一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法
专利汇可以提供一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种固液多相适用于泥石流的动 力 学数值模拟方法，其采用固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型，先通过野 外科学 考察和物理及力学实验获取泥石流 沟道 启动、运动、堆积动力学信息；再通过 地理信息系统 或者高 精度 3D地形 扫描仪 确定计算区域内高精度的地形数据及物源数据，通过网格坐标转化表达为(x,y,h)网格数据,x,y,h分别为地形点的x,y坐标和高程值h；接着将计算区域内适量沟道内土体样本通过室内物理及力学实验确定和估算土体、 流体 参数，以获得本数值方法预处理阶段所有需要准备的参数。本发明提高了泥石流动力过程数值模拟研究的科学性和可靠性，提高了灾害防治的针对性、增强 预防 效果为泥石流减灾提供技术 支撑 。，下面是一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，采用固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型，先通过野外科学考察和物理及力学实验获取泥石流沟道启动、运动、堆积动力学信息；再通过地理信息系统或者高精度3D地形扫描仪确定计算区域内高精度的地形数据及物源数据，通过网格坐标转化表达为(x，y，h)网格数据，x，y，h分别为地形点的x，y坐标和高程值h；接着将计算区域内适量沟道内土体样本通过室内物理及力学实验确定和估算土体、流体参数，以获得本数值方法预处理阶段所有需要准备的参数。
2.如权利要求1所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，所述固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型的控制方程基于深度平均积分法的纳维叶-斯托克斯方程，分别伴以适用于泥石流中固相颗粒和液相流体的本构方程能够较好地运用在模拟泥石流动力学过程中；
所述泥石流中固相颗粒及液相浆体的质量方程为：
上式(1)、(2)中，ρs，ρf分别为固体颗粒和浆体密度， 为固体颗粒体积浓度，vs，vf分别为固液两相速度，Δm1，Δm2为外界引起两相质量变化率。
同理，泥石流固液两相动量守恒包括：
上式(3)、(4)中， 分别为两相的体积浓度，Ts，Tf为固液两相的应力张量，fi
为两相间的相间作用力。
3.如权利要求2所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，所述固液两相间的相间作用力fi是采用如下模型：
fi＝fb+fl+fd+fv； (18)
其中，上式(18)中，fb代表流体静力学中的浮力，fl，fd，fv分别代表流体动力学中的抬升力、托曳力及虚拟质量力；
由于泥石流速度Vm绝大对数小于30m/s，所对应的雷诺数Rep较小；抬升力，虚拟质量力fl，fv＜＜fd，适合多流态的拖曳力系数及拖曳力模型为：
fd＝β(us-uf)； (23)
其中，上式(19)-(23)中，β是固液相间动量交换系数，(us-uf)为固液相间相对速度，Cd拖曳力系数，n为孔隙度，D为颗粒粒径，Rep为雷诺数。
4.如权利要求2所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，所述固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型的控制方程为：
将上述控制方程组即公式(5)-(10)写为向量格式：
其中：
上式(5)-(12)中，z为处理后的地形高程，g为重力加速度，hs，hf为固液两相的高度；ks，kf为侧向压力；us，vs，uf，vf分别为固液两相速度矢量在x，y方向上分量；Tsx，Tsy，Tfx，Tfy分别为固液两相摩阻力在x，y方向上的分量；fix，fiy分别为固液力在x，y方向上的分量。
5.如权利要求4所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，所述固相摩阻力Tsx，Tsy是采用适用于滑坡碎屑流的模型μ(I)：
其中，上式(13)-(16)中，μs，μ2分别表示颗粒体在准静止和高速剪切状态下的内摩擦角，d为颗粒平均粒径，I为起始数，为平均剪切率，Cs为颗粒体积浓度。
6.如权利要求4所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，所述液相摩阻力Tfx，Tyf示采用牛顿体或宾汉体模型：
其中，上式(17)中，μ为液体粘度， 为深度方向平均剪切率，c为粘聚力。
7.如权利要求4所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，所述控制方程即公式(5)-(10)采用高精度非交错格式有限差分格式进行求解，变量上标，整数n表示计算所在时间步，整数下标i，j为所建矩形网格x，y方向上空间网格节点号，如果表示为i，j则为非交错格式表示法，如果为 为交错格式表示法，Δx，Δy表示x，y方向上空间步长，Δt代表时间步长；向量形式的控制方程即上述公式(11)-(12)的具体离散过程如下：
1)直接将连续性方程即公式(1)和动量方程即公式(2)通过交错格式中心差分法离散即
