流体力学.doc

1. 流体力学 单向流动 1.1. 简介 FLAC3D通过具有渗流性的实体比如土来模拟流体的流动。流动模型的建立可以独立于力学计算而自动完成，或者说可以与力学模型同时建立，这样就可以考虑流体与土体之间的相互作用。流固耦合的一种类型是“固结”，即空隙水压力逐渐消散而导致土体的沉降。这个过程包括两种力学反映一，空隙水压的改变导致有效应力的变化，这将影响到土体的力学反映（如有效应力的减小可能导致塑性区的产生）；二，力学实体中某一区域的流动会随着空隙水压的改变而改变。 该程序可以计算完全饱和情况下的流动，也可以模拟具有自由水面的流动。模拟具有自由水面的流动时，自由水面以上的部分空隙水压等于0，气相将不参与计算。对于不考虑毛细水压力颗粒较粗的材料可以采用这种模拟方法。 流体计算就有以下特点 1 根据各项同姓和各项异性的渗流计算，相应采用两种流体运动定律。流动中的null材料用来模拟流动范围内的非渗流材料。 2 不同区域可以拥有不同的流动模型（isotropic, anisotropic or null）和模型参数。 3 可以事先指定流体的压力、流量、非渗流区边界条件。 4 流体源可以以电源，也可以以体源的形式插入到材料中，这些源对应于流体的流入或流出，可以随着时间而变化。 5 对于完全饱和流动，可以采用显式和隐式两种算法，但对于非饱和流动则只能采用显示计算。 6 任何力学和温度计算模型都可以与流体模型一起使用，在耦合计算中，可以考虑饱和体的压缩性和热膨胀性。 7.流体与力学计算的耦合通过提供比奥系数来实现。 8．与温度的耦合计算可以通过提供线性热膨胀系数αt和不排水温度系数β（undrained thermal coefficient,可能翻译的不对）来实现。 9.热-流体计算以线性理论为基础，假定材料参数为常数，不考虑对流。流体与实体的温度保持局部平衡。非线性行为可以采用FISH语言改变孔隙压力、材料特性来实现。。 动力水压力的产生以及循环荷载引起的液化也可以用FLAC3D模拟（3.4.4节）。FLAC3D不考虑部分饱和体中的毛细水压、粒子之间的电、化学力。但是可以根据材料的局部饱和情况，孔隙率或其他相关变量利用FISH语言施加内部应力来实现上述几种作用力。与此类似，由于气体溶解引起的流体刚度变化的影响也是不能直接模拟的，但是FISH编写一个压力，时间的函数就可以用来改变局部流体的模量 本章主要包括7个方面的内容 1. 1.2节和1.3节中分别介绍流体力学，流-力耦合以及流-热耦合的数学理论模型和数学表达式。 2. 1.4中介绍流体力学模拟采用的计算模型和相关的命令。 3. 1.5节介绍流体力学模拟采用的材料参数，各参数的单位。 4. 1.6介绍流体力学模型采用的不同的边界条件，初始条件，流源和汇集。 5. 1.7介绍流体分析的一般过程，该部分还包括几个例子，建议读者在做自己的流体分析以前首先研究清楚我们提供的例子。 6. 1.8是几个考核题，用来验证flac3d流体分析的准确性。 7. 1.9总结了所有与流体计算相关的命令，以供参考。 读者应该首先熟悉力学计算，然后才能将流体，力一起来考虑。流-力耦合是一个复杂的问题，需要读者有很好的洞察力来判断结果的正确性。 （1.2 1.3 我看就没有必要翻译了，有兴趣看看朱伯芳院士的书就可以了，理论是一样的） 1.4 流固耦合的计算模式 孔隙水压的计算模型和命令取决于节点是否已经设置了流动（也就是说，CONFIG fluid命令是否已经采用）1.4.1和1.4.2将分别介绍这两种情况。方便起见下面所有的命令在文末1.9都作了汇总。 1.4.1 Grid Not Configured for Fluid Flow 如果不给出CONFIG fluid命令，仍旧可以在节点上设置孔隙水压力。这种计算模式下孔隙水压力不变，但是当材料为弹塑性体时有可能不收敛。 使用initial pp 命令加a gradient, 或用 WATER table 命令可以指定节点上孔隙水压力的分布。 如果使用WATER table 命令，水面一下部分的孔隙静水压力的分布程序将自动进行计算。这种计算模式，必须用WATER density设置流体密度，SET gravity 设置重力加速度。当用水面定义好以后，采用PRINT water命令可以输出流体密度，水面的位置，PLOT water命令可以显示出水面来 两种情况下微元体的孔隙压力计算是将个节点的值平均，从而计算有效应力。这种计算模式，体力的计算不考虑流体压力水面以上和以下材料的天然重度和饱和重度要有用户自己指定。PRINT gp pp 和PRINT zone pp可以输出节点和体的孔隙水压力。PLOT contour pp 命令用来绘制节点孔隙水压的云图。 在用户手册中的3.6.3有这种计算模式的一个简单例子供读者学习。 1.4.2 Grid Configured for Fluid Flow 如果使用了CONFIG fluid命令，就可以进行流体的瞬态分析。地下水面和孔隙压力都会发生改变。在CONFIG fluid计算模式下，有效应力（静止孔隙压力的分布）和不排水计算分析可以同时考虑，此外，可以进行完全耦合的计算分析，这时孔隙水压的改变会导致变形同时体积应变又会引起孔隙水压的变化。 