COMSOL Multiphysics 在岩土工程领域的应用案例集

中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-1-案例微孔尺度流动模拟在多孔介质的孔隙里应用了Navier-Stokes方程，分析多孔介质孔隙内的细微流动规律。几何模型来自电子显微镜扫描图像。这一非常规的COMSOLMultiphysics微孔尺度模型，加深了我们对大体积颗粒、胶体在几何形状不定的毛细孔微表面上的运动的认识。分析得到微尺度多孔介质孔内流动的流体速度场。在进口处最狭窄的毛细孔内流速最高，在管道出现交叉伸展、流量增长的区域流速则有所降低。案例来源:Earth_Science_Module/Fluid_Flow/pore_scale射孔井模拟模型描述流体如何通过小孔沿井孔上的孔洞流入并且分析规模迅速增加，因射孔井的不对称性，需要使用完整3D仿真分析。在达西定律应用模式下3D流体流过射孔井的性质，分析基于由Heriot-Watt大学石油工程学院Dr.Jamiolahmady提出的模型，得到射孔井的流动规律，如图片所示的等压力面和流场速度分布。模型通过在COMSOLMultiphysics中使用积分或者弱PDE形式得到拉格朗日乘子μ可以获得高精度通量并且节省计算时间。案例来源:Earth_Science_Module/Fluid_Flow/perforated_well中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-2-多分支井从一根管道中分岔出很多分支，能有效地提高采油效率，因为众多分支可以绕过不可渗透的区域，进入富油区。本例耦合流体流动和固体形变，在COMSOLMultiphysics中轻松快捷地进行了一个孔隙弹性分析，估算了由抽油引起流体压力变化，并继而产生应力、应变和位移。分析估算抽取地下水过程中的3D压缩，流体流动符合达西（Darcy）定律，与应力－应变分析进行耦合分析。模拟的结果放到库仑表达式中，分析由抽油引起的压缩会在什么位置大到引起井的破坏。结果表明破坏在分支井的交叉处发生。案例来源：Earth_Science_Module/Flow_and_Deformation/multilateral_well火山地面变形为了反演1993-1997年期间埃特纳火山的地面变形，我们建立三维有限元模型进行评估来自火山压力的粘弹性介质的时间依赖地面变形和应力变化。在火山地区，非均匀材料和高温使地壳产生更低的有效粘度。热—力耦合数值模式允许评估温度依赖的粘弹性变形。温度分布和地形以及地震断层成像技术被考虑到模型中。计算结果表明，存在岩浆源区域粘弹性松弛主导时间依赖的长期变形和准静态应力场。案例来源：COMSOLConference2007/UserPresentations/3DFiniteElementModelsofGroundDeformationandStressFieldinaViscoelasticMedium中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-3-矿山工程矿山等岩土工程事故是水、瓦斯等复杂环境因素相互作用诱发的灾害结果。1.矿山开采过程中的应力计算铁矿的数值计算模型应力场截面破坏区结果破坏区截面根据某铁矿矿区工程地质资料、用COMSOLMultiphysics对矿区矿体及各地层建立完整的三维地质模型，用软件预定义的结构力学应力应变控制方程进行矿区开采的应力场分析和破坏预测。案例来源：东北大学杨天鸿中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-4-2.煤矿的突水突出非线性渗流研究在采动条件下，无论是陷落柱、断层破碎带、围岩破坏区域，都由破碎岩体组成，属于大空隙的多孔介质，渗流通道系统比较复杂。目前，针对碎裂岩体的渗流场研究较少，本案例模型采用COMSOLMultiphysics软件预定义的Navier-Stokes方程，忽略流体渗流阻力，突水后水流在巷道内流动符合该方程。研究水在破碎岩体中的流动规律，探索含水层不同条件对破碎岩体水渗流的作用机制，为正确预测突水量和压力提供科学依据。案例来源：《岩石力学与工程学报》2008年7月矿井岩体破坏突水机制及非线性渗流模型初探作者杨天鸿等构造揭露型突水中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-5-DarcyBrinkmanNavier-Stokeuesdlnuuesdlchns2ppchnsesdl2uuchnschns2npnuupchnsTchnschnspchns))((1222I00))((PPuuchnsTchnschnsppchnsesdl2ppchnsesdl2隔水边界距离/m距离/m陷落柱突水计算模型A4A1A2A3距离/m距离/m流速/m/s？/s突水速度场压力分布中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-6-BrinkmanDarcyNavier-StokeSWgZpknesdluuesdlchns2ppchnsesdl2uuchnschns2npnuupchnsTchnschnspchns))((1222I00))((PPuuchnsTchnschns断层突水计算模型断层突水速度场断层突水压力分布中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-7-3.