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专利名称：考虑温度效应的富水破碎岩体CFD-DEM注浆模拟方法及系统

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202410260844.3

专利申请（专利权）人：山东大学
权利人地址：山东省济南市历下区经十路17923号

专利发明（设计）人：许振浩,王志洋,潘东东,张一驰,卜泽华,王文扬,台硕

专利摘要：本公开提供了考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法及系统，涉及富水破碎岩体注浆技术领域，包括：获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置，建立颗粒的周邻列表；建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。

主权利要求：
1.考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，其特征在于，包括：
获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；
构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；
在考虑温度效应的环境下会进行流体?固体颗粒间传热，随着流体?固体颗粒间的传热过程，注浆浆液温度也逐渐变化，进行流体?固体颗粒间传热计算，确定所建立的固体颗粒的数目和粒径、流体的导热系数，在流体域和固体域计算中加入能量方程计算温度和换热热量，建立流体温度变化与时间的关系；
其中，固体颗：土魈寤蝗热攘勘硎疚：
其中Qi为颗粒i与周围流体换热热量；Nui为无量纲的努塞尔数，受黏度影响；di为颗粒有效粒径，与后文比例系数β相关；ε为流体域中水相相分数，随流体域时间步计算不断变化；k1为水的热传导率，k2为浆液的热传导率，受浆液性质和温度影响；Ai为颗粒i表面积，Ts为颗粒温度，Tw为流体温度；
进行流体域计算，模拟浆液扩散过程，设置流体域计算时间步长，在流体域流体力学方程中引入体积分数及流体?颗粒间的相互作用力，在流体域计算中考虑浆液黏度时变性影响，在不同计算时间步长和温度下流体表现的黏度特性不同，设置黏度时变函数，计算黏度系数；
其中，设置黏度时变函数为：
B
μc＝At+C
其中t为时间，A、B、C为随浆液选型和温度Tw变化的系数；μc为黏度系数；
在流体域计算中代入湍流模型进行计算，得出湍流黏度，与计算得到的黏度系数组合成流体域计算随时间变化的有效黏度，具体为：在流体域计算中代入湍流模型进行计算，湍流模型根据计算需求进行选。贸鐾牧黟ざ圈蘲，与计算的黏度μc相加，得出流体域计算随时间变化的有效黏度μt；
计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。
2.如权利要求1所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，其特征在于，通过3D扫描获取实际岩土体颗粒试样的真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场及岩土体颗粒位置，构建固体颗粒的周邻列表，不同颗粒间使用平行黏结模型进行力与弯矩传递，进行计算域网格划分，建立固体颗粒与流体计算网格的映射关系，设置耦合过程中的体积分数；
其中，网格划分包括：依据模拟中不同计算精度需求动态调整网格数量，计算网格划分数量和服务器计算节点保持设定网格数量对应一个计算节点的方式，根据网格数量确定所需要的计算节点。
3.如权利要求1所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，其特征在于，进行固体域固体颗粒计算，模拟固体颗粒运动过程，设置固体域离散元计算时间步长，考虑流体域计算时间步长大于固体域计算时间步长，设置两个时间步长之间的整数倍关系，根据实际模拟计算需求来设置不同倍数；在固体域离散元计算中，求解固体颗粒的运动方程，包括固体颗粒的平移运动方程和旋转运动控制方程。
4.如权利要求2所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，其特征在于，周邻列表的构建方法为：设定颗粒在两个相邻时间步下的空间坐标位置，以两空间坐标直线相连作为长轴，依据颗粒本身大小和不规则形性质、前期时间步运动轨迹进行短轴长度判定更新，建立颗粒的空间椭圆形影响区域；
不同颗粒椭圆形影响区域有重合部分即列入颗粒周邻列表中，在每个时间步下更新颗粒周邻列表。
5.如权利要求1所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，其特征在于，进行流体?颗粒间的相互作用力计算，考虑固体颗粒形状及流体黏度变化，设置相对于圆形颗粒的比例系数，针对流体?固体颗粒间的相互作用力，考虑固体颗粒形状以及流体黏度变化。
