CN110046388A - 一种基于edem-fluent离散元流固耦合建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了岩土方面的数值模拟分析计算技术领域的一种基于EDEM‑FLUENT离散元流固耦合建模方法，先利用前处理软件对模型进行建模、划分网格和设置边界条件等并导出模型文件，然后将模型文件导入到FLUENT和EDEM当中，在FLUENT中进行注浆浆液属性的设置，在EDEM中进行土体宏观和微观参数的设置，并且注意单位的设置，然后FLUENT与EDEM共同计算迭代至收敛；本发明通过有限元网格计算引入到离散元颗粒流计算当中，将浆液的连续性和土体的离散性质都准确地模拟出来，为从事注浆研究的科研工作者提供了创新性的研究思路。
Description
技术领域
本发明涉及岩土方面的数值模拟分析计算技术领域，具体涉及一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法。
背景技术
针对目前对岩土方面的数值模拟分析计算主要以有限元为主，但是有限元的优点在于对于模拟连续介质的计算有独特优势，但是却模拟不出岩石，土颗粒等这样的离散型介质的力学性质。因此，EDEM作为一款操作简单，计算速度快，便于二次开发的基于离散单元法的软件，在研究离散元介质方面有着广泛的应用。所以以EDEM为基础的离散单元法仿真对实际注浆工程中的设计、施工、检测等都有着指导意义。
以FLAC3D而例，FLAC3D是在岩土工程领域广泛应用的数值模拟软件，但是却是以网格为主的有限差分软件，这种软件和有限元软件一样，在模拟岩土方面并没有太大的优势，无法准确模拟出岩土体的离散性质。PFC3D虽然是一款以离散元为思想的颗粒流分析软件，但是PFC3D在模拟岩土-浆液的耦合作用时，会有以下缺点：(1)PFC在单一土体和岩石中应用广泛，而无法模拟真实浆液对土体的作用。(2)PFC3D目前仅支持使用命令流对模型进行建模，这对于模型的修改和重复利用，存在很大的不便。
对注浆领域的研究而讲，由于浆液和土体是双向耦合作用，而以上这些软件无法模拟出土体的浆液的作用，即无法准确模拟出浆液喷射进入土体之后而产生的浆液的扩散行为。
以高速铁路无砟轨道路基注浆加固为例，将流固耦合的思想运用到注浆研究上，对土体进行离散元颗粒模拟，对浆液进行有限元网格模拟。运用CFD-DEM耦合的思想对注浆进行模拟仿真，得出研究结果。
目前软件只能模拟单一土体或者流体，运用EDEM-FLUENT耦合的方法对流体和土体进行模拟，在流固耦合方面有着很大的优势。基于此，本发明设计了一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，具体步骤如下：
第一步，利用Gambit等前处理软件对路基模型进行建模，选择最合适计算的网格类型划分好网格，设置合适的边界条件，并导出网格文件；
第二步，将所述网格文件导入到FLUENT中，并且在FLUENT中对连续介质注浆浆液参数设定和等待计算；
第三步，将所述网格文件导入到EDEM中，填充离散元土体颗粒，设置土体参数和土体之间微观作用力参数；
第四步，将FLUENT中迭代时间步长设置为EDEM中时间步长的1～100倍，在FLUENT中设置模拟时间，然后等待自动迭代计算至收敛。
优选的，所述自动迭代计算为耦合模拟计算。
优选的，所述耦合模拟计算的方法为：
第一步，EDEM中计算颗粒的速度和位置等信息；
第二步，FLUENT中计算每个网络中包含的颗粒体积分数；
第三步，EDEM中计算浆液对土体的作用力；
第四步，FLUENT中计算浆液与土体之间的动量、能量等交换；
第五步，根据能量和动量等的交换相，在FLUENT中计算流体运动；
第六步，将所述第五步中计算的流体运动向EDEM中传递流体速度，重新进行所述第三步的操作；
第七步，通过重新进行的所述第三步的操作向EDEM中传递浆液对土体的作用力，重新进行所述第一步的操作，循环往复。
优选的，所述第二步导入FLUENT中对网格模型设置浆液的计算参数为：Density(kg/m3)选择constant且参数设置为1760，Viscosity(kg/m-s)选择constant且参数设置为0.06。
优选的，所述第三步中土体参数的设置为：Poisson’s Ratio(V)0.28，SolidsDensity(p)1920kg/m3，ShearModulus(G)20664e+06Fa，Work Function 0eV，CoefficientofRestitution 0.5，Coefficient of Static Friction 0.5，Coefficient ofRollingFriction 0.01。
优选的，所述第四步中FLUENT中时间步长的设置为：Run Culculation选择CheckCase，Time Stepping Method的时间步长设置为0.0002和2000，Max Iteration/Time Step设置为20，Reproting Interval设置为1，Profile Update Interval设置为1。
