煤岩体接触面不同倾角的传热影响

为得到煤岩体接触面倾角不同时的传热规律,对6种不同倾角组合的煤岩体进行数值模拟研究,建立不同孔隙率和渗透率的多孔介质稳态传热模型,考虑煤岩体y轴方向的重力加速度,黏性阻力系数和内部阻力系数,运用传热学,流体力学,多孔介质对流传热等相关理论,并引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型,采用控制体积法对煤岩体模型进行求解。计算结果表明:通过温度场可知,随着倾角的增加,高温边界下部导热增强,煤岩体中央对流换热开始占主要作用,低温边界上部导热减弱;通过流场可知,岩石区域中央处流场的对流作用最弱(Ф=0.000 1),靠近边界条件处对流作用最强(Ф=0.001 3),随着倾角的增加,对流作用减弱。流动状态在接触面有突变,温度场和流线相互对应。     

巷道围岩渗流与传热耦合数值模拟研究

为了得到具有地下水渗流的矿井围岩内部传热规律,基于等效连续介质渗流模型,建立矿井巷道裂隙密集性围岩渗流和传热耦合模型,应用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,实现了矿井巷道裂隙围岩温度场的分布模拟,并分析了矿井通风时间、围岩孔隙率、围岩渗透率、固体导热系数、围岩初温和通风温度对温度场分布的影响。结果表明:通风时间增加会使得调热圈半径增大;在孔隙率较大时,孔隙率越大越有利于换热,孔隙率较小时,孔隙率越小越有利于换热;渗透率越大、固体导热系数越大和通风温度越低越有利于换热。固体导热系数、原始岩温及通风温度对围岩调热圈半径影响不明显。     

岩体裂纹扩展液-热-力耦合模块数值模拟研究

为研究液 热 力三场耦合作用下深地工程岩体裂纹 扩展演化机理,基于现有裂纹扩展模拟优势软件 FRACOD, 进一步研发了液 热 力(H-T-M)耦合模块。此模块采用 间接边界元 位移不连续法进行力学数值计算(岩体的变形 和裂纹扩展)和瞬态热流模拟,用迭代法模拟裂纹扩展过程。 通过地热能开发、地下天然气液化存储工程案例进行分析验 证。模拟结果表明:①注入的流体温度与围岩温度不同时, 流体在裂隙中流动引起热交换,在岩体内部产生温度压力, 促进了裂纹扩展;②冰膨胀对岩石应力的影响随着裂隙孔径 的增加而增大,所产生的压应力使岩体中的裂隙闭合,降低 了流体泄露的风险。得到的试验结果能够清晰地反映出裂 纹、不连续面及其扩展过程和演化规律,验证了该模块的可 行性和优越性。     

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验，获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论，建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程，并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景，对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后，采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合，证明了数值计算模型及预测结果的合理性。     

几何粗糙对岩体裂隙非线性流动的影响机制

破断岩体裂隙的几何粗糙使得其中的流体流动行为呈现出显著的非线性。借助粗糙裂隙的平行板离散模型和COMSOL软件,分析了离散模型单元体内部的流体流速及压力分布规律,获得了岩体裂隙中非线性流动产生的物理机制;研究了裂隙几何特征对非线性流动的影响规律,提出岩体裂隙非线性流动的流量计算方法,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明:隙宽突变处的附加压力降损耗是导致粗糙裂隙流体流动产生非线性的主因;裂隙壁面粗糙和雷诺数的耦合作用显著影响裂隙中流体的非线性流动行为,裂隙中隙宽明显收缩处是附加压力降损耗的主要位置;提出的粗糙裂隙非线性流动的流量计算方法显著提高了分析结果的准确度,显示出较好的实用性。     

煤炭地下气化温度场和裂隙场的演化规律

对国内某煤炭地下气化现场气化煤层的顶底板岩石不同温度下的热力学参数资料进行了收集整理,建立了岩石及煤比热容和导热系数随温度变化的拟合曲线方程,并采用COMSOL模拟了研究区地下气化的温度场分布。根据温度场模拟结果运用FLAC~(3D)软件对研究区的覆岩裂隙场进行了数值模拟,证明了数值计算模型及其结果的合理性。     