6.如权利要求5所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，其特征在于，对于不同力的表达式考虑因素不同，对于压力梯度力则只考虑体积与压力变化；对于曳力和剪切力则需要同时考虑密度、体积、黏度以及比例系数；流体域计算与固体颗粒离散元计算同步进行。
7.考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟系统，其特征在于，包括：
前处理模块，用于获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；
构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；
在考虑温度效应的环境下会进行流体?固体颗粒间传热，随着流体?固体颗粒间的传热过程，注浆浆液温度也逐渐变化，进行流体?固体颗粒间传热计算，确定所建立的固体颗粒的数目和粒径、流体的导热系数，在流体域和固体域计算中加入能量方程计算温度和换热热量，建立流体温度变化与时间的关系；
其中，固体颗：土魈寤蝗热攘勘硎疚：
其中Qi为颗粒i与周围流体换热热量；Nui为无量纲的努塞尔数，受黏度影响；di为颗粒有效粒径，与后文比例系数β相关；ε为流体域中水相相分数，随流体域时间步计算不断变化；k1为水的热传导率，k2为浆液的热传导率，受浆液性质和温度影响；Ai为颗粒i表面积，Ts为颗粒温度，Tw为流体温度；
进行流体域计算，模拟浆液扩散过程，设置流体域计算时间步长，在流体域流体力学方程中引入体积分数及流体?颗粒间的相互作用力，在流体域计算中考虑浆液黏度时变性影响，在不同计算时间步长和温度下流体表现的黏度特性不同，设置黏度时变函数，计算黏度系数；
其中，设置黏度时变函数为：
B
μc＝At+C
其中t为时间，A、B、C为随浆液选型和温度Tw变化的系数；μc为黏度系数；
在流体域计算中代入湍流模型进行计算，得出湍流黏度，与计算得到的黏度系数组合成流体域计算随时间变化的有效黏度，具体为：在流体域计算中代入湍流模型进行计算，湍流模型根据计算需求进行选。贸鐾牧黟ざ圈蘲，与计算的黏度μc相加，得出流体域计算随时间变化的有效黏度μt；
数值求解模块，用于计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。
8.如权利要求7所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟系统，其特征在于，在前处理模块中，通过3D扫描获取实际岩土体颗粒试样的真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场及岩土体颗粒位置，构建固体颗粒的周邻列表，不同颗粒间使用平行黏结模型进行力与弯矩传递，进行计算域网格划分，建立固体颗粒与流体计算网格的映射关系，设置耦合过程中的体积分数；
其中，网格划分包括：依据模拟中不同计算精度需求动态调整网格数量，计算网格划分数量和服务器计算节点保持设定网格数量对应一个计算节点的方式，根据网格数量确定所需要的计算节点。
9.如权利要求7所述的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟系统，其特征在于，进行固体域固体颗粒计算，模拟固体颗粒运动过程，设置固体域离散元计算时间步长，考虑流体域计算时间步长大于固体域计算时间步长，设置两个时间步长之间的整数倍关系，根据实际模拟计算需求来设置不同倍数；在固体域离散元计算中，求解固体颗粒的运动方程，包括固体颗粒的平移运动方程和旋转运动控制方程。 说明书 : 考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法及系统技术领域[0001] 本公开涉及富水破碎岩体注浆技术领域，具体涉及考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法及系统。背景技术[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。[0003] 随着经济建设的飞速发展，地下空间工程和隧道工程的建设正处于高速发展时期。但与此同时，复杂的地质条件和频发的地质灾害也是地下工程施工过程中面临的巨大挑战。其中富水破碎带是其中一种典型的不良地质，与完整的岩石相比，因其岩体破碎的特性导致其稳定性差、强度低且具有较强的渗透性，极易诱发地层沉降、变形坍塌及工程突涌水等情况。而对于一些复杂性工程，常常还伴有地温影响，两种不良地质及其诱发的地质灾害为目前地下工程的建设带来了极大的阻碍。[0004] 注浆作为治理富水破碎岩体最为有效的手段，其能够很好的提高破碎岩体的力学性能，解决富水问题，起到很好的封堵作用。[0005] 然而，由于注浆工程的隐蔽性和不确定性，加之浆液的黏度变化和对浆液凝固封堵影响，现缺乏一种有效的方法计算模拟考虑温度效应的富水破碎岩体环境下浆液的扩散凝结，现阶段对于富水破碎岩体的研究大多为试验验证方法，在数值模拟方面多为单一计算方法，很难同时模拟浆液流动过程及破碎岩体与浆液之间的相互作用，无法很好计算模拟考虑温度效应的富水环境下破碎岩体注浆的真实扩散效果。