CN112131633B - 一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统 - Google Patents
一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112131633B CN112131633B CN202010921537.7A CN202010921537A CN112131633B CN 112131633 B CN112131633 B CN 112131633B CN 202010921537 A CN202010921537 A CN 202010921537A CN 112131633 B CN112131633 B CN 112131633B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fluid
- coarse
- calculation
- particle
- solid coupling
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title claims abstract description 116
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 85
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 82
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 79
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 147
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000005469 granulation Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000003179 granulation Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 56
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 15
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000011160 research Methods 0.000 claims description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 8
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 8
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 238000011439 discrete element method Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 4
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 3
- LJROKJGQSPMTKB-UHFFFAOYSA-N 4-[(4-hydroxyphenyl)-pyridin-2-ylmethyl]phenol Chemical compound C1=CC(O)=CC=C1C(C=1N=CC=CC=1)C1=CC=C(O)C=C1 LJROKJGQSPMTKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 2
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000004379 similarity theory Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/25—Design optimisation, verification or simulation using particle-based methods
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Algebra (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本公开提出了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统，所述方案通过应用粗粒化计算理论，在模拟计算中利用大粒径的粗颗粒代替粒径小的真实颗粒进行计算，减小了流固耦合计算中的离散元颗粒数量，实现了对工程尺度流固耦合问题的计算；本公开提出的一种DEM‑CFD流固耦合粗粒化计算理论，有效解决了工程尺度流固耦合应用粗粒化理念的定量模拟问题；利用能量守恒和冲量定理得到了粗粒化系统和原系统中颗粒的受力关系，使得在粗粒化系统中可以利用少量的粗颗粒定量代替大量的真实颗粒进行模拟计算，从而实现定量高效进行工程尺度流固耦合计算，对提高流固耦合计算效率具有重要意义。
Description
技术领域
本公开涉及岩土工程数值计算领域，尤其涉及一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
我国的隧道及地下工程建设发展迅猛，而地质缺陷是突水突泥灾害的重要触发源头，因而在未来一段时期，研究突水突泥灾害演化过程的流固耦合灾变机理，为监测预警提供有效的支撑，是亟需突破的关键难点。
