一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法和系统

技术领域

本发明涉及数学建模技术领域，尤其涉及一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法和系统。

背景技术

预制桩基坑支护颗粒流数值模拟是一种利用计算机模拟方法对预制桩基坑支护过程中颗粒流的行为进行数值模拟的技术。通过建立基于物理力学原理的数学模型，采用数值计算方法求解模型的数学方程，模拟颗粒流在预制桩基坑支护过程中的运动和变形规律。预制桩基坑支护颗粒流数值模拟可以优化设计方案，减少工程风险，提高施工效率，具有重要的工程应用价值。

该模拟方法可以考虑多种力学因素，如颗粒间的摩擦力、颗粒与支护结构之间的相互作用力、颗粒的形状和物理性质等。通过调整模型参数和边界条件，可以模拟不同条件下颗粒流的运动和变形过程，预测支护结构的稳定性和变形情况，为工程设计和施工提供参考和指导。

但是颗粒流模拟需要考虑多种物理过程的相互耦合，如颗粒的运动、变形、与支护结构的相互作用等，这涉及到多个物理学领域的交叉问题，建模难度大，无法为后续施工作业提供准确的数据。

发明内容

本发明实施例提供一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法和系统，能够至少解决现有技术中颗粒流模拟需要考虑多种物理过程的相互耦合，建模难度大的部分问题。

第一方面，本发明实施例提供一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法，包括：

获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；

基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；

将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；

根据所述预制桩基方案确定初始参数；

将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态。

可选地，基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的步骤，包括：

根据所述模拟目标建立一个宏观连续介质模型，以描述颗粒流的宏观运动状态，其中，所述宏观连续介质模型的表达式如下：

；(1)

；(2)

其中，ρ是流体的密度，u是流体的速度矢量，t是时间，

根据所述模拟目标建立一个微观离散颗粒模型，以描述颗粒之间的微观相互作用，其中，所述微观离散颗粒模型的表达式如下：

F

其中，F

可选地，所述预制桩基方案包括颗粒流域和与其对应的颗粒流数值，将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型的步骤，包括：

将所述颗粒流域划分为宏观网格和微观网格；

基于所述颗粒流数值在所述宏观网格上对所述宏观连续介质模型求解，得到宏观解；

基于所述颗粒流数值在所述微观网格上对所述微观离散颗粒模型求解，得到微观解；

将所述宏观解作为所述微观离散颗粒模型的输入，并将所述微观解作为所述宏观连续介质模型的输入，得到所述颗粒流数值模拟模型。

可选地，基于所述颗粒流数值在所述宏观网格上对所述宏观连续介质模型求解，得到宏观解的步骤，包括：

在所述宏观网格上，使用数值方法求解公式（3），即离散形式的宏观连续介质模型的表达式如下：

M(du/dt) + K·U = f；(4)

其中，M是流体的质量矩阵，t是时间，K是流体的刚度矩阵，U是速度场的向量，f是外部力矢量。

可选地，将所述宏观解作为所述微观离散颗粒模型的输入，并将所述微观解作为所述宏观连续介质模型的输入，得到所述颗粒流数值模拟模型的步骤，包括：

将宏观解的速度场插值到所述微观网格上，作为所述离散颗粒模型的输入之一；

在所述微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力，运用公式（3）计算颗粒之间的相互作用力，并更新颗粒的位移；

将所述微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到所述宏观网格上，作为所述宏观连续介质模型的源项之一；

在所述宏观网格上求解式所述宏观连续介质模型的方程，根据公式（4）使用宏观网格上的速度场和插值得到的颗粒位移和相互作用力来计算外部力矢量；

根据对宏观连续介质模型的方程求解结果，更新宏观网格上的速度场；

重复以上步骤，直到所述宏观网格和所述微观网格之间的耦合解收敛，得到所述颗粒流数值模拟模型。

可选地，根据对宏观连续介质模型的方程求解结果，更新宏观网格上的速度场的步骤，包括：

基于加权平均算法对宏观连续介质模型的方程求解结果进行计算，以更新所述宏观网格上的速度场，其中，所述加权平均算法表达式如下：

v

其中，v

可选地，将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态的步骤，包括：

将所述初始参数输入颗粒流数值模拟模型，并进行迭代计算所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型之间的耦合解；

