CN111666668A - 管道含沙水流卵石运动cfd-dem数值模拟参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水工数学模型的参数确定方法，具体涉及一种管道含沙水流卵石运动CFD‑DEM数值模拟参数确定方法，属于水利工程领域，其IPC分类号为E02B 1/00。本发明首先通过物理力学试验、经验和理论公式等途径直接测定卵石、含沙水流的直接物理特性参数；随后在此基础上，采用颗粒冲击底板、管道排沙等数值模拟与物理试验相结合的手段，校核得到无法直接率定和物理意义不明确的系统模拟参数。CFD‑DEM数值模拟涉及的所有参数取值均有依有据，能够确保所建立的CFD‑DEM数值模拟结果正确性，且参数确定次序明确，确定方法简单有效。

Description

管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种水工模型的参数的确定方法，具体涉及一种管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法，属于水利工程领域，其IPC分类号为E02B 1/00。

背景技术

近年来管道输送在工程领域应用越来越广泛，例如水库清淤管道排沙、河流湖泊疏浚工程等。就水库而言，中小型水库人工清淤常用方式有绞吸式挖泥船清淤、管道排沙等。绞吸式挖泥船利用绞刀等机械设备绞松疏浚区内淤积体，使得水、泥、石等混合形成泥浆，然后通过管道输送至指定区域。管道排沙是利用压缩空气或上、下游水位差作为动力将库区原状淤积物吸入排泥管道输送至库外。

山区型水库库尾及变动回水区的淤积体内往往含有大量的卵石，上述几种人工清淤措施作业时经常会将大量卵石吸入管道。卵石进入管道后，不仅增大水流能量损失，而且因其运动速度明显小于管道内含沙水流流速，往往不能及时随浑水排出管外，易在逆坡、弯折管段处堆积，降低管道排沙系统的输送效率。

为了揭示管道含沙水流卵石运动机理以提高排沙管道输送效率，一些学者采用基于Eulerian描述方法的计算流体力学法CFD(Computational Fluid Dynamics)获取含沙水流运动全过程中流场结构和流态演化特征，同时采用基于Lagrangian描述方法的离散单元法DEM(Discrete Element Method)连续追踪卵石固体颗粒的运动轨迹。CFD-DEM数值模拟技术为研究管道含沙水流卵石运动机理提供了新的有利途径。

然而，管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟技术涉及参数较多，一些为含沙水流和卵石的物理特性参数，可直接测定选取；一些为模拟系统参数，其物理意义并不十分明确，无法直接测定选取；一些参数需在其他参数确定的基础上通过理论公式计算得到。若数值模拟参数取值不当，数值模拟结果势必产生较大误差。但是，目前还没有一套客观、完整、有效的管道含沙水流卵石运动的CFD-DEM数值模拟参数确定方法。

以下给出检索出的涉及CFD-DEM数值模拟的相关文献：

[1]江恩惠，赵连军，张红武.多沙河流洪水演进与冲淤演变数学模型研究及应用[M].郑州：黄河水利出版社，2008.

[2]Kermani E，Qiu T，Li T.Simulation of collapse of granular columnsusing the discrete element method[J].International Journal of Geomechanics，2015，15(6)：04015004.

[3]Yang D，Xia Y，Wu D，et al.Numerical investigation of pipelinetransport characteristics of slurry shield under gravel stratum[J].Tunnelling&Underground Space Technology，2018，71：223-230.

[4]Huang S，Shu Y L，Zhou J J，et al.Numerical simulation for solid-liquid two-phase flow in discharge pipeline and flange connection by CFD-DEMcoupling[J].Machine Tool&Hydraulics，2017，45(12)：1-6.

[5]Akhshik S，Rajabi M.CFD-DEM modeling of cuttings transport inunderbalanced drilling considering aerated mud effects and downholeconditions[J].Journal of Petroleum Science&Engineering，2018，160：229-246.

