InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型在排水体系中点源污染溯源研究

城市排水的点源污染是引起黑臭水体的重要原因之一,该研究借助多元监测体系获得的水质数据,结合InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型及差分进化算法(DE)构建了污染溯源模型。以中山市某区域为研究对象,验证了耦合模型与DE算法对污染溯源的有效性。研究表明,连续排放污染源的位置、流量、污染物浓度的溯源精度较高,相对误差均在±0.12的范围内,并且污染溯源精度随着污染源流量增大而下降;随着污染流量增大,瞬时排放污染流量与浓度溯源的相对误差逐渐减小,模型对高流量污染事件的溯源精度较高。该模型体系的构建和应用为城市排水点源污染的溯源提供了科学指导。

基于FLOW⁃3D数值模拟和物理模型试验的水闸水流条件研究

介绍FLOW-3D数值模拟和物理模型试验在海口市龙塘大坝枢纽改造工程水流条件研究的应用,通过各工况的数值模拟与物理模型试验,对水闸水流流态、流速和沿程水面线等水力特性进行计算与观测。经对比分析,各工况下FLOW-3D数值模拟和物理模型试验所得的流态、水面线、流速变化及分布规律基本一致,为研究泄水建筑物布置及体型设计的可行性及合理性,泄水建筑物设计及运行管理提供了科学依据。

3D力热耦合磨齿模型与数值分析

根据螺旋锥齿轮的数控磨齿原理,得出磨齿基本参数的理论模型和物理意义上的磨削力计算公式;应用单磨粒热模型计算了磨齿热量分配比,采用矩形分布热源得出磨齿热流量。以热弹塑性变形理论为基础,采用PRANDTL-REUSS方法建立磨齿界面应力应变场本构关系:齿轮材料采用双线性等向强化模型,用3D力热耦合有限元单齿模型和小步距载荷移动方法,实例进行瞬态温度场的仿真。结果表明,磨削瞬态最高温度位于磨削弧中心,其他各点的瞬态温度,随磨削条件、空间和时间等影响因素的不同,呈现相应的变化规律。试验与力热耦合仿真的数值比较分析表明,构造的3D力热耦合磨齿模型有较高的精度,能为螺旋锥齿轮磨齿质量的控制提供依据。

基于TRIGRS与Scoops3D耦合模型的潜在滑坡稳定性时空动态预测

中巴公路是全球气候变化最为敏感和复杂的地区之一,沿线滑坡灾害十分发育,快速准确地预测公路沿线滑坡时空分布情况对中巴经济走廊建设具有重大意义。本研究选取中巴公路沿线加格洛特-哈维连段作为研究区段,将TRIGRS模型中的降雨入渗模型与考虑斜坡体三维几何特征的Scoops3D斜坡稳定性分析模型进行耦合,动态识别研究区潜在滑坡分布,分析了潜在滑坡的时空分布及动态变化,并对比分析了一维TRIGRS模型与三维耦合模型的预测结果。结果表明:研究区潜在滑坡对降雨条件响应明显,降雨1 h潜在滑坡面积占比(18.44%)约为天然状态下(4.13%)的4.5倍;随时间延续潜在滑坡分布范围逐渐增大,主要分布在加格洛特-吉拉斯段与瑟津-达比尔段;一维TRIGRS模型存在过度预测问题,三维耦合模型显示了更符合实际的滑坡预测结果。相关研究成果可为中巴经济走廊防灾减灾提供理论支撑。

基于PLAXIS 3D的深厚淤泥质土基坑数值模拟分析

以深厚淤泥质土基坑为例,设计方案为“钢板桩+内支撑”支护体系,采用PLAXIS 3D软件建立三维数值模型,通过模拟基坑的开挖过程,研究了淤泥质土基坑支护结构的应力状态和变形情况。结果表明:(1)土体硬化模型能够准确反映淤泥质土的特性,设计采用的“钢板桩+内支撑”支护体系能够满足规范要求;(2)第3道内支撑为施工的关键所在,对控制土体侧向位移有显著影响。

基于Delft3D模型对深圳湾近岸海域污染物迁移模拟

以深圳市深圳湾近岸海域为研究对象,基于Delft3D软件,建立深圳湾三维水动力水质耦合模型。利用实测数据对模拟结果进行验证,分析深圳湾海域水质时空变化规律。模拟结果表明,深圳湾内的污染物浓度整体较高,浓度分布受潮汐变化敏感性强,不仅受各污染源点源强与流量的影响,而且受湾内的潮汐动力影响,污染物浓度值总体从湾口向湾顶逐渐增大,浓度梯度由外向内递增。

