›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (1): 256-262.doi: 10.16285/j.rsm.2016.01.030

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基于自适应松弛Picard法的高效非饱和渗流有限元分析

李文涛,马田田,韦昌富   

  1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071
  • 收稿日期:2014-05-20 出版日期:2016-01-11 发布日期:2018-06-09
  • 通讯作者: 韦昌富,男,1966年生,研究员,博导,主要从事多孔介质理论及其工程应用研究。E-mail:cfwei@whrsm.ac.cn E-mail:lwtdn@sina.com
  • 作者简介:李文涛,男,1989年生,博士研究生,主要从事多场耦合有限元模拟方面的研究工作
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(No. 51239010, No. 11302243)。

An efficient finite element procedure for unsaturated flow based on adaptive relaxed Picard method

LI Wen-tao, MA Tian-tian, WEI Chang-fu   

  1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China
  • Received:2014-05-20 Online:2016-01-11 Published:2018-06-09
  • Supported by:

    This reseach was supported by the National Natural Science Foundation of China (51239010, 11302243).

摘要: 有效地模拟非饱和渗流过程对土质边坡稳定性分析、土石坝渗流、污染物迁移等众多领域有着重要的意义。描述非饱和渗流的Richards方程是具有强烈非线性的偏微分方程,通常需要采用有限元等数值方法并结合有效的迭代方法进行求解。Picard迭代法是实用的非线性计算方法,在非饱和渗流领域应用广泛,但经常会出现收敛震荡、速度缓慢和精度降低的问题。为提高计算性能,结合有限元法提出了一种高效的自适应松弛Picard法。通过模拟一维和二维渗流算例,并与传统方法的结果进行对比,对算法和程序的准确性、高效性和鲁棒性进行了验证。测试结果表明,该方法可以在保证计算精度的同时有效地减少数值震荡,提高收敛速度。研究成果对非饱和渗流有限元程序的开发和应用有一定的参考价值。

关键词: 非饱和渗流, 有限元, Picard法, 自适应松弛, 非线性

Abstract: Effectively simulating unsaturated flow is of great significance in many areas such as the soil slope stability analysis, seepage of earth-rockfill dam, contaminant transport. Due to the strongly nonlinear characteristics of Richards equation for the unsaturated flow, numerical solution schemes such as the finite element method with an efficient iterative algorithm usually have to be employed. Picard method as a practical nonlinear iterative method is widely applied to the unsaturated flow field; but usually suffers from convergence oscillation, slow convergence rate and inaccurate solution. In order to improve the computing performance, an efficient finite element procedure based on the adaptive relaxed Picard method is developed. Through the simulations of 1D and 2D unsaturated seepage problems, accuracy, efficiency and robustness of the proposed procedure are validated by comparing with the traditional methods. It is shown that the adaptive relaxed Picard method can effectively reduce the convergence oscillation and significantly improve the convergence rate with the accuracy guaranteed. The proposed procedure provides a helpful reference for the program development and application to unsaturated flow.

Key words: unsaturated flow, finite element method, Picard method, adaptive relaxation, nonlinearity

中图分类号: 

  • TV 139.16

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