A particle finite element method for fluid-related problems in civil engineering

Abstract

The work presented in this Thesis is a set of developments focused on the Particle Finite Element Method (PFEM) and its applicability in several fields in Civil Engineering. The PFEM had already been proven to be a powerful tool for the free surface flows with large deformation and domain separation, but the application to actual engineering problems requires many more advances. The interaction between the fluid and many solids contacting with each other, the erosion of soils and the transport of small particles are some of these advances, which are main topics addressed in this document. Apart from them, other developments related with the fluid solution are included, which are intended to get deeper than ever before in the practical use of PFEM.

El treball que es presenta en aquesta Tesi és un conjunt de desenvolupaments centrats en el Particle Finite Element Method (PFEM) i en la seva aplicació a diversos camps de l'enginyeria civil. El PFEM ja havia demostrat ser una eina potent pels fluxes amb superfície lliure amb grans deformacions i separació de dominis, però l'aplicació a problemes d'enginyeria reals requereix molts més avenços. La interacció entre el fluid i molts sòlids que contacten els uns amb els altres, l'erosió de sòls i el transport de partícules petites són alguns d'aquests avenços, que són els principals temes tractats en aquesta Tesi. Apart d'aquests, s'inclouen altres desenvolupaments relacionats amb la solució del fluid, que miren d'arribar més profunditat que mai abans en l'ús pràctic del PFEM i la seva implementació. Primer es presenta el PFEM, es descriuen els desenvolupaments de l'autor millorant la solució de la dinàmica de fluids i altres capacitats simples que s'hi han afegit. Després, tres capítols principals es centren en a) l'algoritme d'interacció fluid-estructura amb contacte b) l'erosió de sòls c) el transport de partícules. A continuació altres aplicacions del mètode s'expliquen, així com una llista dels projectes d'investigació amb els quals aquesta tesi ha tingut vincle.