吉林大学学报(工学版) ›› 2015, Vol. 45 ›› Issue (2): 481-486.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201502022

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裂隙介质渗流的光滑多尺度有限元法

孟广伟,李霄琳,李锋,周立明,王晖   

  1. 吉林大学 机械科学与工程学院,长春 130022
  • 收稿日期:2013-11-06 出版日期:2015-04-01 发布日期:2015-04-01
  • 通讯作者: 周立明(1982),男,讲师,博士.研究方向:计算固体力学.E-mail:lmzhou@jlu.edu.cn
  • 作者简介:孟广伟(1959),男,教授,博士生导师.研究方向:疲劳与断裂.E-mail:mgw@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ030075);国家自然科学基金项目(51305157);吉林省科技厅基金项目(20130305006GX).

Smoothed multiscale finite element method for flow in fractured media

MENG Guang-wei,LI Xiao-lin,LI Feng,ZHOU Li-ming,WANG Hui   

  1. College of Mechanical Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130022,China
  • Received:2013-11-06 Online:2015-04-01 Published:2015-04-01

摘要: 针对材料的非均质、多尺度问题,提出了光滑多尺度有限元法。将该方法用于求解裂隙介质的渗流问题,采用双重介质模型进行模拟。利用初始时刻的全局细尺度解确定边界条件构造多尺度基函数,从而将局部非均质信息和孔隙-裂隙流体流动耦合的全局信息同时反映到多尺度基函数上,由此在粗尺度上获得精确解。光滑多尺度有限元将应变光滑技术引入到传统多尺度有限元中,简化了宏观矩阵的组装,克服了常规有限元计算刚度过硬的缺陷。计算结果表明:光滑多尺度有限元的结果与常规有限元的细尺度解有很好的一致性,并且比传统多尺度有限元计算效率高、精度好。

关键词: 固体力学, 光滑多尺度有限元, 双重介质模型, 多尺度有限元, 应变光滑技术

Abstract: Smoothed Multiscale Finite Element Method (SMsFEM) is proposed to solve the problems associated with heterogeneous and multiscale materials. SMsFEM is used to study the fliud flow in fractured madia with a dual porosity model. Using the global fine-scale solution at initial time to determine the boundary conditions of the basis function, local information of material heterogeneity and coupled global information, such as fluid flow in porous and fractured media, are simultaneously reflected in the multiscale finite element basis functions. As a result, an accurate solution can be achieved in the coarse scale. SMsFEM introduces the strain smoothing technique into conventional Multiscale Finite Element Method (MsFEM), therefore, simplifies the assembly of the macro matrix and overcomes the overly-stiff phenomenon existing in the traditional finite element method. Simulation results indicate that the proposed SMsFEM is highly consistent with the fine-scale solutions from standard finite element method. It is also demonstrated that SMsFEM has better efficiency and accuracy than MsFEM.

Key words: solid mechanics, smoothed multiscale finite element method, dual porosity model, multiscale finite element method, strain smoothing technique

