开题报告-dem-lbm耦合算法的实现及其在岩土流-固耦合问题上的应用

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1、攻读硕士学位论文选题报告DEM-LBM耦合算法的实现及其在岩土流-固耦合问题上的应用院系：水利水电工程系专业：土木工程2014年5月22日1研究背景流■固耦合历来是一个存在极其广泛的现象。在化工领域、石油开采领域等都有着典型的流•固耦合问题。在岩土工程中，常见的流■固耦合问题有滑坡涌浪问题、渗透破坏、砂土液化问题等。而流体和固体相互耦合作用的现象更是岀现在各种各样的问题上：地下水开采中会遇到由于地下水的渗流和地层的相互作用而引起的地面沉降问题；水利工程中会遇到库区水与大坝坝体渗流发生的稳定渗流或非稳定渗流、管涌破坏等关系大坝安全的问题；深基坑开挖的过

2、程屮，常常会遇到地下水渗流与基坑稳定安全问题；地下深埋管道也会遇到地下水的问题；在自然界中，也广泛存在着滑坡、泥石流等流体•固体耦合作用的自然灾害问题。所以对流固耦合问题进行试验研允，探究颗粒与流体之间的介观作用机理是具有其重要意义的。2研究现状2.1传统的流固耦合研究方法早在1856年，达西就提出了在土屮渗流的水的流速方程，即著名的达西定律，表明土体中水的平均渗透速度与土体的渗透系数以及水力梯度有关。这可以算作岩土工程上，流固耦合问题研究的开端。后來在1889年，俄国的茹科夫斯基提出了渗流微分方程，此方程将土体视为均质多孔介质，考虑达西定律，描述水

3、在多孔介质中的渗流特性。1910年，理查森提出了有限差分方法，能够有效求解渗流微分方程，得到土体屮水的渗流特性。1925年，太沙基在岩土固结问题上提出了单向固结理论，考虑孔压消散的过程，得到土体随时间的沉降关系。传统的流固耦合算法在工程上具有一定的实用性，但是其本质都是单相耦合的方法。即只考虑了两相屮某一相受另一相的影响而动态变化，而这另一相则不会反过来产生动态响应。比如在流床中投入少量颗粒，颗粒受到流场剧烈的影响，而流场不会受到颗粒的动态影响。2.2数值试验方法在流固耦合问题中的应用随着计算机能力的发展，两相耦合问题

4、成为可能。目前流固耦合算法己在

5、有限差分法、有限单元法屮得到了实现。有限差分法和有限元法本质上是将固体和流体都是为连续介质进行计算。对于土体这种离散介质来说，这样的假设有一定的不适用性。而自1976年Cundall提出了离散元的方法以来，离散元在岩土工程方面的应用得到了大力的发展。在流固耦合方面，也有众多学者利用离散元与计算流体力学软件进行了研究。周志军（2003年）利用F1UENT和IDEM耦合来进行低渗透储层流固耦合渗流理论及研究，并在钻井、开采、油藏等方面进行了应用。何庆炎（2012年）自行编写了CFD计算软件并与已有的DEM软件进行耦合，并进行了方腔流动等经典测试问题2。然

6、而采用传统的CFD技术与DEM方法耦合会遇到很大的困难。原因在于在固体力学中非线性有限元分析的方法已相当成熟，在流体力学中非线性纳维■斯托克斯方程求解的CFD技术的进展也十分迅速，但对于耦合问题，遇到的最大困难就在于采用统一坐标系及两相界面的协调问题.众所周知,固体力学屮习惯采用Lagrange坐标系，着眼于质点，而流体力学中更多地使用Euler坐标系淆眼于空间点.这种运动描述方法上的差异，对小运动问题,可不加区分，但对于大运动非线性问题情况则复杂了.两相界血的位形事先未知，开始重合的节点随运动固体点移动,流体点则不动，如何协调界面点是非线性耦合问题

7、比起单纯固体或流体非线性问题來所特有的难点.其次，非线性耦合问题同其它耦合问题一样,由于非线性，叠加原理失效,在动力分析中的振型叠加原理及水波分析中将总速度位分解为入射、绕射、辐射位Z和的叠加解法原则上不再成立，必须探讨全场求解途径。这就使求解方程的规模加大，要求更加强大的并行算法的支撑。3总的來说，目前的离散元与计算流体力学耦合，是将流体视作连续介质，利用总体控制方程进行推演，在计算速度上不具有优势。而且采用数值积分法来模拟多相多组分渗流，困难非常大,关键的一点是难以表示粒子间的相互作用。尤其是对地层结构复杂的不规则流场,因为边界的复杂使得传统的釆

8、用数值积分方法的计算流体软件处理多颗粒的具有复杂边界的流-固问题变得异常困难X而1988年提出的LBM方法，特别是经过1995年Qian等人提出了LBM方法的DnQm模型之后，引起了流体界的普遍关注策LBM不同于其他的流体计算方法，并不是直接解由宏观上的Euler•方法，由动量、动能和连续方程推演而出的NS控制方程。而是从分子动力学的角度出发，通过微观的动量、动能守恒定律，并通过一系列离散化方法，得到了LBM方法。该方法中流场的空间、时间、速度都是离散的。而且流体微团的运动仅遵循简单的碰撞定律，某处微团的状态仅取决于该处以及其临近的几个格点的状态。这

9、样的算法使得边界的复杂与否，对于格气算法来说没有很大区别，解决了传统数值积分法模拟屮的困难。由于这样简单的计