CN113221474A - 考虑颗粒形状的cfd-dem模拟渗流侵蚀破坏的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑颗粒形状的CFD‑DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，包括步骤：确定DEM模块中试样的颗粒形状参数，用等效球形直径法计算非球形颗粒粒径；在DEM模块中配置至少两个预设空间，并采用分层压实法在预设空间中生成试样；其中，相邻两个预设空间之间采用实心板；在CFD模块中建立流体模型；对DEM模块中的耦合模块与CFD模块进行双向耦合，并且将试样两端实心板替换成孔隙板，耦合计算模拟渗流侵蚀破坏的过程。通过离散元建立非球形颗粒的试样，与CFD模块进行双向耦合计算，从宏微观角度能够更进一步研究颗粒与流体相互作用的机理，考虑了颗粒形状对渗流侵蚀破坏的影响，准确性更高，更加贴切于工程实际。

Description

考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及的是一种考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法。
背景技术
渗流侵蚀破坏是指在流体作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中运输或流失。这是一个流体-颗粒相互作用的复杂过程，会影响土工结构的耐久性和稳定性，是堤坝和地下管线发生破坏的最常见原因之一，因此其相关研究在水利岩土工程领域具有重要意义。
目前模拟渗流侵蚀的方法主要有有限元法和CFD-DEM方法等，有限元法虽然在宏观上模拟连续体变形方面具有优势，但难以捕获微观的接触组构和接触力组构的变化。
采用CFD-DEM方法能研究与颗粒有关的力学及流体动力学特性，有助于进一步研究流体-颗粒相互作用系统问题，具有良好的发展前景。
现有技术中，使用CFD-DEM方法进行数值模拟采用球体模拟颗粒形状，然而尚未考虑到颗粒形状对流固耦合作用结果的影响，造成准确性较低。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，旨在解决现有技术中未考虑到颗粒形状对流固耦合作用结果的影响，造成准确性较低的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，包括步骤：
确定DEM模块中试样的颗粒参数；其中，所述颗粒参数包括：形状参数、材料参数以及粒径参数，所述粒径参数采用等效球形直径的方法得到；
在所述DEM模块中配置至少两个预设空间，并采用分层压实法在所述预设空间中生成所述试样；其中，相邻两个所述预设空间之间采用实心板；
在CFD模块中建立流体模型；其中，所述流体模型的尺寸覆盖所述试样的尺寸；
对所述DEM模块中的耦合模块与所述CFD模块进行双向耦合，并且将试样两端实心板替换成孔隙板，耦合计算模拟渗流侵蚀破坏的过程。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述确定DEM模块中试样的颗粒参数，包括：
根据试样的初始级配曲线，依据不同的颗粒粒径在DEM模块中建立不同的Particle子模块，在每个所述Particle子模块中确定相应的颗粒形状类型，进而确定颗粒的形状参数；
在所述Particle子模块中的颗粒尺寸类型中确定颗粒的粒径参数。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述形状参数包括：细长比、棱角数、光滑度中的一种或多种；
所述材料参数包括：密度、杨氏模量、泊松比中中的一种或多种。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述采用分层压实法在所述预设空间中生成所述试样，包括：
在所述试样两端采用所述实心板挡压，对所述试样两端的实心板配置预设速度或预设压力压实所述试样。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述流体模型的长度比所述试样的长度大。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述试样包括：细颗粒和粗颗粒，所述细颗粒的粒径小于所述孔隙板的孔径，所述孔隙板的孔径小于所述粗颗粒的粒径。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述对所述DEM模块中的耦合模块与所述CFD模块进行双向耦合，并且将所述实心板替换成孔隙板，耦合计算模拟渗流侵蚀破坏的过程，包括：
