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一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法、裝置及介質(zhì)與流程

文檔序號(hào):42040541發(fā)布日期:2025-05-30 17:38閱讀:6來(lái)源:國(guó)知局

:本發(fā)明屬于堤防地質(zhì)災(zāi)害模擬,具體涉及一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法、裝置及介質(zhì)。

背景技術(shù)

0、
背景技術(shù):

1、在堤防建設(shè)及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析中,滑坡涌浪次生災(zāi)害是十分重要的研究?jī)?nèi)容。臨水土質(zhì)岸坡失穩(wěn)破壞產(chǎn)生滑坡、滑坡體入水誘發(fā)涌浪的過(guò)程涉及到復(fù)雜的流固耦合作用,探明此作用機(jī)理對(duì)于有效反演滑坡涌浪演進(jìn)過(guò)程、建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)有著重要意義。

2、現(xiàn)有數(shù)值模擬研究中,受制土體、水體的大變形特性及兩者間不同控制方程限制,開展相關(guān)多相耦合計(jì)算存在一定技術(shù)難題,現(xiàn)有的耦合算法對(duì)于局部水體壓強(qiáng)、土體輪廓發(fā)育過(guò)程的反演并不可靠,所得涌浪演進(jìn)波幅、土體輪廓發(fā)育軌跡均存在較大誤差。因此,現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法無(wú)法準(zhǔn)確模擬土體滑坡涌浪的全過(guò)程。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

1、本發(fā)明是為了解決上述不足而提出的,目的在于提供一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法、裝置及介質(zhì),能夠解決現(xiàn)有數(shù)值模擬方法無(wú)法準(zhǔn)確模擬土體滑坡涌浪全過(guò)程的技術(shù)問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)以上目的,本發(fā)明采用了以下方案:

3、本發(fā)明設(shè)計(jì)一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,包括以下步驟:

4、步驟1、對(duì)所研究工程區(qū)域進(jìn)行精確建模,確定場(chǎng)地的滑坡、水體形狀特征;

5、步驟2、對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理,針對(duì)不規(guī)則的土體、水體邊界粒子進(jìn)行二次修正,確定計(jì)算所需相關(guān)材料特性參數(shù);

6、步驟3、計(jì)算滑坡失穩(wěn)土體區(qū)域受力,在保證滑坡模擬精度的前提下,選擇合適的離散元接觸模型與離散元尺度,采用離散元方法進(jìn)行計(jì)算,得到滑坡體各區(qū)域加速度;

7、步驟4、水體及涌浪的模擬計(jì)算采用光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法,河道水體區(qū)域離散為一系列流體粒子,通過(guò)積分格式的navier-stokes方程進(jìn)行計(jì)算,保證流體粒子尺寸與離散元接近;

8、步驟5、進(jìn)行土體、水體之間的法向耦合力計(jì)算,計(jì)算過(guò)程參照優(yōu)化全解析格式算法開展,基于以下公式進(jìn)行法向耦合加速度計(jì)算:

9、

10、式中:dui/dt代表耦合加速度,i代表離散粒子i,j代表離散粒子j,ui代表計(jì)算粒子i速度,t為時(shí)間,pi和pj分別為粒子i和j的流體壓強(qiáng)(耦合計(jì)算過(guò)程中土體顆粒壓強(qiáng)計(jì)算參考公式(3)),ρi為粒子i的密度,w為核函數(shù),為核函數(shù)的位移偏微分形式,wij表示粒子i和j相對(duì)位置下的核函數(shù)取值,vj為粒子j的體積,μi和μj分別為粒子i和j的粘性系數(shù),rij為粒子i和j之間距離,h為光滑長(zhǎng)度,g為重力加速度,取值-9.81m/s2,γ=7,c0為人工聲速,ρ0χ為相χ的參考密度,fcoupling為耦合力,mi為粒子i的質(zhì)量,γ為與粒子i發(fā)生耦合作用的粒子集合;土體、水體間切向耦合力計(jì)算過(guò)程參考非解析經(jīng)驗(yàn)公式的離散格式;

