Flac3D中文流体计算.docx

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Flac3D中文流体计算

FlaC3D中文手册

FLAC3D的计算模式中是否需要做孔压分析取决因此否采纳configfluid命令。

1无渗流模式（不使用configfluid）

即使不使用命令configfluid,仍然能够在节点上施加孔压。

这种模式下，孔压将保持为常量。

假如采纳塑性本构模型的话，材料的破坏将市有效应力状态来控制、

节点上的孔压分布可由initia1pp命令或watertab1e命令来设定。

假如采纳watertab1e命令,由程序自动计算水位线以下的静水孔压分布。

此时，必须施加流体密度（waterdensity）与重力（setgravity）o流体密度值与水位位置能够用命令printwater显示、假如水位线是由face关键字来定义的，则可用命令plotwater命令显示水位、

这两种情况，单元的孔压都由节点孔压值平均求出，并在本构模型计算中用作有效应力。

这种计算模式下,体积力中不反映流体的出现:

用户必须依照水位线以上或以下相应地指定干密度与湿密度。

使用命令printgppp与priintzonepp可分不得到节点或单元孔压。

plotcontourpp命令可绘岀节点孔压云图。

2渗流模式（使用configf1uid）

假如使用命令configfluid,则可进行瞬时渗流分析，孔压改变与潜水而的改变都估计出现、在configfluid模式下，有效应力计算（静态孔压分布）与非排水计算均被执行、除此之外,还可进行全耦合分析，这种情况下，孔压改变将使固体产生变形，同时体积应变反过来影响孔压的变化。

假如采纳渗流模式,单元孔压仍由节点孔压平均求出、但这种模式，用户只能指定干密度（不论是水位以上依然以下），因为FLAC3D将流体的影响考虑到了体积力的计算中。

采纳渗流模式时,渗流模型必须施加到单元上，使用命令modelfl_isotropic模拟各向同性渗流,modelfl_anisotropic模拟各向异性渗流,mode1fl_nu1I模拟非渗透物质。

注意，力学模型为空的单元并不代表渗流模型为空。

流体性质（参数）可施加到单元或节点上、各向同性渗透率、孔隙率、比奥系数与非排水热系数等单元流体性质由命令Property施加。

关于各向同性渗流，渗透率通过perm关键字赋予、对各向异性渗流,渗透率的3个主值采纳关键字kl,k2,k3赋予，主方向由关键字fd

ip,fdd,frot确定。

渗透率的主方向服从右手系统。

fdip与fdd分不为k1与k2确定的平面的倾向与倾角。

frot为kl轴与倾角矢量的旋转角。

假如不特不指定，比奥系数默认为1,孔隙率默认为0、5、节点的渗流性质由命令initial指定。

这些性质包扌舌流体重度、流体体积模量、比奥模量、流体抗拉强度与饱与度、每种性质在空间上都能够变化、流体重度也能够用water命令给出。

在渗流模式里，有必要明口可压缩性被定义在以下两种参数中：

（1）比奥系数与比奥模量;

（2）流体体积模量与孔隙率、第一种参数表征的是固体颗粒的可压缩性（对不可压缩颗粒,比奥系数设为1）o对第二种参数，固体颗粒被认为是不可压缩的、

单元属性可由命令printzoneproperty显示，节点属性由printgp命令显示。

流体重度假如随着水位位置被确定，则可由printwater命令显示。

渗流性质可由命令plotbcontourproperty显示、关于各向异性渗流，渗透率的各球形分量可通过使用单元的属性关键字kxx,kyy,kzz,kxy,kxz,kyz来显示（注意，这些球形分量不可被直截了当初始化）。

