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在COMSOL多物理平台中扩展有限元方法的实现：不连续多孔介质中流体流动的热-水-力耦合建模
1. 主要摘要
本文提出了一种在COMSOL Multiphysics平台中实现扩展有限元方法（XFEM）的框架，用于不连续多孔介质中流体流动的热-水-力（THM）耦合建模。基于COMSOL的固有特性和外部MATLAB函数的结合，该方法通过对裂缝区域的增强处理和物理接口的高效耦合，实现对多场问题的模拟。通过多种二维和三维仿真验证了该框架在裂缝演化、压力分布和温度场模拟中的鲁棒性和准确性。结果表明，该框架在处理复杂几何和多物理场问题中表现出显著优势，为实际工程问题提供了高效的数值工具。
2. 引言
热-水-力耦合过程在岩土工程、矿业、石油工程和环境工程中具有重要意义，尤其是在分析自然或人为裂缝对多孔介质物理响应的影响时。然而，目前主流的XFEM多场建模大多基于自研代码，限制了其在复杂工程问题中的广泛应用。本文以COMSOL Multiphysics为基础，开发了一种兼容其模块化物理接口的XFEM框架，用于不连续多孔介质中THM耦合问题的模拟。该研究为XFEM在通用有限元平台中的推广提供了方法论和实践支持。
3. 主要内容
1. XFEM的数学模型与离散化方法
1.1 XFEM基本原理
1.2 关键方程与变量
1.3 裂缝处理方法
2. XFEM在COMSOL中的实现
2.1 框架设计
2.2 耦合方法
2.3 接触处理
3. 数值验证与案例分析
3.1 温度诱导裂缝扩展
3.2 热机械裂缝分析
3.3 水力机械模拟
3.4 复杂裂缝网络模拟
4. XFEM的优势与应用潜力
4.1 灵活性与精度
4.2 扩展性与通用性
1. XFEM框架在COMSOL中的实现
通过与MATLAB的深度集成，提出了一种完整的XFEM框架，实现了裂缝区域的增强处理和热-水-力耦合模拟。
2. 模型验证与应用表现
案例研究显示该框架在裂缝扩展路径、热-水-力分布和多场相互作用的模拟中表现出高精度和稳定性。
3. 工程应用前景
该框架适用于岩土工程、能源开采和环境工程中的复杂问题分析，特别是在含裂缝多孔介质中的多场问题。
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— VOF-DEM耦合探讨多孔介质的应变敏感特性
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM裂缝性地层颗粒-流体渗流模拟
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