节理剪胀耦合的岩体渗透特性数值研究与经验公式

利用UDEC软件,建立岩石节理剪胀导致岩体渗透特性改变的离散元数值模型,探讨节理剪胀效应对岩体等效渗透系数的影响。数值研究表明,在节理法向闭合和节理剪胀两种机制的共同作用下,随偏应力系数的增加,岩体等效渗透系数遵循先减小后增加的变化规律。当偏应力系数较小时,节理法向闭合机制占主导因素,导致等效渗透系数随偏应力系数的增大而减小;当偏应力系数较大时,节理剪胀机制占主导因素,导致等效渗透系数呈数量级增加。在岩体等效渗透系数的流固耦合方程中必须体现节理剪胀因素。提出的裂隙岩体等效渗透系数经验公式考虑了节理法向闭合和节理剪胀对等效渗透系数的贡献,且物理意义明确;最后参考J.ZHANG的实验研究成果验证了经验公式的合理性。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

矿山井下岩体裂隙变形与水渗流关系模型

以实现矿山井下热害治理和热能源利用一体化为出发点,阐述利用流体渗流特性开发矿山地下热能的可行性;提出用高压水泵人工制造裂隙,用冷水冲刷地下热岩获取热能的想法;找出矿山井下自然涌水的主要原因;分析岩体裂隙变形的成因、特性,用数据表明建立岩体裂隙变形和渗流关系模型可以在等效连续介质状态下进行;最后建立了岩体裂隙变形与渗流关系模型,得出矿山地下水在岩体中的流动与岩体裂隙变形之间的关系。     

裂隙岩体空气间隔装药数值模拟研究

节理裂隙是自然岩体普遍具有的特征,工程实践与研究均表明岩体裂隙对于岩石爆破效果存在显著影响.针对空气间隔装药在裂隙岩体中的应用问题,采用有限元分析方法对不同节理间距条件下垂直节理岩体空气间隔装药爆破进行了数值模拟,分析了不同节理裂隙间距条件下爆破的损伤效果与应力分布情况,探讨了裂隙岩体对空气间隔装药爆破效果的影响作用.     

热流体向围岩传热过程的理论研究

热流体对围岩的传热可以近似地认为是一种以热传导为主要传热方式的稳定传热过程。根据Ｆｏｕｒｏｅｒ导热微分方程，在岩石热物理参数测试的基础上，可以进行传热学的各种计算，如：热流体及变质温度计算；地幔热流值计算和有关变质岩原岩恢复工作中的计算。     

海上注热污水开采井传热量研究

流体在井筒中流动时，由于注入流体与地层存在温差，就有热量的传递。井筒传热量的定量计算显得特别重要，根据传热学和两相流原理，分析了环空注热污水加热降粘射流泵举升过程中注入水与产液沿井筒径向传热过程，采用传热学原理，对各部分传热系数的计算进行了推导。     

Thermal convection of fluid in fractured media

This article shows the importance of thermal convection caused by fluid circulation through the fractures in rock masses. Expressions for the different heat transfer terms at the discontinuities, either between the fluid and the rock or within the fluid itself, are given. Including this phenomenon in a modelling process led us to propose a development of the UDEC code. The computational algorithm is based on the differences between the rates of convective and conductive heat transfers.The results obtained, using a simple model representing two blocks separated by a horizontal fracture, suggest that the convection phenomenon should not be neglected in modelling thermal flow in fractured rock masses. Convection is sensitive to the hydraulic aperture (pore fraction) of the fracture, the circulation velocity and the viscosity of the fluid. Comparison with another finite difference code has given satisfactory results.     

干燥巷道围岩传热对平巷风流温度影响研究

井下巷道中的风流温度受到多种因素的影响,如原岩温度、围岩传热性能、风流与围岩的热交换时间、其他热源等,其中围岩传热起主要作用。为分析围岩传热对风温的影响,以干燥巷道为例,根据巷道围岩与风流热交换规律,通过理论计算,分析水平巷道围岩与风流热交换对风温变化的基本影响规律,为矿井通风设计提供较精确的预测值,使矿井通风设计更精细。     

井巷围岩与风流热湿交换影响因素分析

基于不稳定换热系数,建立了经过一段巷道后风流的温升公式,并运用计算软件Mathematica分析了各种参数对于井巷围岩与风流间的热交换结果的影响。从分析结果来看,岩石的热导率和巷道断面周长对风流的温升有一定影响,壁面粗糙度系数影响不明显,风流质量流量的影响很明显,而巷道水分蒸发的影响最强烈。相关计算参数获取的多寡和精度决定了计算的精确度。     

