煤层中水驱瓦斯建模与数值模拟

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1、煤层中水驱瓦斯建模与数值模拟重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：许小龙指导教师：曾忠教授专业：流体力学学科门类：工学重庆大学航空航天学院二O一五年五月ModellingandNumericalSimulationonGasDrivenbyWaterInjectioninCoalBedAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineering

2、ByXiaolongXuSupervisedbyZENGZhongSpecialty：FluidMechanicsCollegeofAerospaceEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要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

3、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

4、，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

5、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I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACT

6、Enhancedgasrecoverybywaterinjectionisasimpleandeffectivewayforgasproduction,inwhichthefluid-solidinteractioninporousmediaplaysanimportantrole.Ifenhancedgasrecoverybywaterinjectiontechnologyisusedreasonably,efficiencyofgasproductionwouldbeimprovedandsa

7、fetyconstructionwouldbeensuredduringtheminingprocess.Inthisprocess,theinvolvedfluid-solidinteractionformultiphaseflowisaverycomplexproblem.Inordertoimproveminingenvironmentandutilizationefficiencyofnaturalgas,thebasicresearchonfluid-solidinteractionfo

8、rmultiphaseflowisinvestigated.Formostofnowadaysstudiesoffluid-solidinteraction,Eulerianmethodisoftenappliedtodescribefluidtransport,theLagrangianmethodisadoptedtodescribesolidmotion.Besides,Lagrangianmethodisalsousedtodescribebothfluidandsolid