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的是提供一种管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法，使CFD-DEM模拟参数取值有依有据，确保管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟结果的准确性。

本发明的一种管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1，卵石DEM直接物理特性模拟参数、含沙水流CFD直接物理特性模拟参数确定。卵石DEM直接物理特性模拟参数包括卵石与卵石之间摩擦系数μ^p-p、卵石与管道墙体之间摩擦系数μ^p-w、卵石与卵石之间恢复系数e^p-p、卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w、卵石密度ρ_p。含沙水流CFD直接物理特性模拟参数包括含沙水流的密度ρ_f、含沙水流的动力粘滞系数μ_f。采用休止角测定物理试验得到μ^p-p。采用三颗粒滑动物理试验得到μ^p-w。通过颗粒冲击物理试验获得e^p-w、e^p-p。通过质量体积法测定ρ_p和ρ_f。μ_f通过公式

计算得得；该公式中，清水动力粘滞系数μ单位为kg/(m·s)，浑水动力粘滞系数μ_f单位为kg/(m·s)，含沙水流的体积含沙量S_V的单位为无量纲，中值粒径d₅₀的单位为mm。

步骤2，卵石DEM系统模拟参数确定。卵石DEM系统模拟参数包括卵石与卵石之间阻尼系数β^p-p、卵石与管道墙体之间阻尼系数β^p-w。在步骤1确定的卵石与卵石之间恢复系数e^{p -p}、卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w基础上，通过公式

和

计算得到β^p-p和β^p-w。

步骤3，卵石DEM间接物理特性模拟参数确定。卵石DEM间接物理特性模拟参数包括卵石杨氏模量G_p和泊松比v_p。首先在卵石G_p、v_p的常见取值范围内选定G_p、v_p初值，建立单个卵石颗粒撞击卵石颗粒的DEM数值模型，然后赋值由步骤1、2已确定的参数ρ_p、μ^p-w、e^p-w、β^p-w、μ^p-p、e^p-p和β^p-p，同时进行相同尺度和工况下物理试验。在其他数值模拟参数不变条件下，在初步取值范围内调整G_p、v_p参数，当DEM数值模拟单颗粒卵石撞击后运动轨迹与物理试验结果最为一致时，得到G_p、v_p参数确切取值。

步骤4，管道边界DEM物理特性模拟参数确定。管道边界DEM物理特性模拟参数包括有机玻璃管道边界墙体的杨氏模量G_w和泊松比v_w。首先在有机玻璃管道G_w、v_w的常见取值范围内选定G_w、v_w初值，建立单个卵石颗粒撞击有机玻璃底板的DEM数值模型，然后赋值已确定的参数ρ_p、μ^p-w、e^p-w、β^p-w、μ^p-p、e^p-p、β^p-p、G_p和v_p，同时进行相同尺度和工况下物理试验。在其他数值模拟参数不变条件下，在初步取值范围内调整G_w、v_w参数，当DEM数值模拟单颗粒卵石撞击后运动轨迹与物理试验结果最为一致时，得到G_w、v_w参数确切取值。

步骤5，含沙水流CFD系统模拟参数和CFD-DEM交换项确定。含沙水流CFD系统模拟参数包括CFD湍流模型参数，CFD-DEM交换项包括基本项参数和细化项参数，所述基本项参数包括浮力和拖曳力，所述细化项参数包括压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、旋升力和剪切升力。首先选定CFD湍流模型参数为模拟水流的湍流模型参数，然后基于步骤1、2、3、4所确定的参数μ^p-w、μ^p-p、e^p-w、e^p-p、ρ_p、ρ_f、μ_f、β^p-w、β^p-p、G_p、v_p、G_w和v_w，选定CFD-DEM交换项参数为基本项参数：浮力和拖曳力，建立水平管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值计算模型，同时进行相同尺度和工况下水平管道含沙水流卵石运动物理试验，在其他数值模拟参数不变条件下，在初步取值范围内调整CFD湍流模型参数，当CFD-DEM数值模拟管道卵石运动特征与物理试验结果最为一致时，得到湍流模型参数确切取值。若模拟结果偏差大，在上述步骤的基础上，增加细化项参数：压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、旋升力和剪切升力。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

目前没有一套完整、客观、有效的管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法。本发明设计了一套合理可靠的CFD-DEM数值模拟参数确定方法。首先通过物理力学试验、经验和理论公式等途径直接测定卵石、含沙水流的直接物理特性参数；随后在此基础上，采用颗粒冲击底板、管道排沙等数值模拟与物理试验相结合的手段，校核得到无法直接率定和物理意义不明确的系统模拟参数。CFD-DEM数值模拟涉及的所有参数取值均有依有据，能够确保所建立的CFD-DEM数值模拟结果正确性，且参数确定次序明确，确定方法简单有效。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为休止角测定物理试验示意图；

