岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 917-926.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0358

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潜蚀的局部守恒有限元和有限体积交替解法

王刚1, 2,邓泽之2,金伟3,张建民4   

  1. 1. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045;2. 重庆大学 土木工程学院,重庆 400045; 3. 中国电建集团成都勘测设计院有限公司,四川 成都 610072;4. 清华大学 土木水利学院,北京 100084
  • 收稿日期:2023-03-22 接受日期:2023-07-12 出版日期:2024-03-11 发布日期:2024-03-20
  • 作者简介:王刚,男,1978年生,博士,教授,主要从事土本构理论、土动力学、岩土渗流理论及数值计算方面的研究。E-mail: cewanggang@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.52079012);重庆市自然科学基金(No.cstc2021 jcyj-msxmX0598)。

Staggered finite element and finite volume method for suffusion simulation based on local conservation

WANG Gang1, 2, DENG Ze-zhi2, JIN Wei3, ZHANG Jian-min4   

  1. 1. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 3. Chengdu Engineering Corporation Limited, Power China, Chengdu, Sichuan 610072, China; 4. School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
  • Received:2023-03-22 Accepted:2023-07-12 Online:2024-03-11 Published:2024-03-20
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52079012) and the Natural Science Foundation of Chongqing (cstc2021 jcyj-msxmX0598).

摘要: 潜蚀的模拟需要计算土中的渗流过程以及土中细粒随孔隙水流的运移过程。常规有限元法在求解纯运移方程时存在稳定性问题,为此提出了一个采用有限元法求解渗流方程、有限体积法求解细粒运移方程的交替方法。鉴于常规有限元法不能给出满足有限体积法输入要求的流速场,给出了一个基于单元不平衡流量总体再平衡修正单元边界流速的算法。利用该算法对有限元计算的单元边界流速进行局部守恒处理,即可实现在同一有限元网格上利用有限体积法求解细粒运移方程,因此可以方便地和现有的有限元计算程序结合。算例验证表明,所提出的局部守恒处理算法及交替解法计算效率高且具有可接受的精度,是模拟潜蚀问题的一条简单实用的途径。

关键词: 潜蚀, 渗流, 有限元法, 有限体积法, 局部守恒

Abstract: Simulating suffusion involves computing both the seepage flow of pore water in soil and the transport of fine particles with pore water flow. Since the conventional finite element method (FEM) exhibits instability when used to solve the pure transport equations, a staggered method that employs FEM to solve the seepage equation and the finite volume method (FVM) for the particle transport equation is proposed. As conventional FEM cannot provide a locally conservative velocity field that satisfies the input requirement of FVM, an algorithm, based on the global re-balance of the element residual fluxes, is employed to correct the flow velocity at element boundaries. With this algorithm, the local conservation of the flow velocity computed by FEM at the element boundary is achieved. This enables FVM to solve the particle transport equation on the same FEM mesh, facilitating the convenient integration of FVM with existing FEM codes. Case studies demonstrate that the proposed local conservation algorithm and the staggered method exhibit high computational efficiency and acceptable accuracy, offering a straightforward and practical approach to simulating suffusion problems.

Key words: suffusion, seepage, finite element method, finite volume method, local conservation

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