(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111524038.5 (22)申请日 2021.12.14 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市二环路北一段 申请人 四川大学　长安大学 (72)发明人 余鹏程　彭新艳　张迎宾　李得建　 程肖　胡兵　朱辉　彭鑫　王宝瑞　 黄达　 (74)专利代理 机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 张国栋 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06T 17/05(2011.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种深度积分流体模型和块体系统的流固 耦合方法 (57)摘要 本发明涉及地理信息系统的虚拟地理环境 研究技术领域， 公开了一种深度 积分流体模型和 块体系统的流固耦合方法， 本发明将改进的3D   DDA模型与常规DFS 模型耦合， 确定耦 合结构内部 相互作用力， 在计算流阻力时， 利用流体和块体 运动速度的相互关系， 通过动态调整地面高程的 方式等效计算流阻力； 本方法可实现3D  DDA与 DFS的交互， 能够模拟分析复杂三维地形条件下 含有任意形状多面体块体的泥石流的运动演化 过程， 用于评估含有大块体物质(如漂石、 块石及 树木等)的含大体积物质泥石流的发展演化过 程， 更加符合泥 石流地质灾害的真实场景。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 114239352 A 2022.03.25 CN 114239352 A 1.一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 搭建DDA ‑DFS耦合模型框架， 以确定耦合结构内部相互作用力， 包括块体受到的浮 力、 流体对块体的拖拽力、 流体对块体的静压力、 块体的流阻力； S2： 计算块体受到的流体浮力； S3： 计算流体对块体的拖曳力； 1)当块体间的距离与块体尺寸的比值(L/D)大于临界值15时， 视为互不影响的独立块 体， 并根据以下公式(1)计算 流体拖曳力： Fd＝ρfvf2A    (1) 其中， ρf为流体的密度， A 表示计算 块体计算表面在流体前进方向上的投影， 表示流体 相对平均速度； 2)当块体间的距离与块体尺寸的比值(L/D)达到临界值15时， 块体间产生相互作用影 响， 则有： (1)即当块体一的矩形包络体按照流速方向的投影完全包含块体二包络体时， 按下式 (2)计算流体拖曳力； F1,r＝F·r1， F2,r＝F·r2    (2) 其中， F1， r表示块体一受到 的拖曳力， F2， r表示块体二受到 的拖曳力， F表示两个块体距 离足够远， 不 考虑流场干扰下受到的拖曳力,r1、 r2表示两个块体拖曳力修 正系数； (2)当块体一的矩形包络体按照流速方向的投影不完全包含块体二包络体时， 令块体 二包络体投影面积为A2， 重叠部分面积为A1， 则A1＜A2时。 按下式(3)计算 流体拖曳力： 其中， F2表示块体在不考虑相邻块体的作用效果的情况下受到的流体对块体的拖曳 力， F2＝ρfvf2A2； S4： 计算流体对块体的静压力； 当块体没有完全浸没在流体中时， 块体受到静压力的影响， 静压合力可以通过将浸没 的面积乘以浸没的部分面中心的压力来计算， 合力方向垂直并指向面内； S5： 计算块体产生的流阻力； S501： 将块体对流体运动的反向作用转化成地形高程作用,通过动态调节地形高度实 现块体反作用力效应， 相关地形节点有效高程用ΔH＝γH ′表示， 其中 △H表示地形标高增 加量， H’为块体最高处标高， γ为 折减系数； S502:根据以下公式(4)计算γ： 其中， 分别表示块体和流体的相对 运动速度； 块体对 流动没有堵塞时， γ＝0； 如权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114239352 A 2果块体反向移动或者静止时， γ＝1； 反 之， 根据速度投影进行线性插值； S503:利用流体和块体运动速度的相互关系， 通过动态调整地面高程的方式等效计算 块体产生的流阻力。 2.根据权利要求1所述的一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法， 其特征 在于， 所述 步骤S2中块体受到的流体浮力的计算如下： 1)确定块体位于流体表面以下部分体积Vs； (1)建立三维坐标系， 定义多 面体各面的法向量为nn， 三维坐标系中z轴方向 的单位向量 为nz＝(0,0,1)当nn·nz＞0时， 则表示该平面朝上(上表面)， 反 之朝下(下表面)； 当nn·nz＝0时， 则忽略不计； (2)块体上表面与流体表面的相对位置为以下三种情况， 即： 块体表面高于流体表面； 块体部分浸没于流体； 块体完全 浸没于流体； 其中， 块体被流体部分浸没时， 以流体表面为分界面， 将块体分为上、 下两部分， 只计算 块体位于流体表面以下部分体积； (3)利用多面体上、 下表面在流体基准面上投影， 计算各表面在流体中的投影体积， 按 照多面体投影 体积差值法确定块体位于流体表面以下部分体积Vs， 计算公式(5)如下： 其中， au、 ad分别表示 块体上、 下表面的数量， Vf,i表示第i面的水中投影 体积； 2)根据以下浮力公式(6)计算 块体受到的流体浮力： F浮＝ρ g·Vs     (6) 其中， ρ 表示 流体密度， 重力加速度g＝9.8m/s2。 3.根据权利要求1所述的一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法， 其特征 在于， 所述 步骤S3中 的计算如下： 将流体经 过的路径视为多个地形 单元组成， 按以下公式(7)计算 流体相对平均速度 其中， n为涉及的地形网格单元数， vfi和Ai(i＝1～n)为网格内的流体平均速度和块体 表面在网格内所占的面积。 4.根据权利要求1所述的一种深度积分流体模型和块体系统的流固耦合方法， 其特征 在于， 所述步骤S3中的r1、 r2与雷诺系数Re、 块体的尺寸L和块体间的间距D的比值相关， 且确 定r1、 r2包括以下步骤： 1)计算雷诺系数， 雷诺系数Re 是流体力学中的一个常数， 定义如下： Re＝u∞D/v     (8) 其中， u∞为局部流速， v为 运动粘度； 2)通过试验确定临界 间距尺寸比(L/D)c与雷诺系数Re的关系如下： 3)根据块体临界空间(L/D)c和实际L/D的关系建立分析模型， 当(L/D)c≥L/D时， 分析模权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114239352 A 3