中文流體計(jì)算

1、Flac3D 中文手冊FLAC3D的計(jì)算模式中是否需要做孔壓分析取決于是否采用config fluid命令。1 無滲流模式（不使用config fluid）即使不使用命令config fluid，仍然可以在節(jié)點(diǎn)上施加孔壓。這種模式下，孔壓將保持為常量。如果采用塑性本構(gòu)模型的話，材料的破壞將由有效應(yīng)力狀態(tài)來控制。節(jié)點(diǎn)上的孔壓分布可由initial pp命令或water table命令來設(shè)定。如果采用water table命令，由程序自動(dòng)計(jì)算水位線以下的靜水孔壓分布。此時(shí)，必須施加流體密度（water density）和重力（set gravity）。流體密度值和水位位置可以用命令print wa

2、ter顯示。如果水位線是由face關(guān)鍵字來定義的，則可用命令plot water命令顯示水位。這兩種情況，單元的孔壓都由節(jié)點(diǎn)孔壓值平均求出，并在本構(gòu)模型計(jì)算中用作有效應(yīng)力。這種計(jì)算模式下，體積力中不反映流體的出現(xiàn)：用戶必須根據(jù)水位線以上或以下相應(yīng)地指定干密度和濕密度。使用命令print gp pp和priint zone pp可分別得到節(jié)點(diǎn)或單元孔壓。plot contour pp命令可繪出節(jié)點(diǎn)孔壓云圖。2 滲流模式（使用config fluid）如果使用命令config fluid，則可進(jìn)行瞬時(shí)滲流分析，孔壓改變和潛水面的改變都可能出現(xiàn)。在config fluid模式下，有效應(yīng)力計(jì)算（靜態(tài)孔

3、壓分布）和非排水計(jì)算均被執(zhí)行。除此之外，還可進(jìn)行全耦合分析，這種情況下，孔壓改變將使固體產(chǎn)生變形，同時(shí)體積應(yīng)變反過來影響孔壓的變化。如果采用滲流模式，單元孔壓仍由節(jié)點(diǎn)孔壓平均求出。但這種模式，用戶只能指定干密度（不論是水位以上還是以下），因?yàn)镕LAC3D將流體的影響考慮到了體積力的計(jì)算中。采用滲流模式時(shí)，滲流模型必須施加到單元上，使用命令model fl_isotropic模擬各向同性滲流，model fl_anisotropic模擬各向異性滲流，model fl_null模擬非滲透物質(zhì)。注意，力學(xué)模型為空的單元并不代表滲流模型為空。流體性質(zhì)（參數(shù)）可施加到單元或節(jié)點(diǎn)上。各向同性滲透率、孔隙率

4、、比奧系數(shù)和非排水熱系數(shù)等單元流體性質(zhì)由命令property施加。對于各向同性滲流，滲透率通過perm關(guān)鍵字賦予。對各向異性滲流，滲透率的3個(gè)主值采用關(guān)鍵字k1,k2,k3賦予，主方向由關(guān)鍵字fdip,fdd,frot確定。滲透率的主方向服從右手系統(tǒng)。fdip和fdd分別為k1和k2確定的平面的傾向和傾角。frot為k1軸和傾角矢量的旋轉(zhuǎn)角。如果不特別指定，比奧系數(shù)默認(rèn)為1，孔隙率默認(rèn)為0.5。節(jié)點(diǎn)的滲流性質(zhì)由命令initial指定。這些性質(zhì)包括流體重度、流體體積模量、比奧模量、流體抗拉強(qiáng)度和飽和度。每種性質(zhì)在空間上都可以變化。流體重度也可以用water命令給出。在滲流模式里，有必要知道可壓縮

5、性被定義在以下兩種參數(shù)中：（1）比奧系數(shù)和比奧模量；（2）流體體積模量和孔隙率。第一種參數(shù)表征的是固體顆粒的可壓縮性（對不可壓縮顆粒，比奧系數(shù)設(shè)為1）。對第二種參數(shù)，固體顆粒被認(rèn)為是不可壓縮的。單元屬性可由命令print zone property顯示，節(jié)點(diǎn)屬性由print gp命令顯示。流體重度，如果隨著水位位置被確定，則可由print water命令顯示。滲流性質(zhì)可由命令plot bcontour property顯示。對于各向異性滲流，滲透率的各球形分量可通過使用單元的屬性關(guān)鍵字kxx,kyy,kzz,kxy,kxz,kyz來顯示（注意，這些球形分量不可被直接初始化）。初始節(jié)點(diǎn)孔壓分布的

