Flac3D 中文流體計算

1、Flac3D 中文手冊FLAC3D的計算模式中是否需要做孔壓分析取決于是否采用config fluid命令。1 無滲流模式（不使用config fluid）即使不使用命令config fluid，仍然可以在節(jié)點上施加孔壓。這種模式下，孔壓將保持為常量。如果采用塑性本構模型的話，材料的破壞將由有效應力狀態(tài)來控制。節(jié)點上的孔壓分布可由initial pp命令或water table命令來設定。如果采用water table命令，由程序自動計算水位線以下的靜水孔壓分布。此時，必須施加流體密度（water density）和重力（set gravity）。流體密度值和水位位置可以用命令print wa

2、ter顯示。如果水位線是由face關鍵字來定義的，則可用命令plot water命令顯示水位。這兩種情況，單元的孔壓都由節(jié)點孔壓值平均求出，并在本構模型計算中用作有效應力。這種計算模式下，體積力中不反映流體的出現(xiàn)：用戶必須根據(jù)水位線以上或以下相應地指定干密度和濕密度。使用命令print gp pp和priint zone pp可分別得到節(jié)點或單元孔壓。plot contour pp命令可繪出節(jié)點孔壓云圖。2 滲流模式（使用config fluid）如果使用命令config fluid，則可進行瞬時滲流分析，孔壓改變和潛水面的改變都可能出現(xiàn)。在config fluid模式下，有效應力計算（靜態(tài)孔

3、壓分布）和非排水計算均被執(zhí)行。除此之外，還可進行全耦合分析，這種情況下，孔壓改變將使固體產生變形，同時體積應變反過來影響孔壓的變化。如果采用滲流模式，單元孔壓仍由節(jié)點孔壓平均求出。但這種模式，用戶只能指定干密度（不論是水位以上還是以下），因為FLAC3D將流體的影響考慮到了體積力的計算中。采用滲流模式時，滲流模型必須施加到單元上，使用命令model fl_isotropic模擬各向同性滲流，model fl_anisotropic模擬各向異性滲流，model fl_null模擬非滲透物質。注意，力學模型為空的單元并不代表滲流模型為空。流體性質（參數(shù)）可施加到單元或節(jié)點上。各向同性滲透率、孔隙率

4、、比奧系數(shù)和非排水熱系數(shù)等單元流體性質由命令property施加。對于各向同性滲流，滲透率通過perm關鍵字賦予。對各向異性滲流，滲透率的3個主值采用關鍵字k1,k2,k3賦予，主方向由關鍵字fdip,fdd,frot確定。滲透率的主方向服從右手系統(tǒng)。fdip和fdd分別為k1和k2確定的平面的傾向和傾角。frot為k1軸和傾角矢量的旋轉角。如果不特別指定，比奧系數(shù)默認為1，孔隙率默認為0.5。節(jié)點的滲流性質由命令initial指定。這些性質包括流體重度、流體體積模量、比奧模量、流體抗拉強度和飽和度。每種性質在空間上都可以變化。流體重度也可以用water命令給出。在滲流模式里，有必要知道可壓縮

5、性被定義在以下兩種參數(shù)中：（1）比奧系數(shù)和比奧模量；（2）流體體積模量和孔隙率。第一種參數(shù)表征的是固體顆粒的可壓縮性（對不可壓縮顆粒，比奧系數(shù)設為1）。對第二種參數(shù)，固體顆粒被認為是不可壓縮的。單元屬性可由命令print zone property顯示，節(jié)點屬性由print gp命令顯示。流體重度，如果隨著水位位置被確定，則可由print water命令顯示。滲流性質可由命令plot bcontour property顯示。對于各向異性滲流，滲透率的各球形分量可通過使用單元的屬性關鍵字kxx,kyy,kzz,kxy,kxz,kyz來顯示（注意，這些球形分量不可被直接初始化）。初始節(jié)點孔壓分布的

