一种CFD-DEM流固耦合方法在渗流导致城市地面沉降问题中的应用
发布时间：2022-02-09 13:14
城市地面沉降的主要原因之一是地下水渗流,有限元方法难以揭示地面沉降的细观机制,而能够揭示细观机制的离散元方法（discrete element method,DEM）却难以建立具有复杂形状的流场模型.基于DEM和计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）耦合原理,借助DEM程序PFC3D与CFD程序Fluent,实现了基于颗粒细观的流固耦合计算.通过建立单颗粒沉降、基坑临空面渗漏、河道边坡渗流3个算例验证了CFD-DEM方法的正确性与可行性.模拟结果表明,这种CFD-DEM方法可从细观角度展现渗流引起地面沉降的整个动态过程,也可实现对各种复杂形状流场的模拟求解计算.在渗流作用下土体稳定性发生变化,土颗粒运动造成土体流失,最终形成地面沉降.此外,水力梯度越大,地表沉降值越大,从土体细观角度展现了渗流作用下地面沉降的整个动态过程,可对相应城市地质病害防治进行机理研究.
【文章来源】：上海大学学报(自然科学版). 2020,26(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１?ＰＦＣ－Ｆｌｕｅｎｔ耦合方法流程图??Ｆｉｇ．ｌ?Ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ?ｏｆ?ＰＦＣ－Ｆｌｕｅｎｔ?ｃｏｕｐｌｅｄ?ｍｅｔｈｏｄ??
?ｒｏ＇３（ＰＰ??■?ｐｆ）ａ－??（９）??（１０）??３．１．２?：ＰＦＣ－Ｆｌｕｅｎｔ?数值模拟??将半径为１，０，?１．５，?２．０?ｍｍ的颗粒置于黏滞系数为０．００１的流体中，在重力作用下自由下??蒋．颍粒与液体的密度分别为２：?６５〇，?１?０００ｋｇ／ｍ３，童力加速度为Ｑ．Ｓｒｎ／Ｂ２．将上述参数代入??式（７），（８），（１０），并用Ｍａｔｉａｂ数值求解得到自由沉降速度理论解分别为０．２４５，?０．３２４，??０．３９１?ｍ／ｓ．??耦合程序中颗粒速度变化过程如图２所示，最终速度达到稳定值，与理论解一致，表明本??工作采用的耦合程序可以实现对颗粒施加流体作用．??０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??时间／ｓ??图２不同时刻颗粒下落速度??Ｆｉｇ．?２?Ｄｒｏｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｏｆ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｉｍｅ??３．２算例二基坑临空面渗漏??本算例考虑基坑开挖完成后还未浇筑底板时，由于降水坑内外水位差较大，同时基坑围护??结构在临近坑底处出现裂缝，水土在水力梯度作用下询基坑临空面渗漏，导致坑外土体流失从??而产生。地面沉降．??３．２．１数值建模??基于颗粒流软件ＰＦＣ３Ｄ平台建立基坑边坡土体模型的基本流程如下．??第１歩采用ｗａｌｌ命令ｆｔ：成一个，Ｒ寸为６．０?ｍｘｌ．０．ｍｘ９．０?ｍ（长ｘ宽：ＪＳ商）．的樓型槽，在模??魁槽内：按幾性接触模襲生成裔度为６．５?ｍ，孔隙率为０．４的徽土爲＊出体通过一系列球形颗粒??来模拟，对所有土颗粒施加重九在童力作用下颗粒沉积、固结，并达到平衡状态．在砂土滅上??部按平行黏结点接触模型生成高度为１．５?ｍ，孔隙率为
图３碁坑开：挖ＰＦＣ樓麗??Ｆｉｇ．?３?ＰＦＣ?ｍｏｄｅｌ?ｆｏｒ?ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法[J]. 王胤,艾军,杨庆. 岩土力学. 2017(06)
[2]岩体水力劈裂的细观PFC-CFD联合分析[J]. 倪小东,赵帅龙,王媛,魏鹏. 岩石力学与工程学报. 2015(S2)
[3]一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法[J]. 蒋明镜,张望城. 岩土工程学报. 2014(05)
[4]结构性黄土一维湿陷特性的离散元数值模拟[J]. 蒋明镜,胡海军,彭建兵. 岩土力学. 2013(04)
[5]滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟[J]. 王宇,李晓,王声星,侯文诗. 长江科学院院报. 2012(12)
[6]砂土管涌-滤层防治的离散元数值模拟[J]. 周健,周凯敏,姚志雄,白彦峰. 水利学报. 2010(01)
[7]颗粒流模拟和流体与颗粒相互作用分析[J]. 罗勇,龚晓南,吴瑞潜. 浙江大学学报(工学版). 2007(11)
[8]土的工程力学性质的颗粒流模拟[J]. 周健,池永. 固体力学学报. 2004(04)
博士论文
[1]土工问题的颗粒流数值模拟及应用研究[D]. 罗勇.浙江大学 2007
本文编号：3617072
【文章来源】：上海大学学报(自然科学版). 2020,26(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１?ＰＦＣ－Ｆｌｕｅｎｔ耦合方法流程图??Ｆｉｇ．ｌ?Ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ?ｏｆ?ＰＦＣ－Ｆｌｕｅｎｔ?ｃｏｕｐｌｅｄ?ｍｅｔｈｏｄ??