6、施加對于滲流模式和非滲流模式都是一樣的（如，要么用initial pp命令或用water table命令）。在指定節(jié)點(diǎn)可用命令fix pp或free pp對孔壓固定或釋放。流體涌入或滲漏或可由命令apply施加。滲流計(jì)算由命令set fluid和solve控制。如，set fluid on或off命令開啟或關(guān)閉滲流計(jì)算模式。具體使用開啟或關(guān)閉模式取決于滲流分析的耦合程度。滲流分析結(jié)果以下面這些命令給出。命令print gp pp和print zone pp分別給出節(jié)點(diǎn)和單元孔壓。節(jié)點(diǎn)和單元孔壓歷史可由命令histroy gp pp和命令history zone pp進(jìn)行監(jiān)測。對于瞬時(shí)計(jì)算，孔壓

7、與時(shí)間的關(guān)系可由命令history fltime監(jiān)測。命令plot contour pp繪出節(jié)點(diǎn)孔壓云圖。命令plot contour saturation繪出飽和度云圖。命令plot fluid繪出流量矢量圖。滲流模式的所有信息由命令print fluid命令給出。FISH還提供了一些滲流變量。其中一個(gè)與節(jié)點(diǎn)有關(guān)的變量gp_flow，只能通過FISH函數(shù)使用。該變量描述了通過節(jié)點(diǎn)的凈流入或流出量。因?yàn)榭梢蕴峁┮粋€(gè)系統(tǒng)總的流入或流出量，這些流量的統(tǒng)計(jì)在孔壓固定的邊界是很有用的。滲流邊界條件，初始條件FLAC3D默認(rèn)為不透水邊界，即認(rèn)為所有節(jié)點(diǎn)上的孔壓隨著從鄰近單元流入或流出的量發(fā)生自由變化?？?/p>

8、以使用命令fix pp將節(jié)點(diǎn)上的孔壓設(shè)為“自由”，也可使用free pp使節(jié)點(diǎn)上的孔壓“固定”。如果孔壓固定，流體可以在外邊界上流入或流出節(jié)點(diǎn)。下面總結(jié)這兩種邊界條件的影響：1，孔壓自由這是默認(rèn)的不透水邊界條件。節(jié)點(diǎn)與外界之間不發(fā)生流量交換。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前飽和度值和流體是否形成渦凹現(xiàn)象來計(jì)算壓力和飽和度變化。2，孔壓固定這是一種流體通過外界流入或流出的邊界條件。如果設(shè)定孔壓為0，飽和度才可能變化。否則，飽和度被設(shè)為1（FLAC3D假設(shè)孔壓只在完全飽和材料中存在）?？讐翰荒鼙还潭ㄔ诘陀诶O限的值，如果出現(xiàn)這種情況，F(xiàn)LAC3D會(huì)將其設(shè)定到拉力極限值。如前所述，邊界條件不是任意的。FLAC3D在進(jìn)

9、行計(jì)算前會(huì)“檢查”并“修正”這些條件?？墒褂胒ix pp命令將孔壓固定在某個(gè)值，也可在外邊界或內(nèi)邊界上使用命令apply pp。如果邊界條件被用于一個(gè)非表面節(jié)點(diǎn)，則必須加關(guān)鍵字interior。apply命令具有可以用“歷史”命令進(jìn)行監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。滲流邊界條件可以通過apply命令用在單個(gè)或部分節(jié)點(diǎn)、單元面或單元上。命令apply pwell為邊界節(jié)點(diǎn)指定了一個(gè)流入或流出井。如果加上interior關(guān)鍵字，則該條件用于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。命令apply discharge和apply leakage為邊界單元的表面分別指定了涌出和滲漏邊界條件。命令apply vwell為指定區(qū)域內(nèi)的單元提供一個(gè)流速。這些

