岩土工程数值模拟绪论（通用15篇）
岩土工程数值模拟绪论 篇1
某滑坡治理工程的数值模拟
长期的地质作用使得天然形成的地表和地形,一般都处于稳定状态和具有相应的应力状态,并且都有一定的强度.介绍了滑坡工程的地质特征,并对原始滑坡进行了稳定性分析与评价.根据地层特征及城市周边现有环境,提出采用预应力锚索和钢筋混凝土梁相结合的.防护方案.再用数值模拟校核滑坡支护后的稳定性.
作 者：覃秀玲 QIN Xiu-ling 作者单位：成都理工大学环境与土木工程学院,成都,610059刊 名：西北水电英文刊名：NORTHWEST WATER POWER年，卷(期)：2009“”(4)分类号：P642.22 TV223.21关键词：滑坡工程 稳定性分析 数值模拟
岩土工程数值模拟绪论 篇2
数值模拟广泛应用在地质、土建、交通、采矿、水利等行业的咨询设计和科学研究中。
工作至今,作者一直在设计生产单位从事地质工程的设计咨询工作,完成和审查过多个工程项目的数值分析,包括边坡、锚碇、地下厂房和箱桩基础,也定期研读公开发表的科技论文,发现随着各种数值模拟软件新版本的不断推出,其建模和分析功能日益强大,解决了大量工程问题。
但实际工作中发现由于存在人为或客观因素,致使数值分析结果和工程需求有一定的差距。以下主要分析边坡和地下工程咨询审查中遇到的问题。
1 过度精细化,“大而全”,重点反而不突出
精细化的三维仿真模型,在边界条件可控、重点研究区域明确时,不仅能清晰的反映出地质体和构筑物之间的空间关系,还可提高数值模拟结果的可靠性。但当研究对象无显著地质缺陷体时,过度精细化模型是没有必要的。如水电深埋地下厂房,数值分析评价的重点是地下厂房高边墙、底板、大跨度洞顶的稳定和变形。规模较小的施工支洞、交通洞和尾水洞等非安全评价重点,建模时,可以简化或者直接优化掉不建。
项目A:水电站进水口边坡的三维数值分析。由于模型建的太大,超过了分水岭,以至于显示不出来进水口边坡位置,需要局部放大。需要说明的是,分水岭周围无可影响计算结果的地质构造带。
文献[1]探讨了“分割论”和“整体论”在地质灾害防治研究中的应用,分割论的方法就是对研究对象进行分析和分解,化复杂为简单,其工作过程就是将复杂问题尽量分解成为多个相对简单的问题,分开解决。将一个复杂过程“切割”为片段和部分,断开其之间的链条,有利于考察其结果和功能,给整体一个微观和细致的解释。
文献[1]观点也可用于数值分析借鉴,边界条件可控时,将较为复杂的模型根据工程需求分解成几个独立的模型;省去建“大而全”复杂模型。减少建模的难度,提高分析计算之效率,使之针对性更强。
以目前从事的抽水蓄能发电工程为例,地下厂房洞室群构筑物多,主副厂房洞尺寸一般在300 m×50 m×25 m(长×高×宽),埋深多达500 m,主厂房高边墙和拱顶变形破坏是分析研究的重点。建模难度大,具体分析时,也可以尝试将主厂房从地下硐室群“分割”出来,只建一个精细化的“独立”主厂房模型,尽可能接近地质钻孔和探洞资料,精细化地层及软弱结构面,这样在调整优化支护结构体系时,后处理相当便捷。
如在建的重庆蟠龙抽水蓄能电站,主副厂房埋深500多米,位于砂岩和泥岩互层地区,泥岩软弱,强度低,层面产状近水平,分层厚度在十几厘米到几百厘米之间。设计方案是借用厂房区以外的地质勘探平洞作为加固洞,通过锚索等手段控制顶拱和边墙变形。将“锚固洞—主厂房—锚索”模型从整个地下洞室群“分离”出来,只建一个相对“小”的模型,可能更有利于建模、参数调整和后处理。
又如项目B:“某悬索桥锚碇岩土数值分析”,初步设计阶段笔者曾用FLAC3D建包括钢筋混凝土锚碇和岩土体的三维模型。计算时,先将悬索桥的主缆力分解,施加在锚碇后锚室,根据变形协调,再分析基底岩土体的变形和应力。
由于悬索桥的锚碇体是不规则的钢筋混凝土体,前期建模花费的精力约占整个工作量60%,最终的计算效果也不甚理想。施工图设计阶段,建议业主将其委托具有类似丰富经验的科研单位,专题承担人通过和设计院结构工程师沟通,获得了锚碇基地附加应力值和分布范围,然后将“钢筋混凝土锚碇体”和“岩土体”分离,这样一来,只建了一个简洁、边界条件清晰的岩土体模型,附加应力直接施加在基底岩土体上。所建的模型几何尺寸小、计算边界条件可控,结果可靠,委托方也满意。
2 塑性区范围不合实际
以咨询过的项目C:“某边坡稳定性分析报告”为例,存在塑性区的范围太广、不准确。远离边坡临空面处,也出现了塑性区,和一般认知有差别。计算过程、荷载施加方式及单元划分等引起的塑性区,和真正意义的塑性区有一定的差别,后处理时要加以甄别。
塑性区分布范围过大、分布位置不合理这一现象,在公开发表的科技文献中也常见。如隧道等地下工程,从一些公开发表文献的插图来看,塑性区范围往往也过大,计算软件如何定义塑性区,塑性区代表的工程意义,论文往往也缺少说明和论述。
3 地质调查和宏观判断有待加强
以咨询过的项目D:“某桥位边坡稳定性分析”为例,由某研究所完成,模型接近20万单元,模型几何形态和地形地貌吻合较好,采用“强度折减法”得出稳定系数0.9,但现场考察发现边坡上的水田和果林无变形迹象,坡体稳定,数值计算结果和实际情况相背离。
可见,进行必要的地质调查和宏观判断,方可进行下一步的建模、分析、归纳、评价和预测等工作,否则,即使费时费力进行仿真分析,其成果意义可能不大。
4 其他
热衷于研究岩土体的本构关系,而较少研究取样精度、原位测试和土工试验精度等。
5 结语
1)几何、力学边界条件清晰可控时,建议优化模型的尺寸:能平面解决问题的,可不考虑三维模型;能分割成小模型解决问题的,可不考虑建复杂的大模型;能单面山谷解决问题的,可以不考虑建对称山谷模型。
选用较为贴合实际的本构关系,尽可能和国内岩土工程测试水平相匹配。
2)加强和委托方地质、结构和施工等相关专业工程师的技术沟通,理解设计和施工意图,提高数值分析成果的可利用性。
3)只有在详细的地质调查、分析、概化评价、预测等宏观判断前提下,了解工程意图,数值模拟才有实际意义。
4)熟悉行业规范和相关专业知识,有助于控制模拟成果在可信或可接受的区间之内。通过合理的简化,公式或规范推荐的方法,预估数值分析能达到的效果,做到有的放矢。
摘要：结合工程实例,从精细化过度、塑性区范围不合实际、地质调查和宏观判断等方面,阐述了岩土工程数值模拟中存在的问题,并提出了一些应对策略,有助于提高岩土工程数值分析的效率和可靠性。
关键词：岩土工程,数值模拟,地质调查,塑性区
参考文献
岩土工程数值模拟方法的发展 篇3
关键词：岩土工程 数值模拟有限差分有限元边界 元离散 元无界元
1.引言
近几十年来，随着计算机应用的发展，数值计算方法在岩土工程问题分析中迅速得到了广泛应用，大大推动了岩土（体）力学的发展。在岩土（体）力学中所用的数值方法主要有以下几种：有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等。下面就对这些方法进行简要的介绍和分析。
2.有限差分法
有限差分法是一种比较古老且应用较广的一种数值方法。它的基本思想是将待解决问题的基本方程和边界条件近似地用差分方程来表示，这样就把求解微分方程的问题转化为求解代数方程的问题。亦即它将实际的物理过程在时间和空间上离散，分解成有限数量的有限差分量，近似假设这些差分量足够小，以致在差分量的变化范围内物体的性能和物理过程都是均匀的，并且可以用来描述物理现象的定律，只是在差分量之间发生阶跃式变化。有限差分法的原理是将实际连续的物理过程离散化，近似地置换成一连串的阶跃过程，用函数在一些特定点的有限差商代替微商，建立与原微分方程相应的差分方程，从而将微分方程转化为一组代数方程，通常采用“显式”时间步进方法来求解代数方程组。
