基于物质点法的远程滑坡碎屑流运动过程模拟及特征分析

目的 研究远程滑坡碎屑流运动过程以及运动过程中速度、滑动距离、动能变化,为滑坡碎屑流灾害的预防和治理提供参考。方法 基于物质点法,以塔合曼和乱石包两个远程滑坡碎屑流工程实例为背景,对两个滑坡碎屑流的运动过程进行数值模拟;并对塔合曼滑坡碎屑流运动过程中水平、垂直方向运动速度分布,内摩擦角对运动过程的影响,以及乱石包滑坡碎屑流铲刮效应对堆积形态、动能变化的影响进行分析。结果 两个滑坡碎屑流最终堆积形态模拟结果与实测结果吻合良好,验证了数值模拟结果的有效性;塔合曼滑坡碎屑流随着内摩擦角从18°增加到33°,动能峰值降低71.4%,最终势能增加54.4%,滑坡碎屑流的能量耗散减小47.8%;在乱石包滑坡碎屑流实例的模拟中,速度云图呈现了滑体速度场的层状分布特征。结论 内摩擦角对滑坡碎屑流的动力过程影响十分显著;乱石包滑坡碎屑流的滑体在高速滑移阶段存在强烈的内部剪切作用,并且铲刮效应对滑坡碎屑流的运动起到了一定的阻碍作用。     

悬移质泥沙运动过程模拟分析

为了实现悬移质泥沙运动过程的模拟分析,应用联合k-ε紊流方程和悬沙输运方程的单流体模型,采用有限体积数值方法对其离散求解,分别对净冲刷和净淤积试验算例进行了计算模拟,计算结果与试验结果吻合良好,说明该模型是正确有效的,可以用来模拟悬移质泥沙的运动问题.分别对两个试验中泥沙上扬和沉降的运动过程进行数值模拟,结果表明:净冲刷和净淤积试验中泥沙开始上扬和沉降直至稳定状态分别运行24 s和35 s.采用单流体模型可以有效地对悬移质泥沙运动过程进行数值模拟,为河流海岸工程中的水沙研究提供可靠的参考和依据.     

二维含动边界流场的并行计算

将并行计算方法应用于含运动边界流场的数值模拟,采用弹簧方法生成非结构运动网格.并行程序结构采用主从模式,主进程只负责数据的发送和接收,每个从进程的计算任务对应一个子区域.通过守恒型ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方程的求解,对NACA0012翼型振动问题进行了数值模拟,并对不同分区数目情况下的计算时间、并行计算加速比和并行计算效率进行了比较.算例结果表明,随着分区数的增加,进行计算CPU的效率先增加后下降,而并行计算的加速比不断增加.     

不同释放力组合下小型外挂物投放的数值模拟

将嵌套方法和结构网格相结合,提出了一种高效的时间精确数值计算方法,对不同释放力下小型外挂物的投放进行了数值模拟.该模拟在有实验验证算例的基础上进行.首先对马赫数Ma=0.95下从机翼上挂载投放弹体过程进行了分析,并将模拟结果与实验结果进行比较,二者具有很好的一致性,表明该方法的准确性和可靠性.利用上述方法对一小型弹药在不同释放力组合下的投放进行了数值模拟.结果表明,投放物和释放力的参数特性对投放后物体的运动影响较大,尤其是前端释放力的大小和作用位置对该弹药投放后的俯仰角影响显著.对同一投放物来说,释放力参数的准确程度决定着数值模拟的准确性.计算结果为气动设计及有控投放提供了依据.     

复杂结构内爆炸冲击波传播的大规模计算方法研究

为研究爆炸冲击波在矿井巷道等复杂地下密闭空间内的传播过程及衰减规律，提出了一种基于数据流的分块续算方法.该方法解决了计算资源的大量浪费问题，实现了大尺寸复杂地下密闭空间内冲击波传播的大规模、高效率、高精度数值模拟.方形坑道内爆过程的数值结果与实验结果基本一致，证明了该计算方法的准确性.标准模型算例全尺寸计算与分块续算数值模拟结果的误差在0.33%以内，且续算方法在给定算例下相比普通全尺寸计算节约了88.68%的计算核时，证明该方法不仅能保证计算过程的准确性，而且还极大地提高了计算效率.同时，对一个包含长方体型工房和圆柱形分叉泄压洞的大尺寸复杂结构内的爆炸问题进行了数值模拟，结果表明：冲击波超压在泄压洞内是以波动衰减的趋势逐渐减小的，且其衰减速度比在自由场的小；T型分流时管道间采用直角交汇或缩小管道直径在一定程度上有利于冲击波超压的衰减.数值模拟结果表明，基于数据流的分块续算方法可用于地下空间等大尺度复杂结构防爆抗爆设计的理论指导.     

