一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法，包括：构建粒子模型，基于HBP模型引入DP屈服准则，设定土体屈服强度；粒子分类；判定土体应力状态，更新粘度；基于屈服土体粒子，引入Shield判断准则，判定转化为推移质的粒子，并更新粒子类型及粘度；基于推移质粒子，引入Mastbergen公式，判定转化为悬移质的粒子，并更新粒子类型粘度；基于悬移质粒子，引入Mastbergen公式，判定转化为推移质的粒子，并更新粒子类型及粘度；完成所有粒子检索与类型转换，进入多相流求解，完成一个时间步长，进入下一次循环；本发明专利技术通过基于SPH多项流算法的二次开发，引入多种结构模型，可实现基础局部冲刷精细化数值模拟。基础局部冲刷精细化数值模拟。基础局部冲刷精细化数值模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法，具体涉及一种基于SPH多相流算法二次开发，引入多项理论或实验准则进行泥沙颗粒冲刷、演变全流程的精细化模拟，属于数值模拟计算领域。

技术介绍

[0002]桥梁基础冲刷病害是当今桥梁结构功能失效、丧失其安全性能的最主要原因之一，引起了众多学者的广泛关注。数值模拟仍然是研究桥梁冲刷最有效的方法之一，兼具成本低、效率高、周期短等多项优势。现今主流采用的算法为基于欧拉形式求解N
‑
S流体控制方程获得流体动力，并通过引入数值化床沙输运模型，得到床面高程变化的数值解。然而基于欧拉形式的数值模拟方法在解决复杂流体表面的破碎以及波浪、海啸越流等问题时往往难以收敛，或需要大量求解时间与资源，且不存在真实的土体模型，难以追踪土体演变轨迹。光滑粒子流体动力学(SPH)方法，是基于拉格朗日形式的数值求解法，与欧拉法相比，粒子本身具有质量，无需额外计算就能保证质量守恒；模拟复杂自由表面流时，无需追踪流体边界及不同流体交界面。由于SPH对于复杂液面的优秀求解能力，可以广泛的适用于实际工程问题例如泥沙冲刷和土壤水动力等等。在模拟冲刷问题时，可构建土体模型，无须引入数值化的输沙模型，可进一步加快效率并提高精度。然而，现阶段基于SPH的冲刷模拟研究、应用案例较少，模拟流程尚不明确，缺少模块化的设计方案，亟待进一步解决。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法，引入多项理论或实验准则进行泥沙颗粒冲刷、演变全流程的精细化模拟，从而实现冲刷数值模拟模块化设计的目的，具有易程序化实现，精确度高，可操作性强等特点。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0005]一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，分别构建流体与饱和土体粒子模型，基于HBP模型引入DP屈服准则，确定土体粘度计算模型；具体步骤如下：
[0007]步骤1.1、基于多相流基本原理，分别构建流体粒子模型与土体粒子模型，流体粒子模型设定为牛顿流体，土体粒子模型设定为非牛顿流体；
[0008]步骤1.2、基于非牛顿流体剪切应力与应变率非线性的物理性质，引入HBP模型，计算土体粘度μ
HBP
：
[0009][0010]其中，τ
c
为材料屈服应力，II
D
为流体应变率张量的第二不变量，m为应力指数增长系数，μ为水体粘度，n为与剪切应力相关的幂；
[0011]步骤1.3、引入DP屈服准则，计算屈服应力τ
y
；
[0012]步骤1.4、将屈服应力τ
y
代入步骤1.2所述土体粘度μ
HBP
计算公式，替换材料屈服应力τ
c
，确立土体粘度计算模型；
[0013]步骤2，基于步骤1所得模型粒子，针对不同的流体相分别给定不同的类型标号：设定水体为牛顿流体，给定类型标号mk1；设定土体为非牛顿流体，给定类型标号mk2；设定推移质颗粒为非牛顿流体，给定类型标号mk3；设定悬移质颗粒为牛顿流体，给定类型标号mk4；
[0014]步骤3，基于步骤2所得粒子类型标号，检索粒子类型标号为mk2的粒子，基于步骤1.2
‑
1.4所得土体粘度计算模型，动态更新粒子粘度；
[0015]步骤4，获取SPH算法当前时间步的各粒子粘性应力，设定粘性应力大于步骤1.3计算的屈服应力τ
y
的土体粒子为屈服土体粒子，基于屈服土体粒子，引入Shield判断准则，判定由屈服土体粒子转化为推移质的粒子，并更新粒子类型标号及粘度；具体步骤如下：
[0016]步骤4.1、基于步骤2所得粒子类型标号，检索粒子类型标号为mk2的粒子，判定粒子位置是否满足转化条件，不满足转化条件则不予处理，满足转化条件则进入步骤4.2；
[0017]步骤4.2、基于Shield判断准则，计算床沙临界起动切应力τ
bcr
；
[0018]步骤4.3、基于流体粒子速度u，引入Einstein对数流速分布公式，计算土体粒子所受流体切应力τ
b
；
[0019]步骤4.4、基于步骤4.1所得满足转化条件的粒子，判断步骤4.3所得切应力τ
b
是否满足大于床沙临界起动切应力τ
bcr
的条件，不满足条件则不予处理，进入步骤5，满足条件则将粒子类型标号变为mk3，将床沙临界起动切应力τ
bcr
代入步骤1.2土体粘度计算公式，替换材料屈服应力τ
c
，更新土体粘度μ
HBP
模型；
[0020]步骤5，基于推移质粒子，引入Mastbergen公式，判定由推移质转化为悬移质的粒子，并更新粒子类型标号及粘度模型；具体步骤如下：
[0021]步骤5.1、基于步骤4.4所得推移质粒子，检索粒子类型标号为mk3的粒子，判定粒子浓度C
v
是否满足不大于临界浓度C
