复现Comsol非饱和裂隙土降雨入渗研究

comsol非饱和裂隙土降雨入渗研究，复现论文（侯晓萍,樊恒辉.基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究[J].岩土力学,2022,43(02):563-572.），建立三维基质—裂隙土柱模型，使用“空气单元”描述坡面积水水头。 使用VG模型和Brooks-Corey模型分别描述土基质和裂隙的非饱和特性，下图为0-5天内压力水头变化以及降雨断面入渗率以及参考文献对比）

最近在研究非饱和裂隙土降雨入渗相关内容，尝试复现侯晓萍和樊恒辉发表在《岩土力学》2022年第43卷第2期上题为“基于COMSOL Multiphysics的非饱和裂隙土降雨入渗特性研究”的论文，过程还挺有趣，来和大家分享一下。

模型建立：三维基质—裂隙土柱模型

首先得搭建这个三维的基质 - 裂隙土柱模型。在Comsol里建模，这一步就像是搭建一个虚拟的实验场地。我们使用“空气单元”来描述坡面积水水头，简单理解，就好比给这个虚拟场地设置了一个“水位探测器”，用来监测坡面上积水的水位情况。

在代码实现方面（这里假设使用Comsol的编程语言，类似于Matlab的脚本语言风格）：

// 创建三维几何模型
model.geom.create('geom1', 3);
// 添加土柱几何形状相关操作，具体参数需根据论文设置
model.geom('geom1').feature.create('cylinder1', 'Cylinder');
model.geom('geom1').feature('cylinder1').set('radius', 0.5);
model.geom('geom1').feature('cylinder1').set('height', 1.0);
// 这里只是简单示意创建一个圆柱作为土柱模型，实际还需更复杂的几何操作来模拟裂隙等

// 定义空气单元，用于描述坡面积水水头
model.physics.create('spf1', 'Single - Phase Flow, Porous Media');
model.physics('spf1').feature.create('ic1', 'Initial Conditions');
model.physics('spf1').feature('ic1').set('p0', 0); // 初始压力水头设为0，具体依实际情况调整

上面这段代码简单展示了如何创建三维几何模型中的土柱部分，以及定义用于描述坡面积水水头的空气单元的一些基础设置。

描述非饱和特性：VG模型与Brooks - Corey模型

论文里分别使用VG模型和Brooks - Corey模型来描述土基质和裂隙的非饱和特性。这两个模型就像是两个不同的“翻译器”，把土壤和裂隙的复杂物理特性用数学语言表达出来。

VG模型

VG模型在Comsol里的实现代码可能类似这样：

// 定义VG模型参数
model.physics('spf1').prop('mat1').set('m', 0.3);
model.physics('spf1').prop('mat1').set('n', 1.5);
model.physics('spf1').prop('mat1').set('theta_s', 0.4);
model.physics('spf1').prop('mat1').set('theta_r', 0.1);
// 通过这些参数设置，VG模型就可以描述土基质的非饱和特性了

这里的 m、n、thetas、thetar 等参数就像是VG模型的“密码”，不同的土壤有不同的“密码组合”，它们决定了土壤在不同压力水头下的含水量等特性。

Brooks - Corey模型

同样，对于Brooks - Corey模型：

// 定义Brooks - Corey模型参数
model.physics('spf1').prop('mat2').set('lambda', 0.2);
model.physics('spf1').prop('mat2').set('psi_b', 10);
model.physics('spf1').prop('mat2').set('theta_s', 0.35);
model.physics('spf1').prop('mat2').set('theta_r', 0.08);
// 这些参数让Brooks - Corey模型能够准确描述裂隙的非饱和特性

在实际模拟中，通过调整这些参数，就可以让模型更贴合真实的土壤和裂隙情况。

模拟结果对比：0 - 5天内压力水头变化及降雨断面入渗率

经过前面的模型搭建和参数设置，就可以运行模拟，看看0 - 5天内压力水头变化以及降雨断面入渗率的情况，并与参考文献对比。

在Comsol里查看结果时，会得到一系列的数据和图表，这些图表就像是实验的“成绩单”，展示了模拟的效果。比如压力水头随时间和空间的变化图，通过对比我们模拟出来的压力水头变化曲线和论文中的曲线，可以直观地看到复现的效果。如果曲线走势基本一致，那就说明我们的模拟方向是对的。

对于降雨断面入渗率也是同样的道理，通过对比模拟结果和参考文献中的数据，不断调整模型参数和设置，让模拟更加准确。

整个复现过程虽然有些复杂，但一步步深入，看到模拟结果逐渐逼近论文数据，还是很有成就感的。希望我的分享能给对这方面研究感兴趣的朋友一些启发。

以上代码仅为示意帮助理解整个流程，实际复现需严格按照论文参数和Comsol具体操作规范。