Numerical studies of the sloshing phenomenon using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method

Calderón-Sánchez, Javier (2020). Numerical studies of the sloshing phenomenon using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Navales (UPM).


Title: Numerical studies of the sloshing phenomenon using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method
  • Calderón-Sánchez, Javier
  • Duque Campayo, Daniel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: January 2020
Faculty: E.T.S.I. Navales (UPM)
Department: Física Aplicada a las Ingenierías Aeronáutica y Naval
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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The purpose of the present thesis is to increase the applicability of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method to sloshing problems relevant in engineering. The thesis is structured around three main topics: theoretical improvements on SPH, implementation of tools and physical models within the open-source software AQUAgpusph, and studies on 3-D geometries and application cases. The theoretical aspects of the method which are considered crucial for sloshing flows are analyzed. Particular attention is paid to boundary conditions, and more specifically, to the approaches developed to deal with solid boundaries. A novel general formulation to compute the Shepard renormalization factor operator used within the boundary integrals methodology is developed. This allows for improved simulations of hydrostatic problems, reducing spurious motions induced at the free surface and improving accuracy near the boundary. Additionally, the conservation properties of the boundary integrals formulation are studied. Momentum conservation is assessed through a new methodology that links volume and surface integrals through generalized coordinates, and the energy balance in the boundary integrals framework is also presented. Verification of the novel formulations are assessed by means of a hydrostatic test and the motion of a body inside a fluid. These novel formulations have been added into the open-source code, AQUAgpusph. Moreover, a set of tools and physical models have been included in the set of capabilities available within the code: tools to improve particle initialization and free-surface tracking have been adopted and extended to a boundary integrals formulation. A set of physical models that have been identified as relevant improvements for sloshing flows have also been implemented. In particular, a turbulent Large Eddy Simulation (LES) model and phase change are incorporated into the code. Several benchmark test cases are performed in order to demonstrate the benefits of the novel implementations: a dam-break and a moving square inside a fluid have been extensively analyzed to compare new approaches versus standard formulations. Finally, theoretical additions and numerical implementations are tested and applied to three relevant engineering applications: a 3-D dam-break, an anti-roll tank of a seagoing ship and a vertical sloshing fuel aircraft tank. The 3-D dam-break shows how impact pressures computed at the wall with the novel boundary formulation are in accordance with state-of-the-art results obtained with SPH and with experimental data for the same problem, regardless of resolution. Simulations on the vertical motion of a tank filled with liquid have been carried out for different motion models, including a coupling with a Euler-Bernouilli beam model. Results demonstrate that SPH is a valid method for modeling damping forces due to fluid motion in liquid sloshing. This may open opportunities for using this effect to reduce turbulence-induced motions in aircraft wings. ----------RESUMEN---------- El propósito de esta tesis es incrementar el rango de aplicación del método de partículas Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) a problemas de ingeniería en los que el fenómeno de sloshing es una parte determinante en su diseño. La tesis está estructurada en torno a tres temáticas principales: mejoras en los aspectos teóricos del método SPH, implementación de herramientas y modelos físicos en el software libre AQUAgpusph, y estudios en geometrías 3-D y casos de aplicación. Se han analizado los aspectos teóricos del método SPH que se consideran relevantes para el estudio del problema de sloshing. En concreto, se ha hecho énfasis en el estudio de las condiciones de contorno y, de forma más específica, en las diferentes metodologías que se han desarrollado en las últimas décadas para afrontar este problema en paredes sólidas. Se ha desarrollado una nueva formulación para calcular el factor de renormalización de Shepard, dentro de la metodología de integrales de contorno. De esta manera, se consigue mejorar la simulación del problema hidrostático, ya que se reducen los movimientos espúreos que aparecen en la superficie libre, así como se consigue una mejora en la precisión cerca del contorno. Además, se estudian las propiedades de conservación de la metodología de integrales de contorno. La conservación de momento se consigue a través de una metodología novedosa que interrelaciona integrales de volumen y de superficie mediante coordinadas generalizadas. Por otro lado, se desarrolla la ecuación de balance de energía en el contexto de las integrales de contorno. Todas estas formulaciones novedosas se han añadido al código libre y abierto AQUAgpusph. Además, se han incluido una serie de herramientas y modelos físicos dentro de las capacidades del código: las herramientas implementadas se centran en la mejora de la disposición inicial de partículas y la identificación de partículas de superficie libre, que se han adaptado desde otras metodologías a la metodología de integrales de contorno. Se han implementado así mismo una serie de modelos físicos que se han considerado relevantes para el estudio de los problemas de sloshing. En concreto, se han incorporado un modelo de turbulencia LES, y un modelo de cambio de fase. Se han llevado a cabo una serie de casos de validación para demostrar las mejoras incluidas con las nuevas formulaciones: la rotura de una presa, y el movimiento de un objeto cuadrado dentro de un fluido se han analizado de forma extensiva, comparando los resultados obtenidos con las formulaciones estándar del método. Finalmente, las mejoras teóricas y las implementaciones numéricas anteriormente descritas se han aplicado a tres aplicaciones relevantes para la ingeniería: una rotura de presa en 3-D, el tanque de balance de un buque, y el movimiento vertical de un tanque de combustible de un avión. La rotura de presa 3-D muestra cómo las presiones de impacto que se calculan en la pared con la nueva formulación están de acuerdo con otros resultados obtenidos para el mismo problema, tanto experimentales como numéricos, para un rango amplio de resoluciones. Se han realizado simulaciones del movimiento vertical del tanque de combustible para distintos modelos de movimiento, incluyendo un acoplamiento con una solución basada en el modelo de Euler-Bernouilli. Los resultados obtenidos demuestran que SPH es un método válido para calcular el amortiguamiento añadido que se debe al movimiento del fluido. De esta forma, se puede analizar este efecto de amortiguamiento para reducir los movimientos en las alas de avión debidos a cargas externas.

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Item ID: 64576
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64576
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 11 Oct 2020 08:19
Last Modified: 09 Apr 2021 22:30
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