COMSOL在多孔介质中的应用

仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation中仿科技2012年6月COMSOLMultiphysics多物理场仿真模拟系统张凯（KevinZhang）PASSCODE：9FFFBFFF0-TYUS-120704-5075285-316603496仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation多物理场耦合•What•How仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation多物理场耦合——垃圾填埋•渗流分析•气体扩散•热分析•污染物迁移•固结、沉降•……多场耦合热传(Thermal)H(Hydrolic)力学(Mechanical)反应(Biological)流体(Hydraulic)仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOLMultiphysics®•COMSOLMultiphysics–一套针对可以用偏微分方程（组）描述的数学、物理或工程上的问题，使用有限元方法进行仿真的电脑辅助分析软件第一款真正的多物理场耦合分析软件仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationModulesLivelinksforCADCADImportLivelinksforMatlabJavaScriptCOMSOLMultiphysics仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCOMSOLMultiphysics架构仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation多孔介质流动仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation多孔介质中的耦合•地下流：油井，水渠、水库等•多相流：非水质污染的问题•地下流到表面流：井，裂隙额，管道和河流•环境污染：水中的污染物运移，附着在固体上•密度流：温度或浓度不同引起的流动•孔隙弹性仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationDarcy’s慢速饱和渗流模型Brinkman快速饱和渗流模型NavierStokes自由流动模型Richard非饱和渗流模型渗流模型基于多孔介质的流动：仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation自由+多孔介质流开放流道和多孔结构的速度场仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流体传热耦合•地热梯度•温度的改变，引发水的密度的改变，从而引发了浮力流动温度场分布速度场分布仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation扩散与流动耦合•应力渗流场分析•传质方程•化学反应核废料处理模型仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation农药污染地下水降水渗入土体5小时后的流场渗入土体一天后的磷浓度，污染随着渗透水从地表迁移到井水中吸附作用模拟仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation孔隙弹性•Biot固结•CaliforniaCentralValleyLandsurfaceinFresno,CADropped9min20years孔隙弹性•流固耦合：Darcy流动+结构力学∂εvol/∂t是从固体位移方程得到的体积应变变化速率•达西方程：•平面应变方程：仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation高富水砂层动态降水地面最大沉降地面最大水平变形仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation岩石裂隙流动缓慢渗流+裂隙边界参数绘图仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation弹性波地层传播仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation流体-电磁耦合•多孔介质中的流体流动而产生的电动电压•电流产生的磁场；电场对流场的反作用测量电压和磁场的分布情况可以获得对火山内部流动的认识。仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation岩土工程仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation岩土领域•应力应变--基础分析•岩土本构--岩石、土壤、混凝土•流体流动--宏观微观•多相流--两相流，多相流•溶质运移--对流扩散方程•热传问题--同流动相关，共同考虑•孔隙弹性热应力……仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation结构力学•线性和非线性的应力应变分析•热应力和热应变•弹塑性和超弹性•接触分析和摩擦•屈服•粘弹性，粘塑性和蠕变•压电效应球形轴承及密封圈应力分布专门用来计算结构的受力及变形情况基于材料破坏临界面理论，对结构进行高、低循环疲劳分析和多轴疲劳分析仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation岩土力学模块结构力学模块的一个特殊附加模块−研究岩土工程中的塑性、变形、土壤和岩石的失效问题−混凝土和岩石模拟专业工具应用−隧道、挖掘、边坡稳定性和支护结构钢筋混凝土应力失效时的应力分布仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation多物理分析应用模式力学、热应力、水压力等多种屈服准则：土力学：Cam-Clay,Mohr-Coulomb,Drucker-Prager,Matsuoka-Nakai,Lade-Duncan.固结：Willam-Warnke,Bresler-Pister,Ottosen,岩石：原始/广义Hoek-Brown支持用户自定义本构模型灵活的自定义函数，实现任意非均匀材料设置COMSOL助力岩土力学研究仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation钢筋混凝土梁•通过拉伸耦合操作实现力如何从混凝土梁传递到其中的钢筋结构上•图中显示的是混凝土中的vonMises应力和钢筋中的轴力。仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation原位(重力)应力•有两种方法定义原位应力•设定初始应力(用户直接定义初始应力状态)•基于重力场的两步分析：–计算线弹性模型在重力荷载下的应力分布–在第二步的分析中应用前一步计算的应力场仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation隧道工程(双洞)仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation土体塑性行为和接触分析•深开挖模型•土体塑性本构仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation土体塑性行为和接触分析深基坑开挖模型•参数化建模和参数扫略功能仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation三轴测试土壤中应力及位移分布土壤样本有效塑性应变（红色区域表示达到塑性应变）仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation岩土基本性质－试验手段岩体损伤、裂隙发育岩体渗流破坏岩土力学分析岩土流变力学分析岩石裂隙发育岩土本构理论研究仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation断层滑裂面模型分析•断层滑裂面•岩脉的移动变化•接触问题仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation渗流中的流固耦合•流固耦合与土体本构方程自定义。东北大学仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation突水模型•考虑不同工况条件下的地下水渗流分析仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新SimulatinginspiresinnovationCO2地下封存仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation孔隙弹性研究仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation冻土仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation研究背景•冻土：温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土。•特点：对温度极为敏感，含有丰富的地下冰。具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。关键因素：热稳定性温度渗流仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation计算机数值模拟多物理场耦合：温度渗流冻土结构、强度：抗压强度、抗剪强度、压缩性质、蠕变路基走向、风速、辐射、蒸发等外界条件热传导、对流传热、热参数斜坡几何模型、确定岩土参数、热学、渗流边界条件含水量、温度对边坡稳定性的影响冻融界面边坡结构、外界环境的影响因素边坡稳定性随时间的变化规律仿真建模：仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation太阳辐射和风力对永久冻土的影响分析辐射、气流与热传导耦合问题：原理图60s内暖气流在左侧坡边的流动模拟仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation仿真智领创新Simulatinginspiresinnovation没有覆盖时，存在覆盖时，照射48小时后的温度分布情况，