优选的，所述第四步中EDEM中时间步长的设置为：Time Integaration选择Euler，Fixed Time Step设置为14.5803％、4e-05s，Total Time设置为30s，Target SaveInterval设置为0.1s，Call Size设置为5Rmin、15mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1，针对目前在岩土领域常用的离散元软件不能建立网格模拟浆液和有限元软件不能有效模拟出土体的离散特性等缺点，利用国际上常用的流体软件计算软件FLUENT对浆液进行模拟，利用在岩土工程有广泛应用的离散元软件EDEM对土体进行模拟。
2，本发明能同时考虑浆液与土体的相互作用，注浆过程是一个双向的作用过程，本发明所提出的建模方式和计算不仅能考虑浆液对土体的冲击作用，也能考虑浆液在土体中的扩散路径，在结果中能明显看出浆液对土体的影响区域为多少。
3，本发明构思巧妙，将有限元网格计算引入到离散元颗粒流计算当中，将浆液的连续性和土体的离散性质都准确地模拟出来，为从事注浆研究的科研工作者提供了创新性的研究思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明耦合模拟计算流程图。
图2为本发明运用前处理软件对模型进行网格划分示意图。
图3为本发明导入FLUENT中对网格模型设置浆液的计算参数示意图。
图4为本发明浆液的参数设置示意图。
图5为本发明导入到EDEM中离散元土体颗粒模型示意图。
图6为本发明土体参数的设置示意图。
图7为本发明FLUENT中中时间步长的设置示意图。
图8为本发明EDEM中时间步长的设置示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，具体步骤如下：
第一步，利用Gambit等前处理软件对路基模型进行建模，选择最合适计算的网格类型划分好网格，设置合适的边界条件，并导出网格文件；
第二步，将网格文件导入到FLUENT中，并且在FLUENT中对连续介质注浆浆液参数设定和等待计算；
第三步，将网格文件导入到EDEM中，填充离散元土体颗粒，设置土体参数和土体之间微观作用力参数；
第四步，将FLUENT中迭代时间步长设置为EDEM中时间步长的1～100倍，在FLUENT中设置模拟时间，然后等待自动迭代计算至收敛。
其中，自动迭代计算为耦合模拟计算。
耦合模拟计算的方法为：
第一步，EDEM中计算颗粒的速度和位置等信息；
第二步，FLUENT中计算每个网络中包含的颗粒体积分数；
第三步，EDEM中计算浆液对土体的作用力；
第四步，FLUENT中计算浆液与土体之间的动量、能量等交换；
第五步，根据能量和动量等的交换相，在FLUENT中计算流体运动；
第六步，将第五步中计算的流体运动向EDEM中传递流体速度，重新进行第三步的操作；
第七步，通过重新进行的第三步的操作向EDEM中传递浆液对土体的作用力，重新进行第一步的操作，循环往复。
第二步导入FLUENT中对网格模型设置浆液的计算参数为：Density(kg/m3)选择constant且参数设置为1760，Viscosity(kg/m-s)选择constant且参数设置为0.06。
第三步中土体参数的设置为：Poisson’s Ratio(V)0.28，SolidsDensity(p)1920kg/m3，ShearModulus(G)20664e+06Fa，Work Function 0eV，CoefficientofRestitution 0.5，Coefficient of Static Friction 0.5，Coefficient ofRollingFriction 0.01。
第四步中FLUENT中时间步长的设置为：Run Culculation选择Check Case，TimeStepping Method的时间步长设置为0.0002和2000，Max Iteration/Time Step设置为20，Reproting Interval设置为1，Profile Update Interval设置为1。
第四步中EDEM中时间步长的设置为：Time Integaration选择Euler，FixedTimeStep设置为14.5803％、4e-05s，Total Time设置为30s，Target Save Interval设置为0.1s，Call Size设置为5Rmin、15mm。
