CN111553098B - 一种渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法、服务器及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法及装置，包括以下步骤：进行室内充填体渗透破坏试验，建立可描述抗剪强度变化规律的数学模型以及表征渗透性与流体粘度演化规律的关系函数；根据离散单元法，建立计算模型中充填体流失量的计算方法；建立描述渗透破坏突涌水过程中变强度机制的接触模型，并将其嵌入到DEM计算程序中，实现变强度破坏过程的模拟计算；建立渗透性、流体粘度与充填介质流失量的关系函数，并将其嵌入到计算流体动力学程序中，最终实现变渗透性、变粘度的过程模拟；进行离散元与计算流体动力学耦合计算；基于DEM‑FEM耦合与CG技术进行工程尺度模拟。

Description

一种渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法、服务器及介质
技术领域
本发明属于数值计算方法领域，涉及一种渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法及装置。
背景技术
我国已成为世界上隧道建设规模和难度最大的国家。交通路网向遍布崇山峻岭的西部纵深拓展，越来越多的隧道修建在地形地质极端复杂的西部山区和岩溶地区。强富水、高承压的地质环境造成的突涌水灾害形势日趋严峻，对隧道工程建设安全、人民生命财产安全、生态环境保护等构成严重威胁。为此，对突涌水灾变机理的科学研究与演化过程的真实模拟迫在眉睫。
地下工程突涌水灾害可分为防突岩体渐进破坏和充填结构渗透破坏两种典型突水模式。渗透破坏突涌水实际上是一个变强度、变渗透性、变粘度的耦合过程。①变强度是指：充填体内部的粘性介质与细小颗粒在高水压作用下会发生流失，导致充填体抗剪强度降低，进而使得充填体稳定性发生改变，更容易发生破坏。②变渗透性是指：粘性介质或细小颗粒流失后，充填体内部孔隙率增大，使得整个充填体的渗透性增大；同时，渗透性增大会导致内部水流速度增大，增大了流体对突水通道的冲刷作用。③变粘度是指：粘性介质或细小颗粒流入水体后，流体的粘度增大，流体由单纯的地下水转变为泥水混合流体，使得流体对充填体内部的粘滞拖曳力增大。
其中，针对渗透破坏突涌水的相关数值模拟研究未有效考虑突涌水过程中的应力-渗流耦合效应，尤其是渗透破坏过程中充填介质流失所引起的充填体强度、渗透性以及流态与流体粘度的变化规律，导致现有方法无法真实描述渗透破坏突涌水的灾变演化过程。
对于充填体渗透破坏过程的模拟分析，已有学者从管涌角度先后建立了多种有限元模型，但由于连续介质分析方法的局限性，难以模拟充填体渗透破坏的演化过程及其流动问题。充填体力学特性的真实模拟起源于离散元的发展，通过嵌入新型本构关系更真实地模拟了颗粒类材料的剪切流动及大变形等现象，但该方法难以实现流体的自由流动模拟。可见，单一数值模拟方法难以满足充填结构渗透破坏突涌水灾害模拟的需求。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有研究方法的不足，发明了一种基于DEM-CFD 耦合的渗透破坏性突涌水过程数值模拟方法及装置。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1进行室内充填体渗透破坏试验，建立试验状态下的抗剪强度随充填介质流失量的变化规律及关系函数、充填体渗透系数随充填介质失量的变化规律和关系函数；粘度随充填介质失量的变化规律和关系函数；
步骤2根据离散单元法，建立计算模型中充填体流失量的计算方法；
步骤3基于步骤2和步骤1，建立描述渗透破坏突涌水过程中变强度机制的接触模型，并将其嵌入到DEM计算程序中，实现变强度破坏过程的模拟计算；
步骤4基于步骤2和步骤1，建立以充填介质流失量等效计算方法表示的渗透性、流体粘度与充填介质流失量的关系函数，并将其嵌入到计算流体动力学程序中，最终实现变渗透性、变粘度的过程模拟；
步骤5进行离散元与计算流体动力学耦合计算；
步骤6基于DEM-FEM耦合与CG技术进行工程尺度模拟。
