[发明专利]基于孔隙密度流的岩土体离散元流固耦合数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于孔隙密度流的岩土体离散元流固耦合数值模拟方法，包括生成固体颗粒随机堆积模型、剖分识别孔隙网络、孔隙渗流方程建立、孔隙流体及相邻固体颗粒对固体的作用、固体位移对孔隙流体的作用、更新孔隙渗流参数，重复以上步骤直至固体颗粒平衡及孔隙流体渗流稳定，本发明极大地减小了计算量，并建立孔隙流体状态方程，通过密度天然地将温度场与渗流场耦合起来，类比宏观达西定律建立细观渗流方程实现孔隙渗流计算，基于孔隙尺度能高效地模拟较为复杂的宏观现象。

主权项

1.一种基于孔隙密度流的岩土体离散元流固耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将岩土体离散为相互接触的固体颗粒，根据颗粒半径、颗粒级配生成固体颗粒随机堆积模型；步骤2，剖分识别孔隙网络：根据固体颗粒间距离设置阈值，将固体颗粒随机堆积模型孔隙空间剖分为一系列相互连通的较小孔隙，建立以孔隙流体单元为节点，孔喉通道相连接的孔隙流体拓扑差分网络，得到孔隙流体网络‑固体颗粒骨架模型；步骤3，孔隙渗流方程建立：步骤31，根据孔隙流体温度和孔隙流体密度建立单个孔隙流体状态方程：P＝f(ρ，T)                 (1)其中，P为孔隙流体压力，ρ为孔隙流体密度，T为孔隙流体温度；步骤32，相邻孔隙流体单元在压力差作用下沿相应孔喉通道渗流，类比达西定律，单个孔喉细观渗流方程：对单个孔隙单元，流量流入为正，q为单个孔喉体积渗流量，K表示孔喉渗透系数，A为孔喉通道面积，为平均压力梯度，其中P_j为相邻孔隙流体压力，P_i为中心孔隙流体压力，l为平均渗径；步骤33，根据孔隙渗流量更新孔隙流体质量和温度：更新孔隙流体单元质量：其中，为第n+1次迭代时的第k个孔隙流体质量，为第n次迭代时的第k个孔隙流体质量，k表示第k个孔隙单元，Q^k为总质量渗流量；更新孔隙流体单元温度：其中，c为流体比热容，为第n+1次迭代时的第k个孔隙流体单元温度，为第n次迭代时的第k个孔隙流体单元温度，k表示第k个孔隙单元；T_i为对应渗流流体温度；步骤4，孔隙流体及相邻固体颗粒对固体的作用：以固体颗粒为分析对象，计算相邻孔隙流体单元对固体颗粒的压力及相邻固体颗粒的作用力；根据牛顿力学及运动学方程计算固体颗粒合力、加速度、位移；步骤5，固体位移对孔隙流体的作用：根据固体颗粒位移更新孔隙体积及孔喉宽度，当固体颗粒相对位移使得两颗粒距离小于距离阈值d_max，形成新的孔喉通道，孔隙间拓扑结构改变，重复步骤(2)重新剖分识别孔隙网络；步骤6，更新孔隙渗流参数：根据步骤(2)、(5)更新孔隙流体质量、温度及体积，并计算孔隙流体密度，应用式(1)更新孔隙流体压力；同时根据步骤(5)的孔喉宽度更新孔喉渗透系数；步骤7，重复步骤(3)‑(6)直至固体颗粒平衡及孔隙流体渗流稳定。