针对地下工程流固耦合问题的研究手段主要有三种：模型试验、室内试验和数值模拟。其中，模型试验主要是利用相似理论，对工程现场进行等比例相似模拟研究，通过制作相似材料、外置油缸加载、实时监测等手段实现对现场灾害演化的模拟，其特点是可以模拟岩土体复杂的非线性变化过程，但是由于试验周期长、成本高，导致试验的可重复性较低，不利于研究系列案例；室内实验主要是进行小尺度的渗透侵蚀破坏过程进行研究，可以通过准确控制试验材料的颗粒级配以及加载水压、加载应力等方式，实现对致灾构造渗透侵蚀过程的准确定量模拟，可以有效揭示其侵蚀破坏过程，但是受到实验器材制约，其不适用于工程尺度的研究。随着计算机硬件水平的不断提高，数值模拟方法日益成为工程灾害防控的重要辅助手段，在地下工程流固耦合问题的数值模拟方面，目前主要模拟方法有欧拉-欧拉法、欧拉-拉格朗日法和拉格朗日-拉格朗日法：欧拉-欧拉法即双流体模拟方法，优势可以计算工程尺度模型，但是由于其将固体相简化为流体处理，导致固体相特征过度被简化；拉格朗日-拉格朗日法的代表性模拟方法为光滑粒子流(SPH)法，其优势是避免了大变形时网格扭曲带来的精度损失，但是SPH粒子均采用规则建模，对于复杂三维模型分配粒子位置和质量时存在局限性；欧拉-拉格朗日法是在流固耦合计算中使用较多的一类计算方法，其主要的模型有直接数值模拟法(DNS)、离散相模型(DPM/DDPM)和离散元法(DEM)-计算流体动力学耦合计算法(CFD)(DEM-CFD)。
发明人发现，DNS求解精确但只能模拟少量固相颗粒，DPM/DDPM不考虑颗粒的真实碰撞造成一定的误差，而DEM-CFD耦合模型，因为即考虑了颗粒的碰撞及颗粒相的体积分数，也准确进行了流场的计算及相间作用，所以它是目前进行流固耦合计算的一种具有明显优势的模拟方法；但是，尽管DEM-CFD在流固耦合模拟方面具有诸多优势，由于工程模型尺度规模较大以及计算机硬件的局限，当前的DEM-CFD耦合方法仍不能进行工程尺度模拟，如何提高模型计算效率同时保证计算精度是DEM-CFD耦合方法进行工程应用亟需突破的重要难点。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统，使得DEM-CFD流固耦合方法可以进行工程尺度模拟，在提高模型计算效率的同时有效保证了计算精度，进而有效解决了定量表征工程尺度流固耦合问题。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法,包括：
根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；
将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；
基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现粗粒化流固耦合仿真计算。
进一步的，所述原始颗粒级配组成下的微观参数取值的获取包括：针对某一工程的地质条件进行调研，得到原始颗粒级配曲线，利用DEM软件对岩石及致灾构造充填物质的物理力学性质进行参数标定，开展基于单轴压缩、巴西劈裂、三轴压缩等基础力学试验模拟，得到在原始颗粒级配组成下的微观参数取值；
进一步的，所述粗粒化计算理论用于根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系，进而实现模型的粗粒化力学仿真分析。
进一步的，所述粗粒化计算理论需要满足以下条件：
应用粗粒化的系统需要和原系统总能量守恒；系统内颗粒数量仍满足统计意义；真实颗粒的碰撞可用粗颗粒的碰撞来代替；为保证重力的作用效果不变，粗颗粒和真实颗粒的密度设定一致。
进一步的，所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数包括：颗粒材料的泊松比，密度，杨氏模量，恢复系数，静摩擦系数，滚动摩擦系数。
进一步的，所述DEM-CFD流固耦合接口，在固体DEM计算部分，改进了颗粒的速度计算，保证粗粒化后的速度与原始系统的速度相等；在DEM-CFD耦合计算部分，改进了流体对颗粒的拖曳力计算，保证了粗粒化后的拖曳力是原始系统的拖曳力乘以粗粒化系数的三次方。
进一步的，完成所述粗粒化流固耦合仿真计算后，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统，包括：
参数获取模块，其用于根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
模型构建模块，其用于构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
接口构建模块，其用于基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
仿真计算模块，其用于将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现流固耦合仿真计算。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开提出的一种工程尺度流固耦合问题粗粒化计算实施方法，解决了工程尺度DEM-CFD计算中，由于存在大量离散元颗粒，导致的工程尺度流固耦合计算中计算量远超过当前计算机硬件水平的难点；本公开所述的计算方法通过应用粗粒化计算理论，在模拟计算中利用大粒径的粗颗粒代替粒径小的真实颗粒进行计算，减小了流固耦合计算中的离散元颗粒数量，实现了对工程尺度流固耦合问题的计算；
(2)本公开提出的一种DEM-CFD流固耦合粗粒化计算理论，有效解决了工程尺度流固耦合应用粗粒化理念的定量模拟问题；利用能量守恒和冲量定理得到了粗粒化系统和原系统中颗粒的受力关系，使得在粗粒化系统中可以利用少量的粗颗粒定量代替大量的真实颗粒进行模拟计算，从而实现定量高效进行工程尺度流固耦合计算，对提高流固耦合计算效率具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的工程尺度流固耦合计算流程示意图；
图2为本公开实施例一中所述的粗粒化原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，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。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法。
一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法,包括：根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；
将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；
基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现粗粒化流固耦合仿真计算。