图3为三颗粒滑动物理试验示意图；

图4为颗粒冲击物理试验示意图；

图5为水平管道含沙水流卵石运动物理概化试验示意图。

具体实施方式

首先，结合附图，以实际算例指出现有方法存在的缺陷。

针对管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数多且部分参数物理意义不明确、复杂难定，现有确定方法多依据经验、效率低、客观性不强等问题，提供一种管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法，能够客观有效地确定CFD-DEM数值模拟参数，确保所建立的CFD-DEM数值模拟方法的正确性。

以下结合附图对本发明涉及的一种管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法的具体实施方案进行详细地说明。

步骤1，卵石DEM直接物理特性模拟参数和含沙水流CFD直接物理特性模拟参数确定。卵石DEM直接物理特性模拟参数包括卵石与卵石之间摩擦系数μ^p-p、卵石与管道墙体之间摩擦系数μ^p-w、卵石与卵石之间恢复系数e^p-p、卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w、卵石密度ρ_p。含沙水流CFD直接物理特性模拟参数确定包括含沙水流密度ρ_f、含沙水流粘度μ_f。

卵石与卵石之间摩擦系数μ^p-p可通过休止角测定物理试验得到，如图2所示，具体为：(1)在有机玻璃底板上粘结一层卵石颗粒，其上方放置一个相同材质的空心圆柱筒。(2)将卵石颗粒填充于空心圆柱筒内，以恒定速度向上提升圆柱筒，卵石颗粒坍塌运动最终形成锥形堆积体。(3)量测堆积体的休止角度θ^p-p，则μ^p-p＝tanθ^p-p(式中休止角度θ^p-p的单位为度，卵石与卵石之间摩擦系数μ^p-p的单位为无量纲)，进行多组试验选取μ^p-p平均值作为模拟参数。

管道含沙水流卵石运动物理试验和CFD-DEM数值模拟时一般采用有机玻璃板材质的管道。卵石与管道墙体之间摩擦系数μ^p-w可通过三颗粒滑动物理试验校核得到，如图3所示，具体为：(1)在与管道相同材质的有机玻璃可旋转底板上粘结固定三个卵石颗粒，并在其上方平放相同材质测试板。(2)底板一端固定，另一端逐渐绕其转动以增大θ^p-w。当测试板刚好滑动时，停止转动底板，根据量尺获取θ^p-w，此时μ^p-w＝tanθ^p-w(式中休止角度θ^p-w的单位为度，卵石与管道墙体之间摩擦系数μ^p-w为无量纲)。(3)进行多组试验选取μ^p-w的平均值作为模拟参数。

卵石与卵石之间恢复系数e^p-p通过卵石颗粒冲击粘结在有机玻璃底板的一层卵石颗粒校核得到，如图4(a)所示，具体为：(1)将单个卵石颗粒从空中释放，使其自由落体撞击至粘结在有机玻璃底板的一层卵石颗粒。(2)采用高速摄像机获取颗粒撞击底板前下落高度

和撞击后最大上升高度

则

(式中下落高度

的单位为m，撞击后最大上升高度

的单位为m，卵石与卵石之间恢复系数e^p-p的单位为无量纲)。(3)进行多组试验选取e^p-p平均值作为确定值。

卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w通过颗粒冲击底板试验校核得到，如图4(b)所示，具体为：(1)将单个卵石颗粒从空中释放，使其自由落体撞击至与管道相同材质的有机玻璃底板。(2)采用高速摄像机获取颗粒撞击底板前下落高度

和撞击后最大上升高度

则

(式中下落高度

单位为m，撞击后最大上升高度

单位为m，卵石与卵石之间恢复系数e^p-w为无量纲)。(3)进行多组试验选取e^p-w平均值作为确定值。

卵石密度ρ_p和含沙水流密度ρ_f通过质量体积法确定。对于体积含沙量S_V一定的含沙水流，μ_f通过公式

计算可得(式中清水动力粘滞系数μ的单位为kg/(m·s)、浑水动力粘滞系数μ_f的单位为kg/(m·s)，含沙水流的体积含沙量S_V的单位为无量纲，中值粒径d₅₀的单位为mm)。

