多相耦合管涌机理的研究及有限元模拟

作     者：马攀 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡亚元

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：管涌 三相耦合 渗流 侵蚀 自由面 有限元 

摘      要：由于我国人多水少、水资源时空分布不均、洪涝灾害频繁等诸多因素促使了水利水电工程的大量修建,遍布全国的水利工程使其安全稳定性显得至关重要。管涌是诱发水利险情的一个重要因素,但是由于管涌的随机性和复杂性,对其机理的研究仍存在较大的争议,至今尚无公认的最合适的研究方法和理论,因此研究其发生发展过程及稳定状态具备重要的理论与现实价值。本文基于前人的成果对管涌的发生及发展过程和稳定状态进行理论、试验及数值研究、给出修正的管涌控制方程,并进行了有限元模拟,主要内容包括以下几个方面： (1)搜集国内外相关研究资料,包括理论研究、试验研究和数值模拟,在此基础上对管涌的研究现状进行综述。 (2)根据前人研究及管涌特点,假设土体由水相、土骨架相、可动细颗粒相三相组成,基于多孔介质流体动力学建立三相质量守恒微分方程,引入渗流侵蚀本构方程,结合Darcy定律建立未修正的管涌控制方程。根据室内管涌试验总结管涌发生条件、发展及稳定特点,提出起始水力梯度和稳定孔隙率的概念,建立稳定孔隙率和水力梯度之间的关系,并基于此修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立修正的管涌控制方程。 (3)将管涌控制方程求解域中的空间域通过Galerkin有限元法进行离散,时间域通过有限差分法进行离散,编制有限元程序,模拟计算油井出砂和其他轴对称管涌问题。 (4)坝体管涌为带自由面的渗透侵蚀问题,结合单元传导矩阵调整法和二维管涌控制方程数值模拟有自由面的坝体坝身渗透侵蚀问题,再现坝体管涌的发生发展过程和稳定状态。