[发明专利]一种库岸边坡滑坡涌浪的流固耦合数值计算方法

说明书

本发明公开了一种库岸边坡滑坡涌浪的流固耦合计算方法，本发明将基于欧拉框架的计算流体动力学方法与基于拉格朗日框架的离散元法耦合，采用守恒式Level Set方法捕捉流体自由表面，采用浸入边界法实现两种框架间物理量的转换，准确捕捉移动的物面边界，计算流固耦合作用力，避免由于使用经验公式计算流固耦合作用力造成的计算精度低的问题。本发明对流体域采用有限元建模，对于滑坡体采用离散元建模，通过迭代计算，实现滑坡体与流体间的真实耦合，尤其适用模拟大块岩石或岩石颗粒组成的滑坡体下滑造成的滑坡涌浪问题，在实际工程中有指导意义。

技术领域

本发明涉及水利工程灾害预测领域，具体涉及一种库岸边坡滑坡涌浪的流固耦合数值计算方法。

背景技术：

水利水电建设的长足发展为社会发展做出了重要贡献，但也带来一系列地质环境问题。相比于一般的边坡失稳问题，库岸边坡失稳会对下游的人民生命财产安全构成更加巨大的威胁。在国内水利水电工程建设中，不乏水库滑坡失稳破坏并产生涌浪灾害的先例。如1961年3月柘溪水库塘岩光滑坡，165万m³的滑坡体冲入库区后产生了高达21m的涌浪，造成重大损失。随着一系列高坝大库在我国西南地区建立，水库库岸边坡稳定问题越来越吸引人们的注意。在此背景下，数值模拟作为灾害预测的手段之一，就显的非常必要和重要了。

滑坡体运动的问题可以采用非连续介质力学方法进行模拟，其中离散元法由于其成熟性和显式求解的内在优势，得到了广泛应用。但如需模拟涌浪的产生过程，由于滑坡体、水体和空气间存在强烈的耦合作用，数值模拟的难度将大幅度增加。为了反映三相介质间的耦合作用，需要妥善描述滑坡体和流体间的界面以及水体和空气间的自由面，其中自由面的描述问题已经相对成熟，包括VOF法、Level Set法等。然而，对于移动的流固耦合界面的描述仍具有较大的挑战性，目前的方法依赖于过多的简化或假设。如多相流模型常用于模拟滑坡涌浪问题，但只适用于模拟含水率较高的滑坡体，然而，实际工程问题中，滑坡体常由大块岩石或岩石颗粒组成，不适宜用多相流模型进行模拟。因此，有学者提出采用不同方法模拟流体和滑坡体，如采用基于有限元框架的计算流体动力学模拟水和空气，利用离散元模拟滑坡体，但是，对于移动的流固耦合界面以及流固耦合作用力的计算则采用了较为简化的经验公式进行计算。此类经验公式只适用于圆形颗粒，将耦合作用力简化至颗粒形心处，使得颗粒的大小对流体不会造成影响，即流场不能准确感知颗粒的存在，因此，基于经验公式的流固耦合数值计算方法不能高精度的反映滑坡涌浪产生过程中的流固耦合作用。

尽管国内外学者对此已做了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果，但滑坡体和流体间强烈耦合作用的准确数值模拟方法仍有待发展。综合目前的研究，本发明提供一种计算流体动力学与离散元耦合的数值模拟方法，采用浸入边界法实现两种框架间物理量的转换，解决滑坡体和流体间移动边界的问题，计算流固耦合作用力，避免了基于经验公式流固耦合方法计算精度低的问题，可用于模拟由大块岩石或岩石颗粒组成的滑坡体产生滑坡涌浪的过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种库岸边坡滑坡涌浪的流固耦合数值计算方法，以解决现有技术中导致的流固耦合数值计算方法不能高精度的反映滑坡涌浪产生过程中的流固耦合作用的缺陷。

一种库岸边坡滑坡涌浪动态自由面的计算方法，所述方法包括如下步骤：

获取预构建的边坡模型参数；

根据模型参数，计算得到流体的压力场以及流体的速度场；

根据流体的压力场计算滑坡体的运动速度；

对流体的压力场、流体的速度场以及滑坡体的运动速度进行收敛性判断；

满足收敛性后，根据速度场计算自由面位置；

根据自由面位置计算求解下一时刻自由面位置的流体域内各点物理参数。

进一步的，获取预构建的边坡模型参数的方法包括如下步骤：