10、邊界條件除了apply leakage外，均可使用history監(jiān)測命令。具有固定孔壓節(jié)點(diǎn)就好像是流入源或流出源。沒有直接的命令顯示這些節(jié)點(diǎn)的流入或流出量。但可通過FISH變量gp_flow來記錄?？讐旱某跏挤植?，孔隙率，飽和度和流體屬性可通過命令initial或property施加。如果還加了重力，則孔壓初始分布應(yīng)與重力梯度，水的重度和節(jié)點(diǎn)飽和度和孔隙率相容。如果這些初始分布不相容，則計(jì)算開始時(shí)所有單元中將出現(xiàn)流體流動(dòng)。因此，應(yīng)在模擬開始時(shí)設(shè)一定的計(jì)算步來檢驗(yàn)初始條件是否相容。如果模型中含有接觸面，有效應(yīng)力將沿著這些接觸面進(jìn)行初始化（即：在節(jié)點(diǎn)應(yīng)力初始化時(shí)，認(rèn)為接觸面應(yīng)力包含孔壓）。wate

11、r lable命令將包含沿著接觸面的孔壓，這是因?yàn)槎x在單元節(jié)點(diǎn)上的孔壓也在接觸面節(jié)點(diǎn)上。如果接觸面的上下兩面連在一起，在沒有阻力時(shí)，將發(fā)生穿越接觸面的流體流動(dòng)。但程序不對沿著接觸面的流體流動(dòng)（裂隙流）進(jìn)行計(jì)算。單滲流與滲流耦合問題FLAC3D既能進(jìn)行單滲流分析，也能進(jìn)行固流耦合分析。耦合分析可由FLAC3D內(nèi)置力學(xué)模型完成。但要注意，滲流模型中的空單元并不是力學(xué)空單元。必須用命令model fl_null給單元賦予流體空屬性。對于耦合過程，F(xiàn)LAC3D提供了幾種計(jì)算模式。其中之一是假設(shè)孔壓一旦被賦予便不再改變。該方法并不要求任何額外空間存儲(chǔ)計(jì)算過程。除此之外涉及到滲流的計(jì)算模式都要求使用命令

12、config fluid。命令model fl_iso使所有單元中都能發(fā)生滲流。不同的耦合計(jì)算模式在下面討論。一般情況下，在能跟所模擬問題的物理過程相似的情況下，應(yīng)使用盡可能簡單的模式。計(jì)算模式的選擇根據(jù)以下幾個(gè)方面確定。時(shí)間比例對所需模擬的滲流或耦合問題用FLAC3D估計(jì)與涉及的不同進(jìn)程相關(guān)的時(shí)間比例是非常有用的。對有關(guān)研究問題的時(shí)間度量和擴(kuò)散性的認(rèn)識有助于估計(jì)最大網(wǎng)格寬度、最小區(qū)域尺寸、時(shí)步大小和計(jì)算可行性。如果不同進(jìn)程的時(shí)間比例相差太大，則很可能采用一種簡單的（非耦合）方法。時(shí)間比例可用特征時(shí)間給出。以下這些由量綱分析得出的定義，都是基于解析的連續(xù)源理論表達(dá)式。它們可用于得出FLAC3D

13、分析的大致時(shí)間比例。力學(xué)過程特征時(shí)間、流體擴(kuò)散過程特征時(shí)間流體擴(kuò)散率FLAC3D中使用了取決于控制過程的儲(chǔ)水系數(shù)的幾種形式：流體存儲(chǔ)系數(shù)、地下潛水相存儲(chǔ)系數(shù)、彈性存儲(chǔ)系數(shù)以上定義，有幾點(diǎn)特性值得注意：（1）因?yàn)镕LAC3D中顯式的時(shí)步對應(yīng)于最小區(qū)域中信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到下一節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，時(shí)步的大小可用計(jì)算特征時(shí)間公式中特征長度的最小區(qū)域來估計(jì)。重要的是注意FLAC3D中在用流體擴(kuò)散率（即使是在耦合模擬中）計(jì)算顯式流體時(shí)步。因此，時(shí)步的大小可用特征長度的最小區(qū)域尺寸來估計(jì)。（2）在飽和流體問題中，簡化的體積模量不但導(dǎo)致時(shí)步的增加，同樣導(dǎo)致到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間的增加，所以總步數(shù)增加，該總步數(shù)可用模型

