本发明专利技术提供变形滑坡涌浪模拟方法及装置，方法包括：步骤1，构建地质、滑坡模型与水体模型；步骤2，设置模型边界条件；步骤3，进行变形滑坡计算，变形滑坡模拟采用DEM方法，整体滑坡区域由DEM颗粒构成，颗粒之间基于不同接触模型计算受力，并更新加速度与速度；步骤4，进行水体涌浪计算，水体的模拟采用SPH方法，整体水体区域离散为若干个流体SPH颗粒，计算出密度梯度、加速度等参数；步骤5，计算所得滑坡DEM颗粒耦合力加速度与其反力作用于SPH颗粒的加速度直接添加至步骤3与步骤4中，进行整体的迭代计算、位移更新；步骤6，进行位移修正，将位移修正项直接添加至步骤5中的位移计算中，更新一个时间步内的颗粒位置。个时间步内的颗粒位置。个时间步内的颗粒位置。
【技术实现步骤摘要】
变形滑坡涌浪模拟方法及装置
[0001]本专利技术属于滑坡涌浪灾害模拟
，具体涉及变形滑坡涌浪模拟方法及装置。
技术介绍
[0002]由于地震或水位变化引起的河岸滑坡，在入水过程中会诱发涌浪。滑坡诱发的涌浪往往被认为是一种重大的次生灾害，其影响区域可能比滑坡本身更为显著。数值模拟方法在进行滑坡涌浪预测、灾害反演时作为一种常用的工程分析方法得到的广泛应用，传统的有限元模拟方法与欧拉
‑
拉格朗日方法是当前常用的基于网格的建模与计算方法，但由于土体滑坡体和水体在涌浪演化过程中均会产生较大的变形，现有数值方法在模拟过程中受网格尺寸影响会造成精度缺失、网格畸变或者水体自由液面“锯齿状”失真现象。因此，如何对于滑坡体、水体进行精确模拟是当前亟待解决的问题。
[0003]现有研究技术主要基于传统无粘性流体假设的数值模型，选择性忽略了流体内部粘性力的影响，而流体的粘性性质在水体运动、涌浪传播时对于速度场会产生一定程度的影响，致使其在传播至远场时的影响特性以及对于滑坡体运动的作用效果仍需改善。在面对高速滑坡涌浪工况时如何解决无网格方法框架下的自由液面粒子非物理性扩散也有待进一步优化。
技术实现思路
[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供变形滑坡涌浪模拟方法及装置，能够不依赖于网格且充分考虑流体粘性参数与精确模拟自由液面，准确模拟土体、水体大变形以及近、远场涌浪传播。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术采用了以下方案：
[0006]<方法>
[0007]如图1所示，本专利技术提供变形滑坡涌浪模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，构建地质、滑坡模型与水体模型，并输入滑坡体与水体力学与材料参数；
[0009]步骤2，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，设置模型边界条件，滑坡、水体模型施加重力作用，无额外约束，边坡与水体边界设置固定边界，即加速度为0；
[0010]步骤3，进行变形滑坡计算，变形滑坡模拟采用离散元DEM方法，整体滑坡区域由DEM颗粒构成，颗粒之间基于不同接触模型计算受力，根据牛顿第二定律更新颗粒的加速度与速度；
[0011]步骤4，进行水体涌浪计算，水体的模拟采用光滑粒子颗粒流SPH方法，整体水体区域离散为若干个流体SPH颗粒，计算出密度梯度、加速度等参数；采用如下公式计算颗粒加速度：
[0012][0013][0014]式中，下标i表示目标SPH颗粒；下标j表示目标颗粒影响域内的其他SPH颗粒；N表示影响域内的颗粒总量；p表示压强；m表示SPH颗粒质量；v表示颗粒速度；为光滑核函数梯度算子；γ为常数，一般取值为7；ρ表示密度；ρ0表示标准密度，取水体密度1000kg/m3；α、β分别表示不同方向，μ
i
、μ
j
分别表述颗粒i与颗粒j的粘性系数，δ
αβ
为克罗内克张量；g表示重力加速度；符号上的箭头表示矢量；