第二方面，本发明还提出了一种服务器，所述服务器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序，所述渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序配置为实现所述的基于DEM-CFD 耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法的步骤。
第三方面，本发明还提供一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序，所述渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序被处理器执行时实现所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法的步骤。
本发明的有益之处：
(1)采用的计算模型具有针对性，能够准确描述渗透破坏型突涌水的灾变机制，从而实现“变强度、变渗透性、变粘度”的突涌水过程模拟分析；
(2)本发明采用离散单元法(DEM)进行固体应力场、位移场的模拟分析，采用计算流体动力学方法(CFD)进行流场的计算分析，再通过DEM与CFD之间的信息交换和迭代计算，实现流固耦合模拟分析，进而实现充填结构渗透破坏突涌水过程的模拟分析。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的一种基于DEM-CFD耦合的突涌水机理模拟方法流程图；
图2为试验充填体随时间变化的颗粒级配曲线示意图；
图3为强度、渗透性、流体粘度与充填体流失量的关系函数示意图；
图4为有限元与离散元耦合的过渡层示意图。
图5为粗粒化原理示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术部分所描述的，现有技术中存在很多技术问题，本发明为克服上述现有研究方法的不足，发明了一种基于DEM-CFD耦合的突涌水机理模拟方法，该方法流程如图1，采用离散单元法(DEM)进行固体应力场、位移场的模拟分析，采用计算流体动力学方法(CFD)进行流场的计算分析，再通过DEM与CFD之间的信息交换和迭代计算，实现流固耦合模拟分析，进而实现充填结构渗透破坏突涌水过程的模拟分析。
具体的，本发明采用的研究方法如下：
(1)渗透破坏型突涌水演化机制
1)开展充填体渗透破坏室内试验，按照一定时间间隔Δt，监测记录试验体的流量并收集流失的颗粒；
2)采用数字式粘度仪对各时间间隔Δt收集的颗粒进行粘度测试，以及用污泥浓度计测其粘土含量，最后再对各时间间隔Δt收集的颗粒进行筛分，得到各时间间隔Δt的流失颗粒的颗粒级配曲线；
3)基于2)试验结果，换算出每一时间间隔Δt后，试验充填体的颗粒级配曲线，如图2所示；根据所得颗粒级配曲线，配置出各时间间隔Δt对应的试样；
4)将配制好的试样分别进行直剪试验、三轴压缩等基本力学试验，以获取不同颗粒流失量下试样的基本力学参数，如：抗剪强度τ、抗压强度σ、弹性模量E、粘聚力c和内摩擦角
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并进行渗透性试验，测定其渗透性；
5)根据4)所测得的不同颗粒流失量下试样的基本力学参数，得出抗剪强度等参数随充填介质流失量q的变化规律及关系函数τ＝f(q)；
6)根据统计的每一时间间隔Δt下的流量，反推得到试验充填体渗透系数随时间的变化规律，以及根据4)中配置试样测试得出的渗透系数随时间变化规律，两者相互验证，得到充填体渗透系数随充填介质失量q的变化规律和关系函数 k＝f(q)；
7)根据2)中对每一时间间隔Δt收集的颗粒粘度测试数据的统计，采用数据拟合方法，得到粘度随充填介质失量q的变化规律和关系函数s＝f(q)；
通过上述步骤，可揭示其抗剪强度、渗透性以及流体粘度等性质随充填介质不断流失的变化规律。据此，建立可描述抗剪强度变化规律的数学模型，以及表征渗透性与流体粘度演化规律的关系函数。
(2)充填介质流失量等效计算方法
根据离散单元法(DEM)，建立计算模型中充填体流失量q的计算方法，具体步骤如下：
1)针对流失的细小颗粒，通过搜索颗粒位置，建立判定颗粒是否流出计算模型；
2)针对流失的粘性介质，通过判定颗粒之间粘结模型是否破坏，结合粘结半径等参数，实现粘性介质流失量的等效计算；进而实现计算过程中充填介质流失量(细小颗粒、粘性介质)的等效计算。
(3)突涌水变强度机制模拟计算