基于GPU的岩石碎屑流与拦砂坝交互场景的三维建模与可视化

针对近年来岩石碎屑流灾害频发现象,并结合当前岩石碎屑流建模与可视化的需要,通过三维可视化模拟岩石碎屑流形成后,岩石碎屑流蓄满第一级拦砂坝后被第二级拦砂坝拦截的过程,以直观地表达岩石碎屑流现象,再现岩石碎屑流灾害的防灾减灾过程.采用离散元法建立岩石碎屑流模型,在场景中构建拦砂坝和排导槽等防灾设施模型,并对其进行边界处理,充分利用GPU的高度并行性和可编程性,使得利用离散元法模拟大规模岩石碎屑流的计算结果能够满足实时的要求,实现岩石碎屑流与拦砂坝交互场景的三维可视化.实验结果表明:该方法能够模拟出较丰富的岩石碎屑流细节效果,并且能够满足实时性的要求,展示了防灾减灾的过程,为岩石碎屑流防灾减灾的处理设计与施工提供直观的可视化分析平台,有助于岩石碎屑流灾害风险评估后进行岩石碎屑流灾害的防灾减灾措施.     

RTM树脂充模过程的并行计算模拟

引入并行计算方法在集群系统上实现对RTM成型过程的数值模拟,并编写了并行数值模拟软件,模拟二维薄壁构件的RTM工艺的注模过程,得到任意时刻的树脂流动前锋曲线、压力场分布,计算结果与其他研究成果吻合良好.算例结果表明,并行数值模拟方法有效提高了计算效率.     

基于PFC3D和Rockfall的中武山危岩体数值模拟研究

基于颗粒流PFC~(3D)理论及方法,结合无人机高精度航拍影像数据,对中武山危岩体失稳过程进行数值模拟方法研究。通过PFC~(3D)构建三维地质模型进行崩塌模拟,计算得出危岩体的运动路径。在模拟的运动路径中选取6个运动剖面,采用Rockfall软件进行二维运动过程计算,得出腾跃高度、冲击能量、岩块速度等计算结果。中武山危岩体模拟结果表明,PFC~(3D)三维运动模型结合Rockfall软件的数值模拟方法,可较好地模拟危岩体的失稳运动过程。研究方法相比以往研究具有更好的可视化特性,研究得到的相关参数可为后续灾害防治工作提供参考,进而可提出有针对性的治理措施。研究结果对防灾减灾工程具有重要的现实意义。     

基于水气两相流的水布垭电站泄洪雾化有限元分析

泄洪雾化实际上是水气两相流体混合运动的过程。笔者从描述流体运动的质量守恒以及动量守恒方程出发,建立描述泄洪雾化的数学模型,采用有限元法求解模型。求解过程中采取了相应的非线性项求解策略,解决了求解过程中的数值收敛性与稳定性问题。通过与传统的方腔驱动流动算例进行对比,验证了模型的正确性。根据水布垭电站溢洪道及河谷地形地貌建立了三维有限元计算网格,并对其泄洪过程进行了数值模拟,通过与泄洪实测数据对比发现,该数值方法对泄洪雾化过程中的风场、雨场具有较强的预测能力。     

Rosenau-RLW方程的拟紧致C-N守恒差分格式

本文对Rosenau-RLW方程的初边值问题进行了数值研究,提出了一个隐式拟紧致C-N差分格式,该格式很好地模拟了问题的守恒性质.通过Brouwer不动点定理,本文得到了差分解的存在性,给出了解的先验估计和误差估计,并通过离散能量法分析了该格式的稳定性、二阶收敛性和解的唯一性.数值算例表明,该格式是可行的,且相对于一般的二层格式具有更好的计算精度.     

