饱和砂土流固耦合细观数值模型及其在液化分析中的应用

在饱和砂土连续力学模型的基础上,建立了一个饱和砂土固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,固相颗粒采用离散元的颗粒流理论模拟,液相流体通过求解平均Navier-stokes方程的计算流体动力学技术计算。该细观模型用二维渗流问题进行了验证,并将其应用于饱和砂土的液化分析。数值模拟结果显示,采用的模型可以描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动。液化分析表明：液化首先在试样的表层产生,接着向深部发展;而超孔隙水压力则从底部开始消散,然后逐渐向上发展,直至完全消散。砂土液化过程中土体孔隙率不断变化,渗透系数也随之改变。     

对荷载作用下一维渗流规律的新认识

按照Biot建立三维固结方程的基本思路,考虑到介质的渗透系数不是常量,而是孔隙率的函数,建立起多孔介质流固耦合渗流的基本方程对一维稳定渗流时的数学模型进行理论解答,探讨分析了耦合作用下多孔介质内流体压力的分布规律;对耦合作用下流体在多孔介质内的渗流规律提出了一点新的认识。     

基于改进FV-LBM的多孔介质渗流模拟

提出了一种新的基于Brimman -Forchheimer方程的多孔介质流动格子Boltzmann法的有限体积形式（FV-LBM）。在该方法中,多孔介质效应通过将外力引入格子Boltzmann方程中,并通过以单元为中心的有限体积法求解,同时将权重的校正因子引入进来以提高数值计算的稳定性。用该方法验证了完全多孔Poiseuille流和Couette流,数值计算结果与理论解吻合较好。而且还用该方法模拟了具有均匀和非均匀孔隙度的裂隙-孔隙模型,结果表明：当达西数增加时,多孔层中的速度增加;而当裂隙区域的速度峰值减小时,速度轮廓接近抛物线。研究成果为多孔介质渗流模拟提供了有效途径。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

势流体与N-S流体的应用及比较研究

随着我国西部输水工程的发展,流-固耦合模型的抗震分析问题日益严重。对于流-固耦合模型,若可以认为流体是无粘、无漩、无热转换、微可压缩流体,且流体域的边界运动很小,则选择基于势的亚音速公式计算更有效,因为这种流体建模仅仅包括一个节点未知量-速度势,否则要用基于N-S流体的流-固耦合公式进行计算。通过实例验证这两种流-固耦合模型的应用范围和有效性。计算结果显示：在满足基于势的亚音速公式假定情况下,选用势流体和选用N-S流体,其计算结果一致,且与基于N-S方程的模型相比,选择基于势的亚音速公式更有效。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

求解水动力弥散方程的多单元均衡法

本文给出一种多孔介质溶质输运方程的多单元均衡解法。该方法基于多孔介质溶质输运理论和物质守衡原理,在三角形单元的局部座标系中对溶质传输的物质流强度方程进行差分,直接形成未知函数离散后的系数矩阵。方法简易,形式简单,物理意义直观,实用方便。     

基于浸入边界-谱元法的流体柔性体耦合运动研究

为了模拟大变形柔性体与黏性流体耦合运动的动力学行为,该文发展了一套基于浸入边界-谱元法的数值模拟方法。该数值方法中,流体运动在欧拉坐标下采用谱元法模拟,柔性体运动在拉格朗日坐标系采用有限差分法求解,两者的耦合通过浸入边界法实现。首先对低雷诺数方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟,并将计算结果与其它文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。然后研究了高雷诺数下方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动情况,得到柔性结构的耦合振动特性和流场动态分布特征。该文的数值方法放宽了由大拉伸系数引起的稳定性限制,能更灵活地被运用于复杂柔性边界条件的情况,为后续对各种柔性体流体耦合的研究提供了基础。     

变形多孔介质流固耦合非线性渗流模型及解析

渗流的流固耦合问题在理论上与实践中都十分重要。考虑可变形多孔介质的渗透系数和孔隙率的变化依赖于压强变化,由渗透系数与渗透率的关系,结合非线性渗流流体质量守恒方程和连续性方程等基本微分方程建立了一维流固耦合非线性渗流问题的数学模型,推导了可变形介质非稳定渗流场微分方程。利用分离变量法推导出孔隙水压随时间和空间的变化关系的解析解,分析了渗流方程中的控制参数对渗流的非线性程度的影响。通过引入物理参数的方法处理渗流随时间的变化,并阐明了非线性渗流机理,最后定性分析了影响流体渗流压强分布的因素。     

基于随机水流网络的土壤水非均匀运动数值模拟

用显色示踪方法通过试验研究了黏土的非均匀流动模式,建立了离散网络模型,根据土体的统计特征描述相互作用的大孔隙和流动通道,构建水流运动的网络系统与小孔隙连续介质的耦合模型。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和不规则水流网络区水流运动方程耦合,解决了网络通道交叉引起的水流相互影响的问题,提高了计算效率。模拟与实验结果对比表明,离散网格模型及方法较好地描述出了优先流运动的特点,比等效连续体模型更为有效的刻画了土壤水流非均性规律。     

