In this study, a new method for treating the wall boundary in smoothed particle hydrodynamics (SPH) is proposed to simulate fluid flows effectively. Unlike conventional methods of wall boundary treatment through boundary particles, in the proposed method, the wall boundary condition is directly imposed by adding boundary truncation terms to the mass and momentum conservation equations. Thus, boundary particles are not used in boundary modeling. Doing so, the wall boundary condition is accurately imposed, boundary modeling is simplified, and computation is made efficient without losing stability in SPH. In addition, we propose a analysis strategy for fluid–structure interaction through coupling with the finite element method (FEM) based on the feature of the proposed method that the boundary is modeled in the mesh shape. Performance of the proposed method is demonstrated through several numerical examples: dam break, dam break with a wedge, sloshing, inclined bed, cross-lever rotation, pulsating tank, Poiseuille flow, Couette flow, and heat convection in square cavity in 2D, Poiseuille flow, dam break, and sloshing in 3D. These results are compared with available experimental results, analytical solutions, and results obtained using the boundary particle method.
본 연구에서는, 자유 유체 유동의 수치적 모사를 위한 입자 완화 유체동역학 (smoothed particle hydrodynamics, SPH)에서의 벽 경계를 부과하는 새로운 방법을 제시한다. 경계 입자를 통해 벽 경계를 처리하는 기존의 전통적인 방법과는 다르게, 제안된 기법에서는 질량 및 운동량 보존 방정식에 경계 잘림 항을 더함으로써 벽 경계조건을 직접적으로 부과한다. 즉, 경계 입자들은 경계 모델링에 사용되지 않는다. 그렇게 함으로써, 벽 경계조건은 보다 정확하게 부과되고 경계의 모델링이 단순화 되며 해의 안정성을 잃지 않으며 계산 비용에서의 효율성 또한 확보된다. 또한 경계가 격자모양으로 모델링 되는 특징에 기반하여 유한요소법 (finite element method, FEM)과의 연동을 통한 유체–구조 상호작용 (fluid–structure interaction, FSI) 해석 전략을 제안한다. 제안된 기법의 성능은 다양한 수치 예제들을 통해 검증되었다: 2차원에서 댐 붕괴, 쐐기를 갖는 댐 붕괴, 슬로싱, 경사면, 십자 레버 회전, 맥동하는 탱크, 푸아죄유 및 쿠에트 흐름, 사각 공동에서의 열 전달, 3차원에서 푸아죄유 흐름, 댐 붕괴, 그리고 슬로싱. 결과들은 이용 가능한 실험결과 및 해석 해, 그리고 경계 입자를 사용한 결과와 비교되었다.
