一种基于离散元孔隙密度流法的三维流固耦合数值模拟方法技术

一种基于离散元孔隙密度流法的三维流固耦合数值模拟方法，1)实现离散元堆积体孔隙网格的快速检索和建模，基于固体颗粒堆积骨架及孔隙网络模型的孔隙

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元孔隙密度流法的三维流固耦合数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及离散元流固耦合模拟领域，具体而言涉及一种基于离散元孔隙密度流法的三维流固耦合数值模拟方法。

技术介绍

[0002]颗粒离散元法能有效地表征岩土体的非连续性及大变形，在地质和岩土工程领域中具有广泛的应用需求。现代工程建设中面临的复杂流固耦合问题越来越多，如滑坡涌浪、水力压裂、隧道突水和工程注浆等，开展孔隙尺度颗粒—流体的相关数值模拟工作，揭示孔隙尺度流—固相互作用的细观机制，对工程建设、地质灾害预防及油气藏资源的开采具有指导意义，并且对离散元法的流固耦合理论和软件系统研发提出了更高的要求。由于颗粒材料与流体力学本身的复杂性，以及实际问题的多尺度多物理场多相耦合作用，不同的数值耦合方法往往都有其优势与局限性。目前，已经发展成熟的数值耦合方法主要有DEM
‑
CFD、DEM
‑
LBM和DEM
‑
SPH等，但它们对解决孔隙尺度流固耦合问题存在着局限性较大、计算效率过低、稳定性与精度较差的问题。因此，需要从孔隙尺度的流体表征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离散元孔隙密度流法的三维流固耦合数值模拟方法，其特征是，包括以下步骤：(1)实现离散元堆积体孔隙网格的快速检索和建模：基于固体颗粒堆积骨架及孔隙网络模型的孔隙
‑
孔喉通道，对计算流体域进行网格剖分：直接由颗粒球心表征的“点”出发，基于Delaunay三角剖分算法建立三维四面体流体计算网格；同时考虑计算过程中颗粒运动引起的网格重新划分；(2)计算孔隙网格几何参数：根据颗粒半径与颗粒坐标，计算网格单元中有效流体体积、实际渗流通道面积等几何参数；(3)建立三维离散元流固耦合数值模拟模型；构建处理流体渗流、流
‑
固作用、固
‑
流作用的程序模块，在上述基础上，采用显式时间步迭代算法实现三维离散元流固耦合计算模型；步骤10通过成熟的Delaunay三角剖分算法构建孔隙网络，运用α形边界识别技术对边界狭长的畸形孔隙做删减处理；步骤10中，通过较为成熟的Delaunay三角剖分算法构建孔隙网络，由固体颗粒中心(点)出发，构建四面体流体计算网格，每一四面体为一孔隙流体单元，相邻四面体的连通面构成孔隙渗流通道，由于该算法的凸包属性，运用α形边界识别技术对边界狭长的畸形孔隙做删减处理，以使程序稳定运行；步骤11基于颗粒半径与颗粒坐标，计算网格单元中有效流体体积、实际渗流通道面积几何参数；步骤11根据已知的颗粒半径、颗粒坐标参数，计算孔隙网络渗流通道面积、孔隙流体单元体积；步骤12构建处理流体渗流、流
‑
固作用、固
‑
流作用的相关程序模块，运用时间步迭代算法实现流固耦合计算模型；步骤12引入流体压缩方程、水流连续性方程、密度定义公式等公式，构建处理流体渗流、流
‑
固作用、固
‑
流作用的相关程序模块，在此基础上运用时间步迭代算法完成流固耦合计算模型。2.根据权利要求1所述的基于离散元孔隙密度流法的三维流固耦合数值模拟方法，其特征是，步骤11中孔隙网络渗流通道面积、孔隙流体单元体积的具体计算方法步骤如下：步骤20计算孔隙网络渗流通道面积，计算公式如下：A
void
＝A0‑
∑A
i
+∑A
i
∩A
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中A
void
为孔隙通道面积(图7中S)，A0为颗粒中心围成的三角形的面积(图7中
△
P1P2P3)，A
i
(i＝1,2,3)为三角形内角对应的扇形面积，A
i
∩A
j
为两扇形重叠区域的面积；对于单个三角形，每个顶点对应着一个固体颗粒，其几何坐标与半径已知；设三条边分别为l
i
,l
j
,l
k
，三个内角弧度分别为θ
i
,θ
j
,θ
k
，三个单元半径分别为r
i
,r
j
,r
k
，则三个内角对应的扇形面积和：当l
i
<r
j
+r
k
时，两圆相交，此时需要求解两圆弧交点与两圆心构成的三角形，由于该三角形三条边已知，根据海伦
‑
秦九韶公式：
其中a,b,c分别为三角形三边长，对应两相交颗粒的距离及半径，S为三角形面积；两圆相交面积可通过两小扇形面积与三角形面积计算得到，其中通过底边对应的高及反正弦公式可求得两小扇形的面积；步骤21计算孔隙流体单元体积，计算公式如下：V
void
＝V0‑
∑V
i
+∑V
i
∩V<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉，刘春，曹政，朱莉莉，张鸿勇，
申请(专利权)人：南京南力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：