3.有限单元法
有限元法将连续的求解域离散为有限数量单元的组合体，解析地模拟或逼近求解区域。由于单元能按各种不同的联结方式组合在一起，且单元本身又可有不同的几何形状，所以可以适应各种复杂几何形状的求解域。它的原理是利用每个单元内假设的近似函数来表示求解区域上待求的未知场函数，单元内的近似函数由未知场函数在各个单元节点上的数值以及插值函数表达。这就使未知场函数的节点值成为新未知量，把一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。只要解出节点未知量，便可以确定单元组合体上的场函数，随着单元数目的增加，近似解收敛于精确解。按所选未知量的类型，有限元法可分为位移型、平衡型和混合型有限元法。位移型有限元法在计算机上更易实现，且易推广到非线性和动力效应等方面，故比其他类型的有限元法应用广泛。
4.边界元法
边界元法出现在20 世纪60 年代，是一种求解边值问题的数值方法。它是以Betti 互等定理为基础，有直接法与间接法两种。直接边界元法是以互等定理为基础建立起来的，而间接边界元法是以叠加原理为基础建立起来的。边界元法原理是把边值问题归结为求解边界积分方程的问题，在边界上划分单元，求边界积分方程的数值解，进而求出区域内任意点的场变量，故又称为边界积分方程法。边界元法只需对边界进行离散和积分，与有限元法相比，具有降低维数、输入数据较简单、计算工作量少、精度高等优点。比较适合于在无限域或半无限域问题的求解，尤其是等效均质围岩地下工程问题。边界元法的基本解本身就有奇异性，可以比较方便地处理所谓奇异性问题，故目前边界元法得到研究人员的青睐。
5.加权余量法
加权余量法也是一种求解微分方程的数值法，它在流体力学、热传导以及化学工程等方面应用较广。它具有两个方面的优点：①由于加权余量法是直接从控制方程出发去求解问题，理论简单，不需要复杂的数学处理，且它的应用与问题的能量泛函是否存在无关，因而它的应用范围较广，利用加权余量法这一优点去建立有限单元的刚度矩阵，可以大大扩展有限元法的应用范围；②加权余量法的计算程序简单，要求解的代数方程组阶数较低，对计算机内存容量要求不高，计算所需要的原始数据较少，这样就大大减轻了准备工作量。
6.半解析元法
半解析元法是Y. K. Cheung 于1968 年提出来的，同有限元法一样，它也是基于变分原理的。不同点是半解析元法根据结构的类型和特点，利用部分已有的解析结果，选择一定的位移函数，使解沿某些方向直接引入已知解析函数系列，而不再离散为数值计算点，因此自由度和计算量大大降低。这几年半解析法发展很快，种类很多，主要包括有限条法、有限层法、有限厚条法、有限壳条法、样条有限元法以及无限元法等。这类方法适用于求解高维、无限域及动力场等较复杂的问题。
7.无界元法
无界元法是P. Bettess 于1977 年提出来的，用于解决用有限元法求解无限域问题时，人们常会遇到的“计算范围和边界条件不易确定”的问题，是有限元法的推广。其基本思想是适当地选取形函数和位移函数，使得当局部坐标趋近于1 时，整体坐标趋于无穷大而位移为零，从而满足计算范围无限大和无限远处位移为零的条件。它与有限元法等数值方法耦合对于解决岩土（体）力学问题也是一种有效方法。上述介绍的几种数值法都是针对连续介质的，只能获得某一荷载或边界条件下的稳定解。
8.离散单元法
离散单元法随着非连续岩石力学的发展而不断进步，与现有的连续介质力学方法相比，还有以下问题需要研究：
（1）刚体离散单元法是基于非连续岩石力学的，更适合于低应力状态下具有明显发育构造面的坚硬岩体的变形失稳分析。对于软弱破碎、节理裂隙非常发育和高应力状态下的岩体变形失稳分析，则不适合。
（2）岩体介质种类繁多，性质非常复杂。在通常情况下，节理岩体或颗粒体表现为非均质和各向异性，并且常表现有很强的非线性，所处的地质环境不尽相同，这就使得岩土工程计算有很多不确定性因素。离散元的主要计算参数（如阻尼参数、刚度系数），影响到岩土工程稳定过程的正确模拟以及最终结果的可靠性，尤其是离散元计算中的参数选取，没有统一和完善的确定方法。
（3）计算时步的确定。现在的选取原则是出于满足数学方程趋于收敛的条件，与实际工程问题中的“时间”概念如何联系起来，合理地考虑时间效应，是今后需要研究的问题。
（4）迭代运算的时间较长。用计算机进行离散元计算时，CPU 占用时间较多，特别是在考虑岩块变形的情况下，模型划分单元数受到限制，对迭代方法需做进一步的改进。
9.刚体节理元法
刚体节理元法是Asai 在1981 年提出的，它是在Cundall 刚体离散元间夹有Goodman 节理单元的组合单元，但此节理单元有一定厚度而使离散元间不能“叠合”。刚体节理元法也可考虑不含节理单元的情况，即所谓的单一三角形刚体元非连续变形分析法，是石根华博士和古德曼教授于1984 年首次提出的一种新型数值分析方法，至1988 年该方法已形成了一种较为完整的数值计算方法体系。非连续变形分析方法以严格遵循经典力学规则为基础，是一种平行于有限元法的数值计算方法。
10.流形元方法
油藏数值模拟学习心得 篇4
“油藏数值模拟”涉及的学科较多,利用数学知识和计算机知识较多,我认为是非常难的。虽然教师教的很认真也很耐心，我仍然不能跟着老师的节奏。因为一开始就知道这个软件很有实际应用价值，所以我也就特别的想好好的学习它。可惜现在我面临着考研这座大山，我实在是没有充分的时间课下来好好的温习与研究老师上课所讲的东西。很遗憾，后来老师讲的东西我有些就不会了。好在前三四节课讲的内容还学会了，学会了模拟三层的油层概况。也许这点知识对我以后的再次学习会有不错的基础作用吧！总之还是很感谢老师的耐心教导。
在学习的过程中，我觉得油藏原始参数，如渗透率、孔隙度等的收集，以及油藏原始数据是否齐全准确非常重要，尤其是一开始填date时的单位的选择，这些都关系到数值模拟的效果。如果原始资料很少，数值模拟的效果就不可能好。数值模拟方法越复杂，所需的原始资料也越多。收集资料时，如发现必需的资料不够或不准确，应采取补救措施。通常要求准备的参数包括：①油藏地质参数。产层构造图，油、气、水分布图，油层厚度、孔隙度、渗透率、原始含油饱和度的等值图等。②流体物理性质参数。地面性质和地层状态下的物性数据，原始压力和地层温度数据，对凝析气田还需要相图和相平衡的资料。③专项岩心分析资料。油水相渗透率曲线，油气相渗透率曲线，油层润湿性，吸入和排驱毛细管压力曲线；对碳酸盐岩孔隙裂缝双重介质储层，还需渗吸曲线。④单井和分层分区的生产数据和有关测试资料。⑤油田建设和经济分析的有关数据。
将收集的油藏地质资料进行系统整理后，要将油藏的地质特征模式化，以充分反映油藏的构造特征和沉积特征，如油层物理性质参数的分布、油气水的分布、油气水在地面和地下的性质、驱油动力、压力系统和地温梯度等。油藏地质模型是否符合实际情况，直接影响数值模拟成果的准确性。
标枪气动力数值模拟 篇5
标枪气动力数值模拟
利用FLUENT软件对标枪进行了风洞试验的数值模拟,避免了真实实验对标枪的`破坏.得到了标枪的气动力数据,并提出了投掷该标枪的最佳出手攻角.