初始节点孔压分布的施加关于渗流模式与非渗流模式都是一样的（如,要么用initialpp命令或用watertable命令）。

在指定节点可用命令fixpp或freepp对孔压固定或释放。

流体涌入或渗漏或可由命令apply施加。

渗流计算由命令setfluid与so1ve控制。

如,setf1uidon或off命令开启或关闭渗流计算模式。

具体使用开启或关闭模式取决于渗流分析的耦合程度。

渗流分析结果以下面这些命令给出。

命令printgppp与printzonepp分不给出节点与单元孔压。

节点与单元孔压历史可由命令histroygppp与命令historyzonepp进行监测。

关于瞬时计算,孔压与时间的关系可由命令historyfltime监测。

命令plotcontourpp绘岀节点孔压云图。

命令plotcontoursaturation绘出饱与度云图。

命令plotfluid绘出流量矢量图。

渗流模式的所有信息由命令printf1uid命令给出、FISII还提供了一些渗流变量。

其中一个与节点有关的变量gp_flow,只能通过FISH函数使用、该变量描述了通过节点的净流入或流岀量。

因为能够提供一个系统总的流入或流出量,这些流量的统计在孔压固定的边界是特不有用的。

渗流边界条件，初始条件

FLAC3D默认为不透水边界，即认为所有节点上的孔压随着从邻近单元流入或流出的量发生自由变化。

能够使用命令fixpp将节点上的孔压设为“自由”，也可使用freepp使节点上的孔压“固定“。

假如孔压固定，流体能够在外边界上流入或流出节点。

下面总结这两种边界条件

的影响：

1,孔压自由

这是默认的不透水边界条件、节点与外界之间不发生流量交换。

系统依照当前饱与度值与流体是否形成涡凹现象来计算压力与饱与度变

化、

2,孔压固定

这是一种流体通过外界流入或流出的边界条件。

假如设定孔压为0,

饱与度才估计变化。

否则,饱与度被设为1（FLAC3D假设孔压只在

完全饱与材料中存在）。

孔压不能被固定在低于拉力极限的值，假如

出现这种情况,FLAC3D会将其设定到拉力极限值、

如前所述，边界条件不是任意的。

FLAC3D在进行计算前会“检查”并

“修正”这些条件。

可使用fixpp命令将孔压固定在某个值，也可在外

边界或内边界上使用命令applyppo假如边界条件被用于一个非

表而节点，则必须加关键字interior、apply命令具有能够用“历史”

命令进

行监测的优点、

渗流边界条件能够通过app1y命令用在单个或部分节点、单元而或

单元上。

命令applypwe1I为边界节点指定了一个流入或流出

井。

假如加上interior关键字，则该条件用于内部节点。

命令apply

discharge与apply1eakage为边界单元的表而分不指定了

涌出与渗漏边界条件。

命令applyvwe1I为指定区域内的单元提供

一个流速、这些边界

条件除了applyIeakage外，均可使用history监测命令、具有固定孔压节点就好像是流入源或流出源。

没有直截了当的命令显示这些节点的流入或流出量。

但可通过FISH变量gp—f1ow来记录。

孔压的初始分布,孔隙率，饱与度与流体属性可通过命令initiaI或property施加。

假如还加了重力，则孔压初始分布应与重力梯度，水的重度与节点饱与度与孔隙率相容。

假如这些初始分布不相容,则计算开始时所有单元中将出现流体流动、因此，应在模拟开始时设一定

的计算步来检验初始条件是否相容、

假如模型中含有接触而，有效应力将沿着这些接触而进行初始化（即：

在节点应力初始化时，认为接触面应力包罗孔压）。

waterlable命令

将包罗沿着接触而的孔压,这是因为定义在单元节点上的孔压也在接

触而节点上。

假如接触而的上下两而连在一起，在没有阻力时,将发生

穿越接触而的流体流动、但程序不对沿着接触而的流体流动

（裂隙流）进行计算。

单渗流与渗流耦合问题

FLAC3D既能进行单渗流分析，也能进行固流耦合分析、耦合分析可由FLAC3D内置力学模型完成、但要注意，渗流模型中的空单元并不是力学空单元。

必须用命令mode1f1_null给单元赋予流体空属性、

关于耦合过程,FLAC3D提供了几种计算模式。

其中之一是假设孔

压一旦被赋予便不再改变。

该方法并不要求任何额外空间存储计算过

程、除此之外涉及到渗流的计算模式都要求使用命令configfluid.

