粘性泥石流运动机理及数值模拟研究

【摘要】： 泥石流运动属于非定常的复杂多相流流动,其运动机理研究是研究泥石流的重要内容之一,也是泥石流学科的前沿性基础理论问题,其研究内容属于流体力学、水土流失、地质学、灾害学、水文学、计算力学等多学科的交叉复合,泥石流运动机理的研究可以为防治泥石流灾害提供理论支持和指导。粘性泥石流运动数值分析是泥石流研究与计算机科学、数学物理计算方法、软件科学等学科的再次复合交叉,是目前计算机科学在泥石流研究中的新领域,对泥石流的理论研究和实际应用都有重要的价值和意义。 本文在总结前人研究泥石流的成果基础上,依托室内试验现象及结果,从粘性泥石流的发生、起动、磨蚀、堆积等相关机理入手,分析粘性泥石流的运动特征,揭示粘性泥石流的运动机理,并以此分析结果建立粘性泥石流的运动基本特征模型的基础框架。为了更好解释粘性泥石流在运动过程中各物理量之间的相互关系,本文以水力学流体力学为理论基础,在一定的假设条件下,推演出了粘性泥石流的运动控制方程,并对其进行简化,给出有限元离散格式和有限元方程的整体方程格式;同样,考虑粘性泥石流浆体与河谷岸坡之间的相互作用,建立了粘性泥石流与河谷岸坡之间的耦合控制方程和离散方程格式;最后在利用计算机对粘性泥石流进行数值模拟分析,从可视化的角度分析粘性泥石流的运动特征,通过将模拟结果与试验现象和试验数据、理论分析相结合,综合总结出粘性泥石流的运动特征及其表征这些宏观特征的运动机理。 通过研究,本文取得的主要成果有: 1).提出泥石流的运动特征是泥石流运动机理的宏观表征,所以研究泥石流运动特征就是对泥石流运动机理的揭示。在此基础上,通过分析总结构建了粘性泥石流的运动特征基本模型框架; 2).通过粘性泥石流室内试验的现象观测初步建立了泥石流浆体的平衡和起动条件; 3).在水力学流体力学的基础上,总结和借鉴前人的研究成果的基础上,推演出一维、二维的粘性泥石流运动控制方程的有限元离散格式和有限元整体方程格式;并在一定假设条件下,推演出了考虑泥石流与河谷岸坡的相互作用的粘性泥石流与岸坡的耦合方程的有限元离散格式和整体方程; 4).在autoCAD2009测试版的平台下,采用实测河谷数据建立河谷三维等高线图,在UG NX6.0测试版下建立三维的河谷模型,并通过ANSYS Workbench V11测试版为网格划分平台建立网格,最后在ANSYS Workbench/CFX V11测试版中模拟泥石流的三维流动以及泥石流浆体与河谷之间的耦合作用。这是泥石流理论研究与计算科学的有机结合的成功尝试,为泥石流研究拓展了思路。