CN103034765B - 基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于采空区注浆可视化仿真领域。基于三维几何地质信息模型，建立三维宾汉姆流体数学模型，根据注浆数值模拟结果实现风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，包括如下步骤：(1)建立耦合采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型；(2)建立采空区注浆三维数学模型；(3)进行采空区浆液流动的动态模拟；(4)进行采空区注浆动力学解算；(5)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。本发明主要应用于工程技术中的采空区注浆领域。

Description

基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法

技术领域

本发明属于采空区注浆可视化仿真领域，涉及采空区注浆的三维数值模拟及基于数值模拟的采空区注浆三维动态全过程仿真方法。具体讲，涉及基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法。

背景技术

采空区，是指地下固体矿床开采后的空洞区及其围岩因失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围。由于采空区的存在，地表的移动和沉陷，伴随着产生了连续或非连续的变形。煤炭开采沉陷对环境的破坏是十分严重的，由于地表大范围的大幅度下沉，地表建筑设施会受到损害，同时，人们的生活、生产安全受到威胁和财产损失。目前，治理采空区最常用的技术手段为注浆工艺。注浆技术是使浆液结石体及采空区上部岩土层注浆后成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善采空区所在区域地层的物理力学性质的目的，以满足各类土木建筑、岩土地基等的工程施工技术。

注浆全过程仿真作为浆液流动动态全过程仿真一种表现形式。目前对基于数值模拟的注浆动态全过程仿真未见报道，由于浆液和水流均属于流体类，浆液流动的模拟仿真可类比水流方面的研究。在水流动态全过程仿真方面，国内外研究学者进行了一些研究。

国外从1986年开始水流模拟研究，Fournier and Reeves应用了流体动力学方程的近似解模拟一系列流体轨迹线；Songxin Shi等应用了快速傅里叶转换法(FFT)建立大规模水域表面模型并结合动态几何波浪模型在水域表面产生洪峰。国外对水流数值模拟可视化应用中也已陆续推出了一些较为成功的商用可视化系统，如美国Brigham Young University的SMS软件，荷兰Delft Hydraulics Institute研制的Delft-3D软件，丹麦DHI研究所开发的MIKE ZERO系列软件等。美国地质中心Connor等对美国境内Queets河的洪水流域和河道变化进行动态模拟研究。蒙大纳大学Geoffrey等利用水文学和遥感影像方法对洪水流域进行三维模拟分析，并取得了一定的进展。美国水文科学沙化研究中心Carroll等对洪水冲蚀和淤积进行建模，利用科学计算可视化技术研究卡森河的河道河床变化及其对洪水影响。

国内对水流动态过程的三维可视化研究也广泛开展，董文锋等应用了一维水动力学模型结合OpenGL和GIS技术研制了清江流域“洪水演进模拟仿真系统”模拟流域洪水的淹没过程；韩敏等以给定水位的方式采用VC和OpenGL技术建立了洪水演进模拟系统，实现了洪水演进的可视化；洪友堂、田淑芳等基于OpenGL，运用广度优先搜索算法，实现了青海湖地区水体动态演进过程；叶海建等运用水波动理论实现了南水北调工程中动态水环境的模拟仿真；冶运涛等开发了汶川地震灾区堰塞湖溃决洪水淹没过程三维可视化系统，集成二维溃坝水流模型和在线监测数据，实现了唐家山堰塞湖的蓄水过程的模拟及溃决洪水演进过程的可视化动态仿真。

在注浆可视化方面，徐捷等开发了智能灌浆记录仪，为注浆过程的可视化提供了有益的借鉴，但是这一方法主要是以实验为基础，未涉及到数值模拟；闫树旺等实现了岩土边坡锚杆加固注浆过程的三维可视化，但是未结合数值模拟，只是进行了示意性的效果模拟。

综上所述，目前基于数值模拟的注浆全过程的动态模拟还未见报道。

参考文献：

[1]郝哲，王介强，何修仁.岩体裂隙注浆的计算机模拟研究[J].岩土工程学报，1999，21(6)：727-730.

[2]徐捷，屈昌华，李未显，等.岩石水泥灌浆工程可视化技术的探讨与实践[J].大坝观测与土木测试，2001，25(6)：49-51.

[3]杨米加，陈明雄，贺永年.裂隙岩体网络注浆渗流规律[J].水利学报，2001，7：41-46.

