承压含水层地下水开采流固耦合渗流数学模型

以饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型为基础,推导建立了适合描述承压含水层地下水开采过程渗流与地面沉降耦合的二维数学模型。并给出了一承压含水层定产量开采的数值算例,计算得出了渗流场的分布特征和中心位置地面沉降量的变化规律,探讨了流固耦合效应。结果表明,考虑耦合效应与否对于计算结果影响较大,本文模型更能反映流固耦合渗流的物理实质。随着时间增长孔隙压力减小,孔隙压力消散的程度越来越快;含水层内部的流固耦合作用较强,而其边界处因受边界条件约束,耦合效应表现则不够明显。中心沉降量随时间增长而迅速增大,且很快趋于稳定,固结沉降速度之快,说明流固耦合效应影响之大。这对于进一步深入认识因地下水开采而诱发的地面沉降机理及制定相应的防治措施都有重要的理论意义和指导作用。     

承压水上采煤底板破坏规律流固耦合研究

为分析承压水上采煤底板变形破坏规律,建立了承压水上采煤流固耦合数学模型,采用FLAC3D模拟软件分析之。运用正交试验的方式对底板变形破坏影响较大、易量化的4个因素进行分析;在此分析基础上得出单一因素对底板破坏的影响关系。分析结果表明:影响底板破坏深度大小的因素依次是工作面宽度、隔水层厚度、承压水压力和煤层埋深;随着隔水层厚度的增加,底板的破裂深度及范围有减小的趋势,同时在隔水层底部的原位张裂范围也在减小,甚至消失;在流固耦合模式下随着水压力的增加,岩体的破坏程度远远大于非耦合的情况。     

填土高边坡动力稳定性分析及安全系数求解

近年来数值方法在边坡稳定性分析中的应用得到了较快发展,特别是强度折减法引入到有限元、有限差分等数值方法之后,使其与传统的安全系数有机地联系起来,更好地为工程设计服务.建立FLAC3D三维实体模型并输入实测地震波,模拟分析填方高边坡加速度响应规律,并运用强度折减法建立动力安全系数求解方法求解其动力安全系数.     

用有限元强度折减法对海底隧道进行稳定性分析

利用有限元强度折减法求得的安全系数与潜在滑动面,不仅可以评价隧道的稳定性和设计的合理性,还可以对支护参数和施工工艺提出改进建议.计算表明,青岛湾址隧道的埋深、双洞净间距均安全合理;隧道围岩的整体变形不大,局部位置变形明显,在支护设计及施工过程中这些部位需重点考虑;双洞上拱出现拉应力区,但是最大拉应力值小于岩石抗拉强度.模拟结果为海底隧道结构设计提供了可靠的分析依据.     

桥梁基桩下伏溶洞围岩应力状态分析

运用弹塑性力学基本理论,首先分析了地基中下伏溶洞围压应力状态,辨识应力集中影响范围,并讨论了溶洞洞体形状以及地下水位埋深对溶洞壁应力状态的影响。研究表明,基于厚壁圆筒分析的溶洞围岩应力集中效应带大于6a,基于厚壁圆球分析的溶洞围岩应力集中效应带大于4a;溶洞几何尺寸、土体侧压力系数、m值和地下水位埋深均会对溶洞围岩应力状态产生显著影响。     

深埋隧道前方承压溶洞隔水岩体最小安全厚度研究

针对深埋隧道掌子面前方承压溶洞突水问题,采用COMSOL数值模拟分析方法,模拟深埋岩溶隧道开挖和突水过程.研究隧道开挖过程中围岩渗流场信息变化规律和塑性区分布特征,结合掌子面主应力差和最大水平位移的变化,提出隔水岩体最小安全厚度确定方法,并通过与模型试验对比,验证数值模拟结果的有效性.分析溶洞直径、溶洞水压、隧道埋深和...     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

考虑降雨入渗的边坡稳定性数值分析

运用有限元软件ABAQUS模拟降雨条件下边坡渗流场和应力场耦合,并运用强度折减法,以监控点位移突变和边坡形成连续贯通的塑性变形为边坡失稳判据,采用数值方法计算出耦合后的安全系数,结合孔压演变分析,综合评价稳定性变化情况,从而研究降雨影响边坡稳定性的机理,并通过含黏土层边坡工程实例进行验证.分析发现:降雨强度越大,浅层土体形成饱和区的速度越快,极易发生浅层滑坡,而黏土层则会加速上述过程,危害边坡稳定性;在降雨24h内,安全系数降幅最大.该研究结果为降雨条件下边坡事故防治提供了参考和分析依据.     