作 者：刘晓军 史振东 马晋超 陈昭怡 LIU Xiao-jun SHI Zhen-dong MA Jin-chao CHEN Zhao-yi 作者单位：太原理工大学理学院,太原,030024刊 名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING年，卷(期)：20099(11)分类号：O355关键词：标枪 气动力 数值模拟
俯冲带波速结构的数值模拟 篇6
俯冲带波速结构的数值模拟
数值模拟结果显示，俯冲带在大部分深度都存在高速异常，并在400km左右和550km左右的深度存在高速异常的极大值，这和地震层析成像得到的波速结构相一致. 说明虽然层析成像方法的分辨率较低，但它能给出俯冲板块上P波速度随深度变化的基本特征. 俯冲带既有正的波速异常，也有负的波速异常，幅度约在-10%―9%之间，这在区域台网的.资料中可以得到反映. 俯冲带在约700km深度存在低速异常，亚稳态橄榄石的存在也使俯冲带出现沿俯冲方向的倾斜低速区. 地震层析成像结果没有类似的波速结构，可能是其分辨率较低所致. 要研究俯冲带的细结构，应基于高精度的区域台网的资料.
作 者：宁杰远 臧绍先 NING JIE-YUAN ZANG Shao-xian 作者单位：北京大学地球物理系, 刊 名：地球物理学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：Chinese Journal of Geophysics 年，卷(期)： 44(2) 分类号：P315 关键词：俯冲带 动力学 数值模拟 波速结构岩土工程数值模拟绪论 篇7
关键词：采矿工程,数值模拟,发展研究
近年来, 随着时代的发展, 在计算机技术进一步发展的历史背景下, 相关的数值分析的方法越来越多, 这使得采矿工程的数值模拟获得了进一步的发展。在这种历史背景下, 我们可以通过有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法和半解析元法等数学计算方法的使用, 加之必要的计算机技术的使用, 从而进一步了解采矿工程的特点, 使采矿工作的开展变得更加容易, 减少了事故发生的可能性。从这个层面来说, 对采矿工程数值模拟的发展和现状进行研究是十分有必要的。
1 采矿工程数值模拟的相关定义
1.1 采矿工程的定义。
只有明确了研究对象, 才有利于研究问题的进一步发展, 这里也不例外, 本文所要研究的对象就是采矿工程数值模拟。首先让我们对采矿工程有一个了解。所谓的采矿工程, 顾名思义, 指的就是进行采矿的工程, 也就是应用科学的方法指导采矿这一行动的科学。
1.2 数值模拟的定义。
所谓的数值模拟, 就是通过对于相关的数据进行收集整理, 进而用数据构造一个系统, 有了数值模拟的这个系统, 我们就可以对于采矿中可能遇到的问题进行评估, 从而将相关的伤害降至最低。总而言之, 采矿工程数值模拟的优点可以总结为以下几点:一方面其可以发现在工程和产品的设计阶段潜在的问题, 从而在此基础上有效的增加工程和产品的可靠性。另一方面, 经过分析计算, 可以有效的对设计方案进行相关的优化, 从而有效的降低工程和产品的成本, 增加采矿单位的收益。并且这种集成尽快确定工程问题的设计方案, 可以加速产品开发, 从而对市场具有敏锐的反映力。并且其还可以通过模拟物理试验方案, 减少试验次数这个层面减少试验经费。
2 数值模拟在采矿工程中的应用
2.1 数值模拟在采矿工程中发挥的作用。
在这一部分, 笔者将结合采矿工程中主要遇到的问题以及数值模拟解决其的方法简要说明数值模拟在采矿工程中发挥的作用, 也只有这样, 才能起到生动形象的良好效果。事实上, 采矿工程在进行作业时, 面临的环境十分复杂, 所以其会遇到各种各样的问题, 但是从整体上, 我们可以将这些问题分为两类:其一就是采场围岩控制问题, 这是困扰着许多人的一个大难题。所谓的采场围岩控制问题, 是一类研究岩体结构是如何破断、破断后的岩块是否趋于稳定状态以及结构失稳后的形态变化的科学。对其掌握程度的深浅, 直接影响到人们在进行采矿时的工作环境。如采场坚硬基本顶随着工作面的推进, 不断地由连续体破断成块体, 块体重新排列后的自然结构再受覆岩自重的作用, 不断变化、运动和失稳直到引起地表沉陷就是人们对采场围岩控制问题进行研究得出的一个较为重要的研究结果, 掌握了这一点, 我们就可以定性的了解采场坚硬基本顶的运动过程, 从而提前做好相关的措施防止一些危险事情的发生。然而在某种特定的情况下, 我们仅仅掌握采场坚硬基本顶定性的运动过程是远远不够, 不能很好的解决我们所面临的问题, 在这种情况下, 我们就需要使用数值模拟的方法帮助我们在一定程度上定量的掌握采场坚硬基本顶的运动过程了, 通过对采场坚硬基本顶的尺寸进行度量, 对工作面推进的速度进行相关的测量, 我们会得到一系列的数据, 通过对这些数据进行数学上的处理, 我们可以进行相关的数值模拟的工作, 这样我们就会得到一个采场坚硬基本顶随工作面推进而产生变化的模型, 这样我们就可以在一定程度上掌握采场坚硬基本顶的动态运动过程了。这就是数值模拟在解决采场围岩控制问题中的一个应用。与以往的分析方法相比, 采矿工程数值模拟由于借助了数学和计算机的力量, 所以使其在精确性和方便性方面大大优于以往的分析方法, 并且我们可以通过对模拟模型的进一步修正, 使其更加满足实际的情况, 从而更好地为我们服务;其二, 则是巷道围岩控制问题, 所谓的巷道围岩控制问题的研究对象是开采后覆岩移动、变形和破坏导致围岩应力场的变化规律等;这里我们也不难理解, 因为采矿是一项作业量很大的工程, 在进行作业时还会对土地的岩层产生不小的影响, 如果控制不当, 采矿的巷道就极有可能发生坍塌, 而巷道一旦发生坍塌, 就极有可能造成相关的人员伤亡和财产损失。因而在进行采矿工程时, 做好巷道围岩控制工作的重要性不可小觑。如在采矿工作受到相邻工作面开采影响时, 就需要对巷道进行合理布置, 并且对支承压力对巷道围岩稳定性的影响进行评估, 只有这样才能根据巷道周岩石的移动变形特征和围岩状况选择合理的支护方式和参数开采, 然而这一系列的问题应用传统方法都不好解决, 可是采矿工程数值模拟就可以较好的解决相关的问题。我们将实际生产中产生的相关数据输入, 构建相关的数据模型后就可以对这些数据进行必要的处理, 这样就可以模拟相关的环境, 尽可能的预测可能出现的结果, 从而提前做好相关的防范工作。
