非饱和土中的流-固耦合研究

概述了非饱和土变形.渗流相互作用的多相流.固耦合理论的研究进展。重点讨论了在理论研究和实际应用方面所存在的几个主要问题,其中包括理论控制方程组描述、土-水特征曲线、固体骨架的弹塑性本构模型以及各种数值算法等研究。另外,就该理论在降雨入渗滑坡、土体的蒸发固结效应等问题的应用进行了简单的讨论,并指出了目前应用的热点和新的研究领域。研究结果表明,进一步发展非饱和土流.固耦合理论对解决非饱和土力学和环境地质灾害的工程问题有着重要的意义。

基于非饱和土渗流理论的尾矿库流固耦合分析

基于非饱和土渗流理论,针对某上游法尾矿库工程地质、水文地质条件以及库内尾矿的物理力学性能试验成果,建立了尾矿库三维有限元模型,研究了尾矿的土-水交互特征曲线,分析了尾矿库的渗流场、应力场以及流固耦合效应,总结出了上游法尾矿库流固耦合计算规律。结果表明:(1)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库堆积坝内浸润线平均埋深更符合实际、更趋合理;(2)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内正孔隙水压力更大,而考虑流固耦合作用时尾矿库内负孔隙水压力则更小;(3)与不考虑流固耦合作用相比,考虑流固耦合作用时尾矿库内最大Von-Mises应力和最大切应力均更小;(4)连续流固耦合只需耦合计算1次,完全流固耦合则需多次耦合计算,完全流固耦合作用时的计算精度随耦合计算次数增加而趋于精确,尾矿库流固耦合分析宜采用完全流固耦合分析方法。

非饱和土耦合本构模型的三维化

非饱和土本构关系模型通常是建立在修正剑桥模型的基础上,并采用了广义的von Mises准则,以描述非饱和土在一般应力状态下的本构行为。该准则假设在π平面上屈服面是个圆形,高估了土体除三轴压缩以外的强度,在平面应变中也会错误估计中主应力比。空间滑动面破坏准则(SMP)考虑了第三应力不变量的影响,屈服面在π平面上为曲边三角形,可以较好地描述一般应力状态下土体的剪切屈服和破坏特性。采用变换应力方法,将SMP准则应用到最近建立的非饱和土耦合本构模型中使其合理的三维化,能够有效地将模型从轴对称应力状态扩展至一般应力状态。根据与试验结果对比表明,改进后的模型在不增加任何参数的情况下,能够较好地模拟非饱和土在三轴伸长等一般应力状态下的行为特性。

热-流-固耦合非饱和渗流的物理描述和数学模型

研究了热-流-固耦合非饱和渗流的物理和数学模型.其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结这种相变过程,这是气液两相渗流.液相中含有溶解的空气,气相中含有空气和水蒸气,蒸汽在空气中作扩散运动.基于线化的湿-热弹性理论,建立了热-流-固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程,以及能量方程.该完整的方程组可很容易推广到热-流-固耦合油-气-水多相渗流情形.

非饱和岩土材料的固流转化数值模拟

为对非饱和岩土材料的固流转换进行研究,首先介绍了一个非饱和岩土材料固流转化模型。该模型由一个水力耦合弹塑性模型、一个宾汉黏性模型和一个固流转化准则组成,它可以在统一框架内描述非饱和岩土破材料坏前后的固流力学性质。与此同时,还基于拉格朗日积分点有限元法(FEMLIP)提出求解水力耦合问题的方法,并采用平衡方程和连续方程,将固流转化模型植入一个FEMLIP数值软件中。为了精确处理非饱和岩土问题,该模型还引入了毕肖普有效应力及水分特征曲线。最后,通过模拟一个启发式渗流实验,定性地验证了该模型的可靠性和发展潜力,通过准确的物理参数,使用FEMLIP方法和该固流转化模型对真实泥石流进行分析预测是可行的。

非饱和土一维渗流与变形耦合问题的数值分析

基于多孔介质理论,研究了非饱和土中水-气-土骨架三相耦合的渗流与变形耦合问题。考虑土体孔隙中由液态水、水蒸气和干燥气体等填充,在固体土颗粒、水分、气体等各相质量平衡以及土体动量守恒的基础上建立了问题的控制方程。选取孔隙气压力、孔隙水压力和土颗粒位移以及它们的一阶导数作为状态变量,通过理论推导得到了一维非稳态情形下的状态方程组。结合Laplace变换,采用打靶法求解该耦合的非线性变系数微分方程组,并且基于Hausdorff矩方法将频域上的数值解转化到时域上,与已有的试验结果相比较,验证了模型及数值方法的有效性。通过数值算例,参数分析了孔隙水压力、孔隙气压力以及土骨架位移等物理场之间的相互作用。

