非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法

提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元 方法. 固相位移、应变和净应力；孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度；多相混 合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值. 基于胡海 昌-Washizu 三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式，导 出了单元公式. 采用共旋公式进行几何非线性分析. 数值结果证明了所提出的单元模拟以 应变局部化为特征的渐进破坏的能力     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

饱和多孔介质分析解的唯一性与应变局部化分岔

基于不连续性分岔基本理论导出了静态非渗流状态下弹塑性饱和多孔介质应变局部化发生时的临界硬/软化模量,利用二阶功正定性原理研究了两相问题分析解的唯一性问题,并给出了基于主轴空间下解的显式表达式。研究工作表明,在静态非渗流状态下,弹塑性饱和多孔介质分析的唯一性与应变局部化发生的临界条件除了在量值上与单相介质有着明显的不同外两者之间还有许多一致的特性,这些一致的特性对问题的分析是十分重要的。     

几何非线性混合应变元的构造及应用

本文基于由文献〔１〕导出的几何非线性混合应变元一般公式，构造了三个八节点六面体几何非线性混合应变元和Ｓｉｍｏ－Ｒｉｆａｉ的二维四边形线性应变元的几何非线性混合应变元。数值结果表明，所构造的二维及三维几何非线性混合应变元具有理想的性能。它们通过分片试验，且没有虚假剪切现象和不可压缩材料的自锁。同时，它们对歪扭网格不敏感，在利用粗疏网格离散时对线性和非线性（几何和材料）问题具有很高的精度。     

定量开采条件下径向渗流的液固耦合问题

考虑到多孔介质渗透率随孔隙度变化的特点，建立了力学模型，研究定量抽放问题；对于广义平面应力状态下的非线性渗流耦合问题，提出了解的构造方法和解耦方法；求出了耦合条件下的孔隙压力，多孔介质总应力、总应变和总位移的解析解；进行了实例计算，并与Biot理论进行了对比，结果表明两种理论的差别很大。因此在渗透系数有较明显变化的场舍下不能采用Biot理论进行分析。     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

拉格朗日几何非线性混合应变元

本文应用由Ｓｉｍｏ和Ｒｉｆａｉ建议的混合假定附加应变途径，采用第二Ｐｉｏｌａ－Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力张量和Ｇｒｅｅｎ－Ｌａｇｒａｎｇｅ应变张量作能量共轭的应力应变度量，导出了Ｌａｇｒａｎｇｅ几何非线性下的胡海昌－Ｗａｓｈｉｚｕ三变量变分原理的Ｇａｌｅｒｋｉｎ形式以及相应的混合假定应变元公式。     

应变局部化分析中两类不同材料模型的讨论

特定情况下单相固体材料率相关模型与多孔介质中的渗流作用均对问题的动力应变局部化分析产生内尺度律效应，对两类问题基本解之间的关系进行讨论，给出了两类不同材料模型解之间的若干联系．     

饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合方法

建立了饱和多孔介质大变形分析的一种有限元-有限体积混合计算方法.将饱和多孔介质视为由固体骨架和孔隙水组成的两相体,其基本方程包括动力平衡方程和渗流连续方程.基于u-p假定和更新的Lagrange方法,饱和多孔介质的动力平衡方程在空间域内采用有限元方法进行离散,而渗流连续方程在空阃域内则采用有限体积法进行离散.通过两个数值算例,一维有限弹性固结和动力荷载作用下堤坝动力响应的计算,验证了该方法的有效性.     

考虑耦合质量影响的饱和多孔介质动力响应分析的显式有限元法

根据Biot饱和多孔介质动力方程,采用解耦技术,提出了考虑耦合质量Pd影响的饱和多孔介质中动力响应分析的显式有限元法。文中建立并推导了显式有限元的公式,编制了相应的计算程序并进行了实例计算。计算结果与解析解进行了对比,两者符合很好,表明本文方法是处理饱和多孔介质动力问题的一种有效方法。文中还分析了耦合质量ρa对固相和液相动位移的影响。     