2.2 采矿工程数值模拟发展应用的相关重点。
通过以上的介绍, 相信读者已经对数值模拟在采矿工程中的应用有了一个整体上的概念。笔者将在本段中对采矿工程数值模拟发展应用的相关重点进行介绍, 从而使读者对其有一个更加深入的掌握。采矿工程在应用数值模拟方法时应注意以下几点:首先要从宏观上把握所要研究的对象, 对其各个方面进行深入的了解和分析, 在此基础上再进行选择数值模拟方法和软件的选择, 只有这样, 选择的数值模拟方法和软件才能够反映采矿工程问题的特点;其次在采用新型开采技术时要慎重。随着时代的发展, 采矿行业的技术不读那进行着革新, 越来越多绿色开采技术被提了出来, 但是这些绿色开采工艺大多数都是理论, 没有经过实践的检验, 缺乏相关的数据支撑, 所以万不可盲目采取, 在采取这些工艺前一定要进行科学的数值模拟;由于矿物多数被埋在地下深处, 而地下环境的复杂性往往会给开采带来很大的难度, 在这种情况下, 传统的平面模型已经不能很好的反映相关的问题了, 所以我们可以通过数值模拟来进行采矿工程问题的三维数值模拟, 但是由于地下开采是一个涉及时间和空间的复杂问题, 所以这方面的研究仍需要进一步完善;最后就是关于岩体力学参数的合理确定方法的问题了。相信学过数学的读者都清楚参数对于一个数学模型的重要性, 这里也不例外, 如果参数不够准确, 就可能导致一系列问题, 也就是说岩体力学参数的合理极大地决定了数值模拟结果的准确性。所以, 要想得到准确的结果, 深入研究岩体力学参数的合理确定方法也就是自然而然的事情了。
结束语
综上所述, 数值模拟在采矿工程中有着很大的利用, 其可以通过建立相关的数学模型的方法, 在一定程度上定量的预测相关的结果, 弥补了过去只能定性甚至是凭经验对相关问题做出判断的不利局面, 在一定程度上有效的降低了采矿作业的危险性。此外值得一提的是, 目前采矿工程的数值模拟还处于发展阶段, 还有很大的上升空间, 可以预测, 在不仅的将来, 通过数值模拟方法的应用于推广, 可以使采矿工程发展的更加成熟。
参考文献
[1]谢文兵, 陈晓祥, 郑陌生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2005.
[2]黄志全, 王思敬, 李华晔等.岩石力学参数取值的置信度及其可靠性[J].岩石力学与工程学报, 1999, 18 (1) :33-35.
尿素热解制取氨气数值模拟 篇8
关键词：尿素溶液；热分解；NH3；数值模拟
中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0172-03
1 概 述
SCR烟气脱硝技术是世界上最成熟的脱硝技术之一，其在我国已得到广泛应用。目前SCR系统还原剂氨气主要来源于液氨、氨水和尿素[1]，液氨为危险化学品，目前其安全隐患问题日益受到大家的重视，特别在一些城市热电，距离城市近，一旦出现氨泄漏将会对附近居民生活造成重大影响；而氨水由于其浓度低，从而降低了其危险性，但其耗量将大大增加，运输成本高；尿素作为一种无危险的绿色肥料，利用其热解制氨具有与液氨相同的脱硝性能，且便于运输、存储和使用，因而越来越多的城市电厂倾向于采用尿素热解制氨技术[2-4]。
尿素热解制氨技术是通过把质量浓度低于50%的尿素溶液在热解装置中雾化，蒸发后热解生成氨气。Tokmakov等[5]认为单独尿素分解的产物最有可能是NH3与HNCO。Chen等[6]通过热重分析-质谱联用技术研究了尿素的热解，发现尿素在熔点（132 ℃）之前已经开始分解，但分解量很少。Schaber等[7-8]报导了在温度高于413 K时，尿素由熔融态蒸发为气态，且当温度高于425 K时尿素热分解为NH3和HNCO。吕洪坤[9]等在一管式石英反应器上实验研究了尿素溶液的高温热分解特性以及添加Na2CO3后对相关因素的影响，保持很高的尿素有效分解率时所能达到的HNCO水解率很低，Na2CO3可以有效地促进 HNCO的水解。Gentemann等[10]在800～1 300 K的温度范围内研究了尿素溶液的热分解，讨论了温度、氧含量对NH3、CO2生成的影响。本文对尿素热分解的进行机制进行了分析并建立了一个管式尿素热解反应器模型，通过数值计算的方法分析热解温度、加热风量、液滴粒径等对尿素热解转化率的影响，为工程实际应用提供理论指导。
2 模拟计算对象
管式热解反应器示意图，如图1所示。反应器直径为1 500 mm，高温空气从入口到热解炉出口整体长度为6 000 mm。在1 000 mm轴线中心处设置一支尿素溶液喷嘴，尿素溶液通过压缩空气雾化后喷入反应器，雾化喷嘴喷射角为90 °，流量为0.035 kg/s，根据不同工况调节反应入口空气温度、流速以及尿素溶液雾化粒径。
3 模型选择及设定
反应器内尿素溶液雾化热解过程涉及到湍流流动、气液两相流、传热传质、液滴蒸发、尿素热解以及化学反应动力学等多方面，是一个极其复杂的物理、化学反应过程。本文针对流动的湍流模型选用标准湍流模型；传热模型选用P-1辐射模型。
3.1 离散相模型
对于尿素水溶液在气相中的两相流动，采用离散相模型DPM（Discrete Phase Model），即采用拉格朗日坐标系下跟踪液滴相，采用欧拉坐标系处理气相。同时由于颗粒的喷射角度还是其喷出时间都是随机分布的，认为尿素水溶液液滴在反应器内的运动负荷随机轨道模型，并耦合了两相间的相互作用，考虑了动量、质量和热量。
对于尿素水溶液液滴，采用多组分颗粒（multicomponent）模型，尿素溶液与水溶液按照50%配比，颗粒温度为50 ℃，防止尿素水溶液结晶。同时雾化模型选择solid cone类型，喷射雾化角为90 °，流量密度根据边界条件确定。
3.2 液滴蒸发模型
尿素水溶液液滴浓度为50%，尿素浓度较高，此时处理溶液雾化蒸发时，不能完全处理为纯水的喷射蒸发，应考虑尿素溶液的蒸发。由于对颗粒采用多组分颗粒（multicomponent）模型，可分别设置尿素和水的蒸发参数，其中尿素溶液设定其汽化潜热为1 398 KJ/kg，蒸发温度为420 K，沸腾点为483 K，而水溶液汽化潜热为2 263 KJ/kg，蒸发温度为284 K，沸腾点为373 K，两者混合雾化颗粒蒸发平衡采用拉乌尔定律。
对于雾化尿素液滴蒸发过程的计算，主要是通过野地的加热、蒸发、沸腾过程的模拟来分别考虑。并考虑采用准稳态模型，液滴的加热、蒸发、沸腾过程的质量和能量平衡方程如下：
3.3 尿素热分解模型