进一步的，此处所说的颗粒级配是指根据地质体(土体或岩体)在筛析实验中所测试得到的颗粒级配，按照一定的比例放大后所得的颗粒级配。具体的颗粒级配参数是指的各粒组(一个粒径区间为一个粒组)的含量(百分比)。
进一步的，所述原始颗粒级配组成下的微观参数取值的获取包括：针对某一工程的地质条件进行调研，得到原始颗粒级配曲线，利用DEM软件对岩石及致灾构造充填物质的物理力学性质进行参数标定，开展基于单轴压缩、巴西劈裂、三轴压缩等基础力学试验模拟，得到在原始颗粒级配组成下的微观参数取值；
进一步的，所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数包括：颗粒材料的泊松比，密度，杨氏模量，恢复系数，静摩擦系数，滚动摩擦系数。
进一步的，所述DEM-CFD流固耦合接口，在固体DEM计算部分，改进了颗粒的速度计算，保证粗粒化后的速度与原始系统的速度相等；在DEM-CFD耦合计算部分，改进了流体对颗粒的拖曳力计算，保证了粗粒化后的拖曳力是原始系统的拖曳力乘以粗粒化系数的三次方。
进一步的，完成所述粗粒化流固耦合仿真计算后，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。
进一步的，所述粗粒化计算理论包括以下步骤：
步骤1：应用本粗粒化计算理论需要满足几个基本条件和假设：(1)应用粗粒化计算理论的系统需要和原系统总能量守恒；(2)应用粗粒化计算理论的系统内颗粒数量仍满足统计意义；(3)真实颗粒的碰撞可以用粗颗粒的碰撞来代替；(4)为保证重力的作用效果不变，粗颗粒和真实颗粒的密度设为一致；
其中，Ec为粗颗粒的能量；Eo为真实颗粒的能量；N为一个粗颗粒所代表的真实颗粒的数量；
ρi,c＝ρi,o (2)
其中，ρi,c为粗颗粒的密度；ρi,o为真实颗粒的密度。
步骤2：根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗粒化倍数β，使得粗粒化系统中的颗粒数量在可接受的计算范围内，既可达到足够数量达到要求精度，也可显著减少计算量，粗颗粒与真实颗粒的半径及体积满足以下关系：
Rc＝βRo (3)
其中，Rc为粗颗粒半径；Rc为真实颗粒半径；
Vc＝β3Vo (4)
其中，Vc为粗颗粒体积；Vc为真实颗粒体积；
步骤3：在所分析的系统中，暂不考虑热量等因素，假设系统中的颗粒能只包括重力势能和动能。由步骤1和步骤2可知，粗粒化系统与原系统的重力势能相等，因此可以得到两系统颗粒的动能相等：
由公式(5)至(7)可以得到，粗颗粒和真实颗粒速度的相等应当保持相等，即：
vp,c＝vp,o (8)
步骤4：根据冲量定理mv＝ft及公式(7)、(8)可得：
fctc＝β3foto (9)
步骤5：根据步骤1中的基本假设，粗颗粒碰撞时，其代表的真实颗粒均发生碰撞，则可得；
tc＝to (10)
由公式(9)和(10)可得粗颗粒间相互作用力与真实颗粒间相互作用力的关系为：
fc＝β3fo (11)
步骤6：由于在本理论中，计算模型所包含的骨架颗粒(粒径较大颗粒的统称)也应用了粗粒化计算理论，造成流体的通道发生改变，因而需要对流场进行粗粒化，以保证流体的运动满足能量守恒；根据冲量定理，可以得到应用粗粒化前后流体对颗粒的作用力应满足以下关系:
f曳,ctc＝β3f曳,oto (12)
步骤7：由于骨架颗粒体积增大，造成流体通道的横截面积增大，因而流体的压降减小，流体的流速增大；同时，因为粗颗粒半径相对于真实颗粒增大，根据Defilic曳力计算模型，可以得到粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系：
其中，
为当流体中只有颗粒i时，流体对颗粒i的曳力；ε为颗粒周围的孔隙率；χ为经验常数；
其中，ui为颗粒所在计算单元的流体速度；vi为颗粒速度；Ri为颗粒的半径；
其中，ρf为流体密度；μf为流体粘度。
具体的，此处对基于上述的粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法的具体步骤进行详细说明：
步骤1：针对某一工程的地质条件进行调研，得到原始颗粒级配曲线，利用DEM软件对岩石及致灾构造充填物质的物理力学性质进行参数标定，开展基于单轴压缩、巴西劈裂、三轴压缩等基础力学试验模拟，得到在原始颗粒级配组成下的微观参数取值；
步骤2：根据本发明提出的粗粒化计算理论，计算得到应用粗粒化计算理论后的离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
步骤3：根据地质调研资料，在建模软件Solidworks中建立研究对象的三维地质模型；
步骤4：将步骤3中得到的三维地质模型作为外部几何体导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到由颗粒表示的地质体模型；
步骤5：将步骤2中所得到的离散元颗粒系统微观参数取值，施加到步骤4所得到的颗粒地质体模型中；
步骤6：根据本发明所提出的流固耦合粗粒化计算理论，利用C语言和C++语言编程开发建立新的DEM-CFD流固耦合接口；
步骤7：根据地质调研资料，在建模软件Solidworks中建立研究对象的流场区域模型，随后利用ICEM软件进行流体网格划分设计，得到与颗粒级配相适应的流体网格模型；
步骤8：将步骤7获得的流体网格模型导入到CFD软件中，并进行相对应的流体参数设置，随后在CFD软件中加载步骤6中开发建立的DEM-CFD流固耦合接口，设置启动耦合接口参数，进行粗粒化流固耦合模拟计算；
步骤9：完成计算，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。
实施例二：
本实施例的目的是提供了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统。
一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统，包括：
参数获取模块，其用于根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
模型构建模块，其用于构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
接口构建模块，其用于基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
