一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，首先根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；分区域选择不同的基底阻力模型，流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。该方法实现了水动力作用下流固二相流流化滑坡后破坏的动力学过程模拟仿真，从而为二相流流化滑坡的风险评估和危险区划提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法
本专利技术涉及流化滑坡运动模拟
，尤其涉及一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法。
技术介绍
流固两相(液体和固体)滑坡后破坏运动过程往往呈现流态化，具有运动速度快、冲击能量大和影响范围广的灾害特征，该类型滑坡通常在极端降雨、冰雪冻土融化和城市渣土场坡体饱水情况下，极易发生灾难性的滑坡事件。流化滑坡具有流固二相体相互作用共同运动的特征，流体运动性强，运动距离较远，成灾范围广；固体颗粒冲击能量大，运动性相对较弱。在流化滑坡的风险评估和危险区划的定量分析中，数值仿真技术的反演和预测方法发挥着至关重要的作用。现有技术在流化滑坡运动模拟中二相流耦合技术相对较少，仅有流固耦合建模技术、单相介质模拟技术和试验分析方法，其中：(1)流固耦合建模技术是将离散元(EDEM)和连续流体(Fluent)耦合的建模方法，该方法是将两种本质不同算法进行耦合建模，网格生成较为复杂，且并未开展运动动力学计算工作；(2)单相介质模拟技术：通过单相介质来完成滑坡动力学的数值仿真，通常有离散元颗粒流算法和等效流体算法，颗粒流算法可以反映滑坡颗粒巨大冲击能量的运动特点，等效流体算法可以反应滑坡远距离的运动特点，该方法对二相流介质，分析流化滑坡同时存在冲击力大和运动范围广的特征，高效率耦合情况下的仿真技术相对落后；(3)试验分析方法，该方法是采用小尺寸的滑槽试验进行反演分析，无法试验具有尺寸效应的大型滑坡现场的反演分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，该方法实现了水动力作用下流固二相流流化滑坡后破坏的动力学过程模拟仿真，得到滑坡失稳后运动过程、动力学特征和影响范围，从而为二相流流化滑坡的风险评估和危险区划提供技术支撑。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，所述方法包括：步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；步骤5、对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；步骤6、对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法实现了水动力作用下流固二相流流化滑坡后破坏的动力学过程模拟仿真，得到滑坡失稳后运动过程、动力学特征和影响范围，从而为二相流流化滑坡的风险评估和危险区划提供技术支撑。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法流程示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面将结合附图对本专利技术实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本专利技术实施例提供的流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法流程示意图，所述方法包括：步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；在该步骤中，具体建立过程为：首先根据离散节点和网格单元组成的滑坡数字高程数据，建立滑坡三维地形存储数组；根据滑坡与滑体的基底网格和节点的一致性对应关系，在建立的滑坡三维地形存储数组中找到相对应的高程数据，在此高程数据的基础上进行高度的叠加即为滑体在该位置处的最大高度；根据滑坡数字高程数据确定滑体范围的边界；对于处于滑体范围内部的节点，根据研究人员建模粒度的需要动态的加密或稀疏化生成相应数量的滑体粒子；生成的滑体粒子的初始位置根据其所在单元内的具体位置采用线性插值的方式获得，同时在三维高度方向上，同样根据建模粒度需要，动态的生成相应层数的粒子，粒子的位置同样根据线性插值获得；所述滑体由流体和固体两种物质粒子组成，每种物质粒子均占据初始滑体的所有空间，以表征流体和固体是完全相互渗入的两相，每种物质粒子的密度根据实际物质的密度与该物质在混合物中所占据的体积分数的乘积获得，即有效密度，粘度、导热系数等均按照相同的方法处理；再根据赋予的每种物质的属性，将属性参量输入作为滑体单元数组的一部分，实现了滑坡基底数组和滑体数组的构建。