一种冰岩碎屑体固-流转化运动的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及数值仿真技术领域，具体公开了一种冰岩碎屑体固

【技术实现步骤摘要】
一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及数值仿真
，尤其涉及一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法
。

技术介绍

[0002]冰
‑
岩碎屑流是高寒地区陡峭山体斜坡区滑坡
、
冰崩或岩崩解体后形成的冰屑
、
岩块和土颗粒混合体高速流动的现象；由于裹挟了冰屑，冰
‑
岩碎屑流具有超强运动性和危害性，经常引发令世人震惊的灾难性事件，也是全球升温变暖背景下地质灾害研究的热点与前沿问题；因此通过对冰岩碎屑体固
‑
流转化运动进行仿真模拟，对预测和控制相关事故灾害具有重要的意义
。
[0003]在现有技术中，可以采用物理试验装置来模拟冰岩碎屑体固
‑
流转化运动，例如专利
CN 116358828 A
所公开的一种模拟高速冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的试验系统；但物理试验方法存在周期长
、
成本高
、
以及制样难以保证实验效果和现场流体一致等问题；而冰岩碎屑体固
‑
流转化运动是个复杂的多状态转化运动过程，需要一种更加精细的方式来真实地模拟冰岩碎屑体固
‑
流转化运动
。
在传统使用网格的
CFD(Computational Fluid Dynamics
，计算流体动力学
)
方法中，生成一个“最优网格”非常耗时，并且很难模拟自由表面流动或复杂的边界几何
。
[0004]因此，为解决上述问题，就需要一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，能够更加真实地模拟冰岩碎屑体固
‑
流转化运动，使得模拟结果更贴合实际情况
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，能够更加真实地模拟冰岩碎屑体固
‑
流转化运动，使得模拟结果更贴合实际情况
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术特提供了一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，首先根据
MPS
方法建立冰岩碎屑体仿真模型，所述冰岩碎屑体仿真模型包括
MPS
流体域和位于
MPS
流体域内的
MPS
粒子，将
MPS
粒子中的固体粒子视为流体粒子并与流体粒子一同进行数值计算；所述数值计算包括以下步骤：
[0007]S11
：在开始并初始化后，基于所确定得所有粒子位置，计算粒子数密度；
[0008]S12
：根据应变确定碎屑体在不同状态下的屈服应力；
[0009]S13
：基于上述所确定的屈服应力，计算出碎屑体在不同状态下的动力粘性系数；
[0010]S14
：采用拉普拉斯模型和梯度模型对控制方程离散化，计算外力和粘性项；
[0011]S15
：更新粒子位置；
[0012]S16
：计算位置更新后的粒子数密度；
[0013]S17
：使用拉普拉斯模型来离散计算压力泊松方程；
[0014]S18
：基于压力泊松方程计算粒子所受压力，而后采用梯度模型计算压力梯度项；
[0015]S19
：基于上述所求结果，对粒子的速度和位置进行修正，得出冰岩碎屑体固
‑
流转
化运动的数值模拟结果
。
[0016]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S19
中，判断模拟时间步数是否达到预设值，若未达到预设值，则返回步骤
S11
，否则停止模拟
。
[0017]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S11
中，得出所有粒子的位置，粒子数密度会受到在有效半径内的相邻粒子的影响，并遵循权重函数：
[0018][0019]其中，
w
ij
(r
ij
)
是粒子
i
和粒子
j
之间的权值函数，
r
e
是有效半径；
[0020]然后基于所求所有粒子间的权重后，对其进行加和即可得到粒子数密度
。
[0021]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S12
中，首先对粒子的相对位移方程进行离散化得出应变；
[0022]然后对得出的应变与其在峰值状态
、
残余状态和流体状态下的塑性偏差应变进行比较，从而确定该碎屑体表现为固态
、
过渡态或者流态
。
[0023]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S13
中，首先基于
MPS
梯度模型对速度梯度项离散化求出速度梯度张量，并根据所求结果得到剪切速率；
[0024]然后将上述所得到的剪切速率带入宾汉姆模型中，计算得到碎屑体不同状态下的动力粘性系数；
[0025]所述宾汉姆模型的本构关系表达式为：
[0026][0027]其中，
τ
为剪切应力，
μ
为粘性系数，为剪切速率，
τ
y
为屈服剪应力
。
[0028]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S14
中，首先计算所有粒子在其相邻区域的最小压力，然后基于
MPS
方法通过使用拉普拉斯模型和梯度模型对控制方程离散化，得出流体粒子所受压力；
[0029]所述拉普拉斯模型为：
[0030][0031][0032]其中，为粒子
i
的任意标量量，
d
为空间维数，
n0为初始粒子数密度；
[0033]所述梯度模型为：
[0034][0035]其中，
p
为压力
。
[0036]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S18
中，所述基于压力泊松方程计算粒子所受压力包括：首先对压力泊松方程的等式左侧用拉普拉斯模型进行离散化，等式的右侧表示粒子数密度的偏差；
[0037]所述压力泊松方程为：
[0038][0039]其中，
ρ
为密度，
Δ
t
为时间步的大小；
[0040]然后通过联立方程用线性对称矩阵表示，并用不完全
Cholesky
共轭梯度法求解得到粒子所受压力
。
[0041]作为对上述技术方案的进一步改进，在步骤
S18
中，使用
MPS
梯度模型计算出压力梯度项
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，其特征在于，首先根据
MPS
方法建立冰岩碎屑体仿真模型，所述冰岩碎屑体仿真模型包括
MPS
流体域和位于
MPS
流体域内的
MPS
粒子，将
MPS
粒子中的固体粒子视为流体粒子并与流体粒子一同进行数值计算；所述数值计算包括以下步骤：
S11
：在开始并初始化后，基于所确定得所有粒子位置，计算粒子数密度；
S12
：根据应变确定碎屑体在不同状态下的屈服应力；
S13
：基于上述所确定的屈服应力，计算出碎屑体在不同状态下的动力粘性系数；
S14
：采用拉普拉斯模型和梯度模型对控制方程离散化，计算外力和粘性项；
S15
：更新粒子位置；
S16
：计算位置更新后的粒子数密度；
S17
：使用拉普拉斯模型来离散计算压力泊松方程；
S18
：基于压力泊松方程计算粒子所受压力，而后采用梯度模型计算压力梯度项；
S19
：基于上述所求结果，对粒子的速度和位置进行修正，得出冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟结果
。2.
根据权利要求1所述的一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，其特征在于：在步骤
S19
中，判断模拟时间步数是否达到预设值，若未达到预设值，则返回步骤
S11
，否则停止模拟
。3.
根据权利要求1或2所述的一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，其特征在于：在步骤
S11
中，得出所有粒子的位置，粒子数密度会受到在有效半径内的相邻粒子的影响，并遵循权重函数：其中，
w
ij
(r
ij
)
是粒子
i
和粒子
j
之间的权值函数，
r
e
是有效半径；然后基于所求所有粒子间的权重后，对其进行加和即可得到粒子数密度
。4.
根据权利要求3所述的一种冰岩碎屑体固
‑
流转化运动的数值模拟方法，其特征在于：在步骤
S12
中，首先对粒子的相对位移方程进行离散化得出应变；然后对得出的应变与其在峰值状态
、

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宜祥，谌业钦，孔令超，黄达，钟助，向碧为，雷小芹，岑夺丰，刘牧冲，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：