滑坡型泥石流形成机理

滑坡型泥石流是一种特殊的能量转换体运动类型。它是在很短时间内,由滑坡体的位能快速转化为动能的一次性滑动——流动堆积。滑坡型泥石流的活动是由块体在整个连续运动过程中发展的两个阶段(先滑坡,后泥石流)组成。滑坡型泥石流与一般的滑坡、泥石流不同,它兼具滑坡和泥石流的一些特征。滑坡型泥石流速度快,冲击力强,破坏性大。在理论上和国民经济影响方面有独特的研究意义。     

康定雅拉河无名沟崩滑坡面泥石流峰值流速流量的沿程变化特征

在分析崩滑坡面泥石流的基本特征和其峰值流速流量一般规律的基础上 ,以康定雅拉河无名沟 1 995年的百年一遇泥石流为研究示范 ,在了解该流域的基本特征 ,分析该次泥石流的形成、容重、颗粒组成等基本特性的基础上 ,用弯道超高的理论和用古乡沟泥石流建立的流速计算公式 ,计算测量断面的流速及泥石流峰值流速沿程变化。用形态调查法分析计算不同断面的泥石流流量 ,并分析其沿程变化。通过分析可知崩滑坡面泥石流峰值流速与流量在整个流通过程是逐步变化的 ,在靠近物源区 ,流量随着物源的加入逐步增加 ,而流速随着能量的消耗逐渐减少 ;在靠近堆积区由于坡降的减小 ,流速与流量呈减小的趋势。崩滑坡面泥石流峰值流速泥石流流速也有一个相对的匀速段 ,但这个匀速段的长度较短。崩滑坡面泥石流峰值流量过程的沿程变化曲线接近于正态分布。此类泥石流防治中的拦挡措施要注意充分利用其在坡降减小的过程中流速和流量迅速降低的特征 ;而其排导措施要注意到此类泥石流的高阻力特征 ,注意保证排导槽的足够坡度。     

基于OTM方法的超高速碰撞问题数值模拟

最优输运无网格方法（optimal transportation meshfree method,OTM）相比传统的SPH方法,可以有效克服现有显式分析中能量不守恒问题,完全避免SPH方法中存在的拉力不稳定性,并可规避零能模式的出现.本文采用OTM方法对铝制球形弹丸超高速撞击铝合金靶板问题开展了数值模拟研究.为描述铝在高温高压和高应变率条件下的动态力学响应,采用Johnson-Cook材料模型和Mie-Grüneisen状态方程对超高速撞击单层靶板进行数值模拟,得到的弹坑直径、碎片云长度与宽度以及内核碎片云的形态和分布与实验吻合较好.此外,对超高速撞击双层靶板问题也进行了数值模拟,模拟得到的碎片云形貌参数符合实验结果,二次碎片云的模拟长度与实验结果仅相差2.6%.数值模拟结果表明OTM方法非常适合于模拟超高速碰撞问题.      

基于敏感性制图和数值模拟的泥石流综合评价——以九绵高速公路沙尕沟为例

泥石流等地质灾害的评估对于公路选线和安全运营有着重要的意义。随着科技的发展,越来越准确的泥石流评价和预测体系亟待研究。通过现场勘测和无人机解译,利用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)和基于学习优化算法的自适应神经模糊推理系统(TLOA-ANFIS)对泥石流沟进行敏感性评价,并对沙尕沟进行区域划分,结果显示沙尕沟沟口3.5 km范围内泥石流的敏感性评价等级最高。为了更加清楚的研究该范围泥石流的运移堆积情况,对沟内泥石流冲出范围进行数值模拟,结果表明:在降雨频率P=1%的条件下,沙尕沟泥石流流深可达8.76 m,对公路安全运营和基础设施建设有着重要影响,建议相关部门对其进行治理。同时,提供的敏感性制图评价与泥石流危害范围数值模拟结合的方法可以为国内外相似案例提供相关参考。     

内置H型钢泥石流拦挡坝抗块石冲击性能研究

为了解决普通重力式泥石流拦挡坝在泥石流灾害中容易被大块石损毁的问题,充分利用H型钢塑性韧性好、抗冲击性能好的优点,提出了一种内置H型钢的新型泥石流拦挡坝(简称内置H型钢新型坝).运用有限元ABAQUS软件对其进行块石冲击作用下的数值模拟,从坝体的坝底支反力、顶部位移、加速度、能量吸收等方面与普通重力式泥石流拦挡坝进行动力响应的对比分析,结果表明:内置H型钢新型坝的支反力比普通坝可减小约1/2,新型坝的顶部位移是普通坝的9/13.混凝土与H型钢形成双重拦挡的效应,在混凝土崩裂后,H型钢仍具有较好的承载能力与变形能力.加入H型钢的新型坝改善了普通重力式泥石流拦挡坝的抗冲击性能,可有效减弱泥石流块石冲击的灾害.     