步骤2，卵石DEM系统模拟参数确定。卵石DEM系统模拟参数包括卵石与卵石之间阻尼系数β^p-p、卵石与管道墙体之间阻尼系数β^p-w。采用步骤1确定的卵石与卵石之间恢复系数e^p-p、卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w，通过公式

(式中卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w的单位为无量纲，卵石与管道墙体之间阻尼系数β^p-w的单位为无量纲)和

(式中卵石与卵石之间恢复系数e^p-p单位为无量纲，卵石与卵石之间阻尼系数β^p-p的单位为无量纲)直接计算得到β^p-w、β^p-p。

步骤3，卵石DEM间接物理特性模拟参数确定。卵石DEM间接物理特性模拟参数包括卵石杨氏模量G_p和泊松比v_p。参数确定具体操作为：(1)首先确定卵石G_p、v_p常见取值范围如G_p在2×10⁷～3×10⁷Pa范围，v_p在0.2～0.4范围。(2)建立与图4(a)所示单个卵石颗粒撞击卵石颗粒的DEM数值模型，然后赋值已由步骤1、2确定的ρ_p、μ^p-w、e^p-w、β^p-w、μ^p-p、e^p-p、β^p-p等参数，此时数值模拟计算没有涉及流体任何参数和有机玻璃管道参数。(2)采用高速摄像机记录相同物理试验中卵石颗粒撞击后运动轨迹。(3)在G_p、v_p选值范围内进行多组不同G_p、v_p工况下的DEM数值模拟，当数值模拟结果与物理试验卵石颗粒撞击后运动轨迹最为接近时选定G_p、v_p取值。

步骤4，管道边界DEM物理特性模拟参数确定。管道边界DEM物理特性模拟参数包括管道边界有机玻璃墙体的杨氏模量G_w和泊松比v_w。参数确定具体操作为：(1)首先确定有机玻璃管道G_w、v_w常见取值范围如G_w在2×10⁹～3×10⁹Pa范围，v_p在0.3～0.4范围。(2)建立与图4(b)所示单个卵石颗粒撞击有机玻璃底板的DEM数值模型，然后赋值由步骤1、2、3已确定ρ_p、μ^p-w、e^p-w、β^p-w、μ^p-p、e^p-p、β^p-p、G_w、v_w等参数，此时数值模拟计算没有涉及流体任何参数。(2)采用高速摄像机记录相同物理试验中卵石颗粒撞击后运动轨迹。(3)在G_w、v_w选值范围内进行多组不同G_w、v_w工况下的DEM数值模拟，当数值模拟结果与物理试验卵石颗粒撞击后运动轨迹最为接近时选定G_w、v_w取值。

步骤5，含沙水流CFD系统模拟参数和CFD-DEM交换项确定。含沙水流CFD系统模拟参数包括CFD湍流模型参数。CFD-DEM交换项包括浮力和拖曳力等基本项，压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、旋升力和剪切升力等细化项。建立水平管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值计算模型，同时进行相同尺度和工况下水平管道含沙水流卵石运动物理试验。水平管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值计算模型的建立方法，属于比较成熟的现有技术，在前面所列出的参考文献[3-5]中都有明确的记载，为本领域技术人员所熟知，在此不再详细说明。水平管道含沙水流卵石运动物理试验的模型，在文献[3-5]中也有记载，本发明采用经典常用的水平管道含沙水流卵石运动概化物理试验(图5所示)。具体操作为：(1)初步选定模拟水流的湍流模型参数。(2)基于步骤1、2、3、4确定的μ^p-w、μ^p-p、e^p-w、e^p-p、ρ_p、ρ_f、μ_f、β^p-w、β^p-p、G_p、v_p、G_w和v_w参数值，初步考虑CFD-DEM交换项参数为浮力、拖曳力等基本项。在其他数值模拟参数不变条件下，调整湍流模型参数，当CFD-DEM数值模拟管道卵石运动特征与相同工况的物理试验结果最为一致时，得到湍流模型参数确切取值。若模拟结果偏差大，在上述步骤的基础上，逐步增加压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、旋升力和剪切升力等CFD-DEM细化项。

本发明针对管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数的物理意义和确定手段，采用物理试验直接测定、经验和理论公式计算、数值模拟与物理试验结合测定等多技术手段确定CFD-DEM数值模拟参数。本发明提供的方法客观有效，各个参数取值有依有据，能够高效准确得到CFD-DEM数值模拟参数，确保CFD-DEM数值模拟结果的正确性。

