本發(fā)明涉及軟基處理中的真空預壓技術，具體涉及一種負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、在軟基處理方法中，真空預壓法是很早出現(xiàn)且流行的有效加固方法，但在真空預壓過程中，排水板附近的淤堵會使得真空度傳遞受阻，從而影響加固。為了優(yōu)化真空預壓效果，需要探究負壓作用下的顆粒遷移與淤堵機理，為真空預壓過程中減少淤堵，從而優(yōu)化加固效果提供理論支撐，這在學術研究與工程應用上具有重要意義。

2、在巖土工程中，土體通常可以視為離散材料，這為采用離散元方法(discreteelement?method，dem)進行模擬提供了便利。dem不需要滿足連續(xù)介質的變形條件，因此在處理土體顆粒間的相互作用和微觀機制方面更具優(yōu)勢。通過dem法，可以更直觀地模擬和分析土體顆粒的運動、碰撞和相互作用。計算流體力學(computational?fluid?dynamics，cfd)與離散元法(dem)耦合計算方法(cfd-dem)，日益成為研究顆粒在流體中運動的前景廣闊的方法。因此，越來越多人已使用cfd-dem方法來研究土體的滲流、固結，以及顆粒遷移問題。但是，在負壓作用下，由于真空度的傳遞受阻，在土體中不同位置處的大小是隨時間變化的，而目前尚未有方法能將這種真空度隨時間變化影響應用在cfd-dem中。

3、因此，提供一種能夠對負壓作用下，考慮真空度隨時間變化影響的軟土顆粒流進行模擬的方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種考慮土體中真空度隨時間變化的負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬方法，能更精確地模擬土體顆粒在真空預壓過程中與流體相互耦合的過程，以有效預測排水板附近顆粒的運動軌跡和流場運動。

2、本發(fā)明的另一目的是提供負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)。

3、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

4、第一方面，提供了一種負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

5、構建滲透驗證幾何模型，建立計算域并劃分流體網格單元；

6、構建負壓作用下軟土顆粒流數(shù)值模型，包括：利用流體動力學軟件設置流體相數(shù)量，在計算域中劃分流體的流場區(qū)域，配置流體的物理力學參數(shù)，并確定流體運動方程；根據負壓作用下真空度在土體內傳遞表達式確定真空壓力，利用流體動力學軟件設置流體隨時間變化的壓力邊界條件；利用顆粒動力學模擬軟件建立固體顆粒模型，配置顆粒物理力學參數(shù)和顆粒級配，并確定顆粒運動方程；

7、根據軟件配置的參數(shù)，確定的流體運動方程、顆粒運動方程以及流體壓力邊界條件，通過cfdem軟件進行耦合模擬，通過cfd-dem循環(huán)計算傳遞固體顆粒與流體間的相互作用力，直至達到計算結束時間，獲得不同時刻顆粒運動分布云圖和濾出顆粒量的變化圖。

8、優(yōu)選的，所述負壓作用下真空度在土體內傳遞表達式具體如下：

9、

10、其中，p(t,l)為距離排水板徑向距離l處t時刻的真空壓力；p0為排水板處施加的的真空壓力；k2、k3和dt均為和土體性質以及所施加真空壓力有關的參數(shù)，計算式如下：

11、

12、

13、dt＝exp(gdr)

14、

15、其中，el為液限孔隙比，e0′為土體負壓固結階段的初始孔隙比，gd為過程參數(shù)，r為土體中的位置離排水板的徑向距離。

16、優(yōu)選的，通過cfdem框架進行耦合模擬，具體過程為：

17、通過dem求解器，計算作用在顆粒上的各個力，通過顆粒運動方程來更新每個顆粒的位置和速度；完成dem循環(huán)后，計算cfd網格單元中的孔隙率與流體-顆粒相互作用力，傳遞到cfd循環(huán)；求解流體動量方程和連續(xù)性控制方程，得到流體速度場與壓力場；流場收斂后，計算作用在顆粒上的流體作用力，代回dem求解器；如此進行cfd-dem循環(huán)計算，直至達到計算結束時間。

18、優(yōu)選的，所述顆粒運動方程的表達式具體為：

19、

20、

21、其中m為顆粒質量，t為時間，us為顆粒速度，fcol為顆粒間或顆粒與模型邊界的作用力，ffp為流體和顆粒的相互作用力，i為顆粒的轉動慣量，為顆粒的轉動角度，tcol和tfp則為顆粒間碰撞與顆粒流體相互作用所產生的扭矩。