瓦斯抽放渗流本案例根据实际的三维煤层瓦斯抽放过程，用COMSOLMultiphysics软件建立长宽高为10m×10m×10m理想化的三维计算模型，模拟三维渗流耦合模型及瓦斯抽放。模型左下部边界假设为巷道，布设三个瓦斯抽放孔抽放孔按照“以缝代孔”原则简化为定压力边界。模拟不同外部载荷条件下，瓦斯抽放效果和渗透性变化规律，为瓦斯灾害防治提供科学依据。案例来源：内部ppt煤岩体瓦斯、水渗流耦合过程数值模型及其在矿山工程中的应用素材由杨天鸿教授提供Time＝1s时渗透性系数分布图Time＝1e7s时渗透性系数分布图中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-8-Time＝1s时压力等表面分布图Time＝1.28e5s时压力等表面分布图Time＝1.08e6s时压力等表面分布图Time＝1e7s时压力等表面分布图瓦斯压力随时间变化分布中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-9-市政工程地铁建设高富水砂层动态降水优化技术某地铁工程施工区间位于高富水砂层土，土体以强透水的中粗砂、砾砂和圆砾为主，土体孔隙率大，渗透性强，抽水水量和水位变化关系十分敏感，用COMSOLMultiphysics软件建立了三维渗流模型耦合应力应变模型，精细描述抽水井群流量分配引起的水位变化，优化降水井布置方案，采用沉降、倾斜、曲率变形以及水平变形综合分析预测降水引起的地面变形，有效预测地面建筑物以及地下管线的破坏程度，为施工提供决策参考。自由面抽水井流量边界定水头边界250L1断面地质剖面图竖井降水数值模型图断面地表沉降动态曲线中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-10-地面最大沉降地面最大倾斜地面最大曲率地面最大水平变形DK0+662DK0+5626666左线隧道中心线右线隧道中心线降水井兼做水位观测井,井间距6m,3排布置1-17#井18-34#井35-51#井6666左线隧道中心线右线隧道中心线降水井兼做水位观测井,井间距5m,2排布置DK0+562DK0+6621-21#井22-43#井设计方案优化方案中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-11-环境工程1、垃圾填埋场垃圾渗滤液是由垃圾分解后产生的内源水与外来水分（包括大气降水、地表水、地下水入侵）所形成的液体，其中含有大量的有机物、无机离子，以及离子-有机化合物。由于垃圾填埋场渗滤液泄漏所造成的地下环境问题越加严重，已引起了世界各国的重视。垃圾渗滤液在地下环境系统中，尤其在垃圾填埋场中的运移过程复杂，影响因素众多。流体的流动、固体介质的变形，垃圾微生物讲解及讲解过程中热量的释放等均对其迁移转化过程产生重要的影响。渗滤液泄漏造成环境污染渗滤液泄漏造成环境污染本案例用COMSOLMultiphysics软件进行模拟，同时考虑填埋场的沉降变形，渗滤液内源水的产生，有机污染物在固-液相间的传质，微生物、溶解氧以及各种状态污染物之间的相互作用，从而建立沉降变形过程中渗滤液水分、有机污染物、好氧和厌氧微生物以及溶解氧迁移转化过程的固-水-化耦合动力学模型，分析得到污染物随时间、空间的浓度分布，以及垃圾填埋场气体迁移规律，从而指导工程设计。案例来源：2009年会用户论文赵颖模拟区域示意图中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-12-0123456789101112X/m012345678910Z/m地下水入侵100天时固相可溶性可降解有机物浓度等值线分布图0123456789101112X/m012345678910Z/m地下水入侵200天时水相可溶性可降解有机物浓度等值线分布图垃圾填埋场气体迁移规律预测研究中仿科技公司CnTechCo.,Ltd全国统一客户服务热线：4008885100网址:www.CnTech.com.cn邮箱:[e-mail]-13-2、污染物迁移规律本案例是COMSOLMultiphysics应用于标准模型—无限制蓄水层垂直断面上的稳态渗流以及污染物瞬态传输。应用了达西方程和对流扩散方程，分析了随时间推移污染物在非均质介质中的运移规律。模型使用到了COMSOLMultiphysics中非常实用的功能：流体流动和溶质传输的多物理场耦合、采用ALE移动网格计算潜水面位置、在边界上定义随时间变化的溶质源、采用任意表达式设置模型参数以及后处理计算结果。案例来源:Earth_Science_Module/Solute_Transport/aquifer_water_table污染物在5年、10年、15年、20年的浓度分布COMSOLMultiphysics模拟Elder问题，密度的变化可以导致流动，即使是在静止的流体中。这种浮力或者密度驱动的流动在自然现象中起着重要作用。用达西方程耦合溶质传输方程求解。Elder问题的意义在于对流单体的构造，如图中展示了通过速度流线显示出来的对流单体，5年、10年、15年和20年浓度分布和速度流线图表明，在早期，小的对流单体单独发展，在最后，一个对流单体充满了整个模型区域。案例来源:Earth_Science_Module/Solute_T