موج شکن ها سازه هایی هستند که برای حفاظت از سواحل وکاهش انرژی ناشی از امواج احداث شد ه اند و با توجه به استفاده فراوان از آن ها، تحلیل جریان در اطراف این سازه ها از اهمیت ویژ ه ای برخوردار است. در این پژوهش مدل سازی موج شکن صلب روی بستر با شیب ترکیبی با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار و کد SPHysics انجام شد. تأثیر پارامتر های مختلف از جمله تغییر در عمق آب، زمان تناوب موج، تیزی موج، شیب بدنه و نوع ساختار بدنه موج شکن روی بالاروی موج که از پارامتر های اصلی در طراحی موج شکن ها است، بررسی شده است. نتایج بیان کننده این واقعیت است که با افزایش زمان تناوب، عمق و شیب بدنه موج شکن میزان بالاروی موج افزایش می یابد، همچنین صحت سنجی نتایج با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی ارزیابی شد. نتایج نشان دهنده تطابق مناسب روش عددی و آزمایشگاهی بود. علاوه بر این، به منظور بررسی تغییرات میزان بالاروی موج در موج شکن های صلب نسبت به مدل مشابه توده سنگی، نتایج حاصل از کار عددی انجام شده با مطالعات آزمایشگاهی انجام شده روی موج شکن های توده سنگی با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج حاصل از بالاروی موج در موج شکن نفوذپذیرناپذیر (صلب) و موج شکن نفوذپذیر با سطح زبر (موج شکن توده سنگی) بیان کننده افزایش بالاروی در حدود 40 درصد در حالت موج شکن صلب دارد.

در این مقاله از یک مدل عددی بدون شبکه بنام هیدرودینامیک ذرات هموار نسبتا تراکم پذیر (WCSPH) برای شبیه سازی روند شکست موج تنها بر روی ساحل شیب دار استفاده شده است. این مدل دو بعدی بوده و سیال را به صورت کمی تراکم پذیر در نظر می گیرد و علاوه بر حل معادلات حاکم بر سیال لزج برای به دست آوردن میدان سرعت و چگالی، از حل معادله حالت برای به دست آوردن فشار استفاده می کند. این مساله باعث کاهش حجم محاسبات نسبت به روش پایه مدل هیدرودینامیک ذرات هموار می شود. برای شبیه سازی آشفتگی سیال در روند شکست موج از مدل آشفتگی SPS که به وسیله تئوری شبیه سازی گردابه های بزرگ (LES) به دست آمده، استفاده شده است. در تحقیق حاضر، برای بررسی دقت مدل در شبیه سازی سطح آزاد ابتدا مدلسازی شکست سد انجام شد و نتایج مدل با نتایج آزمایشگاهی Martin و (1952) Moyce مقایسه شد. سپس برای معتبرسازی مدل آشفتگی، نتایج پدیده شکست سد توسط مدل با نتایج آزمایشگاهی  (2005) Issaمورد مقایسه قرار گرفت. این مقایسه ها نشان داد که مدل تهیه شده ابزاری قوی جهت شبیه سازی رفتار جریان سیال آشفته است. در انتها تغییرات یک موج تنها در حال شکست بر روی ساحل شیب دار مدل سازی شده و نتایج مورد بحث قرار گرفت.