[4]叶海建，刘旭东，罗辉.南水北调视景仿真系统中动态水环境的模拟[J].中国农业大学学报，2003，8(4)：58-62.

[5]阮文军.浆液基本性能与岩体裂隙注浆扩散研究[D].吉林：吉林大学，2003.

[6]卢鹏.岩土边坡锚杆灌浆加固的研究与三维可视化模拟过程[D].天津大学硕士学位论文，2004.

[7]王万顺，耿玉玲，范运岭.三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究[J].中国煤田地质，2005，17(1)：22-25.

[8]韩秀梅.青海湖地区三维地形可视化与水体动态演进模拟[D].中国地质大学硕士学位论文，2006.

[9]康玲，王学立，姜铁兵，等.基于数字高程模型的流域变动等流时线方法[J].水利学报，2006，37(1)：40-44.

[10]陈忠贤.基于OpenGVS三峡水利枢纽虚拟仿真系统的研究与应用[硕士学位论文].重庆：重庆大学，2008.

[11]郭先春，邹时林，李大军，等.抚州市洪水淹没3D可视化系统研发[J].测绘科学，2010，35(4)：193-195.

[12]张金娟.粘土固化浆液渗透注浆理论与数值模拟在砾砂、卵石土层中的应用研究[D].大连海事大学硕士学位论文，2009.

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，尤其南水北调中线工程穿越煤矿采空区，对工程的安全施工与运行造成了严重威胁，对煤矿采空区进行注浆加固处理已成为工程迫切需要解决的问题。基于三维几何地质信息模型，建立三维宾汉姆流体数学模型，根据注浆数值模拟结果实现风暴潮洪水演进三维动态全过程仿真。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，包括如下步骤：

(1)建立耦合采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型；

(2)建立采空区注浆三维数学模型；

(3)进行采空区浆液流动的动态模拟；

(4)进行采空区注浆动力学解算；

(5)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。

耦合采空区复杂地层信息的注浆三维网格模型具体为：

(1)根据真实的CAD地形地质资料和工程基础数据资料，在犀牛软件中建立真实地质模型；

(2)将地质模型转化成.igs格式，通过计算流体力学CFD软件的数据接口，将包含真实地质地形数据的.igs格式文件导入到CFD软件中；

(3)基于三维地质模型，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立模型：在全局选用较大的长度，生成与计算区域边界重合的、疏密程度不均匀的曲线网格，使得网格的边界与计算区域边界一一对应；

(4)针对计算区域内的不同部位的不同情况，采用加密或放宽网格的办法，在不同区域建立不同疏密度的网格，注浆孔周围网格局部加密。

建立采空区注浆三维数学模型具体为，基于采空区注浆三维网格模型构建宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型。宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型的基本方程包括宾汉姆流体k-ε紊流控制方程、宾汉姆流体的本构方程、混合速度方程和混合密度方程，其中k-ε紊流控制方程为数值模拟的主要流体流动控制模拟方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度，宾汉姆流体本构方程、混合速度和混合密度方程均通过源项耦合于k-ε紊流控制方程。

宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型的边界条件包括：

(1)进口边界条件：宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，各变量取均匀分布；根据工程设计的I、II序孔，定义两类参数相同的进口条件，基于实际工程进行I、II序孔的分序注浆；

(2)出口边界条件：出口条件按局部单向化处理；

(3)固壁边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁函数方法；

宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE算法进行求解，最终获得宾汉姆流体三维注浆数值模拟结果。

采空区浆液流动的动态模拟具体为：

基于第二步采空区注浆数值模拟的结果，划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标，为(x，y，z)的数据类型，每相邻的4个点组成一个四边形，再将所有的四边形联接成网，形成反映高低起伏变化的三维交错网格；经过以上处理后，初始显示流场质点，进行质点流速场的绘制：以箭头表示各质点流速矢量，箭头的方向表示速度的方向，箭头的长度表示流速值大小，然后选择适当的时间间隔，逐时生成一系列不同时刻流体质点所在的位置及其速度矢量图，就得到了动态的流场。

