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Flac3D 中文流体计算

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的重度和节点饱和度和孔隙率相容。如果这些初始分布不相容,则计算开始时所有单元中将出现流体流动。因此,应在模拟开始时设一定 的计算步来检验初始条件是否相容。

如果模型中含有接触面,有效应力将沿着这些接触面进行初始化(即:在节点应力初始化时,认为接触面应力包含孔压)。water lable命令将包含沿着接触面的孔压,这是因为定义在单元节点上的孔压也在接触面节点上。如果接触面的上下两面连在一起,在没有阻力时,将发生穿越接触面的流体流动。但程序不对沿着接触面的流体流动 (裂隙流)进行计算。

单渗流与渗流耦合问题

FLAC3D既能进行单渗流分析,也能进行固流耦合分析。耦合分析可由FLAC3D内置力学模型完成。但要注意,渗流模型中的空单元并不是力学空单元。必须用命令model fl_null给单元赋予流体空属性。 对于耦合过程,FLAC3D提供了几种计算模式。其中之一是假设孔压一旦被赋予便不再改变。该方法并不要求任何额外空间存储计算过程。除此之外涉及到渗流的计算模式都要求使用命令config fluid。命

令model fl_iso使所有单元中都能发生渗流。

不同的耦合计算模式在下面讨论。一般情况下,在能跟所模拟问题的物理过程相似的情况下,应使用尽可能简单的模式。计算模式的选择 根据以下几个方面确定。 时间比例

对所需模拟的渗流或耦合问题用FLAC3D估计与涉及的不同进程相关的时间比例是非常有用的。对有关研究问题的时间度量和扩散性的认识有助于估计最大网格宽度、最小区域尺寸、时步大小和计算可行性。如果不同进程的时间比例相差太大,则很可能采用一种简单的(非 耦合)方法。

时间比例可用特征时间给出。以下这些由量纲分析得出的定义,都是基于解析的连续源理论表达式。它们可用于得出FLAC3D分析的大 致时间比例。

力学过程特征时间、流体扩散过程特征时间 流体扩散率

FLAC3D中使用了取决于控制过程的储水系数的几种形式: 流体存储系数、地下潜水相存储系数、弹性存储系数

以上定义,有几点特性值得注意:

(1)因为FLAC3D中显式的时步对应于最小区域中信息从一个节点传到下一节点所需要的时间,时步的大小可用计算特征时间公式中特征长度的最小区域来估计。重要的是注意FLAC3D中在用流体扩散率(即使是在耦合模拟中)计算显式流体时步。因此,时步的大小可 用特征长度的最小区域尺寸来估计。

(2)在饱和流体问题中,简化的体积模量不但导致时步的增加,同样导致到达稳定状态时间的增加,所以总步数增加,该总步数可用模 型和最小区域的特征长度来估计。

(3)在部分饱和流体流动问题中,可通过调整流体体积模量加速收敛以趋于稳定状态,但要注意不可将体积模量减小太多以至产生数值不稳定。数值稳定条件能由流体储量在一个特征长度区域的高度上必 须保持低于地下潜水储量的要求推导而出。

(4)为避免扩散问题中的边界效应,模型的特征长度必须大于某个

尺度。同样,最小模拟时间由某个关系式控制。

(5)在耦合流体问题中,实际扩散率由流体刚度与岩土介质的刚度 比来控制。

完全耦合模拟方法的选择

用FLAC3D进行完全耦合的准静态固流耦合分析通常要耗费大量时间,且有时候并不必要。很多情况下,可使用不同程度的非耦合方法简化分析并加快计算速度。下面的例子给出了对应于流固耦合的不同水平的FLAC3D模拟方法。选择计算方法时有3个主要的因素需要 考虑:

(1)模拟时间比例和扩散过程的特征时间; (2)耦合过程中强制扰动特性; (3)流固刚度比。 时间比例

首先通过从扰动的开始阶段计算时间来考虑时间比例因素。定义分析所需要的时间(模拟时间),对应于耦合扩散过程的特征时间。

短期行为(不排水)

如果对应于耦合扩散特征时间,分析所需时间非常短,在模拟结果中流体流动的影响几乎可以忽略不计,则可采用不排水模拟(config fluied,set fluid off)。数值模拟中不涉及真实的时间,但如果给流体

体积模量一个实际值,则体积应变将导致孔压的变化。

长期行为(排水)

如果分析所需时间大于耦合扩散特征时间并在模拟时间到达时排水,则孔压场可不耦合到立场中。稳定状态的孔压场可用单纯流动模拟确定(set fluid on, set mech off)(不代表扩散率),然后力学场可通过在设置流体模量为0的力学模式中(set mech on, set fluid off)计算到平衡状态获得。(严格说,这种方法仅对弹性材料有效,因为塑性材料力学行为是与路径有关的)。

另外一种描述时间比例的方法是不排水行为和排水行为。严格地说,不排水表示与模型外界无流体交换。排水则是与模型外界有完全的流体交换,这就意味着流体压力能在各处达到平衡。由于不排水试验通常所需时间很短,而排水试验则需要很长的时间以使多余的流体压力消散,因此,“排水”和“不排水”这两个词常分别和“短期行为”和“长期行为”联系在一起。在现场,“短期行为”通常意味着流体流动可以忽略,而“长期行为”则意味着几乎所有压力降都变为0(这需要一个很 长的过程)。

注意在无渗流计算模式(不使用config fluid)和短期行为模式(使用config fluid,set fluid off)的模拟过程中,由于施加的孔压发生变化而产生的总应力的修正并不是通过程序在内部执行。但是,孔压增量可用FISH函数监测,并用于减小循环到力学平衡前的总法向应力。如果地下水位已在网格内部移动,同时需要调整饱和及非饱和的质量密 度。

Flac3D 中文流体计算

的重度和节点饱和度和孔隙率相容。如果这些初始分布不相容,则计算开始时所有单元中将出现流体流动。因此,应在模拟开始时设一定的计算步来检验初始条件是否相容。如果模型中含有接触面,有效应力将沿着这些接触面进行初始化(即:在节点应力初始化时,认为接触面应力包含孔压)。waterlable命令将包含沿着接触面的孔压,这是因为定义在单元节点上的孔压也在接触面节点上。如果接触面的上下两
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