vcr
的条件，不满足条件则不予处理，满足条件则进入步骤5.2；
[0022]步骤5.2、引入Mastbergen公式，计算推移质转化的临界流速u
lift
；
[0023]步骤5.3、基于步骤5.1所得满足转化条件的粒子，依据推移质粒子速度u
b
，判断推移质粒子速度u
b
是否满足大于临界流速u
lift
的条件，不满足条件则不予处理，满足条件则粒子类型标号变为mk4，并引入Vand模型，更新粒子粘度μ
mk4
转化为牛顿流体；
[0024]步骤6，基于悬移质粒子，引入Mastbergen公式，判定由悬移质转化为推移质的粒子，并更新粒子类型标号及粘度模型；具体步骤如下：
[0025]步骤6.1、引入Mastbergen公式，计算悬移质转化的临界流速u
set
；
[0026]步骤6.2、基于步骤5.3所得推移质粒子，依据悬移质粒子速度u
b
，判断悬移质粒子速度u
b
是否满足大于临界流速u
set
的条件，不满足条件则不予处理，满足条件则粒子类型标号变为mk3，并按步骤4.4更新粒子粘度模型。
[0027]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤1.3中，屈服应力τ
y
的计算公式如下：
[0028]|τ
y
|＝αJ1+β
[0029]其中，J1为流体应力张量的第一不变量，α、β为摩尔
‑
库伦参数，
其中θ为土体内摩擦角，c为土体粘聚力。
[0030]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤4.1中，转化条件为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，分别构建流体与饱和土体粒子模型，基于HBP模型引入DP屈服准则，确定土体粘度计算模型；具体步骤如下：步骤1.1、基于多相流基本原理，分别构建流体粒子模型与土体粒子模型，流体粒子模型设定为牛顿流体，土体粒子模型设定为非牛顿流体；步骤1.2、基于非牛顿流体剪切应力与应变率非线性的物理性质，引入HBP模型，计算土体粘度μ
HBP
：其中，τ
c
为材料屈服应力，II
D
为流体应变率张量的第二不变量，m为应力指数增长系数，μ为水体粘度，n为与剪切应力相关的幂；步骤1.3、引入DP屈服准则，计算屈服应力τ
y
；步骤1.4、将屈服应力τ
y
代入步骤1.2所述土体粘度μ
HBP
计算公式，替换材料屈服应力τ
c
，确立土体粘度计算模型；步骤2，基于步骤1所得模型粒子，针对不同的流体相分别给定不同的类型标号：设定水体为牛顿流体，给定类型标号mk1；设定土体为非牛顿流体，给定类型标号mk2；设定推移质颗粒为非牛顿流体，给定类型标号mk3；设定悬移质颗粒为牛顿流体，给定类型标号mk4；步骤3，基于步骤2所得粒子类型标号，检索粒子类型标号为mk2的粒子，基于步骤1.2
‑
1.4所得土体粘度计算模型，动态更新粒子粘度；步骤4，获取SPH算法当前时间步的各粒子粘性应力，设定粘性应力大于步骤1.3计算的屈服应力τ
y
的土体粒子为屈服土体粒子，基于屈服土体粒子，引入Shield判断准则，判定由屈服土体粒子转化为推移质的粒子，并更新粒子类型标号及粘度；具体步骤如下：步骤4.1、基于步骤2所得粒子类型标号，检索粒子类型标号为mk2的粒子，判定粒子位置是否满足转化条件，不满足转化条件则不予处理，满足转化条件则进入步骤4.2；步骤4.2、基于Shield判断准则，计算床沙临界起动切应力τ
bcr
；步骤4.3、基于流体粒子速度u，引入Einstein对数流速分布公式，计算土体粒子所受流体切应力τ
b
；步骤4.4、基于步骤4.1所得满足转化条件的粒子，判断步骤4.3所得切应力τ
b
是否满足大于床沙临界起动切应力τ
bcr
的条件，不满足条件则不予处理，进入步骤5，满足条件则将粒子类型标号变为mk3，将床沙临界起动切应力τ
bcr
代入步骤1.2土体粘度计算公式，替换材料屈服应力τ
c
，更新土体粘度μ
HBP
模型；步骤5，基于推移质粒子，引入Mastbergen公式，判定由推移质转化为悬移质的粒子，并更新粒子类型标号及粘度模型；具体步骤如下：步骤5.1、基于步骤4.4所得推移质粒子，检索粒子类型标号为mk3的粒子，判定粒子浓度C
v
是否满足不大于临界浓度C
vcr
的条件，不满足条件则不予处理，满足条件则进入步骤5.2；步骤5.2、引入Mastbergen公式，计算推移质转化的临界流速u
lift
；步骤5.3、基于步骤5.1所得满足转化条件的粒子，依据推移质粒子速度u
b
，判断推移质
粒子速度u
b
是否满足大于临界流速u
lifi
的条件，不满足条件则不予处理，满足条件则粒子类型标号变为mk4，并引入Vand模型，更新粒子粘度μ
mk4
转化为牛顿流体；步骤6，基于悬移质粒子，引入Mastbergen公式，判定由悬移质转化为推移质的粒子，并更新粒子类型标号及粘度模型；具体步骤如下：步骤6.1、引入Mastbergen公式，计算悬移质转化的临界流速u
set
；步骤6.2、基于步骤5.3所得推移质粒子，依据悬移质粒子速度u
b
，判断悬移质粒子速度u
b
是否满足大于临界流速u
set
的条件，不满足条件则不予处理，满足条件则粒子类型标号变为mk3，并按步骤4.4更新粒子粘度模型。2.根据权利要求1所述的基于SPH多相流的桥梁冲刷模块化仿真方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊文，张嵘钊，刘川渟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：