روش هیدرودینامیک ذرات هموار در زمره روش های عددی است که توجه بسیاری از محققان را در سال های اخیر جلب نموده است. این روش، روشی لاگرانژی مبتنی بر حرکت ذرات و در زمره روش های بدون شبکه قلمداد می شود. در این روش شرایط قرارگیری اولیه ذرات می تواند نقش مهمی در کاهش خطاهای عددی و کارایی محاسبانی آن داشته باشد. در این پژوهش با مبنا قراردادن مدل‎سازی موج که از جمله متعارف ترین پدیدهای هیدرولیکی و با بهره گیری از تجارب مدل‎سازی های پیشین، شش توزیع بهینه و متداول ذرات شامل، توزیع مربعی SC، توزیع مثلثی Triangular، توزیع بر اساس الگوریتم WVT، توزیع براساس الگوریتم Greedy یا حریص، توزیع شش ضلعی Hexagonal و توزیع بر اساس الگوریتم فیبوناچی Fibonacci، مورد بررسی قرارگرفته است. بر اساس نتایج حاصل از بررسی فشار، سرعت و تراز سطح آزاد سیال مدل در محل گِیج های مرجع مدل آزمایشگاهی، مشخص گردید که چیدمان های مربعی، مثلثی، WVT، Greedy، Hexagonal و Fibonacci به ترتیب دارای خطای مدل‎سازی معادل با 13.85%، %13.75، %12.63، %13.24، %9.07 و 9.37% بوده است و دو توزیع اولیه شش ضلعی و فیبوناچی دارای خطای مدل‎سازی کمتر از 10% می باشد و به عبارتی دارای بهترین عملکرد در به کارگیری روش SPH در راستای بهبود کارایی مدل عددی بوده است.

در این مقاله به منظور استخراج یک فرمول تجربی برای تعیین دامنه بیشینه امواج تنها در محل خط ساحلی برای سواحل با شیب غیرخطی (پروفیل توانی) از مدل سازی عددی امواج استفاده شد. در این راستا، برای مدل سازی تاثیر غیرخطی بودن شیب سواحل در مقایسه با حالت خطی آن بر بالاروی امواج تنها از روش عددی SPH استفاده گردید. همچنین خصوصیات هیدرودینامیکی موج، در زمان های قبل و هنگام برخورد موج تنها به ساحل و لحظه بیشترین ارتفاع (بالاروی) موج بررسی شد. مقایسه نتایج شبیه سازی بالاروی امواج تنها بر شیب خطی ثابت نشان داد که درصد خطای روش حاضر نسبت به داده های آزمایشگاهی موجود حدود 5/3 درصد است. بنابراین روش عددی SPH ارایه شده برای شبیه سازی بالاروی امواج تنها از سطوح شیبدار مناسب است. همچنین نتایج نشان داد که نسبت بالاروی امواج تنها از سواحل با شیب غیرخطی به شیب خطی، با افزایش توان انحنای شیب، به صورت غیرخطی کاهش می یابد. در نهایت یک فرمول جدید برای تعیین بالاروی امواج تنها از شیب های غیرخطی نسبت به شیب های خطی ساحلی ارایه گردید.

بالاروی موج یکی از عوامل مهم در طراحی سازه های ساحلی است و تخمین مناسب آن در تعیین تراز طراحی سازه های دریایی تاثیر دارد. بالاروی و شکست موج، باعث تغییرات و بهم ریختگی زیاد سطح آب می شود که با توجه به قابلیت روش هیدرودینامیک ذرات هموار در شبیه سازی این پدیده، از این روش در پژوهش حاضر استفاده شده است. یکی از عوامل تأثیرگذار بر بالاروی، تنش بستر است که اعمال آن می تواند باعث بهبود نتایج گردد. در این راستا، در این پژوهش با معرفی دو رویکرد جدید، مدل عددی SPH بگونه ای توسعه یافت که نیروی اصطکاک با دو رویکرد متفاوت به ذرات مجاور مرز اعمال گردد. نتایج این مدل با روابط تحلیلی-تجربی معتبر مقایسه و مشاهده گردید که با تصحیح مدل، دقت افزایش یافته و میزان بالاروی با مقدار خطای کم تری ارزیابی می گردد. بر اساس نتایج به دست آمده، اعمال نیروی اصطکاک تأثیر بسزایی بر پاسخ ها دارد و میزان بهبود نتایج وابسته به هندسه و شرایط موج است. اگر بالاروی همراه با لغزش موج روی سطح بستر باشد، تاثیر اعمال نیروی اصطکاک بر بهبود نتایج افزایش می یابد به نحوی که در بعضی از مدل ها خطای 90 درصدی را به 6 درصد کاهش می دهد. با توجه به هزینه محاسباتی بالای روش SPH نسبت به سایر روش های مرسوم عددی، از قابلیت پردازش موازی و استفاده از ظرفیت کارت گرافیک به منظور کاهش زمان محاسبات استفاده شد. همچنین، برای ارزیابی عملکرد این مدل، هزینه محاسباتی گام های مختلف روش توسعه یافته در هر دو شرایط استفاده و عدم استفاده از پردازش موازی با یکدیگر مقایسه گردید.