在每一步迭代中，根据所述耦合解更新颗粒流运动状态，直至达到预设的停止迭代条件。

第二方面，本发明实施例还提供了一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟系统，包括：

获取模块，用于获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；

建立模块，用于基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；

耦合模块，用于将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；

确定模块，用于根据所述预制桩基方案确定初始参数；

输出模块，用于将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行第以方面任一所述的预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括第一方面任一所述的预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法

本发明实施例通过获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；根据所述预制桩基方案确定初始参数；将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态，通过建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的耦合，能够更准确地模拟和预测预制桩基坑支护过程中颗粒流的行为，并将其输入到数值模拟模型中，可以得到颗粒流的运动状态，为预制桩基坑支护方案的设计和施工提供重要的参考依据，同时，该方法可以根据不同的预制桩基方案进行模拟和分析，具有较高的适用性和灵活性。

本发明实施例的有益效果可以参考具体实施方式中技术特征对应的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟系统模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

预制桩基坑支护颗粒流数值模拟是一种利用计算机模拟方法对预制桩基坑支护过程中颗粒流的行为进行数值模拟的技术。通过建立基于物理力学原理的数学模型，采用数值计算方法求解模型的数学方程，模拟颗粒流在预制桩基坑支护过程中的运动和变形规律。

而在实际应用中，预制桩基坑支护颗粒流数值模拟的技术领域存在多物理耦合问题：颗粒流模拟需要考虑多种物理过程的相互耦合，如颗粒的运动、变形、与支护结构的相互作用等。这涉及到多个物理学领域的交叉问题，需要综合考虑不同因素的影响，建立复杂的数学模型。

针对多物理耦合问题，在预制桩基坑支护颗粒流数值模拟领域，本发明实施例提出采用多尺度模拟方法：通过将颗粒流模拟划分为宏观尺度和微观尺度的耦合模拟，可以更准确地考虑不同尺度下的物理过程和相互作用。宏观尺度模拟可以用于预测整体行为，而微观尺度模拟可以用于研究颗粒级别的细节。

基于此，本发明实施例提供了一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法，如图1所示，包括：

步骤S1：获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；

在该步骤中，预制桩基方案是指在基坑支护工程中，通过预先制作混凝土桩或钢筋混凝土桩等，来支撑和稳定基坑的一种方案。模拟目标是指在数值模拟中要达到的目标，如预测颗粒流的运动状态、评估预制桩基的稳定性等。

在实际应用中，可以根据工程要求和场地条件，确定预制桩基方案，如选择预制桩的类型、尺寸和布置位置等，通过获取预制桩基方案和确定模拟目标，可以为后续的数值模拟提供基础和指导，确保模拟结果与实际工程需求相符。

步骤S2：基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；

在该步骤中，宏观连续介质模型是指将预制桩基区域看作连续介质，通过宏观力学方程描述其力学行为。微观离散颗粒模型是指将预制桩基区域离散为许多颗粒，通过分析颗粒之间的相互作用来模拟颗粒流的行为。

在实际应用中，基于预制桩基方案和模拟目标，使用宏观力学理论建立宏观连续介质模型，如使用有限元法或边界元法等。同时，使用离散元法或颗粒动力学方法建立微观离散颗粒模型，通过建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型，可以分析预制桩基区域的力学行为和颗粒流的运动特性，为后续的数值模拟提供基础。

步骤S3：将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；

在该步骤中，耦合是指将宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型相结合，共同描述预制桩基区域的力学行为。颗粒流数值模拟模型是指通过耦合宏观和微观模型，进行数值模拟计算预测颗粒流的运动状态。

在实际应用中可以将宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型进行耦合，可以采用多尺度方法或混合方法等。例如，通过宏观模型对颗粒流进行整体力学分析，再通过微观模型对颗粒之间的相互作用进行细致分析，通过耦合宏观和微观模型，可以更准确地描述预制桩基区域的力学行为，提高对颗粒流运动状态的模拟精度。

步骤S4：根据所述预制桩基方案确定初始参数；

在该步骤中，初始参数是指在开始进行颗粒流数值模拟时所需的初始条件和参数，如颗粒的初始位置、速度、密度等。

在实际应用中，根据预制桩基方案确定初始参数，如将颗粒的初始位置设置在预制桩基的上方，给定颗粒的初始速度和密度等，通过根据预制桩基方案确定初始参数，可以使数值模拟更贴近实际情况，提高模拟结果的准确性。