采空区注浆动力学解算具体为：

(1)选择注浆孔注浆表现场景

(2)制作场景模型

(3)导入Realflow软件，设置参数

(4)调整参数，多次解算

根据初设参数，进行初次解算，分析解算成果，调整相关参数，再进行解算，反复解算调整多次，直到解算效果满足要求时为止，进行最后的解算和成果输出。

三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出包括又如下步骤：将采空区注浆孔注浆动力学解算的结果导回到3dmax软件中，利用3dmax软件中的材质贴图和照明模块，给整个场景设置光照，并给场景中的各个元素加上贴图和材质，在这一过程中，充分考虑到随着视点的变化，光照变换、纹理和色彩的变化，使得整个场景与现实更加的贴切；最后根据分辨率要求，设置好渲染参数，进行渲染出图片和动画文件。

本发明的技术特点及效果：

(1)与已有技术相比，本发明基于耦合多种地质信息的三维几何模型，建立三维宾汉姆流体k-ε紊流注浆数学模型，对采空区注浆过程进行了精细化三维数值模拟，结果更加符合实际工程中浆液的流动规律，为注浆方案的设计与优化提供理论依据与技术支持；

(2)实现了工程中多注浆孔的分序，分步注浆，更加符合实际工程需要；

(3)基于液相流动态模拟、通用计算图形处理单元(GPGPU)等技术，实现了兼顾真实性和科学性的注浆浆液模拟，使得浆液动态模拟的制作流程更简单，浆液动态模拟的速度更快，图形显示技术更先进，可视化结果更逼真。

(4)利用采空区注浆动力学解算，制作出了采空区注浆过程中I序孔注浆、I序孔浆液到达采空区之后的扩散过程、I序孔固结、II序孔注浆扩散过程等全部效果。

附图说明

图1总体技术流程；

图2针对液体粒子的密度、压强、速度和位置等属性分别建立相应的纹理示意图；图中，a纹理中存储粒子的密度和压强，b纹理中存储粒子的速度，c纹理中存储粒子的位置。

图3动态液体效果模拟制作流程示意图；

图4采空区注浆孔注浆动态全过程仿真的三维演示流程。

具体实施方式

本发明以所建立的复杂工程地质三维模型和三维数字模型为载体，基于三维宾汉姆流体k-ε紊流封闭数学模型对采空区注浆过程进行了精细化三维数值模拟，并结合液相流动态模拟、注 浆浆液的动力学解算等技术，实现复杂工程地质条件下采空区注浆过程的三维全过程动态仿真，对采空区注浆过程提供快速、准确和直观的展示。

基于采空区注浆数值模拟的三维动态全过程仿真方法的总体技术流程见图1，该方法具体包括：

(1)耦合煤矿采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型；

(2)煤矿采空区注浆三维数学模型；

(3)煤矿采空区浆液流动的动态模拟；

(4)煤矿采空区注浆动力学解算；

(5)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。

下面结合附图和具体实施实例进一步详细说明本发明。

(一)耦合煤矿采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型

基于建立的包含复杂地层信息的地质模型，通过地质模型数据与CFD模型数据之间的耦合转化，在耦合地质模型的基础上，建立CFD网格模型，具体的实施步骤如下：

(1)根据真实的CAD地形地质资料和工程基础数据资料，在犀牛软件中建立真实地质模型；

(2)将地质模型转化成.igs格式，通过CFD软件的数据接口，将包含真实地质地形数据的.igs格式文件导入到CFD软件中，实现了真实复杂地形在CFD软件计算网格模型中的精确表达，弥补了以往CFD建模中通过坐标绘制网格模型而使网格精确性不足的局限；

(3)基于三维地质模型，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立模型。在全局选用较大的长度，生成与计算区域边界重合的、疏密程度不均匀的曲线网格，使得网格的边界与计算区域边界一一对应；

(4)针对计算区域内的不同部位的不同情况，采用加密或放宽网格的办法，在不同区域建立不同疏密度的网格，注浆孔周围网格局部加密，既节省了时间，又提高了精度，能较好地模拟实际地质情况。

(二)采空区注浆孔注浆三维数学模型

采用基于宾汉姆流体的k-ε紊流封闭数学模型。

在计算域内，FVM法，即Finite Volume Method，有限体积法，又称为控制体积法，其基本思路是：将所计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点作代表，并通过对守恒型的控制方程做控制容积的积分来导出离散方程。在导出的过程中，需要对界面上的被求函数及其一阶导数的构成做出假定，这种构成的方式就是有限体积法中的离散格式，用有限体积法导出的离散方程具有守恒特性，同时离散方程中系数的物理意义明确，是目前流动和传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。

