流固耦合与非流固耦合在深基坑模拟中的对比分析

在深基坑支护结构的设计与计算分析中,地下水的影响是一个极为重要的课题。现有的计算模型较为常用的为流固耦合模型和非流固耦合模型。以某基坑工程开挖与支护为研究对象,运用ABAQUS软件,分别用流固耦合与非流固耦合计算,分析了基坑开挖过程中的结构与土体变形特点,以及流固耦合模型中降水时的孔隙水压力变化情况。与不考虑水作用的非流固耦合模型相比,考虑水压力作用以及流动的流固耦合计算模型的土体与结构变形值趋势一致,但计算结果偏大,流固耦合模型能反映出基坑降水作用的机理与效果,因此应尽量采用流固耦合的方法进行计算与分析。     

寒岭界隧道断层破碎带水压力分布及病害处治

基于流固耦合理论,采用三维数值模拟的方法,研究了寒岭界隧道断层破碎带富水隧道中水压力的分布规律和渗水量的预测.结果表明:隧道开挖后,因扰动而产生超静孔隙水压力和地应力耦合,使拱腰部位出现的应力集中最为显著,其次是拱顶部位.针对该段出现的病害,提出了采用2环帷幕注浆与超前预支护的综合处治方法,分别处治了塌方段和涌水段病害,处治效果明显.     

基于FLAC3D流固耦合的某公路下穿隧道开挖数值模拟研究

本文以某公路下穿隧道工程为依托,利用FLAC~(3D)模拟软件对隧道开挖过程进行流固耦合数值模拟计算,根据数值模拟结果对围护结构的变形以及土体中孔隙水压力的变化进行了分析。结果表明:本工程地下连续墙变形与一般围护结构变形规律相一致;模拟过程中地下连续墙主动区一侧土体中孔隙水压力呈现逐渐减小的变化趋势;降水影响范围内的部分土体中出现负超静孔隙水压力,有利于改善开挖阶段的土体强度。     

考虑固液二相互态特性的流固耦合模型

为研究岩土体内的流固耦合作用对道路工程中道路建筑物/构筑物的变形和沉降，聚焦于构建考虑固液二相互态特性的流固耦合模型，首先构建以含水率为参数的固相物性参数方程（弹性模量、体积模量、极限偏应力）和以孔隙比为参数的液相物性参数方程（饱和含水率、残余含水率、Gardner模型参数），其次建立考虑固液二相互态影响的固相本构方程（邓肯-张模型）和液相本构方程（Gardner模型），之后将新构建的本构方程与固液二相控制方程联合使用构建出考虑固液二相互态特性影响的流固耦合模型。以非饱和黄土为研究对象，利用数值模拟软件构建考虑固液二相互态影响的非饱和土流固耦合数值模型，探索固液二相互态特性对非饱和土流固耦合影响机制。研究结果表明：随着含水率的增大，固相物性参数（弹性模量、体积模量、极限偏应力）均呈减小的趋势；含水率增大使得土体强度减小，表现为达到相同的应变，土体的应力减小；含水率增大，相同的变形情况下，土体所承受的荷载变小。随着孔隙比的增加，饱和含水率线性增加，残余含水率线性减小，Gardner模型参数β呈指数减小，土体内有效饱和度也随之增加；孔隙比增大还会导致土体饱和渗透能力的减小，非饱和相对渗透系数增加。在相同的载荷条件下，相较于未考虑互态影响的流固耦合模型，考虑互态影响的模型模拟的土体变形量较大，含水率、压力水头较小。     

基于流固耦合城市地下通道渗流规律分析

地下工程受地下水渗流的影响一直都是人们关注的问题,依托某城市轨道交通共建管廊工程,通过FLAC3D进行流固耦合分析地下通道对地下水渗流规律的影响以及地下水渗流规律变化对地下通道的反作用.找出限量排水情况下,地下工程结构所受孔隙水压力的分布规律及其数值的变化情况.找到结构所受应力随孔隙水压力变化而变化的规律.得出地下工程对地下水渗流规律的影响结果以及影响范围,同时发现渗流规律的变化对应力场分布范围产生的影响及最大应力分布位置和数值都有变化.     

泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律研究

为研究泥水平衡盾构施工对地层孔隙水压力的扰动规律，针对3种典型地层开展流固耦合分析，研究盾构施工期间不同阶段地层孔隙水压力的纵向和横向变化规律，提出孔隙水压力扰动比的概念并对其施工扰动的程度进行评价。研究结果表明： 1）泥水平衡盾构在经过软土地层时，孔隙水压力会有明显的下降趋势； 2）泥水平衡盾构掘进会对开挖面前方土体孔隙水压力产生不同程度的水力堆积效应，该堆积效应的产生是泥膜产生的必要条件之一； 3）不同地层中泥水平衡盾构施工对孔隙水压力造成的扰动不同，拱顶位置孔隙水压力扰动最大，拱腰次之，拱底最小； 4）施工中注浆压力的施加与孔隙水压力的扰动程度密切相关；不同地层在不同的开挖阶段横断面渗流场的分布规律和形状不同，拱顶处均表现为水流压力集中点；同时，泥水平衡盾构在施工期对孔隙水压力的扰动有残余效应。     

基于流固耦合模型的柴油机冷却系统优化设计

采用CFD方法,建立了由机体和缸盖中的水套组成的柴油机冷却系统的流固耦合传热仿真模型,进行了流体与固体之间的共轭传热仿真.结果表明,机体水套内的流动分布较好,基本满足换热要求;但缸盖水套内的流动分布较差,鼻梁区流速不足0.5m/s,造成缸盖火力面温度偏高.通过增加鼻梁区侧向水道、改进进水口结构等措施,使鼻梁区流速提高到1m/s以上,改善了缸盖的换热状况.     

