砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地...砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。展开更多
在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值...在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值函数计算时间步的运动位移,构建可变空间搜索网格;通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表,采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒,从而提出一种改进的DEM方法(modified discrete element method,MDEM).该算法在颗粒群与流体耦合计算中,颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制,通过自动调整和修正实现大步长,由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步,使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决,为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法.通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟,得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数,与理论计算结果的相对误差均低于2%,与传统的DEM碰撞搜索算法相比,在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度,且有较高的计算效率.通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟,采用传统的CFD-DEM方法,只有颗粒计算时间步选取10^(−6)s或更小才能得到精确解,而采用本文方法取10^(−4)s也能够得到精确解,避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题,且计算耗时降低了16.7%.展开更多
海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元法(discrete element m...海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元法(discrete element method,简称DEM)建立了描述水与颗粒相互作用的流固耦合模型,通过引入颗粒间黏聚力模型,发展海底黏性滑体运动演化过程的CFD-DEM耦合分析方法,并开展了多个典型算例的验证分析。在此基础上,考虑滑体黏性作用和初始速度,系统地模拟了海底滑坡体的运动学特征(运动速度和距离)和形态特征(滑体长度、宽度、形状等),并深入探究了滑体运动及演化过程的影响机制。结果表明:该耦合方法可以较好地模拟再现海底滑坡体的小尺度运动行为,滑坡体的黏性作用对其运动学特征和形态特征具有显著影响,初始速度也明显影响了滑体各部位在运动过程中的颗粒流场演化及分布特征。这一成果可为真实海底滑坡的运动演化过程模拟和有效预测提供重要的科学依据。展开更多
我国西南山区极易发生滑坡、泥石流等地质灾害,从而导致大量泥沙进入河道,河床发生冲淤变形,使原有的水沙运动状态发生改变。通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）与离散元（Discrete Element Method,DEM）耦合的方法...我国西南山区极易发生滑坡、泥石流等地质灾害,从而导致大量泥沙进入河道,河床发生冲淤变形,使原有的水沙运动状态发生改变。通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）与离散元（Discrete Element Method,DEM）耦合的方法对水沙变化条件下典型山区河道内的三维水沙运动及河床冲淤变形过程进行了数值模拟,并将三维数值模拟结果与实验结果进行了比对。计算结果表明：上游强输沙水流进入变比降河道后,河道内会发生溯源淤积,且流量越小、加沙强度越大,泥沙溯源淤积发展的速度越快;淤积锋面到达处的水位会迅速升高,随着淤积前锋的继续发展,该位置处的水位会趋于稳定;泥沙大量淤积后,会导致河床比降减小,洪水水位增加,严重威胁河道防洪安全。展开更多
【目的】探究旋流式固液两相流泵内流动特征。【方法】基于CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method)耦合模型,选用油菜籽颗粒,在不同流量工况和颗粒体积分数下对旋流泵固液两相流场进行数值模拟和试验研究,研究...【目的】探究旋流式固液两相流泵内流动特征。【方法】基于CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method)耦合模型,选用油菜籽颗粒,在不同流量工况和颗粒体积分数下对旋流泵固液两相流场进行数值模拟和试验研究,研究旋流式固液两相流泵的内部流动规律及颗粒分布特征。【结果】小流量工况下循环流漩涡特征较明显,进口旋转回流长度较长,对进口来流扰动较大,随着流量增大,循环流影响范围减小;泵内颗粒受到贯通流和循环流的共同作用。管壁中心颗粒受贯通流的影响较大,颗粒穿过无叶腔直接进入叶轮,而靠近管壁的颗粒受循环流的影响较大;叶轮内沿着轴向3个截面处颗粒分布有着较为明显的差异,从叶轮前端面到后盖板,颗粒数量逐渐增多;蜗室内存在一对旋转方向相反的漩涡,在第Ⅴ断面之后前侧涡束逐渐消散,后侧涡束一直旋转至第Ⅷ断面处;在贯通流和循环流的作用下,油菜籽颗粒被旋转回流沿着管壁面带入到进口区域。【结论】循环流的存在导致旋流泵效率较低,但在输送颗粒时循环流起到较大的作用,使得泵输送性能较强;模型泵数值模拟与试验结果基本一致,验证了模拟的可靠性。展开更多