14、和最小區(qū)域的特征長度來估計(jì)。（3）在部分飽和流體流動(dòng)問題中，可通過調(diào)整流體體積模量加速收斂以趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但要注意不可將體積模量減小太多以至產(chǎn)生數(shù)值不穩(wěn)定。數(shù)值穩(wěn)定條件能由流體儲(chǔ)量在一個(gè)特征長度區(qū)域的高度上必須保持低于地下潛水儲(chǔ)量的要求推導(dǎo)而出。（4）為避免擴(kuò)散問題中的邊界效應(yīng)，模型的特征長度必須大于某個(gè)尺度。同樣，最小模擬時(shí)間由某個(gè)關(guān)系式控制。（5）在耦合流體問題中，實(shí)際擴(kuò)散率由流體剛度與巖土介質(zhì)的剛度比來控制。完全耦合模擬方法的選擇用FLAC3D進(jìn)行完全耦合的準(zhǔn)靜態(tài)固流耦合分析通常要耗費(fèi)大量時(shí)間，且有時(shí)候并不必要。很多情況下，可使用不同程度的非耦合方法簡化分析并加快計(jì)算速度。下面的例子給出

15、了對應(yīng)于流固耦合的不同水平的FLAC3D模擬方法。選擇計(jì)算方法時(shí)有3個(gè)主要的因素需要考慮：（1）模擬時(shí)間比例和擴(kuò)散過程的特征時(shí)間；（2）耦合過程中強(qiáng)制擾動(dòng)特性；（3）流固剛度比。時(shí)間比例首先通過從擾動(dòng)的開始階段計(jì)算時(shí)間來考慮時(shí)間比例因素。定義分析所需要的時(shí)間（模擬時(shí)間），對應(yīng)于耦合擴(kuò)散過程的特征時(shí)間。短期行為（不排水）如果對應(yīng)于耦合擴(kuò)散特征時(shí)間，分析所需時(shí)間非常短，在模擬結(jié)果中流體流動(dòng)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，則可采用不排水模擬（config fluied,set fluid off）。數(shù)值模擬中不涉及真實(shí)的時(shí)間，但如果給流體體積模量一個(gè)實(shí)際值，則體積應(yīng)變將導(dǎo)致孔壓的變化。長期行為（排水）如果分

16、析所需時(shí)間大于耦合擴(kuò)散特征時(shí)間并在模擬時(shí)間到達(dá)時(shí)排水，則孔壓場可不耦合到立場中。穩(wěn)定狀態(tài)的孔壓場可用單純流動(dòng)模擬確定（set fluid on, set mech off）（不代表擴(kuò)散率），然后力學(xué)場可通過在設(shè)置流體模量為0的力學(xué)模式中（set mech on, set fluid off）計(jì)算到平衡狀態(tài)獲得。（嚴(yán)格說，這種方法僅對彈性材料有效，因?yàn)樗苄圆牧狭W(xué)行為是與路徑有關(guān)的）。另外一種描述時(shí)間比例的方法是不排水行為和排水行為。嚴(yán)格地說，不排水表示與模型外界無流體交換。排水則是與模型外界有完全的流體交換，這就意味著流體壓力能在各處達(dá)到平衡。由于不排水試驗(yàn)通常所需時(shí)間很短，而排水試驗(yàn)則需要很