步骤S5：将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态；

在该步骤中，颗粒流运动状态是指预制桩基区域中颗粒的位置、速度、变形等随时间变化的状态。

在实际应用中，将初始参数输入颗粒流数值模拟模型，进行数值计算，得到颗粒流随时间的运动状态，如颗粒的位移、速度、应力分布等。通过数值模拟得到颗粒流的运动状态，可以评估预制桩基的稳定性，并为工程设计和施工提供参考和指导。

本发明实施例通过获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；根据所述预制桩基方案确定初始参数；将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态，通过建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的耦合，能够更准确地模拟和预测预制桩基坑支护过程中颗粒流的行为，并将其输入到数值模拟模型中，可以得到颗粒流的运动状态，为预制桩基坑支护方案的设计和施工提供重要的参考依据，同时，该方法可以根据不同的预制桩基方案进行模拟和分析，具有较高的适用性和灵活性。

本发明实施例提出的多尺度模拟方法原理是将宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型耦合在一起，以同时考虑颗粒流的宏观行为和微观相互作用。下面是具体实现步骤：

宏观连续介质模型：首先，建立一个宏观连续介质模型来描述颗粒流的宏观行为。这个模型通常基于质量守恒方程和动量守恒方程，以连续介质的视角描述颗粒流的流动。在该模型中，颗粒流被视为一个连续的流体，其行为由流速、密度和应力等宏观物理量来描述。

微观离散颗粒模型：其次，建立一个微观离散颗粒模型来描述颗粒之间的微观相互作用。这个模型通常基于颗粒之间的相互作用力和运动规律，以离散的颗粒为单位描述颗粒流的行为。在该模型中，每个颗粒都有自己的位置、速度和质量等属性，并受到相互作用力的影响。

耦合方法：将宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型耦合在一起，以同时考虑宏观和微观的物理规律。这可以通过以下几种方式来实现：

a. 多尺度网格：在空间上，将颗粒流域划分为宏观网格和微观网格。宏观网格用于解决连续介质模型的方程，而微观网格用于解决离散颗粒模型的方程。通过在两个尺度之间传递信息，实现宏观和微观之间的耦合。

b. 子域耦合：将颗粒流域划分为宏观子域和微观子域。在每个子域内分别使用连续介质模型和离散颗粒模型进行模拟，在子域之间通过边界条件传递信息，实现宏观和微观之间的耦合。

c. 时域耦合：在时间上，交替使用连续介质模型和离散颗粒模型进行模拟。首先，使用连续介质模型求解宏观物理量的变化，然后将这些物理量作为输入，在离散颗粒模型中计算颗粒的运动和相互作用力。通过迭代计算，逐步获得宏观和微观之间的耦合解。

综上，步骤S2，基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的步骤，包括：

根据所述模拟目标建立一个宏观连续介质模型，以描述颗粒流的宏观运动状态，其中，所述宏观连续介质模型的表达式如下：

；(1)

；(2)

其中，ρ是流体的密度，u是流体的速度矢量，t是时间，

根据所述模拟目标建立一个微观离散颗粒模型，以描述颗粒之间的微观相互作用，其中，所述微观离散颗粒模型的表达式如下：

F

其中，F

另外，在本发明提供的又一实施例中，所述预制桩基方案包括颗粒流域和与其对应的颗粒流数值，则将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型的步骤，如图2所示，包括：

步骤S31，将所述颗粒流域划分为宏观网格和微观网格；

步骤S32，基于所述颗粒流数值在所述宏观网格上对所述宏观连续介质模型求解，得到宏观解；

步骤S33，基于所述颗粒流数值在所述微观网格上对所述微观离散颗粒模型求解，得到微观解；

步骤S34，将所述宏观解作为所述微观离散颗粒模型的输入，并将所述微观解作为所述宏观连续介质模型的输入，得到所述颗粒流数值模拟模型。

在本发明实施例中颗粒流域是指预制桩基区域内离散颗粒的空间范围，宏观网格是指将颗粒流域划分为多个宏观区域，并在每个区域内建立一个宏观模型的网格，微观网格是指将颗粒流域划分为多个微观区域，并在每个区域内建立一个离散颗粒模型的网格。

在实际应用中，将颗粒流域划分为宏观网格和微观网格，根据所述宏观连续介质模型在宏观网格上求解，得到宏观解；根据所述微观离散颗粒模型在微观网格上求解，得到微观解；将宏观解作为微观离散颗粒模型的输入，将微观解作为宏观连续介质模型的输入，得到颗粒流数值模拟模型，最终通过耦合宏观和微观模型，可以更全面地描述预制桩基区域的力学行为和颗粒流的运动特性，提高数值模拟的准确度。同时，通过将颗粒流域划分为宏观网格和微观网格，可以减少计算量，提高计算效率。