通过DEM求解器初始化固体相；
由CFD求解器初始化流体相，并将所述流体相的速度、压力以及物理属性传输到所述DEM求解器；
在所述DEM求解器上计算颗粒相体积分数和初始相互作用项，并将所述颗粒相体积分数和所述初始相互作用项传输到所述CFD求解器；所述初始相互作用项包括：相互作用力和传热速率；
校正所述CFD求解器时间步长，以使DEM求解器时间步长具有整数倍；
相互作用力的半隐式传递和传热速率从DEM求解器到CFD求解器的显式传递；
每个单元中的速度，压力和物理属性从CFD求解器传输到DEM求解器；
继续执行通过DEM求解器初始化固体相的步骤，直到达到总仿真时间为止。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述相互作用力为：
Figure BDA0003001256500000031
其中，Ff→p表示相互作用力，FD表示拖曳力，
Figure BDA0003001256500000032
表示压力梯度力。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其中，所述压力梯度力为：
Figure BDA0003001256500000033
其中，Vp表示颗粒的体积，▽p表示局部压力梯度。
所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其z2，所述拖曳力为：
Figure BDA0003001256500000041
Figure BDA0003001256500000042
Figure BDA0003001256500000043
其中，u-vp表示颗粒和流体之间的相对速度，A′表示在流动方向上的投影颗粒面积，阻力系数
Figure BDA0003001256500000044
表示Huilin和Gidazpow应用的混合函数，ρf表示流体密度，
Figure BDA0003001256500000045
表示Ergun阻力系数，
Figure BDA0003001256500000046
表示Wen and Yu阻力系数，ψ表示混合参数，αf表示流体体积分数。有益效果：通过离散元建立非球形颗粒的试样，与CFD模块进行双向耦合计算，从宏微观角度能够更进一步研究颗粒与流体相互作用的机理，考虑了颗粒形状对渗流侵蚀破坏的影响，准确性更高，更加贴切于工程实际。
附图说明
图1是本发明中考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法流程图。
图2是本发明中DEM模块中设置不同颗粒形状参数的对比图。
图3是本发明中DEM模块中通过分层压实后的土颗粒试样示意图。
图4是本发明中CFD模块中建立流体网格的示意图。
图5为CFD-DEM耦合模拟的渗流侵蚀破坏示意图。
图6为耦合阶段试样两端的孔隙板示意图。
附图标记说明：
1、实心板；2、流体网格；3、流体入口；4、流体出口；5、孔隙板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图6，本发明提供了一种考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法的一些实施例。
颗粒形状是影响渗流侵蚀破坏的因素之一，其球形度、角度及粗糙度是影响土壤力学行为的三个主要形状标度，目前大多数渗流侵蚀数值研究采用球形颗粒作为试验样本，尚未考虑到颗粒形状对流固耦合作用结果的影响，为了进一步研究土壤的宏观和微观特性，必须使用非球形颗粒来模拟实际的土壤状态。本发明通过离散元建立非球形颗粒的试样，与CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)模块进行双向耦合计算，从宏微观角度能够更进一步研究颗粒与流体相互作用的机理，考虑了颗粒形状对渗流侵蚀破坏的影响，更加贴切于工程实际。
如图1所示，本发明的一种考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，包括以下步骤：