尿素热分解路径为固态/液态尿素先蒸发为气相NH2CONH2，然后气相尿素分解为NH3和HNCO，模型示意图，如图2所示[11，12]。
尿素的热分解受限于动力学参数，因此尿素会在熔融液态保持一段时间，而气态尿素在高温环境中并不稳定，根据文献[5]尿素热解最的产物最有可能是NH3与HNCO，且该反映为一个快速反应过程，此后HNCO进一步水解生成NH3和CO2，其被认为气相均反应[11]。
3.4 动力学模型
本文采用二步总包反应模型，尿素水溶液首先在高温空气中雾化蒸发生成尿素蒸汽和水蒸汽，随后经热分解分解成NH3与HNCO，而后HNCO进一步水解生成NH3和CO2，动力学方程式及参数，见表1[13，14]。
4 模拟结果与分析
4.1 尿素水溶液热解数值计算分析
尿素水溶液热解模拟结果，如图3所示，为入口空气温度为873 K，流速0.5 m/s，液滴粒径为100微米条件下尿素水溶液热解模拟结果。
从图可见，尿素水溶液喷入反应器后被迅速加热，由于尿素蒸发温度为420 K，高于水分的沸腾温度，因此水分首先从液滴中蒸发，并随着水分的蒸发，液滴表面的尿素浓度越来越高，待液滴中水分几乎蒸发完全后，此时尿素才开始逐步蒸发热解。同时随着尿素水溶液蒸发热解，空气温度逐步降低，氨气浓度不断增加，出口烟气温度降低至673 K左右。分析HNCO浓度分布可见，在高温段中尿素热解生成的HNCO随后与水蒸气发生水解反应，并在出口处基本水解完成，完全转化成氨气。
4.2 温度对热解效率的影响
入口空气流速0.5 m/s，尿素水溶液液滴粒径100 μm，分析了573～1 073 K温度区间内不同温度工况下尿素热解制氨的转化率的影响，模拟图，如图4所示。
由图4可以看出，尿素水溶液液滴在热空气流场中停留时间越长，其NH3转化率不断增加，这是因为随着尿素液滴的停留时间的增加，尿素热解越彻底，更加有利于尿素热解。
同时从图4还可以看出，随着温度的升高，尿素热解产物NH3转化率增大。前期随着温度的升高，NH3转化率大幅增加，当温度达到873 K以上时，尿素水溶液液滴在热空气中停留时间为10 s时，NH3转化率基本已经达到100%， 此后随着温度的升高尿素水溶液在更短的停留时间内就能够达到100%NH3转化率。这是由于尿素热解反应推进率常数随着温度升高而增大[15]，温度越高，尿素分解越彻底，NH3转化率越高，可见温度是尿素热解的一个关键的因素。尿素热解是一个吸热反应，温度的越高，其反应越剧烈，反应速率越快，所需的反应时间也越短，这也就解释了在温度高于873K时，随着温度的升高，尿素水溶液在更短的停留时间内就能够达到彻底转化。
4.3 空气流速对热解效率的影响
空气流速决定了进入反应器的空气流量，空气流速的变化其首先影响液滴在反应器内的停留时间，其次作为热源，空气流量大小影响着热量的供给。本模拟研究了空气温度873 K时，尿素水溶液液滴粒径100 μm条件下，空气流速在0.25～1.5 m/s区间内空气流速对热解效率的影响。
模拟分析空气流速对热解效率的影响，如图5所示。
随着空气流速的增加，在0.25～0.5 m/s区间内，尿素热解效率快速增加，而此后尿素热解效率基本不怎么变化。其原因应当是：在0.25～0.5 m/s区间内，由于空气流量低，导致其热量供给不足，尿素热解得到充足的热量，从而对热解效率影响较大；而此后随着空气流速增大，热量供给增大，且热量的增大抵消了其停留时间变短的影响，热解效率基本不变。
分析计算得到，空气流速在0.45 m/s时，空气流量达到当尿素完全热解后氨气浓度为5%，在空气温度873 K时，其热解效率基本彻底，由此可知，烟气温度达到873 K以上，在确保氨气浓度低于5%时，空气流量大小对尿素热解效率基本无影响。
4.4 雾滴颗粒粒径对热解效率的影响
在空气温度873 K，空气流速0.5 m/s工况下，分析颗粒粒径对热解效率的影响，模拟结果，如图6所示。
图6表明了随着雾滴粒径的增大，前期热解效果显著降低，尿素水溶液达到同等热解效率所需的停留时间将增大。雾滴粒径的增大加大了雾滴蒸发所需的时间，使得雾滴不能快速蒸发，同时由于蒸发吸热，在雾滴周围形成一个局部低温区，不利于尿素的热解，从而使得前期尿素热解缓慢，热解所需停留时间增大。从图中可知，当粒径大于250 μm后，现有反应器的停留时间将无法满足尿素颗粒完全热解。
5 结 语
①对尿素水溶液雾滴的蒸发热解过程进行模拟分析，发现由于水与尿素的蒸发温度不同，前期主要为水分蒸发，并随着水分的蒸发尿素水溶液浓度逐渐增大，待液滴中水分几乎蒸发完全后，此时尿素才开始逐步蒸发热解。
②热解温度对尿素热解效率有显著影响，随着温度的升高，NH3转化率热解效率增大，当温度达到873 K时，NH3转化率基本已经达到100%，此后随着温度的升高，尿素水溶液达到彻底热解的停留时间可减少，即高温度下所需的停留时间更短。
③空气流量决定了反应器内的热量供给，过低的空气流量将导致热解效率降低，同时过低的空气流量将无法保证氨气浓度低于5%，烟气温度在873 K时，在确保氨气浓度低于5%的烟气流量条件下，空气流量大小对尿素热解效率基本无影响。
④雾滴颗粒粒径的增大，使得其蒸发热解所需的时间增加，且雾滴局部温度脚底，尿素热解将受阻，要实现尿素完全热解所需停留时间将增长，反应器的尺寸将加长，设备投资增大。
参考文献：
[1] 郭伟，催宁.尿素热解制氨SCR脱硝技术在电厂的应用与优化[J].锅炉 技术，2012，43（3）：77-80.
[2] 喻小伟，李宇春，蒋娅，等.尿素热解研究及其在脱硝中的应用[J].热力 发电，2012，41（1）：1-5.
[3] 杜成章，刘诚.尿素热解和水解技术在锅炉烟气脱硝工程中的应用[J]. 华北电力技术，2010（6）：39-41.
垂直射流混合的三维湍流数值模拟 篇9
垂直射流混合的三维湍流数值模拟
采用三维SIMPLE程序和k-ε双方程湍流模型对三维受限垂直射流进行数值模拟,研究了不同的几何变量和流动参数对射流穿透和混合的.影响.模拟结果表明,三维垂直射流最显著的流动特征是形成了流向旋涡.射流与来流的混合程度取决于旋涡的位置、作用范围和强弱.单股射流随动量比、旋涡强度和尺度的增加,混合增强.对于单排多股射流,喷孔间距直接影响旋涡涡心位置.密排射流,旋涡过于靠近下壁面,旋涡无法影响上面来流;但喷孔排列也不能过于稀疏,否则涡对靠的太近,旋涡对侧面影响不大.S/H和动量比不变,改变孔径D对射流穿透几乎无影响.这一重要结论说明S/H和J是决定多股受限射流穿透深度的最重要的量.