3D打印螺旋桨流固耦合特性数值与模型试验研究

针对3D打印螺旋桨模型作为船模拖曳水池备用桨的适用性问题,基于流固耦合算法和拖曳水池对3D打印树脂材料螺旋桨模型的流固耦合特性进行了数值与模型试验研究.通过试件拉伸试验和点钻机测量试验研究了3D打印试件的力学性能和3D打印螺旋桨模型的加工精度.结果表明:3D打印加工方向对成型实体的弹性模量和泊松比有一定的影响;3D打印技术在螺旋桨加工精度和稳定性方面有待提高;3D打印螺旋桨的流固耦合效应较相同几何的金属桨突出,水动力作用下叶片产生了非常明显的弯曲和扭转变形,桨叶叶梢区域螺距比减小,进一步导致其推力系数和转矩系数均小于金属桨的对应量.

复杂地质体三维数值模型构建研究

对于复杂地质体三维数值模型构建困难的问题,基于AutoCAD、SURPAC、ANSYS、FLAC^(3D)等软件进行了建模。首先利用工程地形地质图,在AutoCAD中进行地形等高线处理,以获得地表等高线;其次,利用钻孔柱状图等原始资料通过SURPAC构建钻孔模型,生成不同岩层数字地面模型(DTM),同时利用地表等高线生成地表DTM;再次,建立有规律的钻孔网格点模型,利用钻孔与DTM相交获得相交网格点坐标,在ANSYS中导入网格点坐标,建立有限元网格模型;最后通过接口程序将其导入FLAC^(3D),建立了三维数值模型。以山西朔州某煤矿为工程实例,利用该方法构建三维数值模型,并对其进行了煤层开采后地表位移数值模拟,为复杂地质体三维数值模型的构建提供了借鉴。

基于TOUGH2-FLAC^(3D)耦合的三维地面沉降数值模拟及控制策略研究

地下水开采引发的地面沉降是一种多场耦合的复杂问题,土体变形过程中渗流与应力应变相互影响。采用部分耦合原理,通过渗流和变形过程中的相关状态变量来耦合成熟的商业软件TOUGH2和FLAC^(3D)进行三维变参数的地面沉降数值模拟研究,其中TOUGH2模拟渗流,FLAC^(3D)模拟土体变形,并以此为工具探讨地面沉降的控制策略。基于弹性模型承压含水层抽水的理想算例进行了变参数条件下的模拟计算,发现顶底板水平变形未被约束时水平位移不可忽略,其峰值距离抽水井有一定距离,且水平位移峰值大于垂向位移峰值;此外,由于地面沉降过程中渗透系数及孔隙率减小,导致近井区域渗流量增加,变参数模型位移量大于定参数。将以上方法应用于地面沉降控制策略研究,通过控制抽水流量及抽水时间,发现限制开采速率能控制沉降量,缩短抽水时间能控制沉降范围;对比脉冲式抽水及抽水—回灌常用地面沉降控制策略,发现抽水时采取合理的回灌措施能有效控制沉降量及沉降范围,而脉冲式抽水使得近井处弹性沉降量未得到明显控制,沉降影响范围反而更大。

基于FLAC^(3D)多孔介质模型的隧洞透水衬砌数值计算分析

针对水工隧洞透水衬砌计算中存在的问题,利用FLAC3D中多孔介质流动模型并借助Fish语言实现了渗流应力的直接与间接耦合计算,在完成衬砌受力分析后编制正应力配筋程序获得相应的配筋量。实例应用结果表明,通过FLAC3D软件进行透水衬砌计算具有可行性,其可以实现直接与间接耦合,且间接耦合计算结果更接近实际情况,同时可知透水衬砌能有效节约配筋量。

基于Delft3D模型的三峡航道环保疏浚水质数值模拟研究

以忠县皇华城河段为例,利用Delft3D数学模型对三峡航道环保疏的水质变化进行了数值模拟。结果表明:疏浚工程的进行对河道水质环境影响比较明显,随水流方向污染物质量浓度上升速率变慢,在疏浚点污染物质量浓度上升245 mg/L,疏浚点下方4 km处污染物质量浓度上升约为20 mg/L,河段末端污染物质量浓度上升约为14 mg/L;疏浚工程结束后,河段的水体水质能够较快得到恢复,离疏浚点越近恢复得越快,疏浚结束1 d后污染物质量浓度基本已恢复到本底值,疏浚工程对水环境的影响可以较快得到恢复。

长江口潮滩高分辨率波流耦合模型

海岸带潮滩地区在潮汐的影响下呈现出复杂的地貌形态和波浪-水流的相互作用。建立高分辨率的潮滩波流耦合模型,以模拟潮滩中的精细波浪水动力过程,对于海岸防护设施设计和滨海湿地生态修复工程至关重要。本文以长江口南汇潮滩为研究区域,通过提出基于无人机RTK数据的潮滩高程反演技术,构建考虑潮滩干湿界面交替变化的波浪-水流耦合方法,开展潮滩波浪和水流现场观测等手段,借助Delft3D软件包建立了长江口潮滩高分辨率波流耦合模型。该模型嵌套长江口大尺度模型和潮滩小尺度模型,整合了海图水深数据、船测水深数据以及无人机高程反演数据,模型的边界条件包括天文潮汐、风场、径流和二维波浪谱等时序数据。研究结果表明,该模型不仅成功重现长江口水位、波浪和水流等关键参数,还能够精准模拟潮滩上的非线性波流耦合过程,模型模拟的潮滩水位、流速流向、波高等方面与实际观测数据具有较强的一致性。该模型不仅可为海岸水动力-结构相互作用模型提供边界条件,还能为滨海湿地生态修复和河口海岸管理提供精准的水动力支持。

基于ArcGIS与FLAC^(3D)的矿山边坡三维可视化与数值模拟耦合研究

以某矿山露采边坡为例,利用Arc GIS软件建立了边坡三维地层可视化模型,针对岩土工程特点,采用一种简化方法实现了从矿山边坡三维可视化模型到FALC3D计算模型的耦合与自动转化,开发了相应的计算模型生成插件。该方法充分利用了地层三维可视化模型可较好地表达研究区域内地质体的空间几何形态的优点,拓展了可视化模型的应用范围,排除了从地层可视化模型全自动生成精确岩土工程数值计算模型在网格形状、材料区域边界、断层/节理单元等方面所面临的困难,极大地简化了数值模拟的前处理工作。数值模拟结果表明:随着网格尺寸的不断加密,本研究方法得到的计算结果可满足岩土工程分析的实际需求,具有良好的工程应用前景。

基于Deform 3D的铝棒材热力耦合挤压过程的数值模拟

借助三维软件Solidworks建立了棒料挤压模型,使用Deform 3D数值模拟软件对棒材在一定挤压速度和预热温度下进行热力耦合的挤压过程模拟,获得了变形材料的应变场、应力场、温度场、速度场和挤压力的变化规律。仿真结果表明:Deform 3D有限元软件能准确地计算出挤压过程中型材热力学参数,这些参数为模具和挤压工艺设计提供了科学根据。

FLOW-3D v9.3铸造数值模拟技术之几何模型构建

构建模拟项目的几何模型是铸造数值模拟的首要环节。FLOW-3D中几何模型由一个或多个component构成,每个component又是由一个或多个最基本的组元subcomponent组成的具有相同性质和初始条件的空间实体。通过subcomponent的创建、导入与变换,组装component,完成模拟项目的几何模型的构建。

3D欧拉法和层流模型对水轮机转轮内部流场的数值模拟

3D欧拉法和层流解法都具有控制方程个数少 ,计算简单、省时的特点 ,均能够快速地在最优工况点附近得到合理的数值解 ,可以用于转轮叶片的初步的水力计算和其他湍流模型计算结果的校核。分别应用这 2种算法对一混流式水轮机转轮内部流体的三维流动进行了数值模拟 ,方程离散采用有限体积法 ,插值采用二阶迎风格式 ,压力 速度耦合采用SIMPLEC算法 ,计算了 3个典型工况 (最优工况、大流量工况和小流量工况 ) ,得到了转轮内部合理的速度分布和压力分布。最优工况点的效率计算值比试验值高 3 0 9个百分点 ,计算所需时间比标准k ε湍流模型少 30 %～ 4 0 %。

基于PFC^(3D)的机械抛光过程固液耦合数值模拟可行性的研究

基于机械抛光原理和离散元方法,应用PFC3D软件,建立了固液耦合模型,进行了剪切实验仿真分析,对颗粒固体和流体的相互作用进行了基础研究,研究结果是流体对于颗粒固体的加速性能较好,颗粒固体具有较强的随动性。这一结果表明,利用离散元方法进行微结构表面抛光过程数值模拟是切实可行的。

同轴送粉激光3D打印光粉耦合作用以及熔池气液界面追踪数值模拟的研究进展

金属激光3D打印作为一种"无需工具"的数字化制造技术,摆脱了传统加工方式的约束,将有可能改变产品的生产模式,给企业和消费者带来巨大的经济效益和社会效益。它利用层层堆积的精密加工模式,使得高精度复杂结构制造变为可能。这将极大简化产品设计环节,提高零部件的集成度,缩小产品的研发周期。相对于利用切削机床对毛坯进行加工的"减材制造",3D打印制造减少了原材料的使用量,降低了对自然环境的压力。3D打印技术实际上是一个"逐点扫描-逐线搭接-逐层堆积"的循环往复过程,在长时间的加工过程中,零件的不同部位材料均经受着一系列短时变温、非稳态、强约束、循环固态相变的微热处理过程。这种微热处理的加热及冷却速度极快、相变持续时间极短,且每一微热处理的相变温度、加热及冷却速度和相变持续时间均随热循环次数的变化而变化,使得激光3D打印的金属构件显微组织结构独特,并表现出对加工工艺条件强烈的依赖性,进而影响成型零部件的综合力学性能。因此,实现对激光3D打印金属零部件显微组织结构、冶金缺陷的主动控制是亟待解决的关键问题。其中掌握同轴送粉金属激光3D打印加工过程中粉末流与激光束的耦合作用,以及熔池气-液自由界面的传质和扩展特征,是选择最优加工参数,获得综合力学性能优良的金属零件的关键。然而,采用试验分析途径难以精确并定量地揭示上述问题,但数值仿真模拟却能有效揭示其微观规律。例如在光-粉耦合作用方面,目前大部分研究学者从单个粉末颗粒到粉末流对激光束产生衰减的角度出发,研究了激光束与粉末相互作用的机理;另一方面其他研究人员从粉末颗粒对激光束吸收和散射的角度建立数学模型,利用米氏散射理论和朗伯-比尔定律仿真分析计算了粉末流与激光束的相互作用。而包含粉末流对激光束产生衰减以及粉末流吸收并反射、散射激光等多角度多因素的数值模型却鲜有报道,因此,这些方面是学者今后研究的主要方向。本文主要综述了国内外研究学者对同轴送粉金属激光3D打印仿真模拟的研究进展,并详细阐述了3D打印过程中的光-粉耦合作用、熔池气-液界面和固-液界面追踪等。

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(三)——PFC3D数值试验验证

为进一步验证所提饱和砂土三剪弹塑性边界面本构模型的适用性,以南昌地区饱和砂土为研究对象,利用PFC3D颗粒流建立了单调及循环荷载作用下不同含泥量饱和砂土外裹柔性膜的常规三轴和真三轴数值试验模型。常规三轴条件下的室内试验、PFC3D模拟及理论模型间的结果对比验证了3者之间在固结排水时土的偏应力与轴向应变、轴向应变与体应变,以及固结不排水时土的偏应力与轴向应变、轴向应变与孔隙水压力之间的关系均具有较好的一致性,达到了可以进行数值试验的程度,表明所建PFC3D模型可以代替各种复杂加载条件下的饱和砂土室内试验。另外,将PFC3D真三轴固结不排水数值试验和理论模型间的结果作了对比,研究了不同含泥量饱和砂土的中间主应力影响问题。其中,在静真三轴固结不排水条件下,单调荷载下的PFC3D模拟与中间主应力影响系数b=0.5时的理论曲线整体吻合均较好,其曲线误差在轴向变形前期基本保持5%以内;在后续的动真三轴边界面理论模型验证时,循环荷载下的理论模型计算均采用了b=0.5。在动真三轴固结不排水条件下,PFC3D数值模拟和理论计算结果在应力-应变、循环次数-孔隙水压力关系曲线也比较吻合,含泥量越多应变发展速度越快、动剪切模量更小、滞回圈面积更大,孔隙水压的振动幅值和绝对值都随之变大。

FLAC3D数值模拟在岩爆模型试验中的应用

通过运用FLAC3D软件对室内岩爆模型试验进行模拟,验证岩爆模型试验成果,得出以下结论:1.FLAC3D数值模拟结果与室内岩爆模型试验结果吻合,表明岩爆模型试验结果是准确与可行的;2.通过对FLAC3D模拟软件设置与室内岩爆模型试验的相同的边界条件,可较为准确的模拟岩爆现象。本文提出的室内岩爆模型试验和采取FLAC3D数值模拟验证室内岩爆模型试验的方法可作为研究岩爆产生机理的一种探讨和参考。