基于流固耦合算法多孔介质的有限元建模分析
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近年来 ， 固耦合 问题 越来 越 受到人 们 的重 视 ， 方面 的研究 也 已涉 及许 多领 域 。如 地 面沉 降 、 库 诱 发 地 流 这 水
震 、 坝稳 定 性 、 堤 煤层 瓦斯 渗 流等 ； 技 术上 与不 同工程 领域 如 土木 、 空 航天 、 从 航 船舶 、 动力 、 洋 、 海 石化 、 械 、 机
介 质在 流 固耦 合作 用 下的 变形 情况 。 中 图分 类 号 ： ＴＵ３ ２ ３ 文献标 志码 ： ９． Ａ
０ 引 言
传 统 的输 液 管道 系统 振动 分析 不考 虑流 体流 动 的多孔 介 质对 管 道 的影 响 ， 及认 为 多 孑 介质 骨 架 是 完 全 Ｌ 刚性 的 ， 在孔 隙 流体 压力 变化 过程 中 ， 固体骨 架不 产生 任 何弹 性或 塑 性 的变 形 ， 对输 液 管 道 振 动 分析 不 产 生 影 响 。这 是将 此 问题 作为 非耦 合 问题 来 研 究 ， 然 得 到 简化 ， 不切 合 实 际 ， 到 的 结 果 也是 不 精 确 的［ 。 虽 却 得 １ ］
１ ＡＤＩ 有 限元 建 模 ＮＡ
１ １ 建 模 方 法 介 绍 ．
ＡＤ ＮＡ 提供 了两 种建 模 的基本 方 法—— ｎ ｔ ｅ Ｓｍｐｅ 和 ｐ ｒｓ ｌ （ － ｐ 建模 Ｌ 。Ｎａｉｅ 模 是 一 Ｉ ａｉ （ ｉ ｌ） ａａｏｉ Ｂ Ｒｅ ） ｖ ｄ ４ ］ ｔ 建 ｖ 种 传统 的建模 方 法 ， 几何 元 素包 括 几 何 点 （ ｏｎ ） 几何 线 （ｉｅ 、 何 面 （ ｕｆｃ） 几 何 体 （ ｌｍｅ 等 。 其 ｐ ｉｔ 、 １ ）几 ｎ Ｓ ｒａｅ 、 Ｖｏｕ ） 每 个线 、 面和 体形 状 比较简 单 ， 能够 独立 进行 网格 剖分 。Ｎ ｔ ｅ 何 建模 方 式 是一 种从 底 向上 的建 模 方式 ， ａｉ 几 ｖ 由点 生成 线 ， 由线 生成 面 ， 由面 生成 体 。Ｐ ｒｓｌ （ － ｐ 建模 是 一 种 最 为广 泛 的 ３ 复 杂实 体 模 型 建 模 再 ａａｏｉ Ｂ Ｒｅ ） ｄ Ｄ 技术 ， 使用 边 界 曲面表 达法 描 述每个 实体 ， 个实 体都 典 型 的描述 了一个 要 进行 网格 划 分 的完 整 几 何 结构 。 每 其几何 元 素 为 Ｂ ｄ 、 ａ ｅＥｄ ｅ Ｐ ｉｔ其 中 Ｆ ｃ ｏ ｙ Ｆ ｃ 、 ｇ 、 ｏｎ ， ａｅ和 Ｅ ｇ 能作 为 Ｂ ｄ ｄ ｅ只 ｏ ｙ的组 成 部 分 存 在 ， 不 能 单 独 存 而
收稿 日期 ：０ ００ —８ ２ １ －９２
１６ ２
河北 理工 大学学报 （ 自然科拟 的 问题是水 道 中间有 块板 ， 为多孔 介质 属性 ， 可 以从 板渗透 过去 ； 水 由于 板两侧 有压 差存 在 ， 将 导致 板发 生变 形 。 １ ２ 建模 过 程 ． １ ２ １ 建立 结构模 型 ． ．
