一种基于DEM-CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于DEM

【技术实现步骤摘要】
一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统


[0001]本专利技术属于混凝土相关
，尤其涉及一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]随着社会经济的发展和需要，我国铁路、公路隧道的建设数量和规模逐年增加。衬砌支护对隧道安全施工、安全运营起着关键作用。
[0004]在当前我国隧道工程建设机械化的发展背景下，喷射混凝土工艺在隧道衬砌支护过程中得到了广泛应用，其通过泵送压力，将成品混凝土输送到喷嘴处与速凝剂混合后形成原料，利用高压空气喷至隧道围岩，使围岩体成为强度高、稳定性好的新结构体，从而达到隧道围岩支护的目的。
[0005]混凝土喷射工艺经历了从干喷到潮喷再到湿喷的发展阶段。目前，湿喷混凝土在隧道支护中占据了主导地位，湿喷技术虽然大幅降低干喷作业中固有的回弹率高、粉尘量大、施工质量低等问题，但由于缺乏对湿喷理论的深入研究，湿喷混凝土回弹率高的问题仍然存在，严重影响隧道施工的速度及质量。据统计，隧道施工中混凝土回弹率普遍大于12％，隧道顶部最大可达30％，成本损失约100万元/公里。
[0006]国内外学者大都通过理论计算、室内试验、现场试验、计算流体或离散元数值模拟的方法对湿喷混凝土射流流场进行分析模拟，由于宏观试验手段难以深入探究其内部运动机理，单一数值计算方法难以准确描述湿喷混凝土颗粒流的运动状态及规律，无法通过理论指导实际施工中混凝土的回弹量。

技术实现思路

[0007]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统，采用离散元(DEM)与计算流体力学(CFD)耦合计算方法模拟湿喷混凝土喷射过程，通过改变颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数，使得计算中颗粒回弹率最小，以表征混凝土回弹率最小，同时基于室内试验建立的细观参数与混凝土材料特性参数的关系，确定颗粒回弹率最小时的细观参数所对应的湿喷混凝土回弹率最小时的宏观特性参数，从而深入湿喷混凝土回弹机理研究，实现湿喷技术中混凝土材料的有效优化。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，包括：
[0009]获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、射流参数，根据几何参数、运动参数基于DEM建立混凝土颗粒计算模型；
[0010]获取已拌混凝土材料特性参数，根据混凝土特性参数标定混凝土颗粒计算模型下颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数；
[0011]根据喷射混凝土的射流参数基于CFD建立高压空气流场计算模型；
[0012]混凝土颗粒计算模型与高压空气流场计算模型耦合计算模拟，改变混凝土颗粒计算模型的细观参数，对混凝土材料特性参数进行优化。
[0013]本专利技术的第二个方面提出一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化系统，其特征在于，包括：
[0014]混凝土颗粒计算模型构建模块：获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、射流参数，根据几何参数、运动参数基于DEM建立混凝土颗粒计算模型；
[0015]混凝土颗粒标定模块：获取已拌混凝土材料特性参数，根据混凝土特性参数标定混凝土颗粒计算模型下颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数；
[0016]高压空气流场计算模型构建模块：根据喷射混凝土的射流参数基于CFD建立高压空气流场计算模型；
[0017]仿真和优化模块：混凝土颗粒计算模型与高压空气流场计算模型耦合计算模拟，改变混凝土颗粒计算模型的细观参数，对混凝土材料特性参数进行优化。
[0018]本专利技术的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。
[0019]本专利技术的第四个方面提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。
[0020]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0021]1、本专利技术针对喷射混凝土工艺，建立了高速高压空气与混凝土颗粒的流固耦合计算模型，为喷射混凝土工艺的机理研究提供了数值模拟基础。
[0022]2、本专利技术有效模拟喷射混凝土作业中，混凝土颗粒在高速高压空气作用下的运动特征及力学特征，克服了宏观试验手段操作难度大、试验精度差等问题。
[0023]3、本专利技术同时考虑混凝土材料的多组特性参数组合，得到降低混凝土回弹率的最优效果，克服了宏观试验手段变量控制难度大，试验材料成本高等问题。
[0024]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0025]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0026]图1为本专利技术实施例一中混凝土喷射过程模拟实现的计算流程；
[0027]图2是本专利技术实施例一中单个混凝土颗粒与高压空气系统模拟示意图；
[0028]图3是本专利技术实施例一中流体系统网格划分示意图；
[0029]图4是本专利技术实施例一中计算模型示意图。
[0030]附图说明，1、高压空气系统，2、混凝土颗粒，3、喷嘴，4、射流区
具体实施方式
[0031]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0032]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。
[0033]在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]实施例一
[0035]如图1
‑
图4所示，本实施例公开了一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，包括：
[0036]获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、射流参数，根据几何参数、运动参数基于DEM建立混凝土颗粒计算模型；
[0037]获取已拌混凝土材料特性参数，根据混凝土特性参数标定混凝土颗粒计算模型下颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数；
[0038]根据喷射混凝土的射流参数基于CFD建立高压空气流场计算模型；
[0039]混凝土颗粒计算模型与高压空气流场计算模型耦合计算模拟，改变混凝土颗粒计算模型的细观参数，对混凝土材料特性参数进行优化。
[0040]在本实施例中，步骤1：获取新拌混凝土特性参数。
[0041]对现场或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DEM
‑
CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，其特征在于，包括：获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、射流参数，根据几何参数、运动参数基于DEM建立混凝土颗粒计算模型；获取已拌混凝土材料特性参数，根据混凝土特性参数标定混凝土颗粒计算模型下颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数；根据喷射混凝土的射流参数基于CFD建立高压空气流场计算模型；混凝土颗粒计算模型与高压空气流场计算模型耦合计算模拟，改变混凝土颗粒计算模型的细观参数，对混凝土材料特性参数进行优化。2.如权利要求1所述的一种基于DEM
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CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，其特征在于，对现场或者试验室内所需新拌混凝土进行混凝土试验，获取混凝土材料特性参数，所述混凝土材料特性参数包括密度、颗粒级配、流动性、保水性、黏聚性、强度。3.如权利要求1所述的一种基于DEM
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CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，其特征在于，通过高速摄像设备拍摄施工现场或试验室内混凝土喷射过程，获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、以及湿喷机的射流参数；所述几何参数包括喷射混凝土颗粒大小、形态，所述运动参数包括喷射混凝土的飞行轨迹、初始速度；所述射流参数包括湿喷机的工作风压、喷嘴至工作面的喷射距离、射流区形态。4.如权利要求1所述的一种基于DEM
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CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，其特征在于，所述颗粒与平面接触模型的细观参数包括摩擦系数、弹性模量、刚度、粘结强度；所述颗粒与颗粒接触的细观参数包括：摩擦系数、弹性模量、刚度、粘结强度。5.如权利要求1所述的一种基于DEM
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CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，其特征在于，采用粗粒化方法对耦合计算模型进行修正，所述粗粒化方法是基于冲量定理和能量守恒。6.如权利要求4所述的一种基于DEM
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【专利技术属性】
技术研发人员：周宗青，高天，褚开维，刘聪，刘洪亮，白松松，靳高汉，孙基伟，刘雨函，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：