Numerical study on performance of perforated breakwater for green water

In this work, the influence of the geometry of lightweight perforated breakwaters on their performance against green water impact loads is investigated systematically through a series of numerical simulations. For this purpose, a fully Lagrangian meshfree particle-based method is adopted to model transient and impulsive hydrodynamic phenomenon with free surface and complex geometry. The green water flow is represented by a dam-break problem; the breakwater is modeled as a perforated plate and the protected installation as a vertical wall. Computed impact force, moment, and impulse on the breakwater and protected wall show nonlinear effects, and the main geometric parameter is the open-area ratio. In addition, the increase in the breakwater height is effective only for low open-area ratios. The influence of the arrangement of the holes are also investigated. Different flow patterns are obtained for small and large gaps between the breakwater and the wall. The relation between the loads on the breakwater and the wall also provides the basis for the optimal design of the breakwater, considering the tolerant hydrodynamic loads of protected structures.Comment: 37 pages, 27 figure

A comparison between weakly-compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) and moving particle semi-implicit (MPS) methods for 3d dam-break flows

Lagrangian particle-based methods have opened new perspectives for the investigation of complex problems with large free-surface deformation. Some well-known particle-based methods adopted to solve non-linear hydrodynamics problems are the smoothed particle hydrodynamics (SPH) and the moving particle semi-implicit (MPS). Both methods modeled the continuum by a system of Lagrangian particles (points) but adopting distinct approaches for the numerical operators, pressure calculation, and boundary conditions. Despite the ability of the particle-based methods in modeling highly nonlinear hydrodynamics, some shortcomings, such as unstable pressure computation and high computational cost remains. In order to assess the performance of these two methods, the weaklycompressible SPH (WCSPH) parallel solver, DualSPHysics, and an in-house incompressible MPS solver are adopted in this work. Two test cases consisting of threedimensional (3D) dam-break problems are simulated, and wave heights, pressures and forces are compared with available experimental data. The influence of the artificial viscosity on the accuracy of WCSPH is investigated. Computational times of both solvers are also compared. Finally, the relative benefits of the methods for solving free-surface problems are discussed, therefore providing directions of their applicability.Comment: 26 pages, 12 figure

ESTUDO NUMÉRICO DA HIDRODINÂMICA DE ANTEPARAS INCLINADAS E PERFURADAS PARA A PROTEÇÃO DO IMPACTO DE ONDAS

Esforços provocados pelo impacto de ondas são ameaças à segurança e operação de estruturas costeiras e oceânicas e, com isso, diversos dispositivos de proteção têm sido desenvolvidos. Dentre as formas de proteção existentes, estruturas no formato de anteparas verticais, em V, inclinadas ou perfuradas são utilizadas devido à sua praticidade e eficiência. Com o objetivo de investigar o desempenho das anteparas inclinadas e perfuradas na proteção de estruturas costeiras e oceânicas, um método lagrangeano de simulação baseado em partículas, denominado Moving Particle Simulation (MPS), é utilizado neste trabalho para modelar e simular o fenômeno hidrodinâmico transiente e impulsivo. A antepara de proteção é modelada como uma parede retangular inclinada e perfurada por furos circulares, e a região a ser protegida é modelada como uma parede retangular vertical. Valores de força, momento e impulso na antepara e parede protegida são analisados para verificar os efeitos da quantidade e dimensão dos furos (porosidade) e inclinação da antepara em relação a vertical, na mitigação dos esforços provocados pelo impacto da onda. Palavras-chave: Anteparas perfuradas, Anteparas inclinadas, Impacto de ondas, Moving Particle Simulation, Método de partículas