命

令modelfl_iso使所有单元中都能发生渗流。

不同的耦合计算模式在下而讨论。

一般情况下,在能跟所模拟问题的物理过程相似的情况下,应使用尽估计简单的模式、计算模式的选择

依照以下几个方面确定、

时间比例

对所需模拟的渗流或耦合问题用FLAC3D估计与涉及的不同进程相

关的时间比例是特不有用的、对有关研究问题的时间度量与扩散性的

认识有助于估计最大网格宽度、最小区域尺寸、时步大小与计算可行

性。

假如不同进程的时间比例相差太大，则特不估计采纳一种简单的

（非

耦合）方法、

时间比例可用特征时间给出。

以下这些由量纲分析得出的定义，都是

基于解析的连续源理论表达式、它们可用于得出FLAC3D分析的

大

致时间比例。

力学过程特征时间、流体扩散过程特征时间

流体扩散率

FLAC3D中使用了取决于控制过程的储水系数的几种形式：

流体存储系数、地下潜水相存储系数、弹性存储系数

以上定义，有几点特性值得注意：

⑴因为FLAC3D中显式的时步对应于最小区域中信息从一个节点传到下一节点所需要的时间，时步的大小可用计算特征时间公式中特征长度的最小区域来估计、重要的是注意FLAC3D中在用流体扩散率（即使是在耦合模拟中）计算显式流体时步。

因此,时步的大小可

用特征长度的最小区域尺寸来估计。

（2）在饱与流体问题中，简化的体积模量不但导致时步的增加,同样导

致到达稳定状态时间的增加，因此总步数增加，该总步数可用模

型与最小区域的特征长度来估计。

（3）在部分饱与流体流动问题中，可通过调整流体体积模量加速收敛以趋于稳定状态，但要注意不可将体积模量减小太多以至产生数值不稳定。

数值稳定条件能由流体储量在一个特征长度区域的髙度上必须保持低于地下潜水储量的要求推导而出、

（4）为幸免扩散问题中的边界效应，模型的特征长度必须大于某个尺度。

同样,最小模拟时间由某个关系式控制。

（5）在耦合流体问题中,实际扩散率由流体刚度与岩土介质的刚度

比来控制、

完全耦合模拟方法的选择

用FLAC3D进行完全耦合的准静态固流耦合分析通常要耗费大量时间,且有时候并不必要、特不多情况下，可使用不同程度的非耦合方法简化分析并加快计算速度。

下而的例子给出了对应于流固耦合的不同水平的FLAC3D模拟方法。

选择计算方法时有3个主要的因素需要

考虑：

（1）模拟时间比例与扩散过程的特征时间；

（2）耦合过程中强制扰动特性；

（3）流固刚度比、时间比例

首先通过从扰动的开始时期计算时间来考虑时间比例因素、定义分析所需要的时间（模拟时间），对应于耦合扩散过程的特征时间。

短期行为（不排水）

假如对应于耦合扩散特征时间,分析所需时间特不短，在模拟结果中流体流动的影响几乎能够忽略不计，则可采纳不排水模拟（configfluied,setf1uidoff）o数值模拟中不涉及真实的时间,但假如给流体体积模量一个实际值，则体积应变将导致孔压的变化、

长期行为（排水）

假如分析所需时间大于耦合扩散特征时间并在模拟时间到达时排水，则孔压场可不耦合到立场中、稳定状态的孔压场可用单纯流动模拟确定（setfluidon,setmechoff）（不代表扩散率），然后力学场可通过在设置流体模量为0的力学模式中（setmechon,setfluidoff）计算到平衡状态获得、（严格讲，这种方法仅对弹性材料有效,因为塑性材料力学行为是与路径有关的）。

另外一种描述时间比例的方法是不排水行为与排水行为、严格地讲,不排水表示与模型外界无流体交换。

排水则是与模型外界有完全的流体交换，这就意味着流体压力能在各处达到平衡。

由于不排水试验通常所需时间特不短,而排水试验则需要特不长的时间以使多余的流体压力消散，因此“排水”与“不排水”这两个词常分不与“短期行为“与“长期行为”联系在一起。

在现场，“短期行为”通常意味着流体流动能够忽略,而“长期行为”则意味着几乎所有压力降都变为0（这需要一个特不

长的过程）。

注意在无渗流计算模式（不使用configfluid）与短期行为模式（使用configfluid,setfluidoff）的模拟过程中，由于施加的孔压发生变化而产生的总应力的修正并不是通过程序在内部执行、然而，孔压增量可用FISH函数监测，并用于减小循环到力学平衡前的总法向应力。