则有，基于所述颗粒流数值在所述宏观网格上对所述宏观连续介质模型求解，得到宏观解的步骤，包括：

在所述宏观网格上，使用数值方法求解公式（3），即离散形式的宏观连续介质模型的表达式如下：

M(du/dt) + K·U = f；(4)

其中，M是流体的质量矩阵，t是时间，K是流体的刚度矩阵，U是速度场的向量，f是外部力矢量。

耦合方法：

采用多尺度网格方法来实现宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的耦合。将颗粒流域划分为宏观网格和微观网格，其中宏观网格用于解决连续介质模型的方程，微观网格用于解决离散颗粒模型的方程。

在宏观网格上，即离散形式的宏观连续介质模型的表达式如下

M(du/dt) + K·U = f ；(4)

其中，M是流体的质量矩阵，t是时间，公式（4）表示了宏观介质模型中速度场的时间演化K是流体的刚度矩阵，U是速度场的向量，f是外部力矢量。

在微观网格上，使用离散元法求解离散颗粒模型的方程。离散元法可以通过迭代来计算颗粒的运动和相互作用力，其中相互作用力可以根据公式（3）计算。

在两个尺度之间传递信息，实现宏观和微观之间的耦合。通过将宏观网格上的速度场插值到微观网格上，作为离散颗粒模型的输入之一。同时，将微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到宏观网格上，作为连续介质模型的源项之一。通过迭代计算，逐步获得宏观和微观之间的耦合解。

进一步地，将所述宏观解作为所述微观离散颗粒模型的输入，并将所述微观解作为所述宏观连续介质模型的输入，得到所述颗粒流数值模拟模型的步骤，包括：

步骤A，将宏观解的速度场插值到所述微观网格上，作为所述离散颗粒模型的输入之一；

步骤B，在所述微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力，运用公式（3）计算颗粒之间的相互作用力，并更新颗粒的位移；

步骤C，将所述微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到所述宏观网格上，作为所述宏观连续介质模型的源项之一；

步骤D，在所述宏观网格上求解式所述宏观连续介质模型的方程，根据公式（4）使用宏观网格上的速度场和插值得到的颗粒位移和相互作用力来计算外部力矢量；

步骤E，根据对宏观连续介质模型的方程求解结果，更新宏观网格上的速度场；

步骤F，重复以上步骤，直到所述宏观网格和所述微观网格之间的耦合解收敛，得到所述颗粒流数值模拟模型。

在本发明提供的又一实施例中，基于上述步骤，即在两个尺度之间传递信息，实现宏观和微观之间的耦合。通过将宏观网格上的速度场插值到微观网格上，作为离散颗粒模型的输入之一。同时，将微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到宏观网格上，作为连续介质模型的源项之一。通过迭代计算，逐步获得宏观和微观之间的耦合解，在该步骤中速度场插值和相互作用力插值的计算结果会直接影响耦合的精确度，因此，在宏观和微观之间传递信息的耦合过程中，速度场插值和相互作用力插值是两个关键步骤。

基于此，根据对宏观连续介质模型的方程求解结果，更新宏观网格上的速度场的步骤，包括：

基于加权平均算法对宏观连续介质模型的方程求解结果进行计算，以更新所述宏观网格上的速度场，其中，所述加权平均算法表达式如下：

v

其中，v

针对于该权重，在微观网格上，根据离散颗粒模型中的位置信息，通过加权平均的方式计算出对应的速度场值。加权平均的权重可以根据离散颗粒模型的质量和距离来确定，具体计算方式如下：

对于相互作用力插值中的权重w

确定颗粒之间的距离。在离散颗粒模型中，每个颗粒都有一个位置坐标，可以通过计算颗粒之间的欧氏距离来确定它们之间的距离；

确定颗粒之间的质量。在离散颗粒模型中，每个颗粒都有一个质量值，可以根据颗粒的体积和密度来确定；

计算权重w

a) 线性权重：使用线性函数来计算权重，即权重与距离成线性关系。

w

其中，d

b) 高斯权重：使用高斯函数来计算权重，即权重与距离的高斯分布相关。

w

其中，d_i表示颗粒之间的距离，σ表示高斯函数的标准差。当颗粒之间的距离越接近0时，权重趋近于1；当距离越远离0时，权重趋近于0。

c) 其他权重计算方法：根据具体问题和需求，还可以采用其他的权重计算方法，如指数权重、多项式权重等。

根据上述权重计算方法，可以将相互作用力从微观网格插值到宏观网格中。具体计算公式为：

F

其中，F

通过这样的插值计算，可以在宏观和微观之间传递信息，实现宏观和微观之间的耦合解，与此同时，线性权重和高斯权重可以通过加权平均的方式结合起来，计算出最佳权重解，具体步骤如下：

