南海钙质砂拖曳力的数值模拟与实验模拟
项目概况
- 项目级别：校级
- 项目负责人：刘明靖
- 指导教师：赖正首、黄林冲
- 项目周期：2023.01 - 2023.12
研究背景与意义
钙质砂是南海海域广泛分布的海洋沉积物，具有独特的生物成因结构和力学特性。在岛礁工程建设中，钙质砂在波浪和水流作用下的运动规律是评估工程稳定性的关键问题。拖曳力作为颗粒-流体相互作用的基本力，准确测定和预测钙质砂颗粒的拖曳力对于理解其水动力行为至关重要。
本项目创新性地将开源CFD软件OpenFOAM与课题组自研的NetDEM离散元程序耦合，建立CFD-DEM数值模拟平台，并结合室内物理试验，系统研究钙质砂颗粒在流场中的拖曳力特性。
钙质砂颗粒CFD-DEM耦合沉降模拟概念示意图（ClaudeBot生成）
研究内容
CFD-DEM耦合平台搭建
- 实现OpenFOAM与NetDEM的双向数据交换
- 开发颗粒-流体作用力计算接口
- 验证耦合程序在标准算例下的准确性
规则颗粒数值模拟
- 建立椭球体、多面体等规则颗粒的沉降模型
- 系统研究长宽比（EI）、扁平度（FI）对极限速度的影响
- 与已有室内试验结果对比验证
钙质砂颗粒室内试验
- 搭建透明沉降装置，进行单颗粒沉降试验
- 使用高速摄像机记录颗粒运动轨迹
- 通过Tracker软件分析沉降速度数据
真实颗粒数值模拟
- 基于CT扫描获取真实钙质砂颗粒形态
- 进行简化后颗粒模型的CFD-DEM模拟
- 对比数值结果与试验数据
技术路线
- CFD软件：OpenFOAM
- DEM软件：NetDEM（课题组自研）
- 耦合方法：双向流固耦合
- 试验设备：透明沉降塔、高速摄像机
- 数据分析：MATLAB/Python
创新点
- OpenFOAM-NetDEM耦合：首次将课题组自研DEM程序与主流CFD软件耦合，拓展NetDEM的多物理场模拟能力
- 神经网络加速DEM：利用NetDEM的机器学习特性，提高大规模颗粒模拟的计算效率
- 虚实结合验证：数值模拟与室内试验相互验证，确保研究结果的可靠性
项目成果
软件著作权
- 获批2项软件著作权，基于开发的CFD-DEM界面工具
竞赛获奖
- 使用本项目开发的软件与师兄组队参加国际岩石力学与工程数值仿真大赛并获奖
经验积累
- 掌握CFD-DEM耦合方法的核心技术
- 积累颗粒材料流固耦合研究经验
本项目为2023年校级大学生创新创业训练计划项目