6、施加對于滲流模式和非滲流模式都是一樣的（如，要么用initial pp命令或用water table命令）。在指定節(jié)點可用命令fix pp或free pp對孔壓固定或釋放。流體涌入或滲漏或可由命令apply施加。滲流計算由命令set fluid和solve控制。如，set fluid on或off命令開啟或關閉滲流計算模式。具體使用開啟或關閉模式取決于滲流分析的耦合程度。滲流分析結果以下面這些命令給出。命令print gp pp和print zone pp分別給出節(jié)點和單元孔壓。節(jié)點和單元孔壓歷史可由命令histroy gp pp和命令history zone pp進行監(jiān)測。對于瞬時計算，孔壓

7、與時間的關系可由命令history fltime監(jiān)測。命令plot contour pp繪出節(jié)點孔壓云圖。命令plot contour saturation繪出飽和度云圖。命令plot fluid繪出流量矢量圖。滲流模式的所有信息由命令print fluid命令給出。FISH還提供了一些滲流變量。其中一個與節(jié)點有關的變量gp_flow，只能通過FISH函數(shù)使用。該變量描述了通過節(jié)點的凈流入或流出量。因為可以提供一個系統(tǒng)總的流入或流出量，這些流量的統(tǒng)計在孔壓固定的邊界是很有用的。滲流邊界條件，初始條件FLAC3D默認為不透水邊界，即認為所有節(jié)點上的孔壓隨著從鄰近單元流入或流出的量發(fā)生自由變化?？?/p>

8、以使用命令fix pp將節(jié)點上的孔壓設為“自由”，也可使用free pp使節(jié)點上的孔壓“固定”。如果孔壓固定，流體可以在外邊界上流入或流出節(jié)點。下面總結這兩種邊界條件的影響：1，孔壓自由這是默認的不透水邊界條件。節(jié)點與外界之間不發(fā)生流量交換。系統(tǒng)根據(jù)當前飽和度值和流體是否形成渦凹現(xiàn)象來計算壓力和飽和度變化。2，孔壓固定這是一種流體通過外界流入或流出的邊界條件。如果設定孔壓為0，飽和度才可能變化。否則，飽和度被設為1（FLAC3D假設孔壓只在完全飽和材料中存在）?？讐翰荒鼙还潭ㄔ诘陀诶O限的值，如果出現(xiàn)這種情況，F(xiàn)LAC3D會將其設定到拉力極限值。如前所述，邊界條件不是任意的。FLAC3D在進

9、行計算前會“檢查”并“修正”這些條件。可使用fix pp命令將孔壓固定在某個值，也可在外邊界或內邊界上使用命令apply pp。如果邊界條件被用于一個非表面節(jié)點，則必須加關鍵字interior。apply命令具有可以用“歷史”命令進行監(jiān)測的優(yōu)點。滲流邊界條件可以通過apply命令用在單個或部分節(jié)點、單元面或單元上。命令apply pwell為邊界節(jié)點指定了一個流入或流出井。如果加上interior關鍵字，則該條件用于內部節(jié)點。命令apply discharge和apply leakage為邊界單元的表面分別指定了涌出和滲漏邊界條件。命令apply vwell為指定區(qū)域內的單元提供一個流速。這些

10、邊界條件除了apply leakage外，均可使用history監(jiān)測命令。具有固定孔壓節(jié)點就好像是流入源或流出源。沒有直接的命令顯示這些節(jié)點的流入或流出量。但可通過FISH變量gp_flow來記錄?？讐旱某跏挤植?，孔隙率，飽和度和流體屬性可通過命令initial或property施加。如果還加了重力，則孔壓初始分布應與重力梯度，水的重度和節(jié)點飽和度和孔隙率相容。如果這些初始分布不相容，則計算開始時所有單元中將出現(xiàn)流體流動。因此，應在模擬開始時設一定的計算步來檢驗初始條件是否相容。如果模型中含有接觸面，有效應力將沿著這些接觸面進行初始化（即：在節(jié)點應力初始化時，認為接觸面應力包含孔壓）。wate