17、長的時(shí)間以使多余的流體壓力消散，因此，“排水”和“不排水”這兩個(gè)詞常分別和“短期行為”和“長期行為”聯(lián)系在一起。在現(xiàn)場，“短期行為”通常意味著流體流動(dòng)可以忽略，而“長期行為”則意味著幾乎所有壓力降都變?yōu)?（這需要一個(gè)很長的過程）。注意在無滲流計(jì)算模式（不使用config fluid）和短期行為模式（使用config fluid,set fluid off）的模擬過程中，由于施加的孔壓發(fā)生變化而產(chǎn)生的總應(yīng)力的修正并不是通過程序在內(nèi)部執(zhí)行。但是，孔壓增量可用FISH函數(shù)監(jiān)測，并用于減小循環(huán)到力學(xué)平衡前的總法向應(yīng)力。如果地下水位已在網(wǎng)格內(nèi)部移動(dòng)，同時(shí)需要調(diào)整飽和及非飽和的質(zhì)量密度。強(qiáng)制擾動(dòng)到耦合進(jìn)程

18、的特性將擾動(dòng)強(qiáng)加到完全耦合的固流系統(tǒng)可能導(dǎo)致流體流動(dòng)邊界條件和力學(xué)邊界條件的改變。如，流向位于層間含水層內(nèi)的井的瞬時(shí)流體流動(dòng)是由井內(nèi)孔壓變化引起的。作為公路路堤建設(shè)成果的飽和地基的固結(jié)是由路堤高度確定的力學(xué)載荷控制。如果擾動(dòng)是由于孔壓的變化，很可能流體流動(dòng)進(jìn)程可不與力學(xué)過程耦合。如果是固體產(chǎn)生的擾動(dòng)，非耦合的程度取決于流固剛度比。剛度比相對剛度比對用于解決固流耦合問題的模擬方法有重要影響：相對剛性巖土介質(zhì)（相對剛度比遠(yuǎn)小于1）如果巖土介質(zhì)骨架剛度很大（或者流體是高壓縮性的）且相對剛度比很小，孔壓的擴(kuò)散方程可以不耦合，因此擴(kuò)散率有流體控制。建模方法取決于流體或固體擾動(dòng)的力學(xué)機(jī)制：（1）在固體控制

19、的模擬中，孔壓可假設(shè)保持不變。在彈性模擬中，固體表現(xiàn)的力學(xué)行為好像流體不存在；但在塑性分析中，孔壓壓力的出現(xiàn)可能導(dǎo)致破壞。這種模擬方法在邊坡穩(wěn)定性分析中使用。（2）在孔壓控制的彈性模擬中（如由于流體被擠出導(dǎo)致的沉降），體積應(yīng)變不顯著影響孔壓場，且流體的計(jì)算可獨(dú)立進(jìn)行（set fluid on, set mech off）（這種情況下，擴(kuò)散率是精確的，因?yàn)閷τ谙鄬偠缺刃∮?，總壓縮系數(shù)等于流體擴(kuò)散率）。一般地，孔壓變化會(huì)影響應(yīng)變，且這種影響可以通過隨后在力學(xué)模式中將模型循環(huán)到平衡狀態(tài)來加以研究（set mech on, set fluid off）。相對柔性巖土介質(zhì)（相對剛度比遠(yuǎn)大于1）如果巖

20、土介質(zhì)骨架剛度很?。ɑ蛄黧w不可壓縮），且相對剛度比很大，則巖土骨架控制系統(tǒng)擴(kuò)散率的耦合。模擬方法也取決于控制的力學(xué)機(jī)制。（1）在力學(xué)控制的模擬中，計(jì)算可能比較耗時(shí)。FLAC3D的顯式時(shí)步可能會(huì)很小，為增加時(shí)步，可減小流體模量。注意，流體模量不應(yīng)該設(shè)置得大于流體的實(shí)際值。（2）在多數(shù)孔壓控制系統(tǒng)的實(shí)際例子中，經(jīng)驗(yàn)表明，孔壓場和力學(xué)場的耦合是微弱的。如果介質(zhì)是彈性的，可用單純流動(dòng)模式（set mech off, set fluid on）計(jì)算，然后在單純力學(xué)模式（set mech on, set fluid off）中計(jì)算到平衡。必須注意為保持系統(tǒng)的擴(kuò)散率（以及特征時(shí)間比例），流體模量必須在流體計(jì)算階段調(diào)整到某一值，且在力學(xué)計(jì)算階段為0，以防通過體積應(yīng)變進(jìn)一步調(diào)整。對于建模