[发明专利]一种基于DEM-CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于DEM‑CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统，采用离散元(DEM)与计算流体力学(CFD)耦合计算方法模拟湿喷混凝土喷射过程，通过改变颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数，使得计算中颗粒回弹率最小，以表征混凝土回弹率最小，同时基于室内试验建立的细观参数与混凝土材料特性参数的关系，确定颗粒回弹率最小时的细观参数所对应的湿喷混凝土回弹率最小时的宏观特性参数，从而深入湿喷混凝土回弹机理研究，实现湿喷技术中混凝土材料的有效优化。

技术领域

本发明属于混凝土相关技术领域，尤其涉及一种基于DEM-CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着社会经济的发展和需要，我国铁路、公路隧道的建设数量和规模逐年增加。衬砌支护对隧道安全施工、安全运营起着关键作用。

在当前我国隧道工程建设机械化的发展背景下，喷射混凝土工艺在隧道衬砌支护过程中得到了广泛应用，其通过泵送压力，将成品混凝土输送到喷嘴处与速凝剂混合后形成原料，利用高压空气喷至隧道围岩，使围岩体成为强度高、稳定性好的新结构体，从而达到隧道围岩支护的目的。

混凝土喷射工艺经历了从干喷到潮喷再到湿喷的发展阶段。目前，湿喷混凝土在隧道支护中占据了主导地位，湿喷技术虽然大幅降低干喷作业中固有的回弹率高、粉尘量大、施工质量低等问题，但由于缺乏对湿喷理论的深入研究，湿喷混凝土回弹率高的问题仍然存在，严重影响隧道施工的速度及质量。据统计，隧道施工中混凝土回弹率普遍大于12％，隧道顶部最大可达30％，成本损失约100万元/公里。

国内外学者大都通过理论计算、室内试验、现场试验、计算流体或离散元数值模拟的方法对湿喷混凝土射流流场进行分析模拟，由于宏观试验手段难以深入探究其内部运动机理，单一数值计算方法难以准确描述湿喷混凝土颗粒流的运动状态及规律，无法通过理论指导实际施工中混凝土的回弹量。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于DEM-CFD耦合的喷射混凝土的优化方法及系统，采用离散元(DEM)与计算流体力学(CFD)耦合计算方法模拟湿喷混凝土喷射过程，通过改变颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数，使得计算中颗粒回弹率最小，以表征混凝土回弹率最小，同时基于室内试验建立的细观参数与混凝土材料特性参数的关系，确定颗粒回弹率最小时的细观参数所对应的湿喷混凝土回弹率最小时的宏观特性参数，从而深入湿喷混凝土回弹机理研究，实现湿喷技术中混凝土材料的有效优化。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种基于DEM-CFD耦合的喷射混凝土的优化方法，包括：

获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、射流参数，根据几何参数、运动参数基于DEM建立混凝土颗粒计算模型；

获取已拌混凝土材料特性参数，根据混凝土特性参数标定混凝土颗粒计算模型下颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数；

根据喷射混凝土的射流参数基于CFD建立高压空气流场计算模型；

混凝土颗粒计算模型与高压空气流场计算模型耦合计算模拟，改变混凝土颗粒计算模型的细观参数，对混凝土材料特性参数进行优化。

本发明的第二个方面提出一种基于DEM-CFD耦合的喷射混凝土的优化系统，其特征在于，包括：

混凝土颗粒计算模型构建模块：获取喷射混凝土的几何参数、运动参数、射流参数，根据几何参数、运动参数基于DEM建立混凝土颗粒计算模型；

混凝土颗粒标定模块：获取已拌混凝土材料特性参数，根据混凝土特性参数标定混凝土颗粒计算模型下颗粒与颗粒、颗粒与平面接触模型的细观参数；