间断级配砂土渗流侵蚀现象的计算流体力学-离散元耦合模拟

渗流侵蚀会导致土体中土颗粒的随水流流失,改变土体力学和水力特性,工程中常引起土石坝的变形甚至破坏。利用流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM),针对广泛存在于坝基、土石坝滤芯以及油气井反滤层中的间断级配砂土,对其级配进行合理简化后研究其在水力作用下的渗流侵蚀特性。通过8组模拟向上渗流试验研究了水力梯度、试样所受围压以及细粒含量对间断级配砂土渗流侵蚀过程的影响。试验中监测了细粒流失质量、细粒流失率、土表位移、微观组构变化等宏微观现象,并与既往室内试验进行了对照验证。同时,对渗流前后土体进行了排水剪切试验,研究渗流侵蚀对土体抗剪强度的影响。试验结果表明,在数值模拟试验条件下初始细粒含量变化对于细粒流失质量、峰值细粒流失率、土表位移及渗流前后的力学特性影响较试验中围压与水力梯度的影响更为显著。通过对微观组构的分析,发现不同细粒含量的试样在渗流过程中接触网络的构成与变动差异较大,细粒含量在35%的阈值附近,会发生土体力链传递结构的转换。三轴结果表明,细粒流失还会导致土体峰值强度降低、50%强度处的割线模量E50减小。

基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明:在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。

月面手动插旗过程的离散元-有限元耦合分析

在月球表面插入旗帜对人类探索宇宙具有重要意义.本文采用离散元G有限元耦合算法对手动插旗过程进行数值分析,首先,建立月壤的离散元模型、旗杆的有限元模型以及月壤与旗杆相互作用的离散元G有限元耦合模型;然后,对旗杆的结构进行优化设计以提高其稳固性;最后,提出三种不同的插旗方式并讨论不同插旗方式下旗杆的动力特性.研究结果表明,离散元G有限元耦合算法对月面插旗过程的模拟是有效的;底部尖锐度及稳定支架开叉角度的合理设计有利于增大旗杆的入壤深度和旗杆的稳固性;增大直接插入法中轴向力、提高敲击插入法中敲击力和敲击频率均可以增加旗杆的入壤深度;旋转插入法中旋转速度和旋转频率对插入过程影响较小.以上研究可为月面手动插旗提供有效的方案和理论参考.

微反应器计算流体力学与离散元建模及调控

为了提高微反应器内部流场均匀性,抑制固相颗粒团聚,提出超声波耦合流场强化调控方法.基于计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法,建立微反应器流体动力学模型,得到微反应器流道的多相流场分布与颗粒运动规律.对可实现k-ε湍流模型源项进行修正,得到微型反应器在超声波激振作用下的颗粒碰撞冲击效应与内部流场非线性分布特征.结合分形方法,对流道中的颗粒群混沌态分布进行定量分析.以T形汇流反应器为例,开展数值仿真研究.结果表明,超声波耦合流场强化可以提高反应器内的流场分布均匀性,对离散颗粒团聚进行有效的抑制.

道砟-软枕垫相互作用的离散元-柔性体耦合分析

随着铁路列车的高速重载化,路桥过渡段的不均匀沉降与道床劣化问题日益严重。通过在轨枕下方铺设轨枕垫,可以有效改善有砟轨道应力分布从而减少轨枕沉降。为探究轨枕垫-道床-路基的力学传递机制,采用离散元-多柔性体动力学耦合方法建立了道砟箱和轨枕垫模型,从细观上分析动荷载下道砟-轨枕垫相互作用。通过建立全尺寸路桥过渡段耦合模型,研究铺设轨枕垫措施的减振效果及效能评价。研究结果表明,铺设轨枕垫后,道床沉降和刚度分别减小了约27.3%和39.7%;柔性轨枕垫增大了轨枕与道砟的接触面积,使道砟颗粒间最大接触力减小了约26%,与试验结果吻合;通过在全尺寸路桥过渡段中铺设轨枕垫,测得过渡路基区的最大沉降减少了约9.2%,桥梁路基区的最大应力减小了约18.3%,且道砟颗粒振动加速度峰值减小了约14.1%。研究证明轨枕垫可有效改善轨枕-道砟界面接触和过渡路基区的应力应变等动态响应,具有良好的防灾减灾效果。

裂隙岩体中力学-渗流-传输耦合离散元模拟

深部地下工程包括增强型地热系统、核废料的地下处置、CO2地下封存、煤炭地下气化等,都涉及到复杂的水-力-化多场耦合过程。全面理解力学过程影响下的溶质(如放射性核素)传输过程是以上各类工程成功建设和安全运行的重要理论基础。本文基于离散裂隙网络模型的思想,采用离散元方法来模拟应力-渗流耦合过程,而溶质传输过程则用粒子追踪法(Particle tracking algorithm)来进行模拟。溶质传输机理主要考虑了单岩石裂隙中的平流(Advection)、弥散(Hydrodynamic dispersion)以及原岩-裂隙之间的扩散(Matrix diffusion)。结果显示,力学过程对溶质传输过程有着显著影响,会明显改变溶质在裂隙网络中的停滞时间、传输路径和位置分布等。当水力梯度较小时,原岩-裂隙之间的扩散过程将是溶质在裂隙网络中停滞时间的决定性因素。

基于离散元-有限差分耦合的滚石冲击棚洞垫层动力响应研究

在棚洞结构顶部覆盖一层砂土缓冲垫层能有效减小滚石对棚洞顶板的冲击力,以往多采用有限元方法开展研究,无法考虑砂土垫层离散特征,研究手段有待改进。以棚洞垫层物理模型试验为原型,考虑砂土颗粒离散性和棚洞混凝土结构的连续性,采用离散元-有限差分耦合算法,其中离散元模拟砂土垫层,有限差分法模拟棚洞混凝土结构,在充分发挥两种模拟方法优势下,开展滚石以不同角度、不同速度冲击棚洞垫层的动力响应数值模拟研究,通过对受冲击棚洞支座反力、棚洞顶板位移、滚石冲击力分析,揭示棚洞结构的动力响应特征。研究结果表明:冲击角度和冲击速度对支座反力影响显著,冲击角度增大,支座反力随之增大。相对而言,在较小冲击角度下,支座反力受冲击角度的影响较大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响则更明显;冲击力方面,伴随冲击角度和冲击速度增大,滚石冲击力随之增大,较大冲击角度下,角度的增大对冲击力的提升更加明显;棚洞顶板中心处竖向位移值随冲击角度和冲击速度的增大而显著增大,且在较小冲击角度下,冲击角度对顶板位移的影响更大,而较大冲击角度下,冲击速度的影响更为显著。

颗粒自激式冲击-振动耦合力学试验方法及试验研究

针对一类冲击-振动耦合力学试验的技术需求,提出了一种短间隔连续冲击及颗粒体自激振动复合的冲击-振动耦合力学试验方法,并研制了试验系统样机。基于EDEM软件和VC++二次开发建立了试验系统自激振动结构的离散元耦合仿真模型,分析了颗粒体自激振动响应的一般规律,在此基础上根据应用需求优化选择自激振动加载方案。基于研制的力学试验系统样机和自激振动方案开展试验研究,通过分析对比连续冲击加载和冲击-振动耦合加载响应加速度时频域信号,验证了选择的颗粒体自激振动加载方案的实际作用效果,该试验系统可满足一些苛刻高动态连续冲击试验和连续冲击-多频振动耦合试验的需求,研究具有较好的科学意义和工程应用价值。

核废料地质处置概念库锚喷支护坑道热-水-应力耦合效应的二维离散元分析

假定一个核废料地质处置库位于具有一定水头的饱和节理岩体中,开挖完闭施作系统锚杆和喷混凝土支护。对坑道建造和一个50年期的热-水应力(T-H-M)耦合运营过程,使用UDEC程序进行数值模拟,分析无、有支护时近场围岩中的应力、变形、塑性区、温度、渗流的变化状态,以及不同场(温度、渗流、应力)耦合条件下的锚杆和喷混凝土中的承载情况。结果显示,喷混凝土和系统锚杆支护不仅具有常规的支护功能,并且可阻滞地下水从坑道表面的自由渗出,使得围岩中塑性区减小,裂隙水压力和温度升高;相比于应力单场作用的情况,在热-水-力耦合的条件下洞室围岩的稳定性下降,支护结构的受力状况变差。