发明内容[0006] 本公开为了解决上述问题，提出了考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法及系统，同时考虑浆液流动以及破碎岩体与浆液之间的相互作用，更好的对考虑温度效应的富水环境下破碎岩体注浆浆液扩散进行研究，实现考虑温度效应的富水破碎岩体注浆过程的真实模拟。[0007] 根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：[0008] 考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，包括：[0009] 获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；[0010] 构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；[0011] 计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。[0012] 根据一些实施例，本公开采用如下技术方案[0013] 考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟系统，包括：[0014] 前处理模块，用于获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；[0015] 构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；[0016] 数值求解模块，用于计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。[0017] 与现有技术相比，本公开的有益效果为：[0018] 本公开提出的一种考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，同时考虑浆液流动和破碎岩体与浆液之间的相互作用问题，利用3D扫描建立固体颗粒几何模型，更加真实的进行富水破碎岩体注浆模拟。[0019] 本公开考虑注浆过程中浆液温度随时间的变化及随温度和时间的黏度时变特征，引入湍流模型综合计算有效黏度，将黏度时变性代入流体?颗粒间相互作用力中，同时考虑3D扫描建立的不规则固体颗粒相对于球形颗粒的比例系数，综合计算流体?颗粒间相互作用力；考虑流体域与固体域计算时间步长的同步关系，在每个时间步下考虑颗粒模型和黏度变化影响进行流体?颗粒间相互作用力计算，对于颗粒运动建立其周邻颗粒的列表关系，减少在时间步下碰撞计算时的更新频率；同时模拟浆液流动过程及破碎岩体与浆液之间的相互作用，很好的计算模拟考虑温度效应的富水环境下破碎岩体注浆的真实扩散效果。附图说明[0020] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。[0021] 图1为本公开实施例的考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法流程图。具体实施方式[0022] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。[0023] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。[0024] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。[0025] 实施例1[0026] 本公开的一种实施例中提供了一种考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法，包括：[0027] 获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；[0028] 构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；[0029] 计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。[0030] 作为一种实施例，考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟方法的具体实施过程为：[0031] 步骤1：获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；[0032] 步骤2：构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；[0033] 步骤3：计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，即对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。