一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法和系统

摘要

本申请公开了一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法和系统，系统包括CFD‑DEM求解器Sedifoam和验证模块，所述CFD‑DEM求解器Sedifoam：用于建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型；所述验证模块：用于对所述CFD‑DEM求解器Sedifoam和所述三维数值淤堵模型进行验证。本发明在耦合的CFD‑DEM求解器中，建立了PVD膜和吹填淤泥土的三维数值模型，以研究真空梯度下吹填淤泥土颗粒的迁移和淤堵层的形成过程，对比分析淤堵层内部不同尺寸，不同位置的淤泥土颗粒的运动学特性。

说明书

技术领域

本申请涉及吹填淤泥土研究应用技术领域，具体而言，涉及一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法和系统。

背景技术

随着近海的海砂逐渐枯竭，目前我国的填海造地大多采用吹填淤泥填筑。淤泥初始含水量可高达80％～200％，实际处于流体态，因此强度可以忽略不计。通过插入预制垂直排水板(PVD)并将其与负压连接的真空固结法已被广泛应用于淤泥土地基的加固中。

现有的现场测量表明，只有在邻近PVD的浅埋土中才能观察到淤泥土地基强度的明显改善。经过有效改良的土体形成一个圆柱形区域，一般称为土桩，其轴线沿PVD方向，直径随深度的增加而减小。然而，在自然沉积软土的真空固结中，还没有这样的土桩。人工土(即吹填淤泥土)与自然沉积软土在真空处理中的不同行为一般归因于PVD处理高含水量软土所固有的淤堵效应。

已有的研究多采用孔隙水压力消散，地面沉降和出水量等宏观指标来表征淤堵效应。淤堵的相应微观过程可能包括:(1)真空梯度下土颗粒进入并停留在PVD膜中，使PVD膜的渗透率降低；(2)土颗粒在水力梯度作用下向PVD膜上移动并堆积，形成可压缩的淤堵层；(3)细颗粒进一步填充淤堵层的空隙，使淤堵层更加致密；(4)淤堵层的形成/压缩以及微细颗粒在淤堵层中的滞留，降低了淤堵层的孔隙度和孔隙连通性，导致渗透率下降，从而产生淤堵效应。然而目前微观过程对淤堵的影响机理尚不清楚，也缺乏对微观过程探究的方法。离散单元法(DEM)和计算流体力学(CFD)方法为再现上述微观过程提供了有效的途径。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法和系统，以解决目前的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了如下技术：

本发明第一方面在于提供一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法，包括如下步骤；

S1、建立CFD-DEM求解器Sedifoam；

S2、基于得到的所述CFD-DEM求解器Sedifoam，建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型；

S3、验证所述三维数值淤堵模型；

S4、获取淤堵层中淤泥土颗粒运动特性结果。

优选地，在步骤S1中，所述建立CFD-DEM求解器Sedifoam，具体为：

获取CFD求解器和DEM求解器；

耦合所述CFD求解器的Openfoam和所述DEM求解器的LAMMPS，获得所述CFD-DEM求解器Sedifoam。

优选地，在步骤S1中，在所述建立CFD-DEM求解器Sedifoam之后，还包括：

S101、通过解析方程对所述CFD-DEM求解器Sedifoam进行验证，包括：

预设单个球形颗粒在粘性流体中的速度阀值和拖曳力阀值；

基于所述CFD-DEM求解器Sedifoam建立包含单个球形颗粒和粘性流体的三维数值模型；

根据所述三维数值模型而获取待测定球形颗粒在粘性流体中的速度值和拖曳力值，并与所述速度阀值和拖曳力阀值比较，验证所述CFD-DEM求解器Sedifoam的求解正确性。