计算线性权重和高斯权重。根据线性权重公式和高斯权重公式 ，分别计算出线性权重和高斯权重。

设置权重融合参数。引入一个权重融合参数，用于调节线性权重和高斯权重之间的权重比例。可以设定一个范围为[0, 1]的值，表示线性权重和高斯权重之间的相对重要程度。

计算最佳权重解。根据权重融合参数，计算最佳权重解。具体计算公式如下：

w

其中，w

通过以上步骤，可以获得最佳权重解，将其应用于相互作用力插值中的权重计算。这样，可以综合考虑线性权重和高斯权重的贡献，得到更准确的插值结果。需要注意的是，权重融合参数的选择应根据具体问题和需求进行调整，以获得最优的权重解。

在本发明提供的又一实施例中，将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态的步骤，包括：

将所述初始参数输入颗粒流数值模拟模型，并进行迭代计算所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型之间的耦合解；

在每一步迭代中，根据所述耦合解更新颗粒流运动状态，直至达到预设的停止迭代条件。

在本发明实施例中，迭代计算是指通过多次重复计算来逐步逼近所需的结果。停止迭代条件是指在迭代计算过程中，判断是否满足停止迭代的条件，如达到最大迭代次数或误差满足要求等。

具体实施例：将初始参数输入颗粒流数值模拟模型，并进行迭代计算宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型之间的耦合解。在每一步迭代中，根据耦合解更新颗粒流的运动状态，如更新颗粒的位置、速度、应力分布等。重复迭代计算直至达到预设的停止迭代条件。

通过迭代计算和耦合解的更新，可以逐步逼近颗粒流的真实运动状态，提高数值模拟的准确性。同时，通过设定停止迭代条件，可以控制计算的精度和计算量，提高计算效率。

在本发明还提供了一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法在实际应用中的完整实施例，以实现对预制桩基支护过程中的工程特点的自适应，具体实施方式如下：

在耦合过程中，可以同时考虑多尺度网格耦合、子域耦合和时域耦合的思路，以综合利用宏观和微观模型的优势。具体步骤如下：

1、预制桩基方案确定和模拟目标确定；

其中，预制桩基方案确定和模拟目标确定可以根据实际工程需求和土质条件，确定预制桩基方案，然后确定模拟目标，例如预测桩基施工过程中颗粒流的动态变化。

2、宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型建立：

宏观连续介质模型的建立：，建立宏观连续介质模型来描述颗粒流的宏观运动状态：

； (1)

公式（1）为质量守恒方程，表示流体的质量在空间中的变化率为0。

； (2)

公式（2）为动量守恒方程，表示流体的动量在空间中的变化率等于外力和内力之和，其中，ρ是流体的密度，u是流体的速度矢量，t是时间，

微观离散颗粒模型的建立：根据颗粒之间的相互作用力，建立微观离散颗粒模型：

F

在该步骤中，公式（3）为颗粒之间的相互作用力公式，描述了颗粒之间的弹簧力、摩擦力和法向接触力。其中，F

3、将宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型耦合：

在该步骤中，将颗粒流域划分为宏观网格和微观网格，在宏观网格上求解宏观连续介质模型，得到宏观解，在微观网格上求解微观离散颗粒模型，得到微观解，将宏观解作为微观离散颗粒模型的输入，并将微观解作为宏观连续介质模型的输入，得到颗粒流数值模拟模型。

4、基于宏观网格上的宏观连续介质模型求解宏观解的步骤：

在宏观网格上使用有限元法或有限体积法等数值方法求解离散形式的宏观连续介质模型，离散形式的宏观连续介质模型表达式为：M(du/dt) + K·U = f。 其中，M是流体的质量矩阵，t是时间，K是流体的刚度矩阵，U是速度场的向量，f是外部力矢量。