仿真计算模块，其用于将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现流固耦合仿真计算。
进一步的，所述仿真计算模块还用于在完成所述粗粒化流固耦合仿真计算后，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。
进一步的，所述粗粒化计算理论包括以下步骤：
步骤1：应用本粗粒化计算理论需要满足几个基本条件和假设：(1)应用粗粒化计算理论的系统需要和原系统总能量守恒；(2)应用粗粒化计算理论的系统内颗粒数量仍满足统计意义；(3)真实颗粒的碰撞可以用粗颗粒的碰撞来代替；(4)为保证重力的作用效果不变，粗颗粒和真实颗粒的密度设为一致；
其中，Ec为粗颗粒的能量；Eo为真实颗粒的能量；N为一个粗颗粒所代表的真实颗粒的数量；
ρi,c＝ρi,o (2)
其中，ρi,c为粗颗粒的密度；ρi,o为真实颗粒的密度。
步骤2：根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗粒化倍数β，使得粗粒化系统中的颗粒数量在可接受的计算范围内，既可达到足够数量达到要求精度，也可显著减少计算量，粗颗粒与真实颗粒的半径及体积满足以下关系：
Rc＝βRo (3)
其中，Rc为粗颗粒半径；Rc为真实颗粒半径；
Vc＝β3Vo (4)
其中，Vc为粗颗粒体积；Vc为真实颗粒体积；
步骤3：在所分析的系统中，暂不考虑热量等因素，假设系统中的颗粒能只包括重力势能和动能。由步骤1和步骤2可知，粗粒化系统与原系统的重力势能相等，因此可以得到两系统颗粒的动能相等：
由公式(5)至(7)可以得到，粗颗粒和真实颗粒速度的相等应当保持相等，即：
vp,c＝vp,o (8)
步骤4：根据冲量定理mv＝ft及公式(7)、(8)可得：
fctc＝β3foto (9)
步骤5：根据步骤1中的基本假设，粗颗粒碰撞时，其代表的真实颗粒均发生碰撞，则可得；
tc＝to (10)
由公式(9)和(10)可得粗颗粒间相互作用力与真实颗粒间相互作用力的关系为：
fc＝β3fo (11)
步骤6：由于在本理论中，计算模型所包含的骨架颗粒(粒径较大颗粒的统称)也应用了粗粒化计算理论，造成流体的通道发生改变，因而需要对流场进行粗粒化，以保证流体的运动满足能量守恒；根据冲量定理，可以得到应用粗粒化前后流体对颗粒的作用力应满足以下关系:
f曳，ctc＝β3f曳，oto (12)
步骤7：由于骨架颗粒体积增大，造成流体通道的横截面积增大，因而流体的压降减小，流体的流速增大；同时，因为粗颗粒半径相对于真实颗粒增大，根据Defilic曳力计算模型，可以得到粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系：
其中，
为当流体中只有颗粒i时，流体对颗粒i的曳力；ε为颗粒周围的孔隙率；χ为经验常数；
其中，ui为颗粒所在计算单元的流体速度；vi为颗粒速度；Ri为颗粒的半径；
其中，ρf为流体密度；μf为流体粘度。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法,其特征在于，包括：
根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；
将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；
基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现粗粒化流固耦合仿真计算；
其中，所述原始颗粒级配组成下的微观参数取值的获取包括：针对某一工程的地质条件进行调研，得到原始颗粒级配曲线，利用DEM软件对岩石及致灾构造充填物质的物理力学性质进行参数标定，开展基于单轴压缩、巴西劈裂、三轴压缩基础力学试验模拟，得到在原始颗粒级配组成下的微观参数取值；
所述粗粒化计算理论用于根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系，进而实现模型的粗粒化力学仿真分析；
所述粗粒化计算理论需要满足以下条件：
应用粗粒化的系统需要和原系统总能量守恒；系统内颗粒数量仍满足统计意义；真实颗粒的碰撞可用粗颗粒的碰撞来代替；为保证重力的作用效果不变，粗颗粒和真实颗粒的密度设定一致；
所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数包括：颗粒材料的泊松比，密度，杨氏模量，恢复系数，静摩擦系数，滚动摩擦系数。
2.如权利要求1所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，其特征在于，所述DEM-CFD流固耦合接口，在固体DEM计算部分，改进了颗粒的速度计算，保证粗粒化后的速度与原始系统的速度相等；在DEM-CFD耦合计算部分，改进了流体对颗粒的拖曳力计算，保证了粗粒化后的拖曳力是原始系统的拖曳力乘以粗粒化系数的三次方。
3.如权利要求1所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，其特征在于，完成粗粒化流固耦合仿真计算后，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。
4.一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，包括：
参数获取模块，其用于根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
模型构建模块，其用于构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
接口构建模块，其用于基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
仿真计算模块，其用于将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现流固耦合仿真计算。
5.如权利要求4所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统，其特征在于：所述粗粒化计算理论用于根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系，进而实现模型的粗粒化力学仿真分析。
