基于QSGS法3D重构土体渗流场的LBM数值模拟

基于四参数随机生长法（QSGS）以及改进QSGS方法等效重构三维（3D）各向同性/各向异性土体内部孔隙结构,结合格子玻尔兹曼方法（LBM）,采用MATLAB自编程序进行细观渗流场数值模拟,分析不同孔隙参数及模型各向异性等因素对渗流特性的影响规律. 结果表明：3D模型尺寸100×100×100格点时,连通孔隙率nc达到最大增幅19.23%. 流体易在连通性好、孔喉直径大的部位形成主渗流通道,且存在“指进效应”,流体越靠近孔道中轴线流速越快. 3D重构土体的计算渗透率k随模型孔隙率n增大而增大,随土颗粒尺寸减小而减小,当分布概率pc = 0~0.05（大、中颗粒）时渗透率显著降低,降低幅度达42.86%. 考虑各向异性的重构模型出口边界渗流速度波动幅度较大、变化趋势规律性不明显,且流线分布稀疏、相互交错、主渗流通道不明显. 该研究能揭示流体在3D土体孔隙结构中的流动规律,并为3D土体重构和细观渗流模拟研究方法提供借鉴.     

基于格子玻尔兹曼方法的自仿射粗糙裂隙渗流模拟

基于格子玻尔兹曼方法模拟研究了自仿射粗糙裂隙的渗流特征.通过连续随机叠加技术,生成了不同粗糙指数的自仿射粗糙裂隙.为验证格子玻尔兹曼方法,将格子玻尔兹曼结果与泊肃叶流解析解对比.通过格子玻尔兹曼方法与自仿射粗糙裂隙技术的结合,成功模拟了粗糙裂隙内部的流场分布,并分析了粗糙裂隙内部的渗流路径与水力等效隙宽的变化.结果表明,不均匀的隙宽分布对裂隙的流场分布影响较大;尽管两组裂隙内部的Re一致,但其最大流速有一定差异.     

基于LBM的2D/3D原状花岗岩残积土细观渗流模拟

为刻画原状土体内部孔隙细观渗流特征,选取东南沿海地区某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)和图像处理技术对2D/3D原状土体模型进行重构,并结合格子Boltzmann方法(LBM),通过自编程序模拟土体孔隙内水分渗流及分布情况.结果表明：孤立孔隙对渗流结果影响甚微,仅个别连通性好、孔径大且笔直的大孔隙会成为优势通道并产生优先流;渗流从开始至稳定过程中,最大流速主要出现在孔隙通道由宽变窄处,孔隙结构形态对渗流的影响较孔隙占比更为显著.基于工业CT扫描技术和LBM能较好刻画真实土体孔隙渗流特征,2D模型可更直观表现大孔隙优先流现象,适用于定性研究;3D模型更接近实际情况,可精确计算土体渗透率,适用于定量研究.     

土石混合体细观渗流场的格子Boltzmann模拟

基于土石混合体中块石的CT扫描图片、颗粒流PFC软件及数字图像处理技术构建了土石混合体的孔隙结构模型,在此基础上引入介观的格子Boltzmann方法从孔隙尺度对土石混合体的渗流场进行了数值模拟,并据此分析了土石混合体的渗流特性。研究结果表明:基于土石混合体的孔隙结构模型和介观的格子Boltzmann方法,通过设置相应的边界条件可以快速有效地模拟土石混合体的细观渗流机制;与均质土体模型相比,土石混合体模型由于较大块石的存在使得其渗流通道明显减少,且通道变窄,弯折度增加,流速减小,渗透率大幅降低;土石混合体模型中水压力分布很不均匀,在块石的上下游会发生显著的压力降;块石含量、块石粒径及块石空间分布等细观结构因素对土石混合体的渗流场与渗透性能有一定的影响。     

原状花岗岩残积土大孔隙细观渗流场的格子Boltzmann模拟

选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)图像与格子Boltzmann方法,通过自编程序研究原状土样在大孔隙域中的细观渗流规律.结果表明:孔隙连通性好、孔径大的区域流体流速较大,且呈闪电状分布,而在孤立孔隙中流体无法流通;大孔隙渗流过程中存在明显的"指进效应",孔道中间流速最大,可达格子速度0...     

