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土石流の構成則に基づいた粒子法モデルの構築と堆積過程への適用

机译:基于泥石流本构关系的颗粒法模型的构建及其在沉降过程中的应用

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摘要

The shallow water equations are generally used for numerical simulation of debris flows. In this method, the distributions of the flow velocity u and sediment concentration c are vertically averaged. Therefore, the calculation may be inaccurate when the upper and lower layers have different flow directions, as with countergradient flows. We propose a numerical simulation method for calculating the vertical distributions of u and c in debris flows. Our method is based on the moving particle semi-implicit (MPS) method, which was originally used for incompressible viscous fluid flows with free surfaces. Some modifications are necessary to adapt the method for debris flows. We introduce the constitutive equations of Egashira et al. to the MPS method. In Egashira's equations, debris flows are treated as a continuum. Thus, the proportion of gravel in a debris flow is expressed using the variable c. Similarly, each particle has an associated c value in our modified MPS method. In Egashira's sediment concentration equations, the equilibrium vertical distribution of c is obtained by integrating the rate of change of c in the vertical direction from the riverbed. In our method, c values spread among nearby particles, in order to reduce the difference between the equilibrium rate of change c and the actual rate of change of c. Numerical simulations of debris flow are performed. In the equilibrium condition, there is good agreement with the vertical distributions of u and c and those derived from the constitutive equations. In the condition where the riverbed gradient becomes less steep, there is good agreement with experimental results with a very short relaxation time, including those involving the formation of a convex upward deposition shape in the initial deposition process. Results for the initial deposition process are not produced with existing simulation methods that are based on the assumption of local equilibrium of average sediment concentration. However, simulations with a very short relaxation time show that local equilibrium is established as well as in existing methods. This indicates that the assumption of local equilibrium of sediment concentration is correct, and that because it evaluates the local equilibrium of each particle, our model can yield good results.%本研究ではMPS法の枠組み内において,土石流を一流体として扱い,土石流を濃度の情報を持つ粒子の集合体として扱うモデルを構築した。抵抗則•濃度則には江頭らの構成則を用いた。濃度則においては,濃度分布式によって算出される平衡濃度勾配に向かって状態が遷移するように,周辺粒子と濃度を交換するモデルとした。本研究で構築した手法は,堆積層における流速分布に今後の検討が必要な部分もあるが,構成則に基づく平衡状態の分布形や堆積形状を概ね再現可能であることを確認した。その上で,勾配急減点における堆積過程への適用性を検証した。検証には高濱らの実験結果を用いた。
机译:浅水方程通常用于泥石流的数值模拟。在这种方法中,流速u和沉积物浓度c的分布被垂直平均。因此,当上层和下层具有不同的流向时(与逆梯度流一样),计算可能不准确。我们提出了一种数值模拟方法,用于计算泥石流中u和c的垂直分布。我们的方法基于移动粒子半隐式(MPS)方法,该方法最初用于具有自由表面的不可压缩粘性流体流。必须进行一些修改才能使该方法适应泥石流。我们介绍了Egashira等人的本构方程。 MPS方法。在Egashira方程中,泥石流被视为连续体。因此,碎石在泥石流中的比例用变量c表示。同样,在我们改进的MPS方法中,每个粒子都有一个关联的c值。在Egashira的沉积物浓度方程中,c的平衡垂直分布是通过将c从河床垂直方向的变化率积分而获得的。在我们的方法中,c值分布在附近的粒子中,以减小平衡变化率c与实际变化率c之间的差异。进行了泥石流的数值模拟。在平衡条件下,与u和c的垂直分布以及从本构方程派生的垂直分布具有良好的一致性。在河床坡度变得不太陡的情况下,与弛豫时间非常短的实验结果吻合良好,包括那些在初始沉积过程中形成向上凸起的沉积形状的结果。现有的基于模拟平均沉积物浓度的局部平衡的模拟方法无法获得初始沉积过程的结果。但是,使用非常短的弛豫时间进行的仿真表明,以及现有方法中都建立了局部平衡。这表明沉积物浓度局部平衡的假设是正确的,并且因为它可以评估每个粒子的局部平衡,所以我们的模型可以产生良好的结果。%本研究ではMPS法の枠组み内において,土石流を一流体として扱い,则土流本研究で构筑した手法は,堆积层における分布分布に连续検デのが探が必要な部分もあるが,构成则は基づくその上分布,勾配急减点における堆积过程であるこの适用性を検证した。検证には高滨らの减结果を用いた。

著录项

  • 来源
    《砂防学会誌》 |2015年第1期|13-24|共12页
  • 作者

    鈴木拓郎; 堀田紀文;

  • 作者单位

    (一財)砂防•地すベり技術センター(国立研究開発法人森林総合研究所);

    筑波大学生命環境科学研究科;

  • 收录信息
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  • 正文语种 jpn
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