基于流固耦合理论的管涌侵蚀机理细观数值模拟
发布时间：2020-12-24 08:38
管涌是指在一定的水力梯度下,土体内部的细颗粒沿着骨架颗粒形成的孔隙被渗流逐渐带出,并形成渗漏通道的现象。渗漏通道形成后,直径为几厘米到几米不等,会导致土壤不断被水流侵蚀,土体结构发生破坏,最终导致灾难性后果。管涌是造成土石坝和堤坝发生破坏的最主要原因。管涌常发生在坝体内部,难以观察和测量,且管涌是一个多相耦合的非线性动态过程,影响因素复杂,一直是水利研究的重点。本文从微观角度出发,基于流固耦合原理对管涌的细观机理进行研究。利用基于离散元法的颗粒流程序PFC3D建立管涌的数值模型,同时结合管涌的物理实验模型对数值模型的可行性进行了验证。通过分析管涌数值模型的固相参数(如颗粒迁移、接触力、孔隙率、颗粒速度和质量损失比)和液相参数(如流速、渗透系数)的变化规律,还原了管涌的发生和发展过程,并得出以下主要结论:(1)管涌侵蚀是自表面逐渐向深层发展的过程,在这个过程中,填充颗粒的流失对土体结构影响不大,骨架颗粒的松动标志着结构失稳的开始。水力梯度是导致骨架颗粒松动和土体结构失稳的重要原因,通过分析颗粒速度变化,量化得到颗粒起动水力梯度为2.0,骨架变形水力梯度为4.0,用于土体结构稳定的判断指标...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
逆向管涌侵蚀过程[14]
第1章绪论7图1-3透明土壤渗透仪[31]Fig.1-3Transparentsoilpermeator[31]Rosen(2011)[32]分别用粒子图像测速仪（PIV）、粒子跟踪（PI）的图像减法（IS）结合计算机技术分析研究了土壤颗粒的侵蚀行为。通过将示踪剂和样品中的细颗粒混合，对样品施加不同水头，使用单反相机采集一系列图像，并用三种方法分别对连续的图像进行分析。PIV是对连续图像中相似窗口使用最小二次差分算法计算颗粒位移并确定速度常PI是通过确定颗粒在连续图像上的位置对其位移距离量化。IS是利用不同图像来研究特定时间间隔内运动颗粒的数量，通过改变时空分辨率来研究单个颗粒的运动和样本在一段时间内的变化。对这几种方法进行了评估，对缺乏时空分辨率，技术成功，未能深入研究土壤内部侵蚀问题。需要人工对图像进行评估，工作量巨大，补充了其他渗流实验缺乏的时空分辨率。冯上鑫等人（2018）[33]使用核磁共振（NMR）技术研究了土石混合体的渗透破坏过程。对级配连续的直径45mm，高55mm的土柱样品进行了不同水力坡降的渗透试验，并使用了核磁共振对样品细观结构变化实时监测，最后使用核磁共振分析系统对试样内部横截面的孔隙变化和渗透率特性进行了分析，得出试样在不同水力梯度下内部侵蚀的程度。使用核磁共振的方法对土体进行了无损实时监测，速度快，未能真实反映出管涌渗漏通道的形成过程，这项技术有待于进一步开发。以上关于管涌的可视化研究比起只能隔着玻璃观测管涌发生发展过程的研究方法具
本文研究的技术路线图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of particle contact models on soil response of poorly graded sand during cavity expansion in discrete element simulation[J]. Yang Dong,Behzad Fatahi,Hadi Khabbaz,Henry Zhang. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018(06)
[2]基于核磁共振技术研究渗流作用下土石混体细观结构的变化[J]. 冯上鑫,柴军瑞,许增光,覃源,陈玺. 岩土力学. 2018(08)
[3]一起特殊的橡胶坝溃坝事件引起的思考[J]. 程彦,刘建光,程杰,左丽梅. 浙江水利科技. 2017(02)
[4]用自然单元法模拟管涌发展过程[J]. 任鹤,费建波,介玉新,傅旭东,张丙印. 水力发电学报. 2015(07)
[5]离散元法及其耦合算法的研究综述[J]. 徐爽,朱浮声,张俊. 力学与实践. 2013(01)
[6]基于洪水演进数值模拟的溃坝危害性快速评估[J]. 谢俊举,李亚琦. 灾害学. 2011(02)
[7]基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟[J]. 周晓杰,介玉新,李广信. 岩土力学. 2009(10)
