岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (11): 3147-3156.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0340

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多孔介质渗流过程的非局部近场动力学模拟方法

马鹏飞,李树忱,王修伟,周慧颖,王曼灵,赵一民   

  1. 山东大学 岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250061
  • 收稿日期:2021-05-13 修回日期:2021-08-18 出版日期:2021-11-11 发布日期:2021-11-12
  • 通讯作者: 李树忱,男,1973年生,博士,教授,主要从事岩土工程数值模拟方面的研究。E-mail: shuchenli@sdu.edu.cn E-mail: mapengfeisdu@163.com
  • 作者简介:马鹏飞,男,1994年生,博士研究生,主要从事岩土工程数值模拟方面的研究
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 51879150,No. 41831278)。

Nonlocal peridynamic method for porous media seepage simulation

MA Peng-fei, LI Shu-chen, WANG Xiu-wei, ZHOU Hui-ying, WANG Man-ling, ZHAO Yi-min   

  1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan, Shandong 250061, China
  • Received:2021-05-13 Revised:2021-08-18 Online:2021-11-11 Published:2021-11-12
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51879150, 41831278).

摘要: 在建立近场动力学非局部多孔介质渗透模型的基础上,引入多个可反映非局部作用程度的核函数以提高计算收敛精度,推导不同核函数情况下对应的近场动力学渗透系数,并在二维渗透模型中建立服从威布尔分布的渗透系数及裂隙网络区域渗流来分别实现多孔介质基质及裂隙非均匀渗流的模型,弥补了经典近场动力学模型无法较好地模拟岩石、土壤等多孔介质非均匀渗流的不足。运用不同的核函数模型对一维渗流问题模拟,分析核函数对结果的影响,结果显示:改进后的模型可以较好地收敛于理论解,且相比其他核函数多项式型核函数收敛精度最高。随后在二维模型中引入多项式型核函数并推导对应二维渗透系数,利用提出的非均质渗流方法对二维不含裂隙及含裂隙渗流过程进行模拟,模拟结果表明:所提出的新模型能够较好地模拟岩石材料非均匀渗流过程,在多孔介质渗流数值模拟方面有较广泛的应用前景。

关键词: 多孔介质, 近场动力学, 非局部方法, 渗流模拟

Abstract: Based on the establishment of peridynamic nonlocal porous media seepage model, several kernel functions reflecting the degree of nonlocal effect are introduced to improve the calculation accuracy, and the peridynamic permeability coefficients corresponding to different kernel functions are derived. In the two-dimensional seepage model, the Weibull-distributed permeability coefficient model and the fracture network seepage model are established to realize the heterogeneous seepage in porous media matrix and fracture, respectively, which make up for the shortage of classical peridynamic model that cannot well simulate the heterogeneous seepage in porous media such as rock and soil. Different kernel function models are tested in simulating one-dimensional seepage problem, and the influence of kernel functions on simulation result is analyzed. The results show that the improved model can well converge to the theoretical solution, and the polynomial kernel function has the highest convergence accuracy relative to other kernel functions. Then, the polynomial kernel function is introduced into the two-dimensional model, and the corresponding two-dimensional permeability coefficient is derived. The proposed heterogeneous seepage model is employed in the simulation of two-dimensional seepage in porous media with and without fracture, and the results show that the proposed model can well simulate the heterogeneous seepage process in rock materials. Therefore, the proposed heterogeneous seepage model has wide application prospect in porous media seepage simulation.

Key words: porous media, peridynamics, nonlocal method, seepage simulation

中图分类号: 

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