煤层中水驱瓦斯建模与数值模拟

发布时间：2017-05-06 16:08

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【摘要】：水驱瓦斯是一种简单高效快捷的瓦斯开采方法。在开采过程中,多孔介质流固耦合是其重要的一部分。合理使用水驱瓦斯技术,可以提高瓦斯开采效率并确保瓦斯开采过程中的安全施工。注水开采瓦斯的过程中,涉及到非常复杂的多相流的流固耦合问题。因此,为了保证煤矿安全开采和提高瓦斯利用率,对水驱瓦斯中的流固耦合问题的基础研究对于改善水驱瓦斯的开采技术非常有必要。目前主要的流固耦合研究思路为流体采用欧拉法描述,固体采用拉格朗日法进行描述或者例如无网格法中,流体与固体均采用拉格朗日法进行描述。本文不同于上述方法,对流体与固体均采用欧拉法进行统一描述,并统一离散。本文基于有限体积法对水驱瓦斯过程中复杂流固耦合的问题使用欧拉法进行统一建模并数值模拟。首先,利用欧拉描述方法,将煤层简化为多孔介质,建立多相流多孔介质流固耦合的数学模型,该流固耦合模型对于流体与固体均采用欧拉法进行统一描述,流固耦合通过添加外力项实现耦合作用。然后,对于已建立的数学模型,进行无量纲化,并采用有限体积法对该偏微分方程组进行统一离散和数值求解,同时对模型正确性进行验证。最后,对几种典型工况的水驱瓦斯过程进行了数值模拟,并对模拟得到的的流动的速度场、压力场以及固体的应变场等数值结果进行了详细分析。结果表明:(1)本文建立数学模型的验证算例数值结果与实验结果在趋势上吻合,可以从整体趋势上对水驱瓦斯效果进行评估,但具体数值仍存在误差,这主要因为模型简化时忽略吸附解吸的作用,以及实验测量误差等因素综合作用。(2)模拟计算不同的开采入口与出口距离和不同的入口速度的结果表明:当入口出口距离增加或入口速度增加时,煤层的运动速度、应变以及孔隙率均会增加。(3)确定了应力应变较大的三个区域为:紧挨入口上端处,水与上壁接触以及水与左侧固壁接触的位置,其易引起煤层断裂破坏。其中入口处和水与上壁接触区域断裂破坏获得实验验证。(4)此外,水的流经区域亦为固体应变相对较大的区域。
【关键词】：数值模拟 流固耦合 多孔介质 水驱瓦斯
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题背景8-11
• 1.2 本文研究意义11
• 1.3 国内外研究现状11-16
• 1.3.1 流固耦合方法介绍13-16
• 1.4 本文研究内容及创新16-18
• 1.4.1 主要研究内容16
• 1.4.2 本文工作的创新16-18
• 2 物理及数学模型18-27
• 2.1 物理与数学模型18-25
• 2.1.1 数学模型推导19-24
• 2.1.3 无量纲化过程24-25
• 2.2 几何模型25-26
• 2.3 边界条件和初始条件26
• 2.4 小结26-27
• 3 数值计算方法27-30
• 3.1 有限体积法27
• 3.2 有限体积法通用形式27-28
• 3.3 方程离散及收敛策略28-29
• 3.4 小结29-30
• 4 模型验证30-35
• 4.1 几何模型30
• 4.2 数学模型30-31
• 4.3 边界条件31
• 4.4 结果分析31-34
• 4.5 小结34-35
• 5 数值模拟35-44
• 5.1 几何结构及网格划分35
• 5.2 数值求解及边界条件35-36
• 5.3 结果分析36-42
• 5.3.1 相同入口速度不同结构36-41
• 5.3.2 相同结构不同入口速度41-42
• 5.3.3 相同结构相同入口不同时间42
• 5.4 小结42-44
• 6 结论与展望44-46
• 6.1 结论44
• 6.2 展望44-46
• 致谢46-47
• 参考文献47-52
• 附录52-60

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本文编号：348711