Ａｕ ． ０ ｇ ２ １ １
２１ ０ １年 ８月
文章 编 号 ：６ ４０ ６ （０ １０ —１ ５０ １ ７—２ ２ ２ １ ） ３０ ２ —４
基 于流 固耦 合 算 法 多孔 介 质 的有 限元 建 模 分 析
张杰 ， 卜祥 英 ， 通 杨
（ 北联合大学 河北省地震工程研究中心 ， 北 唐 山 ０３０） 河 河 ６ ０ ９
在 。Ｐ ｒｓｌ ａａｏｉ ｄ提供 了一系列 基本 几何 体 ， 过 布尔 操 作将 几 何 体 相加 减 ， 立 分 析需 要 的几 何 模 型 。两 种 通 建 方法 建 立 的几 何 模型 在几 何形 状和 尺寸 上完 全相 同 ， 但在 网格划 分 上有 所 不 同 。Ｎａｉｅ建 立 的模 型 在 划 分 ｔ ｖ 网格时 生成 的 网格质 量 比 ｐ ｒｓｌ ａａｏｉ 成 的 网格 质 量 要较 好 些 ， ｄ生 网格 更 加 规 则［ 。Ｐ ｒｓｌ ５ ］ ａａｏｉ 立 的 模 型 在 ｄ建 运算 时 容 易 出现 网格 扭 曲 ， 而导致 模 型不能 运行 。 从
翻
・
定 义几 何模 型 ： 采用 ｎ ｔ ｅ 模方 法 ， ｅｉ 建 ｖ 通过 点 、 、 的方式 建立 出多孔 介质 属性 的水 道 中间 板 ， 寸选 线 面 尺
第 ３卷 ３
第 ３期
河北 理工大 学 学报 （ 自然科学 版 ）
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｂ ｉ ｏｙｅｈ ｉ Ｕ ｉ ｒｉ Ｎａｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅＥ ｉ ｏ ） ｏ ｒ ａ ｏ ｅ Ｐ ｌｔ ｎｃ ｎｖ ｓ ｙ（ ｔ ｒｌ ｃ ｃ ｄｔ ｎ Ｈｅ ｃ ｅ ｔ ｅ ｉ
Ｖｏ． ３ Ｎ ． １３ ｏ ３
关 键词 ： 多孔介 质 ； 固耦 合 ； Ｉ 流一 ＡＤ ＮＡ
．
摘 要 ： 多孔介 质 流 固耦 合 的研 究 已被 广 泛 学者重视 ， 回顾 国内外 学者对 流 固耦 舍模 型 理论 在 进 展状 况 的基础 上 ， 主要 介 绍 了 多孔介 质 流 固耦 合 的基础 理论 ， 以有 限元 分析 软件 ＡＤ ＮＡ 为 Ｉ 平 台， 考虑 流 固耦合 分析 算 法 ， 建立 了 多孔介 质 的 三 维有 限 元模 型 ， 过 分析 计 算 得 到 了多孔 通
核 动力 、 地质 、 物工 程等 均有 关 系［ 。流 固耦 合 问题也 广泛 存在 于石 油工 业 中 ， 生 ２ ］ 如注 采过 程 中 的油 藏 渗 流 、 井 壁稳 定 、 井 和套 管 的损 坏 、 油 产层 出砂 、 水力 压 裂 、 层失 稳坍 塌等臼 。 地 ］ 流 固耦合 作 用对埋 地 管道 破坏 的影 响分 析 的研 究 日趋成 熟 ， 广泛 应 用工 程 实 际 ， 取得 了实 际 效 益 。 已 并 多 孔介 质 流 固耦 合 的研 究 也 吸引 了大批 工作 者逐 步深 入 ， 文 的工作 以有 限元 分析 软 件 ＡＤＩ 为平 台 ， 本 ＮＡ 介 绍 建模 方 法 ， 建立 多孔 介质 流 固耦合 有 限元模 型 。