[0015]步骤5，进行耦合计算，首先搜索在流体SPH颗粒影响域范围内的DEM颗粒，并赋予其标准SPH颗粒相同参数(包括密度、质量、光滑长度等)进行合并计算，通过浮力、拖曳力、润滑力计算所得滑坡DEM颗粒耦合力加速度与其反力作用于SPH颗粒的加速度直接添加至步骤3与步骤4中，进行整体的迭代计算、位移更新；
[0016]步骤6，进行流体SPH颗粒的位移修正，受制于自由液面核函数缺失以及内部影响域内颗粒分布不均的缺陷，本专利技术在前述步骤的基础上，在滑坡涌浪模拟中进一步引入了自由液面修正方法，减少高速滑坡冲击固液耦合界面时颗粒分布畸形以及自由液面附近空隙误差，包括以下子步骤：
[0017]步骤6
‑
1，根据当前待判断的颗粒各个方向光滑长度内是否存在DEM颗粒判断该当前待判断的颗粒是否位于自由液面，若存在DEM颗粒，则判断该颗粒是位于自由液面，否则判断该颗粒是位于自由液面以下；
[0018]步骤6
‑
2，根据颗粒是否位于自由液面，进行不同的修正项计算，其公式如下所示：
[0019][0020]式中，dt表示时间步长；v
max
表示流场内最大流速；h
i
表示颗粒i的光滑长度；W
ij
表示颗粒i、j的核函数计算值；
[0021]步骤6
‑
3，将位移修正项直接添加至步骤5中的位移计算中，更新一个时间步内的颗粒位置。
[0022]优选地，本专利技术提供的变形滑坡涌浪模拟方法，还可以具有这样的特征：在步骤4中压强p计算公式如下：
[0023][0024]优选地，本专利技术提供的变形滑坡涌浪模拟方法，还可以具有这样的特征：在步骤4
中，密度的时间梯度dρ/dt(密度梯度)计算公式如下：
[0025][0026]式中，ξ为耗散系数；h表示SPH颗粒的光滑长度；c0表示整个流场的声速。
[0027]优选地，本专利技术提供的变形滑坡涌浪模拟方法，还可以具有这样的特征：在步骤5中，标准SPH颗粒为密度设置为ρ0，体积与初始排布粒子相同的SPH颗粒。
[0028]<装置>
[0029]进一步，本专利技术还提供了变形滑坡涌浪模拟装置，能够自动实现上述<方法>，其特征在于，包括：
[0030]建模模块，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，构建地质、滑坡模型与水体模型，并输入滑坡体与水体力学与材料参数；
[0031]参数设置模块，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，设置模型边界条件，滑坡、水体模型施加重力作用，无额外约束，边坡与水体边界设置固定边界；
[0032]变形滑坡模拟模块，进行变形滑坡计算，采用离散元方法，整体滑坡区域由DEM颗粒形成，颗粒之间基于不同接触模型计算受力，更新颗粒的加速度与速度；
[0033]水体涌浪模拟模块，进行水体涌浪计算，水体的模拟采用光滑粒子颗粒流方法，整体水体区域离散为若干个流体SPH颗粒，计算出密度梯度、加速度等参数；采用如下公式计算颗粒加速度：
[0034][0035][0036]式中，下标i表示目标SPH颗粒；下标j表示目标颗粒影响域内的其他SPH颗粒；N表示影响域内的颗粒总量；p表示压强；m表示SPH颗粒质量；v表示颗粒速度；为光滑核函数梯度算子；γ为常数；ρ表示密度；ρ0表示标准密度；α、β分别表示不同方向，μ
i
、μ
j
分别表述颗粒i与颗粒j的粘性系数，δ
αβ
为克罗内克张量；g表示重力加速度；符号上的箭头表示矢量；