11、步驟6、計(jì)算離散計(jì)算域內(nèi)各粒子的合加速度,進(jìn)行單時(shí)間步內(nèi)速度與位置更新、目標(biāo)時(shí)刻數(shù)據(jù)存儲(chǔ),重復(fù)步驟1~步驟3,直至達(dá)到計(jì)算時(shí)長(zhǎng)要求。

12、步驟7、讀取導(dǎo)出數(shù)據(jù),進(jìn)行可視化處理,進(jìn)行滿足計(jì)算要求的后續(xù)圖像分析。

13、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟2中,土體滑坡與水體的離散可借助現(xiàn)有前處理工具,旨在生成一系列距離相近、均勻分布的坐標(biāo)節(jié)點(diǎn),以表征土體滑坡、水體實(shí)際輪廓,并為后續(xù)計(jì)算提供初始條件。

14、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟3中,具體包括以下子步驟:

15、步驟3.1、位于土體區(qū)域內(nèi)的系列離散節(jié)點(diǎn)設(shè)置為離散元(discrete?elementmethod,dem)顆粒,半徑為離散節(jié)點(diǎn)距離的0.5倍,通過(guò)計(jì)算顆粒受力累計(jì)細(xì)觀位移,獲取宏觀土體變形過(guò)程;

16、步驟3.2、顆粒離散元間接觸力計(jì)算公式如下所示:

17、fn=knδnn+fndamp?????????????????????????????(4)

18、ft=max|(ft)t-δt+ktδt+ftdamp,μ||fn||??????????????????????(5)式中:fn為法向接觸力,ft為切向接觸力,δn為粒子間法向重疊量,n為兩顆粒圓心連線方向,δt為粒子間切向重疊量,δt為單時(shí)間步內(nèi)接觸位置間的相對(duì)位移,fndamp與ftdamp分別表示法向與切向的阻尼力,(ft)t-δt為上個(gè)時(shí)間步結(jié)束時(shí)顆粒接觸面所受切向接觸力,μ為顆粒間動(dòng)摩擦系數(shù),取兩者動(dòng)摩擦系數(shù)較小值,kn與kt分別為接觸界面法向剛度與切向剛度,其計(jì)算選擇hertz-mindlin接觸模型:

19、

20、式中:g*=0.5(gi+gj),r*=2rirj/(ri+rj),v*=0.5(vi+vj),i和j分別表示顆粒i和顆粒j;g為剪切模量,gi和gj分別表示顆粒i和j的剪切模量,r為顆粒半徑,ri和rj分別表示顆粒i和j的顆粒半徑,v為泊松比,vi和vj分別表示顆粒i和j的泊松比,soverlap表示顆粒i與顆粒j接觸重合距離;

21、步驟3.3、單顆粒所受接觸的合力計(jì)算參考以下公式:

22、

23、式中:fntotal,i為單顆粒所受接觸的法向合力,fttotal,i為單顆粒所受接觸的切向合力,fn,ij為顆粒i與顆粒j之間法向接觸力,ft,ij為顆粒i與顆粒j之間切向接觸力,n表示與顆粒i接觸作用的顆粒集合。

24、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟4中,具體包括以下子步驟:

25、步驟4.1、水體離散方法選擇光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed?particlehydrodynamics,sph)方法,位于水體區(qū)域內(nèi)的系列離散節(jié)點(diǎn)設(shè)置為sph粒子,半徑為離散節(jié)點(diǎn)間距,通過(guò)計(jì)算粒子受力累計(jì)細(xì)觀位移,獲取宏觀水體演進(jìn)過(guò)程;

26、步驟4.2、流體粒子受力計(jì)算參考以下公式:

