Simulation of liquefied sand by the Lattice Boltzmann method

The Lattice Boltzmann method is increasingly used in the computational modeling of a wide variety of complex fluid flow problems. Macroscopic quantities like fluid density, velocity, or stress are expressed as moments of a distribution function. The approach can be adopted to simulate non-Newtonian fluids. Laboratory tests on liquefied sand show a shear-thinning behavior, i.e. decreasing viscosity with increasing shear strain rate. Geophysical flows show similar behavior. In the paper, the rheological behavior of the liquefied soil is characterized by means of a non-linear model with upper and lower limiting values of the fluid viscosity. The main features of the applied numerical procedure are described. Typical situations are simulated such as liquefaction-induced flow in a shaking table test, slope failure, and flow around a rigid wall embedded in liquefied soil. The results enable the qualitative assessment of the resulting displacement patterns.

Simulation von verflüssigtem Sand mit der Gitter-Boltzmann-Methode.
Gitter-Boltzmann-Methoden werden zunehmend für die numerische Simulation einer Vielzahl von komplexen hydrodynamischen Problemstellungen angewandt. Makroskopische Eigenschaften wie Flüssigkeitsdichte, Geschwindigkeit oder Spannung werden als Momente einer Verteilungsfunktion dargestellt. Das Verfahren kann eingesetzt werden, um nicht-Newtonsche Fluide zu modellieren. Laborversuche an verflüssigtem Sand zeigen ein scherverdünnendes Verhalten, d. h. abfallende Viskosität mit zunehmender Scherdehnungsrate. Geophysikalische Strömungen verhalten sich ähnlich. In der Arbeit erfolgt die rheologische Charakterisierung des verflüssigten Bodens mittels eines nichtlinearen Modells mit oberen und unteren Grenzwerten für die Viskosität. Die wesentlichen Merkmale der eingesetzten numerischen Methode werden beschrieben. Typische Situationen, wie verflüssigungsinduziertes Fließen in einem Rütteltischversuch, das Versagen einer Böschung sowie das Fließen um eine Wand in verflüssigtem Boden werden simuliert. Die Ergebnisse ermöglichen eine qualitative Erfassung der maßgebenden Verformungsmechanismen.