6.如权利要求4所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统，其特征在于：所述仿真计算模块还用于在完成流固耦合仿真计算后，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010921537.7A CN112131633B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010921537.7A CN112131633B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112131633A CN112131633A (zh) | 2020-12-25 |
| CN112131633B true CN112131633B (zh) | 2023-01-13 |
Family
ID=73848004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010921537.7A Active CN112131633B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112131633B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113408217B (zh) * | 2021-06-28 | 2022-09-13 | 西北工业大学 | 一种适用于粗颗粒流的气粒混合流动数值计算方法 |
| CN113343605B (zh) * | 2021-06-29 | 2022-03-25 | 华南理工大学 | 一种汽车涂层抗石击性标准实验的仿真对标方法 |
| CN113312861B (zh) * | 2021-06-29 | 2022-09-09 | 江西理工大学 | 基于cfd-dem耦合模型的高炉回旋区气固流动稳定性分析方法 |
| CN113758839B (zh) * | 2021-07-19 | 2022-12-16 | 山东大学 | 一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法及系统 |
| CN115795986A (zh) * | 2022-11-11 | 2023-03-14 | 东南大学 | 一种基于sph-dem耦合与多相流理论的基础冲刷流-固-土耦合仿真方法 |
| CN117454785B (zh) * | 2023-10-07 | 2024-03-22 | 中国矿业大学 | 一种粗颗粒固含率分布的计算方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104268943A (zh) * | 2014-09-28 | 2015-01-07 | 北京航空航天大学 | 一种基于欧拉-拉格朗日耦合方法的流体仿真方法 |
| CN107657128A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-02-02 | 东南大学 | 破碎状态的粗集料颗粒离散元方法 |
| CN110245457A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-09-17 | 孙伟宸 | 一种基于连续均匀概率确定颗粒粒径的目标级配模型创建方法 |
| CN110955998A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-03 | 青岛科技大学 | 一种基于gis的大范围泥石流数值模拟及数值处理方法 |
| CN111475937A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-31 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法 |
| CN111553098A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-08-18 | 山东大学 | 一种渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法及装置 |
-
2020
- 2020-09-04 CN CN202010921537.7A patent/CN112131633B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104268943A (zh) * | 2014-09-28 | 2015-01-07 | 北京航空航天大学 | 一种基于欧拉-拉格朗日耦合方法的流体仿真方法 |
| CN107657128A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-02-02 | 东南大学 | 破碎状态的粗集料颗粒离散元方法 |
| CN110245457A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-09-17 | 孙伟宸 | 一种基于连续均匀概率确定颗粒粒径的目标级配模型创建方法 |
| CN110955998A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-04-03 | 青岛科技大学 | 一种基于gis的大范围泥石流数值模拟及数值处理方法 |
| CN111553098A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-08-18 | 山东大学 | 一种渗透破坏型突涌水过程数值模拟方法及装置 |
| CN111475937A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-31 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及其在细观流固耦合数值模拟中应用;王胤等;《岩土力学》;20180913(第05期);第389-395页 * |
