一种基于DEM-CFD耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应计算方法

一种基于dem-cfd耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应计算方法
技术领域
1.本发明属于高位远程滑坡-超前空气冲击效应防灾减灾的数值模拟分析技术，一种基于dem-cfd耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应计算方法。


背景技术：

2.近年来，受气候变暖、强烈地震、极端强降雨重现期缩短及人类工程扰动等诱发因素的影响，全球范围内高山峡谷区触发大量高位远程滑坡灾害，造成了重大人员伤亡和财产损失。高位远程滑坡，因其极高的破坏性、瞬时性、难以预防性、链生灾害多发性等特点，是具有极端破坏力的地质灾害现象之一，其在高速运动过程中会挤压空气形成超前冲击气浪链生灾害，对沿途的房屋、植被造成严重破坏，甚至造成大量人员伤亡。
3.高山峡谷区高位远程滑坡具有冲击能量巨猛难以阻挡，滑动速度快难以逃逸，滑距远且易产生链生灾害，尤其在运动过程中能瞬间压缩前方空气形成强烈的超前冲击气浪效应，以空气冲击波的形式对崩滑体运动前方的建筑物及人民生命财产造成威胁。由于高位远程滑坡产生的超前冲击气浪效应致灾范围广、破坏力强、致灾机理复杂，能够对滑坡范围外的区域造成毁灭性打击，显著提高滑坡灾害的致灾范围。因此，亟须关注滑坡高速运动过程中与前缘空气的气固耦合作用机制，对高位远程滑坡超前冲击气浪形成及动力致灾机理开展深入研究，揭示超前冲击气浪传播及强度规律，为高山峡谷区高速滑坡超前冲击气浪效应风险评估和防灾减灾提供理论支持。
4.目前，鲜有对高位远程滑坡-超前空气冲击效应开展专门性研究，在对高位远程滑坡-超前空气冲击效应开展风险评价时，多采用简单经验公式，难以表征超前空气冲击效应的动力致灾过程。仅有的数值分析中，也多将滑坡简化为流体，将滑体和周围的空气视为两层流，通过计算流体力学软件研究滑体运动过程中超前空气冲击效应的传播过程。但是已有方法仅分析了滑坡及产生的冲击气浪运动过程的宏观动力学行为，但未考虑碎屑流内部颗粒相互作用微观力学行为及碎屑流与周围空气气固耦合作用机制对超前空气冲击效应的影响。因此，需要一种能高效、高准确性的数值方法以模拟高位远程滑坡运动过程中与空气间相互作用而形成的超前空气冲击效应。基于此，本发明设计了一种基于 edem-fluent离散元流固耦合的滑坡-超前空气冲击效应数值仿真方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于edem-fluent耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应数值方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于dem-cfd耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应计算方法，具体步骤如下：
7.第一步：利用前处理软件gambit对高位滑坡-超前空气冲击效应进行建模，设置边界条件并导出网格文件；
8.第二步：将所述模型文件导入到有限元分析软件ansys中，并所述模型文件地形上空气部分创建流体模型，设置流体材料属性、流体动力学模型等参数及边界条件，所述流体材料为air，流体动力学分析模型为rng k-epsilon；
9.第三步：将所述网格文件导入到edem中设置实际滑坡颗粒参数和滑坡颗粒接触参数，创建滑坡颗粒工厂，于edem中建立滑源区模型，在滑源区填充与实际滑坡方量相同的颗粒模拟滑坡体，滑体参数根据实际情况而定；
10.第四步：将fluent中迭代时间步长设置为edem时间步长1-100倍，在fluent 和edem中分别设置模拟时间，模拟总时长根据滑坡实际情况而定，然后等待迭代计算至收敛。
11.优选的，所述耦合模拟计算的方法为：
12.第一步：edem中计算滑体颗粒速度和位置等信息；
13.第二步：fluent中计算每个网格中包含的颗粒体积分数；
14.第三步：edem中计算滑体颗粒对空气的作用力；
15.第四步：fluent中计算滑体颗粒与空气间的动量和能量等交换；
16.第五步：根据能量和动量等的交换相，在fluent中计算空气速度、压强；
17.第六步：将所述第五步计算的流体运动向edem中传递流量速度，重新进行所述第三步操作；
18.第七步：通过重新进行的第三步操作向edem中传递空气对滑坡颗粒的作用力，重新进行所述第一步操作，往复循环，直至结束。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明利用离散元软件edem模拟滑坡颗粒的运动过程，用计算流体力学软件fluent模拟超前空气冲击效应的风速和压强，解决了目前在滑坡-超前空气冲击效应模拟领域不能有效模拟处滑体与空气见气固耦合作用机制的问题。