管线渗漏引发地面塌陷的DEM-CFD耦合数值模拟

基于流固双向耦合原理,在离散元软件PFC3D基础上使用DEM(离散元)与CFD(计算流体动力学)耦合模块,考虑流体高速渗流时的流体压力梯度力对流固耦合过程的影响,建立了土颗粒与流体双向耦合作用下的细观数值模拟力学模型,针对渗流发生和发展过程中土体力学性能和水力性质进行了研究,从而定性地揭示了地表塌陷过程的演化规律与灾变机理。结果表明,流体高速渗流时,流体压力梯度力数值大于拖曳力,且土颗粒半径越大,流体压力梯度力越大;地表塌陷过程中土体塌陷模式呈圆锥形变化。     

A hybrid DEM/CFD approach for solid-liquid flows简

A hybrid scheme coupling the discrete element method(DEM)with the computational fluid dynamics(CFD)is developed to model solid-liquid flows.Instead of solving the pressure Poisson equation,we use the compressible volume-averaged continuity and momentum equations with an isothermal stiff equation of state for the liquid phase in our CFD scheme.The motion of the solid phase is obtained by using the DEM,in which the particle-particle and particle-wall interactions are modelled by using the theoretical contact mechanics.The two phases are coupled through the Newton’s third law of motion.To verify the proposed method,the sedimentation of a single spherical particle is simulated in water,and the results are compared with experimental results reported in the literature.In addition,the drafting,kissing,and tumbling(DKT)phenomenon between two particles in a liquid is modelled and reasonable results are obtained.Finally,the numerical simulation of the density-driven segregation of a binary particulate suspension involving 10 000 particles in a closed container is conducted to show that the presented method is potentially powerful to simulate real particulate flows with large number of moving particles.     

土工膜防渗平原水库膜下气场数值模拟

以多相孔隙介质理论为基础推导了考虑孔隙中水气二相流的非饱和土固结理论方程,在一定的简化假设基础上编写了相应的有限元耦合计算程序。针对某土工膜全库盆防渗的平原水库进行了不同地下水位与库水位组合方案的三维有限元计算,通过整理库底和过渡平台两处膜下气压与地下水位及库水位变化关系曲线分析了土工膜下气压变化规律。计算结果表明:地下水位快速上升会引起膜下气压迅速增大,使得土工膜的气胀成为可能;当地下水位与土工膜间距小于1m时,膜下气压会随着库水位上升迅速增大。     

底部加热的复合多孔介质热-流耦合场非线性特性

针对非线性流动传热受底部加热模型骨架的影响及分叉、震荡点的非线性解析解难求的问题,采用数值模拟及实验的方法对底部加热的复合多孔介质热流耦合传热过程进行数值求解和温度测试。构建底部加热的复合多孔介质热-流耦合传热的三维模型;采用SIMPLE算法对控制方程组进行QUICK格式离散求解,并在底部加热实验台上对测点进行温度采集。在小Ra工况下,揭示了复合多孔介质内存在热流分布分层特性及确定了非线性分叉、震荡解的特征值。数值结果表明:热流场分布对初始场依赖敏感,低Ra情况下三维腔体内热流场表现出稳定的二维性质;与单层多孔介质相比,复合多孔介质内存在热流分布分层的非线性特性;非线性分叉、震荡点对应的临界Ra依赖复合多孔介质骨架高度比,高度比越大(强导热、高阻力多孔介质区所占高度越大),静态分叉及震荡所对应的临界Ra越小,越早表现出分叉、震荡等非线性特性;改变复合多孔介质内高度比可以重新优化热流场分布,实现削弱或强化传热。     

三维流体固体动力耦合模型研究

流体固体动力耦合是众多工程领域的重要问题。由于流体与固体动力特性的巨大差异,二者的耦合研究异常困难,尤其是三维领域的研究更加复杂。本文分析了三维流体、固体接触界面上的运动状态,提出并采用流体固体接触界面的无限点对模式,模拟流体固体的动力相互作用。并利用广义变分原理结合Lagrangian乘子法,引入流体固体接触面约束条件,建立了三维不可压缩流体与固体动力耦合统一分析的理论模型,继而推导了耦合后的动力有限元求解方程,首次将流体与固体动力耦合内力作为未知量求解,使耦合后的流体与固体域的瞬态动力响应从同一方程中解出。经典算例较高的计算精度表明了这种耦合模型的正确性。液体储存箱的地震反应结果表明,固体变形的动力效应是显著的,应引起工程设计的注意。     

一类非牛顿流体非线性渗流的压力波解析求解方法及波形分析

一类非牛顿流体渗流的视粘度依赖于压力梯度，且在不同的压力梯度区间内变化规律不同。其具有既不同于牛顿流体渗流，也不同于幂律流体渗流和宾汉流体渗流的非线性渗流特征。建立了该流体在多孔介质内部渗流的数学模型并利用行波法推导出了压力波的解析解。通过一系列算例分析了渗流方程控制参数对压力波形的影响，对比了该类流体与牛顿流体渗流的压力波差异。     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。     

基于σ坐标变换和水位函数法的立面二维水动力学模型

根据近年来计算水力学在计算方法上的最新成果,提出了一种用于计算水流运动沿水深方向变化动水压力条件下的立面二维水动力学模型。模型中,采用基于Boussinesq假定的不可压缩牛顿流体的Navier-stokes方程作为控制方程,并对其做σ坐标变换,简化了计算区域。数值方法上,通过有限差分法离散控制方程,采用矩形交错网格,利用水位函数法求解自由水面流动,通过分步解法在交错网格上求解速度项和动水压力项。用该模型模拟了微幅波运动,并对模型计算结果与微幅波运动解析解进行比较,结果表明该立面二维水动力学模型具有良好的精度。