微元体的孔隙水压仍旧等于其各个节点上孔隙水压的平均值，但是这种计算模式用户必须指定材料的干密度（包括水面以上和以下的部分），因为在FLAC计算体力的时候考虑了流动的影响。 模式下必须指定单元体的流动模式 MODEL fl_ isotropic命令指定为各向同性流动模式 MODEL fl _anisotropic.命令指定为各向异性流动模式 MODEL fl_null命令指定为不透水区域,注意力学分析指定的null区域不能自动成为流体中的不透水区域。 流体的性质可以赋予单元体和节点，单元体的流体性质可以用命令赋值，各向同性体包括渗透系数、孔隙率、比奥系数。 对于各向同性的流动，渗透系数采用关键词perm指定。各项异性流动采用关键词Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３指定三个主方向的渗透系数，用关键词fdip, fdd, frot.指定三个主方向。三个主方向的渗透系数与Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３相对应且服从右手定则。其中fdip和fdd分别是k1 k2两方向组成的平面的倾角和倾向角，其中，倾角是以从xy-面向z-轴负方向转动为正。倾向角是倾向在xy-面同ｙ轴正向的夹角（顺时针）。 是k1-k2面内倾向顺时针转到k1方向的角度。 图１－１三个渗透主方向的定义 默认条件下，比奥系数等于1，孔隙率为0.5。节点的流体性质用INITIAL命令付值。其性质包括流体密度，流体体积模量，比奥模数，饱和度。节点的性质可以给定变化范围，流体密度可以采用WATER命令一次性付值。下面表1-1是相关参数及其关键字 表1-1 相关的参数的确定 性质 关键字 范围 命令 渗透系数 （各向同性） perm in zones PROPERTY 主方向渗透系数 （各项异性） k1 in zones PROPERTY 主方向渗透系数 （各项异性） K2 in zones PROPERTY 主方向渗透系数 （各项异性） K3 in zones PROPERTY 渗透主方向定义 （各项异性） Fdip in zones PROPERTY 渗透主方向定义 （各项异性） Fdd in zones PROPERTY 渗透主方向定义 （各项异性） frot in zones PROPERTY 孔隙率 poros in zones PROPERTY 比奥系数 Biot_c in zones PROPERTY 流体模量 fmod at gridpoints INITIAL 比奥模量 biot mod at gridpoints INITIAL 饱和度 sat at gridpoints INITIAL 流体拉极限 ftens at gridpoints INITIAL 流体密度 fdens at gridpoints INITIAL dens globally WATER 用 命令采用两种模式可以定义流体的压缩性（1）定义比奥系数 ，比奥模量；（2）定义流体模量和孔隙率。第一种情况考虑到土颗粒的压缩性，当比奥系数等于1时，颗粒不具有压缩性，第二种情况假定土颗粒不可压缩。 PRINT zone property用命令输出实体单元的性质，PRINT gp命令输出节点的性质。如给定了流体密度以及水面的位置，可以用PRINT water命令输出，流体流动的性质可以采用PLOT bcontour property命令或PLOT block property命令输出云图。对于各项异性流动，流体区域的整体渗透方向量可以使用实体单元的关键字kxx, kyy, kzz, kxy,kxz, kzz 输出。 节点初始孔隙压力分布，CONFIG fluid和non-CONFIG fluid的做法是相同的。即采用INITIAL pp和WATER table命令。FIX pp命令和FREE pp命令可以为选定的节点施加的接触约束。流源和会水电可以采用APPLY命令。1.6节会介绍流体边界和初始条件。 流体计算采用的是SET fluid and SOLVE命令。不同的计算过程可以通过选择。例如SET fluid on or off命令为采用或取消流体力学的计算。这些命令和关键字的选择取决于流动分析的耦合程度。1.7节将介绍不同耦合程度应该采用的计算过程。该部分还给出了几个例子，包括仅作流动的分析和流固耦合的分析等。 流体力学的计算可以采用好几种性是查看其结果。PRINT gp pp and PRINT zone pp命令可以输出节点和实体单元的孔隙水压力。 HISTORY gp pp and ＨISTORY zone pp命令可以查看孔隙水压的变化。 瞬态计算中，可以用HISTORY fltime命令记录流动时间的变化，从而可以输出，孔隙水压随时间的变化趋势。PLOT contour pp命令输出节点孔隙压力的云图。PLOT contour saturation输出饱和度云图。PLOT fluid输出流体排放方向量。CONFIG fluid模式计算的一般信息可以用P RINT fluid命令输出。某些流体变量还可以采用FISH语言编程得到。在１．９．２中列出了这些变量，与节点相关的一个变量，gp flow只能通过FISH函数来得到它的值。