27、

28、式中:dρi/dt為粒子i的密度梯度,dui/dt為粒子i的耦合加速度,ρi和ρj分別為粒子i和j的密度,t為時(shí)間,uj和ui分別為粒子j和i的速度矢量,為核函數(shù)的位移偏微分形式,wij表示粒子i和j相對(duì)位置下的核函數(shù)取值,mj為粒子j的質(zhì)量,pi和pj分別為粒子i和j的流體壓強(qiáng),c0為人工聲速,為保證流體弱可壓假設(shè),sph粒子密度變化梯度需小于1%,因此c0取值需不小于流場(chǎng)最大速度的10倍,ri和rj分別為粒子i和j位移矢量,ρ0為參考密度(20℃一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水密度取值為1000kg/m3),uij為粒子i和j的速度矢量差,δ為密度擴(kuò)散項(xiàng),μ為粘性系數(shù),γ=7,g為重力加速度,取-9.81m/s2,w為核函數(shù),wij=w(ri-rj,h),格式為:

29、

30、式中:q=||ri-rj||/h,αdim是一個(gè)與計(jì)算維度相關(guān)的參數(shù),二維工況下取7/(4πh2),三維工況下取21/(16πh3),光滑長(zhǎng)度h在二維工況下通常取1.5~2倍粒子初始間距,三維工況下取1.5倍粒子間距,能夠保證計(jì)算的精度;

31、步驟4.3、單流體粒子所受內(nèi)力計(jì)算參考以下公式:

32、

33、式中:ui為計(jì)算所得單顆粒速度矢量。

34、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟5中,具體包括以下子步驟:

35、步驟5.1,進(jìn)行耦合界面固、液相粒子檢索,對(duì)流體粒子影響域內(nèi)固相粒子進(jìn)行屬性修正,將其賦予相同密度流體sph粒子特性;

36、步驟5.2、計(jì)算土體-水體間耦合力,粒子間法向、切向計(jì)算力按照不同解析格式分別進(jìn)行計(jì)算,其中法向力計(jì)算參考全解析格式算法,具體計(jì)算見公式(1)~公式(3);

37、步驟5.3、切向力計(jì)算公式為非解析經(jīng)驗(yàn)格式,具體計(jì)算公式如下:

38、

39、式中:i和k分別表示流體粒子i和土體顆粒k,為顆粒k所受切向力,為顆粒i所受切向力,vi和vj分別為粒子i和j的體積,mi為流體粒子i的質(zhì)量,pi為流體粒子壓強(qiáng),w為核函數(shù),εk為顆粒k的局部孔隙率,uk為顆粒k的平均速度,為插值后顆粒k周圍流體粒子的平均速度,ω和ω’均表示與目標(biāo)粒子作用的粒子集合,wik和wjk分別表示粒子i、k和j、k相對(duì)位置下的核函數(shù)取值,η為相間動(dòng)量傳遞系數(shù),該參數(shù)與局部平均孔隙率和相對(duì)速度有關(guān):

40、

41、式中:μf為流體粘性系數(shù)(20℃、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下,水取1.0×10-3pa·s),rk為dem顆粒半徑,ρf為流體密度(標(biāo)準(zhǔn)工況下,水取1.0×103kg/m3),cd為阻力系數(shù),更多計(jì)算細(xì)節(jié)如下:

42、

43、式中:εk為顆粒k的局部孔隙率,εi為顆粒i的局部孔隙率,wik表示粒子i和k相對(duì)位置下的核函數(shù)取值,vk為粒子k的體積,mi為流體粒子i的質(zhì)量,rk為dem顆粒半徑,rek為粒子附近流場(chǎng)雷諾數(shù)。

44、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟6中,具體包括以下子步驟:

45、步驟6.1、進(jìn)行單時(shí)間步內(nèi)的預(yù)測(cè)步與修正步更新:

46、

47、式中:為粒子i在第(n+1/2)步后的速度矢量,為粒子i在第(n)步后的速度矢量,δt為時(shí)間步長(zhǎng),為粒子i在第(n)步后的加速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n)步后的角加速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n+1/2)步后的密度,為粒子i在第(n)步后的密度,為粒子i在第(n)步后的密度變化梯度,為粒子i在第(n+1/2)步后的位移矢量,rin為粒子i在第(n)步后的位移矢量,為粒子i在第(n)步后的速度矢量,為第(n+1/2)步后的流體壓強(qiáng),為第(n+1/2)步后的密度,f為比例系數(shù),計(jì)算格式參考公式(12);