基于(2)中所建立的充填介质流失量计算方法，采用与实际试验对照的迭代调整法，进行宏细观参数标定，建立模型细观参数(如kratio、pb_deform、pb_ten、 pb_coh、pb_fa……)与充填体流失量q的关系函数与校对模型，使其能够反映试验测得的抗剪强度变化规律τ＝f(q)，从而建立描述渗透破坏突涌水过程中变强度机制的接触模型τ＝f(q)，如图3所示，并将其嵌入到DEM计算程序中，实现变强度破坏过程的模拟计算。
(4)变渗透性、变粘度过程模拟
根据步骤(2)中所建立的充填介质流失量计算方法，以及依据步骤(1)中渗透破坏室内试验结果，建立以充填介质流失量等效计算方法表示的渗透性、流体粘度与充填介质流失量的关系函数k＝f(q)，s＝f(q)，如图3所示，使其能够反映试验过程中测得的渗透系数变化规律k＝f(q)和粘度变化规律s＝f(q)，并将其嵌入到计算流体动力学程序(N-S控制方程)中，从而实现流场的准确计算，最终实现变渗透性、变粘度的过程模拟。
(5)离散元与计算流体动力学耦合计算
采用离散元(DEM)进行应力场、位移场的计算分析，采用计算流体动力学(CFD) 进行流场计算分析；当离散元(DEM)每计算一定步数(如100步、200步、…… 1000步、……)，将计算所得应力场、位移场信息输入到计算流体动力学(CFD) 计算程序中，进行流场计算，并将计算一定步数(如1步、2步、……10步、……等)所得流场信息导入到离散元(DEM)计算程序里继续进行应力场、位移场的计算，通过两者之间的信息、数据交换以及交替迭代计算，进而实现流固耦合模拟分析。
(5)基于DEM-FEM耦合与CG技术的工程尺度模拟
为克服离散元流固耦合计算耗时长、效率低的问题，采用有限元(FEM)模拟隧道围岩，采用离散元模拟断层破碎带、强风化槽等充填有软弱介质的地质构造，两者之间通过引入过渡层的方法实现信息的传递与交换，如图4所示。
其中，过渡层是由离散元与有限元网格叠加而成，先计算离散元内部应力场、位移场，再将计算信息通过过渡层，等效到有限元网格节点上，之后进行有限元部分计算，以此提高计算效率。
同时，采用粗粒化(Coarse Grain，CG)技术模拟地质构造内部的充填介质，通过将真实粒子群替换为具有代表性的颗粒群来减少颗粒数量，从而减少模拟时间。颗粒群的重力加速度或几何体运动速度等参数与实际情况保持不变，粗粒化原理如图5所示。
通过上述几个步骤，最终实现渗透破坏突涌水过程的工程尺度模拟分析。
实施例2
本本实施例基于实施例1，还提出了一种服务器，所述服务器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序，所述渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序配置为实现所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法的步骤。
实施例3
本本实施例基于实施例1，还提供一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序，所述渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序被处理器执行时实现所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1进行室内充填体渗透破坏试验，建立试验状态下的抗剪强度随充填介质流失量的变化规律及关系函数、充填体渗透系数随充填介质失量的变化规律和关系函数；粘度随充填介质失量的变化规律和关系函数；
步骤2根据离散单元法，建立计算模型中充填体流失量的计算方法；
步骤3基于步骤2和步骤1，建立描述渗透破坏突涌水过程中变强度机制的接触模型，并将其嵌入到DEM计算程序中，实现变强度破坏过程的模拟计算；
步骤4基于步骤2和步骤1，再次建立渗透性、流体粘度与充填介质流失量的关系函数，并将其嵌入到计算流体动力学程序中，最终实现变渗透性、变粘度的过程模拟；
步骤5进行离散元与计算流体动力学耦合计算；
步骤6基于DEM-FEM耦合与CG技术进行工程尺度模拟。
2.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，步骤1过程如下：
1)开展充填体渗透破坏室内试验，按照一定时间间隔Δt，监测记录试验体的流量并收集流失的颗粒；
