一种基于SPH-DEM耦合与多相流理论的基础冲刷流-固-土耦合仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SPH

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPH
‑
DEM耦合与多相流理论的基础冲刷流
‑
固
‑
土耦合仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种基于SPH
‑
DEM耦合与多相流理论、考虑流固耦合的冲刷仿真方法，具体涉及一种基于SPH多相流算法二次开发，引入DEM计算理论及多种实验准则进行冲刷下流
‑
固
‑
土耦合的全过程实时精细化模拟，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；现有的数值模型基本将冲刷基础作为固定边界处理，几乎未见实时分析冲刷掏空对基础稳定性的研究，亦未见考虑基础挤压力对泥沙起动影响的案例，缺少研究基础冲刷背景下，模拟流
‑
固
‑
土多场耦合效应的有效工具。
[0003]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。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；离散元(DEM)算法同属于基于拉格朗日形式的数值求解法，常用来进行结构物大变形、破碎等强非线性力学行为的模拟，与SPH有较好的兼容性。然而，现阶段基于SPH
‑
DEM耦合的冲刷模拟研究、应用案例较少，缺少相关算法的设计方案，亟待进一步解决。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：基于SPH
‑
DEM耦合与多相流理论、考虑流
‑
固耦合计算，引入多项理论或实验准则进行基础冲刷背景下流
‑
固
‑
土耦合全过程的精细化模拟，从而实现实时分析冲刷掏空下基础动力响应，并考虑基础挤压力对泥沙起动影响，具有易程序化实现，精确度高，可操作性强等特点。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]一种基于SPH
‑
DEM耦合与多相流理论的基础冲刷流
‑
固
‑
土耦合仿真方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，构建粒子模型，基于多相流理论设定流体粒子及床沙粒子，基于DEM理论设定刚体粒子；具体步骤如下：
[0008]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，基于HBP模型，确定土体粘度
μ
HBP
；
[0009][0010]其中，τ
c
为模型材料屈服应力，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1.2、引入DP屈服准则，计算具体材料屈服应力τ
y
：
[0012]步骤1.3、将步骤1.2所得具体材料屈服应力τ
y
代入步骤1.1所述土体粘度μ
HBP
计算公式，替换模型材料屈服应力τ
c
，确立土体粘度计算模型；
[0013]步骤1.4、基于DEM理论设定刚体粒子，确立刚体粒子间法向接触刚度K
n
、法向接触阻尼γ
n
、切向接触刚度K
t
以及切向接触阻尼γ
t
；
[0014]步骤1.5、基于步骤1.4所得刚体粒子间法向接触刚度K
n
、法向接触阻尼γ
n
、切向接触刚度K
t
以及切向接触阻尼γ
t
，计算法向接触力F
n
及切向接触力F
t
；
[0015]步骤2，基于步骤1所得粒子模型，引入流
‑
固耦合理论修正流体控制方程，进行流体粒子的控制求解，具体步骤为：
[0016]步骤2.1，引入粒子流固耦合力F
fs
，修正流体动量守恒方程；
[0017]步骤2.2，基于SPH算法的核函数理论，给出步骤2.1所得流体动量守恒方程的离散形式：
[0018]步骤3，基于步骤1所得粒子模型，结合牛顿第二定律，考虑步骤2所得粒子流固耦合力F
fs
,，修正刚体粒子控制方程并求解：
[0019]步骤4，基于步骤1所得粒子模型，引入泥沙颗粒Shield准则，考虑步骤1所得流
‑
土耦合力、步骤2所得固
‑
土耦合力修正泥沙起动模型，进行基础冲刷控制求解；具体步骤如下：
[0020]步骤4.1、基于步骤2动量方程获得流体粒子速度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
：
[0021]步骤4.2、基于步骤1.1所得土体粒子粘度μ
HBP
模型，引入泥沙颗粒Shield准则，计算泥沙起动临界应力τ
cr,0
；
[0022]步骤4.3、基于步骤4.2所得泥沙起动临界应力τ
cr,0
，引入步骤2所得泥沙粒子与刚体粒子流
‑
固耦合力F
fs
,计算考虑外加荷载及边坡效应的修正泥沙起动临界应力τ
vr
；
[0023]步骤4.4、基于步骤4.1所得流体切应力τ
b
及步骤4.3所得修正泥沙起动临界应力τ
cr
判断泥沙粒子起动状态，若满足τ
cr
≥τ
b
，则将τ
cr
代入步骤1.1所述公式，替换屈服应力τ
cr
，更新床沙粒子粘度μ
HBP