震 、 坝稳 定 性 、 堤 煤层 瓦斯 渗 流等 ； 技 术上 与不 同工程 领域 如 土木 、 空 航天 、 从 航 船舶 、 动力 、 洋 、 海 石化 、 械 、 机
介 质在 流 固耦 合作 用 下的 变形 情况 。 中 图分 类 号 ： ＴＵ３ ２ ３ 文献标 志码 ： ９． Ａ
０ 引 言
传 统 的输 液 管道 系统 振动 分析 不考 虑流 体流 动 的多孔 介 质对 管 道 的影 响 ， 及认 为 多 孑 介质 骨 架 是 完 全 Ｌ 刚性 的 ， 在孔 隙 流体 压力 变化 过程 中 ， 固体骨 架不 产生 任 何弹 性或 塑 性 的变 形 ， 对输 液 管 道 振 动 分析 不 产 生 影 响 。这 是将 此 问题 作为 非耦 合 问题 来 研 究 ， 然 得 到 简化 ， 不切 合 实 际 ， 到 的 结 果 也是 不 精 确 的［ 。 虽 却 得 １ ］
１ ＡＤＩ 有 限元 建 模 ＮＡ
１ １ 建 模 方 法 介 绍 ．
ＡＤ ＮＡ 提供 了两 种建 模 的基本 方 法—— ｎ ｔ ｅ Ｓｍｐｅ 和 ｐ ｒｓ ｌ （ － ｐ 建模 Ｌ 。Ｎａｉｅ 模 是 一 Ｉ ａｉ （ ｉ ｌ） ａａｏｉ Ｂ Ｒｅ ） ｖ ｄ ４ ］ ｔ 建 ｖ 种 传统 的建模 方 法 ， 几何 元 素包 括 几 何 点 （ ｏｎ ） 几何 线 （ｉｅ 、 何 面 （ ｕｆｃ） 几 何 体 （ ｌｍｅ 等 。 其 ｐ ｉｔ 、 １ ）几 ｎ Ｓ ｒａｅ 、 Ｖｏｕ ） 每 个线 、 面和 体形 状 比较简 单 ， 能够 独立 进行 网格 剖分 。Ｎ ｔ ｅ 何 建模 方 式 是一 种从 底 向上 的建 模 方式 ， ａｉ 几 ｖ 由点 生成 线 ， 由线 生成 面 ， 由面 生成 体 。Ｐ ｒｓｌ （ － ｐ 建模 是 一 种 最 为广 泛 的 ３ 复 杂实 体 模 型 建 模 再 ａａｏｉ Ｂ Ｒｅ ） ｄ Ｄ 技术 ， 使用 边 界 曲面表 达法 描 述每个 实体 ， 个实 体都 典 型 的描述 了一个 要 进行 网格 划 分 的完 整 几 何 结构 。 每 其几何 元 素 为 Ｂ ｄ 、 ａ ｅＥｄ ｅ Ｐ ｉｔ其 中 Ｆ ｃ ｏ ｙ Ｆ ｃ 、 ｇ 、 ｏｎ ， ａｅ和 Ｅ ｇ 能作 为 Ｂ ｄ ｄ ｅ只 ｏ ｙ的组 成 部 分 存 在 ， 不 能 单 独 存 而
收稿 日期 ：０ ００ —８ ２ １ －９２
１６ ２
河北 理工 大学学报 （ 自然科拟 的 问题是水 道 中间有 块板 ， 为多孔 介质 属性 ， 可 以从 板渗透 过去 ； 水 由于 板两侧 有压 差存 在 ， 将 导致 板发 生变 形 。 １ ２ 建模 过 程 ． １ ２ １ 建立 结构模 型 ． ．
Ａｕ ． ０ ｇ ２ １ １
２１ ０ １年 ８月
文章 编 号 ：６ ４０ ６ （０ １０ —１ ５０ １ ７—２ ２ ２ １ ） ３０ ２ —４
基 于流 固耦 合 算 法 多孔 介 质 的有 限元 建 模 分 析
