煤自燃温度场的数值模拟

发布时间：2017-08-15 23:00

  本文关键词：煤自燃温度场的数值模拟

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【摘要】：煤层自燃严重影响着煤炭工业发展，给矿井生产带来极大安全隐患。由于实际条件下的煤自燃过程很难描述清楚，使得煤层自然发火预测预报技术的发展受到严重制约，当务之急是建立有效完善的预测煤炭自然发火的机制。根据煤田自然发火的形成机制机理，煤炭自燃的必要条件有三点：1煤具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积；2有连续的通风供氧条件；3热量易于积聚；其充分条件为：持续一定的蓄热时间。我校煤炭科学专业运用小型试验炉对大型的矿山煤场进行试验模拟统计实验数据，再用简单的曲线拟合近似求解煤温变化情况，在煤充分接触氧气时温度达到一定值时将自然发火（不同煤样燃点不同）。利用优化算法以及计算机的数值模拟方法能更加精确的探究煤炭的发火过程以及温度变化情况。论文研究意义在于用数值模拟实验代替实际炉体发火实验，使得煤自燃发火过程能更加直观。 本文从二维煤自然发火实验数学模型入手，以西安科技大学煤自然发火试验台为依托，通过定性条件，如炉体主要结构数据，供风条件，煤样条件等的确定，以及对模型建立的影响因素较小的基本假设，建立了三维煤自然发火的数学模型。建立的三维煤自然发火数学模型是三维多场耦合条件下的对流扩散反应方程组，在加入适当初始条件和边界条件后，归纳为一个三维非稳态条件下的对流占优扩散反应方程。将经验放热强度，，耗氧速率带入三维对流扩散方程，数值模拟过程主要用到有限元方法，为了提高计算准确度和收敛速度，本文引入了特征有限元方法二重网格算法。通过对实验炉体的分层遍历求解，数值模拟出在特定实验条件下枣泉煤样的温度场变化情况。 在使用特征有限元方法解决一定边界条件下的煤自燃温度场控制方程模拟煤温的自然变化趋势后，数值模拟出的是一组具有动态变化规律的空间对应温度值。实现的可视化软件设计了导入数据的接口，可直接导入ACCESS，EXCEL等模拟及实验数据，通过虚拟的煤自然发火平台，重现实验过程，软件通过OpenGL实现三维炉体动态温度场的变化规律界面，并能实现在某一时间点最高煤温数据导出。 用煤温测试装置测得煤堆中一些特定点的瞬态煤温的变化温度后对比了模拟温度值与实验温度值，比较分析结果的可行性，结果表明，数值模拟煤自燃温度场的变化过程及发火期能较好的反映真实实验条件下的煤自然发火情况。实验根据模拟结果对模型进行评价，为建立快速、准确的煤自燃预测预报系统奠定了基础。
【关键词】：煤自燃 对流扩散方程 特征有限元法 二重网格算法 可视化
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD752.2
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 研究背景和意义8-10
• 1.2 国内外的研究动态及发展趋势10-13
• 1.2.1 数值模拟的发展10-11
• 1.2.2 煤自燃的数值模拟11-13
• 1.3 论文的研究思路13-16
• 1.4 论文的总体结构16-17
• 2 煤自然发火实验的数学模型17-25
• 2.1 炉体结构17-18
• 2.2 煤自然发火数学模型18-20
• 2.2.1 模型分析及假设18-19
• 2.2.2 松散煤体耦合场数学模型19-20
• 2.3 温度场的形成及影响因素20-21
• 2.4 煤自燃温度场数学模型21-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3 多场耦合偏微分方程的求解25-39
• 3.1 有限元方法的介绍25-28
• 3.1.1 传统有限元方法25-27
• 3.1.2 特征有限元方法27-28
• 3.2 参数条件施加28-31
• 3.2.1 初始条件及边界条件的处理28-30
• 3.2.2 所需参数30-31
• 3.3 模型求解31-34
• 3.3.1 模型简化31-32
• 3.3.2 三维对流扩散方程离散化32-33
• 3.3.3 模型求解过程33-34
• 3.4 算法实现34-38
• 3.4.1 特征有限元二重网格算法34-36
• 3.4.2 实现过程简述36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 三维数值模拟煤自燃可视化39-47
• 4.1 数值模拟可视化的发展39
• 4.2 软件概要说明39-42
• 4.3 系统的分析与设计42-45
• 4.3.1 系统的源数据预处理42
• 4.3.2 数据库与数据接口的设计42-43
• 4.3.3 三维实现43-44
• 4.3.4 创建的类44
• 4.3.5 主要类函数和功能44-45
• 4.4 对软件的整体总结45-46
• 4.5 模型优化46-47
• 5 结果分析47-53
• 5.1 可视化效果及说明47-50
• 5.2 模拟结果分析比较50-53
• 6 结论与展望53-55
• 6.1 煤自燃数值模拟结论53
• 6.2 煤自燃数值模拟展望53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-59
• 附录一59-62
• 附录二62

【参考文献】

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1 邓军,徐精彩,李莉,张辛亥,文虎;煤的粒度与耗氧速度关系的实验研究[J];西安交通大学学报;1999年12期

2 郭玉龙,任高峰;三维有限元数值模拟在采空区稳定性评价中的应用[J];西部探矿工程;2005年03期

本文编号：680257