滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

滑坡–堵江–涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡–河流相互作用。为了真实再现这一演进过程,本文提出了一种扩展的离散元法(DEM)与计算流体动力学(CFD)耦合数值方法,通过在局部平均DEM–CFD耦合方法中引入流体体积法(VOF)建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM–CFD耦合数值框架,实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪;并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型,来克服网格颗粒临界尺寸比的限制,从而实现复杂地形建模要求;进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上,开展了滑坡–堵江–涌浪灾害链演化模拟,并应用至白格滑坡坝形成过程复演,深入分析了滑坡–河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明:所提出的方法能够准确模拟滑坡–河流相互作用;滑坡–河流–河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化,滑坡体驱动了涌浪的传播,而河流则增加了滑坡体的动能耗散,且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响;模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高,成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM–CFD耦合数值方法为深入研究滑坡–堵江–涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具,对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。

基于DEM-CFD耦合的辣椒风选模拟研究

为降低辣椒收获机收获的辣椒含杂率,增加辣椒风选效果,从而获得最佳辣椒分离参数。通过离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)耦合的研究方法,对辣椒、椒叶和椒秆在不同风速和不同气流倾角下进行清选模拟,分析改变气流速度和倾角对气流速度分布规律和对辣椒含杂率及损失率的影响。经过不同参数辣椒含杂率和损失率比较可知,在风速为20 m/s,可获得较好的风选效果,辣椒含杂率为4.624%,损失率为1.798%;而在气流速率为20 m/s,气流倾角5°的条件下,辣椒含杂率为2.382%,损失率为3.563%,此时辣椒风选效果为最佳。通过田间采收试验,可知收获机采摘的辣椒经过风选,辣椒含杂率为4.6%,辣椒损失率为4.2%,进一步验证了该机风选系统满足辣椒的风选工作。

谷物清选CFD-DEM耦合模拟研究

清选是收获机械中至关重要的过程,直接影响收获效率,通过对谷物清选的研究可以指导收获机械的设计,降低生产成本。为此,分析了国内外在谷物清选CFD-DEM耦合模拟技术的研究现状,发现现有的研究多局限在单一的CFD模拟和DEM模拟,这种方法不能够全面体现清选室中气流场、振动筛和物料的相互作用。CFD-DEM耦合模拟技术将气流场和振动筛分作为一个系统来研究,是未来谷物清选模拟研究的发展方向。

运用CFD-DEM耦合模拟计算离心泵内非稳态固液两相流动

对于泵内固液两相流数值模拟,一般方法是将固体颗粒相视为拟流体,采用多相流的CFD方法进行计算,但这难以体现固体颗粒形状大小、碰撞、凝聚和分离等特性。本文以工程中常用的IS型离心泵作为研究对象,运用DEM离散元法结合CFD方法,采用EDEM-Fluent耦合,模拟计算离心泵内非稳态固液两相流动,探索泵内固体颗粒群运动规律及其对外特性的影响。计算采用的固体颗粒密度为1500 kg/m3,泵入口固相体积率为15%,粒径在1.0~3.0 mm范围内随机变化。计算得到了固液两相泵随时间的外特性变化,包括泵扬程、泵内固体颗粒体积的变化规律;得到了泵内固体颗粒群的运动轨迹和固相体积率分布等有价值的结果。

水平井分段多簇压裂暂堵球运移封堵规律

投球暂堵转向技术是水平井分段多簇压裂实现多簇裂缝均衡扩展的主要技术之一,由于暂堵球在水平井筒内的运移封堵规律尚不明确,该技术应用效果并不佳。基于此,文中采用CFD+DEM耦合方法建立暂堵球水平井筒运移封堵模型,分析暂堵球密度、施工排量、压裂液黏度、投球数、暂堵球直径和孔眼出口应力分布状态对暂堵球井筒运移封堵行为的影响规律,并结合室内实验结果验证模型的准确性。模拟结果表明:增大暂堵球密度与压裂液黏度,封堵效率先减小后增大,密度与黏度的转折点分别为1300 kg/m^(3),20 mPa·s;增加施工排量与投球数,封堵效率持续增大,但增大幅度渐缓,排量达到16 m^(3)/min后,封堵效率基本稳定,投球数为24个时暂堵球有效利用率最高;暂堵球直径越小,封堵效率越高,使用1.25倍孔眼直径的暂堵球坐封效果最佳;压裂段内应力非均匀分布导致各簇孔眼出口流速不同,合理的施工参数方案有利于增强单簇孔眼封堵效果与出口流速的正相关性。基于上述模型优选出的施工参数方案,现场应用效果良好,验证了模型的工程应用价值。