[0037]耦合计算模块，首先搜索在流体SPH颗粒影响域范围内的DEM颗粒，并赋予其标准SPH颗粒相同参数进行合并计算，通过浮力、拖曳力、润滑力计算所得滑坡DEM颗粒耦合力加速度与其反力作用于SPH颗粒的加速度并添加至变形滑坡模拟模块本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.变形滑坡涌浪模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，构建地质、滑坡模型与水体模型，并输入滑坡体与水体力学与材料参数；步骤2，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，设置模型边界条件，滑坡、水体模型施加重力作用，无额外约束，边坡与水体边界设置固定边界；步骤3，进行变形滑坡计算，变形滑坡模拟采用离散元方法，整体滑坡区域由DEM颗粒形成，颗粒之间基于不同接触模型计算受力，更新颗粒的加速度与速度；步骤4，进行水体涌浪计算，水体的模拟采用光滑粒子颗粒流方法，整体水体区域离散为若干个流体SPH颗粒，基于如下公式计算颗粒加速度：PH颗粒，基于如下公式计算颗粒加速度：式中，下标i表示目标SPH颗粒；下标j表示目标颗粒影响域内的其他SPH颗粒；N表示影响域内的颗粒总量；p表示压强；m表示SPH颗粒质量；v表示颗粒速度；为光滑核函数梯度算子；γ为常数；ρ表示密度；ρ0表示标准密度；α、β分别表示不同方向，μ
i
、μ
j
分别表述颗粒i与颗粒j的粘性系数，δ
αβ
为克罗内克张量；g表示重力加速度；符号上的箭头表示矢量；步骤5，进行耦合计算，首先搜索在流体SPH颗粒影响域范围内的DEM颗粒，并赋予其标准SPH颗粒相同参数进行合并计算，通过浮力、拖曳力、润滑力计算所得滑坡DEM颗粒耦合力加速度与其反力作用于SPH颗粒的加速度并添加至步骤3与步骤4中，进行整体的迭代计算、位移更新；步骤6，进行流体SPH颗粒的位移修正，包括以下子步骤：步骤6
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1，根据当前待判断的目标SPH颗粒各个方向光滑长度内是否存在DEM颗粒判断该目标SPH颗粒是否位于自由液面，若存在DEM颗粒，则判断该目标SPH颗粒是位于自由液面，否则判断该目标SPH颗粒是位于自由液面以下；步骤6
‑
2，根据目标SPH颗粒是否位于自由液面，进行不同的修正项计算，其公式如下所示：式中，dt表示时间步长；v
max
表示流场内最大流速；h
i
表示颗粒i的光滑长度；W
ij
表示颗粒i、j的核函数计算值；步骤6
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3，将位移修正项作为当前位移用于步骤5中的位移计算中，更新一个时间步内的颗粒位置。
2.根据权利要求1所述的变形滑坡涌浪模拟方法，其特征在于：其中，在步骤4中压强p计算公式如下：3.根据权利要求1所述的变形滑坡涌浪模拟方法，其特征在于：其中，在步骤4中，密度梯度dρ/dt计算公式如下：式中，ξ为耗散系数；h表示SPH颗粒的光滑长度；c0表示整个流场的声速。4.根据权利要求1所述的变形滑坡涌浪模拟方法，其特征在于：其中，在步骤5中，标准SPH颗粒为密度设置为ρ0，体积与初始排布粒子相同的SPH颗粒；标准SPH颗粒相同参数包括密度、质量、光滑长度。5.变形滑坡涌浪模拟装置，其特征在于，包括：建模模块，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，构建地质、滑坡模型与水体模型，并输入滑坡体与水体力学与材料参数；参数设置模块，根据待模拟的实际滑坡体和水体情况，设置模型边界条件，滑坡、水体模型施加重力作用，无额外约束，边坡与水体边界设置固定边界；变形滑坡模拟模块，进行变形滑坡计算，采用离散元方法，整体滑坡区域由DEM颗粒形成，颗粒之间基于不同接触模型计算受力，...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，李阳，杨磊，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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