模型的基本微分方程包括宾汉姆流体k-ε紊流控制方程、宾汉姆流体的本构方程、混合速度方程和混合密度方程，分别表示如下：

在圆柱轴对称坐标系下，宾汉姆流体的控制方程(表2是φ相对应的广义扩散系数与扩散源相)：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\ρw\φ}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{r\ρu\φ}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{r\ρv\φ}\right)=\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\Γ}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂z}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\Γr}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\Γ}}{r}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂\mathrm{\θ}}\right)+S$

表2φ对应的广义扩散系数与扩散源相

式中：ρ为宾汉姆流体浆液的密度，kg/m³；r、θ、z分别为柱坐标的半径方向、角度方向、与半径和角度共面垂直的方向；t为时间，s；p为压力，Pa；μ_t为宾汉姆流体的紊流粘性系数，无因次；u、v、w分别为直角坐标系中x、y、z三个方向上的速度，m/s；k为紊动动能，m²/s²；ε为紊动耗散率，m²/s³；μ_e为紊流状态下宾汉姆流体的粘度，Pa.s；G为浮力项；Y_m为组分m的质量分数；σ_Y为组分m在Y_m质量分数下的紊流普朗特数，无因次；S_m为组分m的源项，无因次；S_u、S_v、S_w分别为x、y、z三个方向的源项，无因次；S为方程的源项，无因次；φ为任一运输量，可分别取值为为1、Y_m、u、v、w，k和ε。

宾汉姆流体本构方程：

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\η}}_b+{\mathrm{\τ}}_0/{\left\{2\right[{\left(\frac{\∂u}{\∂}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂r}\right)}^2+{(\frac{\∂w}{r\∂\mathrm{\θ}}+\frac{v}{r})}^2]+{(\frac{\∂u}{\∂r}+\frac{\∂v}{\∂x})}^2+{(\frac{\∂w}{\∂x}+\frac{\∂u}{r\∂\mathrm{\θ}})}^2+{(\frac{1}{r}\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\θ}}+\frac{\∂w}{\∂r}-\frac{w}{r})}^2\}}^{\frac{1}{2}}$

式中：μ为宾汉姆流体的表观粘度，Pa.s；η_b和τ₀分别是宾汉姆流体的塑性粘度和屈服应力，Pa·s，Pa。

混合速度方程：

${\mathrm{\ρ}}_m=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i$

混合密度方程：

${\stackrel{\→}{v}}_m=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i{\stackrel{\→}{v}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\ρ}}_i}$

式中：α为体积分数，无因次；为速度矢量，m/s；下标i表示相。上述各个公式中用到的常数和标准K-ε模型中的常数一样，C₁＝1.44，C₂＝1.92，C_μ＝0.99，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。

复杂研究区域模型边界条件的确定：

(1)进口边界条件：根据实际工程确定宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，各变量取均匀分布；根据工程设计的I、II序孔，定义两类参数相同的进口条件，基于实际工程进行I、II序孔的分序注浆。

(2)出口边界条件：出口条件按局部单向化处理

(3)固壁边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁函数方法。

壁面处网格节点速度：

$u^{+}=\left\{\begin{array}{cc}{y}^{+},& y^{+}\≤y_m^{+}\\ \frac{1}{\mathrm{\κ}}\ln \left({\mathrm{Ey}}^{+}\right),& y^{+}>y_m^{+}\end{array}\right.$

湍流参数满足： $\left\{\begin{array}{c}{k}^{+}=C_{\mathrm{\μ}}^{-1/2}\\ {\mathrm{\ϵ}}^{+}=\frac{C_{\mathrm{\μ}}^{3/4}}{\mathrm{\κ}}\end{array}\right.$

式中： u⁺等于(u-u_w)/u_τ，u_τ等于(τ_w/ρ)^1/2，其中u为流体切线速度，m/s；u_w为壁面切线速度，m/s；τ_w为壁面的剪应力，Pa；y⁺等于ρu_τy/μ＝ρ(C_μ)^1/4k^1/2y/μ；E、κ分别为经验系数和卡门常数，无因次；满足u_τ为固壁的移动速度，m/s；y⁺为距离固壁的垂直距离，无因次；紊流粘性厚度，无因次。