基于PFC-FLAC耦合的砂土中桩基轴向承载特性分析

随着海上风电的蓬勃发展,单桩基础因其适用性和经济性较好而得到广泛应用,且单桩基础设计直径和长度在逐渐增大。桩长的增加使得桩-土相互作用模式区别于短桩,力的传递过程发生了明显的改变。为探究单桩基础轴向承载机制,以密实的福建标准砂为材料,基于室内三轴试验标定了土体参数,采用连续-非连续耦合方法,利用PFC-FLAC软件建立耦合模型模拟了桩基轴向静载过程,以宏微观相结合的角度研究桩土间相互作用机理,揭示密实砂土中荷载传递规律。结果表明:桩身轴力随荷载增加逐渐向下发挥,加载初期桩端处不承担承载力;加载过程中,桩土间相互作用使桩身周围土体逐渐致密,且主要承担荷载区域深度为15 D~30D,孔隙比变化更大,应力集中更为显著,表现为明显的摩擦桩特性。

离散元-无限元非线性耦合法

根据变形体动力学方程及模态分解原理 ,建立了可变形体离散元模型 .依照离散元法原理 ,选用边 边接触模型 ,推导出相应的理论公式并实现在边界上与无限元的耦合 .采用近场土体由离散元模拟 ,远场土体由无限元模拟 ,进行土 地下结构相互作用分析 .由静力问题的收敛性 ,验证了计算程序和计算参数选取的正确性 。

基于有限元-离散元耦合矿石强度在微波照射下变化规律研究

针对以往研究中有限元无法模拟裂纹开展以及离散元无法考虑试块中微波不均匀性的问题,采用有限元-离散元耦合方法模拟微波弱化矿物的过程,监测模型中强度、温度、裂纹变化情况,根据强度变化分析黄铁矿粒径、含量及微波功率对强度弱化效果的影响。结果显示,微波可以有效降低矿物强度;黄铁矿粒径、含量对微波弱化矿物效果的影响不大,微波功率对弱化效果有着重要影响;矿物强度降低主要发生在一段时间内。结果表明:有限元-离散元耦合方法可以更加准确地描述微波辅助矿物解离情况;微波辅助矿物解离可以用于含不同粒径、不同含量黄铁矿的矿物解离,提高微波功率、选择合适的照射时间可以有效提高能量利用效率。

尤卡山坑道规模试验热-气-应力耦合过程的离散元模拟

简述二维离散元程序UDEC4.0中求解热-水-应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理。针对美国尤卡山高放射性核废料地质处置坑道规模试验,使用UDEC程序进行热-气-应力耦合过程的数值模拟,分析坑道周边的位移、主应力、节理开度、气压力及气体流速的变化;并将本计算的部分结果和实测数据及国外有限元/有限差分方法的成果进行比较。结果表明,三者温度、应力的分布与变化较为接近,位移分布与LBNL的结果在定性上较为一致,在定量上加热时间短时二者差别较明显,但在同样的数量级内,加热时间长时本计算和LBNL计算所得的位移值与实测结果的接近程度大体相当。从而可以认为使用离散元方法对核废料地质处置中的热-水/气-应力耦合过程进行模拟是可行的。

基于离散-连续耦合法的埋地管道受荷过程模拟分析

为了从宏、细观角度反映出埋地管道管周土体的承载特点,文章采用离散-连续界面耦合数值模型对埋地管道受荷过程进行模拟分析,其中管周填土采用离散单元法进行模拟,埋地管道及原状土基采用有限差分单元法进行模拟。结果表明:随着荷载或埋深的增大,管顶受压产生压缩变形,管顶土体发生“压力拱效应”,引起管周土压力重分布;耦合模型水平位移场显示埋地管道在受荷过程中管侧回填土及原状土基能够分担和转移外荷载;管周土体的细观接触力链分布形态与管顶土压力的分布规律形成相互印证。

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著。采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定。此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤。为此,发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合方法,通过设置一层嵌入地基有限元模型中的球形颗粒传递离散元域和有限元域间的力学参数,实现离散元和有限元方法的耦合。数值结果表明,嵌入式离散元-有限元耦合模型能够有效降低有砟道床的侧向位移,数值结果更加稳定,在处理与有砟道床类似的连续介质与散体介质的耦合问题时推荐采用嵌入式耦合算法。