ANSYS流固耦合离心风扇的强度计算

离心风扇是电机上的重要旋转部件,必须具有足够的强度和刚度,才能保证电机持续有效的安全运转。传统的电机设计中,对离心风扇的设计主要考虑其风压和风量的计算,对风扇的强度和刚度一般仅限于理论计算,随着目前单机容量的不断增大,风扇的直径也随之增大,对其强度和刚度提出更高的要求,传统的计算方法已经不能满足其使用要求,有限元法应用于机械结构的强度和刚度设计,对于离心风扇如此重要的旋转部件,除了离心力对其强度和刚度的影响,风扇运行时,叶片承受较高风压,此均布载荷的作用,也会对风扇的强度和刚度产生重要影响,本文基于ANSYS流固耦合的基础上,先后对风扇进行结构、流场分析,采用顺序耦合的方式,对离心风扇进行强度和刚度分析,具体以某变速恒频1.5 MW风力发电发电机组,双馈风力发电机离心风扇为例,对其进行流固耦合设计,并将计算结果作了详细比较。结果表明,流场对离心风扇的强度和刚度有较大影响,该结果将对电机离心风扇强度和刚度设计提供理论依据。     

金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟

 地下水渗流会影响巷道围岩力学性质,本文结合流固耦合基本原理,以金川二矿区深部巷道为例,采用MIDAS/GTS建立了金川二矿区1000m水平某巷道流固耦合模型,研究渗流对围岩应力场、围岩变形及开挖卸载影响。计算结果表明,渗流作用对巷道围岩竖向应力的影响大于水平应力,渗流也导致围岩最大、最小主应力比无水时偏大。渗流和无水状态下围岩变形空间分布具有相似性,渗流对巷道围岩水平位移影响相对较小,但对围岩竖向位移影响较大,其中巷道拱部竖向位移明显大于无水状态,渗流时拱部最大位移约为8.2mm,而无水时仅2.3mm左右。因此,渗流效应将导致巷道顶板稳定性变差。开挖卸载对渗流场的影响表明,开挖后巷道周边压力水头迅速降低,孔隙水压力最小降为零,且孔隙水压力也从水平层状分布变为沿巷道轮廓环形带状分布。     

前混合磨料水射流磨料混合腔流固耦合分析

基于Solidworks软件对用于水射流切割机中的前混合磨料水射流磨料混合腔进行建模,结合流固耦合分析原理,利用Fluent软件进行混合腔腔体内部流场的数值模拟分析.比较腔体内部流场均匀性受侧进式进料方式和中进式进料方式的影响程度,分析高压水的入口角度、腔体收缩锥角度、磨料混合腔直径以及高压水入口位置对中进式进料方式腔体内部流场均匀性的影响.结果表明:在以相同进料速度进料时,中进式的出口磨料平均速度较侧进式要更高一些,更有利于磨料的充分加速;当高压水入口角度为37.5°,收缩锥角度为45°,磨料混合腔直径为50 mm,高压水入口位置为80 mm时流场的均匀性最佳.     

基于强度折减法的边坡稳定性分析

将有限元强度折减法应用于边坡稳定分析中,探讨了该方法的基本原理、安全系数的定义、屈服准则和失稳判据等。采用强度折减法对某边坡进行稳定性分析,并与传统极限平衡法求得的安全系数进行对比。计算结果表明,采用塑性区贯通或特征点位移突变为失稳判据确定的安全系数与传统极限平衡法的计算结果很接近,表明有限元强度折减法能够满足工程应用。建议在有限元强度折减法中联合采用塑性区贯通和特征点位移突变作为边坡的失稳判据。     

基于有限元折减法的边坡渗流及稳定分析

渗流作用影响边坡的稳定性．运用商业有限元软件的自带模块,根据节点的水头值和高程的比较模拟自由面和渗透场,计算单元的渗透力,以渗透力代替周边孔隙水压力施加于坡体单元上,然后采用强度折减法进行渗流作用下的边坡稳定分析．算例表明,该方法分析边坡的渗流及稳定是可行的,得到的结果较有效．渗流作用下,边坡的安全系数降低,坡脚的等水头线分布比较密集,渗透力比较集中,发生渗透破坏的可能性比其他地方大．     

渗流-应力耦合及降雨入渗作用下的边坡稳定性分析

为了探究地下水和降雨入渗对边坡稳定性的影响,在分析强度折减法原理和渗流-应力耦合机理的基础上,建立了渗流-应力耦合数学模型;运用有限元数值模拟软件ABAQUS,计算出无地下水、有地下水以及地下水和降雨入渗共同作用三种工况下的边坡安全系数,并探讨了不同粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、渗透系数、水头高度、降雨时间和降雨强度对边坡稳定性的影响。计算结果表明:地下水和降雨入渗会对边坡稳定性产生较大不利影响;边坡安全系数随粘聚力和内摩擦角的增大而增大,随水头高度、降雨时间和降雨强度增大而减小;而弹性模量、泊松比、各向同性的渗透系数对边坡安全系数几乎没有影响。     

