海底滑坡运动行为的CFD-DEM耦合模拟

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海底滑坡是海洋中常见的一种灾害地质现象,一旦发生将会对水下基础设施造成破坏,不仅严重影响海洋开发进度,甚至造成重大经济损失和人员伤亡。而目前有关海底滑坡、特别是粘性滑坡体运动行为的模拟研究还很少。本文采用计算流体动力学(CFD)和离散元法(DEM)建立了描述水与颗粒相互作用的流固耦合模型,通过引入颗粒间JKR粘结力模型,描述滑坡体内部的粘性性质,进而发展模拟海底粘性滑体运动行为的CFD-DEM耦合分析方法,并开展了多个典型算例的验证分析。在此基础上,考虑滑体粘性大小、初始速度和斜坡坡度,系统模拟了海底滑坡体的运动学特征(运动速度和距离)和形态特征(滑体长度、宽度、形状等),并深入探究了滑体运动过程的受力机制。具体研究工作如下:(1)引入颗粒间粘结力模型,建立了水与颗粒相互作用的流固耦合模型,并通过单个颗粒在静水中沉降、颗粒堆积体水下坍塌、粘性颗粒流运移过程三个典型验证案例,说明本文所建立的流固耦合模型的合理性与正确性。(2)开展了颗粒堆积体休止角试验、三轴压缩试验的数值模拟,为海底滑坡运动行为的具体工况模拟提供参数指导。(3)分别模拟了不同条件下海底滑坡的运动过程,包括不同滑体粘性大小、初速度大小、斜坡坡度等因素,对各工况下滑体的形态特征进行深入探究,并提出相关变化规律。(4)通过在滑体内部设置运动检测点,深入探究滑体各断面各点位运动速度及位移的变化特征,提出滑体内部各点位的运动变化规律。(5)研究了粘性滑体的运动学及受力特征,探究了滑体前、中、后各部位受到的水阻力以及粘结力对滑体形态与运动学特征的影响。结果表明:该耦合方法可以较好的模拟再现海底滑坡体的小尺度运动行为,滑坡体的粘性作用对其运动学特征和形态特征具有显著影响,也影响了滑体各部位在运动过程中的颗粒流场变化及分布特征。这一成果可为真实海底滑坡的运动行为模拟和有效预测提供重要的科学依据。
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