Discrete modeling of coupled flow-deformation response of granular soil media
Granüler zemin ortamının birleşik akış-deformasyon tepkisinin ayrık modellenmesi
- Tez No: 880756
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Zeminlerin yük altındaki deformasyon davranışı, yapılarından dolayı oldukça farklı özellik gösterir. Zeminin doğası gereği bu davranış özelliği makro ve mikro ölçekte farklı olmaktadır. Makro ölçekteki zemin davranışına etki eden mikro ölçekteki davranışın incelenmesi için danesel bazda hesaplama yapabilen sayısal yöntemlere ihtiyaç vardır. Zeminlerin mikro ölçekte incelenmesi için danesel davranışını baz alan ayrık eleman yöntemi (AEY) bu anlamda önemli bir araçtır. Aynı zamanda zeminler boşluk suyuna sahip olduğundan dolayı mikro ölçekteki bu davranış incelenirken, akışkanlar dinamiğini ele alan sayısal yöntemlerin AEY ile birleştirilerek hesap yapılması gereklidir. Laboratuvar deneyleri ile mekanik özellikleri bulunabilen zeminlerin dinamik etkiler altındaki davranışları, ilgili özelliklerin sayısal yöntemlerle hesaplanması yoluyla incelenebilmektedir. Hesaplamalı yöntemler kullanılarak zeminlerin sayısal modellenmesi, gelecekteki zemin davranışını ve dinamik etkilerden kaynaklanan potansiyel hasarları tahmin etmek için kullanılabilecek kuvvetli bir araç sağlar. Bu tezde granüler zeminlerin dane boyutunda davranışını incelemek amacıyla kullanılan AEY ile akışkanlar dinamiği davranışının analizini yapabilmek için kullanılan sayısal yöntemler konu edinilmiştir. AEY, geleneksel süreksiz yöntemlerle zor olan belirgin deformasyonları tespit etmek ve bireysel parçacık hareketlerini modellemek için kullanılmaktadır. Ayrıca, mikro ölçekte boşluklu malzemenin katı iskeletini modellenebilmektedir. AEY, cisim kuvvetleri, parçacık temasları ve parçacıklar üzerindeki akış kuvvetleri gibi kuvvetleri dikkate alır. Komşu parçacıklar arasındaki etkileşimi sınırlamak için sabit bir zaman adımı kullanır. AEY'de danelerin etkileşimlerin Newton'un ikinci yasası ve temas noktalarındaki kuvvet-deplasman ilişkisini kullanılarak ayrı ayrı modellenmektedir. AEY'nin çalışma prensipleri, hesap adımları ve kullanılan farklı temas modellerine değinilmiştir. Ayrıca, AEY ile günümüze kadar yapılan bazı çalışmalar sunulmuştur. Çalışmada akışkan davranışını modellemek için Lattice-Boltzmann Yöntemi(LBY) kullanılmıştır. LBY, zaman, uzay ve momentumun ayrıklaştırılmasını içeren Boltzmann teorisinden türetilmiş bir yöntemdir. Yöntemde, akışkan sistemi hücrelere halinde ayrıklaştırılır. Modellenmek istenen akışkan probleme göre farklı hücreler kullanılmaktadır. Bu, hücreler problemin boyutuna ve ayrıklaştırılmak istenen hız vektörlerine göre değişiklik gösterir. Hücre içerisinde ayrıklaştırılan akışkan davranışı belirlenen zaman adımı ile tekrarlanarak hesaplamalar yapılmaktadır. Detaylı hesap adımları ve yöntemin dayandığı ilkeler çalışma kapsamında sunulmuştur. Katı ve sıvı ortamın ayrıklaştırılmasında kullanılan AEY ve LBY'nin birleşik olarak kullanılması, yalnızca katı bir ortamdaki partiküllerin hareketini değil aynı zamanda akış ortamındaki etkileşimlerini de hassas bir şekilde simüle etmek için güçlü bir araçtır. Bu birleşik yöntem, geoteknik mühendisliği alanında gerçekçi ve kapsamlı sonuçları ortaya koyar. Bu sebeple, çalışma kapsamında sunulan katı ve sıvı fazın bir arada bulunduğu örnekte bağlaşık LBY-AEY yöntemi kullanılmıştır. Yöntemlerin bağlaşık olarak kullanıldığı bazı çalışmalar ve çalışma mekanizmasına bu tezde sunulmuştur. Çalışmada bu yöntemlerin mekanizmaları ve dayandıkları prensiplere değinilmiş, katı dane ve akışkan fazları içeren çok fazlı geçirgen ortamı incelemek için sadece katı faz, sadece akışkan faz ve katı ile akışkan fazlar arasındaki etkileşim dikkate alınarak farklı örnekler sunulmuştur. Sunulan ilk problemde, sadece katı faz içeren MechSys açık kaynak yazılımının kullanıldığı ve dairesel parçacıkların AEY yöntemini kullanarak dinamik etkileşimlerinin gösterildiği bir çalışmayı içermektedir. Simülasyonlara ait görseller VisIt yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Bu problemde, AEY yöntemi kullanılarak enerji ve momentumun korunumunu incelenmiştir. Örnek problemin zaman bağlı hesaplamaları için seçilen zaman adımının analiz sonuçlarının doğruluğunu ve gerçeğe yakınlığını önemli ölçüde etkileyen belirleyici bir faktördür. Bu sebeple, problemdeki fiziksel hesaplarda farklı zaman adımları kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar ve hata oranları karşılaştırılmıştır. Ölçülmek istenen fiziksel büyüklükler için seçilmesi gereken zaman adımlarının farklı olması gerektiği problemlerde sunulan enerji ve momentum korunum hesaplarının sonuçlarındaki farklılıklar doğrultusunda ortaya konulmuştur. Ayrıca, birden fazla büyüklüğün aynı anda hesaplanabilmesi için uygun zaman adımın nasıl seçilmesi gerektiğine dair öneriler sunulmuştur. Diğer bir katı faz problemi olan doygun olmayan zemin numunelerinin iki eksenli basınç testi AEY ile çözüm yapan PFC-2D yazılımı kullanılarak modellenmiştir. . Gevşek ve sıkı olarak iki ayrı model kullanılmıştır. Modeller oluşturulurken, zemin davranışının gerçekçi temsilinde temel olan parçacık örtüşme olasılığını dikkate alınmıştır. Modellenen basınç testi sırasında numunelerin gerilme-şekil değiştirme eğrileri, gerilme ve şekil değiştirmenin zamana bağlı değişimleri iki numune içinde incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Gevşek ve sıkı numunelere ait eğriler arasındaki dayanım farklılıkları ortaya konulmuştur. Danelerin bireysel mekanik özellikleri tanımlanarak yapılan analizler ile numunenin bütünsel mekanik özellikleri elde edilmiştir. Akışkanların dinamik davranışının incelendiği sadece sıvı faz içeren, boşluk suyunun incelendiği bir problem sunulmuştur. Sunulan problem, MechSys yazılımı bünyesinde bulunan Lattice-Boltzmann Yöntemi(LBY) ile analiz edilmiştir. Sonuçlara ait görseller VisIt yazılımı ile elde edilmiştir. Örnekte, iki boyutlu ortamda silindir bir tüp içerisinde bulunan sabit bir engelin etrafında sağlanan akışın simülasyonu incelenmiştir. LBY ile sadece sıvı fazdaki akışkanlar için değil aynı zamanda gaz halindeki akışkanların da analizleri gerçekleştirilebilmektedir. Bu sebeple, verilen örnekte farklı hücre modelleri kullanılmıştır. Analizler sonucunda, seçilen hücre modelinin analizin sonuçları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ek olarak, farklı Reynolds sayılarına sahip akışkanların yer aldığı kapsamlı bir parametrik analiz gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, akışkanın zamana bağlı hız vektörlerinin ve yoğunluk değerlerinin titiz bir hesaplaması yapılmış ve karşılaştırılmıştır. Zeminin doğal koşulları olan, katı ve sıvı fazın birlikte incelenmesi için, AEY ile LBY'nin bağlaşık olarak kullanıldığı bir örnek sunulmuştur. İçerisinde doğrusal hareketi sabitlenmiş fakat dönme hareketi serbest bırakılmış katı dane bulunduran bir akış modellenmiştir. Modelleme ve analizler, bağlaşık AEY-LBY ile MechSys yazılımı kullanılarak tamamlanmıştır. Analizler sonucunda, katı daneye etki eden zaman bağlı kuvvetler ve torklar elde edilmiştir. Ayrıca, katı danenin çevresindeki akışkanın zamana bağlı yoğunluğunun ve Reynolds numarasının değişimi elde edilmiştir. Sıvı yoğunluğunun değişiminden dolayı yöntemin sıvıların sıkıştırılabilirliğine izin verdiği anlaşılmıştır. Tez kapsamında sunulan son örnek çalışmada, doygun olmayan bir toprak hücresinin dinamik davranışını incelenmiştir. Bu çalışmanın amacı, depremler gibi dinamik etkiler tarafından oluşturulan kuvvetlere maruz kaldığında mikro ölçekteki bir zemin hücresinin nasıl davrandığını anlamaktır. Bu amaçla analiz, GiD ön ve son işlemcileri ile Kratos MultiPhysics yazılımları kullanılmıştır. Daneli zemin hücresi, AEY yöntemi kullanılarak yatay ve düşey doğrultuda iki boyutlu olarak modellenmiştir. Daneli ortamı çevrelen sınırların deformasyonuna izin verilmemiştir. Sınırların sadece yatayda doğrusal hareketine izin verilmiş ve diğer tüm doğrultularda doğrusal ve açısal hareketi kısıtlanmıştır. Buna karşılık, hücre içindeki bireysel zemin taneciklerinin tüm yönlerde doğrusal ve açısal hareketi serbest bırakılmıştır.Örnekte, hücre sınırlarına yatay doğrultuda periyodik olarak yük uygulanmıştır. Uygulanan yatay yük etkisi altında, hücre içindeki danelerin hücre sınırları üzerindeki basınçları ve kayma gerilmelerini hesaplanmıştır. Bu analiz ile danelerin konumlarının değişimi sunulmuştur. Ayrıca, dinamik süreç sırasında zemin daneleri arasındaki temas doğrultuları elde edilmiştir. Tez kapsamında sunulan örneklerin sonucunda, AEY ile zemin davranışının granüler ölçekte modellenmesinde, fiziksel probleme uygun bir zaman adımının dikkatli seçimi ve ilgili mekanik özelliklerin tercihinin son derece önemli olduğu anlaşılmıştır. Akışkan davranışının LBY aracılığıyla modellenmesi durumunda, belirli bir probleme uygun