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[1] Zhang H W, Wu J K, Fu Z D. Extended multiscale finite element method for elasto-plastic analysis of 2D periodic lattice truss materials[J]. Computational Mechanics, 2010, 45(6): 623-635.
[2] 张锐, 唐志平, 郑航. 离散元与有限元耦合的时空多尺度计算方法[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2009, 39(2): 408-412.
Zhang Rui, Tang Zhi-ping, Zheng Hang. Time and space multiscale numerical method by coupling discrete element method and finite element method[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2009, 39(2): 408-412.
[3] Hou T Y, Wu X H. A multiscale finite element method for elliptic problems in composite materials and porous media[J]. Journal of Computational Physics, 1997, 134(1): 169-189.
[4] Efendiev T, Galvis J, Hou T Y. Generalized multiscale finite element methods[J]. Journal of Computational Physics, 2013, 251: 116-135.
[5] Zhang N, Yao J, Huang Z Q, et al. Accurate multiscale finite element method for numerical simulation of two-phase flow in fractured media using discrete-fracture model[J]. Journal of Computational Physics, 2013, 242: 420-438.
[6] Hajibeygi H, Karvounis D, Jenny P. A hierarchical fracture model for the iterative multiscale finite volume method[J]. Journal of Computational Physics, 2011, 230(24): 8729- 8743.
[7] Barenblatt G I, Zheltov I P, Kochina I N. Basic concepts in the theory of seepage of homogeneous liquids in fissured rocks[J]. Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 1960, 24(5): 1286-1303.
[8] Jiang L J, Efendiev Y, Ginting V. Analysis of global multiscale finite element methods for wave equations with continuum spatial scales[J]. Applied Numerical Mathematics, 2010, 60(8): 862-876.
[9] Chen J S, Wu C T, Yoon S. A stabilized conforming nodal integration for Galerkin meshfree methods[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2001, 50(2): 435-466.
[10] Liu G R, Nguyen T T, Dai K Y, et al.Theoretical aspects of the smoothed finite element method[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2007, 71(8): 902-930.
[11] 周立明, 孟广伟, 周振平, 等. 含孔复合材料层合板的Cell-Based光滑有限元法[J]. 东北大学学报: 自然科学版, 2013, 34(S2): 90-93,97.
Zhou Li-ming, Meng Guang-wei, Zhou Zhen-ping, et al. Cell-Based smoothed finite element method for laminated composited plates with circular opening[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2013, 34(增刊2): 90-93,97.
[1] 庄蔚敏, 解东旋, 余天明, 于皖东. 基于损伤-相变本构模型的高强钢热成形数值模拟分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(4): 1206-1212.
[2] 庄蔚敏, 曹德闯, 叶辉. 基于连续介质损伤力学预测7075铝合金热冲压成形极限图[J]. 吉林大学学报(工学版), 2014, 44(2): 409-414.
[3] 庄蔚敏, 陈延红. 基于连续损伤力学的表面涂层损伤模拟[J]. , 2012, 42(04): 857-862.
[4] 徐涛, 邱冰, 程飞, 金延中, 蒋永洲, 赵世佳. 基于偶数行Epsilon加速的结构拓扑修改重分析算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 246-249.
[5] 姜日花1,白爽1,戴跃2 ,赵梅生3. 瘢痕疙瘩的生物力学特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(6): 1675-1677.
[6] 陈宇东1,裴春艳1,潘淑华2,刘晓军1,张俊兴1. 整车环境下商用车驾驶室模态刚度灵敏度[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(4): 1025-1028.
[7] 蔡斌1,2,孟广伟2,3,董心2,李锋2. 基于模糊失效准则的混凝土结构横向裂纹可靠度[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(4): 1029-1033.
[8] 彭惠芬1,2,孟广伟1,周立明1,李锋1. 基于小波有限元法的虚拟裂纹闭合法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(05): 1364-1368.
[9] 孟广伟, 周立明, 李锋. 含裂纹结构的模糊无网格伽辽金法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(增刊): 287-0292.
[10] 孟广伟, 蔡斌, 李锋, 董心. 曲线拟合与蒙特卡洛法结合的结构可靠度分析方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(增刊): 293-0296.
[11] 孟广伟, 周立明, 李锋, 沙丽荣. 摄动随机局部正交无网格伽辽金法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(06): 1556-1561.
[12] 吴登峰,徐涛,孙睿珩,杨荣,禤伟旗,吉野辰萌. 基于小波基函数的无网格方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(03): 740-0744.
[13] 孙睿珩, 徐涛, 左文杰, 杨洪秀, 刘大有. 表面凹坑对活塞缸套摩擦生热过程的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(05): 1234-1239.
[14] 陈宇东, 裴春艳, 曹宗杰. 非线性系统Hopf分叉临界点的稳定性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(04): 993-996.
[15] 孟广伟,赵云亮,周立明,李锋 . 无网格伽辽金法中两种基函数的性质[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(03): 697-0703.
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[1] 刘松山, 王庆年, 王伟华, 林鑫. 惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 557 -563 .
[2] 初亮, 王彦波, 祁富伟, 张永生. 用于制动压力精确控制的进液阀控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 564 -570 .
[3] 李静, 王子涵, 余春贤, 韩佐悦, 孙博华. 硬件在环试验台整车状态跟随控制系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 577 -583 .
[4] 胡兴军, 李腾飞, 王靖宇, 杨博, 郭鹏, 廖磊. 尾板对重型载货汽车尾部流场的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 595 -601 .
[5] 王同建, 陈晋市, 赵锋, 赵庆波, 刘昕晖, 袁华山. 全液压转向系统机液联合仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 607 -612 .
[6] 张春勤, 姜桂艳, 吴正言. 机动车出行者出发时间选择的影响因素[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 626 -632 .
[7] 马万经, 谢涵洲. 双停车线进口道主、预信号配时协调控制模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 633 -639 .
[8] 于德新, 仝倩, 杨兆升, 高鹏. 重大灾害条件下应急交通疏散时间预测模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 654 -658 .
[9] 肖赟, 雷俊卿, 张坤, 李忠三. 多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 665 -670 .
[10] 肖锐, 邓宗才, 兰明章, 申臣良. 不掺硅粉的活性粉末混凝土配合比试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 671 -676 .