[發明專利]基于有限體積法的平面裂隙注漿準三維仿真方法及系統

有效

• 申請號: 201910721611.8
• 申請日: 2019-08-06
• 公開（公告）號: CN110543691B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 李曉龍;鐘燕輝;張蓓;郝梅美;王聯幫;李陽
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20
• 代理公司: 長沙楚為知識產權代理事務所(普通合伙) 43217
• 代理人: 李大為

本發明涉及仿真領域，尤其涉及基于有限體積法的平面裂隙注漿準三維仿真方法及系統。基于有限體積法的平面裂隙注漿準三維仿真方法，包括：S10、前處理；S20、初始化流場；S30、計算材料特性參數；S40、流場迭代求解；S50、更新VOF函數值；S60、輸出結果；S70、是否執行了預定次數的運算，若是，則結束運算；若否，則執行步驟S30。本發明把平面裂隙注漿三維問題轉化為考慮裂隙張開度的二維問題求解，可顯著降低數值模型的規模，節約計算資源，減少計算時間，并具有較高的求解精度。

技術領域

本發明涉及仿真領域，尤其涉及基于有限體積法的平面裂隙注漿準三維仿真方法及系統。

背景技術

注漿是裂隙巖體水害防治的主要手段，在水利、交通、采礦等領域得到了廣泛應用。深入了解漿液在巖體裂隙中的運移規律對于注漿設計和施工具有重要指導意義。

數值模擬是研究漿液在裂隙中擴散機制的主要途徑之一，與理論解答相比，它能夠克服諸多假定的束縛，可對各種復雜條件下的漿液流場進行求解，較全面地反映巖體裂隙幾何特征和漿液材料特性等因素對漿液擴散行為的影響，因而具有廣泛適用性。

目前，現有技術中有結合單裂隙注漿模型試驗，基于有限元方法，采用COMSOL軟件流體模塊分析了水泥漿液在地下水影響下的擴散形態和壓強場分布特征，揭示了靜、動水條件下漿液的運移機；以及利用該軟件研究了不同漿液流型和不同流場環境條件下時變與非時變性漿液在平板裂隙中的擴散形態和注漿壓強分布規律；進一步采用該軟件構分析了水泥漿液和水泥基速凝漿液在三維交叉裂隙中的擴散特征，闡明了注漿口位置、地下水流速和注漿速率對漿液擴散過程的影響。也有采用通用軟件Fluent研究了漿液在平板、橢圓及楔形裂隙中的流動特性。

例如，申請號為201811523423.6的專利文獻公開了一種基于有限體積法的變壓器油流涌動的仿真模擬方法，使用劃分多面體的三維模式進行模擬，然而由于裂隙注漿屬三維問題，在數值建模過程中，存在模型單元多、計算量大的問題。主要原因是由于裂隙開度通常遠小于其長寬尺寸，為保證必要的求解精度，須沿開度方向進行較多層的單元剖分，在滿足單元長寬高比例保持一定限值的前提下，受單元剖分尺寸的控制，往往導致單元剖分數量多，數值模型規模大，導致計算耗時長。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供基于有限體積法的平面裂隙注漿準三維仿真方法及系統，能夠把平板裂隙注漿三維問題轉化為考慮裂隙開度影響的二維問題，從而顯著降低數值分析模型建模復雜度，提高求解效率，并具有較高的計算精度。

為了達到上述目的，本發明采取了以下技術方案：

基于有限體積法的平面裂隙注漿準三維仿真方法，包括：

S10、前處理：以預定尺寸的控制體對流場求解區域剖分，形成矩形計算網格，生成控制體編號、控制體中心及控制體各界面的坐標值，對流場邊界設定邊界條件；

S20、初始化流場：讀入所述流場中每個所述控制體的VOF函數初始值，為流場變量賦初值；所述流場變量包括壓強、流速；

S30、計算材料特性參數：讀取當前時間，根據所述當前時間和所述VOF函數值計算每個所述控制體的材料特性參數；所述材料特性包括當前密度、當前黏度；

S40、流場迭代求解：計算所述流場的當前流速和當前壓強分布；

S50、更新VOF函數值：根據所述當前流速求解VOF方程，更新每個所述控制體的VOF函數值，重構漿液移動界面，實現對漿液移動界面的追蹤；

S60、輸出結果：輸出當前時刻所述流場的當前壓強、當前流速、當前黏度、當前密度和VOF函數值并存儲；

S70、是否執行了預定次數的運算，若是，則結束運算；若否，則執行步驟S30。