优选地，在步骤S2中，所述建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型，包括：

基于所述CFD-DEM求解器Sedifoam建立PVD膜模型；以及

基于所述CFD-DEM求解器Sedifoam建立包括吹填淤泥土颗粒DEM模型和孔隙流体CFD模型的数值模型。

优选地，在步骤S3中，所述验证所述三维数值淤堵模型，包括：

基于PIV技术建立吹填淤泥土真空固结试验模型；

通过所述吹填淤泥土真空固结试验模型而获取位于PVD膜预设距离的吹填淤泥土颗粒位移；

比较吹填淤泥土颗粒位移数据：分别比较在所述吹填淤泥土真空固结试验模型和三维数值淤堵模型中的结果，验证所述三维数值淤堵模型的准确性和有效性。

本发明第二方面在于提供一种用于执行上述所述的一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法的系统，包括耦合的CFD-DEM求解器Sedifoam和验证模块，其中，

所述CFD-DEM求解器Sedifoam：用于建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型；

所述验证模块：用于对所述CFD-DEM求解器Sedifoam和所述三维数值淤堵模型进行验证。

优选地，所述CFD-DEM求解器Sedifoam包括CFD模块、DEM模块和CFD-DEM耦合模块。

优选地，所述验证模块包括解析方程验证模块：

所述解析方程验证模块用于对所述CFD-DEM求解器Sedifoam进行验证。

优选地，所述验证模块还包括PIV验证模块：

所述PIV验证模块用于基于PIV技术建立吹填淤泥土真空固结试验模型并验证所述；

通过所述吹填淤泥土真空固结试验模型来验证所述三维数值淤堵模型。

本发明第三方面在于提供一种终端，包括执行器和储存器，所述执行器在执行所述储存器储存的程序时实现上述所述的一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法的实施流程示意图；

图2是本发明一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法的另一实施结构示意图；

图3是本发明单个球形颗粒在粘性流体中沉降的速度和拖曳力的曲线图；

图4是本发明吹填淤泥土颗粒的PIV模型试验与数值模型的位移对比图；

图5是本发明淤堵层中淤泥土颗粒运动速度曲线图；

图6是本发明淤堵层中淤泥土颗粒运动位移曲线图；

图7是本发明的系统组成结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

本发明在CFD-DEM求解器Sedifoam中建立了PVD膜和吹填淤泥土的三维数值模型，再现吹填淤泥土真空处理过程中PVD膜上淤堵层的形成过程。通过与解析方程和PIV模型试验结果的对比，验证了CFD-DEM求解器和数值淤堵模型的准确性和有效性。然后对淤堵层形成过程中淤泥土颗粒运动的微观特征进行数值研究。

如附图1所示，本发明第一方面在于提供一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法，包括如下步骤；

S1、建立CFD-DEM求解器Sedifoam；

优选地，在步骤S1中，所述建立CFD-DEM求解器Sedifoam，具体为：

获取CFD求解器和DEM求解器；

耦合所述CFD求解器的Openfoam和所述DEM求解器的LAMMPS，获得所述CFD-DEM求解器Sedifoam。

具体的，

基于CFD求解器Openfoam和DEM求解器LAMMPS，开发一个耦合的CFD-DEM求解器Sedifoam。

CFD-DEM求解器Sedifoam由三个模块组成:CFD模块，DEM模块和CFD-DEM耦合模块。

其中，对于CFD模块，DEM模块分别具有控制方程：

DEM控制方程：

在DEM模块中，基于牛顿第二定律，通过求解以下方程组来确定颗粒运动:

其中，m为颗粒的质量；t为时间；U

CFD控制方程：

在CFD模块中，流体运动用局部平均的不可压缩Navier-Stokes方程(即N-S方程)求解:

其中，Φ

S2、基于得到的所述CFD-DEM求解器Sedifoam，建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型；

利用耦合的CFD-DEM求解器Sedifoam模拟了一个球形颗粒的沉降，并将计算结果与解析结果进行了比较，验证了耦合求解的正确性。

具体利用CFD-DEM求解器Sedifoam建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型，用于研究淤堵层形成过程中淤泥土颗粒运动的微观特征。

