变形介质多相流动流固耦合数学模型

变形介质油藏和城市地下水层中由于液体被采出，地层压力下降，有效应力发生变化，使整个含水、含油层的地应力状态改变，多孔介质骨架变形和发生位移，岩石的物性参数（渗透率、孔隙度、压缩系数等）随之变化，这种现象越来越受到人们的注意，本文基于达西定律和岩石力学弹性定律，在以前的科研工作基础上，把岩石骨架变形引入模型中，建立多相流体在变形多孔介质中流动时由于孔隙压力变化耦合数学模型。在此模型中，渗透率、孔隙度、压缩系数均为压力的函数。     

热-流-固耦合渗流的数学模型研究

本文阐述热-流-固耦合渗流的数学模型。基于线性热弹性理论,介绍了饱和多孔材料多场耦合的完整方程组,包括渗流方程、本构方程和能量方程。并讨论了对它的求解内容及其在相关工程技术领域的应用。     

U形渡槽流固耦合动力作用研究

为了研究强震下渡槽的流固耦合动力作用,本文首先用VOF模型验证了渡槽内水体响应的非线性,然后通过位移有限元方法建立了U形渡槽流固耦合模型,并根据地震作用的特点构造了一组Ricker子波,分别计算了刚、柔性槽体模型的动力时程响应。计算结果表明,渡槽流固耦合动力作用的强度主要受流体晃动频率、槽体自振频率两个因素控制,当外界激励的频率接近这两个频率时,渡槽的流固耦合动力作用将变得十分显著;当激励频率达到水体晃动频率的2倍时,水体主要运动方式将由表面晃动转变为整体惯性运动;地震作用下水体动力响应的非线性可以忽略。这些现象在渡槽抗震设计中应当引起足够的关注。     

热-流-固耦合渗流的数学模型及其应用

热-流-固耦合问题涉及许多领域,诸如石油热力开发领域中的渗流问题,孔隙介质中的渗流场、温度场以及岩石变形场之间就存在着复杂的耦合作用。该文首先建立了热-流-固多场完全耦合渗流数学模型,研究了全耦合偏微分方程组的求解方法,然后采用有限体积法和有限元方法相结合的数值模拟方法对耦合数学模型进行了求解,通过砂土固结算例验证了耦合模型及求解方法的正确性,最后作为应用实例,利用所建立的热-流-固耦合渗流数值计算模型对油页岩原位加热开发的渗流过程进行了数值分析。     

岩体单裂隙流固热化学耦合作用数值模拟研究

为全面研究渗流、应力、化学、温度影响下岩体裂隙的变化,建立了岩体单裂隙的流-固-热-化四场全耦合数学模型,并以Comsol Multiphysics软件为基础,将该数学模型转化为一个统一的偏微分方程组,实现了四场全耦合数值求解。该模型给出了更接近真实物理过程的数值解答,避免用松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。同时通过对两个实例的计算模拟,分析了在渗流、压应力、水化学溶蚀和温度等多因素耦合作用下,岩体单裂隙渗透特性的变化规律,得出了裂隙岩体渗透特性的影响机理和关键影响因素。     

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。     

考虑渗流作用的深基坑桩锚支护结构内力和变形研究

以天水市某深基坑为研究背景,对预应力锚索内力、支护桩侧向位移及基坑周边地表沉降进行 了监测;采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ有限元分析软件,分别建立考虑渗流和不考虑渗流两种深基坑开挖支护分析 模型,对深基坑开挖过程中桩锚内力和变形过程进行了模拟计算,进一步探讨了在渗流作用下深基坑位 移、内力随基坑开挖深度的变化规律。结果表明:在桩锚支护结构体系下,有限元分析结果与实际监测 结果的预应力锚索内力、支护桩侧向位移及基坑周边地表沉降变化趋势基本一致,均随着基坑开挖深度 的增加呈现增大趋势,直到基坑开挖完成后逐渐趋于稳定;对比分析表明考虑渗流作用分析结果较不考 虑渗流作用更为不利。     

水位下降边坡的流-固耦合弹塑性分析

基于非饱和土流-固耦合理论,建立考虑塑性变形的水位下降边坡模型,研究土体的弹塑性对渗流场、应力场和位移场的影响,并与弹性边坡的耦合计算结果进行比较。结果表明,考虑土体弹塑性对边坡渗流场的影响不大,对应力场的影响主要在坡脚,弹塑性解能反映水位下降时坡脚应力集中向深部发展的现象,而弹性解无此现象;在弹塑性模型中,边坡位移场与饱和渗透系数和水位下降速度有关,且在坡脚更为显著。     

