CN111475937B - 一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，首先根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；分区域选择不同的基底阻力模型，流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。该方法实现了水动力作用下流固二相流流化滑坡后破坏的动力学过程模拟仿真，从而为二相流流化滑坡的风险评估和危险区划提供技术支撑。

Description

一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法

技术领域

本发明涉及流化滑坡运动模拟技术领域，尤其涉及一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法。

背景技术

流固两相(液体和固体)滑坡后破坏运动过程往往呈现流态化，具有运动速度快、冲击能量大和影响范围广的灾害特征，该类型滑坡通常在极端降雨、冰雪冻土融化和城市渣土场坡体饱水情况下，极易发生灾难性的滑坡事件。流化滑坡具有流固二相体相互作用共同运动的特征，流体运动性强，运动距离较远，成灾范围广；固体颗粒冲击能量大，运动性相对较弱。在流化滑坡的风险评估和危险区划的定量分析中，数值仿真技术的反演和预测方法发挥着至关重要的作用。

现有技术在流化滑坡运动模拟中二相流耦合技术相对较少，仅有流固耦合建模技术、单相介质模拟技术和试验分析方法，其中：

(1)流固耦合建模技术是将离散元(EDEM)和连续流体(Fluent)耦合的建模方法，该方法是将两种本质不同算法进行耦合建模，网格生成较为复杂，且并未开展运动动力学计算工作；

(2)单相介质模拟技术：通过单相介质来完成滑坡动力学的数值仿真，通常有离散元颗粒流算法和等效流体算法，颗粒流算法可以反映滑坡颗粒巨大冲击能量的运动特点，等效流体算法可以反应滑坡远距离的运动特点，该方法对二相流介质，分析流化滑坡同时存在冲击力大和运动范围广的特征，高效率耦合情况下的仿真技术相对落后；

(3)试验分析方法，该方法是采用小尺寸的滑槽试验进行反演分析，无法试验具有尺寸效应的大型滑坡现场的反演分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，该方法实现了水动力作用下流固二相流流化滑坡后破坏的动力学过程模拟仿真，得到滑坡失稳后运动过程、动力学特征和影响范围，从而为二相流流化滑坡的风险评估和危险区划提供技术支撑。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，所述方法包括：

步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；

步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；

步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；

步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；

步骤5、对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；

步骤6、对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法实现了水动力作用下流固二相流流化滑坡后破坏的动力学过程模拟仿真，得到滑坡失稳后运动过程、动力学特征和影响范围，从而为二相流流化滑坡的风险评估和危险区划提供技术支撑。

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中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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法流程示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；

在该步骤中，具体建立过程为：

首先根据离散节点和网格单元组成的滑坡数字高程数据，建立滑坡三维地形存储数组；

根据滑坡与滑体的基底网格和节点的一致性对应关系，在建立的滑坡三维地形存储数组中找到相对应的高程数据，在此高程数据的基础上进行高度的叠加即为滑体在该位置处的最大高度；

根据滑坡数字高程数据确定滑体范围的边界；

对于处于滑体范围内部的节点，根据研究人员建模粒度的需要动态的加密或稀疏化生成相应数量的滑体粒子；生成的滑体粒子的初始位置根据其所在单元内的具体位置采用线性插值的方式获得，同时在三维高度方向上，同样根据建模粒度需要，动态的生成相应层数的粒子，粒子的位置同样根据线性插值获得；

所述滑体由流体和固体两种物质粒子组成，每种物质粒子均占据初始滑体的所有空间，以表征流体和固体是完全相互渗入的两相，每种物质粒子的密度根据实际物质的密度与该物质在混合物中所占据的体积分数的乘积获得，即有效密度，粘度、导热系数等均按照相同的方法处理；

再根据赋予的每种物质的属性，将属性参量输入作为滑体单元数组的一部分，实现了滑坡基底数组和滑体数组的构建。

步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；

在该步骤中，所述摩擦阻力模型适用于颗粒材料基底摩擦阻力的计算，基底剪切力与碎屑流有效应力是正比关系，孔隙水压力的存在起着关键作用，摩擦阻力模型表示为：

τ＝(σ_z-u)_(z＝b)tanφ＝σ_z'_(z＝b)tanφ

其中，σ_z为碎屑流正应力，u为孔隙水压力，z为碎屑流厚度，σ_z'为有效应力；φ为碎屑物质边界层摩擦角。

具体实现中，需要充分考虑滑坡液固两相流中每一相的不同物质属性，根据物质不同施加不同的基底阻力模型，对于流体来说，根据流体的连续性特征，选用牛顿流体阻力模型，牛顿流体阻力模型表示为：

τ＝μγ

其中，γ-剪切速率(流速梯度)；μ-度量液体粘滞性大小的物理量，简称为黏度；

对于固体颗粒运动来说，选用摩擦阻力模型。阻力模型的施加采用动态施加的方式，即通过判断流体和固体颗粒的位置，对处于基底边界附近的流体粒子或固体颗粒施加阻力，阻力的计算需用到正压力数值，正压力数值采用基于阀函数的边界力施加方法得到。

步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；

在该步骤中，具体选取的参数如下表所示：

具体实现中，所需的关键滑坡运动参数选取采用外部文件输入的方式输入，无需对程序或其他部分进行修改，大大方便了使用。

步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；

在该步骤中，具体采用基于光滑粒子流体动力学方法SPH的液体连续相弱可压缩粘性模型仿真二相流滑体中的流体介质，采用基于光滑离散颗粒流体动力学方法SDPH拟流体无网格粒子法仿真二相流滑体中的固体颗粒介质，具体包括：

