基于光滑粒子元的水-沙两相流冲刷数值仿真

摘要

基础河床冲刷逐渐成为水工建筑物等结构破坏的主要原因，传统分析方法基于欧拉网格法模拟，易出现网格畸变、计算不收敛等情况，降低了计算效率与精度.基于拉格朗日坐标系下无网格光滑粒子元法（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）对河床冲刷过程进行数值模拟；将泥沙相视为非牛顿流体，分为沉积物、推移质、悬移质三种状态；引入DruckerPrager与Shields应力模型作为泥沙状态转化判断准则，为不同状态泥沙粒子赋予不同流变特性，使计算结果可准确描述水-沙耦合过程.提出了基于SPH多相流模型的河床冲刷数值仿真改进算法，编写了泥沙冲刷计算模块，采用GPU进行计算加速，最后将所得数值水槽模型与Louvain溃坝试验及其他同类仿真结果进行对照.结果表明：本文模型能够更为准确地反映冲刷发展整体趋势；各时刻自由液面、水-沙交界面轮廓均方根误差均在合理范围内；数值模型与试验结果吻合度较高.

关键词

桥梁工程 / 数值仿真 / 光滑粒子元 / 河床冲刷 / 两相流 / 侵蚀准则