5、将宏观解作为微观离散颗粒模型的输入，并将微观解作为宏观连续介质模型的输入的步骤：

在该步骤中，将宏观解的速度场插值到微观网格上，作为离散颗粒模型的输入之一，在微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力，根据公式（3）计算颗粒之间的相互作用力，并更新颗粒的位移，将微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到宏观网格上，作为宏观连续介质模型的源项之一，在宏观网格上求解宏观连续介质模型的方程，根据公式（4）使用宏观网格上的速度场和插值得到的颗粒位移和相互作用力来计算外部力矢量。

6、更新宏观网格上的速度场的步骤：

基于加权平均算法对宏观流场的计算结果进行计算，以更新宏观网格上的速度场，加权平均算法的表达式如下v

7、迭代计算颗粒流运动状态的步骤：

将初始参数输入颗粒流数值模拟模型，进行迭代计算宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型之间的耦合解，在每一步迭代中，根据耦合解更新颗粒流运动状态，直至达到预设的停止迭代条件。

通过以上的预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法的步骤，可以对预制桩基坑的支护效果进行评估，并优化预制桩基方案，提高施工的安全性和效率。

以上7个步骤中，子域耦合和时域耦合的思路主要体现在步骤3和步骤5中。

在步骤3中，将宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型耦合，通过在颗粒流域中划分宏观网格和微观网格，分别对宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型进行数值求解，并将宏观解作为微观离散颗粒模型的输入，将微观解作为宏观连续介质模型的输入，实现了子域之间的耦合。

在步骤5中，基于宏观网格上的宏观连续介质模型求解宏观解的步骤中，通过将宏观解的速度场插值到微观网格上作为离散颗粒模型的输入，并在微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力，然后将微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到宏观网格上作为宏观连续介质模型的源项之一。这样，宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型在时域上进行了耦合，通过迭代计算宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型之间的耦合解，实现了时域上的耦合。

但是在预制桩基支护过程中，桩体的变形往往被忽略，只是单纯考虑对颗粒流数值模拟不能够更真实的反应实际作业过程中的突发情况，基于此具体实施例的改进思路可以如下：

在步骤2中，根据预制桩基方案确定模拟目标时，考虑桩体变形因素，包括桩体的刚度和变形特性等。可以通过现场实测或者数值模拟得到桩体的刚度和变形数据，作为模拟目标中的一个重要参数。

在步骤3中，基于模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型时，考虑桩体的刚度和变形特性。在宏观连续介质模型中，可以将桩体视为一个刚体或者弹性体，并将其与土体相互作用的力和变形纳入模型中。在微观离散颗粒模型中，可以将桩体视为离散颗粒，并考虑桩体与其他颗粒之间的相互作用力和位移。

在步骤5中，将宏观解作为微观离散颗粒模型的输入，并考虑桩体的刚度和变形特性。在宏观网格上求解宏观连续介质模型的方程时，可以根据桩体的刚度和变形特性计算外部力矢量，并将其考虑在内。在微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力时，可以考虑桩体与其他颗粒之间的相互作用力和位移。

通过考虑桩体的刚度和变形特性，将桩体与土体的相互作用纳入模拟中，可以更加准确地模拟预制桩基坑支护过程中的颗粒流动和桩体变形。这样可以为工程实际提供更加可靠的模拟结果，用于设计和优化预制桩基坑支护方案。

示例：

在步骤2中，根据预制桩基方案确定模拟目标时，考虑桩体变形因素，可以引入桩体的弹性模量和剪切模量作为模拟目标中的参数。假设预制桩基中的桩体具有线性弹性（具体根据实际情况而定），可以用下列公式计算桩体的弹性模量E和剪切模量G：

E = ν(2G + E) / (1 - ν)；

G = E / (2(1 + ν))；

其中，ν为泊松比。

在步骤3中，基于模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型时，考虑桩体的刚度和变形特性。在宏观连续介质模型中，可以将桩体的刚度和变形纳入模型中，通过弹性理论来描述桩体的变形行为，可以使用弯矩-曲率关系来表示桩体的刚度和变形，即M= EIθ''，其中M为弯矩，E为弹性模量，I为截面惯性矩，θ''为曲率。在微观离散颗粒模型中，可以将桩体视为离散颗粒，并考虑桩体与其他颗粒之间的相互作用力和位移，可以根据弹簧-颗粒模型来描述桩体的刚度和变形，即F = kδu，其中F为相互作用力，k为弹簧刚度，δu为位移差。