(三)采空区注浆孔浆液流动的动态模拟

采空区浆液流动的现象，本质上都表现为研究区域内网格节点处相关物理量函数值的变化，而网格节点的位置却保持不变。为此，基于采空区注浆数值模拟结果，划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标，为(x，y，z)的数据类型，每相邻的4个点组成一个四边形，再将所有的四边形联接成网，形成反映高低起伏变化的三维交错网格；经过以上处理后，初始显示流场质点，进行质点流速场的绘制：以箭头表示各质点流速矢量，箭头的方向表示速度的方向，箭头的长度表示流速值大小。为获得较好的演示效果，将箭头的实际长度乘上可变系数ArrowLength，从而使得在流速较大或较小时能够保证较为合适的箭头显示效果。然后选择适当的时间间隔，逐时生成一系列不同时刻流体质点所在的位置及其速度矢量图，就得到了动态的流场。动态的流场能显示其随时间的变化过程，跟踪各流体质点的运动轨迹。

在进行浆液流动的动态模拟中，由于浆液各粒子属性的更新依赖于上一刻粒子的属性，所以采用ping-pong传递技术，将上一时刻输出的数据作为这一时刻输入的数据，不断迭代，从而实现粒子属性的更新。上述方法中最常见的操作是寻找某位置周围的粒子，先对空间进行剖分，再根据粒子当前位置将其映射到所属的空间网格之中，然后按照网格的编号对粒子进行排序，则在查找周围粒子时，只需查找相邻网格内的粒子即可。

采空区注浆过程中浆液流动采用GPGPU即General-Purpose Computing on GraphicsProcessing Unit，通用图形处理器，用图形处理器(GPU)进行计算，代替部分中央处理器(CPU)进行计算工作，使得计算速度更快，结果更为精确，达到良好的图形显示效果。在GPGPU中，数据是以纹理的形式存储的.针对液体粒子的密度、压强、速度和位置等属性分别建立了相应的纹理，如图2所示。

(四)采空区注浆孔注浆动力学解算

液态流动的自然形态复杂多变，形态模拟的计算量和难度很大，而且具有透射、倒影、反射等特性，因此在仿真模拟中，液态流动效果模拟一直是仿真工作人员最为棘手的问题，因为应用一般的效果处理软件(如3ds max等)来模拟液态流动效果非常繁琐，不仅工作量大，需要消耗大量的时间，而且最终模拟出来的效果也不尽如人意，往往与真实的液态流动效果相差甚远。仿真人员根据采空区注浆孔注浆全过程三维仿真的具体特点，决定采用由NextLimit技术公司开发的Realflow(3D可视化的流体模拟和物理动态模拟)软件来快速真实地实现液态流动模拟效果。Realflow软件是一种建立在流体动态计算技术上的物理粒子系统，是目前解决流体动力学模拟的一套比较完善的解决方案。其软件内部的重力、摩擦力、表面张力等十几种辅助器能够完美再现真实物理世界中的力场，使模拟的效果非常真实。Realflow软件不是一个插件，而是一个独立完整的软件，但是该软件本身没有照明和渲染模块，材质模块也相对简陋。因此为了制作出精彩的视觉效果，需要在主流三维制作软件(如3ds max，Maya等)中进行后期的灯光照明、赋予材质和渲染工作。通过程序接口就可以方便快捷地实现Realflow软件与3ds max等三维制作软件之间的衔接，从而可以顺利地实现逼真的动态液体效果模拟，制作流程如图3所示。技术路线如下：

(1)选择注浆孔注浆表现场景

在制作液体动态效果之前，首先应确定需要表现浆液模拟效果的场景。该场景由参与研究的各方讨论共同确定采空区注浆孔注浆全过程三维仿真最终需模拟的注浆孔注浆表现场景。

(2)制作场景模型

仿真人员根据所选的浆液表现场景，应用3ds max，Rhinoceros，Auto CAD等软件制作场景模型，不同的场景其模型的精细程度略有不同，这都是由所需表达的液体动态效果决定的，例如，当所需表达的液体动态效果为多注浆孔同时展示浆液随形态时间变化的大场景时，其场景模型的精细程度可以降低；当所需表达的液体动态效果是注浆孔处液体流态或是倒漏斗浆液形态等诸如此类的小场景时，其场景模型的精细程度就需提高。这样区分的目的就是可以在保证最终液体动态模拟效果的前提下，尽量节省人力、物力，争取三维仿真与优化研究能够按时且保质保量完成。

(3)导入Realflow软件，设置参数

仿真人员应用程序接口将制作成型的场景模型导入到Realflow软件中，设置模型属性模拟真实场景，设置粒子发射器发射粒子，并以粒子为基础建立网格面以模拟注浆浆液，设置重力、摩擦力、表面张力、粘滞性等辅助器模拟真实场景中的各种物理力场，有时还需要设置约束器模拟各种环境约束和边界条件，初设各种参数，准备解算。

(4)调整参数，多次解算

这一步是应用Realflow软件进行液体动态模拟的最重要也是最耗费时间的一个步骤。根据初设参数，进行初次解算，分析解算成果，调整相关参数，再进行解算，反复解算调整多次，直到解算效果满足要求时为止。初期解算时可以把一些参数(例如网格大小，解算精度等)设置的精度稍粗略一些，这样可以大大地节省解算过程中所耗费的时间，从而可以加快得到并分析解算成果的时间，进而进行参数调整，当解算成果大体上满足要求时，再把部分参数设置的精细些，进行最后的解算和成果输出。

(五)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出

由于realflow软件中缺乏照明和材质贴图模块，为了更加形象逼真的表现出注浆孔注浆的真实效果，将采空区注浆孔注浆动力学解算的结果导回到3dmax软件中，利用3dmax软件中的材质贴图和照明模块，给整个场景设置光照，并给场景中的各个元素加上贴图和材质，在这一过程中，充分考虑到随着视点的变化，光照变换、纹理和色彩的变化，使得整个场景与现实更加的贴切。最后根据分辨率要求，设置好渲染参数，进行渲染出图片和动画文件。采空区注浆孔注浆动态全过程仿真的三维演示流程如图4所示。

以下是进行动画制作的几个要点。

(1)制作脚本。在动画制作之前，根据要求制作脚本，是非常重要的第一步。要清楚动画的主要内容是什么，如何布置重要的场景，动作如何描述，设置音响效果等。由于渲染的时间一般较长，因此，在最终生成动画之前，需要通过预览、部分渲染等方法首先生成低分辨率的动画，以观察其效果是否达到要求。

(2)材质。材质编辑是3ds max动画制作的重要环节之一。材质描述物体的表面特性，影响物体表面的颜色、光亮程度和不透明度等。正确运用材质和贴图，才能使物体具有真实感。还可以通过材质参数的关键帧设置实现动画效果，如浆液流动效果。

(3)灯光。调好材质后，必须将场景中配上光才能看出真实效果。材质和灯光是相互联系的。设置好场景光源类型、强度、色彩及其相应的位置和角度，才能创造出良好的环境氛围。有时需要对某些物体单独加光的效果，比如在制作注浆浆液时，为了更真实，要对制作浆液的粒子系统单独加入较强的白灯光，如果这种灯光作用于其他物体必定反光很强烈，因此需要让灯单独作用于水，3dmax软件自带的灯光INCLUDE/EXCLUDE(包含/排除)功能可以有效地解决这个问题。

(4)对场景设置背景。好的背景能烘托出良好的氛围，表现出实际的工程效果。背景图的获取有很多种方法，可以直接使用3dmax软件自带的图片，也可以在Photoshop软件中制作自己需要的效果图作为背景图。

(5)动画运动的设置。3dmax软件中设置运动的方法有关键帧法、变形法和关节法，较常用的是使用关键帧法。通过动画约束，可以使摄像机始终对着某一物体，可以使物体只能沿着某条路径或者某个表面运动，这可以使摄像机沿着某条光滑线运动，摄像机的运动比较平滑，使动画不会出现抖动的效果。

(6)渲染。建立模型后，下一步的工作就是完成平面效果图以及仿真动画的制作。根据精度要求，设置好需要的分辨率，渲染出图片和动画文件。在制作过程中，考虑到渲染时间较长，故应该将整个动画分为几块来进行渲染。由于渲染过程耗时较长，制作过程中应首先应用低分辨率，在完成整个部分的敷色及调整后再应用高分辨率渲染最终效果；在渲染的过程中应同时把背景图片作为渲染场景，这对调整视角及着色效果的微调很有帮助。

