饱和颗粒介质中波传播的流体-微观力学建模
地球物理
2019-05-01 v1 软凝聚态物质
计算物理
摘要
Biot理论由干燥固体基质的弹性性质、密度和几何形状以及孔隙流体预测饱和孔隙弹性颗粒介质的波速，忽略了组成颗粒之间的相互作用与局部流动。然而，当频率变高且波长与颗粒尺寸相当时，微观结构的细节开始发挥重要作用。本文通过将格子Boltzmann方法（LBM）与离散元方法（DEM）耦合，提出一种新颖的流体-微观力学数值模型。该模型可研究弹性波传播过程中颗粒-流体的相互作用细节：DEM追踪每个固体颗粒的平动与转动，LBM可求解孔隙尺度的流体动力学。固相与液相通过动量交换实现双向耦合。该耦合方案以单球在流体中沉降的终端速度为基准进行验证。为模拟压力波进入饱和颗粒介质，在流体上施加振荡压力边界条件，并以一维波动方程进行基准验证。利用面心立方结构，研究了输入波形与频率对频散关系的影响。最后，将数值模型预测的不同有效围压下的波速与Biot解析解进行比较，发现二者吻合极好。除压力波和剪切波外，如Biot理论所预言，模拟中还观察到慢压缩波。
引用
@article{arxiv.1808.08921,
title = {Hydro-micromechanical modeling of wave propagation in saturated granular media},
author = {Hongyang Cheng and Stefan Luding and Nicolás Rivas and Jens Harting and Vanessa Magnanimo},
journal= {arXiv preprint arXiv:1808.08921},
year = {2019}
}
备注
Manuscript submitted to International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics