流固耦合原理.ppt

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1、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

2、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

3、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（

4、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

5、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

6、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

7、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

8、机理Part1结论流固耦合分析的基本步骤：1.建立物理模型2.建立流——固耦合数学模型3.建立渗流场影响下的应力场方程4.建立应力场影响下的渗流场方程5.补充定解条件6.进行流——固耦合数值模拟7.模拟结果