[发明专利]一种强耦合固液多相流数值模拟方法

说明书

本发明提供一种强耦合固液多相流数值模拟方法，包括步骤：通过物理力学分析确定固相与液相受力特征，并将固相与液相的受力特征写入数值模型；获取待测山地的地形数据与物源数据，并通过网格坐标转化(x，y，z，h)四维网格数据；定义待测山地的相间粘性拖曳力、虚拟质量力，获取待测山地的沟道启动、运动、堆积位置信息，构建守恒向量模型、固液相间作用力模型、浮力模型、粘性托曳力模型、虚拟质量力模型、多相流模型、液相底床摩阻力模型，进行强耦合固液多相流数值模拟。该方法适用于不同物质多相复杂物质的强耦合力学机制，可以消除传统数字模拟方法中因相间作用力耦合不足导致的椭圆退化、相脱离、流态紊乱、流体失真等问题。

技术领域

本发明属于山地灾害防治、环境治理技术领域，具体涉及一种强耦合固液多相流数值模拟方法。

背景技术

固液多相流是由固相颗粒和液相流体组成的混合流体，固相颗粒和液相流体在运动中互相影响、共存并有明确分界面，其涉及流动力学、热力学、传热传质学、燃烧学、化学和生物反应以及相关工业过程中的共性科学问题，对多相流科学的发展与进步对生态与环境的变迁、山地灾害防治分析、环境治理等具有极为重要的意义。

现今对固液多相流数值模拟不能精确实现山地灾害过程中涉及的多种多相复杂物质流体，目前对于山地灾害多相流中各种物理机制不明确，数值模拟方法过于简化，如：

(1)、专利申请号为201710958968.9的文献中公开一种泥石流全过程数值模拟及数值计算方法，该方法基于Savage-Hunter理论的单相NS方程，将要模拟的多相流介质通过简化为单相流复杂流体介质进行模拟，且用一套浅水波方程定义；虽然在宏观上可以起到很好的模拟及预测作用，但由其控制方程简化，无法考虑其中一些很深入的固液耦合物理机制(相间作用力，固相及液相本构模型等)故此技术无法更深入的分析多相流的各种物理受力机制及动力学信息，只能用于快速的宏观数值模拟及反演之效用；且该方法中通过人为定义颗粒体积浓度达到定义介质内固体和液体的目的，但这种比例是固定不变的。

(2)、在专利申请号为201811522183.8的文献中公开一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法，该方法首次将固液两相方程独立定义，并且施用适当且普适的本构方程定义固相及液相的流态及受力特征，然而由于计算的简便性对本构方程做了如下简化，假设相间作用力约为粘性拖曳力的作用，因为其他应力相比于粘性拖曳力较小；但该方法经研究发现很多多相固液密集颗粒流中虚拟质量力的作用尤为明显，且该方法中使用μ(I)本构关系作为固相颗粒介质的本构关系，但模型μ(I)只考虑了颗粒在惯性作用下的摩阻力及运动特征，忽略了多相流中液相流体物质对固相的影响作用，模拟可靠性降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种强耦合固液多相流数值模拟方法，该方法适用于不同物质多相复杂物质的强耦合力学机制，实现多物质、多流态的固液耦合多相的动力学数值模拟。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种强耦合固液多相流数值模拟方法，包括以下步骤：

通过物理力学分析确定固相与液相受力特征，并将所述固相与所述液相的受力特征写入数值模型；

获取待测山地的地形数据与物源数据，并通过网格坐标转化(x，y，z，h)四维网格数据；其中，(x，y)为所述四维网格数据内各点相对于固定参考点的相对经纬距离，z为各点上的地形高程值，h为物源高程值；

定义所述待测山地的相间粘性拖曳力、虚拟质量力，获取所述待测山地的沟道启动、运动、堆积位置信息，构建守恒向量模型、固液相间作用力模型、浮力模型、粘性托曳力模型、虚拟质量力模型、多相流模型、液相底床摩阻力模型，进行强耦合固液多相流数值模拟；其中，

所述守恒向量模型为：