2)针对每一时间间隔Δt收集的颗粒进行筛分试验、粘度测试和粘土含量测试，计算得到流失颗粒的颗粒级配曲线；
3)基于2)试验结果，换算出每一时间间隔Δt后，试验体的颗粒级配曲线，并配置出对应的试样；
4)将配制好的试样分别进行基本力学试验，并进行渗透性试验，测定其渗透性，以获取不同颗粒流失量下试样的基本力学参数；
5)根据4)所测得的基本力学参数，得出抗剪强度等参数随充填介质流失量q的变化规律及关系函数；
6)根据统计的每一时间间隔Δt下的流量，反推得到试验充填体渗透系数随时间的变化规律，以及根据4)中配置试样测试得出的渗透系数，两者相互验证，得到充填体渗透系数随充填介质流失量q的变化规律和关系函数；
7)根据2)中对每一时间间隔Δt收集的颗粒粘度测试数据的统计，采用数据拟合方法，得到粘度随充填介质流失量q的变化规律和关系函数。
3.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：
1)针对流失的细小颗粒，通过搜索颗粒位置，建立判定颗粒是否流出计算模型；
2)针对流失的粘性介质，通过判定颗粒之间粘结模型是否破坏，结合粘结半径等参数，实现粘性介质流失量的等效计算；进而实现计算过程中充填介质流失量的等效计算。
4.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：
基于步骤2中所建立的充填介质流失量计算方法，采用与实际试验对照的迭代调整法，进行宏细观参数标定，建立模型细观参数与充填体流失量q的关系函数与校对模型，使其能够反映试验测得的抗剪强度变化规律，从而建立描述渗透破坏突涌水过程中变强度机制的接触模型，并将其嵌入到DEM计算程序中，实现变强度破坏过程的模拟计算。
5.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，
步骤4根据步骤2中所建立的充填介质流失量计算方法，依据步骤1中的渗透破坏室内试验结果，建立渗透性、流体粘度与充填介质流失量的关系函数，使其能够反映试验过程中测得的渗透系数变化规律和粘度变化规律，并将其嵌入到计算流体动力学程序中，从而实现流场的准确计算，最终实现变渗透性、变粘度的过程模拟。
6.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，步骤5中采用离散单元法进行应力场、位移场的计算分析，采用计算流体动力学进行流场计算分析；通过两者之间的信息、数据交换以及交替迭代计算，进而实现流固耦合模拟分析。
7.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，步骤6中采用有限元模拟隧道围岩，采用离散元模拟断层破碎带、强风化槽充填有软弱介质的地质构造，两者之间通过引入过渡层的方法实现信息的传递与交换。
8.如权利要求1所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法，其特征在于，步骤6中采用粗粒化技术模拟地质构造内部的充填介质，通过将真实粒子群替换为具有代表性的颗粒群来减少颗粒数量，从而减少模拟时间；颗粒群的重力加速度或几何体运动速度等参数与实际情况保持不变，最终实现渗透破坏突涌水过程的工程尺度模拟分析。
9.一种服务器，其特征在于，所述服务器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序，所述渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序配置为实现权利要求1-8任一所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法的步骤。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序，所述渗透破坏型突涌水过程数值模拟程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一所述的基于DEM-CFD耦合的渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法的步骤。
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