48、其中,公式(23)為狀態(tài)方程的簡(jiǎn)化表達(dá)式,預(yù)測(cè)步后可以獲取第(n+1/2)步的速度u,角速度ω,角位移θ,密度ρ,線位移r,流體壓強(qiáng)p等參數(shù),這些參數(shù)用于sph及dem的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程的計(jì)算,以獲取第(n+1/2)步的加速度ain+1/2、密度梯度(dρ/dt)in+1/2等參數(shù),為進(jìn)行下一步修正做準(zhǔn)備;

49、步驟6.2、修正步:

50、

51、式中:為粒子i在第(n+1/2)步后的速度矢量,為粒子i在第(n)步后的速度矢量,δt為時(shí)間步長(zhǎng),為粒子i在第(n+1/2)步后的加速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的角加速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n+1/2)步后的密度,為粒子i在第(n)步后的密度,為粒子i在第(n+1/2)步后的密度變化梯度,為粒子i在第(n+1/2)步后的位移矢量,ri2為粒子i在第(n)步后的位移矢量;

52、步驟6.3、參數(shù)更新:

53、

54、pn+1=f(ρn+1)????????????????????(27)式中:為粒子i在第(n+1)步后的速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的速度矢量,為粒子i在第(n)步后的速度矢量,為粒子i在第(n+1)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n)步后的角速度矢量,為粒子i在第(n+1)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n+1/2)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n)步后的轉(zhuǎn)角,為粒子i在第(n+1)步后的密度,為粒子i在第(n+1/2)步后的密度,為粒子i在第(n)步后的密度,rin+1為粒子i在第(n+1)步后的位移矢量,為粒子i在第(n+1/2)步后的位移矢量,rin為粒子i在第(n)步后的位移矢量;pn+1為第(n+1)步后的流體壓強(qiáng),ρn+1為第(n+1)步后的密度,f為比例系數(shù),計(jì)算格式參考公式(12);

55、dem-sph框架中,兩個(gè)模塊的時(shí)間步長(zhǎng)保持一致,并按以下公式(28)進(jìn)行確定:

56、

57、式中:δt為單步時(shí)長(zhǎng),δtdem為dem顆粒的單步時(shí)長(zhǎng),δtsph為sph顆粒的單步時(shí)長(zhǎng),mi為顆粒離散元i質(zhì)量,kni為離散單元i最大接觸剛度,hi為sph粒子光滑長(zhǎng)度,v為流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),ai為粒子加速度,c0為人工聲速,umax為流場(chǎng)最大流速。

58、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟6中,整體模擬方法中土體、水體框架的計(jì)算相互獨(dú)立,步驟5計(jì)算所得耦合力作為附加項(xiàng)在每個(gè)時(shí)間步添加到兩個(gè)框架中。整體而言,所提的耦合模型為半解析模型,浮力計(jì)算采用多相流模型直接求解,而拖曳力計(jì)算則基于非解析經(jīng)驗(yàn)公式。

59、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法,還可以具有這樣的特征:在步驟7中,導(dǎo)出數(shù)據(jù)的處理可借助現(xiàn)有的開源后處理軟件實(shí)現(xiàn),以特定的局部、平面、立體、動(dòng)畫等形式開展后續(xù)分析研究,將模型更新進(jìn)行可視化。

60、本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬裝置,能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述<方法>,包括:

61、建模模塊,對(duì)所研究工程區(qū)域進(jìn)行精確建模,確定場(chǎng)地的滑坡、水體形狀特征;

62、前處理模塊,對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理,針對(duì)不規(guī)則的土體、水體邊界粒子進(jìn)行二次修正,并確定計(jì)算所需相關(guān)材料特性參數(shù);