基于Morris法的单裂隙岩体温度场参数灵敏度分析

通过数值模拟(3DEC)的方法,建立深部单裂隙岩体水流-传热模型,再结合Morris全局敏感性分析法,通过一次只改变一个参数的取值方法轮流计算各参数的"基本影响",并计算它们的均值μ和方差σ,根据μ和σ的大小判断各参数对模型温度值输出影响情况,并分析μ和σ的时空变化规律。结果表明:裂隙开度(b)、水岩热交换系数(h)、岩体热传导率(K~T)、岩体比热容(C_s)、流体比热容(C_f)对模型温度值的输出影响较大,且岩体热传导率(K~T)、岩体比热容(C_s)、裂隙开度(b)与其他参数产生较大的相互作用;μ和σ随着时间步的增加大致可以分为3个阶段,即快速增加阶段、缓慢增加阶段和稳定阶段;沿着裂隙流体流动方向与裂隙法向方向,各参数的μ和σ呈现减小的趋势;岩体比热容(C_s)对温度值的影响是正作用关系,裂隙开度(b)、流体比热容(C_f)是负作用关系,水岩热交换系数(h)、流体速度(u)、岩体热传导率(K~T)根据位置不同,既有正作用关系,又有负作用关系。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

煤粉射流中颗粒团的传热及其对着火行为的影响

建立描述煤粉射流中典型尺寸颗粒团的传热及着火过程的瞬态数学模型,考察其在高温环境中的升温特性和着火行为。模型计算发现,颗粒团的升温过程与颗粒团尺寸明显相关,对流换热份额随着颗粒团当量直径Dc的增加而下降。在火焰温度Tf=2 000 K、烟气温度T)s=1 400 K的条件下,对于D_c=3 mm的颗粒团,对流换热量Q_(conv,sc)占总换热量的86%;Dc=10 mm时,辐射换热量Q_(rad,fp)占到60%;而D)c≈8 mm时,对流换热与辐射换热量相近。火焰辐射温度T_f的升高降低了对流换热份额,并使得Q_(conv,sc)=Q_(rad,fp)对应的临界D_c,即D_c*减小。T)f对D_c较小的颗粒团的加热和着火影响较小,对D_c较大的颗粒团的影响明显。烟气温度Ts升高时,对流换热份额升高,D_c*增大。T_s在D_c较小时对着火时间影响较大,而D_c较大时影响不再明显。煤粉浓度增加时,颗粒团着火时间先明显下降,在0.6~0.8 kg/m~3的范围内达到最小值,而后随着煤粉浓度的进一步增加而略微增加。     

柱坐标系下冻土内部热流侵蚀相变问题的求解

针对冻结工程灾变过程中渗水孔隙等灾害源在地下水热流侵蚀作用下逐渐扩展的过程进行了研究,在一定假设条件下建立了柱坐标系下基于对流换热边界条件(第三类边界条件)的相变传热数学模型。在对原偏微分方程无量纲化处理后,采用了对数形式分布的热积分平衡方法(HBIM)求解;对于同一问题,在变量代换的基础上采用了基于乘方定律格式的有限差分数值方法进行了求解。对于侵蚀相变位置的求解,两种方法的计算结果吻合良好,在计算的时间范围内,两者最大偏差不超过1%。研究结果表明:史蒂芬数St、毕渥数Bi、以及过冷系数φ为侵蚀相变界面位置随时间变化规律的主要影响因素;在不同参数组合情况下,侵蚀相变位置随时间均呈现出近似线性变化规律;在其他参数不变的条件下,St,Bi增大一倍时,侵蚀相变速率均增加一倍左右,而φ增加一倍时,侵蚀相变速率仅减小了5%。进而说明在实际工程中,降低冻土的平均温度能够减缓侵蚀相变速率,但作用十分有限;相反,降低水流温度或者减缓水流的流速等措施则能够有效减缓水流侵蚀速率。利用本文结果预测实际冻结工程灾变过程时,需考虑土壤性质的不同以及地下水温度、对流换热系数等随孔径变化带来的影响,可将由本文方法得到的侵蚀相变速率视为冻结工程灾害发生时孔隙发展速度的上限值。