Preview

Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки

Расширенный поиск

Моделирование волн типа «бурун» для проектирования бассейна для серфинга: сравнительный анализ методов SPH и VOF

https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.3.377-394

Аннотация

В данной работе исследуется применение бессеточного метода сглаженных частиц (SPH) для численного моделирования одиночных волн, возникающих при взаимодействии с искусственно сформированным рельфом дна в волновом бассейне. Расчеты выполнялись с использованием пакета DualSPHysics, и особое внимание уделялось детальной передаче формы свободной поверхности. Отдельно рассматривался момент опрокидывания гребня, так как он наиболее чувствителен к точности метода. Проведены серии расчетов для ряда вариантов геометрии дна и различных значений числа Фруда, позволяющих оценить влияние глубины и кинематических параметров на формирование волны. Для дополнительной проверки достоверности результатов были выполнены параллельные расчеты в OpenFOAM на основе метода конечных объемов (VOF + RANS). Полученные численные данные сопоставлены с экспериментальными результатами из открытой литературы. Сравнение показало хорошую согласованность SPH-моделирования с доступными измерениями и подтвердило возможность применения метода для анализа и оптимизации геометрии рельефа при проектировании серфинговых бассейнов.

Об авторах

Е. Р. Ахметшина
ООО «Глобалтехэкспорт», г. Москва
Россия

Ахметшина Е. Р., ведущий инженер



С. В. Сиренко
ООО «Глобалтехэкспорт», г. Москва
Россия

Сиренко С. В., руководитель научно-технического отдела



Ф. В. Тупоносов
ООО «Глобалтехэкспорт», г. Москва
Россия

Тупоносов Ф. В., кандидат технических наук, генеральный директор



Список литературы

1. Monaghan J.J. Smoothed particle hydrodynamics // Rep. Prog. Phys. 2005. V. 68, No 8. P. 1703–1759. https://doi.org/10.1088/0034-4885/68/8/R01.

2. Violeau D., Rogers B.D. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) for free-surface flows: Past, present and future // J. Hydraul. Res. 2016. V. 54, No 1. P. 1–26. https://doi.org/10.1080/00221686.2015.1119209.

3. Barreiro A., Crespo A.J.C., Domínguez J.M., Gómez-Gesteira M. Smoothed Particle Hydrodynamics for coastal engineering problems // Comput. Struct. 2013. V. 120. P. 96–106. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2013.02.010.

4. Crespo A.J.C., Domínguez J.M., Rogers B.D., Gómez-Gesteira M., Longshaw S., Canelas R., Vacondio R., Barreiro A., García-Feal O. DualSPHysics: Open-source parallel CFD solver based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) // Comput. Phys. Commun. 2015. V. 187. P. 204–216. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.10.004.

5. Altomare C., Domínguez J.M., Crespo A.J.C., Suzuki T., Caceres I., Gómez-Gesteira M., Troch P. Long-crested wave generation and absorption for SPH-based DualSPHysics model // Coastal Eng. 2017. V. 127. P. 37–54. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2017.06.004.

6. Verbrugghe T., Domínguez J.M., Altomare C., Tafuni A., Vacondio R., Troch P., Kortenhaus A. Non-linear wave generation and absorption using open boundaries within DualSPHysics // Comput. Phys. Commun. 2019. V. 240. P. 46–59. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.02.003.

7. Rajapriyadharshini R., Sudalaimani K. Tsunami wave impact assessment for residences in Pattinapakkam, Chennai coast using DualSPHysics // Reg. Stud. Mar. Sci. 2022. V. 49. Art. 102127. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2021.102127.

8. Chang T.-J., Kao H.-M., Chang K.-H., Hsu M.-H. Numerical simulation of shallow-water dam break flows in open channels using smoothed particle hydrodynamics // J. Hydrol. 2011. V. 408, Nos 1–2. P. 78–90. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.07.023.

9. Dehnen W., Aly H. Improving convergence in smoothed particle hydrodynamics simulations without pairing instability // Mon. Not. R. Astron. Soc. 2012. V. 425, No 2. P. 1068–1082. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2012.21439.x.

10. Adami S., Hu X.Y., Adams N.A. A generalized wall boundary condition for smoothed particle hydrodynamics // J. Comput. Phys. 2012. V. 231, No 21. P. 7057–7075. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2012.05.005.

11. Kao H.-M., Chang T.-J. Numerical modeling of dambreak-induced flood and inundation using smoothed particle hydrodynamics // J. Hydrol. 2012. V. 448–449. P. 232–244. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.05.004.

12. Mirauda D., Albano R., Sole A., Adamowski J. Smoothed particle hydrodynamics modeling with advanced boundary conditions for two-dimensional dam-break floods // Water. 2020. V. 12, No 4. Art. 1142. https://doi.org/10.3390/w12041142.

13. Zhang J., Wang B., Li H., Zhang F., Wu W., Hu Z., Deng C. Progressive dam-failure assessment by smooth particle hydrodynamics (SPH) method // Water. 2023. V. 15, No 21. Art. 3869. https://doi.org/10.3390/w15213869.

14. Lee E.-S., Violeau D., Issa R., Ploix S. Application of weakly compressible and truly incompressible SPH to 3-D water collapse in waterworks // J. Hydraul. Res. 2010. V. 48. Suppl. 1. P. 50–60. https://doi.org/10.3826/jhr.2010.0003.