UM MODELO DE CONTATO SÓLIDO-SÓLIDO PARA O MÉTODO DE PARTÍCULAS MOVING PARTICLE SIMULATION

Problemas de interação fluído-estrutura com presença de superfície livre e sólidos livres para deslocar são fenômenos hidrodinâmicos altamente não lineares e de elevada complexidade, que trazem grandes desafios para a modelagem e simulação computacional. Nos casos de contato ou colisão entre sólidos, normalmente é necessário realizar algum tratamento específico para impedir a penetração entre corpos. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é contribuir para o desenvolvimento de uma técnica de simulação dos fenômenos hidráulicos e costeiros que envolvem a interação entre fluídos e sólidos apresentando um modelo de contato sólido-sólido para o método Moving Particle Simulation (MPS). O MPS é um método baseado na discretização do domínio em partículas, sem utilização de malha, e capaz de modelar geometrias complexas com grandes deslocamentos e deformação, incluindo superfícies livres com fragmentação e junção de fluídos e presença de multicorpos. O modelo de contato sólido-sólido proposto visa estender as funcionalidades do MPS, simplificando forças interfaciais por meio de um sistema massa-mola-amortecedor, de forma a reproduzir as propriedades macroscópicas da interação entre multicorpos. Comparações entre resultados numéricos e analíticos são realizados para calibração de constantes do modelo. O modelo é aplicado para um caso de carregamento de sólido livre em escoamento com superfície livre, e comparado com resultados numéricos e experimentais

Computer simulation of elastic behavior of materials by the particle method Moving Particle Semi-Implicit (MPS).

Neste trabalho um método de partículas para simular a dinâmica de sólidos elásticos e interação fluido estrutura e implementado. O método e baseado no Moving Particle Semi-implicit (MPS), originalmente desenvolvido para escoamentos incompressíveis com superfície livre. A estratégia principal do MPS e substituir os operadores diferenciais das equações governantes por operadores diferenciais discretos em uma distribuição de nos irregulares, derivados de um modelo de interação entre partículas. Inicialmente são apresentados os detalhes da formulação do método e modelos constitutivos utilizados. Uma condição simplificada de fragmentação e proposta, assim como um algoritmo de detecção de contato, permitindo a fragmentação entre vários sólidos. No caso da interação fluido-estrutura, as partículas de superfície do solido são tratadas como partículas de fluido e as pressões destas partículas são calculadas pela resolução da equação de Poisson para a pressão, tal como as partículas de fluido. Desta forma, o acoplamento entre solido e fluido e realizado utilizando o deslocamento e velocidade do solido elástico, como condições de contorno do fluido, e a pressão na interface, obtida pela resolução do movimento do fluido, e aplicada ao movimento do solido elástico. São apresentados e detalhados os algoritmos de solido elástico, fragmentação, colisão e acoplamento fluido-estrutura. Validações qualitativas e quantitativas do método são realizadas para casos estáticos e dinâmicos sujeitos a diferentes condições de contorno, comparando os resultados numéricos obtidos pelo MPS, outros métodos numéricos, soluções analíticas e medições experimentais presentes na literatura.In this work a particle method to simulate the dynamics of elastic solids and fluid-structure interaction is implemented. It is based on the Moving Particle Semi-implicit Method (MPS), which was originally developed for incompressible flows with free surface. The main strategy of the MPS is to replace the differential operators of the governing equations by discrete differential operators on irregular nodes, which are derived from a model of interaction between particles. Initially details of the method and constitutive equations are shown. A simplified condition of fragmentation and collision between solids are proposed to allow the investigation of fragmentation amount multiple solids. In case of fluid-structure interaction, the solid\'s surface particles are treated as a fluid particle and the pressures of the surface particles are computed by solving Poisson equation for the pressure, just as the fluid particles. Therefore, the coupling between solid and fluid is done by using the displacement and velocity of elastic solid as the boundary conditions of the fluid, and the pressure at the interface, which is obtained when solving the fluid motion, is used to calculate the motion of the elastic solid. The algorithms for elastic solid, fragmentation, collision and fluid-structure interaction are presented and detailed. The qualitative and quantitative validations of the method are carried out herein considering static and dynamic cases subjected to deferent boundary conditions by comparing the numerical results from MPS with other numerical, analytical and experimental results available in the literature

Modelagem numérica da interação fluido-estrutura: cálculo de pressão consistente no tempo, contato entre corpos rígidos e acoplamento entre métodos de partícula e malha.