步骤S100、确定DEM(Discrete Element Method，离散单元法)模块中试样的颗粒参数；其中，所述颗粒参数包括：形状参数、材料参数以及粒径参数，所述粒径参数采用等效球形直径的方法得到。
具体地，在离散元DEM模块中选择试样的颗粒参数，设置对应的形状参数、材料参数以及粒径参数等。对于非球形颗粒的粒径计算采用等效球形直径的方法，即基于与球形颗粒体积相同的条件进而确定非球形颗粒的粒径。考虑颗粒形状对渗流侵蚀破坏的影响时，会采用不同颗粒形状的试样进行模拟试验，而为了保证试样的质量相等，需要采用等效球形直径的方法。
步骤S100具体包括：
步骤S110、根据试样的初始级配曲线，依据不同的颗粒粒径在DEM模块中建立不同的Particle子模块，在每个所述Particle子模块中确定相应的颗粒形状类型，进而确定颗粒的形状参数。
步骤S120、在所述Particle子模块中的颗粒尺寸类型中确定颗粒的粒径参数。
所述形状参数包括：细长比、棱角数、光滑度中的一种或多种。所述材料参数包括：密度、杨氏模量、泊松比中中的一种或多种。
举例说明，材料参数中密度为2000-3000kg/m3，杨氏模量1×107-1×109N/m2，泊松比为0.1-0.5。例如，密度取2650kg/m3、杨氏模量为1×108N/m2、泊松比为0.3。
形状参数的设置需要根据试样的初始级配曲线，依据不同的颗粒粒径在DEM中建立不同的Particle子模块，在每个Particle子模块中选择相应的颗粒形状类型，进而确定颗粒的形状参数。举例说明，如图2所示，细长比为0.5-1，棱角数为5-25，光滑度为0.1-1，例如，可以设置颗粒的细长比1.0、棱角数25、光滑度0.1等参数。
等效球形直径法是在Particle子模块中的Size Type中确定的，目的是保证平行试验中试样的质量相同。
步骤S200、在所述DEM模块中配置至少两个预设空间，并采用分层压实法在所述预设空间中生成所述试样；其中，相邻两个所述预设空间之间采用实心板。
具体地，预设空间可以是多个，例如，如图3所示，采用4个预设空间，试样的生成采用分层压实法，将试样的生成空间设定为四层，层间分别设置实心板，同样将模拟的试样分成，将试样的生成空间设定为四层，层间分别设置实心板，同样将模拟的试样分成四份，分别在设定的空间里生成。
步骤S200具体包括：
步骤S210、在所述试样两端采用所述实心板挡压，对所述试样两端的实心板配置预设速度或预设压力压实所述试样。
具体地，分层压实法的实现过程是在整体试样两端采用实心板挡压，对两端的实心板赋予设定的速度或者压力进行试样的压实，此步骤的目的是使压实后的试样内部分布更加均匀。
在数值模拟中实现分层压实法，目的是让试样内部的分布更加均匀。举例说明，将试样的生成空间设定为四层，中间分别设置三个实心板1，同样将模拟的试样分成四份，分别在设定的空间区域Volume Fill里生成；最后通过在试样最外面的实心板1设置一定的速度或者压力，此案例采用围压法，压应力为50-500kPa；设置时间步数0.01-1s和时间总长度0.1-10s，将试样进行分层压实，压实后的试样长度为0.02-2m。例如，压应力为100kPa；设置时间步数0.1s和时间总长度1s，将试样进行分层压实，压实后的试样长度为0.18m。
步骤S300、在CFD模块中建立流体模型；其中，所述流体模型的尺寸覆盖所述试样的尺寸。
具体地，所述流体模型的长度比所述试样的长度大0.02m，使得耦合计算时流体完全渗透到试样中。CFD流体模型的长度比DEM颗粒试样的长度长是为了保证流体能完全渗透到颗粒试样中，从而实现渗流侵蚀破坏的过程。
步骤S400、对所述DEM模块中的耦合模块与所述CFD模块进行双向耦合，并且将所述实心板替换成孔隙板，耦合计算模拟渗流侵蚀破坏的过程。
具体地，所述试样包括：细颗粒和粗颗粒，所述细颗粒的粒径小于所述孔隙板的孔径，所述孔隙板的孔径小于所述粗颗粒的粒径。
双向耦合过程中将试样两端的实心板替换成孔隙板，并且将试样的中间隔板(也为实心板)取消，使部分细颗粒在流体渗透作用下经孔隙板流失，当然，粗颗粒受到孔隙板的阻挡并不会流失。也就是说，孔隙板格栅的大小取值在大于细颗粒的最大粒径并且小于粗颗粒的最小粒径区间，符合渗流侵蚀过程中部分细颗粒在流体作用下流失的规律，另一部分细颗粒则不会流失。