基于Workbench的输流弯管流固耦合分析

运用ANSYS Workbench软件建立不同弯曲半径的弯管模型,分析了弯曲半径对所受流体压力以及内部流速分布的影响,得到了弯曲半径和管道入口压强对固有频率和整体变形的关系。结果表明:弯曲半径对流速分布影响显著,弯头处内侧流速大,外侧流速小;弯曲半径对弯头后段内壁压力影响显著;弯头处内侧受压小,外侧受压大;弯曲半径对整体变形的影响较小,而管道入口压强对整体变形的影响大;管道2、3阶固有频率随着弯曲半径的增大有下降趋势,随着弯曲半径的增大4阶固有频率增大明显。     

富水巷道流固耦合效应FLAC-3D模拟

为探索富水岩层中开挖拱形巷道的稳定性问题,基于流固耦合分析理论,运用FLAC-3D中的等效连续介质渗流模型及FISH语言实现了巷道开挖后流固耦合效应的模拟,探讨了渗流场及场内流动矢量的分布特征,针对围岩塑性区、应力场及变形规律与非流固耦合进行对比分析.在流固耦合模式下,研究了开挖步长对孔隙水压力和竖向位移的影响规律.结果表明:流固耦合模式下,巷道围岩中形成了一个类似降水漏斗的形状,在巷道拱脚处流动矢量分布密集而且数值较大,随着开挖步长的增大,巷道拱顶孔隙水压力及竖向位移则有所减小.与非流固耦合相比,围岩塑性区范围和剪切带尺寸均有所增大,竖向总应力相对增大了10%.     

螺旋桨流固耦合特性的数值模拟

基于ANSYS Workbench平台,利用其多场分析功能,采用求解RANS方程的方法,利用CFX求解器对螺旋桨3维流场进行数值模拟,利用有限元求解器计算螺旋桨结构响应,并将有限元求解器的设置输出为结构求解子程序,供CFX计算时调用以实现数据的实时双向传递,从而将流体计算与结构变形计算耦合起来,给出一种求解螺旋桨流固耦合问题的3维数值模拟方法,并通过与试验数据的比较验证了方法的可靠性.设定2种材料特性,对螺旋桨的水动力性能、桨叶变形及应力应变特性等进行了数值模拟.结果表明:材料特性对变形及应变较为显著,弹性桨的变形与应变较刚性桨约高1个量级;变形后的螺旋桨又对水动力性能及周围流场产生影响,弹性桨的推力和转矩均比刚性桨小.     

基于强度折减法的边坡稳定性分析

阐述了有限元强度折减法的基本原理,利用强度折减法对尾矿坝进行了边坡稳定计算,同时通过简化毕肖普法和瑞典圆弧法对其结果进行了对比分析,证明基于有限元理论的强度折减法的计算结果是可信的,其安全系数值可以作为定量判断的依据。     

含刚性抗滑桩的土质边坡三维稳定性分析

抗滑桩是常用的边坡加固方法,但由于桩-土相互作用的复杂性,难以用经典方法计算边坡稳定性和桩位、桩长、桩距。采用强度折减法,对抗滑桩加固的三维非均质边坡进行弹塑性分析和破坏过程模拟,得出边坡的稳定安全系数和潜在滑动面,在此基础上进一步研究了桩位和桩长、桩距对边坡稳定的影响。研究表明:在潜在滑动面进行布桩时,抗滑桩与坡脚间水平距离为未加固边坡潜在滑动面水平距离的2倍时,稳定安全系数达到最大;抗滑桩嵌入稳定深层的长度宜为2/3倍桩长;三维稳定性分析能有效观察到排桩间的土拱效应,当桩间距为4倍桩径时,桩间土拱起到了较好的阻滑作用。     

基于流-固-损伤全耦合模型的裂隙型岩溶突涌水数值模拟

岩溶地区隧道建设频遇突涌水灾害,裂隙型突涌水勘察与预测难度极大、致灾风险高。为揭示裂隙型岩溶突涌水机理与明确前兆信息,本文基于“流-固-损伤”耦合模型对裂隙型岩溶突涌水致灾机理与临界条件展开研究。通过公式推演与多场耦合数值分析得到以下结论：(1)建立了完整的“流-固-损伤”耦合裂隙型岩溶突涌水致灾机理数学模型,并论证其可行性与合理性;(2)分析了不同溶腔水压工况下,隧道拱顶围岩位移演化规律。结果表明,裂隙型岩溶突涌水与富水溶腔水压高度相关;(3)分析了临界突水条件下围岩特性,提出了“缓慢增长段-快速增长段-位移失控段”的三阶段裂隙型岩溶突涌水围岩位移演化规律。