流体饱和两相多孔介质拟静态问题的混合有限元方法

针对基于混合物理论的两相多孔介质模型,采用Galerkin加权残值有限元法,导出求解所静态问题的基于us-uF-P变量的混合有限元方程,由于系统方程的系数矩阵非定,进而针对该方程组提出了一种失代求解方法,并由分片试验得出节点压力插值函数的阶须低于固体相节点的位移插值函数的阶的结论,算例结果表明,采用基于u2-uF-p变量的混合法计算所得的固体相和流体相速度以及固体相的有效应力与罚方法一致,而压力值的粗度高于罚方法。     

流体饱和两相多孔介质拟静态问题的有限元解法

给出基于混合物理论的流体饱和两相多孔介质模型,该模型由一可变形固体 一流体相组成。采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权残值法导出求解拟静态问题的有限元公式,并编制了二维有限元程序。用程序分析了一维和二维问题,得到合理的结果。     

非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法

针对非均质饱和多孔介质弹塑性动力问题分析提出了一种广义耦合扩展多尺度有限元方法。首先,提出了基于细尺度等效刚度阵的粗尺度单元数值基函数构造方法,并给出了构造数值基函数的一般公式,所构造的耦合数值基函数有效考虑了动力相关效应与固液之间的耦合效应。其次,针对弹塑性非线性问题迭代求解,给出了基于摄动方法的位移与孔隙压强降尺度计算修正方案。最后,针对材料的强非均质特征,利用多节点粗单元技术来提高多尺度有限元方法的计算精度。通过与基于精细网格的传统有限元分析结果对比,验证了本文所提出方法的有效性与高效性。     

Improving the robustness of the control volume finite element method with application to multiphase porous media flow

Control volume finite element methods (CVFEMs) have been proposed to simulate flow in heterogeneous porous media because they are better able to capture complex geometries using unstructured meshes. However, producing good quality meshes in such models is nontrivial and may sometimes be impossible, especially when all or parts of the domains have very large aspect ratio. A novel CVFEM is proposed here that uses a control volume representation for pressure and yields significant improvements in the quality of the pressure matrix. The method is initially evaluated and then applied to a series of test cases using unstructured (triangular/tetrahedral) meshes, and numerical results are in good agreement with semianalytically obtained solutions. The convergence of the pressure matrix is then studied using complex, heterogeneous example problems. The results demonstrate that the new formulation yields a pressure matrix than can be solved efficiently even on highly distorted, tetrahedral meshes in models of heterogeneous porous media with large permeability contrasts. The new approach allows effective application of CVFEM in such models.     

GURTIN VARIATIONAL PRINCIPLE AND FINITE ELEMENT SIMULATION FOR DYNAMICAL PROBLEMS OF FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Based on the theory of porous media,a general Gurtin variational principle for theinitial boundary value problem of dynamical response of fluid-saturated elastic porous media isdeveloped by assuming infinitesimal deformation and incompressible constituents of the solid andfluid phase.The finite element formulation based on this variational principle is also derived.Asthe functional of the variational principle is a spatial integral of the convolution formulation,thegeneral finite element discretization in space results in symmetrical differential-integral equationsin the time domain.In some situations,the differential-integral equations can be reduced to sym-metrical differential equations and,as a numerical example,it is employed to analyze the reflectionof one-dimensional longitudinal wave in a fluid-saturated porous solid.The numerical results canprovide further understanding of the wave propagation in porous media.     

The constitutive equations of finite strain poroelasticity in the light of a micro-macro approach

After recalling the constitutive equations of finite strain poroelasticity formulated at the macroscopic level, we adopt a microscopic point of view which consists of describing the fluid-saturated porous medium at a space scale on which the fluid and solid phases are geometrically distinct. The constitutive equations of poroelasticity are recovered from the analysis conducted on a representative elementary volume of porous material open to fluid mass exchange. The procedure relies upon the solution of a boundary value problem defined on the solid domain of the representative volume undergoing large elastic strains. The macroscopic potential, computed as the integral of the free energy density over the solid domain, is shown to depend on the macroscopic deformation gradient and the porous space volume as relevant variables. The corresponding stress-type variables obtained through the differentiation of this potential turn out to be the macroscopic Boussinesq stress tensor and the pore pressure. Furthermore, such a procedure makes it possible to establish the necessary and sufficient conditions to ensure the validity of an ‘effective stress’ formulation of the constitutive equations of finite strain poroelasticity. Such conditions are notably satisfied in the important case of an incompressible solid matrix.