单自由面锚固体单向加载破坏特征和 锚杆荷载规律研究

针对岩石与锚杆形成的锚固复合体,基于实验室单轴压缩实验结果,建立岩石试样单轴压缩数值模型,校验强度参数与塑性剪应变定量关系,确定应变软化力学参数;优化Flac3D中Pile结构单元预应力锚杆构建步骤,建立单自由面锚固体数值模型,剖析锚固体在单向加载条件下的内部破裂特征,揭示在加载全过程中的锚杆轴向荷载及弯矩变化规律。研究表明:由锚杆预应力产生的压应力区按椭球形分布,且压应力在锚固范围内具有双峰值特征;锚杆促使锚固体内部产生共轭剪切破坏带,且共轭剪切带与水平面夹角出现增大趋势,并在临空面浅部出现对称分布的次破裂面;杆体轴向荷载和弯矩分布均具有显著阶段特征;在峰前塑性应变阶段,杆体轴力和弯矩小幅增加,且均以靠近锚杆外锚固端的杆体为主;在峰后软化阶段,杆体轴力和弯矩显著增大,锚杆荷载特征由单纯轴向拉应变突变为拉、弯、剪综合受力状态,且靠近内锚固端杆体弯矩剧烈变化。     

基于RHT模型双孔同时爆破均质岩体损伤的数值模拟

为探究双孔爆破时炮孔间距和额外自由面对爆破过程中爆破损伤的影响,基于RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）损伤本构建立了多组三维数值模型,利用模型损伤云图研究不同爆破条件下的岩石爆破过程,通过自定义变量—有效损伤率的变化探究炮孔周围岩石损伤的时空演化过程。结果表明：随着炮孔间距的增加,岩石有效损伤率逐渐递减,相同截面处的有效损伤率在炮孔间距最小的方案中最大,相邻炮孔间的爆破能量叠加作用随炮孔间距的增大而减弱,合适的炮孔间距可以获得更加理想的爆破效果;岩石有效损伤率随着自由面到炮孔中心处距离的增大而逐渐减小,爆破能量倾向于向自由面方向传播,额外自由面对爆破能量分布的影响随自由面与炮孔间距的增大而减弱。数值模拟结果对研究双孔爆破能量的传递法则具有一定的借鉴意义。     

单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟

为了检验CFD在船舶粘性流场计算中的有效性,基于RANSE方法,对单体船型DTMB 5415和三体船FA1粘性流场进行了数值模拟.自由面处理采用VOF方法,湍流模型选用SSTk-ω模型,计算结果与试验数据进行了比较,在傅汝德数不是很高时吻合较好.计算结果表明,CFD可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力、伴流等重要的水动力参数,CFD能够给出与试验相一致的结果;同时VOF方法可以比较好地捕捉船舶自由面波形,对于三体船,计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象,可以为船型优化提供重要的参考.     

基于Level-Set法的有限元非饱和渗流方法在黄壁庄水库中的应用

针对传统非饱和渗流分析方法中忽略气相作用而导致无法处理气相参与的含自由面渗流这一问题,建立了一种耦合Level-Set法的有限元非饱和渗流分析方法。该方法基于有限元非饱和渗流分析理论,利用Level-Set方法隐式地捕捉自由界面,考虑了入渗过程中的气相可压缩性,能够反映多孔介质中水气两相界面的运动与融合,可以用来求解常规方法无法处理的气相参与的含自由面渗流问题,同时具有自由面构造简单、计算稳定性好、收敛速度快等优点。本文将该方法应用于黄壁庄水库在库水位骤升后出现坝前水面冒泡现象的原因分析中,模拟了该水库坝前水-气两相运移过程,揭示了冒泡现象发生的原因。计算结果表明,此方法可简单、直观地描述水气界面在多孔介质中的运动过程,模拟结果与实际情况较为符合。研究表明,黄壁庄水库坝前水面出现冒泡现象是由水位骤升将铺盖内的空气封住,并随水体入渗压缩空气,出现憋气现象,最后气体释放所致。     

基于COMSOL Multiphysics的渗流有限元分析

复杂渗流场的自由面求解、饱和-非饱和渗流场分析以及考虑渗流作用的多场耦合分析等问题是目前水利水电工程计算中的难点和热点.由于这些问题具有较强的非线性,数值模拟难度较大.对COMSOL Multiphysics软件进行了初步的开发和应用,基于Darcy方程、Richards方程等基本微分方程,或者建立自定义偏微分方程模型,进行了渗流分析的数值模拟.对自由面求解问题采用了一种新思路,研究了非饱和渗流计算参数的处理技术,探讨了多物理场耦合分析方法,并通过若干算例,验证了技术路线的合理性和可行性.借助COMSOL对重力坝断面二维渗流场及复杂岩基三维渗流场进行了数值分析,计算成果合理.实现了渗流场与应力场、温度场三场(THM)的全耦合分析,为进一步探索温度-渗流-应力-化学(THMC)全耦合模型的计算奠定了基础.     

SPH方法和MPS方法模拟溃坝问题的比较分析

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)方法和MPS (Moving Particle Semi-Implicit)方法是两种常用的无网格粒子法,在处理自由面大变形问题方面有较大的灵活性,然而这两种方法在数值格式、计算效率和收敛性等方面有许多不同之处.本文以二维溃坝问题为例对SPH方法和MPS方法进行了比较分析,结果表明:SPH方法易于给出更为清晰、光滑的自由面形状,而MPS方法给出的粒子分布较为凌乱;在收敛性上,随着初始粒子间距的减小,SPH和MPS均趋于收敛,但MPS方法收敛得更快些;对于时间步长,在满足CFL条件且计算稳定的情况下,对结果影响不是很大;在计算效率上,SPH方法具有较高的效率,适合求解大型复杂流动问题,而MPS方法计算量较大.通过对SPH方法和MPS方法的比较分析,为具体问题计算选用不同的无网格粒子方法提供了选择依据.     

糯扎渡水电站垂向二维非恒定流的数值模拟

本文针对宽深比较小，有关参量(如流速、温度、浓度)的垂向变化比水平横向的变化为大的水库，建立垂向二维水流数学模型，水深随时、空而变，垂向做σ变换将可变域变为规则区域。采用算子分裂法、交错网格法、有限差分法进行计算。对糯扎渡水电站的非恒定流数值模拟结果是合理的，表明模型是有效的。     

复杂流场的二维数值模拟方法

提出了基于二维数学模型对溢洪道下游三维复杂运动流场进行模拟计算的一种新方法.通过对泄洪建筑物下游河道复杂流场水流运动及河床冲刷状况的分析,研究了自由面流消能区水流扩散方式、流动特征及相关水力要素的概化确定.根据主流下回流区和表层水股之间质量交换很小的特点,提出了把底部回流区域作为河道无实际过流部分,即修正河流下边界条件,对溢洪道挑坎下游复杂流场进行二维数值模拟的方法.利用上述方法对某工程实例进行了数值模拟计算,计算结果与实际流场状况比较一致,较为真实地反映了自由面流区的流动.     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。