[0034] 具体的，在步骤1中，通过3D扫描获取实际岩土体颗粒试样的真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场及岩土体颗粒位置，构建固体颗粒的周邻列表，不同颗粒间使用平行黏结模型进行力与弯矩传递，进行流体域的计算域网格划分，建立固体颗粒与流体计算网格的映射关系(流体域与固体域计算区域是完全重合的，确保每一步计算都是精准的)，设置耦合过程中的体积分数；[0035] 其中，依据模拟中不同计算精度需求动态调整网格数量，计算网格划分数量和服务器计算节点保持设定网格数量对应一个计算节点的方式，根据网格数量确定所需要的计算节点，减少计算交互时间，提高计算效率。[0036] 进一步的，周邻列表的构建方法为：[0037] 1.设定颗粒在两个相邻时间步下的空间坐标位置，以两空间坐标直线相连作为长轴，依据颗粒本身大小和不规则形性质、前期时间步运动轨迹进行短轴长度判定更新，建立颗粒的空间椭圆形影响区域。[0038] 2.不同颗粒椭圆形影响区域有重合部分即列入颗粒周邻列表中，在每个时间步下更新颗粒周邻列表。[0039] 在步骤2中，在温度效应下会进行流体?固体颗粒间传热，而随着流体?固体颗粒间的传热过程，注浆浆液温度也逐渐变化。进行流体?固体颗粒间传热计算，确定所建立的固体颗粒数目和粒径、流体的导热系数等参数，在流体域和固体域计算中加入能量方程计算温度和换热热量，建立流体温度变化与时间关系，其中固体颗：土魈寤蝗热攘靠杀硎疚：[0040][0041] 其中Qi为颗粒i与周围流体换热热量；Nui为无量纲的努塞尔数，受黏度等因素影响；di为颗粒有效粒径，与后文比例系数β相关；ε为流体域中水相相分数，随流体域时间步计算不断变化；k1为水的热传导率，k2为浆液的热传导率，受浆液性质和温度影响；Ai为颗粒i表面积，Ts为颗粒温度，Tw为流体温度。[0042] 具体的，在步骤3中，进行流体域计算，模拟浆液扩散过程，其中设置流体域计算时间步长，在流体力学方程中引入体积分数及流体?颗粒间的相互作用力Fp，在流体域计算中考虑浆液黏度时变性影响，在不同计算时间步长和温度下流体表现的黏度特性不同，其中可设置黏度时变函数为：[0043] μc＝AtB+C[0044] 其中t为时间，A、B、C为随浆液选型和温度Tw变化的系数；μc为黏度系数。[0045] 在流体域计算中代入湍流模型进行计算，该湍流模型可根据计算需求进行选。贸鐾牧黟ざ圈蘲，与上一步骤计算的黏度相加，即得出流体域计算随时间变化的有效黏度μt。[0046] 进一步的，进行固体颗粒计算，模拟颗粒运动过程，其中设置固体域离散元计算时间步长，考虑流体域计算时间步长大于固体域计算时间步长，设置两个时间步长之间的整数倍关系，根据实际模拟计算需求可设置不同倍数n。[0047] 在离散元计算中，求解固体颗粒的运动方程，包括固体颗粒的平移运动方程和旋转运动控制方程。其中平移运动方程为：[0048][0049] 其中，mi为颗粒质量，Fc为颗粒间及颗粒与壁之间的接触力，Fp为流体?颗粒间的相互作用力，其包括曳力、压力梯度力、剪切力和浮力等，同时考虑流体密度与固体颗粒密度大。绷魈迕芏冉洗笫痹蛟黾有槟庵柿苛m，Ff为摩擦力，即需要一定初始力以使颗粒运动(可表示为Ff＝μf(mig?Fb+Fs)，其中μf为颗粒摩擦因子，Fb为浮力，Fs为破碎岩体颗粒上覆岩层施加的压实应力)；vi表示颗粒速度，g表示重力加速度。[0050] 在进行流体?颗粒间的相互作用力计算时，考虑颗粒形状及流体黏度变化。通过3D扫描获取数据建立的固体颗粒呈现不规则形状，则相对于圆形颗粒设置比例系数：[0051][0052] 其中S为所构建颗粒的表面积，Sc为与所构建颗粒体积相同球体的表面积，k考虑所构建颗粒尖锐性而设置的折减系数。[0053] 则对于所述流体?颗粒间的相互作用力，均需要考虑颗粒形状及流体黏度变化；如对于压力梯度力考虑体积、压力和比例系数的关系，对于曳力考虑密度、速度以及随时间和温度变化的黏度以及比例系数的关系。[0054] 对于不同力的表达式考虑因素不同，如对于压力梯度力则只考虑体积与压力变化，可表达为 对于曳力和剪切力则需要同时考虑密度、体积、黏度、比例系数，曳力可表示为Fd＝f(β,ρ,v,μt)；[0055] 固体的旋转运动控制方程可为：[0056][0057] 其中，Ii为颗粒i的转动惯量，ωi为颗粒转动的角速度，Mti为切向力矩，Mri为滚动摩擦力矩。[0058] 流体域计算与固体颗粒离散元计算同步进行，因时间步长设置为整数倍关系，故在计算过程中，流体域当前时间步下，固体颗粒离散元计算时间为多步且计算所使用的流体参数一致，当流体域与固体域时间同步后，则当前时间步计算的流体参数带入下一步固体颗粒进行计算。[0059] 实施例2[0060] 本公开的一种实施例中提供了一种考虑温度效应的富水破碎岩体CFD?DEM注浆模拟系统，包括：[0061] 前处理模块，用于获取实际岩土体颗粒真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型，初始化流场以及岩土体颗粒位置；[0062] 构建流体域流体力学方程及固体域动力学方程，建立流体温度变化与时间的关系，设置流体域与固体域计算时间步长和各项参数；[0063] 数值求解模块，用于计算流体与固体颗粒间的相互作用力，将流体域流体计算与固体域固体颗粒计算进行耦合，对流体域流体力学方程及固体域动力学方程进行求解，更新求解每个时间步下的流体域的速度、压力的流体参数以及固体域的速度、位置的固体颗粒运动参数，并作为下一时间步计算的基础数据，直到达到最终注浆时间步，完成考虑温度效应的富水破碎岩体注浆模拟。