This thesis is devoted to developing efficient computational solutions based on meshless particle-based methods for complex fluid-structure interaction (FSI) in free-surface flow from two different ways, namely, the truly incompressible and weakly-compressible approaches. Overall, the main contributions of this thesis can be summarized into three distinct parts: I. Proposal of a new approach from the viewpoint of the momentum conservation regarding particle-level collisions to derive new source terms of pressure Poisson equation (PPE) of the moving particle semi-implicit (MPS) method. The new source terms depend directly on the spatial discretization and are independent to the time step, i.e., a direct consequence is the time-consistent computation of the pressure. The effectiveness of the proposed approach, namely time-scale correction of particle-level impulses (TCPI), is demonstrated through the simulations of hydrostatic and hydrodynamic problems. II. A numerical solid contact model adopting a penalty-based method, that uses a nonlinear spring and dashpot concept, is proposed for the incompressible MPS. To address some geometrical anomalies such as non-smooth modeling of a plane, which may occur when using particles to represent the shell of the rigid bodies, an approach based on the faces of the bodies and contact force computed taken into account the normal vectors of solid walls is derived. The improvements on stability and accuracy computations are investigated by problems involving free-surface flow interacting with multiple bodies. III. Development of a 3D coupled particle-mesh model. An improved weakly-compressible moving particle semi-implicit (WC-MPS) to solve transient violent free-surface flows is coupled with a geometrically exact shell model for nonlinear structural dynamic. Besides enhancements on the stability and accuracy of WC-MPS, a stable repulsive Lennard-Jone force, discrete divergence operators with proper modifications, and a simple technique to avoid false interaction between particles placed at opposite sides of thin shell are introduced in the explicitly represented polygon (ERP) wall boundary model. Hydroelastic simulations are conducted to verify the robustness and accuracy of the coupled model.Esta tese é dedicada ao desenvolvimento de modelos computacionais eficientes e baseados nos métodos de partículas sem malha para o complexo fenômeno de interação fluido-estrutura (IFS) em escoamentos com presença de superfície livre considerando as abordagens incompressíveis e fracamente compressíveis. As principais contribuições desta tese podem ser resumidas em três partes distintas: I. Proposta de uma nova abordagem do ponto de vista da conservação da quantidade de movimento relativa às colisões no nível de partículas, obtendo novos termos fonte para equação de Poisson para a pressão (EPP) no método de partículas moving particle semiimplicit (MPS). Os novos termos fonte dependem diretamente da resolução espacial e são independentes do passo de tempo, ou seja, resultam no cálculo consistente no tempo da pressão. A eficiência da abordagem proposta, denominada time-scale correction of particle-level impulses (TCPI), é demonstrada através de simulações de problemas hidrostáticos e hidrodinâmicos. II. Um modelo numérico de contato entre sólidos que adota o método das penalidades, usando um modelo não linear de mola-amortecedor, é proposto para o MPS incompressível. Visando eliminar algumas anomalias geométricas, como a modelagem não suave de um plano que pode ser induzida pelo uso de partículas para representar as faces dos corpos rígidos, é proposta uma abordagem baseada nas faces dos corpos e na força de contato calculada levando-se em conta os vetores normais de paredes sólidas. As melhorias na estabilidade e precisão numéricas são investigadas através de vários problemas envolvendo escoamentos com presença de superfície livre interagindo com múltiplos corpos rígidos. III. Desenvolvimento de um modelo 3D acoplado de partícula-malha. O método de partículas weakly-compressible moving particle semi-implicit (WC-MPS) é aprimorado e utilizado nos escoamentos com superfície livre e acoplado a um modelo de casca geometricamente exato para simular a dinâmica estrutural não linear. Além de aprimoramentos na estabilidade e precisão do WC-MPS, uma força estável e repulsiva de Lennard-Jones, operadores discretos de divergente com modificações apropriadas e uma técnica simples para evitar a interação errônea entre partículas posicionadas em lados opostos das paredes finas são introduzidos no modelo explicitly represented polygon (ERP) wall boundary. Simulações envolvendo hidroelasticidade são realizadas para verificar a robustez e precisão do modelo acoplado