以作为推移质粒子，不满足条件则按步骤1.2至步骤1.3处理；
[0024]步骤4.5、根据步骤4.4所得推移质粒子，引入Mastbergen公式计算推移质转化悬疑质临界流速u
lift
，若满足流体粒子流速u≥u
lift
,则转化为悬疑质粒子，并计算等效粘度μ
lift
替换床沙粒子粘度μ
HBP
，若不满足条件，则不予处理；
[0025]步骤4.6、根据步骤4.5所得悬疑质粒子，引入Mastbergen公式，计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPH
‑
DEM耦合与多相流理论的基础冲刷流
‑
固
‑
土耦合仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，构建粒子模型，基于多相流理论设定流体粒子及床沙粒子，基于DEM理论设定刚体粒子；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，基于HBP模型，确定土体粘度μ
HBP
；其中，τ
c
为模型材料屈服应力，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1.2、引入DP屈服准则，计算具体材料屈服应力τ
y
：步骤1.3、将步骤1.2所得具体材料屈服应力τ
y
代入步骤1.1所述土体粘度μ
HBP
计算公式，替换模型材料屈服应力τ
c
，确立土体粘度计算模型；步骤1.4、基于DEM理论设定刚体粒子，确立刚体粒子间法向接触刚度K
n
、法向接触阻尼γ
n
、切向接触刚度K
t
以及切向接触阻尼γ
t
；步骤1.5、基于步骤1.4所得刚体粒子间法向接触刚度K
n
、法向接触阻尼γ
n
、切向接触刚度J
t
以及切向接触阻尼γ
t
，计算法向接触力F
n
及切向接触力F
t
；步骤2，基于步骤1所得粒子模型，引入流
‑
固耦合理论修正流体控制方程，进行流体粒子的控制求解，具体步骤为：步骤2.1，引入粒子流固耦合力F
fs
，修正流体动量守恒方程；步骤2.2，基于SPH算法的核函数理论，给出步骤2.1所得流体动量守恒方程的离散形式：步骤3，基于步骤1所得粒子模型，结合牛顿第二定律，考虑步骤2所得粒子流固耦合力F
fs
,，修正刚体粒子控制方程并求解：步骤4，基于步骤1所得粒子模型，引入泥沙颗粒Shield准则，考虑步骤1所得流
‑
土耦合力、步骤2所得固
‑
土耦合力修正泥沙起动模型，进行基础冲刷控制求解；具体步骤如下：步骤4.1、基于步骤2动量方程获得流体粒子速度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4.2、基于步骤1.1所得土体粒子粘度μ
HBP
模型，引入泥沙颗粒Shield准则，计算泥沙起动临界应力τ
cr,0
；步骤4.3、基于步骤4.2所得泥沙起动临界应力τ
cr,0
，引入步骤2所得泥沙粒子与刚体粒子流
‑
固耦合力F
fs
,计算考虑外加荷载及边坡效应的修正泥沙起动临界应力τ
cr
；步骤4.4、基于步骤4.1所得流体切应力τ
b
及步骤4.3所得修正泥沙起动临界应力τ
cr
判断泥沙粒子起动状态，若满足τ
cr
≥τ
b
，则将τ
cr
代入步骤1.1所述公式，替换屈服应力τ
cr
，更新床沙粒子粘度μ
HBP
以作为推移质粒子，不满足条件则按步骤1.2至步骤1.3处理；步骤4.5、根据步骤4.4所得推移质粒子，引入Mastbergen公式计算推移质转化悬疑质临界流速u
lift
，若满足流体粒子流速u≥u
lift
,则转化为悬疑质粒子，并计算等效粘度μ
lift
替换床沙粒子粘度μ
HBP
，若不满足条件，则不予处理；
步骤4.6、根据步骤4.5所得悬疑质粒子，引入Mastbergen公式，计算悬疑质转化推移质临界流速u
set
，若满足粒子实际流速u≤u
set
，则转化为推移质粒子，并按步骤4.4处理，若不满足条件，则不予处理；步骤5，重复步骤1至步骤4，直至求解完成。2.根据权利要求1所述的基于SPH
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DEM耦合与多相流理论的基础冲刷流
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固
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土耦合仿真方法，其特征在于，所述步骤1.2中，材料屈服应力τ
y
计算如下：|τ
y
|＝αp+β其中，p为饱和泥沙粒子上作用的静水压力，α与β均由Mohr
‑
Coulomb屈服准则参数给出，计算公式如下：其中：θ为内摩擦角，c为土体粘聚力。3.根据权利要求1所述的基于SPH
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DEM耦合与多相流理论的基础冲刷流
‑
固
‑
土耦合仿真方法，其特征在于，所述步骤1.4中，刚体粒子间法向接触刚度K
n
、法向接触阻尼γ
n
、切向接触刚度K
t
以及切向接触阻尼γ
t
计算如下：其中，C
n
...

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