[8]江河大堤堤基砂砾石层管涌破坏危害性试验研究[J]. 刘杰,谢定松,崔亦昊. 岩土工程学报. 2009(08)
[9]频率域电法的新进展[J]. 何继善. 地球物理学进展. 2007(04)
[10]用无网格伽辽金法模拟流场中的颗粒运动[J]. 仇轶,由长福,祁海鹰,徐旭常. 化工学报. 2006(06)
硕士论文
[1]中国汛期雨型和暴雨日数的时空分布规律及其成因研究[D]. 冷春香.中国气象科学研究院 2003
本文编号：2935340
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
逆向管涌侵蚀过程[14]
第1章绪论7图1-3透明土壤渗透仪[31]Fig.1-3Transparentsoilpermeator[31]Rosen(2011)[32]分别用粒子图像测速仪（PIV）、粒子跟踪（PI）的图像减法（IS）结合计算机技术分析研究了土壤颗粒的侵蚀行为。通过将示踪剂和样品中的细颗粒混合，对样品施加不同水头，使用单反相机采集一系列图像，并用三种方法分别对连续的图像进行分析。PIV是对连续图像中相似窗口使用最小二次差分算法计算颗粒位移并确定速度常PI是通过确定颗粒在连续图像上的位置对其位移距离量化。IS是利用不同图像来研究特定时间间隔内运动颗粒的数量，通过改变时空分辨率来研究单个颗粒的运动和样本在一段时间内的变化。对这几种方法进行了评估，对缺乏时空分辨率，技术成功，未能深入研究土壤内部侵蚀问题。需要人工对图像进行评估，工作量巨大，补充了其他渗流实验缺乏的时空分辨率。冯上鑫等人（2018）[33]使用核磁共振（NMR）技术研究了土石混合体的渗透破坏过程。对级配连续的直径45mm，高55mm的土柱样品进行了不同水力坡降的渗透试验，并使用了核磁共振对样品细观结构变化实时监测，最后使用核磁共振分析系统对试样内部横截面的孔隙变化和渗透率特性进行了分析，得出试样在不同水力梯度下内部侵蚀的程度。使用核磁共振的方法对土体进行了无损实时监测，速度快，未能真实反映出管涌渗漏通道的形成过程，这项技术有待于进一步开发。以上关于管涌的可视化研究比起只能隔着玻璃观测管涌发生发展过程的研究方法具
本文研究的技术路线图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of particle contact models on soil response of poorly graded sand during cavity expansion in discrete element simulation[J]. Yang Dong,Behzad Fatahi,Hadi Khabbaz,Henry Zhang. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018(06)
[2]基于核磁共振技术研究渗流作用下土石混体细观结构的变化[J]. 冯上鑫,柴军瑞,许增光,覃源,陈玺. 岩土力学. 2018(08)
[3]一起特殊的橡胶坝溃坝事件引起的思考[J]. 程彦,刘建光,程杰,左丽梅. 浙江水利科技. 2017(02)
[4]用自然单元法模拟管涌发展过程[J]. 任鹤,费建波,介玉新,傅旭东,张丙印. 水力发电学报. 2015(07)
[5]离散元法及其耦合算法的研究综述[J]. 徐爽,朱浮声,张俊. 力学与实践. 2013(01)
[6]基于洪水演进数值模拟的溃坝危害性快速评估[J]. 谢俊举,李亚琦. 灾害学. 2011(02)
[7]基于渗流和管流耦合的管涌数值模拟[J]. 周晓杰,介玉新,李广信. 岩土力学. 2009(10)
[8]江河大堤堤基砂砾石层管涌破坏危害性试验研究[J]. 刘杰,谢定松,崔亦昊. 岩土工程学报. 2009(08)
[9]频率域电法的新进展[J]. 何继善. 地球物理学进展. 2007(04)
[10]用无网格伽辽金法模拟流场中的颗粒运动[J]. 仇轶,由长福,祁海鹰,徐旭常. 化工学报. 2006(06)
硕士论文
[1]中国汛期雨型和暴雨日数的时空分布规律及其成因研究[D]. 冷春香.中国气象科学研究院 2003
本文编号：2935340
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/2935340.html