15. Antuono M., Colagrossi A., Marrone S., Molteni D. Free-surface flows solved by means of SPH schemes with numerical diffusive terms // Comput. Phys. Commun. 2010. V. 181, No 3. P. 532–549. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2009.11.002.

16. Marrone S., Antuono M., Colagrossi A., Colicchio G., Le Touzé D., Graziani G. δ-SPH model for simulating violent impact flows // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 2011. V. 200, Nos 13–16. P. 1526–1542. https://doi.org/10.1016/j.cma.2010.12.016.

17. Crespo A.C., Dominguez J.M., Barreiro A., Gómez-Gesteira M., Rogers B.D. GPUs, a new tool of acceleration in CFD: Efficiency and reliability on smoothed particle hydrodynamics methods // PLoS One. 2011. V. 6, No 6. Art. e20685. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0020685.

18. Novak G., Rak G., Četina M., Žagar D. Application of DualSPHysics code for 3D simulations of dam break — Comparison of computational times of central and graphics processing unit // Acta Hydrotech. 2017. V. 30, No 53. P. 97–105. URL: https://actahydrotechnica.fgg.uni-lj.si/en/paper/a30gn.

19. Zhan Y., Luo M., Khayyer A. DualSPHysics+: An enhanced DualSPHysics with improvements in accuracy, energy conservation and resolution of the continuity equation // Comput. Phys. Commun. 2025. V. 306. Art. 109389. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2024.109389.

20. Liu G.R., Liu M.B. Smoothed Particle Hydrodynamics: A Meshfree Particle Method. World Sci., 2003. 472 p. https://doi.org/10.1142/5340.

21. Gingold R.A., Monaghan J.J. Smoothed particle hydrodynamics: Theory and application to non-spherical stars // Mon. Not. R. Astron. Soc. 1977. V. 181, No 3. P. 375–389. https://doi.org/10.1093/mnras/181.3.375.

22. Lucy L.B. A numerical approach to the testing of the fission hypothesis // Astron. J. 1977. V. 82, No 12. P. 1013–1024. https://doi.org/10.1086/112164.

23. Monaghan J.J. Smoothed particle hydrodynamics // Annu. Rev. Astron. Astrophys. 1992. V. 30. P. 543–574. https://doi.org/10.1146/annurev.aa.30.090192.002551.

24. Monge Gapper J.G., Serrano Pacheco A. An implementation of the SPH method and its application to two-dimensional dam break cases // Ing. Invest. Tecnol. 2023. V. 24, No 1. P. 1–11. https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2023.24.1.005.

25. Dalrymple R.A., Rogers B.D. Numerical modeling of water waves with the SPH method // Coastal Eng. 2006. V. 53, Nos 2–3. P. 141–147. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2005.10.004.

26. Monaghan J.J. Simulating free surface flows with SPH // J. Comput. Phys. 1994. V. 110, No 2. P. 399–406. https://doi.org/10.1006/jcph.1994.1034.

27. Wendland H. Piecewise polynomial, positive definite and compactly supported radial functions of minimal degree // Adv. Comput. Math. 1995. V. 4, No 4. P. 389–396. https://doi.org/10.1007/BF02123482.

28. Monaghan J.J., Gingold R.A. Shock simulation by the particle method SPH // J. Comput. Phys. 1983. V. 52, No 2. P. 374–389. https://doi.org/10.1016/0021-9991(83)90036-0.

29. Koshizuka S., Oka Y. Moving-particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid // Nucl. Sci. Eng. 1996. V. 123, No 3. P. 421–434. https://doi.org/10.13182/NSE96-A24205.

30. Shao S., Gotoh H. Turbulence particle models for tracking free surfaces // J. Hydraul. Res. 2005. V. 43, No 3. P. 276–289. https://doi.org/10.1080/00221680509500122.

31. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment // Mon. Weather Rev. 1963. V. 91, No 3. P. 99–164. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2.

32. Tisovská P. Description of the overset mesh approach in ESI version of OpenFOAM // Proc. CFD with OpenSource Software. 2019. 46 p. https://dx.doi.org/10.17196/OS_CFD#YEAR_2019.

33. Jasak H. Dynamic mesh handling in OpenFOAM // Proc. 47th AIAA Aerospace Sciences Meet. Including The New Horizons Forum and Aerospace Expo. Orlando, FL, 2009. 10 p. http://dx.doi.org/10.2514/6.2009-341.

34. Javanmardi M., Binns J., Renilson M., Thomas G. Influence of channel shape on wave-generated parameters by a pressure source in shallow water // J. Waterw., Port, Coastal, Ocean Eng. 2017. V. 143, No 5. Art. 04017016. https://doi.org/10.1061/(asce)ww.1943-5460.0000398.

35. Javanmardi M. The investigation of high quality surfing waves generated by a moving pressure source. PhD Thesis. Univ. of Tasmania, 2015. 134 p. https://doi.org/10.25959/23238902.V1.


Рецензия

Для цитирования:


Ахметшина Е.Р., Сиренко С.В., Тупоносов Ф.В. Моделирование волн типа «бурун» для проектирования бассейна для серфинга: сравнительный анализ методов SPH и VOF. Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки. 2026;168(3):377-394. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.3.377-394

For citation:


Akhmetshina E.R., Sirenko S.V., Tuponosov P.V. Modeling breaking waves for surf-pool design: A comparative analysis of SPH and VOF methods. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2026;168(3):377-394. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.3.377-394



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2541-7746 (Print)
ISSN 2500-2198 (Online)