举例说明，在计算之后的DEM模块中的耦合模块CFD-Coupling设置与CFD的结果进行双向耦合，将DEM试样的中间实心板1取消，并且将试样两端的实心板1替换成孔隙板5；选择合适的拖拽定律Huilin and Gidaspow、时间总长为20s。
步骤S400具体包括：
步骤S410、通过DEM求解器初始化固体相。
步骤S420、由CFD求解器初始化流体相，并将所述流体相的速度、压力以及物理属性传输到所述DEM求解器。
步骤S430、在所述DEM求解器上计算颗粒相体积分数和初始相互作用项，并将所述颗粒相体积分数和所述初始相互作用项传输到所述CFD求解器；所述初始相互作用项包括：相互作用力和传热速率。
步骤S440、校正所述CFD求解器时间步长，以使DEM求解器时间步长具有整数倍。
步骤S450、相互作用力的半隐式传递和传热速率从DEM求解器到CFD求解器的显式传递。
步骤S460、每个单元中的速度，压力和物理属性从CFD求解器传输到DEM求解器。
步骤S470、继续执行通过DEM求解器初始化固体相的步骤，直到达到总仿真时间为止。
具体地，所述相互作用力为：
Figure BDA0003001256500000081
其中，Ff→p表示相互作用力，FD表示拖曳力，
Figure BDA0003001256500000082
表示压力梯度力。将复杂的流固相互作用力简化成拖曳力FD和压力梯度力
Figure BDA0003001256500000083
的矢量和。
所述压力梯度力为：
Figure BDA0003001256500000091
其中，Vp表示颗粒的体积，▽p表示局部压力梯度。
所述拖曳力为：
Figure BDA0003001256500000092
Figure BDA0003001256500000093
Figure BDA0003001256500000094
其中，u-vp表示颗粒和流体之间的相对速度，A′表示在流动方向上的投影颗粒面积，阻力系数
Figure BDA0003001256500000095
表示Huilin和Gidazpow应用的混合函数，用于基于流体体积分数来促进联系，这使Wen&Yu和Ergun相关性之间的转换更加平滑，ρf表示流体密度，
Figure BDA0003001256500000096
表示Ergun阻力系数，
Figure BDA0003001256500000097
表示Wen andYu阻力系数，ψ表示混合参数，αf表示流体体积分数，混合参数ψ定义为流体体积分数αf的函数，π表示圆周率，arctan(·)表示反正切函数函数。
具体地，如图2所示，设置不同的形状参数将产生不同的形状效果，而颗粒形状作为渗流侵蚀破坏的影响因素之一，此设置为关键的步骤之一。
如图3所示，试样通过分层压实法生成，将试样均等分成四份进行分层压缩，使得整体试样内部的分布更加均匀。
如图4所示，设置CFD流体网格2、流体入口3、流体出口4，使流体从上到下的方向对试样进行下渗渗透。
如图5所示，CFD-DEM耦合模拟流体经过试样时，部分细颗粒在流体作用下经过孔隙板而流失的现象。
如图6所示，孔隙板格栅的大小应符合大于细颗粒的最大粒径并且小于粗颗粒的最小粒径，符合渗流侵蚀过程中部分细颗粒在流体作用下流失的规律。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、在DEM离散元中将试样颗粒设置为非球形形状，考虑了颗粒形状对渗流侵蚀的影响，更加符合实际的土壤状态，填补了目前大多数将球体作为试样颗粒形状的数值模拟研究中的缺陷和漏洞。
2、基于CFD-DEM理论进行流固耦合的数值模拟，有助于获取流体作用下固体颗粒间的接触组构和接触力组构等微观信息，有助于从细观组构的角度进一步分析颗粒与流体之间相互作用的机理。
3、为进一步发展微观力学本构模型等解决涉及到多场和多相介质的复杂实际工程问题提供模拟技术依据。
4、开发了具有GPU并行计算技术(基于CUDA软件包)的内部CFD-DEM代码，提高了计算效率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，包括步骤：
确定DEM模块中试样的颗粒参数；其中，所述颗粒参数包括：形状参数、材料参数以及粒径参数，所述粒径参数采用等效球形直径的方法得到；
在所述DEM模块中配置至少两个预设空间，并采用分层压实法在所述预设空间中生成所述试样；其中，相邻两个所述预设空间之间采用实心板；
