CN109815573A - 一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，包括以下步骤：步骤S10：建立路基的简化模型并划分好网格，并建立流体相控制方程；步骤S20：流体作用到颗粒上，并进行受力计算；步骤S30：作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解；步骤S40：更新后的颗粒速度、位置等信息又输入到CFD中，继续下一步的计算。该发明将计算流体力学和颗粒力学耦合计算的方式引入到注浆的研究上，以往的研究一般采用单一颗粒模拟土体，运用函数模拟浆液，不能准确地模拟整个注浆过程，本发明的方法，弥补用函数模拟浆液的不足，提升了数值模拟注浆的准确性。

Description

一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法

技术领域

本发明涉及于路基注浆的研究技术领域，具体为一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法。

背景技术

本发明涉及路基注浆的研究技术领域，属于CFD-DEM耦合模拟在路基注浆上的研究应用。

近几年，注浆技术在工程建设领域有着广泛的应用，不光是铁路路基方面，在城市基建、道路、水利等工程方面都能适用，随着注浆技术越来越广泛地应用于土木工程方面，但是其理论远远落后于实践，对注浆进行数值模拟，可以有效的丰富注浆理论，使其在工程实践上得到更可靠的应用

在之前的学术成果中，国内外学者一般采用PFC颗粒流软件对注浆过程进行模拟，采用单纯离散元模拟土体，简化土体和浆液之间的相互作用，只能考虑浆液对土体的作用，而不能靠考虑到土体对浆液的作用，使得注浆的模拟结果和实际工程结果相差较大。而目前在各个领域都有应用的计算流体力学和颗粒力学耦合数值模拟，采用此种方法模拟注浆，不仅能考虑浆液对土体的作用，也能考虑土体对浆液的阻碍作用，还能考虑颗粒之间的作用力，所以用流体-颗粒耦合的方法模拟注浆的过程，是能准确地模拟浆液和土体之间的相互作用。本发明通过对以往研究的不足，运用离散元软件模拟土体，并用专业流体力学软件模拟浆液，将离散元模型引入到流体计算当中，不仅可以得到土体在浆液作用下的宏观运动过程，还能得到土体之间微观黏结力的破坏情况。

发明内容

发明目的：为了完善目前对于注浆研究上的不足，使注浆在理论上的发展能够跟上其在实际工程中的应用，本发明提供了一种利用将颗粒流引入到流体中计算的算法。通过对注浆数值模拟方法的改进，从而补齐近几年在注浆研究上的不足。运用CFD-DEM双向耦合的方式，将数值计算引入到注浆的整个过程，从而准确模拟注浆过程中的浆液与土体之间以及土体与土体之间的相互作用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，包括以下步骤：步骤S10：建立路基的简化模型并划分好网格，并建立流体相控制方程；步骤S20：流体作用到颗粒上，并进行受力计算；步骤S30：作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解；步骤S40：更新后的颗粒速度、位置等信息又输入到CFD中，继续下一步的计算。

优选的，在步骤S10的过程中，运用到的方程包括纳维-斯托克斯方程和流体连续性方程。在计算流体力学和颗粒流耦合计算中，采用离散元软件颗粒流模拟土体，并施加接触力，采用流体力学软件模拟浆液，流体流动遵循以下N-S方程。

优选的，在步骤S20的过程中，运用的耦合计算采用一种改进的自由流阻力来计算流体对颗粒的作用力，其参数都来自于CFD的网格计算中。

优选的，在步骤S30的过程中，得到的信息中土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解。

优选的，在步骤S40的过程中，运用其颗粒的速度、旋转速度以及位置的变化可以由下式表示：

xyz_i＝xyz_i,0+V_iΔt。

经过循环计算，从而可以准确地模拟整个路基注浆的过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过建立流体-和土体模型，运用CFD-DEM耦合的方式进行模拟计算注浆的全过程，在模拟过程中，不仅能够看出注浆过程中，浆液对土体宏观上的破坏，也能够看出浆液对土体微观接触力的破坏情况，包括接触键的范围与数量,本发明的成果，将CFD-DEM耦合方法引入到注浆研究上，弥补了其单一颗粒流模拟注浆的不足，可以模拟较为真实的注浆情况。通过离散单元法建立土体模型，这样可以将土体视为真正的固体颗粒，赋予参数之后，更加接近土体真实情况。通过专业流体软件模拟浆液的喷射，可以近似地模拟出浆液在土体中的运动情况。通过添加土体之间的接触力等参数，可以研究土体中浆液的扩散规律，改变不同的参数，可以研究不同注浆压力作用下的浆液对土体接触键的破坏规律，进而探究注浆对土体的作用规律，并指导工程实践。

附图说明

图1为不同范围土体微观接触键破坏所占比例；

图2为本发明方法步骤的流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，包括以下步骤过程：

步骤S10：建立路基的简化模型并划分好网格，并建立流体相控制方程；

步骤S20：流体作用到颗粒上，并进行受力计算；

步骤S30：作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解；

步骤S40：更新后的颗粒速度、位置等信息又输入到CFD中，继续下一步的计算。

制作模型，此例实际中路基尺寸过大，而离散单元法，所以采用路基的简化模型进行计算，模型尺寸为60cm×60cm×30cm，模型中心为注浆管，注浆管形状为圆柱行，在注浆管底部，为六个注浆孔，浆液就从注浆孔喷射到土体颗粒模型中。

本发明通过以下具体过程来模拟注浆全过程：

(1)通过专业建模软件划分好网格并设置边界条件。

根据铁路路基注浆处理的机理，将整体路基缩小为60cm×60cm×30cm的简化模型，并且采用非结构的网格划分，共形成了94567个四面体网格，注浆孔口采用速度入口边界，注浆管壁采用“wall”边界条件，路基上表面采用压力入口边界，其他表面都采用“wall”边界。

(2)设定浆液及土体参数

浆液采用0.8:1的普通硅酸盐水泥浆液，密度设置为1760kg/m³，土体参数为密度1920kg/m³，泊松比设置为0.28.剪切模量设置为2.6MPa，流体力学计算当中，表面上表现为连续方程和运动方程的耦合，变量上则是表现为压力和速度的耦合。流体软件中的压力-速度耦合采用PISO算法，采用PISO可以在计算过程中进行相邻校正，在每个相邻网格中，采用最新速度更新到下一网格。

(3)建立模型并开始求解。

a、在计算流体力学和颗粒流耦合计算中，采用离散元软件颗粒流模拟土体，浆液流动采用N-S方程进行求解，其矢量形式：

在直角坐标系中，可写成：

式中，Δ是拉普拉斯算子；ρ是流体密度；p是压力；u，v，w是流体在t时刻，在点(x，y，z)处的速度分量。X，Y，Z是外力的分量；

常数μ是动力粘性系数(动力粘度μ)，N-S方程概括了粘性不可压缩流体流动的普遍规律，在流体力学的计算中有着重要的意义。

流体连续性方程(三维不定常)：

矢量形式：

根据连续性方程，有：

▽gU

表示速度散度，代表物质体积元的体积在运动中的相对膨胀率。因此连续方程的物理意义极为清楚，它表明，当物质体积元在运动中体积增大时(▽gU＞0)，因质量守恒其密度要减小；运动中体积减小时(▽gU＜0)，其密度要增大。

b、流体作用到颗粒上，并进行受力计算：耦合计算采用一种改进的自由流阻力来计算流体对颗粒的作用力，其参数都来自于CFD的网格计算中。阻系数，取决于雷洛数：

式中，是流体密度；为流体的粘度；是颗粒球的直径；是颗粒与流体间的相对速度；是CFD网格单元的自由体积。除了需要考虑阻力，其颗粒的浮力也要考虑进去。浮力的计算公式：

F_B＝ρgV

自由流阻力模型：

F_d＝0.5C_DρA|v|v

式中A是颗粒的投影面积。

c、作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解，每个颗粒运动方程：

式中，m_i、θ_i为颗粒i的加速度和角速度；m_i、I_i分别的质量和转动惯量；∑F、∑M分别为合外力和合力矩。利用中心差分法对上式进行求解：

其中，是时间步长；N对应时间t。

继续积分，得到位移计算公式：

d、根据以上的求解结果，可以将土体之间的微观接触力引入到颗粒模型当中，设置相关参数，Hertz-Mindlin黏结接触模型，可以阻止切向和法向的运动，当土体颗粒之间的切向和法向力达到临界值，土体之间的黏结就会发生破坏。

离散元中，可直接先生成颗粒，再生成颗粒之间的黏结力。其中法向、切向黏结力与时间的关系：

式中，A表示接触区域的面积,R_B为黏结半径；S_n、S_t分别为法向和切线刚度；δt为时步；v_n、v_t为颗粒的法向和切向速度；ω_n、ω_t为法向和切向角速度。

当法向和切向应力超过所设置的值时，土体之间的微观黏结力也会被破坏。其表达式如下式所示

这些黏结力和力矩是在标准的Hertz-Mindlin额外增加的，模型中增加了这种黏结，使得颗粒间不再是自然的无黏结状态，颗粒土体之间就有了微观上的黏结力。

e、结果分析：

计算完成后，可以开始对注浆的整个过程进行分析。土体之间接触键的破坏范围随着压力的增大而增大。附图1是在同一时间段，其注浆不同范围破坏的bond键在不同范围所占区域的比例大小。从折线图中可以看出由于注浆而破坏的土体bond键数量存在一个峰值，而且注浆压力越大，峰值出现的地方就离注浆孔越远。从上述模拟实验中，应用本发明的方法模拟路基注浆的过程有着较高的准确性，舍弃了传统单一离散元模拟注浆过程的诸多限制，提出了在注浆机理研究上的新方法、新思路

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10：建立路基的简化模型并划分好网格，并建立流体相控制方程；

步骤S20：流体作用到颗粒上，并进行受力计算；

步骤S30：力作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解；

步骤S40：更新后的颗粒速度、位置等信息又输入到CFD中，继续下一步的计算。

2.根据权利要求1所述基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，其特征在于：在步骤S10的过程中，运用到的方程包括纳维-斯托克斯方程和流体连续性方程。在计算流体力学和颗粒流耦合计算中，采用离散元软件颗粒流模拟土体，并施加接触力，采用流体力学软件模拟浆液，流体流动遵循N-S方程。

3.根据权利要求1所述基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，其特征在于：在步骤S20的过程中，运用的耦合计算采用一种改进的自由流阻力来计算流体对颗粒的作用力，其参数都来自于CFD的网格计算中。

4.根据权利要求1所述基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，其特征在于：在步骤S30的过程中，得到的信息中土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解。

5.根据权利要求1所述基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，其特征在于：在步骤S40的过程中，运用其颗粒的速度、旋转速度以及位置的变化可以由下式表示：

xyz_i＝xyz_i,0+V_iΔt。

经过循环计算，从而可以准确地模拟整个路基注浆的过程。