ANSYS稳态渗流计算的关键技术及岩土应用实操

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：由南华大学周炬老师编著，人民邮电出版社出版的《ANSYS Workbench有限元分析实例详解（热学与优化）》预计2024年8月正式上市。将带给工程师、Workbench学习者系统介绍Ansys Workbench热学与优化功能介绍及软件行业应用，帮助读者获得Ansys热学与优化分析能力。

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一、ANSYS稳态渗流计算的关键技术

稳态渗流是指在给定的边界和初始条件下，水在土体中流动时达到一种稳定状态，即水的压力、流速等不随时间变化，形成一种稳定的渗流场。此时，土体中的含水量、基质吸力和渗透系数也相对固定，但其在土体中的分布由土体的边界条件和初始条件来决定。

ANSYS作为一款功能强大的有限元分析软件，在稳态渗流计算中发挥着重要作用。它可以通过建立工程结构的数值模型，并设置相应的边界条件和初始条件，来模拟和分析工程结构在稳态渗流条件下的渗流特性。Ansys稳态渗流计算的关键技术包括：

1、有限元法（FEM）

ANSYS稳态渗流计算的核心是有限元法。有限元法是一种将连续体离散化为有限个单元，并通过求解这些单元上的近似解来逼近原问题的数值方法。在渗流问题中，有限元法将渗流区域划分为多个小单元，并在每个单元上建立渗流方程，最终通过求解这些方程得到渗流场的分布。

2、渗流场与温度场的比拟

在Ansys中，稳态渗流计算常利用渗流场与温度场在微分方程、初始条件及边界条件等方面的相似性，将渗流问题转化为温度场问题来求解。这种方法简化了计算过程，提高了计算效率。通过将渗流速度、渗流压力等参数类比为温度场中的温度梯度、热流密度等参数，可以利用Ansys的温度场分析模块来求解渗流问题。

当前，Ansys稳态渗流计算作为一种高效、准确的数值分析方法，在土石坝渗流分析、堤防渗流分析和地下结构渗流分析具有广泛的应用前景。随着计算机技术的不断发展和Ansys软件的不断完善，稳态渗流计算将更加智能化、自动化和精细化。未来，我们可以期待ANSYS稳态渗流计算在更多复杂工程问题中的成功应用，为工程安全和可持续发展提供更加坚实的保障。以下节选自周炬老师新书《ANSYS Workbench有限元分析实例详解（热学与优化）》内容，让读者朋友提前感受该图书的风格一下:

二、稳态渗流计算案例实操

由于扩散与传热分析计算原理相似，利用相似性原则，将原温度场相关参数等效为扩散中相关参数，即可用温度场研究扩散分析。该方法不仅在Ansys软件中应用，在ADINA等软件中同样采用。

下面以岩土等孔隙介质中的稳态渗流分析进行说明。计算模型如图1所示(为简化计算，采用二维模型，必须基于XY平面，各模型采用Share连接)，基岩尺寸为37m×10m；沙砾料和混凝土坝尺寸如图；其中沙砾料的渗透系数为2E-4m.s-1、混凝土的渗透系数为3E-8m.s-1、基岩的渗透系数为5E-7m.s-1；左侧水位为4m、右侧水位为1m；沙砾料与基岩之间为隔水层，求水力梯度情况。

图1 计算模型

1、建立分析流程

如图2所示，建立以下分析流程。A框架结构的Spaceclaim建模模块、B框架结构的Steady-State Thermal稳态热分析。

图2 分析流程

Engineering Data项新建1、2、3材料，分别定义其热传导系数为0.0002、3E-8、5E-7。如图3所示。

图3 材料定义

2、前处理

双击B4 Model项进入Mechanical前处理。先点击Geometry\Geom\Surface-2D Behavior项选择为Plane Stress，定义模型为平面应力；再分别对各个模型定义对应的材料参数，Geometry-Geom\Surface（左梯形）模型Assignment处选择1；Geometry-Geom\Surface（右梯形）模型Assignment处选择2；Geometry-Geom\Surface（长方形）模型Assignment处选择3。

为后续定义边界条件，分别新建两个坐标系，如图4所示。其中Coordinate System以左梯形左边线为对象，原点在左下角；Coordinate System2以右梯形右边线为对象，原点在右上角。

图4 坐标系定义

网格划分中定义Element Size项为0.25m，其余默认，如图5所示。

图5 网格划分

3、稳态分析边界条件定义

如图6所示，依题意对所选边线定义绝热层（隔水层）。

图6边界条件

选择左梯形的左边线，对其加载Temperature（水位），由于水位在此边线上表现为梯度分布，所以在Magnitude处选择为Tabular Data，在Independent Variable处选择为X，Coordinate System处选择之前创建的Coordinate System。在Tabular Data中定义梯度温度，其中0m对应4℃，4m对应0℃，如图7所示。

图7 边界条件

选择长方形左上水平线，对其加载Temperature（水位），在Magnitude处定义为4℃，如图8所示。

图8 边界条件

选择右梯形的右边线，对其加载Temperature（水位），由于水位在此边线上同样表现为梯度分布，所以在Magnitude处选择为Tabular Data，在Independent Variable处选择为X，Coordinate System处选择之前创建的Coordinate System 2。在Tabular Data中定义梯度温度，其中3m对应0℃，4m对应1℃，如图9所示。

图9 边界条件

选择长方形右上水平线，对其加载Temperature（水位），在Magnitude处定义为1℃，如图10所示。

图10 边界条件

后处理需得到梯度结果，还必须插入Command，如图11所示，Command内容如下：

outres,erase !后处理输出

图11 Command设置

4、稳态分析后处理

计算完成后，查看Temperature（水位）后处理，其中Contours处选择Isolines项，结合Probe，可得水位等值线图，如图12所示。

如图13所示，在Solution项点击Worksheet，在出现的表格中选择TGX、TGY、TGSUM查看X向、Y向和汇总温度梯度（X向、Y向、总水位梯度）和TFX、TFY、TFSUM查看X向、Y向和汇总热通量梯度（X向、Y向、总扩散通量梯度），再点击Create User Defined Result即可，还可以重点观察隔水层附近的TGVECTORS后处理，其中箭头即为运移趋势。

图12 后处理

图13 后处理

三、周炬老师新书上市粉丝沙龙

以上是《ANSYS Workbench有限元分析实例详解（热学与优化）》图书的内容节选。该图书预计在2024年8月正式上市。

8月21日19时30分，仿真秀联合人民邮电出版社励步图书，邀请南华大学周炬老师带来《ANSYS Workbench热学与优化-周炬老师新书上市粉丝沙龙》，届时，还有来自某主机厂集团技术专家刘天师带来自己授权发专利《控制器水冷散热结构的散热片布局优化》分享——在产品散热能力不变基础上这个结构的冷却液流动阻力大概比常规设计降低了1/5。