作 者：王卫东 Wang Weidong 作者单位：航天工业总公司31所,北京,100074刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(2)分类号：V235.213关键词：垂直气流 气体射流 混合 数值分析
空中爆炸下舰船动态响应数值模拟 篇10
空中爆炸下舰船动态响应数值模拟
运用非线性动力有限元软件MSC.DYTRAN,计算了空中非接触爆炸冲击波作用下舰船动态响应过程.冲击波的计算结果与经验公式吻合良好,表明计算结果是合理的..在此基础上,分析了船体结构的应力情况,能量吸收和冲击环境,得出相关结果,对舰船的抗爆设计具有一定指导意义.
作 者：吴迪 张世联 WU Di ZHANG Shi-lian 作者单位：上海交通大学,上海,30 刊 名：舰船科学技术 ISTIC PKU英文刊名：SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 29(6) 分类号：O383.3 关键词：MSC.DYTRAN 空中爆炸 舰船 动态响应某滑坡稳定性计算与数值模拟研究 篇11
摘要:文章以某滑坡为研究对象,分析了该滑坡的稳定性,并借助于FLAC数值模拟软件,对其变形中的应力和应变进行了分析,研究结果表明该滑坡处于欠稳定状态,需水后变形加大,因此需要工程治理。
关键词:滑坡;稳定性;数值模拟
中图分类号:P642 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)20-0140-01
1工程概况
该滑坡为一相对平缓的凹形坡地,总体倾向西,坡形为折线型,滑坡中部地形坡度较缓,坡角在10～2°之间,中前部及前缘和后部地形坡度较陡,前部地形坡度在25~30°之间,前缘近河边部位多形成5～10 m的陡坎,后部地形坡度在17~22°之间。滑坡区北侧山体倾向沿渡河的坡地呈直线型,坡度35～40°,倾向滑坡区一侧山坡坡地,多形成2~5 m的岩质陡坎,地形坡度较陡,坡度在35～40°之间,滑坡区南侧坡体,坡面形态不很规则,地形坡度在17～30°之间。
研究区地层在区域上划属扬子区巴东利川小区,区内出露地层主要为三叠系和第四系,三叠系为一套碳酸盐岩和细碎屑岩互层构成;第四系有残坡积、崩坡积、冲洪积和滑坡堆积层。
研究区在大地构造上位于新华夏系一级隆起带的第三隆起带,以及淮阳山字型西翼反射弧和长江中下游区域东西向构造带交汇部位,区域上经历了晚元古代末的晋宁、侏罗纪末的燕山、三叠纪的印支和第三纪以来的喜马拉雅四次大的构造运动,随着中三叠世以后构造变动的加剧,形成了北西向、东西向、北东向、北北东向及北北西向等一系列不同方位、不同性质和不同特征的构造形迹,其中的东西向构造带是极为重要的构造体系之一,主导着研究区所在区域的基本构造构架,该滑坡就位于该构造带奉节复向斜的黄家河向斜南翼。
2稳定性计算
根据野外地质调查和宏观分析,滑坡可能的变形破坏模式为沿岩土界面滑移。其他坡段基本上不存在整体滑移的几何边界条件,不会发生整体的变形破坏,但存在表层风化破裂岩体的塌落、掉块等。
考虑滑坡区域可能遇到的各类情况,特别是最危险的情况,由于区内基本地震烈度为6°,可不考虑地震的影响,故综合确定以下两种计算工况:
①天然状况(坡体自重);②虚水到490。本滑坡坡的安全等级为三级,根据《建筑边坡工程技术规范》规定,采用平面滑动法和折线滑动法计算安全系数为1.25,采用瑞典圆弧法计算安全系数为1.20。由现场勘察和稳定性计算结果分析,可得出以下结论:现状条件下,滑坡整体处于稳定或基本稳定状态,仅局部位置出现表层岩体的剥落、崩塌等小规模的破坏现象。
②在工况二的条件下,稳定性系数最低为0.86,安全储备不足,需要进行加固处理。
从分析结果来看,目前坡体处于欠稳定状态,预测评价滑坡易发展并将失稳。
3滑坡应力与变形数值模拟
为了了解天然状态和蓄水后区内斜坡岩土体的应力分布特征及变形破坏特征,并进行分析评价,特选用岩土工程数值分析的通用软件FLAC 3D进行模拟分析。可以得到各种不同工况下的 应力和应变分布情况,部分成果见图1。
从位移等值线图可知,天然状态下的滑坡变形主要为水平向,主要分布在滑坡前缘,而蓄水后,斜坡水平位移急剧增大,但分布规律不变,为前缘大、后缘小,表明该滑坡在蓄水后可能在前缘出现蠕滑,进而诱发后缘的滑移变形。由此可知,滑坡前缘是潜在失稳的关键部位,在治理和监测过程中应重点考虑。
4结 语
研究表明,目前滑坡处于欠稳定和不稳定状态,滑坡易发展,特别是蓄水后,其潜在危害性很大。建议采用治理措施。根据气象预报和水雨情,对水库运行做到科学调度,精心指挥,使库水位变化尽量平稳,不出现大幅骤降和迅速抬升,以减小对滑坡稳定性的影响。
参考文献:
[1] 刘春原,朱济祥,郭抗美.工程地质学[M].北京:中国建材工业出版社,2000.
