[发明专利]一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法

说明书

本发明涉及一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，包括以下步骤：步骤S10：建立路基的简化模型并划分好网格，并建立流体相控制方程；步骤S20：流体作用到颗粒上，并进行受力计算；步骤S30：作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解；步骤S40：更新后的颗粒速度、位置等信息又输入到CFD中，继续下一步的计算。该发明将计算流体力学和颗粒力学耦合计算的方式引入到注浆的研究上，以往的研究一般采用单一颗粒模拟土体，运用函数模拟浆液，不能准确地模拟整个注浆过程，本发明的方法，弥补用函数模拟浆液的不足，提升了数值模拟注浆的准确性。

技术领域

本发明涉及于路基注浆的研究技术领域，具体为一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法。

背景技术

本发明涉及路基注浆的研究技术领域，属于CFD-DEM耦合模拟在路基注浆上的研究应用。

近几年，注浆技术在工程建设领域有着广泛的应用，不光是铁路路基方面，在城市基建、道路、水利等工程方面都能适用，随着注浆技术越来越广泛地应用于土木工程方面，但是其理论远远落后于实践，对注浆进行数值模拟，可以有效的丰富注浆理论，使其在工程实践上得到更可靠的应用

在之前的学术成果中，国内外学者一般采用PFC颗粒流软件对注浆过程进行模拟，采用单纯离散元模拟土体，简化土体和浆液之间的相互作用，只能考虑浆液对土体的作用，而不能靠考虑到土体对浆液的作用，使得注浆的模拟结果和实际工程结果相差较大。而目前在各个领域都有应用的计算流体力学和颗粒力学耦合数值模拟，采用此种方法模拟注浆，不仅能考虑浆液对土体的作用，也能考虑土体对浆液的阻碍作用，还能考虑颗粒之间的作用力，所以用流体-颗粒耦合的方法模拟注浆的过程，是能准确地模拟浆液和土体之间的相互作用。本发明通过对以往研究的不足，运用离散元软件模拟土体，并用专业流体力学软件模拟浆液，将离散元模型引入到流体计算当中，不仅可以得到土体在浆液作用下的宏观运动过程，还能得到土体之间微观黏结力的破坏情况。

发明内容

发明目的：为了完善目前对于注浆研究上的不足，使注浆在理论上的发展能够跟上其在实际工程中的应用，本发明提供了一种利用将颗粒流引入到流体中计算的算法。通过对注浆数值模拟方法的改进，从而补齐近几年在注浆研究上的不足。运用CFD-DEM双向耦合的方式，将数值计算引入到注浆的整个过程，从而准确模拟注浆过程中的浆液与土体之间以及土体与土体之间的相互作用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流体颗粒耦合模拟高铁路基注浆微观机理的方法，包括以下步骤：步骤S10：建立路基的简化模型并划分好网格，并建立流体相控制方程；步骤S20：流体作用到颗粒上，并进行受力计算；步骤S30：作用到颗粒上，并根据牛顿第二定律，更新颗粒的速度、位置等信息：土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解；步骤S40：更新后的颗粒速度、位置等信息又输入到CFD中，继续下一步的计算。

优选的，在步骤S10的过程中，运用到的方程包括纳维-斯托克斯方程和流体连续性方程。在计算流体力学和颗粒流耦合计算中，采用离散元软件颗粒流模拟土体，并施加接触力，采用流体力学软件模拟浆液，流体流动遵循以下N-S方程。

优选的，在步骤S20的过程中，运用的耦合计算采用一种改进的自由流阻力来计算流体对颗粒的作用力，其参数都来自于CFD的网格计算中。

优选的，在步骤S30的过程中，得到的信息中土体颗粒根据力与位移的关系，运用牛顿第二定律进行求解。

优选的，在步骤S40的过程中，运用其颗粒的速度、旋转速度以及位置的变化可以由下式表示：

xyz_i＝xyz_i,0+V_iΔt。