[0064] 所述系统具体执行如实施例1中所述的所有方法步骤，具体的为：[0065] 通过3D扫描获取实际岩土体颗粒试样的真实形状数据，建立富水破碎岩体几何模型。[0066] 初始化流场及颗粒位置，构建固体颗粒的周邻列表，不同颗粒间使用平行黏结模型进行力与弯矩传递，进行计算域网格划分，建立固体颗粒与流体计算网格的映射关系，设置耦合过程中的体积分数；[0067] 其中，依据模拟中不同计算精度需求动态调整网格数量，计算网格划分数量和服务器计算节点保持设定网格数量对应一个计算节点的方式，根据网格数量确定所需要的计算节点，减少计算交互时间，提高计算效率。[0068] 在考虑温度效应的环境下会进行流体?颗粒间传热，而随着流体?颗粒间的传热过程，注浆浆液温度也逐渐变化。进行流体?颗粒间传热计算，确定所建立的固体颗粒数目和粒径、流体的导热系数等参数，在流体域和固体域计算中加入能量方程计算温度和换热热量，建立流体温度变化与时间关系，其中颗：土魈寤蝗热攘靠杀硎疚：[0069][0070] 其中Qi为颗粒i与周围流体换热热量；Nui为无量纲的努塞尔数，受黏度等因素影响；di为颗粒有效粒径，与后文比例系数β相关；进行ε为流体域中水相相分数，随流体域时间步计算不断变化；k1为水的热传导率，k2为浆液的热传导率，受浆液性质和温度影响；Ai为颗粒i表面积，Ts为颗粒温度，Tw为流体温度。[0071] 进行流体域计算，模拟浆液扩散过程，其中设置流体域计算时间步长，在流体力学方程中引入体积分数及流体?颗粒间的相互作用力Fp，在流体域计算中考虑浆液黏度时变性影响，在不同计算时间步长和温度下流体表现的黏度特性不同，其中可设置黏度时变函数为：[0072] μc＝AtB+C[0073] 其中t为时间，A、B、C为随浆液选型和温度Tw变化的系数。[0074] 在流体域计算中代入湍流模型进行计算，得出湍流黏度μr，与上一步骤计算的黏度相加，获取流体域计算随时间变化的有效黏度μt。[0075] 进行固体颗粒计算，模拟颗粒运动过程，其中设置固体域离散元计算时间步长，考虑流体域计算时间步长大于固体域计算时间步长，设置两个时间步长之间的整数倍关系，根据实际模拟计算需求可设置不同倍数n。[0076] 在离散元计算中，求解固体颗粒的运动方程，包括固体颗粒的平移运动方程和旋转运动控制方程。其中平移运动方程为：[0077][0078] 其中，mi为颗粒质量，Fc为颗粒间及颗粒与壁之间的接触力，Fp为流体?颗粒间的相互作用力，其包括曳力、压力梯度力、剪切力和浮力等，同时考虑流体密度与固体颗粒密度大。绷魈迕芏冉洗笫痹蛟黾有槟庵柿苛m，Ff为摩擦力，即需要一定初始力以使颗粒运动(可表示为Ff＝μf(mig?Fb+Fs)，其中μf为颗粒摩擦因子，Fb为浮力，Fs为破碎岩体颗粒上覆岩层施加的压实应力)；vi表示颗粒速度，g表示重力加速度。[0079] 在进行流体?颗粒间的相互作用力计算时，考虑颗粒形状及流体黏度变化。通过3D扫描获取数据建立的固体颗粒呈现不规则形状，则相对于圆形颗粒设置比例系数：[0080][0081] 其中S为所构建颗粒的表面积，Sc为与所构建颗粒体积相同球体的表面积，k考虑所构建颗粒尖锐性而设置的折减系数。[0082] 则对于所述流体?颗粒间的相互作用力，均需要考虑颗粒形状及流体黏度变化，如对于压力梯度力考虑体积、压力和比例系数的关系，对于曳力考虑密度、速度、随时间和温度变化的黏度以及比例系数的关系。[0083] 对于不同力的表达式考虑因素不同，如对于压力梯度力则只考虑体积与压力变化，可表达为 对于曳力和剪切力则需要同时考虑密度、体积、黏度、比例系数，曳力可表示为Fd＝f(β,ρ,V,μt)；[0084] 固体的旋转运动控制方程可为：[0085][0086] 其中，Ii为颗粒i的转动惯量，ωi为颗粒转动的角速度，Mti为切向力矩，Mri为滚动摩擦力矩。[0087] 流体域计算与固体颗粒离散元计算同步进行，因时间步长设置为整数倍关系，故在计算过程中，流体域当前时间步下，固体颗粒离散元计算时间为多步且计算所使用的流体参数一致，当流体域与固体域时间同步后，则当前时间步计算的流体参数带入下一步固体颗粒进行计算。[0088] 本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。[0089] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。[0090] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

专利地区：山东

专利申请日期：2024-03-07

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118194744B