基于格子Boltzmann方法的动水压力下透水沥青路面渗流特性研究

为预防和解决透水沥青路面在动水压力下渗流堵塞等“水损害“问题,研究细观尺度下水在沥青路面中的渗流特性及相关机理已成为关键科学问题。本文参考试验级配方案,应用蒙特卡罗方法,建立开级配抗滑层OGFC-13沥青混合料的3种工况二维细观模型。基于多松弛格子Boltzmann方法,从细观层面模拟分析了集料粒径、多孔介质空隙率以及动水压力变化对透水沥青路面渗透率的影响。结果表明：空隙率、粒径越大则沥青混合料渗透率越大;当动水压力在0～1500 Pa范围时,平均流速与压强梯度严格成线性关系,达西定律适用;当动水压力在15 000～45 000 Pa范围时,Darcy定律计算得到的平均速度偏大。     

基于改进随机骨料模型的混凝土细观断裂模拟

为了更好地研究混凝土的力学性能和破坏机理,该文在已有细观力学模型的基础上,发展了高效的骨料投放方法及单元筛分准则.基于连续介质力学的方法,采用弹性损伤本构关系描述混凝土细观各相材料力学行为,建立了随机骨料数值模型及相应的细观单元参数选取方法.以多组不同骨料分布的Petersson三点弯曲梁为例,分析和探讨了混凝土的破坏机理.结果表明,该数值模型能较好地模拟混凝土I型断裂拉伸破坏全过程,与试验结果表现出良好的一致性.     

格子Boltzmann方法模拟多孔介质内流体的流动

非达西渗流作为渗流力学中的一个重要分支,其研究对能源、化工、材料、生命科学以及医学等众多领域的发展起着至关重要的作用.本文采用四参数随机生成方法生成多孔介质结构,并利用格子Boltzmann方法模拟流体在多孔介质中的流场.通过改变多孔介质的孔隙率、核生长概率以及各方向生长概率,模拟各参数对达西曲线和渗透率的影响.此外,还调查了不同边界条件对渗流的影响.     

基于格子Boltzmann方法的回采工作面瓦斯渗流模拟

工作面回采会导致其前方煤体中的应力重新分布,在工作面前方形成减压区,增压区和稳压区,致使回采工作面前方煤体中的渗透率沿煤层走向呈现不均匀分布,因此,不能再将煤体视为均匀介质。鉴于这一工程事实,采用格子Boltzmann方法,结合算倒,研究了煤体渗透率沿走向呈现不均匀分布情形下的瓦斯渗流规律,为回采工作面瓦斯灾害防治提供依据。研究表明：采用格子Boltzmann方法可以有效模拟回采工作面瓦斯渗流,能够生动再现瓦斯流向回采工作面这一过程。     

混凝土损伤断裂的三维细观数值模拟

提出一种在细观层次建立混凝土三维随机骨料随机力学参数模型的方法.将损伤力学与计算力学相结合,基于ANSYS软件平台进行二次开发,建立2组混凝土立方体湿筛试件的数值模犁:第1组模型模拟3种不同的骨料随机分布;第2组模型模拟混凝土各相材料主要力学参数的随机性,分别假定其参数符合对数正态分布和Weibull分布.通过对这2组模型的轴压进行模拟,揭示混凝土在轴向压力作用下单元的渐进损伤和裂缝的萌生与扩展过程.研究结果表明:数值模拟得到的混凝土立方体抗压强度与试验测得的抗压强度较接近;骨料的随机分布会影响试件裂缝产生的位置和扩展路径,但其对试件承载力的影响不大;混凝土各组成相材料参数的非均匀性降低了试件的极限承载力,采用Weibull分布能较好地表征材料参数非均匀性的影响.     