在步骤5中，将宏观解作为微观离散颗粒模型的输入，并考虑桩体的刚度和变形特性。在宏观网格上求解宏观连续介质模型的方程时，可以通过引入桩体的刚度和变形参数，将桩体与土体的相互作用纳入模型中。具体来说，在计算外部力矢量时，可以考虑桩体对土体的影响。可以通过下列公式计算桩体对土体的应力：

σ = Eε + M·y / I；

其中，σ为应力，E为弹性模量，ε为应变，M为弯矩，y为桩体的纵向距离，I为截面惯性矩。这样可以考虑桩体的刚度对土体的应力分布的影响。

在微观网格上使用离散元法计算颗粒的运动和相互作用力时，可以考虑桩体与其他颗粒之间的相互作用力和位移。具体来说，在计算相互作用力时，可以考虑桩体与其他颗粒之间的弹簧刚度和位移差。可以通过下列公式计算桩体与其他颗粒之间的相互作用力：

F

其中，F

通过考虑桩体的刚度和变形特性，将桩体与土体的相互作用纳入模拟中，可以更加准确地模拟预制桩基坑支护过程中的颗粒流动和桩体变形。这样可以为工程实际提供更加可靠的模拟结果，用于设计和优化预制桩基方案。

另外，在步骤7中，根据初始参数输入颗粒流数值模拟模型，并进行迭代计算宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型之间的耦合解。在每一步迭代中，根据耦合解更新颗粒流运动状态，直至达到预设的停止迭代条件。可以使用迭代方法，如显式或隐式的时间积分方法，来求解宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的耦合解。在每一步迭代中，根据当前时刻的宏观解和微观解，更新颗粒流的运动状态，包括颗粒的位置、速度和相互作用力等。

通过以上步骤，考虑桩体变形因素可以更真实的模拟结果：预制桩基坑支护过程中，桩体的变形是不可忽视的因素。通过考虑桩体的变形特性，可以更真实地模拟预制桩基坑支护过程中土体的流动行为和桩体的变形情况。这样可以得到更准确的模拟结果，提高模拟结果的可靠性；桩体与土体的相互作用更精确：桩体的变形会对土体的应力分布和变形产生影响，进而影响颗粒流动的行为。通过考虑桩体的刚度和变形参数，可以更精确地描述桩体与土体之间的相互作用。这样可以更准确地模拟桩体和土体的相互作用过程，提高模拟结果的准确性；最后，通过模拟预制桩基坑支护过程中桩体的变形情况，可以评估不同桩体设计方案对土体流动和桩体变形的影响。通过比较不同设计方案的模拟结果，可以优化桩体的设计，使其更适应实际工程需求。这样可以提高预制桩基坑支护的效果和安全性。可以建立一个综合考虑预制桩基坑支护颗粒流的宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型的数值模拟方法。该方法能够更准确地模拟预制桩基坑支护过程中颗粒流动的行为和桩体的变形情况，为工程设计和优化提供可靠的模拟结果。同时，该方法的耦合解算过程可以通过迭代计算来逐步收敛，确保模拟结果的准确性和稳定性。

同理，在不同的工况中，本发明实施例需要考虑的因素不同，在此基于工况中常见的土质不同的情况，本发明还提供了一种基于土体力学模型修正耦合模型的方式，以提高颗粒流数值模拟的精确度。

具体实施方式如下：

一种可能的耦合方式是将预制桩基坑支护颗粒流数值模拟方法与土体力学模型相结合，在这种耦合方式中，本发明实施例可以基于颗粒流数值模拟模型的结果，将颗粒流对土体的力学作用考虑进去，具体设计如下：

1、在颗粒流数值模拟模型中，得到颗粒流的运动状态和相互作用力。

2、根据颗粒流数值模拟模型的结果，计算颗粒对土体的作用力。

3、将颗粒对土体的作用力作为边界条件输入到土体力学模型中。

4、在土体力学模型中，考虑颗粒对土体的作用力，并计算土体的变形和应力分布。

5、将土体力学模型的结果反馈到颗粒流数值模拟模型中，更新颗粒的运动状态和相互作用力。

6、重复以上步骤，直到模拟结果收敛。

通过将颗粒流数值模拟模型与土体力学模型耦合，我们可以更准确地模拟预制桩基坑支护过程中颗粒与土体之间的相互作用。这种耦合方式可以提供更全面的信息，帮助我们理解颗粒流与土体之间的力学行为，并优化预制桩基坑支护设计。