小净距隧道富水破碎区段防排水施工技术研究

为了安全快速地穿越富水破碎带区段,结合小净距隧道的结构特点,基于现场钻探揭露结论及涌水量、水压的测定结果,提出了小净距隧道左右洞交替作为导流洞的防排水施工技术。基于流固耦合理论,采用FLAC~(3D)数值模拟软件分析了左右隧洞并行掘进时,围岩孔隙水压力及围岩位移的分布特征,揭示了围岩变形与孔隙水压力的相互作用机理,并结合现场围岩变形监测数据与掌子面最大涌水量数据,验证了该防排水施工技术的可行性。     

基于流固耦合的海底隧道初期支护安全性分析

海底隧道衬砌结构受到应力场和渗流场的耦合作用,初期支护在施工期间要承受全部荷载。以厦门海底隧道为工程背景,对初期支护安全性以及水压力分布进行了流固耦合分析,得出了耦合状态下初期支护水压力的分布规律。分析结果表明,初期支护在施工期间具有良好的安全性。     

饱水OGFC沥青路面力学分析

基于弹性多孔介质理论,利用Abaqus软件建立了饱水OGFC沥青路面的轴对称有限元模型,分析了在水荷载耦合作用下,上面层OGFC不同动态压缩模量对应力、应变和孔隙水压力影响的变化规律;研究了不同车速和渗透系数情况下孔隙水压力的时程变化曲线。结果表明:随着OGFC动态压缩模量的增大,沥青面层的水平应力呈下降趋势,中面层底部的水平应力受影响最大,上面层底部次之,下面层底部最小;随着OGFC动态压缩模量的增加,特征点A最大水平应变不断减小,特征点B、C随上面层动态压缩模量的增大,最大水平应变影响不大;面层结构内的孔隙水压力在水和车载耦合作用下呈现明显的正负逆转现象,且与车速有关,车速越大,孔隙水压力越大;OGFC动态压缩模量和上面层渗透系数的增大均可降低上面层孔隙水压力。     

不同倾角的破碎带对隧道围岩稳定性影响

针对工程中具有破碎带的隧道存在饱水的实际情况,基于流固耦合理论,利用有限差分法软件Flac,对含有破碎带的隧道围岩在饱水条件下的开挖稳定性进行分析。通过考虑流固耦合效应,得到不同倾角的破碎带在开挖前后的渗流场特性、主应力特性和塑性区特性等结果,并在此基础上分析了地下水的存在对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:随着破碎带倾角的增大,使围岩加速破坏,塑性区的范围也逐渐扩展,说明形成不稳定围岩的区域也在扩大。通过渗水模型试验对存在破碎带的围岩在饱水情况下隧道失稳的过程进行演示,揭示围岩破坏的机理。研究成果可为富水地层条件下含破碎带的隧道工程开挖设计提供了理论参考。     

考虑流固耦合作用的大跨度桥梁风振响应研究

为更准确研究大跨度桥梁的风致振动特性,为设计提供更可靠的方法,对考虑流固耦合作用的大跨度桥梁风振响应进行了研究。介绍了一种流固耦合分析的强耦合方法,同时求解流体控制方程和结构控制方程,计算出全场变量值。给出了与求解方法相应的湍流模型和边界条件。对大跨度悬索桥进行了风振响应分析和颤振分析,与已有文献进行了结果对比。研究表明:发生颤振时,考虑流固耦合作用时桥梁的颤振临界风速要小于不考虑流固耦合作用时的情况,其风振响应要大于不考虑耦合作用的风振响应,说明在气动弹失稳的情况下,流固耦合作用加深了结构的不稳定性。结果表明流固耦合效应对于大跨度悬索桥风振响应有重要影响,强耦合计算方法可以较准确地预测其风致振动特性。     

基于流固耦合的汽油机整机温度场的仿真分析

整机温度场是发动机冷却效果的直接表现,是判断发动机水套设计是否合理的主要衡量指标。文章利用STAR CCM+软件对某汽油机缸体-缸盖进行流固耦合分析,对发动机在额定工况点的缸体、缸盖温度场分布和水套内的流场温度场进行分析,并将计算结果与试验进行了对比。     

基于流固耦合方法的深水桥墩地震响应分析

该文以深水桥墩为研究对象,采用FSI考虑水对桥墩地震响应的影响,分析比较了不同水深、不同水域面积以及不同壁厚情况下流固耦合作用对桥墩地震响应的影响。得出考虑墩水耦合作用不仅增大了墩底地震响应的最大值,并且使墩底响应最大值发生的时刻也有所改变;随着水深的增加,流固耦合作用对墩底响应的影响增大;随着壁厚的增大,流固耦合效应对空心桥墩墩底地震响应的影响逐渐减小。     