张杰 ， 卜祥 英 ， 通 杨
（ 北联合大学 河北省地震工程研究中心 ， 北 唐 山 ０３０） 河 河 ６ ０ ９
在 。Ｐ ｒｓｌ ａａｏｉ ｄ提供 了一系列 基本 几何 体 ， 过 布尔 操 作将 几 何 体 相加 减 ， 立 分 析需 要 的几 何 模 型 。两 种 通 建 方法 建 立 的几 何 模型 在几 何形 状和 尺寸 上完 全相 同 ， 但在 网格划 分 上有 所 不 同 。Ｎａｉｅ建 立 的模 型 在 划 分 ｔ ｖ 网格时 生成 的 网格质 量 比 ｐ ｒｓｌ ａａｏｉ 成 的 网格 质 量 要较 好 些 ， ｄ生 网格 更 加 规 则［ 。Ｐ ｒｓｌ ５ ］ ａａｏｉ 立 的 模 型 在 ｄ建 运算 时 容 易 出现 网格 扭 曲 ， 而导致 模 型不能 运行 。 从
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・
定 义几 何模 型 ： 采用 ｎ ｔ ｅ 模方 法 ， ｅｉ 建 ｖ 通过 点 、 、 的方式 建立 出多孔 介质 属性 的水 道 中间 板 ， 寸选 线 面 尺
第 ３卷 ３
第 ３期
河北 理工大 学 学报 （ 自然科学 版 ）
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｂ ｉ ｏｙｅｈ ｉ Ｕ ｉ ｒｉ Ｎａｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅＥ ｉ ｏ ） ｏ ｒ ａ ｏ ｅ Ｐ ｌｔ ｎｃ ｎｖ ｓ ｙ（ ｔ ｒｌ ｃ ｃ ｄｔ ｎ Ｈｅ ｃ ｅ ｔ ｅ ｉ
Ｖｏ． ３ Ｎ ． １３ ｏ ３
关 键词 ： 多孔介 质 ； 固耦 合 ； Ｉ 流一 ＡＤ ＮＡ
．
摘 要 ： 多孔介 质 流 固耦 合 的研 究 已被 广 泛 学者重视 ， 回顾 国内外 学者对 流 固耦 舍模 型 理论 在 进 展状 况 的基础 上 ， 主要 介 绍 了 多孔介 质 流 固耦 合 的基础 理论 ， 以有 限元 分析 软件 ＡＤ ＮＡ 为 Ｉ 平 台， 考虑 流 固耦合 分析 算 法 ， 建立 了 多孔介 质 的 三 维有 限 元模 型 ， 过 分析 计 算 得 到 了多孔 通
核 动力 、 地质 、 物工 程等 均有 关 系［ 。流 固耦 合 问题也 广泛 存在 于石 油工 业 中 ， 生 ２ ］ 如注 采过 程 中 的油 藏 渗 流 、 井 壁稳 定 、 井 和套 管 的损 坏 、 油 产层 出砂 、 水力 压 裂 、 层失 稳坍 塌等臼 。 地 ］ 流 固耦合 作 用对埋 地 管道 破坏 的影 响分 析 的研 究 日趋成 熟 ， 广泛 应 用工 程 实 际 ， 取得 了实 际 效 益 。 已 并 多 孔介 质 流 固耦 合 的研 究 也 吸引 了大批 工作 者逐 步深 入 ， 文 的工作 以有 限元 分析 软 件 ＡＤＩ 为平 台 ， 本 ＮＡ 介 绍 建模 方 法 ， 建立 多孔 介质 流 固耦合 有 限元模 型 。