Enhancement of Mesh-free Particle Methods for Highly Dynamic Free-Surface and Granular Flows

Many hydro-environmental, geotechnical, and engineering processes involve multiphase flows of granular materials immersed in fluids. In such problems, the fluid phase (e.g., water) and the solid grains (e.g., sediment) interact and experience different flow regimes concerning the ambient fluid flow and body forces (like gravity). Sediment transport in coastal and fluvial environments, water dam failure, debris flows, and landslides are examples of these immersed granular flows. Understanding and predicting the mechanical behavior of these complex systems are crucial for optimizing the engineering designs and mitigating the related environmental hazards. Such phenomena are characterized by highly dynamic free-surface deformations and non-linear flows of the granular phase. The well-developed numerical models, with fewer costs and more flexibility and accuracy over theoretical and experimental studies, have been introduced as powerful and reliable tools for studying the underlying physics of free-surface and granular flows. Nevertheless, the complex mechanical properties and violent free-surface evolutions of such multiphysics problems impose significant challenges to computational accuracy and stability for their accurate predictions.

Résumé

De nombreux procédés hydro-environnementaux, géotechniques et d'ingénierie impliquent des écoulements multiphasiques de matériaux granulaires immergés dans des fluides. Dans de tels problèmes, la phase fluide (par exemple, l'eau) et les grains solides (par exemple, les sédiments) interagissent et subissent différents régimes d'écoulement concernant l'écoulement du fluide ambiant et les forces corporelles (comme la gravité). Le transport de sédiments dans les environnements côtiers et fluviaux, la rupture de barrages hydrauliques, les coulées de débris et les glissements de terrain sont des exemples de ces écoulements granulaires immergés. Comprendre et prévoir le comportement mécanique de ces systèmes complexes est crucial pour optimiser les conceptions techniques et atténuer les risques environnementaux associés. De tels phénomènes sont caractérisés par des déformations de surface libre hautement dynamiques et des écoulements non linéaires de la phase granulaire. Les modèles numériques bien développés, avec moins de coûts et plus de flexibilité et de précision par rapport aux études théoriques et expérimentales, ont été introduits comme des outils puissants et fiables pour étudier la physique sous-jacente des écoulements à surface libre et granulaire. Néanmoins, les propriétés mécaniques complexes et les évolutions violentes de la surface libre de ces problèmes multiphysiques imposent des défis importants à la précision et à la stabilité des calculs pour leurs prédictions précises.