在CFD模块中建立流体模型；其中，所述流体模型的尺寸覆盖所述试样的尺寸；
对所述DEM模块中的耦合模块与所述CFD模块进行双向耦合，并且将试样两端实心板替换成孔隙板，耦合计算模拟渗流侵蚀破坏的过程。
2.根据权利要求1所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述确定DEM模块中试样的颗粒参数，包括：
根据试样的初始级配曲线，依据不同的颗粒粒径在DEM模块中建立不同的Particle子模块，在每个所述Particle子模块中确定相应的颗粒形状类型，进而确定颗粒的形状参数；
在所述Particle子模块中的颗粒尺寸类型中确定颗粒的粒径参数。
3.根据权利要求2所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述形状参数包括：细长比、棱角数、光滑度中的一种或多种；
所述材料参数包括：密度、杨氏模量、泊松比中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述采用分层压实法在所述预设空间中生成所述试样，包括：
在所述试样两端采用所述实心板挡压，对所述试样两端的实心板配置预设速度或预设压力压实所述试样。
5.根据权利要求1所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述流体模型的长度比所述试样的长度大。
6.根据权利要求1所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述试样包括：细颗粒和粗颗粒，所述细颗粒的粒径小于所述孔隙板的孔径，所述孔隙板的孔径小于所述粗颗粒的粒径。
7.根据权利要求1所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述对所述DEM模块中的耦合模块与所述CFD模块进行双向耦合，并且将所述实心板替换成孔隙板，耦合计算模拟渗流侵蚀破坏的过程，包括：
通过DEM求解器初始化固体相；
由CFD求解器初始化流体相，并将所述流体相的速度、压力以及物理属性传输到所述DEM求解器；
在所述DEM求解器上计算颗粒相体积分数和初始相互作用项，并将所述颗粒相体积分数和所述初始相互作用项传输到所述CFD求解器；所述初始相互作用项包括：相互作用力和传热速率；
校正所述CFD求解器时间步长，以使DEM求解器时间步长具有整数倍；
相互作用力的半隐式传递和传热速率从DEM求解器到CFD求解器的显式传递；
每个单元中的速度，压力和物理属性从CFD求解器传输到DEM求解器；
继续执行通过DEM求解器初始化固体相的步骤，直到达到总仿真时间为止。
8.根据权利要求6所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述相互作用力为：
Figure FDA0003001256490000021
其中，Ff→p表示相互作用力，FD表示拖曳力，
Figure FDA0003001256490000031
表示压力梯度力。
9.根据权利要求8所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述压力梯度力为：
Figure FDA0003001256490000032
其中，Vp表示颗粒的体积，
Figure FDA0003001256490000033
表示局部压力梯度。
10.根据权利要求8所述的考虑颗粒形状的CFD-DEM模拟渗流侵蚀破坏的方法，其特征在于，所述拖曳力为：
Figure FDA0003001256490000034
Figure FDA0003001256490000035
Figure FDA0003001256490000036
其中，u-vp表示颗粒和流体之间的相对速度，A′表示在流动方向上的投影颗粒面积，阻力系数
Figure FDA0003001256490000037
表示Huilin和Gidazpow应用的混合函数，ρf表示流体密度，
Figure FDA0003001256490000038
表示Ergun阻力系数，
Figure FDA0003001256490000039
表示Wen and Yu阻力系数，ψ表示混合参数，αf表示流体体积分数。
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