土壤含水量改变对气候影响的数值模拟

 中国南北方水土资源配置不合理,南方水多耕地少,北方水少耕地多。南水北调工程通过跨流域的水资源合理配置,大大缓解北方水资源严重短缺问题。本文用两层嵌套的中尺度气象模式MM5及其耦合的陆面过程模式,研究调水对局地气象环境的影响。研究表明,实施南水北调后,春季和夏季北方地区土壤含水量增加、累积降水量增加,地表温度降低。夏季的土壤含水量、地表温度、累积降水量的变化幅度明显大于春季。另外干燥的土壤环境条件,对气象环境的改变更明显。春季和夏季土壤含水量变化的区域、地表温度的降低的地区都不只局限于南水北调受水区,而是散布到周边地区。另外还可以看出,在土壤含水量未改变的地区有明显的降雨量增加,最大降雨量增加区域与土壤水份的变化中心区域不重合。     

地下排水和渗灌条件下麦田土壤水分变化模拟

用Ｆｅｄｄｅｓ模型模拟了地下排水和渗灌条件下麦田表层土壤的水分动态变化过程。表明：该模型能敏感地预测渗灌和排降后农田表层土壤的水分动态,求得根系密集土壤含水量。     

应用改进粒子水平集法对液滴碰撞的数值研究

为了准确捕捉自由面运动,求解液滴的碰撞过程,针对传统粒子水平集法不适用于待修正网格包含在虚拟粒子内部的情况,在充分分析以上问题的基础上提出一种新的局部距离函数定义方式.经测试问题验证,改进方法可降低由于粒子沿非界面法线方向运动对界面修正的干扰,显著提高界面捕捉精度及守恒性.应用改进粒子水平集法对二维液体碰撞过程进行数值模拟,计算结果显示:相对速度是正碰过程是否发生分离的决定因素,空气中两个直径为3mm的正碰水滴的临界韦伯数为13.79;偏心程度和相对速度共同影响偏心碰撞的液滴形态;给定相对速度时存在两个临界偏心程度,偏心程度介于临界值之间时碰撞后不发生分离.     

土壤热湿迁移实验与数值模拟的研究

对蒸发状况下土壤中的热湿迁移进行了实验研究,同时也对相应条件作了数值模拟,所得结果能够相互验证．在此基础上阐述了土壤中热湿迁移的一般规律．     

基于FLUENT的渗流场数值模拟分析

传统上渗流问题的模拟都是求解渗透水头的拉普拉斯方程,为了利用CFD软件强大的计算及前后处理功能,通过在一般流体力学控制方程基础上增加渗透阻力的办法,以源项的形式导入FLUENT软件的求解器中实现了对渗流的数值模拟,并采用求解自由面的VOF法进行浸润面的计算.地下河槽及矩形土坝两个算例表明,无论对于渗流量、浸润面还是溢出...     

基于有限元网格重构的降落伞工作过程数值研究

以经典的C9圆伞为研究对象,用有限元模型描述该伞结构,定义其周围有限空间作为流场计算域,将全局坐标下载荷位移定义为流场域位移,实现有限流场域的运动。采用运动空间域代替固定的欧式空间域,并与降落伞结构实现了流固耦合计算。得到了丰富的流场、结构场信息及伞载系统的动力学响应曲线。将计算结果与试验数据进行比对发现二者基本一致,验证了此计算方法的可行性,为降落伞的设计提供参考依据。     

可能最大暴雨的一个数值试验研究

本文应用局地细网格降水数值模式,对汉江上游石泉以上流域的可能最大暴雨(PMP)的计算作了数值检验.检验结果表明:用对水汽场进行放大的水汽输送法,所得流域的降水反而减小;即使考虑极端情况,使水汽全部饱和,其他地区的降水虽得到放大,但此流域的降水仍稍有减小.这说明,对计算PMP的现有简化作法用降水动力模式进行一些检验和修正,是必要的.作者並提出,直接应用降水动力模式计算PMP,应是一个值都注意的方向.