文摘砂土液化是常见的地震灾害,目前应用于研究砂土液化动力特性的室内试验以及模型试验还不能全面反映土体液化全过程。计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)与离散元法(discrete element method,DEM)耦合模拟方法能够准确地模拟各类水土耦合问题。通过二次开发的CFD-DEM流固耦合模块实现离散元软件PFC3D与计算流体力学软件OpenFOAM之间的力学信息交互,利用颗粒水下自由沉降验证该方法的可行性。利用PFC3D软件模拟室内循环三轴试验标定出具有真实饱和砂土动力特性的数值砂样。根据已有的参数信息以及耦合模拟方法建立了饱和砂土的场地液化模型。模拟结果表明,离散元法能够复现室内砂土液化试验,标定参数可应用于场地液化模拟;单颗粒沉降速度与理论解一致验证了CFD-DEM耦合方法的准确性;峰值加速度0.25g下不同深度处土体均会发生液化,液化时超孔压比无法达到1,超孔压累计值由浅层往深层递增;液化后土体强度自下而上逐渐恢复,再固结的场地土体结构呈现均匀化发展趋势。
文摘在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值函数计算时间步的运动位移,构建可变空间搜索网格;通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表,采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒,从而提出一种改进的DEM方法(modified discrete element method,MDEM).该算法在颗粒群与流体耦合计算中,颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制,通过自动调整和修正实现大步长,由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步,使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决,为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法.通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟,得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数,与理论计算结果的相对误差均低于2%,与传统的DEM碰撞搜索算法相比,在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度,且有较高的计算效率.通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟,采用传统的CFD-DEM方法,只有颗粒计算时间步选取10^(−6)s或更小才能得到精确解,而采用本文方法取10^(−4)s也能够得到精确解,避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题,且计算耗时降低了16.7%.
文摘海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,而目前很少有有关海底黏性滑坡体运动演化行为方面的模拟研究。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)和离散元法(discrete element method,简称DEM)建立了描述水与颗粒相互作用的流固耦合模型,通过引入颗粒间黏聚力模型,发展海底黏性滑体运动演化过程的CFD-DEM耦合分析方法,并开展了多个典型算例的验证分析。在此基础上,考虑滑体黏性作用和初始速度,系统地模拟了海底滑坡体的运动学特征(运动速度和距离)和形态特征(滑体长度、宽度、形状等),并深入探究了滑体运动及演化过程的影响机制。结果表明:该耦合方法可以较好地模拟再现海底滑坡体的小尺度运动行为,滑坡体的黏性作用对其运动学特征和形态特征具有显著影响,初始速度也明显影响了滑体各部位在运动过程中的颗粒流场演化及分布特征。这一成果可为真实海底滑坡的运动演化过程模拟和有效预测提供重要的科学依据。
文摘我国西南山区极易发生滑坡、泥石流等地质灾害,从而导致大量泥沙进入河道,河床发生冲淤变形,使原有的水沙运动状态发生改变。通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）与离散元（Discrete Element Method,DEM）耦合的方法对水沙变化条件下典型山区河道内的三维水沙运动及河床冲淤变形过程进行了数值模拟,并将三维数值模拟结果与实验结果进行了比对。计算结果表明：上游强输沙水流进入变比降河道后,河道内会发生溯源淤积,且流量越小、加沙强度越大,泥沙溯源淤积发展的速度越快;淤积锋面到达处的水位会迅速升高,随着淤积前锋的继续发展,该位置处的水位会趋于稳定;泥沙大量淤积后,会导致河床比降减小,洪水水位增加,严重威胁河道防洪安全。
文摘【目的】探究旋流式固液两相流泵内流动特征。【方法】基于CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method)耦合模型,选用油菜籽颗粒,在不同流量工况和颗粒体积分数下对旋流泵固液两相流场进行数值模拟和试验研究,研究旋流式固液两相流泵的内部流动规律及颗粒分布特征。【结果】小流量工况下循环流漩涡特征较明显,进口旋转回流长度较长,对进口来流扰动较大,随着流量增大,循环流影响范围减小;泵内颗粒受到贯通流和循环流的共同作用。管壁中心颗粒受贯通流的影响较大,颗粒穿过无叶腔直接进入叶轮,而靠近管壁的颗粒受循环流的影响较大;叶轮内沿着轴向3个截面处颗粒分布有着较为明显的差异,从叶轮前端面到后盖板,颗粒数量逐渐增多;蜗室内存在一对旋转方向相反的漩涡,在第Ⅴ断面之后前侧涡束逐渐消散,后侧涡束一直旋转至第Ⅷ断面处;在贯通流和循环流的作用下,油菜籽颗粒被旋转回流沿着管壁面带入到进口区域。【结论】循环流的存在导致旋流泵效率较低,但在输送颗粒时循环流起到较大的作用,使得泵输送性能较强;模型泵数值模拟与试验结果基本一致,验证了模拟的可靠性。