假如地下水位己在网格内部移动,同时需要调整饱与及非饱与的质量密

度。

强制扰动到耦合进程的特性

将扰动强加到完全耦合的固流系统估计导致流体流动边界条件与力学边界条件的改变。

如，流向位于层间含水层内的井的瞬时流体流动是由井内孔压变化引起的。

作为公路路堤建设成果的饱与地基的固结是由路堤高度确定的力学载荷控制。

假如扰动是由于孔压的变化，特不估计流体流动进程可不与力学过程耦合。

假如是固体产生的扰动,非

耦合的程度取决于流固刚度比、刚度比

相对刚度比对用于解决固流耦合问题的模拟方法有重要影响：

相对刚性岩土介质（相对刚度比远小于1）

假如岩土介质骨架刚度特不大（或者流体是高压缩性的）且相对刚度

比特不小,孔压的扩散方程能够不耦合，因此扩散率有流体控制。

建模

方

法取决于流体或固体扰动的力学机制：

（1）在固体控制的模拟中，孔压可假设保持不变。

在弹性模拟中，固体表现的力学行为好像流体不存在;但在塑性分析中，孔压压力的出现估计导致破坏、这种模拟方法在边坡稳定性分析中使用。

（2）在孔压控制的弹性模拟中（如由于流体被挤岀导致的沉降），体积应变不显著影响孔压场，且流体的计算可独立进行（setfluidon,setmechoff）（这种情况下，扩散率是精确的，因为关于相对刚度比小

于1,总压缩系数等于流体扩散率）。

一般地,孔压变化会影响应变，且这

种影响能够通过随后在力学模式中将模型循环到平衡状态

来加以研究（setmechon,setfluidoff）。

相对柔性岩土介质（相对刚度比远大于1）

假如岩土介质骨架刚度特不小（或流体不可压缩），且相对刚度比特不

大，则岩土骨架控制系统扩散率的耦合、模拟方法也取决于控制的力

学机

制、

⑴在力学控制的模拟中,计算估计比较耗时。

FLAC3D的显式时步估

计会特不小，为增加时步，可减小流体模量、注意,流体模量不应

该设置得大于流体的实际值。

（2）在多数孔压控制系统的实际例子中，经验表明，孔压场与力学场的耦合是微弱的。

假如介质是弹性的，可用单纯流动模式（setmechoff,setfluidon）计算,然后在单纯力学模式（setmechon,setf1uid

off）中计算到平衡。

必须注意为保持系统的扩散率（以及特征时间比例），流体模量必须在

流体计算时期调整到某一值，且在力学计算时期为0,以防通过体

积应变进一步调整、

关于建模方法的选择，建议依照以下步骤进行。

首先，关于特定的问题

条件与特性，确定扩散进程的特征时间，且将此时间同所关注的实际时

间进行对比。

其次,考虑关于系统的扰动是由孔压控制依然由固体控

制。

第三,确定流体刚度对固体基质骨架的刚度比。

最后，基于

这3个因素综合考虑选择合适的建模方法。

在建模时需注意：

（1）为建立无地下水流动的有效应力分析的初始条件，用waterta

ble或initiaIpp命令,或者用FlSII函数建立稳定状态的孔压分

布、指定正确的位于地下水位以下区域的湿密度与地下水位以上区域

的干密

度。

（2）为建立地下水流动的有效应力分析的初始条件，假如地下水位位

置未知，用initia1命令或FISII函数建立稳定孔压分布，或者指定s

etf1uidon与setmechoff并逐步计算到稳定状态。

将流体模量设为一个较小的值以加快部分饱与系统的收敛速度。

注意设定的流体模量

值应满足数值稳定。

（3）为建立孔压驱动分析的初始条件，假如地下水位位置未知，用initia1命令或FISH函数建立稳定孔压分布，或者指定setfluidon与setmechoff并逐步计算到稳定状态。

将流体模量设为一个

较小的值以加快部分饱与系统的收敛速度。

注意设定的流体模量值应

满足数值

稳定、

（4）非流固耦合方法推荐用于孔压驱动系统，且在相对刚度比远大于1

时谨慎使用。

注意在单纯流动分析时期调整流体模量的值以满足耦合扩散率是正确的。

（5）完全耦合分析中,注意关于相对刚度比远大于1时的情况,假如流

体模量调整得低于某个值，时间响应将会接近于无限大的流体模量的时间。