一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统技术方案

本公开提出了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统，所述方案通过应用粗粒化理论，在模拟计算中利用大粒径的粗颗粒代替粒径小的真实颗粒进行计算，减小了流固耦合计算中的离散元颗粒数量，实现了对工程尺度流固耦合问题的计算；本公开提出的一种DEM‑CFD流固耦合粗粒化计算理论，有效解决了工程尺度流固耦合应用粗粒化理念的定量模拟问题；利用能量守恒和冲量定理得到了粗粒化系统和原系统中颗粒的受力关系，使得在粗粒化系统中可以利用少量的粗颗粒定量代替大量的真实颗粒进行模拟计算，从而实现定量高效工程尺度流固耦合计算，对提高流固耦合计算效率具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统
本公开涉及岩土工程数值计算领域，尤其涉及一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。我国的隧道及地下工程建设发展迅猛，而地质缺陷是突水突泥灾害的重要触发源头，因而在未来一段时期，研究突水突泥灾害演化过程的流固耦合灾变机理，为监测预警提供有效的支撑，是亟需突破的关键难点。针对地下工程流固耦合问题的研究手段主要有三种：模型试验、室内试验和数值模拟。其中，模型试验主要是利用相似理论，对工程现场进行等比例相似模拟研究，通过制作相似材料、外置油缸加载、实时监测等手段实现对现场灾害演化的模拟，其特点是可以模拟岩土体复杂的非线性变化过程，但是由于试验周期长、成本高，导致试验的可重复性较低，不利于研究系列案例；室内实验主要是进行小尺度的渗透侵蚀破坏过程进行研究，可以通过准确控制试验材料的颗粒级配以及加载水压、加载应力等方式，实现对致灾构造渗透侵蚀过程的准确定量模拟，可以有效揭示其侵蚀破坏过程，但是受到实验器材制约，其不适用于工程尺度的研究。随着计算机硬件水平的不断提高，数值模拟方法日益成为工程灾害防控的重要辅助手段，在地下工程流固耦合问题的数值模拟方面，目前主要模拟方法有欧拉-欧拉法、欧拉-拉格朗日法和拉格朗日-拉格朗日法：欧拉-欧拉法即双流体模拟方法，优势可以计算工程尺度模型，但是由于其将固体相简化为流体处理，导致固体相特征过度被简化；拉格朗日-拉格朗日法的代表性模拟方法为光滑粒子流(SPH)法，其优势是避免了大变形时网格扭曲带来的精度损失，但是SPH粒子均采用规则建模，对于复杂三维模型分配粒子位置和质量时存在局限性；欧拉-拉格朗日法是在流固耦合计算中使用较多的一类计算方法，其主要的模型有直接数值模拟法(DNS)、离散相模型(DPM/DDPM)和离散元法(DEM)-计算流体动力学耦合计算法(CFD)(DEM-CFD)。专利技术人发现，DNS求解精确但只能模拟少量固相颗粒，DPM/DDPM不考虑颗粒的真实碰撞造成一定的误差，而DEM-CFD耦合模型，因为即考虑了颗粒的碰撞及颗粒相的体积分数，也准确进行了流场的计算及相间作用，所以它是目前进行流固耦合计算的一种具有明显优势的模拟方法；但是，尽管DEM-CFD在流固耦合模拟方面具有诸多优势，由于工程模型尺度规模较大以及计算机硬件的局限，当前的DEM-CFD耦合方法仍不能进行工程尺度模拟，如何提高模型计算效率同时保证计算精度是DEM-CFD耦合方法进行工程应用亟需突破的重要难点。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提供一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法及系统，使得DEM-CFD流固耦合方法可以进行工程尺度模拟，在提高模型计算效率的同时有效保证了计算精度，进而有效解决了定量表征工程尺度流固耦合问题。根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法,包括：根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现粗粒化流固耦合仿真计算。进一步的，所述原始颗粒级配组成下的微观参数取值的获取包括：针对某一工程的地质条件进行调研，得到原始颗粒级配曲线，利用DEM软件对岩石及致灾构造充填物质的物理力学性质进行参数标定，开展基于单轴压缩、巴西劈裂、三轴压缩等基础力学试验模拟，得到在原始颗粒级配组成下的微观参数取值；进一步的，所述粗粒化计算理论用于根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系，进而实现模型的粗粒化力学仿真分析。进一步的，所述粗粒化理论需要满足以下条件：应用粗粒化的系统需要和原系统总能量守恒；系统内颗粒数量仍满足统计意义；真实颗粒的碰撞可用粗颗粒的碰撞来代替；为保证重力的作用效果不变，粗颗粒和真实颗粒的密度设定一致。进一步的，所述离散颗粒系统的颗粒微观参数包括：颗粒材料的泊松比，密度，杨氏模量，恢复系数，静摩擦系数，滚动摩擦系数。进一步的，所述DEM-CFD流固耦合接口，在固体DEM计算部分，改进了颗粒的速度计算，保证粗粒化后的速度与原始系统的速度相等；在DEM-CFD耦合计算部分，改进了流体对颗粒的拖曳力计算，保证了粗粒化后的拖曳力是原始系统的拖曳力乘以粗粒化系数的三次方。进一步的，完成所述粗粒化流固耦合仿真计算后，在DEM软件中进行固体的后处理分析，在CFD软件中进行流体的后处理分析，从而对所研究的地下工程流固耦合灾害的演化过程深入研究分析。根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真系统，包括：参数获取模块，其用于根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；模型构建模块，其用于构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；接口构建模块，其用于基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；仿真计算模块，其用于将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现流固耦合仿真计算。与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)本公开提出的一种工程尺度流固耦合问题粗粒化计算实施方法，解决了工程尺度DEM-CFD计算中，由于存在大量离散元颗粒，导致的工程尺度流固耦合计算中计算量远超过当前计算机硬件水平的难点；本公开所述的计算方法通过应用粗粒化理论，在模拟计算中利用大粒径的粗颗粒代替粒径小的真实颗粒进行计算，减小了流固耦合计算中的离散元颗粒数量，实现了对工程尺度流固耦合问题的计算；(2)本公开提出的一种DEM-CFD流固耦合粗粒化计算理论，有效解决了工程尺度流固耦合应用粗粒化理念的定量模拟问题；利用能量守恒和冲量定理得到了粗粒化系统和原系统中颗粒的受力关系，使得在粗粒化系统中可以利用少量的粗颗粒定量代替大量的真实颗粒进行模拟计算，从而实现定量高效进行工程尺度流固耦合计算，对提高流固耦合计算效率具有重要意义。附图说明构成本申请的一部分的说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法,其特征在于，包括：/n根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；/n构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；/n将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；/n基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；/n建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；/n将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现粗粒化流固耦合仿真计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法,其特征在于，包括：
根据地质调研数据，获得原始颗粒级配组成下的微观参数取值，并基于粗粒化计算理论，计算得到离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值；
构建三维地质模型，将所述三维地质模型导入到DEM软件中，根据应用粗粒化后的颗粒级配及目标孔隙率进行颗粒生成填充，得到颗粒地质体模型；
将所述离散元颗粒系统的颗粒微观参数取值施加到所述颗粒地质体模型；
基于粗粒化计算理论，建立DEM-CFD流固耦合接口；
建立地质对象的流场区域模型，并进行流体网格划分，得到与颗粒级配匹配的流体网格模型；
将所述流体网格模型输入到CFD软件中，在CFD软件中加载所述DEM-CFD流固耦合接口，实现粗粒化流固耦合仿真计算。


