孔隙尺度下煤自然发火过程的数值模拟研究

发布时间：2017-05-12 11:21

  本文关键词：孔隙尺度下煤自然发火过程的数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤炭的自燃是矿井开采和煤储运过程中的主要事故之一,一旦发生,将会造成巨大 的危害。煤低温氧化发热作用是自燃现象的根源,在适宜的通风、供氧条件下,积累的 热量促使煤体温度升至着火点温度,最终引发燃烧。为了达到预防自燃的目的,有必要 从微观的尺度上开展研究,明确各外界因素对煤升温过程的作用。基于上述背景,本文 旨在将颗粒孔隙内的数值模拟方法引入到煤自然发火的研究领域中,结合化学反应动力 学理论,探究煤自燃机理。首先,为了证明微观尺度模拟计算的可行性,本文使用计算流体力学软件FLUENT 分别计算了由填料床颗粒构成的孔隙空间内的速度分布和温度分布,将其与已有文献中 实验研究结果相比较,两者符合情况良好。随后,将具有发热性质的球形煤颗粒按真实 规律排列,用形成的堆积结构表示宏观的多孔介质。在对煤氧化反应自热作用采取合理 的简化之后,设定满足煤堆漏风状况的边界条件,求解出孔隙内速度场、温度场,分析 风速对热量积聚或者耗散的影响作用。在研究实际煤堆升温过程时,以位于孔隙内风流背景下的单个煤颗粒作为基础,考 虑固体内部扩散和渗流空气传热传质过程的共同作用,深入分析颗粒表面的氧化反应过 程,求解出准确的化学反应速率。将以上结果应用于煤堆整体中,建立包含有气体消耗 源项和反应生成热源项的三维非稳态煤堆自热模型。随后以文献报道的大型露天煤堆为 模拟对象,使用数值计算软件FLUENT对煤堆内的升温过程进行模拟,求解出流场、 温度场、氧浓度场等详细信息,并利用现场实际测量得到的数据结果与模拟值对比分析。 从对比的结果来看,模拟值与实验值一致性较好：不同位置处的测点温度变化趋势相同, 数值相差不大,模型预测的自然发火期与现场测得值十分接近。这说明本文建立的数值 计算模型具有较高的可信度。应用所建三维非稳态煤堆自热模型,分别针对不同风速、 孔隙率和煤颗粒直径等条件进行求解计算,获得不同外部环境下同一煤堆内部的温度场 分布,分析关键性参数对煤堆自然发火期的影响。本文研究表明,在孔隙尺度下对煤自然发火过程的模拟研究是切实可行的,以此为 基础建立的三维非稳态模型不仅能真实反映煤堆低温氧化时的内部变化规律,而且能较 为准确地预测煤堆自然发火期。本研究中的模拟方法和计算成果,为制定正确的煤堆处 置方法提供了理论依据,对预防煤自燃火灾具有指导意义。
【关键词】：煤自热 孔隙尺度 数值模拟 流动传热 自然发火期
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD752.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景与意义9-11
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题11-18
• 1.2.1 煤自燃学说机理研究现状11-13
• 1.2.2 煤自热升温过程及影响因素研究现状13-16
• 1.2.3 多孔介质孔隙内部流动传热研究现状16-17
• 1.2.4 存在的问题17-18
• 1.3 本文的研究内容18-20
• 2 孔隙尺度数值模拟方法的验证20-30
• 2.1 速度场的模拟计算20-25
• 2.1.1 实验背景及计算方法20-22
• 2.1.2 模拟结果对比分析22-25
• 2.2 温度场的模拟计算25-29
• 2.2.1 实验背景及计算方法25-27
• 2.2.2 模拟结果对比分析27-29
• 2.3 小结29-30
• 3 煤颗粒孔隙内部流动传热分析30-39
• 3.1 多孔介质内对流换热准则关系式的验证30-33
• 3.2 堆积煤体内部分颗粒发热情况33-35
• 3.3 孔隙内部流动对传热影响的分析35-38
• 3.4 小结38-39
• 4 基于颗粒反应的煤堆升温计算模型39-47
• 4.1 单个颗粒扩散反应过程描述39-43
• 4.2 煤堆温度场数学模型的建立43-46
• 4.2.1 质量守恒方程44
• 4.2.2 动量守恒方程44
• 4.2.3 氧气浓度守恒方程44-45
• 4.2.4 能量守恒方程45-46
• 4.3 小结46-47
• 5 煤堆升温计算模型的验证及应用47-60
• 5.1 计算模型的验证47-50
• 5.1.1 实测煤堆参数说明47-48
• 5.1.2 边界条件设置及计算方法说明48-50
• 5.2 计算结果及分析50-56
• 5.2.1 模拟值与实测值对比情况50-52
• 5.2.2 煤堆内部物理量变化规律52-56
• 5.3 煤堆升温计算模型的应用56-59
• 5.3.1 供风速度对煤堆升温过程的影响56-57
• 5.3.2 孔隙率对煤堆升温过程的影响57-58
• 5.3.3 表面扩散反应对煤堆升温过程的影响58-59
• 5.4 小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：359655