[發(fā)明專利]一種流固耦合網(wǎng)格建模以及流固雙向耦合計算方法

在審

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• 申請日: 2022-12-13
• 公開（公告）號: CN116029182A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹智淋;謝強;孫偉宸;傅翔;陳昱成;班宇鑫;段軍;龔業(yè)超
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 重慶項乾光宇專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50244
• 代理人: 高姜

本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種流固耦合網(wǎng)格建模以及流固雙向耦合計算方法，包括建立TCP協(xié)議通訊模塊，實現(xiàn)Porepy軟件和PFC3D軟件通信；PFC3D軟件進行流暢建模，得到顆粒流模型，同時Porepy軟件進行巖土體顆粒建模，得到模型流體場網(wǎng)格；PFC3D軟件基于顆粒流模型和模型流體場網(wǎng)格計算每個單元的滲透系數(shù)和非達西系數(shù)；Porepy軟件基于滲透系數(shù)和非達西系數(shù)進行流場計算，得到流場結(jié)果；PFC3D軟件調(diào)用CFD模塊，基于流場結(jié)果進行流固耦合計算，得到新滲透系數(shù)和新非達西系數(shù)并重新計算流場結(jié)果，直至重復(fù)次數(shù)達到預(yù)設(shè)次數(shù)，得到計算結(jié)果，解決了現(xiàn)有的流固耦合計算方法的計算效率低的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種流固耦合網(wǎng)格建模以及流固雙向耦合計算方法。

背景技術(shù)

離散單元法(DEM)將土體視為離散顆粒的堆積體，給定顆粒間的接觸模型，依據(jù)牛頓第二定律，計算顆粒的位移和速度，即可模擬顆粒材料在不同加載環(huán)境下的宏細觀響應(yīng)。將DEM與計算動力學(xué)(CFD)建立流固耦合方法，模擬液體作用下宏細觀尺度下土顆粒的遷移運動。

以離散單元為基礎(chǔ)假定的PFC3D軟件被廣泛應(yīng)用于巖土體的數(shù)值模擬中，對研究細觀尺度下巖土體變形破壞起到了積極的意義。以PFC3D軟件為CFD-DEM流固耦合實現(xiàn)方法，現(xiàn)有幾種不同的實現(xiàn)手段，比如CCFD-PFC3D、OpenFOAM-PFC3D、FiPy-PFC3D等。雖然基于PFC3D軟件實現(xiàn)的CFD-DEM流固耦合模擬方法在巖土工程中的應(yīng)用也越來越多，但是現(xiàn)有的流固耦合方法，流體計算程序多采用Navier-Stokes連續(xù)方程和流體動量方程計算流體的速度場、梯度場等，適用領(lǐng)域多在航空和水利工程領(lǐng)域；而針對巖土工程，主要以滲透系數(shù)表征土體水體流動的難易，工程現(xiàn)場得到的滲透系數(shù)不能直接用于Navier-Stokes連續(xù)方程的求解，依據(jù)現(xiàn)有的Navier-Stokes求解計算的難度，流場計算與工程現(xiàn)場勘察設(shè)計參數(shù)之間的聯(lián)系，以及流體網(wǎng)格收斂計算的要求等問題，目前還無法進行工程尺度下的流固耦合計算。

現(xiàn)有實現(xiàn)方法中，CFD和DEM流固耦合計算中，雙向計算需要對流場和顆粒位移進行信息交互計算，現(xiàn)在實現(xiàn)難度大，不同計算機語言之間要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致程序需要不斷的調(diào)試，才能順利實現(xiàn)流固單向或雙向耦合，在計算過程中，會出現(xiàn)報錯，計算中斷等情況，計算效率低，限制了CFD-DEM流固耦合計算的進一步推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種流固耦合網(wǎng)格建模以及流固雙向耦合計算方法，旨在解決現(xiàn)有的流固耦合計算方法的計算效率低的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種流固耦合網(wǎng)格建模以及流固雙向耦合計算方法，包括以下步驟：

S1建立TCP協(xié)議通訊模塊，實現(xiàn)Porepy軟件和PFC3D軟件通信；

S2所述PFC3D軟件進行流暢建模，得到顆粒流模型，同時所述Porepy軟件進行巖土體顆粒建模，得到模型流體場網(wǎng)格；

S3調(diào)用所述TCP協(xié)議通訊模塊將所述模型流體場網(wǎng)格導(dǎo)入所述PFC3D軟件，所述PFC3D軟件基于所述顆粒流模型和所述模型流體場網(wǎng)格計算每個單元的滲透系數(shù)和非達西系數(shù)；

S4調(diào)用所述TCP協(xié)議通訊模塊將所述滲透系數(shù)和所述非達西系數(shù)導(dǎo)入所述Porepy軟件，所述Porepy軟件基于所述滲透系數(shù)和所述非達西系數(shù)進行流場計算，得到流場結(jié)果；

S5調(diào)用所述TCP協(xié)議通訊模塊將所述流場結(jié)果導(dǎo)入所述PFC3D軟件，所述PFC3D軟件調(diào)用CFD模塊，基于所述流場結(jié)果進行流固耦合計算，得到新滲透系數(shù)和新非達西系數(shù)；

S6調(diào)用所述TCP協(xié)議通訊模塊將所述新滲透系數(shù)和新非達西系數(shù)導(dǎo)入Porepy軟件，并重復(fù)步驟S4至S6，直至重復(fù)次數(shù)達到預(yù)設(shè)次數(shù)，得到計算結(jié)果。

其中，所述模型流體場網(wǎng)格為六面體八節(jié)點單元。