流固耦合原理

流固耦合原理 土石混合体边坡失稳的流一固耦合特性研究 何晓英 研究目的 云阳凉水井滑坡 巫山滑坡 库区土石混合体边坡 新滩土石混合体边坡 第一章流固耦合原理 第一章流固耦合原理 基本概念 Part1 在力学领域中渗流场与应力场耦合作用又被称之为 流一固耦合作用 在地球科学领域中常称之为 水一岩 土 相互作用 第一章流固耦合原理 土石混合体耦合机理 Part1 岩体渗流场与应力场的耦合 渗流通过施加于某作用面上的渗透压力和在渗流区域内分布的渗流体积力而影响土体的应力分布 应力通过改变土体的体积应变及孔隙率而影响岩体的渗透系数 从而影响渗流场 土体渗流场与应力场的耦合 渗流场通过施加于裂隙壁面上的法向渗透压力和切向托曳力而影响岩体的应力分布 应力通过改变裂隙宽度而影响裂隙的渗透系数 从而影响岩体的渗透性及岩体的渗流场 第一章流固耦合原理 流一固耦合问题的求解方法 Part1 解析方法 建立满足一定初始条件和边界条件的微分或偏微分方程通过解析法和数值计算的方法来求出精确解或数值解 数值方法 第二章土石混合体边坡失稳的流 固耦合数学模型 第二章土石混合边坡失稳的流固耦合原理 耦合机理 Part1 基本假定 1 土石混合体是完全饱和各向同性体线弹性体 土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 2 固体颗粒和孔隙水可以压缩 3 固体骨架的变形遵从Terzaghi有效应力原理 4 孔隙水渗流服从Darcy定律 5 岩土质点在渗流过程中要发生位移 6 土石混合体的孔隙率和渗透系数是动态变化的 第二章土石混合边坡失稳的流固耦合原理 耦合机理 Part1 渗流场影响下的应力场方程 1 本构关系 土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 2 几何方程 3 应力平衡方程 渗流场影响下的应力场方程 第二章土石混合边坡失稳的流固耦合原理 耦合机理 Part1 应力场影响下的渗流场方程 1 考虑流体 固体骨架分担荷载的有效应力原理流体质点的速度 土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 2 土石混合体骨架的连续性方程 3 孔隙流体 不考虑源汇项 的连续性方程 第二章土石混合边坡失稳的流固耦合原理 耦合机理 Part1 应力场影响下的渗流场方程 土石混合体流一固耦合渗流场连续性方程 土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 联立以上式子得 第二章土石混合边坡失稳的流固耦合原理 耦合机理 Part1 定解条件 第一类 己知水头边界条件 土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 l 边界条件 第二类 流量边界条件 第三类边界条件 混合边界条件 2 初始条件 第二章土石混合边坡失稳的流固耦合原理 耦合机理 Part1 应力场定解条件 土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 l 位移边界条件 l 应力边界条件 第三章土石混合体边坡失稳的流一固耦合数值模拟 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part1 分析方法 物理模拟 数值模拟 研究边坡变形破坏机理的主要手段主要有 室内地质力学模型 现场试验模型 差分法 有限元法 边界元法 离散元法 连续介质 小变形 拉格朗日算法 大变形 FLAC软件 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part2 计算模型 数值分析模型及计算条件 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part3 边坡剖面有限元网格划分 数值分析模型及计算条件 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part4 不同时刻地下水浸润面 模拟降雨过程 不同工况时的降雨强度及降雨持时 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 不同时刻地下水浸润面 模拟计算结果分析 稳定性分析 不同水位时的稳定系数 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 模拟计算结果分析 应力场分析 初始状态最大剪应变增量分布 m 完全饱和状态最大剪应变增量分布 m 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 模拟计算结果分析 应力场分析 完全饱和状态时塑性区分布图 完全饱和状态时最大主应力云图 Pa 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 模拟计算结果分析 渗流场分析 初始状态孔隙水压力分布 完全饱和状态孔隙水压力分布 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 模拟计算结果分析 渗流场分析 完全饱和状态孔隙水压力分布 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 模拟计算结果分析 位移场分析 完全饱和状态时的位移矢量图 完全饱和状态时的速率矢量图 第三章土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟 耦合机理 Part5 模拟计算结果分析 位移场分析 完全饱和状态时X方向位移云图 mm 完全饱和状态时y方向位移云图 mm 第四章总结 第四章结论 耦合机理 Part1 结论 流固耦