bir hücre modelinin seçimi, ciddi hatalardan kaçınmak için kritik bir öneme sahip olduğu görülmüştür. AEY ve LBY bağlaşık olarak kullanıldığında, her iki yöntem için uygun zaman adımlarının bağımsız olarak belirlenmesi ise elzemdir. Ayrıca, bu bağlaşık yöntemler ile zeminin mikro ölçekteki davranışı incelenirken katı ve sıvı fazların ayrı ayrı düşünülerek, yöntemlerin ardışık bir şekilde uygulanması gerektiği anlaşılmıştır. Sunulan örnekler ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda, AEY yönteminin granüler ortamlar için , LBY'nin ise akışkan problemleri için güçlü yöntemler olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca, bu iki yöntemin bağlaşık kullanımının güçlü bir araç olduğu ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
The behavior of soils under loading exhibits different characteristics due to their inherent structures. The nature of soil behavior varies at both macro and micro scales. To investigate the microscale behavior of soils that influences their macroscopic response, numerical methods capable of particle-based calculations are required. The Discrete Element Method (DEM) is an important tool for studying such soil behavior at the particle level. Additionally, since soils contain pore water, numerical methods that incorporate fluid dynamics principles need to be coupled with DEM to analyze this behavior at the microscale. By combining laboratory tests to determine the mechanical properties of soils and the numerical methods, the behavior of soils under dynamic excitations can be examined. Numerical modeling of soils using computational methods provides a robust tool for predicting future soil behavior and potential damage resulting from dynamic effects. This study discusses the use of the DEM and fluid dynamics numerical methods to investigate behavior at the particle scale. The working mechanisms and underlying principles of these methods are explained. In order to examine the granular media containing solid and fluid phases, examples are presented in this thesis considering the cases of the solid phase only, the fluid phase only, and the interaction between solid and fluid phases. Mechanical soil properties obtained previously are utilized to model laboratory pressure tests of soil samples and analyze their stress-strain behavior using the PFC2D software. Dynamic response of soil grains at microscale investigated using the GiD pre and post processor and Kratos MultiPhysics software. A basic flow model is investigated using the MechSys software for the fluid phase only. In the examined model, the time-dependent velocity vectors and fluid densities of the flow are analyzed using the Lattice Boltzmann Method (LBM), which is the numerical method employed within the related software. Subsequently, the simulation of a pore water flow containing solid particles is modeled using the coupled DEM and LBM. Overall, it is demonstrated that coupling of the DEM and the LBM is a powerful tool for modeling solid-fluid interactions at the microscale for soils.
Benzer Tezler
- İstanbul Metro tünellerinin flac bilgisayar programı ile modellenmesi
Modelling of tunnels of İstanbul subway with flac computer software
OKAN ÖZBAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiYeraltı Maden İşletmeciliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGİN NASUF
- A parallel monolithic approach for the numerical simulation of fluid-structure interaction problems
Akışkan-yapı etkileşimi problemlerinin sayısal simülasyonu için paralel monolitik bir yöntem
ALİ EKEN
Doktora
İngilizce
2016
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR
DOÇ. DR. MEHMET ŞAHİN
- Towards to the direct numerical simulation of insect flight
Böcek serbest uçuşunun doğrudan sayısal simülasyonuna doğru
EZGİ DİLEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ŞAHİN
- Modeling of multi-phase combustion processes
Çok fazlı yanma olaylarının modellenmesi
RAMZİ (REMZİ) JUDEH (ŞAHİN)
- A computational fluid dynamics (CFD)-discrete element modeling (DEM) investigation of centrifugal separation processes of particle-laden flows
Partikül içeren akışlarda santrifüj separasyon işlemlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)-ayrık eleman modelleme (AEM) bileşimi ile incelemesi
ORÇUN EKİN
Doktora
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiAydın Adnan Menderes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUNUS ÇERÇİ