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考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法
  • ISSN号:1000-7598
  • 期刊名称:《岩土力学》
  • 时间:0
  • 分类:TU441[建筑科学—岩土工程;建筑科学—土工工程]
  • 作者机构:[1]海岸和近海工程国家重点试验室大连理工大学,辽宁大连116024, [2]岩土力学研究中心,诺丁汉大学,英国诺丁汉NG72RD
  • 相关基金:国家自然科学基金青年基金(No.51409036);国家自然科学基金(No.51179023).
中文摘要:

在离散元(DEM)和计算流体动力学(CFD)程序基础上,运用流-固相互作用力方程建立三维CFD-DEM细观耦合数值模拟模型。CFD-DEM的控制方程包括流体-颗粒相互作用力方程、CFD的流体和DEM的颗粒运动方程。其中,考虑到土颗粒的形状效应,引入颗粒滚动阻力机制,介绍了适用性较强的滚动阻力模型。在开源耦合程序CFDEM的框架下,定制CFD开源程序Open FOAM与DEM开源程序LIGGGHTS之间的双向耦合,实现基于颗粒细观的流-固耦合计算。通过砂堆和砂土渗流的模拟分别验证了所嵌入的滚动阻力模型的有效性及耦合模型的可行性。模拟结果表明,圆柱土体中向上渗流流速与水力梯度关系与经典的Ergun理论解接近;耦合模型中所引入的颗粒间滚动阻力模型能够很好地反映颗粒形状对砂堆形成休止角和土体堆积孔隙率的影响。

英文摘要:

A numerical model for analyzing microscopic fluid flow in granular media is developed using a coupled discrete element method (DEM) and computational fluid dynamic (CFD) approach to investigate fluid-particle interaction. The CFD-DEM coupling algorithm was implemented using open source code LIGGGHTS and OpenFOAM, within the f~amework of open source code CFDEM. A rigorous rolling resistance model was incorporated into the DEM code to approximately represent the effect of particle shape. Two benchmark examples, i.e., sand pile formation and upward seepage flow in sand, were presented to demonstrate the effectiveness of rolling resistance model and validate the CFD-DEM coupling model, respectively. The results show that the prediction of the relationship between seepage flow velocity and hydraulic gradient is consistent with classical Ergun theory. The incorporated rolling resistance model shows capability of representing the particle shape effect on the sand pile repose angle and packing porosity of sand columns.

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期刊信息
  • 《岩土力学》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院武汉岩土力学研究所
  • 主编:孔令伟
  • 地址:武汉市武昌小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所
  • 邮编:430071
  • 邮箱:ytlx@whrsm.ac.cn
  • 电话:027-87198484 87199252
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-7598
  • 国内统一刊号:ISSN:42-1199/O3
  • 邮发代号:38-383
  • 获奖情况:
  • 全国中文核心期刊,美国《工程索引》EI收录期刊
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:56873