步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；在该步骤中，所述摩擦阻力模型适用于颗粒材料基底摩擦阻力的计算，基底剪切力与碎屑流有效应力是正比关系，孔隙水压力的存在起着关键作用，摩擦阻力模型表示为：τ＝(σz-u)(z＝b)tanφ＝σz'(z＝b)tanφ其中，σz为碎屑流正应力，u为孔隙水压力，z为碎屑流厚度，σz'为有效应力；φ为碎屑物质边界层摩擦角。具体实现中，需要充分考虑滑坡液固两相流中每一相的不同物质属性，根据物质不同施加不同的基底阻力模型，对于流体来说，根据流体的连续性特征，选用牛顿流体阻力模型，牛顿流体阻力模型表示为：τ＝μγ其中，γ-剪切速率(流速梯度)；μ-度量液体粘滞性大小的物理量，简称为黏度；对于固体颗粒运动来说，选用摩擦阻力模型。阻力模型的施加采用动态施加的方式，即通过判断流体和固体颗粒的位置，对处于基底边界附近的流体粒子或固体颗粒施加阻力，阻力的计算需用到正压力数值，正压力数值采用基于阀函数的边界力施加方法得到。步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；在该步骤中，具体选取的参数如下表所示：具体实现中，所需的关键滑坡运动参数选取采用外部文件输入的方式输入，无需对程序或其他部分进行修改，大大方便了使用。步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；在该步骤中，具体采用基于光滑粒子流体动力学方法SPH的液体连续相弱可压缩粘性模型仿真二相流滑体中的流体介质，采用基于光滑离散颗粒流体动力学方法SDPH拟流体无网格粒子法仿真二相流滑体中的固体颗粒介质，具体包括：SDPH与SPH之间的耦合交换数据包括曳力、压力，曳力的计算需要相同位置的背景粒子承载，插值得到相同位置上的另一相的速度值，从而计算得到曳力数值；由于两相同时占据空间位置，所以体积分数共享，设定时间积分时，耦合过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；/n步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；/n步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；/n步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；/n步骤5、对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；/n步骤6、对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、根据滑坡数字高程数据建立流固二相混合物几何模型；
步骤2、分区域选择不同的基底阻力模型，其中流体选用牛顿流体阻力模型，固体颗粒选用摩擦阻力模型；
步骤3、分别选取流体和固体颗粒的物理力学参数以及滑坡边界层基底阻力模型参数作为关键滑坡运动参数；
步骤4、通过流固耦合计算过程获得滑坡后破坏动力学特征；
步骤5、对计算结果进行后处理，得到相应的滑坡速度、冲击能量、影响范围数值结果图；
步骤6、对获得的两相流动特性与传统单相流动特性进行对比分析，实现流固二相流流化滑坡的仿真分析。


2.根据权利要求1所述流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：
首先根据离散节点和网格单元组成的滑坡数字高程数据，建立滑坡三维地形存储数组；
根据滑坡与滑体的基底网格和节点的一致性对应关系，在建立的滑坡三维地形存储数组中找到相对应的高程数据，在此高程数据的基础上进行高度的叠加即为滑体在该位置处的最大高度；
根据滑坡数字高程数据确定滑体范围的边界；
对于处于滑体范围内部的节点，根据研究人员建模粒度的需要动态的加密或稀疏化生成相应数量的滑体粒子；
所述滑体由流体和固体两种物质粒子组成，每种物质粒子均占据初始滑体的所有空间，每种物质粒子的密度根据实际物质的密度与该物质在混合物中所占据的体积分数的乘积获得；
再根据赋予的每种物质的属性，将属性参量输入作为滑体单元数组的一部分，实现了滑坡基底数组和滑体数组的构建。


3.根据权利要求1所述流固二相流流化滑坡的模拟仿真方法，其特征在于，在步骤2中，所述摩擦阻力模型中的基底剪切力与碎屑流有效应力是正比关系，孔隙水压力的存在起着关键作用，摩擦阻力模型表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：高扬，陈福振，李滨，
申请(专利权)人：中国地质科学院地质力学研究所，西北工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11