FSSI-CAS2D/3D模型验证
Hsu and Jeng(1994)针对行进波(Progressive wave)在平直密实弹性海床上传播时导致的海床应力和孔隙压力变化,给出了数学上非常严格的闭合解析解。采用FSSI - CAS 2D / 3D耦合模型重现了Hsu and Jeng (1994)所描述的这一物理过程,得到了不同物理属性海床内应力和孔隙压力的数值解;并将FSSI - CAS 2D / 3D的数值解和解析解进行了对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有极好的、令人惊叹的准确性。
长沙理工大学的Lu(2005)针对行进波(Progressive wave)和椭圆余弦波(Cnoidal wave)在平直密实弹性海床上传播时导致的海床应力和孔隙压力变化规律,开展了水槽试验;采用竖向排列的4个孔隙压力传感器测量砂床内部水压力对波浪的动态响应。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型重现了Lu(2005)所开展的物理水槽试验,得到波浪传播过程中砂床内孔隙压力的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的数值解和Lu(2005)试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有极好的准确性和可靠性。
Tsai and Lee(1995)针对反射驻波在平直密实弹性海床上传播时导致的海床应力和孔隙压力变化规律,开展了水槽试验;试验中在水槽一侧采用推板造波机造波,在水槽另一侧砂床末端放置一块坚硬板子,用以反射入射波在板前形成驻波。采用竖向排列的5个孔隙压力传感器(在板子下方),以及水平方向6个孔隙压力传感器测量砂床内部水压力对驻波的动态响应。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型重现了Tsai and Lee(1995)所开展的物理水槽试验,得到波浪传播过程中砂床内孔隙压力的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的数值解和Tsai and Lee(1995)试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有很好的准确性和可靠性。
日本学者Mizutani et al.(1998)针对近海环境中波浪冲击建造在平直密实弹性海床上的水下防波堤这一工况,开展了水槽试验,研究海床和抛石防波堤内部孔隙压力变化规律;试验中在水槽一侧采用摇板造波机造波,在水槽另一侧设置波浪吸收装置,用以避免入射波在水槽端部反射。试验过程中采用a,b,c,d四个波高仪记录波面变化,在砂床和抛石防波堤内部采用A,B,C,D四个压力传感器测量波浪导致的孔隙压力的变化规律。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型重现了Mizutani et al.(1998)所开展的物理水槽试验,得到波浪冲击水下防波堤过程中砂床内抛石防波堤内、孔隙压力的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的数值解和Mizutani et al.(1998)试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有很好的准确性和可靠性。
日本学者Mostafa et al.(1999)针对近海环境中波浪冲击建造在平直密实弹性海床上的复合防波堤这一工况,开展了水槽试验,研究海床和复合防波堤内部孔隙压力变化规律;试验中在水槽一侧采用摇板造波机造波,在水槽另一侧设置波浪吸收装置,用以避免入射波在水槽端部反射。在此类试验中,由于沉箱的阻挡作用,实际上只有极少的波浪能量能够通过抛石堆到达复合防波堤右侧。试验过程中采用a,b,c,d四个波高仪记录波面变化,在砂床和抛石防波堤内部采用A,B,C,D四个压力传感器测量波浪导致的孔隙压力的变化规律。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型重现了Mostafa et al.(1999)所开展的物理水槽试验,得到波浪冲击复合防波堤过程中砂床内、抛石防波堤内孔隙压力的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的数值解和Mostafa et al.(1999)试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有很好的准确性和可靠性。
日本学者Sassa & Sekiguchi(1999)在土工离心机里率先开展了水槽造波方面的试验研究,并且在试验中设置砂床,测量砂床内的波浪动力响应。试验中离心机的加速度为50g,采用粘滞系数是纯水50倍的硅油替代水,以保证砂床内流体渗透流动的相似程度。试验用砂为英国一种标准砂Leighton Buzzard sand(British Standard sieve 100/170),砂床相对密实度Dr=42%,由于试验用砂是一种标准砂,其力学属性参数较好确定;造波参数为水深9cm,波高3.2cm,周期0.09s。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型和PZIII土本构模型重现了Sassa & Sekiguchi(1999)所开展的离心机水槽试验,得到离心机内波浪传播过程中砂床内孔隙压力的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的数值解和Sassa & Sekiguchi(1999)试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有很好的准确性和可靠性。
英国剑桥大学学者Teh et al. (2003)等人针对海底管线的波浪动力响应问题开展了波浪水槽试验。试验中将一根管线放置在砂床之上。水槽长50米,宽1.0米,管线的管径为75mm,试验中造波参数为水深0.75米,波高9.5cm,周期1.25s。松散砂床的力学参数借鉴Chan A H C和Dunn等人2006年发表的论文中的参数。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型和PZIII土本构模型重现了Teh et al. (2003)所开展的海底管线水槽试验,得到波浪传播过程中砂床内孔隙压力的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的数值解和Teh et al. (2003)的试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D具有较好的准确性和可靠性。
Liu et al.(1999)针对非线性孔隙渗流问题开展了一个经典的透坝试验。流体在孔隙介质内高速渗透过程中,不仅仅要受到线性拖曳力的阻挡,还要受到非线性拖曳力的阻碍。Liu et al.(1999)的试验装置是在透明有机玻璃箱内用球状玻璃珠制作一个坝体,在左侧用板子阻挡住水。试验开始时,将阻水的板子迅速抽走,水即可透过玻璃球坝体流向坝体的右侧;试验期间,利用高速摄像机拍摄玻璃坝体内的液面位置。采用FSSI-CAS 2D/3D耦合模型重现了Liu et al.(1999)所开展的非线性渗流试验,得到水渗流过程中液面位置的数值解;并将FSSI-CAS 2D/3D的液面位置数值解和Liu et al.(1999)的试验结果进行对比,发现耦合模型FSSI-CAS 2D/3D针对非线性渗流问题具有极好的准确性和可靠性。
非线性孔隙流
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