本实施例的一个具体应用为：利用前处理软件对模型进行建模、划分网格和设置边界条件等并导出模型文件，然后将模型文件导入到FLUENT和EDEM当中，在FLUENT中进行注浆浆液属性的设置，Density(kg/m3)选择constant且参数设置为1760，Viscosity(kg/m-s)选择constant且参数设置为0.06，在EDEM中进行土体宏观和微观参数的设置，并且注意单位的设置，然后FLUENT与EDEM共同计算迭代至收敛，FLUENT中时间步长的设置为：RunCulculation选择Check Case，Time Stepping Method的时间步长设置为0.0002和2000，Max Iteration/Time Step设置为20，Reproting Interval设置为1，Profile UpdateInterval设置为1；EDEM中时间步长的设置为：Time Integaration选择Euler，FixedTimeStep设置为14.5803％、4e-05s，Total Time设置为30s，Target Save Interval设置为0.1s，Call Size设置为5R min、15mm。EDEM中计算颗粒的速度和位置等信息，FLUENT中计算每个网络中包含的颗粒体积分数，EDEM中计算浆液对土体的作用力，FLUENT中计算浆液与土体之间的动量、能量等交换，根据能量和动量等的交换相，将根据能量和动量等的交换相，在FLUENT中计算流体运动中计算的流体运动向EDEM中传递流体速度，重新进行EDEM中计算浆液对土体的作用力的操作，通过重新进行的EDEM中计算浆液对土体的作用力的操作向EDEM中传递浆液对土体的作用力，重新进行EDEM中计算颗粒的速度和位置等信息的操作，循环往复。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，利用Gambit等前处理软件对路基模型进行建模，选择最合适计算的网格类型划分好网格，设置合适的边界条件，并导出网格文件；
第二步，将所述网格文件导入到FLUENT中，并且在FLUENT中对连续介质注浆浆液参数设定和等待计算；
第三步，将所述网格文件导入到EDEM中，填充离散元土体颗粒，设置土体参数和土体之间微观作用力参数；
第四步，将FLUENT中迭代时间步长设置为EDEM中时间步长的1～100倍，在FLUENT中设置模拟时间，然后等待自动迭代计算至收敛。
2.根据权利要求1所述的一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于：所述自动迭代计算为耦合模拟计算。
3.根据权利要求2所述的一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于，所述耦合模拟计算的方法为：
第一步，EDEM中计算颗粒的速度和位置等信息；
第二步，FLUENT中计算每个网络中包含的颗粒体积分数；
第三步，EDEM中计算浆液对土体的作用力；
第四步，FLUENT中计算浆液与土体之间的动量、能量等交换；
第五步，根据能量和动量等的交换相，在FLUENT中计算流体运动；
第六步，将所述第五步中计算的流体运动向EDEM中传递流体速度，重新进行所述第三步的操作；
第七步，通过重新进行的所述第三步的操作向EDEM中传递浆液对土体的作用力，重新进行所述第一步的操作，循环往复。
4.根据权利要求1所述的一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于，所述第二步导入FLUENT中对网格模型设置浆液的计算参数为：Density(kg/m3)选择constant且参数设置为1760，Viscosity(kg/m-s)选择constant且参数设置为0.06。
5.根据权利要求1所述的一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于，所述第三步中土体参数的设置为：Poisson’s Ratio(V)0.28，Solids Density(p)1920kg/m3，Shear Modulus(G)20664e+06 Fa，Work Function 0 eV，Coefficient ofRestitution 0.5，Coefficient of Static Friction 0.5，Coefficient of RollingFriction 0.01。
6.根据权利要求1所述的一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于：所述第四步中FLUENT中时间步长的设置为：Run Culculation选择Check Case，TimeStepping Method的时间步长设置为0.0002和2000，Max Iteration/Time Step设置为20，Reproting Interval设置为1，Profile Update Interval设置为1。
7.根据权利要求1所述的一种基于EDEM-FLUENT离散元流固耦合建模方法，其特征在于：所述第四步中EDEM中时间步长的设置为：Time Integaration选择Euler，Fixed TimeStep设置为14.5803％、4e-05s，Total Time设置为30s，Target Save Interval设置为0.1s，Call Size设置为5 Rmin、15mm。
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