A unified CFD‐DEM approach for modeling of debris flow impacts on flexible barriers

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作者
Xingyue Li,Jidong Zhao
出处
期刊:International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics [Wiley]
卷期号:42 (14): 1643-1670 被引量:106
标识
DOI:10.1002/nag.2806
摘要

Summary This paper presents a unified modeling framework to investigate the impacts of debris flow on flexible barriers, based on coupled computational fluid dynamics and discrete element method (CFD‐DEM). We consider a debris flow as a mixture of fluid and particles where the fluid and particle phases are modeled by the CFD and the DEM, respectively. The fluid‐particle coupling is considered by the exchange of interaction forces between CFD and DEM calculations. The flexible barrier is simulated by the DEM as a network of bonded particles with remote interactions. The proposed coupled CFD‐DEM approach enables us to conveniently handle the complicated three‐way interactions among the fluid, the particles, and the flexible barrier structure for debris flow impact simulations. The proposed approach is first used to investigate the influences of channel inclination and the volumetric solid fraction in a debris mixture on the impact force, the resultant deformation, and the retained mass in a flexible barrier. The predictions agree well with existing experimental and numerical studies. We further examine the possible failure modes of a flexible barrier under debris flow impact and their underlying mechanisms. The performance of different components in a flexible barrier system, including single wires, double twists and cables, and their load sharing mechanisms, are carefully evaluated. The proposed unified framework offers a novel, promising pathway towards physically based, quantitative analysis and design of flexible barriers for debris flow mitigation.
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