›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (6): 1771-1780.doi: 10.16285/j.rsm.2017.06.027

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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

王 胤1,艾 军2,杨 庆1   

  1. 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 NG7 2RD
  • 收稿日期:2015-10-22 出版日期:2017-06-12 发布日期:2018-06-05
  • 作者简介:王胤,男,1982年生,博士,主要从事CFD-DEM流固耦合数值模拟及海洋岩土工程方面的研究。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金青年基金(No.51409036);国家自然科学基金(No.51179023)

A CFD-DEM coupled method incorporating soil inter-particle rolling resistance

WANG Yin1, AI Jun2, YANG Qing1   

  1. 1. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Nottingham Center of Geomechanics, The University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, United Kingdom
  • Received:2015-10-22 Online:2017-06-12 Published:2018-06-05
  • Supported by:

    This work was supported by the Young Scholars of National Natural Science Foundation of China (51409036) and the National Natural Science Foundation of China (51179023).

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OpenFOAM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。

关键词: CFD, DEM, 流固耦合, 滚动阻力, 固体颗粒, 渗流

Abstract: 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 framework 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.

Key words: CFD, DEM, coupled CFD-DEM, rolling resistance, granular material, seepage flow

中图分类号: 

  • TU 441

[1] 王珂, 盛金昌, 郜会彩, 田晓丹, 詹美礼, 罗玉龙, . 应力−渗流侵蚀耦合作用下粗糙裂隙渗流特性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 30-40.
[2] 安笑, 潘华利, 欧国强, 孔玲, 李炳志, . 恒定渗流作用泥石流碎屑物质起动判别模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 115-122.
[3] 薛亚东, 周杰, 赵丰, 李兴. 基于MatDEM的TBM滚刀破岩机理研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 337-346.
[4] 胡盛斌, 杜国平, 徐国元, 周天忠, 钟有信, 石重庆, . 基于能量测量的声呐渗流矢量法及其应用[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 2143-2154.
[5] 薛阳, 吴益平, 苗发盛, 李麟玮, 廖康, 张龙飞. 库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1709-1720.
[6] 杨赫, 程卫民, 刘震, 王文玉, 赵大伟, 王文迪. 注水煤体有效渗流通道结构分形特征 核磁共振试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(4): 1279-1286.
[7] 米博, 项彦勇, . 砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的 模型试验和计算研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 837-848.
[8] 郑立夫, 高永涛, 周喻, 田书广. 基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1029-1038.
[9] 苏永华, 李诚诚. 强降雨下基于Green-Ampt模型的边坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 389-398.
[10] 刘成禹, 陈博文, 罗洪林, 阮家椿, . 满流条件下管道破损诱发渗流侵蚀的试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 1-10.
[11] 刘忠玉, 夏洋洋, 张家超, 朱新牧. 考虑Hansbo渗流的饱和黏土 一维弹黏塑性固结分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 11-22.
[12] 夏才初, 喻强锋, 钱 鑫, 桂 洋, 庄小清. 常法向刚度条件下岩石节理剪切−渗 流特性试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 57-66.
[13] 支永艳, 邓华锋, 肖瑶, 段玲玲, 蔡佳, 李建林. 微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 237-244.
[14] 许江, 邬君宇, 刘义鑫, 雷娇, . 不同充填度下岩体剪切−渗流耦合试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3416-3424.
[15] 刘伟俊, 张晋勋, 单仁亮, 杨昊, 梁辰, . 渗流作用下北京砂卵石地层多排管局部 水平冻结体温度场试验[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3425-3434.
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