Claims (6)

1.一种基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)建立耦合采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型；

(2)建立采空区注浆三维数学模型，具体步骤如下：

基于采空区注浆三维网格模型构建宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型，宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型的基本方程包括宾汉姆流体k-ε紊流控制方程、宾汉姆流体的本构方程、混合速度方程和混合密度方程，其中k-ε紊流控制方程为数值模拟的主要流体流动控制模拟方程，本构方程主要体现宾汉姆流体的特性，混合速度和密度方程体现注浆液中混凝土颗粒和水的混合速度和密度，宾汉姆流体本构方程、混合速度和混合密度方程均通过源项耦合于k-ε紊流控制方程；

(3)进行采空区浆液流动的动态模拟；

(4)进行采空区注浆动力学解算；

(5)三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出。

2.如权利要求1所述的基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，其特征是，耦合采空区复杂地层信息的灌浆三维网格模型具体包括如下步骤：

(1)根据真实的CAD地形地质资料和工程基础数据资料，在犀牛软件中建立真实地质模型；

(2)将地质模型转化成.igs格式，通过CFD软件(计算流体力学软件)的数据接口，将包含真实地质地形数据的.igs格式文件导入到CFD软件中；

(3)基于三维地质模型，采用贴体网格和局部加密网格划分技术建立模型：在全局选用较大的长度，生成与计算区域边界重合的、疏密程度不均匀的曲线网格，使得网格的边界与计算区域边界一一对应；

(4)针对计算区域内的不同部位的不同情况，采用加密或放宽网格的办法，在不同区域建立不同疏密度的网格，注浆孔周围网格局部加密。

3.如权利要求1所述的基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，其特征是，宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型的边界条件包括：

(1)进口边界条件：宾汉流体相和颗粒相的进口速度分布，压力分布以及相应的体积浓度分布，各变量取均匀分布；根据工程设计的I、II序孔，定义两类参数相同的进口条件，基于实际工程进行I、II序孔的分序注浆；

(2)出口边界条件：出口条件按局部单向化处理；

(3)固壁边界条件：按固壁定律处理，所有固壁处的节点均采用无滑移条件，对靠近壁面的第一个网格节点采用标准壁函数方法；

宾汉姆流体三维k-ε紊流数学模型在确定基本控制方程和边界条件的设置与相关参数后，通过有限体积法进行离散，SIMPLE算法进行求解，最终获得宾汉姆流体三维注浆数值模拟结果。

4.如权利要求1所述的基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，其特征是，进行采空区浆液流动的动态模拟具体步骤为：基于第二步采空区注浆数值模拟的结果，划分网格的顶点得到不同时刻的空间坐标，为(x，y，z)的数据类型，每相邻的4个点组成一个四边形，再将所有的四边形联接成网，形成反映高低起伏变化的三维交错网格；经过以上处理后，初始显示流场质点，进行质点流速场的绘制：以箭头表示各质点流速矢量，箭头的方向表示速度的方向，箭头的长度表示流速值大小，然后选择适当的时间间隔，逐时生成一系列不同时刻流体质点所在的位置及其速度矢量图，就得到了动态的流场。

5.如权利要求1所述的基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，其特征是，进行采空区注浆动力学解算包括如下具体步骤：

(1)选择注浆孔注浆表现场景

(2)制作场景模型

(3)导入Realflow软件，设置参数

(4)调整参数，多次解算

根据初设参数，进行初次解算，分析解算成果，调整相关参数，再进行解算，反复解算调整多次，直到解算效果满足要求时为止，进行最后的解算和成果输出。

6.如权利要求1所述的基于数值模拟的采空区注浆动态全过程仿真方法，其特征是，三维动态全过程仿真后期处理与可视化输出包括有如下步骤：将采空区注浆孔注浆动力学解算的结果导回到3dmax软件中，利用3dmax软件中的材质贴图和照明模块，给整个场景设置光照，并给场景中的各个元素加上贴图和材质，在这一过程中，充分考虑到随着视点的变化，光照变换、纹理和色彩的变化，使得整个场景与现实更加的贴切；最后根据分辨率要求，设置好渲染参数，进行渲染出图片和动画文件。