Mixtures of fluids and granular sediments play an important role in many industrial, geotechnical, and aerospace engineering problems, from waste management and transportation (liquid--sediment mixtures) to dust kick-up below helicopter rotors (gas--sediment mixtures). These mixed flows often involve bulk motion of hundreds of billions of individual sediment particles and can contain both highly turbulent regions and static, non-flowing regions. This breadth of phenomena necessitates the use of continuum simulation methods, such as the material point method (MPM), which can accurately capture these large deformations while also tracking the Lagrangian features of the flow (e.g.\ the granular surface, elastic stress, etc.). Recent works using two-phase MPM frameworks to simulate these mixtures have shown substantial promise; however, these approaches are hindered by the numerical limitations of MPM when simulating pure fluids. In addition to the well-known particle ringing instability and difficulty defining inflow/outflow boundary conditions, MPM has a tendency to accumulate quadrature errors as materials deform, increasing the rate of overall error growth as simulations progress. In this work, we present an improved, two-phase continuum simulation framework that uses the finite volume method (FVM) to solve the fluid phase equations of motion and MPM to solve the solid phase equations of motion, substantially reducing the effect of these errors and providing better accuracy and stability for long-duration simulations of these mixtures.


翻译:液体和颗粒沉积物的混合物在许多工业、地质技术和航空航天工程问题中发挥着重要作用,从废物管理和运输(液体沉积物混合物)到直升机转子(气体沉积物混合物)下的粉尘震动等许多工业、地质技术和航空航天工程问题中,液体和颗粒沉积物混合流往往涉及数百亿个单个沉积颗粒的散装运动,其中既包括高度动荡的区域,也包括静态、非流动的区域。这种广泛的现象要求使用连续模拟方法,如材料点法(MPM)等,它可以准确地捕捉这些巨大的变形,同时跟踪流动的拉格朗加特征(如:颗粒表面、弹性压力等)。 最近使用两阶段MPM框架来模拟这些混合物的工作显示了巨大的希望;然而,这些方法受到下列因素的阻碍:微粒振动不稳定和难以确定流出/流出边界条件,此外,MMPM倾向于将二次误差作为材料变形,提高总体误差增长的速度,以模拟方式使M型运动的稳定性和M型平流流流流流流法逐步地逐步地使用。

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