粘性泥石流弯道超高在流速计算中的应用

泥石流的流速是泥石流运动学研究的主要内容之一 ,也是泥石流工程防治必备的基本参数。前人已提出若干计算模式 ,计算值的误差因缺少验证的手段无法分析。作者提出的弯道超高现象用于泥石流流速的计算 ,一方面提供了一种以泥石流现象为基础的流速计算方法 ,另一方面也提供了一种泥石流流速的验证方法。该文应用物体作离心圆周运动的物理学基本原理和方程 ,推出泥石流弯道运动的速度与弯道曲率半径的关系 ;同时分析出泥石流弯道超高的本质原因为泥石流凹岸与凸岸的速度差产生的动能差所致 ,即可建立动能与超高势能的平衡方程。联立方程即可分别求出凹岸和凸岸的泥石流流速 ,流速由凹岸向凸岸逐渐增加 ,取其平均值即为泥石流的平均流速。以滇东北蒋家沟一支沟大凹子沟 1994年 6月 16日的一场泥石流的弯道超高测量分析为例验证 ,获得初步成功。结合其他参数的测量可计算流量并分析泥石流的加速或减速的运动过程。     

非定常水斗表面自由水膜的流动机理

冲击式水轮机水斗内非定常自由水膜的流动非常复杂,至今还没有足够精确的数值方法来模拟这种流动．文中分析了非定常水膜流的流动机理,根据N-S方程推导出了水斗表面流体粒子在转动坐标系中的相对运动控制微分方程,依据控制微分方程编写出了数值解析软件并对水斗内的水膜流动进行了数值模拟,定量地得到了某模型水轮机水斗内部流动的速度场、能量场．对比一系列水膜流态分布,数值解析得到的结果与试验观测结果基本相吻合,最优工况下的水力效率与模型试验数据的误差为0．33％．     

汽车后视镜流场的试验与数值研究

为了解后视镜的流场特性,以风洞试验与数值计算为手段,对后视镜的压力场与速度场进行测量和计算,并将测量结果与数值计算结果进行比较,评估两者的异同.数值计算结果与风洞试验结果的平均静压与速度、脉动速度的标准差以及自功率谱密度的一致性表明,所使用的数值计算方法具有可行性,能够较为真实地反映出后视镜的流场特性,数值计算结果与风洞试验结果能够相互验证.试验段近地面的平均静压变化反映出后视镜尾部的流动状态,能量耗散最为强烈的地方出现在远离后视镜约1.0倍后视镜直径的区域,回流区域影响范围可达3.0倍后视镜直径.后视镜尾部带有强烈的脉动速度,剪切层侧的速度脉动比其他区域大,个别测点脉动速度标准差数值可达来流速度的0.3倍,它们的主要能量集中在中低频区域.     

两相物质组成对泥石流固相流速特征的影响

固相颗粒流速是研究泥石流冲击力和防治结构荷载取值的关键问题。本文基于水槽模型试验,采用粒子图像测试技术提取了黏性泥石流表面固相颗粒流速,基于两相流模型探讨了浆体黏度、固相体积浓度与颗粒粒径对泥石流固相粗颗粒流速特征的影响。结果表明：泥石流龙头现象随浆体黏度与固相体积浓度增大而减弱;固液相相对运动随浆体黏度增加而减弱,大黏度与小粒径组合条件下消失;固相颗粒流速随浆体黏度与固相体积浓度呈正相关,与颗粒粒径呈负相关。两相物质组成影响固相颗粒间的摩擦力与/或碰撞力、浆体施加的粘滞阻力、拖曳力与虚拟质量力,其对流速的影响还需进一步深入研究。     

冲击作用下混凝土中应力波传播规律的数值模拟

建立了混凝土中应力波传播的统一经验表达式.采用混凝土JH本构模型对冲击作用下混凝土中应力波的一维、轴对称和球对称传播过程分别进行数值模拟,并通过混凝土中一维应力波传播实验对数值计算结果的可靠性进行验证.数值模拟研究表明：由于材料耗散和几何衰减的共同作用,混凝土中应力波在传播过程中峰值迅速衰减,应力波峰值小于混凝土抗压强度后,应力波峰值的进一步衰减主要是几何衰减的作用结果;所建立的经验表达式可以较好地描述混凝土中应力波传播规律,对于所选用的混凝土,应力波在其内部传播时的衰减系数为0.095 13.