Research Article
BibTex RIS Cite

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

Year 2017, Volume: 3 Issue: 2, 64 - 69, 31.07.2017
https://doi.org/10.21324/dacd.292347

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.

References

  • Bathe K.J., (1982), Finite element procedures in engineering analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 735ss.
  • 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.
  • 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.
  • Dowell E. H., Hall K. C., (2001), Modeling of fluid–structure interaction, Annu. Rev. Fluid Mech., 33 (1), 445–490.
  • 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.
  • Khayyer A., Gotoh H., (2008), Development of CMPS method for accurate water-surface tracking in breaking waves, Coast. Eng. J., 50(2), 179–207.
  • 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.
  • Khayyer A., Gotoh H., (2011), Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method, J. Comput. Phys., 230(8), 3093–3118.
  • 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.
  • Koshizuka S., Oka Y., (1996), Moving particle semi-implicit method or fragmentation of incompressible fluid, Nucl. Sci. Eng., 123, 421–434.
  • 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.
  • Tanaka M., Masunaga T., (2010), Stabilization and smoothing pressure in MPS method by quasi-compressibility, J. Comput. Phys., 229(11), 4279–4290.
  • Tezduyar T., Bazilevs Y., (2008), Fluid–structure interaction, Comput. Mech., 43, 1–189.

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

Year 2017, Volume: 3 Issue: 2, 64 - 69, 31.07.2017
https://doi.org/10.21324/dacd.292347

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.

References

  • Bathe K.J., (1982), Finite element procedures in engineering analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 735ss.
  • 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.
  • 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.
  • Dowell E. H., Hall K. C., (2001), Modeling of fluid–structure interaction, Annu. Rev. Fluid Mech., 33 (1), 445–490.
  • 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.
  • Khayyer A., Gotoh H., (2008), Development of CMPS method for accurate water-surface tracking in breaking waves, Coast. Eng. J., 50(2), 179–207.
  • 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.
  • Khayyer A., Gotoh H., (2011), Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method, J. Comput. Phys., 230(8), 3093–3118.
  • 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.
  • Koshizuka S., Oka Y., (1996), Moving particle semi-implicit method or fragmentation of incompressible fluid, Nucl. Sci. Eng., 123, 421–434.
  • 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.
  • Tanaka M., Masunaga T., (2010), Stabilization and smoothing pressure in MPS method by quasi-compressibility, J. Comput. Phys., 229(11), 4279–4290.
  • Tezduyar T., Bazilevs Y., (2008), Fluid–structure interaction, Comput. Mech., 43, 1–189.
There are 13 citations in total.

Details

Subjects Engineering
Journal Section Research Articles
Authors

Abdullah Demir

Ali Ersin Dinçer

Publication Date July 31, 2017
Submission Date February 15, 2017
Acceptance Date May 30, 2017
Published in Issue Year 2017Volume: 3 Issue: 2

Cite

APA Demir, A., & Dinçer, A. E. (2017). MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması. Doğal Afetler Ve Çevre Dergisi, 3(2), 64-69. https://doi.org/10.21324/dacd.292347
AMA Demir A, Dinçer AE. MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması. J Nat Haz Environ. July 2017;3(2):64-69. doi:10.21324/dacd.292347
Chicago Demir, Abdullah, and Ali Ersin Dinçer. “MPS Ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması”. Doğal Afetler Ve Çevre Dergisi 3, no. 2 (July 2017): 64-69. https://doi.org/10.21324/dacd.292347.
EndNote Demir A, Dinçer AE (July 1, 2017) MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi 3 2 64–69.
IEEE A. Demir and A. E. Dinçer, “MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması”, J Nat Haz Environ, vol. 3, no. 2, pp. 64–69, 2017, doi: 10.21324/dacd.292347.
ISNAD Demir, Abdullah - Dinçer, Ali Ersin. “MPS Ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması”. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi 3/2 (July 2017), 64-69. https://doi.org/10.21324/dacd.292347.
JAMA Demir A, Dinçer AE. MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması. J Nat Haz Environ. 2017;3:64–69.
MLA Demir, Abdullah and Ali Ersin Dinçer. “MPS Ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması”. Doğal Afetler Ve Çevre Dergisi, vol. 3, no. 2, 2017, pp. 64-69, doi:10.21324/dacd.292347.
Vancouver Demir A, Dinçer AE. MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması. J Nat Haz Environ. 2017;3(2):64-9.