S3、验证所述三维数值淤堵模型；

对于CFD-DEM求解器Sedifoam需要验证其正确性和有效性；

同理，对于采用CFD-DEM求解器Sedifoam建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型，同样需要进行试验验证。

S4、获取淤堵层中淤泥土颗粒运动特性结果。

验证后，就可以通过获取的三维数值淤堵模型等，获取淤堵层中淤泥土颗粒运动特性结果，在建立PVD膜和吹填淤泥土的三维数值模型下，研究真空梯度下吹填淤泥土颗粒的迁移和淤堵层的形成过程。具体来说，对比分析淤堵层内部不同尺寸，不同位置的淤泥土颗粒的运动学特性。

为了验证CFD-DEM求解器Sedifoam，如附图2所示，

优选地，在步骤S1中，在所述建立CFD-DEM求解器Sedifoam之后，还包括：

S101、通过解析方程对所述CFD-DEM求解器Sedifoam进行验证，包括：

预设单个球形颗粒在粘性流体中的速度阀值和拖曳力阀值；

基于所述CFD-DEM求解器Sedifoam建立包含单个球形颗粒和粘性流体的三维数值模型；

如附图3所示，根据所述三维数值模型而获取待测定球形颗粒在粘性流体中的速度值和拖曳力值，并与所述速度阀值和拖曳力阀值比较，验证所述CFD-DEM求解器Sedifoam的求解正确性。

优选地，在步骤S2中，所述建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型，包括：

基于所述CFD-DEM求解器Sedifoam建立PVD膜模型；

以及，基于所述CFD-DEM求解器Sedifoam建立包括吹填淤泥土颗粒DEM模型和孔隙流体CFD模型的数值模型。

优选地，在步骤S3中，所述验证所述三维数值淤堵模型，包括：

基于PIV技术建立吹填淤泥真空固结试验模型；

比较淤泥土颗粒位移数据：分别比较在所述吹填淤泥土真空固结试验模型和三维数值淤堵模型中的结果，验证所述三维数值淤堵模型的准确性和有效性。

如附图4的比较结果表明，试验模型与数值模型中颗粒的位移曲线吻合较好，进而验证了所述淤堵模型的有效性。

优选地，在步骤S4中，获取淤堵层中淤泥土颗粒运动特性结果，包括：

如附图5所示：

对淤堵层中淤泥土颗粒运动速度的获取并统计；

以及如附图6所示：

对淤堵层中淤泥土颗粒运动位移的获取并统计。

实施例2

基于实施例1的运动特性处理方法，本发明针对性地提供一种运动特性处理系统，如附图7所示：

本发明第二方面在于提供一种用于执行上述所述的一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法的系统，包括耦合的CFD-DEM求解器Sedifoam和验证模块，

其中，CFD-DEM求解器Sedifoam和验证模块在运行时可以实现实施例1所述的一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法。

具体的，

所述CFD-DEM求解器Sedifoam：用于建立包含PVD膜和吹填淤泥土的三维数值淤堵模型；

所述验证模块：用于对所述CFD-DEM求解器Sedifoam和所述三维数值淤堵模型进行验证。

优选地，所述CFD-DEM求解器Sedifoam包括CFD模块、DEM模块和CFD-DEM耦合模块。

优选地，所述验证模块包括解析方程验证模块：

所述解析方程验证模块用于对所述CFD-DEM求解器Sedifoam进行验证。

优选地，所述验证模块还包括PIV验证模块：

所述PIV验证模块用于基于PIV技术建立吹填淤泥土真空固结试验模型并验证所述三维数值淤堵模型。

实施例3

本发明第三方面在于提供一种终端，包括执行器和储存器，所述执行器在执行所述储存器储存的程序时实现上述所述的一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法。

本实施例提供的终端，可以包括执行器和储存器，储存器储存的程序用以实现实施例1所述的一种吹填淤泥土真空预压淤堵层颗粒特性处理方法，执行器执行储存器储存的程序。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。