SDPH与SPH之间的耦合交换数据包括曳力、压力，曳力的计算需要相同位置的背景粒子承载，插值得到相同位置上的另一相的速度值，从而计算得到曳力数值；

由于两相同时占据空间位置，所以体积分数共享，设定时间积分时，耦合过程的主流程计算由SPH控制，当SPH一个时间步长内，SDPH累计计算时间大于该步长时，SDPH停止计算，SPH开始在新的时间步长内计算。

具体实现中，固体颗粒相在流体相中运动的过程中，固体颗粒受到流体相的曳力驱动作用，同时固体颗粒之间频繁的发生着碰撞反弹作用，另外固体颗粒又对流体相产生反作用，影响流体相流场演变分布，因此固体颗粒相在自身内力计算的过程中与流体相反复交互迭代，直至达到稳定状态。

步骤5、对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；

在该步骤中，进一步将滑坡滑动的数据按照设定的间隔时间步长输出，包括滑体中流体相和固体颗粒相均在一个数据文件中，采用不同部分编号的形式进行区分。

具体实现中，计算结果后处理可以依托软件Tecplot，将数据导入软件之中，进行特定时间步上的结果显示，包括滑体位置、滑体速度、滑体中每一相的空间分布状况、滑体冲击能量、铺展范围等等数值结果；将不同时刻的结果连接起来展示，便形成了动画，同时按照程序控制信息提供的粒子/节点编号和变量类型编号，生成相关变量的时间历程曲线。

步骤6、对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。

在该步骤中，由于对流固两相流的运动过程进行了捕捉，获得了不同于单相流体和单相颗粒体的运动特征，因此本实施例对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，对比分析的指标包括：

滑体运动铲刮的范围对比、两相流中各单相的速度变化与仅有单相速度的对比、滑体到达某一特定位置处采用两相计算和单相计算获得的滑体能量对比、滑体在运动过程中的形貌对比、以及采用两相计算获得的单相无法获得的特定现象对比。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

(1)实现了三维高保真流化滑坡流固耦合二相流的数值仿真，达到国际领先水平；

(2)能高效、精准、可视化定量的反应流化滑坡固液两相流耦合的演化全过程；

(3)可对比单相介质和流固耦合情况下灾害链的运动情况；

(4)在此基础上可开展进一步研究，揭示流体拖曳效应对灾害的响应关系。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；

步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；

步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；

步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征，具体过程为：

采用基于光滑粒子流体动力学方法SPH的液体连续相弱可压缩粘性模型仿真二相流滑体中的流体介质，采用基于光滑离散颗粒流体动力学方法SDPH拟流体无网格粒子法仿真二相流滑体中的固体颗粒介质，并对流体相和固体颗粒相之间进行算法耦合，具体包括：

SDPH与SPH之间的耦合交换数据包括曳力、压力；曳力的计算需要相同位置的背景粒子承载，插值得到相同位置上的另一相的速度值，从而计算得到曳力数值；由于两相同时占据空间位置，所以体积分数共享，设定时间积分时，耦合过程的主流程计算由SPH控制，当SPH一个时间步长内，SDPH累计计算时间大于该步长时，SDPH停止计算，SPH开始在新的时间步长内计算；

步骤5、对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；

步骤6、对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。

2.根据权利要求1所述流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：

首先根据离散节点和网格单元组成的滑坡数字高程数据，建立滑坡三维地形存储数组；

根据滑坡与滑体的基底网格和节点的一致性对应关系，在建立的滑坡三维地形存储数组中找到相对应的高程数据，在此高程数据的基础上进行高度的叠加即为滑体的最大高度；

根据滑坡数字高程数据确定滑体范围的边界；

对于处于滑体范围内部的节点，根据研究人员建模粒度的需要动态的加密或稀疏化生成相应数量的滑体粒子；

所述滑体由流体和固体两种物质粒子组成，每种物质粒子均占据初始滑体的所有空间，每种物质粒子的密度根据实际物质的密度与该物质在混合物中所占据的体积分数的乘积获得；

再根据赋予的每种物质的属性，将属性参量输入作为滑体单元数组的一部分，实现了滑坡基底数组和滑体数组的构建。

3.根据权利要求1所述流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，在步骤2中，所述摩擦阻力模型中的基底剪切力与碎屑流有效应力是正比关系，孔隙水压力的存在起着关键作用，摩擦阻力模型表示为：

τ＝(σ_z-u)_(z＝b)tanφ＝σ'_z(z＝b)tanφ

其中，σ_z为碎屑流正应力；u为孔隙水压力；z为碎屑流厚度；σ_z'为有效应力；φ为碎屑物质边界层摩擦角；

所述牛顿流体阻力模型表示为：

τ＝μγ

其中，γ-剪切速率；μ-度量液体粘滞性大小的物理量，简称为黏度。

4.根据权利要求1所述流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，在步骤5中，进一步将所得到的数据按照设定的间隔时间步长输出，包括滑体中流体相和固体颗粒相均在一个数据文件中，采用不同部分编号的形式进行区分。

5.根据权利要求1所述流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，在步骤6中，对比分析的指标包括：

滑体运动铲刮的范围对比、两相流中各单相的速度变化与仅有单相速度的对比、滑体到达某一特定位置处采用两相计算和单相计算获得的滑体能量对比、滑体在运动过程中的形貌对比、以及采用两相计算获得的单相无法获得的特定现象对比。

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