Claims (1)

1.一种管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值模拟参数确定方法，包括以下步骤：

步骤1，卵石DEM直接物理特性模拟参数、含沙水流CFD直接物理特性模拟参数确定。卵石DEM直接物理特性模拟参数包括卵石与卵石之间摩擦系数μ^p-p、卵石与管道墙体之间摩擦系数μ^p-w、卵石与卵石之间恢复系数e^p-p、卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w、卵石密度ρ_p。含沙水流CFD直接物理特性模拟参数包括含沙水流的密度ρ_f、含沙水流的动力粘滞系数μ_f。采用休止角测定物理试验得到μ^p-p(具体操作如图2所示)。采用三颗粒滑动物理试验得到μ^p-w。通过颗粒冲击物理试验获得e^p-w、e^p-p。通过质量体积法测定ρ_p和ρ_f。μ_f通过公式

计算得；该公式中，清水动力粘滞系数μ单位为kg/(m·s)，浑水动力粘滞系数μ_f单位为kg/(m·s)，含沙水流的体积含沙量S_V的单位为无量纲，中值粒径d₅₀的单位为mm。

步骤2，卵石DEM系统模拟参数确定。卵石DEM系统模拟参数包括卵石与卵石之间阻尼系数β^p-p、卵石与管道墙体之间阻尼系数β^p-w。在步骤1确定的卵石与卵石之间恢复系数e^p-p、卵石与管道墙体之间恢复系数e^p-w基础上，通过公式

和

计算得到β^p-p和β^p-w。

步骤3，卵石DEM间接物理特性模拟参数确定。卵石DEM间接物理特性模拟参数包括卵石杨氏模量G_p和泊松比v_p。首先在卵石G_p、v_p的常见取值范围内选定G_p、v_p初值，建立单个卵石颗粒撞击卵石颗粒的DEM数值模型，然后赋值由步骤1、2已确定的参数ρ_p、μ^p-w、e^p-w、β^p-w、μ^p-p、e^p-p和β^p-p，同时进行相同尺度和工况下物理试验。在其他数值模拟参数不变条件下，在初步取值范围内调整G_p、v_p参数，当DEM数值模拟单颗粒卵石撞击后运动轨迹与物理试验结果最为一致时，得到G_p、v_p参数确切取值。

步骤4，管道边界DEM物理特性模拟参数确定。管道边界DEM物理特性模拟参数包括有机玻璃管道边界墙体的杨氏模量G_w和泊松比v_w。首先在有机玻璃管道G_w、v_w的常见取值范围内选定G_w、v_w初值，建立单个卵石颗粒撞击有机玻璃底板的DEM数值模型，然后赋值已确定的参数ρ_p、μ^p-w、e^p-w、β^p-w、μ^p-p、e^p-p、β^p-p、G_p和v_p，同时进行相同尺度和工况下物理试验。在其他数值模拟参数不变条件下，在初步取值范围内调整G_w、v_w参数，当DEM数值模拟单颗粒卵石撞击后运动轨迹与物理试验结果最为一致时，得到G_w、v_w参数确切取值。

步骤5，含沙水流CFD系统模拟参数和CFD-DEM交换项确定。含沙水流CFD系统模拟参数包括CFD湍流模型参数，CFD-DEM交换项包括基本项参数和细化项参数，所述基本项参数包括浮力和拖曳力，所述细化项参数包括压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、旋升力和剪切升力。首先选定CFD湍流模型参数为模拟水流的湍流模型参数，然后基于步骤1、2、3、4所确定的参数μ^p-w、μ^p-p、e^p-w、e^p-p、ρ_p、ρ_f、μ_f、β^p-w、β^p-p、G_p、v_p、G_w和v_w，选定CFD-DEM交换项参数为基本项参数：浮力和拖曳力，建立水平管道含沙水流卵石运动CFD-DEM数值计算模型，同时进行相同尺度和工况下水平管道含沙水流卵石运动物理试验，在其他数值模拟参数不变条件下，在初步取值范围内调整CFD湍流模型参数，当CFD-DEM数值模拟管道卵石运动特征与物理试验结果最为一致时，得到湍流模型参数确切取值。若模拟结果偏差大，在上述步骤的基础上，增加细化项参数：压力梯度力、虚拟质量力、Basset力、旋升力和剪切升力。

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