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC^(3D)和PFC^(3D)程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘(NSCB)试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。

核废料地质处置概念库HM耦合和THM耦合过程的二维离散元分析与比较

描述了二维离散元程序UDEC4.0中求解热-水-应力耦合问题的主要的理论背景、控制方程和计算原理,并假定一座核废料处置概念库位于具有二组节理且赋存地下水的岩体中,使用UDEC程序对处置库近场分别为水-应力耦合及热-水-应力耦合的过程进行了数值模拟,考察和对比了两种工况下坑道围岩中的位移、主应力、塑性区、温度、节理开度、水压力和流速的分布及温度随时间的变化。结果表明,热-水-应力耦合与水-应力耦合相比,核废料放热使得处置库有水围岩中应力、位移的大小和方向发生明显的变化,并且围岩中节理开度、水压力和水流速度均有所减小,特别是在坑道边墙附近相当显著。若要在裂隙岩体中安全、可靠地设计、建造和运行核废料处置库,进行相关的热-水-应力耦合过程的分析是很重要的。

基于FDM-DEM耦合的岩石动态冲击特征方法

为探究动态冲击作用下岩石的力学特征,根据室内霍普金森冲击试验模型,基于有限差分(finite difference method,FDM)-离散元(discrete element method,DEM)耦合方法构建了三维分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)冲击数值模型,在模型入射杆端部施加半正弦冲击波进行动态冲击模拟,对三维离散元试样的动态应力时程曲线、裂纹时空演化等特征进行讨论,从细观力学角度分析岩石的动态冲击破坏过程。结果表明:三维耦合模型在动态冲击过程中能够很好地满足应力有效性检验,保证了冲击过程的可靠性;利用Fish语言编写的半正弦冲击波等效替代室内试验撞击杆的撞击作用可以在一定程度上消除入射波的弥散效应;动态冲击过程中,试样内部的裂纹发展可分为平静阶段、缓升阶段、陡增阶段和稳定阶段,且裂纹主要产生于应力峰后阶段,裂纹总量呈反Z形变化。

基于DEM-CFD耦合的气吸式大豆排种器种盘参数优化

针对气吸式排种器在高速气流场下种子的运动规律及受力特性复杂、难以准确分析计算的问题,通过离散元(DEM)与计算流体力学(CFD)耦合的方法,对气吸式大豆排种器的工作过程进行气固两相仿真并对其种盘参数进行优化。分析充种过程中种子所受曳力的变化规律,对充种各阶段临界点进行划分,定义各阶段充种性能评价指标。以吸附持续时间和种子移出阻力作为充种性能评价指标,以托种台高度、托种台角度、搅种杆厚度为试验因素,进行三因素二次旋转正交组合试验,并对试验结果进行响应曲面分析和多目标寻优,确定最佳的排种盘参数组合:托种台高度为2.8 mm、托种台角度为31.2°、搅种杆厚度为1.4 mm。此时,排种器充种性能指标为:吸附持续时间0.104 s,种子移出阻力0.008 1 N。对优化结果进行台架试验验证,与优化前的排种盘在不同作业速度下进行对比。台架试验结果表明:优化后的排种盘的排种性能有显著提升,其合格指数和漏播指数均优于原排种器,满足大豆精量播种要求。

自适应有限元-离散元算法、ELFEN软件及页岩体积压裂应用

该文介绍流体-固体-断裂耦合分析的自适应有限元(FE)-离散元(DE)算法,引进一款新近基于该方法研发的数值计算软件ELFEN,并将其应用于页岩分段体积压裂的三维数值计算和机理分析。该方法引入有限元应力恢复的超收敛拼片恢复(SPR)法,获得应力的超收敛SPR解,利用SPR解估计常规有限元解的误差,通过裂纹尖端局部区域的自适应网格重划分获得高精度应力解答并得以有效描述裂纹动态扩展,形成分析策略和求解方案。数值算例表明该算法和软件分析流体-固体-断裂耦合作用下单一、多水平井分段体积压裂的可靠性、有效性和实用性。