泥石流冲击刚性防护结构流固耦合机制

发布时间：2023-05-08 03:36

　　泥石流是一种极度危险的自然灾害,给人类的生命安全和基础设施带来巨大危害。在当前的防灾工程中,防护结构常被用于拦截泥石流。然而,由于泥石流与防护系统作用的复杂性,国内外依旧对其背后机理缺乏认识。前人的研究通常是把泥石流简化为颗粒流或等效流体来模拟与防护结构的作用,却忽略了固液耦合效应。为揭示固液作用对泥石流宏观运动特性的影响,本文采用耦合的CFD-DEM数值方法分析和小型水槽装置物理模拟,针对影响泥石流与防护结构作用机制和固液耦合作用的几个因素进行展开研究,得出以下结论:(1)耦合的CFD-DEM方法研究了固体体积分数对泥石流与防护结构作用的影响。固体体积分数从0变化到0.5,涵盖了纯水流到泥石流的范围,也反映出不同的固-液相互作用程度。通过CFD-DEM模型的细观分析发现,颗粒与流体的相互作用对增加颗粒的动能起着两种作用:(a)对颗粒施加拖曳力,促进运动;(b)通过对颗粒施加浮力来弱化颗粒间的接触力,从而减少因剪切而产生的能量耗散。因此,与同一 Froude数和固体体积分数的干颗粒流相比,两相流的爬升高度和冲击荷载均较大。当冲击防护结构时,两相流(以爬升机制为主)的大部分能量主要由于流...

【文章页数】：93 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 泥石流的分类
        1.2.2 泥石流对结构物的破坏方式
        1.2.3 泥石流运动、冲击特性模拟
        1.2.4 泥石流冲击荷载计算模型
    1.3 泥石流与防护结构作用机制
        1.3.1 泥石流的冲击机制
        1.3.2 泥石流的溢流机制
        1.3.3 泥石流的着陆机制
    1.4 本文的研究内容与创新点
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 研究创新点
2 CFD-DEM数值模拟方法
    2.1 颗粒和流体控制方程
    2.2 颗粒和流体的相互作用力
    2.3 CFD-DEM求解过程
    2.4 CFD-DEM数值模型验证
        2.4.1 干颗粒流冲击防护结构
        2.4.2 纯水流冲击防护结构受荷理论解验证
        2.4.3 颗粒沉降问题研究
        2.4.4 颗粒自由落体运动
3 CFD-DEM模拟泥石流冲击防护结构
    3.1 引言
    3.2 模拟计划
    3.3 CFDEM数值模型及参数确定
    3.4 计算结果
        3.4.1 单相流和两相流与防护结构作用机制比较
        3.4.2 防护结构上受荷演化
        3.4.3 固相和液相对防护结构的相对作用力
        3.4.4 固-液相互作用
        3.4.5 能量演化
    3.5 本章小结
4 颗粒级配对泥石流与防护结构作用的影响
    4.1 引言
    4.2 试验装置
        4.2.1 试验仪器布置
        4.2.2 泥石流缩比模型
    4.3 研究计划
    4.4 试验结果
        4.4.1 干颗粒流和两相流作用机制比较
        4.4.2 防护结构受荷演化
        4.4.3 流深变化
    4.5 本章小结
5 基于小型水槽装置模拟泥石流对缝隙坝的冲击作用
    5.1 引言
    5.2 试验装置及研究计划
    5.3 试验结果
        5.3.1 单相流和两相流与缝隙坝作用机制比较
        5.3.2 缝隙坝前颗粒堆积高度研究
        5.3.3 堆积高度z和颗粒溢出速率Q的关系
        5.3.4 缝隙坝拦截效率研究
    5.4 本章小结
6 结论与展望
    6.1 主要结论
    6.2 进一步工作建议
参考文献
作者简历



本文编号：3811904