库岸滑坡涌浪模拟的统一粒子法研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:love56789
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水库边坡失稳造成的滑坡涌浪问题,在数值计算上可看成是一个主要由岩土滑坡体、水流体以及大气组成的多相流问题。该问题的数值计算极其复杂。随着这方面相关理论和应用工作的发展,现有分析方法的局限性越来越突出,迫切需要开发新的替代方法来解决这类流固耦合作用计算困难的问题。本文在对滑坡涌浪问题的相关研究进展及成果进行调研与分析后,构建了统一粒子法的流固耦合模型及算法,实现了流体、固体在同一框架下的耦合处理,最终对库区边坡失稳产生的滑坡涌浪全过程进行了模拟分析,为虚实融合动态演化提供了全面而准确的数据,并可为实际环境下更好的评估、控制和管理滑坡涌浪这类危害的风险提供指导。全文主要工作如下:(1)分析当前滑坡涌浪流固耦合模拟相关领域的研究现状,确定实现了基础粒子方法的框架。涉及到调研固流交互演化模拟技术,包括提高计算效率、保证流固交界面处流体密度和压力的均匀分布、防止流体粒子从固体边界穿透的方法等,确定了基于图形处理单元实现弱可压缩光滑粒子流体力学粒子法理论模型的开源框架。(2)在基础框架下实施减少弱可压缩流体密度波动的方法。涉及到在基本的弱可压缩光滑粒子流体力学模型及已有的实施框架下,将密度场的拉普拉斯算子添加到连续性方程中,使得在模拟自由表面大变形流动问题时能避免产生粒子穿透、边界粒子和流体粒子之间的大间隙以及边界粒子处的非物理高压值问题。(3)研究面向粒子计算前处理阶段的粒子均匀化布置问题。具体涉及到结合纵横等距切分及网格拓扑优化技术对区域进行离散的工作,包括规则简单面域以及不规则复杂面域的离散,并通过算例将本文所提出的方法与当前常用的方法进行了比较分析。(4)研究刚体与流体的耦合计算问题。涉及到结合光滑粒子动力学法和离散元粒子法,建立起处理离散块体与流体相互作用的统一粒子模型,离散任意形状固体,模拟两相流中具有6自由度的固体与流体相互作用的动力学过程。(5)研究非牛顿流体和牛顿流体之间耦合计算的问题。具体涉及到基于弱可压缩光滑粒子流动力学方法,结合Shields准则、Drucker-Prager屈服准则以及悬浮层力学模型,建立起模拟细小岩土颗粒滑坡涌浪的两相流数值模型的工作。(6)结合文献中的物理实验对所提出理论模型进行验证分析,最终将研究成果应用到实际滑坡涌浪事件的模拟当中。具体包括研究理论模型模拟值、实验及现场数据估测值之间的关系,涉及到实验设计、数据的处理与对比分析工作。本文的主要创新点为:1)在连续性方程中引入扩散项,以减少弱可压缩流体密度波动的问题;2)提出了一种在粒子法计算的前处理过程中均匀化布置粒子的方法,以提高计算的稳定性和精准度;3)建立了结合光滑粒子动力学法和离散元粒子法的统一粒子模型,用以解决块体滑坡涌浪问题的模拟;4)建立了基于光滑粒子动力学的两相数值模型,解决非牛顿流体和牛顿流体耦合计算的问题,用以处理大量细小岩土颗粒滑坡涌浪的计算;5)将细小岩土颗粒滑坡涌浪计算模型应用到2013年云南黄坪滑坡涌浪事件的模拟当中,得到了较为准确的涌浪高度数值以及完整的滑坡涌浪过程,为虚实融合动态演化提供了更全面和相对准确的数据。本文针对库岸滑坡涌浪现象中的大规模构造物演化与固流交互模拟的问题,在数值模拟方法及其实施上进行了一些有益的探索,希望为设计或研究人员提供有价值的参考。
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