multiphase problems with complex interface as well as high density ratios is one of the numerical challenges associated with particle scattering and divergence. Fewer problems have been performed with density-based smooth particle hydrodynamics (WCSPH) to solve complex joint surface currents, and most simulations have been performed using Incompressible Smooth Particle Hydrodynamics (ISPH). Solution of high density flows by the smooth particle hydrodynamics is associated with particle dispersion and divergence. Various methods have been used to eliminate the scattering of particles, such as a repulsive force at the interface or the corrected density re-value, but there is a problem of particle disintegration at the interface at higher times. In the present simulation, to simulate multiphase flows with complex surfaces and high density ratios, a new density-based smooth particle hydrodynamics approach has been utilized. To prevent the scattering of particles, especially at the interface at the end times, a simple method with the removal of incompatible particles is used. In the present study, the particle displacement optimization scheme for regularization at the interface of the phase is created by precisely implementing a two-stage change algorithm, so as to maintain the regular particle distribution continuously and conservatively. To examine the accuracy of the present simulation method, it is firstly compared with two-phase Poiseuille flow with three fluids having different values of viscosity, Reynolds-Taylor instability and single bubble rising in a fully filled container., Then it is compared with analytical and numerical solutions. The accuracy and consistency of the current simulation is higher or equal to other simulations.

    Keywords: Smooth particle Hydrodynamic, Multiphase flows, simulation, Diffusion of particles