[发明专利]基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、采用砂雨法与拟振动压实法进行离散元模拟，制备不同相对密实度的虚拟压缩试样；包括：

S1.1、在高于试样的模型空间中，按级配要求生成彼此不重叠的颗粒集合体，施加重力荷载，进行离散元法迭代计算，迭代中每隔一定计算循环将颗粒速度重新归零以控制颗粒下落后的最大速度不超过一定的速度阈值，下落完成并计算至平衡后获得颗粒堆积体的最松散状态；

S1.2、在颗粒堆积体的顶部施加设定的轴向压力，并设定颗粒间摩擦系数为0近似模拟最优振动作用，计算平衡后获得颗粒堆积体的最密实状态；

S1.3、维持颗粒堆积体顶部的轴向压力不变，从最松散状态开始逐步减小颗粒间的摩擦系数来模拟振动作用，获得颗粒间摩擦系数与颗粒堆积体孔隙率的关系，通过该关系并结合最松散状态和最密实状态，估算出获得给定相对密实度堆积体所需的颗粒间摩擦系数；

S1.4、在所需的颗粒间摩擦系数下对最松散堆积体进行设定的轴向压力的压实，即可获得给定相对密实度下的颗粒堆积体；

S2、对虚拟压缩试样逐级施加轴向压力，进行侧限压缩试验的三维颗粒离散元数值模拟，得到各级压力下压缩稳定后的离散元数值模型；

S3、对各级压力压缩后的离散元数值模型进行切片，并对切片图像进行处理，建立对应的孔隙结构模型；包括：

S3.1、将每级压力下变形稳定后的圆柱形试样沿轴向用一系列等间隔的切面进行切割，导出各切面处的模型切片图像，包括侧面圆柱形墙在切片上的圆形边界及球形颗粒在切片上对应的圆；

S3.2、对导出的切片图像进行批处理，将切片图像上每个像素的尺寸调整为与相邻切片间的竖向间隔相等，识别各切片上属于孔隙的像素，对应于格子Boltzmann模型中的流体单元，以此实现对离散元数值试样的体素化，并建立试样对应的孔隙结构模型；

S4、针对建立的孔隙结构模型开展渗流的格子Boltzmann数值模拟；包括：

S4.1、将每级压力下变形稳定后的孔隙结构模型导入格子Boltzmann计算程序中，设定计算参数，包括：粒子碰撞模型、离散速度模型、流体边界条件，进行格子Boltzmann迁移与碰撞的迭代计算；

S4.2、待渗流场收敛到稳态后，停止迭代计算，根据所施加的水压差利用达西定律计算该级压力下数值试样的渗透率。

2.根据权利要求1所述的基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，制备的不同相对密实度的虚拟压缩试样的高径比不宜超过0.6，以保证后续压缩时试样受力均匀。

3.根据权利要求1所述的基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1.1中，控制颗粒下落后的最大速度不超过一定的速度阈值为：0.8m/s。

4.根据权利要求1所述的基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1.2、步骤S1.3、步骤S1.4中，设定的轴向压力为：14kPa。

5.根据权利要求1所述的基于颗粒离散元与格子Boltzmann的压缩渗透试验数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1.2、步骤S1.3、步骤S1.4、步骤S2中，轴向压力的实现方法为：

在试样顶部生成加载板，加载板由三层颗粒组成，每层颗粒按六边形或四边形规则排列，颗粒间的接触本构模型采用线性平行粘结模型，平行粘结的刚度取为试样颗粒间接触刚度的50-100倍，平行粘结的强度设置为1.0×10¹⁰⁰Pa，以此模拟不发生变形的刚性加载板，将所需要的荷载转换为加载板顶层颗粒上的集中力进行施加，计算公式为：

其中，F_platen1为加载板顶层每个颗粒上需施加的轴向集中力，σ为所设定的轴向压应力，A为虚拟压缩试样的横截面面积，N_platen1为加载板顶层颗粒的数量。