11、r lable命令將包含沿著接觸面的孔壓，這是因為定義在單元節(jié)點上的孔壓也在接觸面節(jié)點上。如果接觸面的上下兩面連在一起，在沒有阻力時，將發(fā)生穿越接觸面的流體流動。但程序不對沿著接觸面的流體流動（裂隙流）進行計算。單滲流與滲流耦合問題FLAC3D既能進行單滲流分析，也能進行固流耦合分析。耦合分析可由FLAC3D內置力學模型完成。但要注意，滲流模型中的空單元并不是力學空單元。必須用命令model fl_null給單元賦予流體空屬性。對于耦合過程，F(xiàn)LAC3D提供了幾種計算模式。其中之一是假設孔壓一旦被賦予便不再改變。該方法并不要求任何額外空間存儲計算過程。除此之外涉及到滲流的計算模式都要求使用命令

12、config fluid。命令model fl_iso使所有單元中都能發(fā)生滲流。不同的耦合計算模式在下面討論。一般情況下，在能跟所模擬問題的物理過程相似的情況下，應使用盡可能簡單的模式。計算模式的選擇根據(jù)以下幾個方面確定。時間比例對所需模擬的滲流或耦合問題用FLAC3D估計與涉及的不同進程相關的時間比例是非常有用的。對有關研究問題的時間度量和擴散性的認識有助于估計最大網(wǎng)格寬度、最小區(qū)域尺寸、時步大小和計算可行性。如果不同進程的時間比例相差太大，則很可能采用一種簡單的（非耦合）方法。時間比例可用特征時間給出。以下這些由量綱分析得出的定義，都是基于解析的連續(xù)源理論表達式。它們可用于得出FLAC3D

13、分析的大致時間比例。力學過程特征時間、流體擴散過程特征時間流體擴散率FLAC3D中使用了取決于控制過程的儲水系數(shù)的幾種形式：流體存儲系數(shù)、地下潛水相存儲系數(shù)、彈性存儲系數(shù)以上定義，有幾點特性值得注意：（1）因為FLAC3D中顯式的時步對應于最小區(qū)域中信息從一個節(jié)點傳到下一節(jié)點所需要的時間，時步的大小可用計算特征時間公式中特征長度的最小區(qū)域來估計。重要的是注意FLAC3D中在用流體擴散率（即使是在耦合模擬中）計算顯式流體時步。因此，時步的大小可用特征長度的最小區(qū)域尺寸來估計。（2）在飽和流體問題中，簡化的體積模量不但導致時步的增加，同樣導致到達穩(wěn)定狀態(tài)時間的增加，所以總步數(shù)增加，該總步數(shù)可用模型

14、和最小區(qū)域的特征長度來估計。（3）在部分飽和流體流動問題中，可通過調整流體體積模量加速收斂以趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但要注意不可將體積模量減小太多以至產生數(shù)值不穩(wěn)定。數(shù)值穩(wěn)定條件能由流體儲量在一個特征長度區(qū)域的高度上必須保持低于地下潛水儲量的要求推導而出。（4）為避免擴散問題中的邊界效應，模型的特征長度必須大于某個尺度。同樣，最小模擬時間由某個關系式控制。（5）在耦合流體問題中，實際擴散率由流體剛度與巖土介質的剛度比來控制。完全耦合模擬方法的選擇用FLAC3D進行完全耦合的準靜態(tài)固流耦合分析通常要耗費大量時間，且有時候并不必要。很多情況下，可使用不同程度的非耦合方法簡化分析并加快計算速度。下面的例子給出

15、了對應于流固耦合的不同水平的FLAC3D模擬方法。選擇計算方法時有3個主要的因素需要考慮：（1）模擬時間比例和擴散過程的特征時間；（2）耦合過程中強制擾動特性；（3）流固剛度比。時間比例首先通過從擾動的開始階段計算時間來考慮時間比例因素。定義分析所需要的時間（模擬時間），對應于耦合擴散過程的特征時間。短期行為（不排水）如果對應于耦合擴散特征時間，分析所需時間非常短，在模擬結果中流體流動的影響幾乎可以忽略不計，則可采用不排水模擬（config fluied,set fluid off）。數(shù)值模擬中不涉及真實的時間，但如果給流體體積模量一個實際值，則體積應變將導致孔壓的變化。長期行為（排水）如果分