شکست موج پدیده­ ای است که در جریان­ های مخاطره­ آمیز سیلاب اتفاق می­ افتد. از این رو شبیه­ سازی چنین جریان­ هایی با روشی مناسب از اهمیت ویژه­ ای برخوردار است. در این تحقیق شکست امواج روی بستر ناهموار با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار­ شده تراکم­ ناپذیر (ISPH) مدل­ سازی شده است. روش ISPH یک روش لاگرانژی و مبتنی بر ذره بوده که برای مدل­ سازی جریان دارای سطوح آزاد پیچیده قدرتمند می­ باشد. معادله­ های حاکم در این مدل، معادله­ های بقای جرم و اندازه حرکت (معادله­ های ناویر استوکس) می­ باشند که با روش دو گام جزیی حل شده اند. به­ منظور بررسی کارایی مدل حاضر، مسئله شکست سد درکانال با مانع با انتهای باز و بسته مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج مدل­ سازی نشان می­ دهد که بسیاری از پدیده­ های پیچیده که در جریان­ های دارای امواج شکننده اتفاق می­ افتند، به خوبی با روش ISPH قابل مدل­ سازی است. حداکثر خطای به­ دست آمده با مقایسه نتایج مدل عددی و داده­ های آزمایشگاهی، 3/15 درصد محاسبه شده است که نشان­ دهنده دقت خوب مدل ISPH برای شبیه­ سازی مسائل پیچیده مانند جریان­ های ناشی از سیلاب در شکست سد می­ باشد.

در مطالعه حاضر، شبیه سازی عددی جریان سطح آزاد و اندرکنش موج-اجسام شناور با استفاده از یک روش هیدرودینامیک ذرات هموار کاملاً تراکم ناپذیر بر پایه ایده تراکم پذیری مصنوعی انجام شده است. معادلات حاکم دوبعدی در فرمولاسیون متغیرهای اولیه، با استفاده از روش تراکم پذیری مصنوعی کورین در چهارچوب مرجع لاگرانژی بیان شده تا یک الگوریتم هیدرودینامیک ذرات هموار مناسب برای حل جریان های تراکم ناپذیر ارائه شود. از یک شیوه ضمنی دوزمانه برای انتگرال گیری در زمان با قابلیت حل مسائل گذرا استفاده شده است. برخلاف روش کلاسیک تراکم پذیر جزئی، روش فوق با مشکلات تقریب های شرایط تراکم ناپذیری که باعث ایجاد محدودیت در گام زمانی و نوسانات نادرست در میدان جریان می شود، مواجه نیست. برخلاف الگوریتم تصویرسازی هیدرودینامیک ذرات هموار، روش فوق نیازی به حل با تکرار معادله پواسون فشار ندارد و میدان فشار به صورت محلی از حل معادلات حاکم محاسبه می شود. دقت روش فوق با حل یک مسأله نمونه دوبعدی جریان تراکم ناپذیر در مخزن هیدرواستاتیک نشان داده شده است. در ادامه، اثر متقابل امواج و شناورها در جریان سطح آزاد شبیه سازی شده و نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاهی و عددی موجود مقایسه شده اند. این مطالعه نشان می دهد که روش هیدرودینامیک ذرات هموار بر پایه تراکم پذیری مصنوعی به کار گرفته شده برای حل مسائل جریان تراکم ناپذیر سطح آزاد و اندرکنش موج-اجسام شناور از دقت و انعطاف پذیری خوبی برخوردار است.