Modelización de flujos de derrubios mediante SPH

Yagüe Hernán, Ángel (2018). Modelización de flujos de derrubios mediante SPH. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.53618.

Description

Title: Modelización de flujos de derrubios mediante SPH
Author/s:
  • Yagüe Hernán, Ángel
Contributor/s:
  • Pastor Pérez, Manuel
  • Martín Stickle, Miguel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Matemática e Informática Aplicadas a la Ingenierías Civil y Naval
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La presente Tesis Doctoral presenta un modelo matemático y numérico capaz de simular flujos de derrubios donde el acoplamiento entre el esqueleto sólido y el fluido intersticial juega un papel fundamental El modelo matemático propuesto reproduce el complejo comportamiento de los flujos de derrubios donde la diferencia de velocidades entre las fases de la componente sólida y la del fluido puede ser importante. Este modelo está basado en el modelo integrado en profundidad propuesto por Pitman-Le (Pitman and Le 2005), que a su vez es heredero de los trabajos de Savage-Hutter para deslizamientos de ladera (Savage and Hutter 1991) y de Zienkiewicz-Shiomi en cuanto a la representación de un medio poroso saturado se refiere (Zienkiewicz and Shiomi 1984). El modelo propuesto está formulado en términos de velocidades de cada una de las fases para poder representar adecuadamente el acoplamiento existente entre el fluido intersticial y el esqueleto sólido. El modelo matemático ha sido integrado por la técnica numérica de Smooth Particle Hydrodynamic (SPH) donde se han introducido dos juegos de partículas: uno para representar el movimiento del esqueleto sólido y otro para representar el movimiento del fluido intersticial. Hasta donde llega el conocimiento del autor, esto es una de las novedades principales presentadas en esta Tesis Doctoral, ya que es la primera vez que un modelo matemático integrado en profundidad para flujos de derrubios se resuelve numéricamente con la técnica de SPH usando dos juegos de partículas. El modelo matemático-numérico desarrollado en esta Tesis Doctoral se ha utilizado para reproducir ejemplos sencillos donde aparecían ondas de choque y rarefacción, problemas clásicos de rotura de presa sobre un plano horizontal usando una ley reológica friccional para la fase sólida y en un caso real de flujo de derrubios que tuvo lugar en Hong Kong. Las principales conclusiones que se pueden extraer de estas simulaciones son: -En los flujos de derrubios con dos fases y una importante movilidad relativa entre ellas aparecen patrones de ondas de choque y rarefacción que tienen que ser correctamente modelizadas. De no ser así, el modelo tendría un amortiguamiento numérico o dispersión y se estaría perdiendo parte de la física del problema. -Los ejemplos de rotura de presa nos aportan una información muy valiosa en ensayos simples con condiciones controladas. Nos permiten ver como ambas fases se mueven una respecto a la otra. -Se pueden modelizar flujos de derrubios reales con el modelo propuesto, obteniendo resultados muy razonables. ----------ABSTRACT---------- The present Doctoral Thesis presents a mathematical and numerical model which can be considered to simulate fast landslides where coupling between solid and pore fluid plays a fundamental role like in the case of this type of fast landslide. The proposed mathematical model is able to reproduce the complex behaviour of debris flows where the velocity difference between the solid skeleton and the pore fluid is relevant. This model is based on the depth-integrated model proposed by Pitman-Le (Pitman and Le 2005), which in turn, is based on the works of Savage-Hutter (Savage and Hutter 1991) for landslides and Zienkiewicz-Shiomi (Zienkiewicz and Shiomi 1984) in terms of the porous media representation. The proposed model is able to reproduce the existing coupling between the interstitial fluid and the solid skeleton in terms of velocities of each phase to correctly represent this interaction. Also, different rheological behaviours and drag laws can be considered within the model. The mathematical model has been integrated by the Smooth Particle Hydrodynamic (SPH) technique where a double set of particles, one to represent the movement of the solid skeleton and another to represent the movement of the pore water, have been considered. As per the knowledge of the author, this is the main novelty of the present Doctoral Thesis, as is the first time that a depth-integrated model for debris flows is numerically solved with two sets of particles with the SPH technique. The mathematical-numerical model developed in this Doctoral Thesis has been applied to a simple case where shocks and expansion waves appear, a dam break problem on a horizontal plane with a frictional soil phase and a real case of debris flow which took place in Hong Kong. The main conclusions that can be drawn from the applications are: -Debris flows having two phases with important relative mobility present a rich structure of shocks and rarefaction waves, which has to be properly modelled. Otherwise, the model would have numerical damping or dispersion. -Dam break exercises provide interesting information in simple and controlled situations. We can see how both phases move relative to each other. -Real debris flows can be simulated with the proposed model, obtaining very reasonable results.

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Item ID: 53618
DC Identifier: http://oa.upm.es/53618/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53618
DOI: 10.20868/UPM.thesis.53618
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 17 Jan 2019 11:34
Last Modified: 15 Jul 2019 22:30
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