| 基于离散元法的水土流动系统耦合数值分析方法研究;周号同;《地质工程》;20200501;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112131633A (zh) | 2020-12-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112131633B (zh) | 一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统 | |
| Shi et al. | Calibration of micro-scaled mechanical parameters of granite based on a bonded-particle model with 2D particle flow code | |
| Wang et al. | Numerical modelling of fluid-induced soil erosion in granular filters using a coupled bonded particle lattice Boltzmann method | |
| Desai et al. | A rheometry based calibration of a first-order DEM model to generate virtual avatars of metal Additive Manufacturing (AM) powders | |
| CN112163328A (zh) | 一种基于深度学习和数据驱动的岩土颗粒材料本构建模方法 | |
| Turner et al. | Meso-scale framework for modeling granular material using computed tomography | |
| CN115906256A (zh) | 一种水库滑坡涌浪数值模拟方法及系统 | |
| Hanley et al. | Challenges of simulating undrained tests using the constant volume method in DEM | |
| Ravichandran et al. | Micro-scale modeling of saturated sandy soil behavior subjected to cyclic loading | |
| Liever et al. | Gas-granular simulation framework for spacecraft landing plume-surface interaction and debris transport analysis | |
| Regueiro et al. | ONR MURI project on soil blast modeling and simulation | |
| CN116542050A (zh) | 一种节理岩体开挖稳定性的多尺度模拟方法 | |
| Donati et al. | Experience gained in modelling brittle fracture in rock | |
| Azami et al. | 3D computational modeling of powder compaction processes using a three-invariant hardening cap plasticity model | |
| Beck et al. | Estimating the probabaility of mining-induced seismic events using mine-scale, inelastic numerical models | |
| CN113758839B (zh) | 一种基于粗粒化粘结模型的大尺度岩石模拟方法及系统 | |
| CN118171377B (zh) | 基于多求解器耦合的土质隧道衬砌受力数值模拟方法 | |
| Deitrick et al. | Granular morphology and mineralogical composition for modeling lunar dust behavior | |
| Chaaban et al. | A multiscale study of the retention behavior and hydraulic anisotropy in deformable porous media | |
| Sordo et al. | Hybrid Finite Element and Material Point Method to Simulate Granular Column Collapse from Failure Initiation to Runout | |
| Skonieczny et al. | Preparation for reduced gravity flights to examine ExoMars rover wheel-soil interactions | |
| Caulk | Micro-macro modeling of the long-term behavior of well-seals under hydraulic-gas loading using the Discrete Element Method (DEM) | |
| Parent | Field Scale Flow Modeling of Thixotropic Mine Tailings Using the Material Point Method | |
| Nohut et al. | Investigation of micro-macroscale interaction of heterogeneous materials by a parallel-bonded particle model and introduction of new microparameter determination formulations | |
| Li et al. | Scale dependency and anisotropy of mechanical properties of jointed rock masses: insights from a numerical study |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |