A Continuum-Based Fully-Lagrangian Model for Ice-Water Dynamics

La reconnaissance du comportement dynamique des glaces fluviales est d'une grande importance, en particulier dans les régions froides, où elles ont le potentiel de déclencher les phénomènes dits de blocage des glaces. Étant donné que ces phénomènes sont hautement dynamiques, leur dynamique ne peut être capturée que par des méthodes numériques appropriées. Les méthodes numériques qui traitent les problèmes de la dynamique de glaces sont soit basées sur une représentation discrète ou continue de blocs de glace. Alors que les approches discrètes, telles que la méthode des éléments discrets (DEM) sont très précis, elles demeurent néanmoins coûteuses en ressources informatiques pour des applications à grande échelle car elles traitent de banquises prises individuellement. D'autre part, la description continue offre une scalabilité et est moins couteuse car elle considère un amas de glace comme un seul corps continu et permet de résoudre sur cet ensemble les équations de conservation. En combinaison avec les méthodes numériques lagrangiennes (particules) lissées et sans maillage, telles que le Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) et le Moving Particle Semi implicite (MPS), la description continue peut également offrir un niveau de précision et de flexibilité comparable à la description discrète.

Abstract

Recognition of the behavior of the river ice dynamics is of great importance, especially in cold regions, as they have the potential to trigger the so-called ice jamming phenomena. Since these phenomena are highly dynamic, its dynamics can only be captured by proper numerical methods. Numerical methods for ice dynamic problems are either based on the discrete or continuum descriptions of the ice floes. While the discrete-based approaches, such as the Discrete Element Method (DEM), are very accurate, they are computationally expensive for large-scale problems, as they deal with individual ice floes. On the other hand, the continuum description offers scalability and computational affordability, by considering the assembly of ice parcels as a body of continuum and solving the conservation equations. In combination with the mesh-free Lagrangian (particle) numerical methods, such as Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) and Moving Particle Semi implicit (MPS), the continuum description can also offer accuracy and flexibility comparable to the discrete description. In this study, we propose an MPS Lagrangian numerical method for simulation of multiphase, multiphasic ice-water dynamics, based on continuum description of both ice and water, considered as non-Newtonian and Newtonian fluids, respectively.