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。

高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合三维数值模拟

在深入论述高温岩体地热开发研究与发展现状的基础上,提出了高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合数学模型及其数值模拟方法,提出了该数学模型详细的求解策略与求解方法。对6 000 m深的高温岩体地热开发进行了详细的数值分析,揭示了:(1) 岩体温度随地热提取降低及其分布变化的规律;(2) 岩体中基质岩块内、裂缝内应力随地热提取的降低规律;(3) 裂缝宽度随地热提取变化的规律。对高温岩体地热开发决策、技术方案选择提供了理论基础及其方法。

土质边坡的饱和-非饱和渗流分析及特殊应力修正

基于连续多孔介质原理与混合体原理引入流-固耦合模型,采用FISH语言编制程序,建立了初始渗流场设置函数、饱和-非饱和渗流分析模块、特殊应力修正模块以及非饱和单元抗剪强度修正模块,实现了利用FLAC3D进行饱和-非饱和渗流分析,同时基于饱和-非饱和渗流场修正非饱和区土体单元的有效应力以及抗剪强度,完成了将FLAC3D中饱和土流-固耦合计算原理扩展到非饱和土中。在二次开发的分析模块基础上对Liakopoulos砂柱排水试验进行数值模拟,验证了计算模型和计算程序的正确性。同时也研究了降雨入渗对土质边坡的渗流场、位移场以及稳定性演变过程的影响,揭示了降雨诱发边坡失稳的机制。

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.

汽轮机轴承动力特性三维流固耦合分析模型

为了研究汽轮机转子-轴承系统非线性动力特性,从三维流体方程出发,建立了考虑轴承与转子之间耦合作用的有限元分析模型。分析指出轴承流场由轴颈旋转和振动决定:当轴颈位置固定时,流场是转速和振动的线性函数;线性函数的系数是轴颈位置的非线性函数;文中进一步对转子-轴承系统动力特性进行了分析。指出油膜压力振荡幅值随轴颈振幅的增大而非线性增大。应用该模型比较好地模拟了两种不同情况下油膜失稳故障的发生与发展过程。

桩承式加筋路堤三维动力流固耦合分析

为了研究交通荷载作用下桩承式加筋路堤的动力特性,采用FLAC 3D软件建立了路堤的三维动力流固耦合分析模型,对无筋无桩、有筋无桩、无筋有桩、有筋有桩4种情况的路堤在动荷载作用下的竖向位移、水平位移、桩土应力比、超孔隙水压力、加速度等进行了计算分析,对比研究了4种情况下各自的特点,揭示了桩承式加筋路堤的作用机制。数值分析结果表明:交通荷载作用下,桩承式加筋路堤通过桩体土拱效应和格栅加筋效应的联合作用,其路面竖向位移、差异沉降及路堤堤址的水平位移都比其它几种情况明显减小;桩土应力比在刚开始加载时最大,随后逐渐减小并趋于稳定;软土地基中的加速度幅值及加速度趋于稳定的时间都明显减小;软土地基中的超孔隙水压力值也远小于无筋无桩时的值。

基于三维流-固耦合模型的油井出砂细观机制研究

油井出砂机制的研究是提高油藏产能和石油开采成本减小的关键课题,而常规的宏观力学理论和方法不能全面反映油藏开采过程中油井出砂的发生和发展。鉴于砂岩储层的物理性质和射孔试验特征,从岩土力学的角度建立基于柱坐标系的三维颗粒流数值模型,与理论分析成果进行比较,以说明该细观数值模型可行性,有效地模拟出砂过程中的渗流及流-固耦合效应。在该基础上,综合考虑流体压力梯度力和拖曳力,基于PFC3D模型模拟流体不同运动时的砂岩性态。数值分析得到的模型宏观应力图形说明流体运动对砂岩力学特性的影响不可忽略,且在相同条件下,流量越大,砂岩的塑性区越大,形成砂岩破坏出砂的几率也越大。同时,不同工况的砂岩黏结分布和颗粒转动图形表明,相同条件下流量越大,颗粒间平行黏结破坏越多,颗粒转动越大,失去黏结约束的颗粒也越多,出砂量就越大,可见两种细观特征图形与宏观应力图形变化规律一致,该模型可用于油井出砂机制的研究,可为出砂量预测及出砂控制提供新的研究思路。

