基于ABAQUS的泥石流对不同桥墩冲击模拟研究

基于ABAQUS的泥石流对不同桥墩冲击模拟研究

孙鸿斌

沧州黄骅港矿石港务有限公司河北沧州061113

摘要：泥石流的破坏作用非常严重，已经成为自然界首屈一指的灾害。然而，因其具有发生迅速、运动快、浓度大、破坏性强等特点，使得对其研究难度很大。目前，对于泥石流的研究主要是通过实地检测，记录数据、收集数据，然后整理数据，利用有限元软件进行分析，得到有效的结果，为实际工程提供必要依据。本文应用大型有限元软件ABAQUS中的CFD功能研究分析泥石流在遇到不同形式的桥墩时，所表现出来的压力、速度、流场等变化情况。

关键词：ABAQUSCFD；泥石流；速度；桥墩

ABAQUS/CFDpreliminarysimulationresearchof

debrisflow

ZhangHaiting，SunHongbin

（YanshanUniversity，QinHuangdao066004，China）

Abstract：Debrisflowdamageisveryserious，havingbecomealeadingnaturaldisasters.Butthatitshappenfast，movementquickly，highconcentrationandstrongdestructive，makestheresearchonitharderandharder.Atpresent，mainlybythefieldtest，recordingdata，collectingdata，andthensortingdata，usingthefiniteelementanalysissoftware，wecangeteffectiveresults，andprovidenecessarybasisforpracticalengineering.Inthispaper，usingtheCFDofthelarge-scalefiniteelementsoftwareABAQUSanalyzeswhenthedebrisflowindifferentformsofbridgepier，itschangesofpressure，velocityandflowfield.

Keywords：ABAQUSCFD；Debrisflow；Speed；Bridgepier

0引言

泥石流，顾名思义就是指含有大量泥沙、石块及固体松散堆积物的洪水，由于暴雨或者暴雪等自然灾害的作用，发生突然的流动，对建筑物造成很大的破坏。它是一种相对比较特殊的洪流，流动时会携带大量的泥、砂、石等固体杂质，对建筑物如房屋、路基和桥墩等形成非常大的破坏力。松散堆积物主要包括残积物、坡积物、洪积物和人工弃渣以及过去泥石流遗留下来的堆积物等物质，通过崩塌、坠落和溜滑等方式进入沟道或者堆积于谷坡坡麓，成为泥石流的主要储备物源，极易在降雨的激发下发生流动[1]。因此，对于泥石流和普通流体的不同在于，它的破坏作用主要由两部分组成：1、大石块的冲击；2、固体物质的整体性冲击。

计算流体力学是一门综合运用应用物理学、应用数学以及计算机科学模拟流体流动状态的工程科学，英文拼写ComputationalFluidDynamics，简称CFD。对其研究开始于20世纪六十年代中期，后来得到了飞速发展，虽然计算机硬件工业的先进性已经提供了必要的物质基础外，但由于解析问题的复杂性和费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD的方法正具有成本低和能数值分析模拟较复杂和较理想的过程等优点。在给定的参数作用下计算机对课题进行一次数值模拟就等同于进行了一次数值实验，研究领域也曾经有过开始由CFD数值模拟发现新问题而最后在实验研究下证实的例子。

ABAQUS/CFD是集成在有限元软件ABAQUS中用于求解流体力学问题的模块。ABAQUSCFD采用混合有限体积法和有限元法的求解方法来计算不可压缩的层流和湍流问题，具有较高的求解精度，在集成的FEA/CFD多物理环境中能获得可扩展的CFD解析[2]。本文通过利用ABAQUS/CFD研究泥石流整体在遇到不同形式的桥墩作用时所表现出来的压力、速度等变化情况，然后对计算结果进行初步的分析。

主要变化情况是，流速会在遇到第一个桥墩时发生突然地降低，然后升高趋于一个稳定数值，但是在第二个桥墩时，到达的稳定值要比前面的那个较大，这可能是卡门涡街的作用，导致在后一个流速值更大一些，不过并不是很明显。通过图示可以明显的看出泥石流速度在不同形式桥墩作用下的变化情况，矩形的相对于圆形的稍微快一些，但是圆端形桥墩很快的就趋向稳定了，可以看作是前两者的叠加形式。

4结论

本文通过ABAQUS/CFD模拟某山区泥石流在圆形、矩形和圆端形三种形式的桥墩作用下压力场、流速场等的变化情况，得到以下结论：

（1）泥石流冲击第一个桥墩时，产生的压力三种情况下变化不大，主要是在与第二个桥墩接触时，圆端形形式的压力更小一些，对桥墩的破坏情况更不明显，实际工程中优先考虑；

（2）泥石流流速场的变化比较明显，圆端形形式的桥墩作用下流速很快趋于稳定状态，并且通过提取两桥墩中间位置的速度与时间的变化曲线也可以很清晰的看出流速的改变情况。

参考文献：

[1]胡明鉴，汪稔等.泥石流启动过程PFC数值模拟[J].岩土力学，2010，31（S1）：394-397

[2]岑毅.基于ABAQUS/CFD的流体力学分析[J].科技传播，2013，（13）：199-200

[3]陈宁生等.基于浆体的泥石流容重计算[J].成都理工大学学报（自然科学版），2010，37（2）：137-168

[4]覃月璋.泥石流对桥墩的冲击作用研究[D].西南交通大学硕士论文，2014