(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211141491.2 (22)申请日 2022.09.20 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 年廷凯　李东阳　郑德凤　吴昊　 沈月强　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于DEM-CFD 耦合计算的滑坡-堵江-涌 浪灾害链模拟方法 (57)摘要 一种基于DEM ‑CFD耦合计算的滑坡 ‑堵江‑涌 浪灾害链模拟方法， 属于滑坡堵江灾害演化机制 分析及防灾减灾的数值模拟分析领域。 所述的滑 坡‑堵江‑涌浪灾害链模拟方法通过局部平均的 DEM‑CFD耦合数值方法计算滑坡 ‑河流耦合作用， 结合VOF模型实现涌浪液面演化追踪， 并通过虚 拟球模型建立了新的孔隙率计算方法， 实现实际 地形建模要求。 本发明采用DEM ‑CFD耦合模拟方 法能够准确描述流 ‑固耦合作用机制， 充分考虑 流体环境对于滑坡体运移及堆积过程的影响； 通 过在局部平均 DEM‑CFD耦合方法中引入VOF模型， 可以实现河流水环境及空气的建模并追踪河流 自由液面演化， 进而实现模拟滑坡驱动涌浪的传 播过程； 基于真实颗粒构建虚拟球， 能够满足三 维模型的高分辨率网格剖分要求， 使得滑坡 ‑堵 江‑涌浪灾害链的真实案例模拟能够实现。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115392156 A 2022.11.25 CN 115392156 A 1.一种基于DEM ‑CFD耦合计算的滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链模拟方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： 第一步， 利用数字高程模型对滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链区域进行三维建模， 并通过笛卡 尔坐标系对三维模型计算 域进行网格剖分， 设置边界命名并导出网格文件； 第二步， 确定滑坡体模拟参数， 其中， 滑坡体模拟参数包括材 料参数及接触参数； 第三步， 将第一步导出的网格文件导入DEM模块并建立滑坡体源区， 并根据所确定滑坡 体模拟参数， 在滑坡体源区中填充与实际方量相当的颗粒以模拟滑坡体； 第四步， 将第一步导出的网格文件导入CFD模块， 并进行流体材料参数设定及流体域流 体填充； 所述流体材料包括水及空气， 所述流体材料参数包括流体密度及流体粘度； 所述流 体域流体填充根据河流实际水面高程确定， 其中水面高程以下流体材料 由水填充， 水面高 程以上流体材 料由空气填充； 第五步， 根据河流实际入流流量确定CFD模块中的流体域边界条件， 包括上流入流边界 条件， 下游压力出流 边界条件及顶部开 放边界条件； 第六步， 根据高程方向确定 重力方向， 并设置 重力加速度； 第七步， 设置模拟时长， 分别设置所述DEM模块及CFD模块时间步长， 并确定耦合频率； 所述耦合频率为CFD模块的时间步长与DEM模块时间步长的比值， 其数值应在1 ‑100以内； 所 述模拟时长应根据实际案例需求确定； 第八步， 根据第二至第七部设置初始化DEM模块及CFD模块， 并通过双向耦合计算开始 模拟滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链演化过程； 在双向耦合计算中， 在DEM模块计算颗粒作用力与位 移； 在CFD模块中计算流场演化， 并在CFD模块中引入VOF模型， 该模型允许引入空气相及水 相的多相流体， 进一步通过追踪空气 ‑水相交界面来模拟河流演化； 耦合作用模块分别读取 DEM模块的颗粒位置和 速度数据， 及CFD模块的流体压力场及速度场数据， 进一步通过虚拟 球模型计算局部孔隙率， 在虚拟 球模型中， 通过基于真实D EM颗粒构建虚拟球， 从而在CFD网 格中确定孔隙率计算的范围， 进一 步计算耦合作用力并分别传递回DE M模块及CFD模块。 2.根据权利要求1所述的一种基于DEM ‑CFD耦合计算的滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链模拟方 法， 其特征在于， 第八步中， 所述双向耦合计算具体包括： 8.1)在DE M模块中通过Her tz‑Mindlin接触模型计算颗粒间及颗粒与边界 间接触力； 8.2)DEM模块通过牛顿第二定律 求解式(1)及式(2)的运动方程： 式中， mi为颗粒质量， vi为颗粒速度， ωi为颗粒角速度， Fij和Mij分别为颗粒的接触力及 扭矩， Ff为流体对颗粒作用力， g为重力加速度； 8.3)在DEM模块中更新求解运动方程得到的颗粒位置及速度信息， 重复上述步骤至单 次耦合计算内DE M循环次数达 到耦合频率次数； 8.4)颗粒位置及速度信息导入耦合作用模块， 通过虚拟球模型计算局部孔隙率， 并更 新动量源项； 进一 步的， 所述虚拟球模型计算局部孔隙率包括下述 步骤：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115392156 A 2根据真实DEM颗粒的位置构建相同圆心， 且直径为4倍颗粒直径的虚拟球， 在虚拟球覆 盖范围内的CFD网格确定 真实DEM颗粒的孔隙率计算关联网格； 随后将颗粒体积均匀划分至 虚拟球所确定孔隙率计算关联网格； 同一CFD 网格允许关联至不同DEM颗粒， 即存在重叠孔 隙率计算关联网格， 因此某一网格内局部孔隙率可由式(3)计算： 式(1)中， ε为局部孔隙率， Vp为颗粒i体积， Vrc为颗粒i的孔隙率计算关联网格总体积； 8.5)耦合作用模块将局部孔隙率及动量源项导入至 CFD模块； 8.6)在CFD模块中首先通过考虑颗粒相体积分数的VOF模型求解基于流体速度的输运 方程， 追踪河流自由液面演化过程实现滑坡涌浪传播的模拟： 式(4)中， α1为水相体积分数， 为u流体速度， ur为相对速度， 也称压缩速度； 8.7)在CFD模块 中通过PISO算法， 求解流体控制方程， 所述流体控制方程包括动量方程 (5)及连续性方程(6)， 根据所述流体控制方程的求解结果更新流体域速度场及压力场， 直 至收敛； 8.8)将流体域速度场、 压力场及流体材料参数传输至耦合作用模块， 随后在耦合作用 模块中计算耦合作用力并传递至DEM模块； 重新返回至8.1步开始下一个计算循环， 直至达 到模拟时长 。 3.根据权利要求1所述的一种基于DEM ‑CFD耦合计算的滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链模拟方 法， 其特征在于， 第一步中， 所述滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链区域根据案例实际情况确定； 所述 边界命名应包括上游边界， 下游边界， 顶部边界等一种或多种， 根据河流流向及高程方向确 定。 4.根据权利要求1所述的一种基于DEM ‑CFD耦合计算的滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链模拟方 法， 其特征在于， 第二步， 所述材料参数包括粒径分布、 密度、 泊松比、 剪切模量中的一种或 多种。 5.根据权利要求1所述的一种基于DEM ‑CFD耦合计算的滑坡 ‑堵江‑涌浪灾害链模拟方 法， 其特征在于， 第二步， 所述接触参数包括恢复系数、 摩 擦系数、 滚动摩擦系数中的一种或 多种； 所述滑坡体模拟参数应根据具体滑坡体物理特性确定 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115392156 A 3