土體飽和滲流的Lattice Boltzmann Method數(shù)值模擬研究.pdf

1、二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的Lattice Boltzmann Method(LBM)從最初的計算流體力學(xué)(CFD)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸向其他諸多領(lǐng)域滲透，已成為一個國際研究熱點(diǎn)。LBM基于微觀離散模型和某些細(xì)觀動力學(xué)方程，以離散的速度集、自底向上(Down-top)建立模擬系統(tǒng)，兼具Euler法和Langrange法的特征。與傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法相比，它具有算法簡單、編程容易、易于處理復(fù)雜邊界條件、天然適應(yīng)大規(guī)模并行計算等優(yōu)點(diǎn)，這也使得它非常適合

2、研究滲流問題。 本文以LBM為切入點(diǎn)，在理解應(yīng)用LBM解決滲流問題的關(guān)鍵在于建立適合滲流運(yùn)動的演化方程后，對常規(guī)LBM演化方程和局部平衡態(tài)分布函數(shù)進(jìn)行修正，即在常規(guī)LBM演化方程的右端增加多孔介質(zhì)對流體的牽制作用力項(該力項可以寫成離散速度集的冪級數(shù)形式)，并將多孔介質(zhì)的孔隙率引入局部平衡態(tài)分布函數(shù)；接著確定了該力項的具體表達(dá)式和其合理的離散形式。奠定了用LBM解決滲流問題的理論基礎(chǔ)。 進(jìn)而，在消化和吸收近年來LBM理論

3、和應(yīng)用等方面相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，初步開發(fā)了利用LBM理論模擬土體飽和滲流的軟件平臺(LBM_Seepage)。該軟件平臺的前處理模塊既具有較為完備的繪圖功能，又提供了與其他圖形文件交互的接口，能方便地完成滲流場幾何剖面的繪制；該軟件平臺的核心模塊的核心部分采用目前LBM中應(yīng)用最普遍的LBGK模型且邊界處理采用非平衡外推格式，既加快了收斂速度，又能使演化方程在時間和空間上逼近二階精度；該軟件平臺的后處理模塊采用應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)可視化軟件包，極

4、大地擴(kuò)展了LBM_Seepage的功能。 為驗(yàn)證LBM_Seepage的軟件平臺的正確性，首先，用該軟件驗(yàn)證了Darcy定律，進(jìn)而用該軟件在表征單元體(REV)尺度上模擬多種情況下的地下水運(yùn)動和成層土樣的豎向滲流運(yùn)動，并與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證；此外，還用該軟件在孔隙(Pore)尺度上對水在人造粗糙裂隙中的流動規(guī)律和變孔隙率的多孔介質(zhì)滲流特性進(jìn)行了模擬，并與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。研究表明該軟件平臺具有一定的靈活性、有效性和