平面闸门流固耦合自振特性研究

为了使设计的闸门自振频率远离水流的高能脉动主频率段，以保证闸门的安全，在重点考虑流固耦合引起的“附加质量”对闸门自振特性的影响的基础上，采用三维边界元的数值分析方法，获取闸门的自振频率和振型模态特性。对德清大闸定轮平面闸门的数值计算结果表明：水头对闸门的影响总趋势是使其自振频率降低、振动模态发生变化；闸门局部开启工况第1阶频率较低，振型主要是门叶沿竖直方向的整体振动；低阶振动模态中除门叶竖直方向的整体振动模态外，其余各阶均显示为门叶的弹性变形振动。为提高闸门自振频率，需对其结构进行优化设计。     

黄河大堤丁坝流固耦合分析研究

将黄河大堤丁坝概化为三维地质模型,考虑坝体建成后水位保持施工期水位和坝体建成后水位升至设计水位2种工况,对坝体和渗流的相互作用进行了耦合分析。结果表明：在第一种工况下丁坝最大沉降量为5.2 cm,在第二种工况下丁坝最大沉降量为2.14 cm;丁坝内部应力以压应力为主,在丁坝裹石台阶边缘存在拉应力,在台阶内侧存在应力集中现象。     

稳态流固耦合分析转轮叶片变形对转化效率的影响

转轮是水轮机能量转化的核心部件,其转化效率的多少不仅与转轮叶片设计的优良情况有关,动水与转轮叶片之间流固耦合作用也是影响转轮转化能量效率的因素。采用稳态双向流固耦合分析方法,对混流式水轮机转轮性能进行分析。结果表明,混流式水轮机转轮的叶片在与动水相互作用中的变形较小,对转轮流域流场影响很小,对转轮转化效率的影响也很小。因此,在利用数值方法进行混流式转轮能量性能研究时,推荐采用简单的、仅计算流场的数值方法,可提高计算效率。     

考虑渗流与变形耦合作用的基坑工程时间效应

基于比奥固结理论，推导了考虑卸载和坑内外水头差影响的三维固结有限元方程，编制了考虑地下水渗流与土骨架变形耦合效应的有限元程序，研究了基坑变形以及坑内外超静孔隙水压力和土水势的时间效应。与不考虑坑内外水头差的情况对比表明，由于坑内外水头差的影响，基坑的围护结构变形、坑后地表沉降以及坑底隆起变形都增大，不考虑坑内外水头差影响的计算是偏不安全的。     

有限变形下固流多相介质耦合问题的数学模型及失稳条件

本研究以多相连续介质力学理论为基础，把多相连续介质抽象为叠合连续体，考虑了固相骨架的有限变形、液相及气相之间的相互作用，建立了固-液-气三相介质相互耦合变形力学的基本理论和数学模型，提出了固相骨架有限变形下三相耦合介质的失稳条件．有限变形下失稳的临界条件对应着固相骨架的总刚矩阵奇异，为多相介质力学问题的数值模拟提供了理论基础．     

大型渡槽流固动力耦合效应试验研究

以南水北调工程穿黄箱形渡槽为研究对象,采用大比尺水弹性振动渡槽模型在水平振动台上进行试验,研究了地震作用下和谐激励下水体与槽体相互作用效应和机理,并将试验结果和Housner模型计算结果进行了对比分析.结果表明流固耦合作用对渡槽结构的动力特性、振动位移和动应力响应以及槽内水体的动水压力特性有很大影响,弹性槽壁上的动水压力远大于刚性槽壁上的动水压力.试验条件下,由槽内水体晃动产生的动水压力很小.基于研究结果最后对Housner模型在抗震分析中的应用提出了修正建议.     

水击流固耦合的判断准则探索

水击理论在进行水击计算时忽略管道结构的动态特性对水击压力的影响。这种忽略对于受很大约束的管道系统的水击计算是可行。但对于实际应用中最大量使用的弱约束管道系统，管道结构的运动和变形可能会对水击压力产生很大的影响。根据管道结构的运动和变形对水击压力的影响进行了研究，阐明了管道有压流系统中流体-结构相互作用的机理，论述了摩擦耦合、泊板耦合，接合部耦合和泊松接合部耦合4种形式，通过典型算例分别研究了管道的轴向运动、弯曲和扭转对水击压力的影响。发现轴向运动对水击压力的影响最大，而管道的弯曲和扭转对水击压力的影响较小。     