岩土工程数值模拟绪论 篇12
山西省万家寨引黄入晋工程是从根本上解决山西水资源短缺的大型跨流域调水工程, 是促进经济社会可持续发展、改善生态环境和提高人民群众生活水平的重大战略工程。工程从黄河万家寨水库取水, 经过6级提水泵站、636 m扬程, 分别向太原、大同和朔州供水。设计年引水量12亿m3, 其中向太原年引水6.4亿m3, 向大同、朔州年引水5.6亿m3。工程引水线路总长441.8 km, 由总干线、南干线、联接段和北干线四部分组成, 其中总干线44.35 km, 南干线101.56 km, 联接段139.35 km (含利用汾河河道输水81.2 km) , 北干线156.54 km。
耿庄水库是引黄入晋工程北干线向朔州市供水线路末端的调节水库, 位于朔州市朔城区陡沟村南、秋寺院村东, 距朔州市区约6 km。耿庄水库属半挖半填平原围封水库, 工程永久占地面积1 158亩, 总库容236万m3, 其中调节库容210万m3, 水库按双库设计, 两库的总库容均为118万m3, 主要任务是水量调节及事故备用。主要建筑物有大坝、调压井、进出水系统、事故放空系统等。大坝为碾压均质土坝, 全库盆采用复合土工材料防渗。
耿庄水库来水取自万家寨水库。根据万家寨水库运行方式, 耿庄水库每年10月开始充水, 同时给朔州供水, 来水从水库穿行, 次年的7月末前水库蓄水达到正常蓄水位1 125.60 m, 8, 9两个月万家寨水库停止来水。水库入库设计流量1.6 m3/s, 出库设计流量1.4 m3/s, 充库设计流量0.2 m3/s。
2 水锤的概念及防护措施
“水锤效应”是指在水利工程输水过程中, 当水流流速突然发生变化时, 液体的压强会迅速交替升降, 随之产生破坏效应, 导致管道剧烈振动、变形甚至破裂。在设计长距离输水系统时要充分研究水锤的危险性, 分析压力变化过程, 通过合理、可行的防护措施来保证工程的安全稳定运行。当水锤不可避免时, 则应采取阀调节等工程技术措施进行水锤防护。耿庄水库进水口与调压井后竖井衔接, 位于水库北部, 水流入库消能型式为陡坡, 进水口主要由进水闸室段、箱涵段、消能段和出口护坦组成。两库的进水闸门, 可以互相充当事故检修闸门。水库正常运行时, 两库进水闸门处于全开状态, 当某一库需要检修或者清淤时, 该库进水闸门关闭, 另一库闸门开启。在冬季, 为了减轻冰冻对坝坡混凝土的破坏, 两库可以交替进水, 此时两库进水闸门交替开关, 这也是耿庄水库进水闸门的一个特点。耿庄水库进水闸门特性表见表1。
3 水锤模拟计算软件
因为技术参数比较多, 所以将输水管线的摩阻系数、管径、计算时间以及阀的关闭规律等由界面输入, 并把处理后的结果存入数据库中等计算时采用。水锤计算就是通过模拟, 计算出突然停止、启动或为调节流量而用阀门时, 管道水流的流量、压力变化值;算出最大与最小水锤压力值和对应的时刻等;绘出最大水锤压力上升值和最低压力线 (即包络线) , 据此采取对应的防护措施, 保证输水系统的安全稳定运行。基于VB语言主从结构规划方式, 计算软件的结构框图如图1所示。该软件以Windows XP作为运行平台。从模拟计算软件的可靠、适用等考虑, 以Visual Basic 6.0为开发语言。数据库选用Microsoft SQL Server, 该数据库管理系统在管理大量的工程信息和监测数据时, 均能满足水锤计算需要;且当程序通过网络和数据库沟通时, VB具有直接书写和测试SQL功能, 直接运用SQL语法进行数据访问是效率最高的方式, 不会牵涉到任何叙述转换的过程, 能快速实现最佳化处理。
4 水锤数值模拟
本文以耿庄水库进水口为研究对象, 根据现场实际情况, 进行水锤模拟。耿庄水库进水口流量1.6 m3/s。该区段管线管材为PCCP管, 管径DN=2 000 mm, 调整后的水击波速c0=898.125 m3/s。根据流量大小, 摩阻系数分别取f=0.011 65和f=0.011 45, 计算在调节阀线性关闭, 不同摩阻系数下, 关阀时间分别为300 s, 450 s, 600 s, 1 000 s时的关阀水锤压力值。结果见表2。
模拟之后, 根据计算结果, 绘出不同的关阀时间下耿庄调节阀前水压瞬变曲线;同时依据管路中各计算点对应的高程, 按同一比例将不同关阀时间下的最大水头曲线、管道中心线、最低水头包络线绘制到同一坐标轴内。耿庄水库进水阀线性关闭, 关阀时间分别为300 s, 450 s, 600 s, 1 000 s时, 最大水压为89.49 m~110.56 m, 规律是水压随阀门关闭时间增加而减小, 最小水压为29.59 m, 未出现负压。当关阀时间为300 s时, 最大水压为110.56 m, 此时最大水压与静水压比值为152%, 不满足设计要求;当关阀时间为450 s时, 最大水压为94.54 m, 相当于最大水压与静水压的比值为130%, 满足设计要求。关阀时间分别为600 s, 1 000 s时, 最大水压与静水压的比值为124%, 满足设计要求。基于以上几点, 建议耿庄水库进水阀关阀时间取450 s以上。
5 结论与展望
随着经济社会的发展, 水资源供需矛盾日益凸显, 从长远考虑, 实施长距离输水工程是必要的, 对输水过程中出现的水锤研究显示出其价值和意义。本文详细介绍了引黄工程耿庄水库水锤形成的原因及防护措施, 同时以Visual Basic 6.0为开发语言, 开发出操作简便的关阀水锤数值模拟系统。结合耿庄水库运行情况, 进行关阀水锤分析计算, 对水锤进行了数值计算和理论分析, 为工程的运行提供科学的依据与建议, 确保工程安全稳定运行。
摘要：介绍了水锤原理及其防护措施, 通过VB6.0软件开发出关阀时水锤数值模拟系统, 对引黄工程耿庄水库进行了数值模拟, 提出了输水系统安全稳定运行的最优方案, 为工程的运行提供了科学的依据与建议。
岩土工程数值模拟绪论 篇13
基于SIMPLE算法的湍流场数值模拟
k-ε模型及其双方程模式成功应用于湍流场的`流动分析,并使湍流流动的质量、动量、能量基本方程组可以统一表达.SIMPLE算法是流体流场数值模拟的最重要方法.通过VC和MATLAB的混合编程用SIMPLE算法,实现了湍流场的数值模拟.基于SIMPLE算法对一个热流交汇扩散的问题做了数值求解,展示了内部湍流场的分布情况.
作 者：赵国智 孔凡让 占惊春 张志伟 柴华 ZHAO Guozhi KONG Fanrang ZHAN Jingchun ZHANG Zhiwei CHAI Hua 作者单位：中国科学技术大学,精密机械与精密仪器系,安徽,合肥,230027刊 名：水电能源科学 ISTIC PKU英文刊名：WATER RESOURCES AND POWER年，卷(期)：200725(3)分类号：O357.5关键词：湍流 k-ε模型 SIMPLE算法 混合编程 数值模拟
附属多圆柱绕流的数值模拟 篇14
附属多圆柱绕流的数值模拟
利用FLUENT软件对圆柱周围等分布置6个小直径圆柱的流动问题进行了数值模拟.通过数值模拟,着重研究了附属圆柱直径及主从圆柱之间相对距离的`变化对升力系数、拖曳力系数和涡脱落频率的影响作用.