?ｒｏ＇３（ＰＰ??■?ｐｆ）ａ－??（９）??（１０）??３．１．２?：ＰＦＣ－Ｆｌｕｅｎｔ?数值模拟??将半径为１，０，?１．５，?２．０?ｍｍ的颗粒置于黏滞系数为０．００１的流体中，在重力作用下自由下??蒋．颍粒与液体的密度分别为２：?６５〇，?１?０００ｋｇ／ｍ３，童力加速度为Ｑ．Ｓｒｎ／Ｂ２．将上述参数代入??式（７），（８），（１０），并用Ｍａｔｉａｂ数值求解得到自由沉降速度理论解分别为０．２４５，?０．３２４，??０．３９１?ｍ／ｓ．??耦合程序中颗粒速度变化过程如图２所示，最终速度达到稳定值，与理论解一致，表明本??工作采用的耦合程序可以实现对颗粒施加流体作用．??０?０．２?０．４?０．６?０．８?１．０??时间／ｓ??图２不同时刻颗粒下落速度??Ｆｉｇ．?２?Ｄｒｏｐ?ｖｅｌｏｃｉｔｙ?ｏｆ?ｐａｒｔｉｃｌｅ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｉｍｅ??３．２算例二基坑临空面渗漏??本算例考虑基坑开挖完成后还未浇筑底板时，由于降水坑内外水位差较大，同时基坑围护??结构在临近坑底处出现裂缝，水土在水力梯度作用下询基坑临空面渗漏，导致坑外土体流失从??而产生。地面沉降．??３．２．１数值建模??基于颗粒流软件ＰＦＣ３Ｄ平台建立基坑边坡土体模型的基本流程如下．??第１歩采用ｗａｌｌ命令ｆｔ：成一个，Ｒ寸为６．０?ｍｘｌ．０．ｍｘ９．０?ｍ（长ｘ宽：ＪＳ商）．的樓型槽，在模??魁槽内：按幾性接触模襲生成裔度为６．５?ｍ，孔隙率为０．４的徽土爲＊出体通过一系列球形颗粒??来模拟，对所有土颗粒施加重九在童力作用下颗粒沉积、固结，并达到平衡状态．在砂土滅上??部按平行黏结点接触模型生成高度为１．５?ｍ，孔隙率为
图３碁坑开：挖ＰＦＣ樓麗??Ｆｉｇ．?３?ＰＦＣ?ｍｏｄｅｌ?ｆｏｒ?ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法[J]. 王胤,艾军,杨庆. 岩土力学. 2017(06)
[2]岩体水力劈裂的细观PFC-CFD联合分析[J]. 倪小东,赵帅龙,王媛,魏鹏. 岩石力学与工程学报. 2015(S2)
[3]一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法[J]. 蒋明镜,张望城. 岩土工程学报. 2014(05)
[4]结构性黄土一维湿陷特性的离散元数值模拟[J]. 蒋明镜,胡海军,彭建兵. 岩土力学. 2013(04)
[5]滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟[J]. 王宇,李晓,王声星,侯文诗. 长江科学院院报. 2012(12)
[6]砂土管涌-滤层防治的离散元数值模拟[J]. 周健,周凯敏,姚志雄,白彦峰. 水利学报. 2010(01)
[7]颗粒流模拟和流体与颗粒相互作用分析[J]. 罗勇,龚晓南,吴瑞潜. 浙江大学学报(工学版). 2007(11)
[8]土的工程力学性质的颗粒流模拟[J]. 周健,池永. 固体力学学报. 2004(04)
博士论文
[1]土工问题的颗粒流数值模拟及应用研究[D]. 罗勇.浙江大学 2007
本文编号：3617072
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