基于离散元法的水土流动系统耦合数值分析方法研究

发布时间：2021-12-21 19:23

　　水土流动系统广泛存在于地质工程、岩土工程和水利工程之中,例如,坝基-水工结构物系统、水土流失过程、油井产砂过程以及基坑突涌问题等,其基本原理涉及颗粒尺度的颗粒运动和颗粒-颗粒相互作用以及微观尺度或介观尺度的流体流动和流体-颗粒耦合作用。现阶段采用物理试验和基于欧拉-欧拉（E-E）模型的数值分析方法均难以深入理解上述系统的细观机理。离散元法（DEM）使用颗粒单元对固相进行建模,通过接触模型反映真实的颗粒-颗粒相互作用,并且可以耦合多种流体数值分析方法（例如,CFD-DEM、LBM-DEM等）,为认识上述细观机理提供了有效的数值工具。然而,现有基于离散元法的耦合数值分析方法常常受限于颗粒数量、问题维度以及双商业软件或双开源程序的模型实现方式等问题,限制了其在水土流动系统数值分析中的应用。针对上述问题,论文创新性地提出了CFD-DEM耦合方法的新型实现模型OpenFOAM-PFC^3D,并应用于实际工程中常见水土流动系统的数值模拟和细观特性研究。基于上述工作,取得了如下研究成果:（1）基于欧拉-拉格朗日（E-L）模型,遵循Tsuji等提出的粗网格流体-颗粒耦合数值分析体系... 

【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：134 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

LBM典型离散格子模型示意图（d维空间m个离散速度）

技术路线图

222.1.2颗粒相控制方程在CFD-DEM耦合方法中，颗粒相的表现由牛顿运动定律进行控制，在拉格朗日框架下的微观尺度水平上使用DEM进行数值求解。在PFC3D软件中，颗粒相控制方程如式（2-4）和（2-5）所示：=++(2-4)=(2-5)式中，表示颗粒线速度矢量；t表示数值计算时间；对应于式（1-1）中颗粒接触力、粒间非接触力以及外附加力三项之和，表示作用在颗粒上的总机械力；表示流体作用在颗粒上的总流体-颗粒相互作用力；mp表示颗粒质量；表示重力加速度矢量；表示颗粒角速度矢量；表示颗粒所受接触力矩；Ip表示颗粒转动惯量（Itasca，2018）。图2-1线性接触模型示意图图2-1表示典型线性接触模型（LinearContactModel）示意图。Cundall和Strack（1979）定义线性接触模型在法向和切向上分别包含一个弹簧和一个阻尼器，并且在切向上还另外包含一个滑动摩擦器。滚动阻力线性接触模型（RollingResistanceLinearModel）是基于线性接触模型考虑滚动摩擦原理的扩展版本。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DEM-CFD方法的基坑工程漏水漏砂引发地层运移规律的数值模拟[J]. 戴轩,郑刚,程雪松,霍海峰.  岩石力学与工程学报. 2019(02)
[2]动水位作用下饱和粗颗粒土渗流多尺度耦合模拟[J]. 毛海涛,王晓菊,王正成,吴恒滨.  岩石力学与工程学报. 2018(S1)
[3]地下工程漏水漏砂灾害发展过程的试验研究及数值模拟[J]. 郑刚,戴轩,张晓双.  岩石力学与工程学报. 2014(12)
[4]砂土渗流过程的细观数值模拟[J]. 周健,姚志雄,张刚.  岩土工程学报. 2007(07)

博士论文
[1]基于离散元的渗流致断级配土颗粒运移数值分析方法研究[D]. 程旷.大连理工大学 2019
[2]城市地下工程漏水漏砂灾害演化机理的试验与理论研究[D]. 戴轩.天津大学 2016
[3]稠密颗粒两相流的CFD-DEM耦合并行算法及数值模拟[D]. 任立波.山东大学 2015
[4]复杂稠密气固两相流动的CFD-DEM模拟研究[D]. 张科.浙江大学 2012
[5]粗颗粒垂直管水力提升规律研究[D]. 李鹏程.清华大学 2007

硕士论文
[1]粗颗粒固液两相管流的数值模拟[D]. 吴磊.杭州电子科技大学 2011



本文编号：3545037