地下连续墙与止水帷幕共同作用下富水砂层深基坑变形性状

研究富水砂层地下连续墙深基坑变形特性对深基坑工程实践具有重要指导意义。以某车站地下连续墙深基坑工程为依托,通过数值模拟和现场实测方法研究降水渗流作用下富水砂层地下连续墙深基坑施工变形性状及其影响因素。研究结果表明:地下连续墙水平位移曲线分布随开挖深度加深由“斜线”形—“弓”形—倒“V”形演变,墙体最大水平位移U_x,max及其位置深度H_x,max与开挖深度h_e符合线性关系,最大水平位移约为(0.048%～0.082%)h_e,其深度位置约为(0.60～1.20)h_e;地表竖向位移曲线分布沿横向水平距离呈凹槽形,沉降槽随开挖深度增加而变宽、加深,沉降变形显著影响区为(1.0~1.5)h_e,距坑边(1/3~1/2)h_e处地表沉降最大;考虑地下连续墙与止水帷幕共同作用的富水砂层深基坑变形与实测结果更为吻合,且帷幕隔水和挡土作用对基坑变形影响显著;地下水位上升、砂层厚度加深均引起墙体水平位移和地表竖向位移增大,当风化砂岩层渗透系数较大时,渗透系数增加对坑外地表竖向位移的影响较墙体水平位移显著,合理的止水帷幕深度及间距参数有利于控制基坑变形和保持稳定性。     

大型薄壁输水渡槽流固耦合振动台试验研究

地震高烈度区大型高架渡槽的抗震安全是我国西南地区长距离调水工程建设及运行过程中难以回避的重大挑战。渡槽结构与槽内水体动力相互作用是地震响应分析及安全评价的关键问题。目前使用较多的将水体以附加质量方式计入其对结构动力响应影响的方法是基于刚性壁与流体相互作用假定下推导建立的。大型渡槽多为薄壁结构,柔性结构与水体间的动力相互作用与刚性壁假定存在明显的不同。本研究采用几何比尺1/10的大型薄壁渡槽物理模型,通过振动台试验研究渡槽与水体的动力相互作用。通过深入分析稳态白噪声激励和11组双方向地震波激励下渡槽结构的动态响应,确定大型薄壁渡槽中水体对结构自振频率及渡槽两端支座力产生的重要影响,并给出了试验对象渡槽结构槽内水体与渡槽动态相互作用的等价质量定量关系。为实际工程抗震设计准确分析评价渡槽抗震安全提供可靠依据。     

考虑淤泥蠕变效应的水厂深基坑开挖变形分析

开挖变形是基坑安全稳定性的重要影响因素,在设计和施工建设中需要予以足够的重视。此次研究以长泰县城乡供水一体化一期工程岩溪自来水厂深基坑开挖工程为例,探讨了考虑淤泥蠕变效应的深基坑开挖变形特征,结果显示考虑土体蠕变因素的影响可以获得更为准确的计算结果,建议在工程设计计算中采用。     

软土地区深基坑开挖及降水变形性状分析

针对南昌某软土深基坑工程,运用Midas GTS和修正Mohr-Coulomb模型建立三维有限元分析模型,基于有效应力分析法对深基坑开挖及降水施工过程引起的变形性状进行分析,结果表明基坑开挖具有明显的空间效应,围护结构水平位移及坑底隆起量过大是造成坑外土体沉降的主要原因,降水会使坑外土体沉降量及沉降范围明显增大;坑底抗拔桩能够有效控制坑底隆起量,减小坑外土体不均匀沉降对周围建筑物造成的危害。分析结论可为类似的基坑工程提供施工指导。     

基于Fluent的南水北调闸门流固耦合数值模拟研究

水工钢闸门在南水北调中线工程中应用较为普遍,对工程的安全及有效输水起着较重要的作用。利用现场闸门检测结果,验证了所建数值模型的合理性,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,利用RNG k-ε湍流模型,基于流固耦合理论,结合ANSYS Workbench平台内的Fluent分析模块及Static Structural分析模块,对闸门在不同开度下进行数值模拟分析,得出流场的水流压强和闸门的Mises应力及位移,探寻在不同开度时流场压强及闸门受力规律。结果表明：随着闸门开度的不断减小,闸门底缘附近的压强不断增大,同时闸门面板及主横梁的Mises应力及位移均是不断增大的,尤其当闸门开度小于0.40后,闸门附近处压强有明显增大趋势,面板和横梁的应力及位移有明显增大现象。