16、析所需時間大于耦合擴散特征時間并在模擬時間到達時排水，則孔壓場可不耦合到立場中。穩(wěn)定狀態(tài)的孔壓場可用單純流動模擬確定（set fluid on, set mech off）（不代表擴散率），然后力學場可通過在設置流體模量為0的力學模式中（set mech on, set fluid off）計算到平衡狀態(tài)獲得。（嚴格說，這種方法僅對彈性材料有效，因為塑性材料力學行為是與路徑有關的）。另外一種描述時間比例的方法是不排水行為和排水行為。嚴格地說，不排水表示與模型外界無流體交換。排水則是與模型外界有完全的流體交換，這就意味著流體壓力能在各處達到平衡。由于不排水試驗通常所需時間很短，而排水試驗則需要很

17、長的時間以使多余的流體壓力消散，因此，“排水”和“不排水”這兩個詞常分別和“短期行為”和“長期行為”聯(lián)系在一起。在現(xiàn)場，“短期行為”通常意味著流體流動可以忽略，而“長期行為”則意味著幾乎所有壓力降都變?yōu)?（這需要一個很長的過程）。注意在無滲流計算模式（不使用config fluid）和短期行為模式（使用config fluid,set fluid off）的模擬過程中，由于施加的孔壓發(fā)生變化而產生的總應力的修正并不是通過程序在內部執(zhí)行。但是，孔壓增量可用FISH函數(shù)監(jiān)測，并用于減小循環(huán)到力學平衡前的總法向應力。如果地下水位已在網(wǎng)格內部移動，同時需要調整飽和及非飽和的質量密度。強制擾動到耦合進程

18、的特性將擾動強加到完全耦合的固流系統(tǒng)可能導致流體流動邊界條件和力學邊界條件的改變。如，流向位于層間含水層內的井的瞬時流體流動是由井內孔壓變化引起的。作為公路路堤建設成果的飽和地基的固結是由路堤高度確定的力學載荷控制。如果擾動是由于孔壓的變化，很可能流體流動進程可不與力學過程耦合。如果是固體產生的擾動，非耦合的程度取決于流固剛度比。剛度比相對剛度比對用于解決固流耦合問題的模擬方法有重要影響：相對剛性巖土介質（相對剛度比遠小于1）如果巖土介質骨架剛度很大（或者流體是高壓縮性的）且相對剛度比很小，孔壓的擴散方程可以不耦合，因此擴散率有流體控制。建模方法取決于流體或固體擾動的力學機制：（1）在固體控制

19、的模擬中，孔壓可假設保持不變。在彈性模擬中，固體表現(xiàn)的力學行為好像流體不存在；但在塑性分析中，孔壓壓力的出現(xiàn)可能導致破壞。這種模擬方法在邊坡穩(wěn)定性分析中使用。（2）在孔壓控制的彈性模擬中（如由于流體被擠出導致的沉降），體積應變不顯著影響孔壓場，且流體的計算可獨立進行（set fluid on, set mech off）（這種情況下，擴散率是精確的，因為對于相對剛度比小于1，總壓縮系數(shù)等于流體擴散率）。一般地，孔壓變化會影響應變，且這種影響可以通過隨后在力學模式中將模型循環(huán)到平衡狀態(tài)來加以研究（set mech on, set fluid off）。相對柔性巖土介質（相對剛度比遠大于1）如果巖

20、土介質骨架剛度很?。ɑ蛄黧w不可壓縮），且相對剛度比很大，則巖土骨架控制系統(tǒng)擴散率的耦合。模擬方法也取決于控制的力學機制。（1）在力學控制的模擬中，計算可能比較耗時。FLAC3D的顯式時步可能會很小，為增加時步，可減小流體模量。注意，流體模量不應該設置得大于流體的實際值。（2）在多數(shù)孔壓控制系統(tǒng)的實際例子中，經驗表明，孔壓場和力學場的耦合是微弱的。如果介質是彈性的，可用單純流動模式（set mech off, set fluid on）計算，然后在單純力學模式（set mech on, set fluid off）中計算到平衡。必須注意為保持系統(tǒng)的擴散率（以及特征時間比例），流體模量必須在流體計算階段調整到某一值，且在力學計算階段為0，以防通過體積應變進一步調整。對于建模