流固耦合原理

1、0a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土石混合体边坡失稳的流一固耦合特性研究何晓英何晓英1a研究目的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a23a第一章第一章 流固耦合原理流固耦合原理基本概念基本概念Part 1 在力学领域中渗流场与应力场在力学领域中渗流场与应力场耦合耦合作用又作用又被称之为被称之为“流一固流一固耦合耦合作用作用”；在地球科学领域中常称之为在地球科学领域中常称之为“水一岩水一岩( (土土) )相相互作用互作用”。 4a第一章第一章 流固耦合原理流固耦合原理土石混合体耦合机理土石混合体耦合机理Part 1 岩体渗流场与应力

2、场的耦合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。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力而影响岩体的应力分布；分布；应力通过改变裂隙宽度而影响裂应力通过改变裂隙宽度而

3、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。隙的渗透系数，从而影响岩体的渗透性及岩体的渗流场。5a第一章第一章 流固耦合原理流固耦合原理流一固耦合问题的求解方法流一固耦合问题的求解方法Part 1 解析方法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数值方法a67a第二章第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理土石混合边坡失稳的流固耦合原理耦合机理耦合机理Part 1 基本假定基本假定 （1 1）土石混合体是完全饱和各向同性体

4、线弹性体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土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 （2 2）固体颗粒和孔隙水可以压缩固体颗粒和孔隙水可以压缩 （3 3）固体骨架的变形遵从固体骨架的变形遵从TerzaghiTerzaghi有效应力原理有效应力原理 （4 4）孔隙水渗流服从孔隙水渗流服从DarDarc cy y定律定律 （5 5）岩土质点在渗流过程中要发生位移岩土质点在渗流过程中要发生位移 （6 6）土石混合体的孔隙率和渗透系数是动态变化的土石混合体的孔隙率和渗透系数是动态变化的8a第二章第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理土石混合边坡失稳的流固耦合原理

5、耦合机理耦合机理Part 1 渗流场影响下的应力场方程渗流场影响下的应力场方程 （1 1）本构关系本构关系土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 （2 2）几何方程几何方程 （3 3）应力平衡方程应力平衡方程渗流场影响下的应力场方程渗流场影响下的应力场方程9a第二章第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理土石混合边坡失稳的流固耦合原理耦合机理耦合机理Part 1 应力场影响下的渗流场方程应力场影响下的渗流场方程 （1 1）考虑流体、固体骨架分担荷载的有效应力原理）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流体质点的速度土石混合体边坡失稳的流一固耦

6、合数学模型土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型 （2 2）土石混合体骨架的连续性方程土石混合体骨架的连续性方程 （3 3）孔隙流体孔隙流体( (不考虑源汇项不考虑源汇项) )的连续性方程的连续性方程10a第二章第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理土石混合边坡失稳的流固耦合原理耦合机理耦合机理Part 1 应力场影响下的渗流场方程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 联立以上式子得联立以上式子得11a第二章第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理土石混合边坡

7、失稳的流固耦合原理耦合机理耦合机理Part 1 定解条件定解条件 第一类第一类( (己知水头边界条件）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土石混合体边坡失稳的流一固耦合数学模型l)l)边界条件边界条件 第二类第二类( (流量边界条件）流量边界条件） 第三类边界条件第三类边界条件( (混合边界条件）混合边界条件）2)2)初始条件初始条件12a第二章第二章 土石混合边坡失稳的流固耦合原理土石混合边坡失稳的流固耦合原理耦合机理耦合机理Part 1 应力场定解条件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

8、件a1314a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 1 分分 析析 方方 法法物理模拟物理模拟数值模拟数值模拟 研究边坡变形破坏机理的主要手段主要有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室内地质力学模型现场试验模型现场试验模型差分法差分法有限元法有限元法边界元法边界元法离散元法离散元法连续介质、小变形连续介质、小变形拉格朗日算法、大变形拉格朗日算法、大变形FLACFLAC软件软件15a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 2 计算模型计算模型

9、数值分析模型及计算条件数值分析模型及计算条件16a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 3 边坡剖面有限元网格划分边坡剖面有限元网格划分数值分析模型及计算条件数值分析模型及计算条件17a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 4 不同时刻地下水浸润面不同时刻地下水浸润面模拟降雨过程模拟降雨过程不同工况时的降雨强度及降雨持时不同工况时的降雨强度及降雨持时18a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Pa

10、rt 5 不同时刻地下水浸润面不同时刻地下水浸润面模拟计算结果分析模拟计算结果分析稳定性分析稳定性分析不同水位时的稳定系数不同水位时的稳定系数19a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 5 模拟计算结果分析模拟计算结果分析应力场分析应力场分析初始状态最大剪应变增量分布初始状态最大剪应变增量分布(m(m）完全饱和状态最大剪应变增量分布完全饱和状态最大剪应变增量分布(m(m）20a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 5 模拟计算结果分析模拟计算结果分析应力场

11、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塑性区分布图完全饱和状态时最大主应力云图完全饱和状态时最大主应力云图(Pa)(Pa)21a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 5 模拟计算结果分析模拟计算结果分析渗流场分析渗流场分析初始状态孔隙水压力分布初始状态孔隙水压力分布完全饱和状态孔隙水压力分布完全饱和状态孔隙水压力分布22a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 5 模拟计算结果分析模拟计算结果分析渗流场分析渗流场分析完全饱和状态孔隙水压力分布

12、完全饱和状态孔隙水压力分布23a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 5 模拟计算结果分析模拟计算结果分析位移场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位移矢量图完全饱和状态时的速率矢量图完全饱和状态时的速率矢量图24a第三章第三章 土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟土石混合边坡失稳的流固耦合数值模拟耦合机理耦合机理Part 5 模拟计算结果分析模拟计算结果分析位移场分析位移场分析完全饱和状态时完全饱和状态时X X方向位移云图方向位移云图(mm)(mm)完全饱和状态时完全饱和状态时y y方向位移云图方向位移云图(mm)(mm)a2526a第四章第四章 结论结论耦合机理耦合机理Part 1 结论结论流固耦合分析的基本步骤：流固耦合分析的基本步骤： 1. 1.建立物理模型建立物