将离散方程组即公式(24)进行Van-Lee型插值，并将离散方程组在时空重区间
进行重积分：
上式(25)中的 其为tk时刻离
散变量交错格式的单元平均，且将单元平均替代后得到：
对流项即方程(26)的左侧形式采用：
2)将交错格式离散后方程组即公式(24)转化为非交错格式离散方程：
上述公式(28)迭代特定时间步长后，输出结果包括：
特定精度网格下网格各空间节点处得到多相泥石流深的空间分布即
hm(i，j)＝hs(i，j)+hf(i，j)； (29)
多相泥石流速度的空间分布：
多相泥石流颗粒体积浓度的空间分布即
多相泥石流密度的空间分布即ρm＝ρsCs+ρf(1-Cs)； (32)
上述公式(24)-(32)中，i，j代表离散后网格节点下标，i为x方向下标，j为y方向下标；hm(i，j)代表多相泥石流体在拉格朗日离散法后均匀矩形网格节点上的泥深，是固相泥深hs和液相泥深hf的加和；vm代表多相泥石流速度为固相速度vs和液相速度vf的一个函数；Cs(i，j)为固相颗粒浓度，和每个矩形网格中的固相液相占比有关系，为固相深度hs(i，j)和液相深度hf(i，j)的一个函数；ρm为多相泥石流密度，为固相颗粒密度ρs和液相悬浊液密度ρf的函数。
8.如权利要求7所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，将多相控制方程即公式(5)-(10)，通过离散方程即公式(24)-(28)离散求解，此离散方程即公式(24)-(28)构建了变量在不同时间层的迭代关系，采用可变时间步长进行变量迭代，初始时间步为0.01s，可变时间步满足：
其中，上式(32)中，ρ(A)为谱半径，Cr代表克拉数；为满足离散方程的稳定性，Cr满足：
9.如权利要求8所述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其特征在于，求解上述离散方程即公式(24)-(28)构建的不同时间层变量的迭代关系的具体步骤为：
(1)将需要的参数赋予初始值，包括初始时间步t＝0时间步计算区域内特定精度网格高程图z导入；t＝0时间步初始固相颗粒体积浓度Cs，根据Cs确定固液两相在固定精度网格内的体积占比hs＝hCs；hf＝h(1-Cs)；
(2)在初始时间步t＝0.01s下求解连续性方程，更新计算区域网格各点固液两相体积占比hs，hf，及多相泥石流密度ρm(i，j)＝ρsCs(i，j)+ρf(1-Cs(i，j))，体积浓度空间分布其中，Vols(i，j)和Volf(i，j)为每个网格中
固相和液相的体积，因为网格为规则矩形网格，所以可以简化为hs(i，j)，hf(i，j)；Cs(i，j)为固相颗粒浓度，且和每个矩形网格中的固相液相占比有关系，为固相深度hs(i，j)和液相深度hf(i，j)的一个函数；
(3)求解计算区域内网格各点x，y方向上速度变化us(i，j)，vs(i，j)，uf(i，j)，vf(i，j)及泥石流多相平均速度 其中，us，vs为固相x，y方向上
的速度分量；uf，vf为液相x，y方向上的分量；vm代表多相泥石流速度为固相速度vs和液相速度vf的一个函数；Cs(i，j)为固相颗粒浓度，且和每个矩形网格中的固相液相占比有关系，为固相深度hs(i，j)和液相深度hf(i，j)的一个函数；ρs，ρf为固相液相密度且为定值；
(4)更新当前时间t2(t+Δt)＝t1+Δt及更新可变时间步 其中，t2为
下个时间层的时间，t1为上个时间层的时间，Δt是时间步，Cr为克拉数方程，min为一个函数且值是取得两个参数中的较小值；ρ(A)为A的谱半径，为每个时间步的最大速度；按如上顺序继续迭代变量至当前时间大于等于计算总时间，迭代结束；
(5)迭代特定时间步长后，输出结果为：
特定精度网格下网格各离散点固液两相体积占比hs，hf及多相泥石流密度ρm(i，j)＝ρsCs(i，j)+ρf(1-Cs(i，j))，体积浓度空间分布
x，y方向上速度变化us(i，j)，vs(i，j)，uf(i，j)，vf(i，j)及泥石流多相平均速度其中，us，vs为固相x，y方向上的速度分量；uf，vf为液
相x，y方向上的分量；vm代表多相泥石流速度为固相速度vs和液相速度vf的一个函数；Cs(i，j)为固相颗粒浓度，且和每个矩形网格中的固相液相占比有关系，为固相深度hs(i，j)和液相深度hf(i，j)的一个函数(31)；ρs，ρf为固相液相密度且为定值。
一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法
技术领域
背景技术
发明内容
相x,y方向上的分量；vm代表多相泥石流速度为固相速度vs和液相速度vf的一个函数；Cs(i,j)为固相颗粒浓度，且和每个矩形网格中的固相液相占比有关系，为固相深度hs(i,j)和液相深度hf(i,j)的一个函数(31)；ρs,ρf为固相液相密度且为定值。
具体实施方式
相x,y方向上的分量；vm代表多相泥石流速度为固相速度vs和液相速度vf的一个函数；Cs(i,j)为固相颗粒浓度，且和每个矩形网格中的固相液相占比有关系，为固相深度hs(i,j)和液相深度hf(i,j)的一个函数即公式(31)；ρs,ρf为固相液相密度且为定值。
颗粒体积浓度Cs(m) 0.2-0.5
μs 0.22
μ2 0.3
IO 0.28
中值粒径d5O(m) 0.001
液相流体参数 值
粘度(Pa·s) 0.005
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