泥石流冲击刚性防护结构流固耦合机制

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泥石流是一种极度危险的自然灾害,给人类的生命安全和基础设施带来巨大危害。在当前的防灾工程中,防护结构常被用于拦截泥石流。然而,由于泥石流与防护系统作用的复杂性,国内外依旧对其背后机理缺乏认识。前人的研究通常是把泥石流简化为颗粒流或等效流体来模拟与防护结构的作用,却忽略了固液耦合效应。为揭示固液作用对泥石流宏观运动特性的影响,本文采用耦合的CFD-DEM数值方法分析和小型水槽装置物理模拟,针对影响泥石流与防护结构作用机制和固液耦合作用的几个因素进行展开研究,得出以下结论:(1)耦合的CFD-DEM方法研究了固体体积分数对泥石流与防护结构作用的影响。固体体积分数从0变化到0.5,涵盖了纯水流到泥石流的范围,也反映出不同的固-液相互作用程度。通过CFD-DEM模型的细观分析发现,颗粒与流体的相互作用对增加颗粒的动能起着两种作用:(a)对颗粒施加拖曳力,促进运动;(b)通过对颗粒施加浮力来弱化颗粒间的接触力,从而减少因剪切而产生的能量耗散。因此,与同一 Froude数和固体体积分数的干颗粒流相比,两相流的爬升高度和冲击荷载均较大。当冲击防护结构时,两相流(以爬升机制为主)的大部分能量主要由于流体来回流动后作用在颗粒上消耗,这与以堆积机制为主的干颗粒流完全不同,在干颗粒流中,能量主要通过颗粒间的剪切来耗散。(2)泥石流的成分决定了固液间的作用,基于小型水槽装置研究了颗粒级配的影响效应。不同于均一粒径的流体,粒径的差异导致了特殊的流动性,干颗粒流中的粗细颗粒出现分离现象,粗颗粒主要集中在前端,稳定后,粗颗粒则堆积在表层,而两相流的粗颗粒在运动过程中相对均匀的分布在细颗粒间。粗细颗粒的相对含量影响了泥石流的运动速度和冲击力,细颗粒的增多,可以减小颗粒间的孔隙率,颗粒间的接触力增强,流动速度和冲击荷载降低。(3)新的防护结构即缝隙坝被用来模拟对泥石流的拦截作用,研究了泥石流的堆积高度,缝隙坝的开口数量、尺寸与拦截效率的关系。相较于干颗粒流,两相流中的液相会减小颗粒间的摩擦效应,增大颗粒的溢出速率,从而影响缝隙坝的拦截效率和颗粒的堆积高度。而且当缝隙坝的开口总尺寸恒定,多个开口的缝隙坝设计要优于单个开口的缝隙坝。
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