22、優(yōu)選的，所述流體運動方程的表達式具體為：

23、

24、

25、

26、其中εs和us分別表示流體單元中固相的體積分數(shù)和速度，εf為流體的體積分數(shù)，ρf為流體密度，uf為流體的速度，為壓力梯度，τ為流體的粘度應力張量，g為重力加速度，ffp表示流體單元內的流體和顆粒的相互作用力，該力是通過將施加在流體單元上的所有流體和顆粒的相互作用力相加，并將結果除以流體單元體積δv而得到。

27、優(yōu)選的，所述固體顆粒與多相流體間的相互作用力包括拖拽力、壓力梯度力和粘滯力，表達式具體如下：

28、

29、其中ffp為流體對顆粒的作用力，包含影響最大的拖曳力fd、壓力梯度力以及粘滯力

30、作用在顆粒上的壓力梯度力和粘滯力表達式為：

31、

32、

33、其中vp為顆粒體積，為流體的壓力梯度，為流體的應力梯度；

34、作用在顆粒上的拖曳力的計算方程如下：

35、

36、

37、

38、

39、其中，fd為拖曳力；cd為流體和顆粒之間的相互作用系數(shù)；ρf和uf分別為流體密度與流體速度；dp和up分別為顆粒半徑和顆粒速度；rep為單個顆粒的雷諾數(shù)；χ為顆粒受到周圍顆粒影響的影響系數(shù)，μ為流體黏度。

40、優(yōu)選的，所述方法還包括：將計算結果中的顆粒排出量與室內試驗獲得結果進行比較以驗證模型，通過計算結果得到的顆粒速度分布與顆粒排出量，對負壓作用下軟土顆粒遷移和淤堵效應進行分析。

41、第二方面，提供了一種負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)，包括：

42、幾何模型構建模塊，用于構建滲透驗證幾何模型，建立計算域并劃分流體網格單元；

43、數(shù)值模型構建模塊，用于構建負壓作用下軟土顆粒流數(shù)值模型，包括：利用流體動力學軟件設置流體相數(shù)量，在計算域中劃分流體的流場區(qū)域，配置流體的物理力學參數(shù)，并確定流體運動方程；根據負壓作用下真空度在土體內傳遞表達式確定真空壓力，利用流體動力學軟件設置流體隨時間變化的壓力邊界條件；利用顆粒動力學模擬軟件建立固體顆粒模型，配置顆粒物理力學參數(shù)和顆粒級配，并確定顆粒運動方程；

44、耦合模擬計算模塊，用于根據軟件配置的參數(shù)，確定的流體運動方程、顆粒運動方程以及流體壓力邊界條件，通過cfdem軟件進行耦合模擬，通過cfd-dem循環(huán)計算傳遞固體顆粒與流體間的相互作用力，直至達到計算結束時間，獲得不同時刻顆粒運動分布云圖和濾出顆粒量的變化圖。

45、第三方面，本發(fā)明還提供一種計算機設備，包括：一個或多個處理器；存儲器；以及一個或多個程序，其中所述一個或多個程序被存儲在所述存儲器中，并且被配置為由所述一個或多個處理器執(zhí)行，所述程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬方法的步驟。

46、第四方面，本發(fā)明還提供一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的負壓作用下軟土顆粒運移的cfd-dem耦合數(shù)值模擬方法的步驟。

47、有益效果：

48、(1)在真空預壓過程中，真空度并非恒定不變，而是隨著時間和空間動態(tài)變化的。本發(fā)明所提供的基于cfd-dem的模擬方法，能夠考慮土體中負壓傳遞的時間效應，解決了傳統(tǒng)方法中忽略這一關鍵因素的不足。本方法可以根據這一變化來計算顆粒流體的相互作用，使對負壓作用下軟土顆粒在水流作用下遷移及淤堵現(xiàn)象的預測更準確。

49、(2)本發(fā)明中的所有參數(shù)均在開源仿真軟件中設置，操作簡便，能夠根據顆粒的實際大小、級配以及物理性質進行建模?？梢栽O置流體隨時間變化的邊界條件，可以針對性質不同的土體設置不同的邊界條件，適用范圍廣。