以下是一个可能的步骤和相关计算公式的示例：

步骤1、颗粒流数值模拟模型的求解：

a. 将宏观解的速度场插值到微观网格上，作为离散颗粒模型的输入之一。

b. 利用离散元法等方法在微观网格上计算颗粒的运动和相互作用力，使用公式（3）计算颗粒之间的相互作用力，并更新颗粒的位移。

c. 将微观网格上的颗粒位移和相互作用力插值到宏观网格上，作为宏观连续介质模型的源项之一。

d. 在宏观网格上求解宏观连续介质模型的方程，使用公式（4）结合宏观网格上的速度场和插值得到的颗粒位移和相互作用力来计算外部力矢量。

e. 根据宏观流场的计算结果，更新宏观网格上的速度场。

步骤2、土体力学模型的求解：

a. 根据颗粒流数值模拟模型的结果，计算颗粒对土体的作用力。可以使用接触力模型等方法来计算。

在离散颗粒模型中，每个颗粒i的作用力可以通过以下公式计算：

F_i = ∑(F

举例：假设有两个相邻颗粒i和j，它们之间的相互作用力可以通过弹簧模型计算，公式为：

F

其中，k

b. 将颗粒对土体的作用力作为边界条件输入到土体力学模型中。

在土体力学模型中，可以将颗粒对土体的作用力作为边界条件之一，以模拟颗粒对土体的力学作用。具体的边界条件取决于所采用的土体力学模型。

举例：假设采用弹性模型，可以将颗粒对土体的作用力作为边界条件施加在土体的边界上，以模拟颗粒对土体的力学作用。

c. 在土体力学模型中，考虑颗粒对土体的作用力，并计算土体的变形和应力分布。

根据所采用的土体力学模型，可以使用适当的方程来计算土体的变形和应力分布。例如，对于弹性模型，可以使用弹性力学方程来计算土体的应力和变形。

举例：假设采用弹性模型，应力与应变之间的关系可以表示为：

σ = E ·ε；

其中，σ是应力，E是土体的弹性模量，ε是土体的应变。

步骤3、耦合迭代过程：

a. 将土体力学模型的结果反馈到颗粒流数值模拟模型中，更新颗粒的运动状态和相互作用力。

根据土体力学模型计算得到的土体位移和应力分布，可以更新颗粒流数值模拟模型中颗粒的运动状态和相互作用力。

举例：假设土体力学模型计算得到的土体位移为u，应力分布为σ。根据土体力学模型的计算结果，可以更新颗粒流数值模拟模型中颗粒的位移和相互作用力。例如，可以根据位移u来更新颗粒的位置，根据应力σ来更新颗粒之间的相互作用力。

b. 重复步骤1和步骤2，直到模拟结果收敛。

通过迭代计算，重复步骤1和步骤2，直到颗粒流数值模拟模型和土体力学模型之间的耦合解达到收敛状态。收敛条件可以根据实际情况和模拟要求进行定义。

举例：在每一次迭代中，首先根据颗粒流数值模拟模型计算颗粒的运动状态和相互作用力，然后将土体力学模型的计算结果反馈到颗粒流数值模拟模型中进行更新。接着，再次进行颗粒流数值模拟模型的计算，直到两个模型之间的耦合解收敛为止。收敛条件可以根据颗粒流的稳定性和模拟精度进行定义，例如设定位移或应力的变化量小于某个阈值时认为达到收敛状态。

除了与土体力学模型的耦合，我们还可以考虑与其他领域的模型进行耦合。例如，可以将颗粒流数值模拟模型与水流模型耦合，以模拟水流对颗粒流的影响。或者将颗粒流数值模拟模型与化学反应模型耦合，以模拟颗粒流中的化学反应过程。这样的耦合方式可以帮助我们更全面地理解和分析预制桩基坑支护过程中的各种复杂物理现象。

在本发明提供的又一实施例中，提供了一种预制桩基坑支护颗粒流数值模拟系统，如图3所示，包括：

获取模块01，用于获取预制桩基方案，并根据所述预制桩基方案确定模拟目标；

建立模块02，用于基于所述模拟目标建立宏观连续介质模型和微观离散颗粒模型；

耦合模块03，用于将所述宏观连续介质模型和所述微观离散颗粒模型进行耦合，得到颗粒流数值模拟模型；

确定模块04，用于根据所述预制桩基方案确定初始参数；

输出模块05，用于将所述初始参数输入所述颗粒流数值模拟模型，得到颗粒流运动状态。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。

本发明实施例的第四方面，

提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。

本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。