[发明专利]一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其采用固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型，先通过野外科学考察和物理及力学实验获取泥石流沟道启动、运动、堆积动力学信息；再通过地理信息系统或者高精度3D地形扫描仪确定计算区域内高精度的地形数据及物源数据，通过网格坐标转化表达为(x,y,h)网格数据,x,y,h分别为地形点的x,y坐标和高程值h；接着将计算区域内适量沟道内土体样本通过室内物理及力学实验确定和估算土体、流体参数，以获得本数值方法预处理阶段所有需要准备的参数。本发明提高了泥石流动力过程数值模拟研究的科学性和可靠性，提高了灾害防治的针对性、增强预防效果为泥石流减灾提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及泥石流灾害防治、环境治理技术领域，具体涉及一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法。

背景技术

泥石流是一种固相颗粒级配宽、容重变化范围大的典型固液两相流，是一种常见分布于山区的地质灾害，由其特殊固液两相流复杂流态特征，具有规模大、爆发迅速，来势凶猛，冲击力巨大等特点，不仅可以在沟道中迅速流动，且能冲出沟道进入河流水库，造成水面抬升、河流堵塞形成堰塞坝，严重威胁水利水电工程，且堰塞湖溃坝在下游造成溃决洪水灾害，危害下游居民安全，破坏生态环境。且泥石流堆积区域往往地势平坦、水源充足，山区居民常常在这种稳定的滩地上进行农业生产，建设村落，修筑道路，但是泥石流堆积区域受到潜在泥石流灾害的巨大威胁，故泥石流特别是大规模泥石流已成为当前防灾减灾工作中亟待解决的突出问题。

运用深度平均(Depth-averaged)纳维叶－斯托克斯(Navier-Stokes)方程并伴以适当高精度数学离散格式解决此类问题是一大热门问题，然而目前绝大多数都运用单相流体介质方程，虽然其简单快捷易于计算，但是无法反应出固液体积浓度占比在时间、空间上的变化导致的密度改变，流态改变等特点，其定义的应力条件，也只能是简化后的加和形式，无法反应出多相介质受到的不同应力条件、应力耦合变化。同时在模型源项上，目前绝大多数模型都运用以经典力学为基础的滑块受力库伦模型(Coulomb)或者基于经验统计的流变Voellmy模型，其模型缺点明显无法反应出泥石流此种特殊流体因为流态变化而反应出不同的摩阻力性质进而无法很好的模拟出其特殊流体的动力学特征。

发明内容

针对目前现有单相流体介质模型无法准确反映泥石流复杂多相介质的动力学过程，本发明提供了一种能取代单相流体介质方程中简化流体密度、颗粒分布、颗粒浓度占比、受力条件等缺陷，能在单相模型的基础上将多相介质较为准确的耦合在一起，提高泥石流动力过程数值模拟研究的科学性和可靠性，提高灾害防治的针对性、增强预防效果为泥石流减灾提供技术支撑，更好的服务泥石流减灾的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法。

本发明的技术方案如下：

上述的固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，是采用固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型，先通过野外科学考察和物理及力学实验获取泥石流沟道启动、运动、堆积动力学信息；再通过地理信息系统或者高精度3D地形扫描仪确定计算区域内高精度的地形数据及物源数据，通过网格坐标转化表达为(x,y,h)网格数据,x,y,h分别为地形点的x,y坐标和高程值h；接着将计算区域内适量沟道内土体样本通过室内物理及力学实验确定和估算土体、流体参数，以获得本数值方法预处理阶段所有需要准备的参数。

所述固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，其中，所述固液多相泥石流动力过程的数值模拟模型的控制方程基于深度平均积分法的纳维叶－斯托克斯方程，分别伴以适用于泥石流中固相颗粒和液相流体的本构方程能够较好地运用在模拟泥石流动力学过程中；

所述泥石流中固相颗粒及液相浆体的质量方程为：