2.如权利要求1所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，其特征在于，所述原始颗粒级配组成下的微观参数取值的获取包括：针对某一工程的地质条件进行调研，得到原始颗粒级配曲线，利用DEM软件对岩石及致灾构造充填物质的物理力学性质进行参数标定，开展基于单轴压缩、巴西劈裂、三轴压缩等基础力学试验模拟，得到在原始颗粒级配组成下的微观参数取值。


3.如权利要求1所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，其特征在于，所述粗粒化计算理论用于根据计算模型尺寸和原系统的真实颗粒级配曲线确定粗颗粒所受曳力与真实颗粒所受曳力间的关系，进而实现模型的粗粒化力学仿真分析。


4.如权利要求1所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，其特征在于，所述粗粒化理论需要满足以下条件：
应用粗粒化的系统需要和原系统总能量守恒；系统内颗粒数量仍满足统计意义；真实颗粒的碰撞可用粗颗粒的碰撞来代替；为保证重力的作用效果不变，粗颗粒和真实颗粒的密度设定一致。


5.如权利要求1所述的一种基于粗粒化计算理论的流固耦合仿真方法，其特征在于，所述离散颗粒系统的颗粒微观参数包括：颗粒材料的泊松比，密度，杨氏模量，恢复系数，静摩擦系数，滚动摩擦系数。


6.如权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：李利平，商成顺，周宗青，褚开维，屠文锋，陈雨雪，高成路，王超，耿阳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37