基于格子Boltzmann方法的煤层瓦斯运移仿真

论文摘要

我国所处的特殊工业阶段、特殊的国情,决定了现阶段只能以煤炭作为基础能源,发展我们的市场和经济。对于矿山,特别是煤矿的要求越来越高,不管是技术上、还是管理上都要求采用最新的、高效的技术管理模式,尽可能使矿山企业高效的运转。现代流体仿真技术一格子Boltzmann方法,从REV尺度的角度出发,将分子动力学和宏观物理研究有效结合。该方法无需复杂的微分方程、容易编程实现、边界处理多样化,同时、与生俱有的并行性,使得多用于复杂系统的仿真。瓦斯作为矿山事故的主要因素,在由煤等多孔介质组成的空间内做渗流运动。该渗流系统中流体本身特性、渗流介质孔隙性、围岩压力都起到了主要作用。为了揭示瓦斯在煤层中渗流、瓦斯在工作面涌出的规律,研究煤岩体由于工作面的开采、引起了煤层内部和工作面上的瓦斯浓度差和煤层上部厚覆岩层所产生的应力集中的共同作用下,瓦斯由煤层内部向整个工作面方向运移的过程。建立瓦斯渗流Boltzmann模型,假定整个渗流符合Darcy渗流定律,不考虑其它可能相关因素。整个论文从压力场和速度场相结合的角度,模拟了上覆岩影响煤层渗透率的情况下瓦斯的渗流速度、模拟了卸压增流效应引起的大梯度压力变化下的渗流速度；同时、模拟了正常式瓦斯涌出和突出式瓦斯涌出,从可视化的角度验证了瓦斯涌出的现实情况。最后,作为基于格子Boltzmann方法的瓦斯运移仿真,针对大规模格子点和复杂情况时,本论文进行了算法优化和算法设想。基于分块耦合算法的格子Boltzmann方法三维仿真,能有效的利用计算资源实现较大规模的仿真；同时,本文认为构建基于JAVA开发的网格计算系统,嵌套FORTRAN并行语言的支持,加上对格子Boltzmann模型进行处理,可以有效的进行大规模、复杂性情况的仿真。本文的研究为矿山开发、综合治理,以及相关技术的研究提供了方法参考和研究依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 煤层瓦斯研究现状
• 1.3 格子Boltzmann研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 格子Boltzmann方法基本原理和瓦斯的渗流
• 2.1 流体动力学的格子Boltzmann方法
• 2.2 煤层瓦斯的渗流特性
• 2.3 压应力对流动的影响
• 2.4 格子Boltzmann方法的解算
• 第三章 煤层瓦斯运移的3维格子Boltzmann仿真
• 3.1 引言
• 3.2 煤层瓦斯运移LBM仿真模型构建
• 3.2.1 建模条件
• 3.2.2 煤层瓦斯运移LBM模型
• 3.2.3 煤层瓦斯运移D3Q15计算模型
• 3.2.4 模型边界处理
• 3.3 模拟算例分析
• 3.3.1 模拟算例
• 3.3.2 仿真结论
• 3.4 本章小结
• 第四章 工作面瓦斯涌出的3维格子Boltzmann仿真
• 4.1 工作面的瓦斯涌出
• 4.1.1 瓦斯涌出的分类
• 4.1.2 工作面瓦斯的涌出量
• 4.1.3 影响瓦斯涌出量的因素
• 4.2 正常式瓦斯涌出仿真
• 4.2.1 瓦斯涌出仿真物理模型的建立
• 4.2.2 D3Q15模型仿真瓦斯涌出
• 4.2.3 D2Q9模型仿真瓦斯抽放对于瓦斯涌出的影响
• 4.3 突出式瓦斯涌出仿真
• 4.4 本章小节
• 第五章 本问题研究展望与总结
• 5.1 大规模复杂情况下瓦斯仿真求解
• 5.1.1 三维分块耦合算法瓦斯仿真求解模型
• 5.1.2 基于网格计算的求解模型
• 5.2 本文工作总结
• 5.3 本文工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介及硕士生期间发表的学术论文