63、土體滑坡模擬模塊,計(jì)算滑坡失穩(wěn)土體區(qū)域受力,在保證滑坡模擬精度的前提下,選擇合適的離散元接觸模型與離散元尺度,采用離散元方法進(jìn)行計(jì)算,得到滑坡體各區(qū)域加速度;

64、涌浪模擬模塊,水體及涌浪的模擬計(jì)算采用光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法,河道水體區(qū)域離散為一系列流體粒子,通過(guò)積分格式的navier-stokes方程進(jìn)行計(jì)算,保證流體粒子尺寸與離散元接近;

65、滑坡涌浪耦合計(jì)算模塊,進(jìn)行土體、水體之間的法向耦合力計(jì)算,計(jì)算過(guò)程參照優(yōu)化全解析格式算法開展,基于以下公式進(jìn)行法向耦合加速度計(jì)算:

66、

67、式中:dui/dt代表粒子i的耦合加速度,i代表離散粒子i,j代表離散粒子j,ui代表計(jì)算粒子i速度,t為時(shí)間,pi和pj分別為粒子i和j的流體壓強(qiáng),ρi為粒子i的密度,w為核函數(shù),為核函數(shù)的位移偏微分形式,wij表示粒子i和j相對(duì)位置下的核函數(shù)取值,vj為粒子j的體積,μi和μj分別為粒子i和j的粘性系數(shù),rij為粒子i和j之間距離,h為光滑長(zhǎng)度,g為重力加速度,取值-9.81m/s2,γ=7,c0為人工聲速,ρ0χ為相χ的參考密度,fcoupling為耦合力,mi為粒子i的質(zhì)量,γ為與粒子i發(fā)生耦合作用的粒子集合;

68、時(shí)間步更新模塊,計(jì)算離散計(jì)算域內(nèi)各粒子的合加速度,進(jìn)行單時(shí)間步內(nèi)速度與位置更新、目標(biāo)時(shí)刻數(shù)據(jù)存儲(chǔ),重復(fù)步驟1~步驟3,直至達(dá)到計(jì)算時(shí)長(zhǎng)要求;

69、后處理模塊,讀取導(dǎo)出數(shù)據(jù),進(jìn)行可視化處理,進(jìn)行滿足計(jì)算要求的后續(xù)圖像分析;

70、控制模塊,與所述建模模塊、所述前處理模塊、所述土體滑坡模擬模塊、所述涌浪模擬模塊、所述滑坡涌浪耦合計(jì)算模塊、所述時(shí)間步更新模塊、所述后處理模塊均通信相連,控制它們的運(yùn)行。

71、優(yōu)選地,本發(fā)明提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬裝置,還可以具有這樣的特征:對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行概化建模,并劃分重點(diǎn)研究區(qū)域,以stl格式或者dxf格式生成數(shù)值模型,導(dǎo)入前處理軟件中,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入后續(xù)計(jì)算模塊。

72、本發(fā)明的有益效果:

73、本發(fā)明所提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬方法、裝置及介質(zhì),解決了耦合界面局部水體壓強(qiáng)、土體輪廓發(fā)育過(guò)程的反演不精確的問(wèn)題,能夠有效表征滑坡體、水體間雙相耦合作用,并準(zhǔn)確模擬土體滑坡涌浪誘發(fā)傳播過(guò)程。能合理模擬耦合界面的壓強(qiáng)分布,消除非物理高壓間隙,對(duì)土體大變形運(yùn)動(dòng)過(guò)程、涌浪傳播過(guò)程均能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),對(duì)于局部的水體沖擊翻卷流態(tài)也能進(jìn)行精確反演,并提供可視化分析材料。本發(fā)明所提供的一種計(jì)算土體滑坡涌浪的無(wú)網(wǎng)格模擬裝置能夠精確模擬快速、慢速土體滑坡涌浪等多種工況,應(yīng)用于典型斷面、區(qū)域內(nèi)的相關(guān)研究分析,為厘清土體滑坡涌浪演化規(guī)律及涌浪災(zāi)害防治提供指導(dǎo)。因此,本發(fā)明能夠準(zhǔn)確模擬土體滑坡涌浪全過(guò)程。

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