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专利号: 2025116315601
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:步骤包括:S1. 确定初始参数及模型初始化;

S2. DEM模块,确定颗粒接触和重叠情况,求解DEM控制方程,获得每个颗粒的运动及位置信息,并通过伺服墙位置获得当前时间步颗粒试样边界变形信息;

S3. 将S2中颗粒试样边界变形信息输入CFD求解器,判断DEM计算域是否超出CFD计算域边界,当DEM计算域超过CFD计算域时,重构流体网格并通过dynamicMotionSolverFvMesh求解器重构流场,确保颗粒试样完全位于流场范围内,当DEM计算域不超过CFD计算域时,保持当前流体网格不变;在当前网格或重构后的网格上计算流体网格内的颗粒体积分数,完成CFD‑DEM动量交换;

所述重构流体网格并通过dynamicMotionSolverFvMesh求解器重构流场,具体步骤包括:

1)求解器读取S2中DEM模块传递的边界变形数据,获取颗粒试样位移和边界几何变化信息;

2)根据边界位移信息,通过求解拉普拉斯方程计算CFD网格内部节点的新位置,数学表达式为: (4)其中r为网格节点位置矢量, 为扩散系数,扩散系数采用节点到边界距离的倒数或基于单元体积的权重以减小高变形局部畸变;

3)通过节点拉伸实现网格变形,从而在保持网格拓扑完整性的同时,确保网格点的平滑和均匀位移,维持CFD网格质量,避免网格畸变;

4)设定网格质量控制指标,当网格畸变超限时自动修正;

5)为平衡计算效率与数值稳定性,对CFD与DEM之间的数据交换频率进行调控,以确保样品变形完全包含在流场边界内,并同时维持最大库朗数严格小于1;

S4. CFD模块,求解当前CFD控制方程获得流场信息;

S5. 根据S4的结果计算流体作用于每个颗粒的耦合力信息并传递至回S2中的DEM模块用于下一时间步的计算;

S6. 循环S2‑S5直至达到总仿真时间或预设终止条件。

2.根据权利要求1中所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:修正的DEM控制方程,求解每个颗粒运动和计算接触力,从而更新颗粒位置,其平动与转动由以下方程控制:  (2)

               (3)

式中 为颗粒 的质量, 为颗粒 的转动惯量, 和 分别为颗粒 的平动速度和角速度, 和 分别为颗粒 与颗粒 之间的法向和切向接触力, 为流体对颗粒 的作用力, 为接触产生的扭矩。

3.根据权利要求1或2中所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:修正CFD控制方程,由局部平均的Navier‑Stokes方程进行求解,其连续性方程和动量方程如下:             (9)

(10)

式中, , , 分别为流体的体积分数、密度和速度; 为流体压力; 为流体粘性应力; 为颗粒对流体的作用力。

4.根据权利要求1中所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:S3中CFD求解器计算流体网格颗粒体积分数和动量交换,更新孔隙率和渗透率分布,具体步骤如下:

1)对每个CFD网格单元,采用粒子‑网格映射技术识别该网格内的颗粒集合,通过空间离散化计算孔隙率,实现了孔隙率的动态更新;

2)基于当前时间步孔隙率和前一时间步孔隙率,计算孔隙率时间梯度,准确捕捉孔隙率的时空演化过程;

3)采用修正的Kozeny‑Carman方程,基于当前孔隙率实时更新网格单元的渗透率;

4)进行DEM到CFD的反馈,基于更新后的孔隙率和渗透率,计算流体‑颗粒相互作用产生的动量源项,并将其引入CFD控制方程进行流场求解,实现DEM对CFD的完整反馈。

5.根据权利要求1中所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:S5中计算作用于每个颗粒的流体力,并传递至DEM模块具体步骤包括:

1)对每个DEM颗粒,通过插值获取颗粒所在位置处的流体速度、压力梯度等流场信息;

2)计算的流固耦合力 更新总力,拖曳力 采用Di Felice模型进行计算:  (11)

其中,拖曳力系数 和经验修正指数 是颗粒雷诺数的函数,其计算公式为:             (12)

(13)

式中 和 分别为颗粒和流体的速度;

3)将计算得到的流固耦合力传递至DEM模块,用于下一时间步的颗粒运动计算。

6.根据权利要求1中所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:所述S1初始化过程中需在DEM模块中进行颗粒参数的系统配置,建立完整的颗粒物性参数,数据库包括颗粒物性参数、颗粒级配;CFD模块中流场参数;CFD‑DEM的耦合参数和试样几何参数,具体如下:

1)所述DEM颗粒物性参数包括杨氏模量、泊松比、恢复系数和摩擦系数;

2)所述CFD流场参数包括流体密度、动力粘度、入口流速或压力边界条件、出口边界条件;

3)所述CFD‑DEM耦合参数包括CFD‑DEM数据交换时间步长、流场重构判定阈值、最大允许库朗数;

4)试样几何参数包括颗粒试样初始尺寸、颗粒初始位置、CFD计算域初始边界。

7.根据权利要求1或2或6中所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法,其特征是:所述S1模型初始化的具体步骤如下:

1)在预设尺寸的三维计算区域内,根据实际工程的颗粒级配要求,采用蒙特卡罗方法随机生成包含粗颗粒和细颗粒的间断级配数值样品;

2)实施伺服边界控制的各向同性固结过程,采用伺服墙技术对数值样品施加目标围压,通过PID控制器实时调节边界应力,确保应力平衡;

3)对模型顶部伺服墙的边界条件进行修改,使其在保持对粗颗粒不透水的同时,允许细颗粒穿过,在此条件下进行二次固结直至围压恢复到目标值;

4)建立标准化的流体参数体系,根据DEM试样几何尺寸构建相应的CFD计算域,确保完全包含颗粒运动范围;

5)建立稳定渗流场的初始化流程,通过在模型的底部和顶部边界之间施加压力差,来模拟一个自下而上的稳定渗流场;

6)侧面边界设置为无滑移壁面边界条件,确保流体计算的边界条件完整性。

8.一种根据权利要求1所述的基于CFD‑DEM与动网格耦合的渗流侵蚀模拟方法的仿真平台,其特征是:包括DEM模块、CFD模块和双向耦合模块,CFD‑DEM模块与动网格耦合,构建一种CFD计算域随DEM计算域变化的仿真平台。