21.本发明将有限元网格计算引入到离散元颗粒流计算当中，将流体的连续性和土体的离散性都准确地模拟出来，为滑坡-超前空气冲击效应风险评价提供基础。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将实施例描述所需使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述的附仅仅是本发明地实施例，本发明地上述和/或附件地方面和有点从结合下面附图对实施例地描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1是本发明—实施方式的耦合模拟计算流程图。
24.图2是本发明一实施方式的edem滑坡模型示意图。
25.图3是本发明—实施方式的fluent流体网格模型示意图。
26.图4是本发明—实施方式的fluent流体网格模型示意图(图2剖面)。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案纪念性清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是实施例。下面通过参考附图的描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.一种基于edem-fluent耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应数值方法，具体步骤如下：
29.(1)利用前处理软件gambit对高位滑坡-超前空气冲击效应计算模型进行建模，得到模型文件，设置边界条件并导出网格文件；
30.(2)将所述模型文件导入到有限元分析软件ansys中，并所述模型文件地形上空气部分创建流体模型，设置流体模型参数；
31.(3)将所述网格文件导入到edem中，设置实际滑坡颗粒参数和滑坡颗粒接触参数，创建滑坡颗粒工厂，于edem中建立滑源区模型，在滑源区填充与实际滑坡方量相同的颗粒，以模拟滑坡体，滑体参数根据实际情况而定；
32.(4)将fluent中迭代时间步长，设置为edem时间步长的1-100倍，在fluent 和edem中分别设置模拟时间，模拟总时长根据滑坡实际情况而定，然后等待迭代计算至收敛。
33.所述耦合模拟计算方法为：
34.(1)edem中计算滑体颗粒速度和位置信息；
35.(2)fluent中计算每个网格中包含的颗粒体积分数；
36.(3)edem中计算滑体颗粒对空气的作用力；
37.(4)fluent中计算滑体颗粒与空气间的动量和能量交换；
38.(5)根据能量和动量的交换相，在fluent中计算空气速度、压强；
39.(6)将所述本步骤(5)计算的流体运动向edem中传递流量速度，重新进行本步骤(3)操作；
40.(7)通过重新进行的本步骤(3)操作向edem中传递空气对滑坡颗粒的作用力，重新进行本步骤(1)操作，往复循环，直至结束。
41.所述步骤(2)中流体模型参数包括流体材料属性、流体动力学模型及边界条件，所述流体材料为空气，流体动力学分析模型为rngk-epsilon。
42.实施例1
43.本实施例以2004年重庆甑子岩崩塌-超前空气冲击效应灾害链为例，以解释本发明的实施过程。
44.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于dem-cfd耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应计算方法，具体步骤如下：
45.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于dem-cfd耦合仿真的滑坡-超前空气冲击效应计算方法，具体步骤如下：
46.第一步：利用前处理软件gambit对甑子岩崩塌滑后三维地形进行建模，选择四面体网格划分，并导出网格文件；
47.第二步：将网格文件导入到有限元分析软件ansys中，对甑子岩崩塌地形上空气部分创建流体模型并设置合适的边界条件，滑坡表面设置为wall边界，其余边界均设置为压力出口边界，所述流体材料为air，流体动力学分析模型为 rng k-epsilon。本实施例参数为流体密度1.225kg/m3，流体粘度17.9
×
10-6 pa.s，rng k-epsilon模型常数c
1ε
为1.42，rng k-epsilon模型常数c
2ε
为1.68，rng k-epsilon模型常数c
μ
为0.0845。
48.第三步：将所述网格文件导入到edem中，在滑源区填充离散元岩土颗粒，设置岩土颗粒间围观作用参数及与壁面作用参数。本实施例中接触模型选用 hertz-mindlin接触模
型，颗粒粒径为1-7m，颗粒密度为2700kg/m3，恢复系数为0.5，滚动摩擦系数为0.35，静摩擦系数为0.3，重力加速度为9.81m/s2，时间步长为10-6
s。
49.第四步：模拟总时长设为30s，等待自动迭代计算直至收敛。
50.edem中计算滑体颗粒速度和位置等信息，fluent中计算每个网格中包含的颗粒体积分数，edem中计算滑体颗粒运动过程中对空气的作用力，fluent中计算滑体颗粒与空气间的动量和能量等交换，根据能量和动量等的交换相，在 fluent中计算空气速度、压强，并将计算得到的流体运动向edem中传递流量速度，重新进行edem中计算滑坡颗粒的速度和位置等信息的计算，往复循环，直至滑坡颗粒停止运动。
51.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
52.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。