基于能量密度守恒的粗粒化CFD-DEM方法在岩土材料流固耦合破坏模拟中的高效应用与验证

本文提出了一种基于能量密度守恒原理的粗粒化CFD-DEM（计算流体动力学-离散元）耦合方法，通过建立微观参数标度模型和相间力缩放机制，显著提升了岩土材料流固耦合破坏过程（如突水突泥灾害）的大规模模拟效率。研究验证了该方法在非粘结与粘结颗粒破坏过程中的准确性，为地质灾害防控和工程优化提供了高效计算工具。

　　

Highlight
强粘结颗粒的粗粒化CFD-DEM耦合模型
针对岩石等强粘结材料在流固耦合条件下的独特行为，本研究基于弹簧-键合模型（spring-bond model）提出了一种粗粒化方法。该方法在颗粒缩放过程中同步考虑颗粒间作用力与流固耦合力的平衡，通过能量密度（包括动能、弹性应变能和耗散能）守恒原则建立标度关系，实现了对岩土材料破坏过程的高效模拟。

粗粒化模型验证
与无粘结颗粒不同，强粘结颗粒材料（如岩石）在流体作用下会经历渐进式破坏：初始阶段抵抗高速运动，但随着流体持续作用，部分颗粒键合失效并脱离主体结构。通过对比原始系统、粗粒化系统及未粗粒化系统的颗粒运动轨迹、速度场、位移场、能量密度、平均拖曳力、流失颗粒沉积长度等参数，验证了该方法在模拟岩土材料流固耦合破坏中的准确性和计算优势。

Conclusion
本研究提出的粗粒化方法通过全面考虑动能、弹性应变能、键合应变能及多种耗散形式，显著降低了岩土材料流固耦合模拟的计算成本。数值模拟证实，该方法能精确复现颗粒运动、损伤模式等关键特征，同时计算效率提升显著，为大规模地质灾害（如突水突泥、基坑管涌）模拟提供了可靠工具。