基于流固耦合作用大相岭隧道断层开挖分析

本文主要通过Geo-studio软件对大相岭隧道F6断层开挖进行流固耦合数值模拟,对比分析考虑流固耦合作用和未考虑耦合作用断层开挖应力应变情况,说明考虑流固耦合作用对隧道安全开挖断层的重要性,为今后类似隧道开挖提供理论依据。     

边坡降雨入渗的力学特性分析

该文采用流固耦合方程对降雨条件下边坡的力学响应进行了研究,分析是基于土体的三相介质理论展开的,不考虑各相之间的界面特性,在考虑各相控制方程的基础上直接求解耦合方程。随后通过对5 m高边坡在降雨24 h后的力学特性分析,得出了降雨后边坡的孔隙压力变化曲线、饱和度变化曲线、土体固相抗力曲线以及基于强度折减的边坡安全性评价,得出了降雨对边坡安全性影响的一些有益结论,可用于指导实际工程。     

The Effects of Fluid-Structure Interaction on the Internal Flow Field and Blade Strength of Hydraulic Torque Converter

利用流固耦合仿真平台,对液力变矩器各工况下的流场进行数值计算,分析其结构与流体之间的耦合作用,得到3个工作轮叶片的应力应变和叶片变形后变矩器内部流场情况;并通过与不考虑流固耦合时流场分布的对比,分析了流固耦合作用对液力变矩器传动效率和叶片强度的影响.结果表明,叶片变形使得流场中涡带增加,紊动加剧,液力变矩器传动效率有所下降;另外,考虑流固耦合作用后,速比0.01时的涡轮叶片最大变形增大了约46.5％,相应的最大应力也增加约45.2％,这意味着忽略叶片弹性高估叶片结构的安全性.     

斜拉桥考虑下部结构与水体相互作用的动力建模研究

跨海大桥的不断涌现,使得桥梁下部结构受到较为严重的河流冲刷作用,而由于冲刷产生的桥梁的灾害远多于地震和台风产生的破坏.在已有流固耦合求解的基础上,改造了桥塔下部结构的振动与流体速度之间的相互作用的边界条件,通过逆解法求解在该边界条件下,扰动液体内部的任意点处的三维拉普拉斯方程,得出了作用在下部结构的动水压力.采用振型分解将动水压力以附加质量的方式作用在结构上.通过对流场的简化,建立了适合有限元分析的附加质量矩阵,并用通用有限元软件ANSYS实现上述功能.以大跨斜拉桥为例分析对比了下部结构与水体相互作用对斜拉桥动力特性的影响,得出了下部结构与水体的流固耦合作用对以主梁为主的振动频率影响较小,而对以桥墩为主的振动频率影响较大的结论.     

流固耦合作用下浅埋偏压隧道扩建方式研究

为研究渗流条件下或流固耦合作用下的偏压隧道扩建方式,以成渝高速中梁山宋家沟1 号隧道为工程背景,针对渗流作用下既有浅埋偏压隧道的左侧小净距扩建、右侧小净距扩建、左侧原位扩建、右侧原位扩建4 种扩建方式进行数值分析研究,分析各种扩建方式下的拱顶沉降、围岩收敛、围岩应力、初期支护内力、围岩孔隙水压力折减量等,通过与隧道扩建施工监测资料进行对比, 发现数值模拟结果与施工监测极其吻合,验证了计算结果的可靠性。通过对4 种扩建方式进行对比分析认为: 1)采用小净距扩建时的围岩收敛变形、围岩竖向应力等均小于原位扩建; 2)从针对地下水资源保护的角度出发,采用左侧小净距扩建时对地下水资源的保护效果明显优于其他3 种扩挖方式; 3)扩建隧道围岩孔隙水压力的折减在各个方向均呈现出明显的梯度变化,隧道施工过程中的涌水量大部分来自扩建隧道上部围岩。     

双层排水沥青路面孔道自洁性能模拟

雨天车辆轮胎荷载作用下双层排水沥青路面内部会出现动水压力,进而产生"虹吸"作用,带出堵塞孔道内部的尘土,这一效应被称为双层排水沥青路面的自洁。该文借助CT扫描技术获取断面图层,在Simpleware软件中采用三维重构技术构建了双层排水沥青路面几何模型,在有限元软件Flow-3D中建立基于流固耦合方程(FSI)和沉积物冲刷方程(Sediment Scour)的耦合模型,并初始化水膜厚度、轮胎运动条件和路表水文边界条件。对照分析了不同速度、不同水膜厚度以及不同杂物粒径条件下轮胎滚动作用对动水压力效应和孔道自洁作用的影响。分析得出:杂物粒径对自洁效应起决定性作用,相同动水压力条件下,小粒径杂物析出数量较多,大粒径杂物析出质量较大;较大轮胎速度和较大水膜厚度会产生较大动水压力,但对自洁性能影响较小。