高温岩体地热开发的固流热耦合三维数值模拟

针对高温岩体地热开发的工程和物理特征与国际界的相关研究现状 ,提出了三维裂隙网络的块裂介质固流热耦合数学模型 ,进而采用三维有限单元方法 ,进行了高温岩体地热开发过程的数值模拟计算 ,获得了高温岩体应力、温度及裂缝宽度的变化规律。

基坑开挖降水的三维流-固耦合分析

简要介绍了FLAC3D分析流-固耦合问题的模型特性和基本理论。建立基坑开挖模型,将基坑分步开挖降水划分为三个阶段,运用数值模拟软件FLAC3D对基坑模型的开挖降水过程进行三维流-固耦合计算。分析并得到了基坑开挖过程中孔隙水压力的变化规律、稳定流状态下的渗流场速度特征以及降水分析过程中地面沉降量和基坑底部隆起量的变化规律,并分析讨论了孔隙水压力与土体变形的相互作用,这些结论对工程设计和施工具有一定的参考价值。

微型压缩机簧片阀三维流固耦合分析

簧片阀具有结构简单、余隙容积小的优点,广泛用于微型压缩机上,它的运动与气体的流动互相影响。簧片阀结构对压缩机的效率、噪声有重要影响,其工作过程的准确模拟有助于在设计中提高压缩机的性能。采用一维方法进行模拟需要用到有效通流面积和有效作用力面积2个试验参数,且不能反映流动的细节。本文用三维流固耦合方法对某压缩机一级的工作过程进行了仿真,为模拟阀的开关过程,在阀片与阀座之间采用了0.2 mm厚的流体层,用间隙边界条件控制阀片开启与关闭。通过仿真得到了工作过程中的压力、速度、温度以及气阀的运动曲线。计算结果表明三维流固耦合方法可用于簧片阀的仿真模拟。

上海深层承压水抽水试验流固耦合三维数值模拟

上海深部含水层降水对地面沉降影响的研究较少,是水文地质领域具有挑战性的难题之一。上海某工程实施的第二承压含水层现场抽水试验结果,简略分析降深与沉降关系,并采用建立水土流固耦合三维计算数值模型,进行抽水试验的三维流固耦合反演分析及模拟计算,获取本场地承压含水层水文地质参数,据此建立的数值模型能够很好地反映实际地下水渗流场的变化规律。

水力式升船机不同平衡重底部形式三维流固耦合分析

平衡重底部水流是否平顺稳定将直接改变其受力状态,从而对升船机的运行稳定性造成影响。因此,优选合理的平衡重底部体型是改善升船机运行质量的一条有效途径。在非恒定流作用下,建立3种不同平衡重底部形式的三维流固耦合数学模型,对平衡重上升过程波动特性进行数值模拟。计算结果表明,平衡重底部体型优化后,平衡重上升初期,竖井内水流对平衡重底部的冲击作用明显改善,所受横向力几乎为零,而且间隙之间流速均匀分配,有效地解决了平衡重波动问题。

基于三维流固耦合的簧片阀振动与碰撞分析

簧片阀广泛应用于微型压缩机上,由于工作中频繁动作并与阀座发生碰撞,易出现疲劳断裂。为评估簧片阀的工作可靠性,需分析阀片的振动、碰撞过程。阀片用壳单元离散,在阀片和阀座之间建立接触约束关系,通过三维流固耦合方法模拟簧片阀的动力过程。对某压缩机一级的工作过程进行仿真,获得了吸、排气阀的运动曲线、运动速度和动应力分布。计算结果表明:簧片阀工作过程中的振动主要为一阶弯曲,阀片开启时最大应力在根部,关闭时最大应力在阀孔中心处,阀片与阀座碰撞反弹系数在0.4~0.6之间。

三维流-固耦合仿真分析在盾构施工中的应用

以南昌轨道交通某盾构施工工程为例,利用大型非线性有限元数值模拟软件ABAQUS,对南昌富水砂性地层的盾构开挖进行三维流-固耦合仿真分析,模拟盾构推进、盾尾间隙、土体应力释放、管片拼装、盾尾注浆、浆液固结等施工工艺,并将计算结果与实测数据进行对比分析。结果表明:盾构在富水砂层推进过程中,地表沉降随着离开挖面距离的增大而减小。三维流-固耦合模拟方法可为类似工程提供参考。