水土流動系統(tǒng)廣泛存在于地質(zhì)工程、巖土工程和水利工程之中,例如,壩基-水工結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)、水土流失過程、油井產(chǎn)砂過程以及基坑突涌問題等,其基本原理涉及顆粒尺度的顆粒運動和顆粒-顆粒相互作用以及微觀尺度或介觀尺度的流體流動和流體-顆粒耦合作用。現(xiàn)階段采用物理試驗和基于歐拉-歐拉（E-E）模型的數(shù)值分析方法均難以深入理解上述系統(tǒng)的細觀機理。離散元法（DEM）使用顆粒單元對固相進行建模,通過接觸模型反映真實的顆粒-顆粒相互作用,并且可以耦合多種流體數(shù)值分析方法（例如,CFD-DEM、LBM-DEM等）,為認識上述細觀機理提供了有效的數(shù)值工具。然而,現(xiàn)有基于離散元法的耦合數(shù)值分析方法常常受限于顆粒數(shù)量、問題維度以及雙商業(yè)軟件或雙開源程序的模型實現(xiàn)方式等問題,限制了其在水土流動系統(tǒng)數(shù)值分析中的應用。針對上述問題,論文創(chuàng)新性地提出了CFD-DEM耦合方法的新型實現(xiàn)模型OpenFOAM-PFC^3D,并應用于實際工程中常見水土流動系統(tǒng)的數(shù)值模擬和細觀特性研究。基于上述工作,取得了如下研究成果:（1）基于歐拉-拉格朗日（E-L）模型,遵循Tsuji等提出的粗網(wǎng)格流體-顆粒耦合數(shù)值分析體系... 

【文章來源】：中國地質(zhì)大學(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：134 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

LBM典型離散格子模型示意圖（d維空間m個離散速度）

技術路線圖

222.1.2顆粒相控制方程在CFD-DEM耦合方法中，顆粒相的表現(xiàn)由牛頓運動定律進行控制，在拉格朗日框架下的微觀尺度水平上使用DEM進行數(shù)值求解。在PFC3D軟件中，顆粒相控制方程如式（2-4）和（2-5）所示：=++(2-4)=(2-5)式中，表示顆粒線速度矢量；t表示數(shù)值計算時間；對應于式（1-1）中顆粒接觸力、粒間非接觸力以及外附加力三項之和，表示作用在顆粒上的總機械力；表示流體作用在顆粒上的總流體-顆粒相互作用力；mp表示顆粒質(zhì)量；表示重力加速度矢量；表示顆粒角速度矢量；表示顆粒所受接觸力矩；Ip表示顆粒轉(zhuǎn)動慣量（Itasca，2018）。圖2-1線性接觸模型示意圖圖2-1表示典型線性接觸模型（LinearContactModel）示意圖。Cundall和Strack（1979）定義線性接觸模型在法向和切向上分別包含一個彈簧和一個阻尼器，并且在切向上還另外包含一個滑動摩擦器。滾動阻力線性接觸模型（RollingResistanceLinearModel）是基于線性接觸模型考慮滾動摩擦原理的擴展版本。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于DEM-CFD方法的基坑工程漏水漏砂引發(fā)地層運移規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 戴軒,鄭剛,程雪松,霍海峰.  巖石力學與工程學報. 2019(02)
[2]動水位作用下飽和粗顆粒土滲流多尺度耦合模擬[J]. 毛海濤,王曉菊,王正成,吳恒濱.  巖石力學與工程學報. 2018(S1)
[3]地下工程漏水漏砂災害發(fā)展過程的試驗研究及數(shù)值模擬[J]. 鄭剛,戴軒,張曉雙.  巖石力學與工程學報. 2014(12)
[4]砂土滲流過程的細觀數(shù)值模擬[J]. 周健,姚志雄,張剛.  巖土工程學報. 2007(07)

博士論文
[1]基于離散元的滲流致斷級配土顆粒運移數(shù)值分析方法研究[D]. 程曠.大連理工大學 2019
[2]城市地下工程漏水漏砂災害演化機理的試驗與理論研究[D]. 戴軒.天津大學 2016
[3]稠密顆粒兩相流的CFD-DEM耦合并行算法及數(shù)值模擬[D]. 任立波.山東大學 2015
[4]復雜稠密氣固兩相流動的CFD-DEM模擬研究[D]. 張科.浙江大學 2012
[5]粗顆粒垂直管水力提升規(guī)律研究[D]. 李鵬程.清華大學 2007

碩士論文
[1]粗顆粒固液兩相管流的數(shù)值模擬[D]. 吳磊.杭州電子科技大學 2011



本文編號：3545037