作 者：杨安梅 吕林 董国海 滕斌 YANG An-mei LU Lin DONG Guo-hai TENG Bin 作者单位：大连理工大学,大连,116023刊 名：中国海洋平台 ISTIC英文刊名：CHINA OFFSHORE PLATFORM年，卷(期)：24(6)分类号：O351.2关键词：FLUENT 圆柱绕流 附属小圆柱 升力系数 阻力系数 涡脱落频率
岩土工程数值模拟绪论 篇15
复合土钉支护是我国20世纪90年代在土钉支护基础上发展起来的一种新的支护方法。复合土钉支护具有适应性强、安全可靠、造价低、工期短等特点, 使得其在深基坑工程中得到广泛应用。深基坑工程是一个高难度的岩土工程技术课题, 其影响因素较多, 具有复杂性和不确定性。正因为如此, 出现了复合土钉支护的应用实践先于理论的现象。围绕复合土钉支护的大量工程问题, 我国技术和科研人员开展了许多卓有成效的研究工作。但是仍然存在理论不成熟, 工程技术人员主要以经验以及软件进行基坑的设计与施工, 软件的方便快捷设计使得设计人员过度依赖于设计软件, 缺乏扎实的理论知识, 不能够对设计结果进行有效的分析以及优化设计, 导致设计考虑不周引起的基坑事故时有发生。
我国地质条件复杂, 复合土钉支护形式多样且应用广泛, 室内外试验条件的代表性和试验周期等因素限制了其在工程中的应用。然而数值分析法在我国技术人员的努力下, 使其在研究复合土钉支护方面取得了很多有价值的成果。虽然数值模拟只能做到定性分析, 很难做到准确的定量分析, 但是数值分析结果可以作为设计时重要的判断依据之一。
为此, 本文以北京某基坑工程为例, 利用FLAC3D软件进行数值模拟, 通过模拟结果指导设计与施工, 为数值分析法在实际工程中的应用提供参考。
1 工程概况
本工程为北京某建设项目, 拟建建筑物为A1号~A5号楼及地下车库, 本基坑支护设计范围为A区地下车库, A区地下车库范围内含A4号和A5号楼, 地下2层, 基底埋深与地下车库一致, 地下车库无地上结构, A4号楼地面以上26层, A5号楼地面以上3层, A区地下车库基坑绝对开挖深度为11.60 m。土层物理力学参数如表1所示。
根据工程地质条件及场地周边环境条件, 依据规范判定本工程基坑侧壁安全等级为二级。基坑采用复合土钉墙支护形式, 1∶0.3放坡, 2道预应力锚杆, 6道土钉, 土钉水平间距1.5 m, 竖向间距1.3 m~1.4 m, 土钉长度5.7 m, 6.7 m, 8.7 m, 土钉钢筋采用HRB335钢筋, 直径20 mm。预应力锚杆水平间距1.5 m, 距离地面分别为2.8 m和5.6 m。锚杆总长度均为15 m, 锚固段长10 m, 采用1根75, 1860级钢绞线, 施加预应力120 k N。。每每次次开开挖挖深深谢文东等数值模拟在复合土钉支护工程中的应用度为1.7 m, 1.4 m, 1.6 m, 1.4 m, 1.4 m, 1.4 m, 1.4 m, 1.0 m, 0.3 m。
基坑支护剖面如图1所示。
2 数值分析模型建立
本文采用FLAC3D软件建立三维模型模拟实际工程, 并对模拟结果进行分析。建立的模型尺寸为35 m×3 m×21 m, 从上到下分为9个土层 (见表1) , 土体采用理想弹塑性模型, 即MohrCoulomb本构模型。模型的左右及前后边界分别固定法向位移, 下部边界固定x, y, z方向位移, 上部为自由边界。上部距离基坑边壁2 m设置6 m长的20 k Pa均布荷载。土钉及锚杆采用软件中的Cable单元来模拟, 考虑水平间距的影响, 每排设置2根土钉或锚杆, 左右间距0.75 m, 中间间距1.5 m。混凝土面层在支护结构中并不是主要受力构件, 对位移约束作用也有限, 因此, 本文数值模拟中不考虑面层的约束作用。
计算模型如图2所示。
3 模拟结果与分析
1) 该支护结构中, 土钉与锚杆所受轴力皆为拉应力, 土钉轴力出现中间大两头小的现象, 第1, 2排土钉由于预应力锚杆的作用导致轴力较小, 中下排土钉轴力相对于较大。第4排土钉所受轴力最大, 达到66.92 k N。锚杆最大轴力出现在自由端, 且在自由段相同, 并在锚固段逐渐减小。第2排锚杆轴力最大, 达到94.05 k N。如图3所示。根据理论研究可知, 土钉与锚杆轴力最大点的连线即为基坑内部土体的潜在失稳破坏面, 连接图3中最大轴力点, 我们可以发现一个圆弧形线条, 一般便认为该弧线所在平面为潜在滑移面。确认滑移面后, 可以合理设计土钉长度, 长度应超过滑移面, 并在滑移面所在地面位置设置重点监测点, 观察地面是否出现土体裂缝。
2) 如图4所示, 最大位移出现在基坑中下部位, 开挖深度8 m左右, 最大变形位移达到32.65 mm, 而坡顶变形最小, 为7.25 mm。因此, 该基坑不会出现倾倒式破坏, 潜在破坏形式应该为圆弧滑移式破坏。在设计与施工中, 应加强中下部位的防护, 做好开挖前的土体变形预防措施, 防止出现局部破坏。
坡顶水平位移模拟值如图5所示, 实际施工监测值如图6所示。由两图比较可知, 实际工程中, 变形会出现较大波动, 而模拟结果波动较小, 但是最终变形值较为相似, 均为7 mm左右, 有较高的参考价值。实际施工中, 影响因素较多, 如降水、降雨天气及施工技术等因素都会影响变形。因此, 如图6所示, 位移出现几次较大波动, 经过施工中采取有效措施, 控制变形在较小范围, 约为-7 mm~5 mm。而数值模拟采用的是理想化模型分析, 无法准确预测变形, 但是总结大量文献数据可知, 如果取模拟值与报警值之间的一定数值可以更好的作为变形预警值, 利于更早地发现可能的潜在危险, 如本例中可取坡顶水平位移预警值为20 mm。
3) 另外, 通过改变支护构件设计参数进行数值模拟, 可以通过比较分析不同参数下对基坑变形的影响, 从而优化设计结果。如表2所示, 改变放坡坡比, 通过数值模拟, 我们可以发现坡比越小, 坡顶水平位移越小, 但是当坡比达到1∶0.3与1∶0.4时变形值减少幅度已经很小了, 再综合考虑造价因素, 选择1∶0.3的坡比是较合适的。
由表3可知, 相对于放坡因素, 锚杆施加预应力的大小对于坡顶水平位移的影响小很多, 但是对于限制土体变形还是有很大作用, 具体施加多大预应力应综合考虑土质、造价等因素具体选择。
4) 除了以上所展示结果外, 通过FLAC3D软件进行的数值模拟, 还可以查看每步开挖及支护后的土体变形云图、应力云图、支护构件受力图等, 这些可以供施工过程中进行参考。由于篇幅有限, 构件设计参数对于土体变形的比较分析也只是举出两个例子, 其他参数也可通过相同方法进行比较分析, 以达到优化设计的目的。
4 结语
基坑支护工程作为岩土工程的一个重要领域, 由于其自身的特殊性, 在未来很长一段时间仍会是理论落后于实践的现象, 科研人员对支护结构作用机理的研究任重而道远。数值分析法作为一种重要的分析问题的方法, 不应只应用于学术研究中, 而是应该将数值模拟结果作为岩土工程设计中的重要综合判断依据。
本文通过工程实例, 对土钉与锚杆复合支护进行了数值模拟, 研究表明:
1) 通过数值模拟得到的土钉与锚杆轴力, 可以清晰展示出支护构件受力情况, 并大致显示出潜在失稳破坏面, 为土钉与锚杆的长度设计提供参考, 还可在施工中设置重点监测土体裂缝可能出现的位置。
2) 通过对基坑变形模拟分析, 可以对基坑各部位变形情况有大致了解, 并找到最大变形部位, 提前做好减少变形措施, 以及安排变形监测点;还可提供一个更加可靠的变形预警值, 以便更早发现潜在危险, 迅速采取应急措施。
3) 通过对土钉与锚杆设计参数的比较分析, 可以优化设计方案, 使其满足变形要求, 支护构件受力更合理。
4) 数值分析法在一定程度上, 可以很好地指导设计与施工, 但是想要在实际工程中得到普遍推广还是存在一些阻碍。例如技术人员水平不一, 无法快速掌握理论分析法, 对基坑安全认识不足, 过度信任工程经验等。另外, 数值模拟软件也存在一些不足, 无法充分分析各种因素, 分析结果的可靠度还需要更多实际工程的检验。
参考文献
[1]曾宪明, 郑志辉, 戴瑞琪, 等.复合土钉支护设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.
[2]秦四清, 王建党, 王清, 等.土钉支护机理与优化设计[M].北京:地质出版社, 1999.
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