液氮对煤裂隙扩展的热固流耦合模拟

为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固-损伤耦合模型,建立三场耦合模型环境并以此进行计算。基于Monte-Carlo法构建自然裂隙模型和水力压裂裂隙模型,旨在中西部深部煤层低渗透、低孔隙率特点选取陕西神木矿烟煤为模拟裂隙及煤体材料,研究各裂隙在液氮冲击下的变化情况。Darcy’sLaw(dl)物理场的计算结果表明液氮注入过程中前期反应迅速,在短时间内能够达到较高流速。但在后续变化中长时间的反应不明显并逐渐趋于平衡。HeatTransferinPorousMedia(ht)多孔介质传热物理场计算结果表明液氮的低温特性在两种煤裂隙中的传到效果存在不同。分布呈现出环绕液氮注入槽的温度递增分布带。SolidMechanics(solid)固体力学物理场计算结果表明在相同注入压力的条件下,自然裂隙所受液氮作用应力明显高于水力压裂裂隙并且在自然裂隙与注入槽交界处达到峰值。水力压裂裂隙对液氮致裂抵抗性相对自然裂隙强,不容易发生过大破裂发育。

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。

高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合三维数值模拟

在深入论述高温岩体地热开发研究与发展现状的基础上,提出了高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合数学模型及其数值模拟方法,提出了该数学模型详细的求解策略与求解方法。对6 000 m深的高温岩体地热开发进行了详细的数值分析,揭示了:(1) 岩体温度随地热提取降低及其分布变化的规律;(2) 岩体中基质岩块内、裂缝内应力随地热提取的降低规律;(3) 裂缝宽度随地热提取变化的规律。对高温岩体地热开发决策、技术方案选择提供了理论基础及其方法。

固流耦合作用下煤层气解吸-渗流实验研究

以典型的高瓦斯矿井阜新孙家湾矿为研究对象,利用自主研制的自压式三轴渗透仪,对煤层气解吸和渗流间的相互作用规律进行了实验研究.实验过程中连续进行加载和卸载(改变轴压、围压和孔隙压)并考虑了固流耦合作用影响,模拟了三维应力下煤层气运移过程.实验结果表明,加载条件下,渗透率和渗透系数与孔隙压力、解吸量、解吸时间的关系具有相似性.在此过程中,渗透率和渗透系数随孔隙压增加均呈非线性递减关系,都具有负指数规律,而解吸量和解吸时间均呈多项式形式增加,且渗透率和渗透系数存在某一临界值,当小于此值时渗透率和渗透系数随瓦斯孔隙压力增大而减小.卸载条件下,有效水平应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系(先减小后增大),而有效水平应力与解吸量和解吸时间均为负指数形式递减,具有典型的煤层气开采的三阶段主导作用特征(有效应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应主导阶段).实验结果真实地反映了煤对瓦斯的吸附和解吸作用;实验结论与前人研究结果吻合较好,说明实验方法和步骤是合理的.

煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论

根据煤体变形破坏与其中瓦斯渗流的相互影响和相互作用机理，提出了煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论，即突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局部发生迅猛、突然破坏而造成的，是应力、瓦斯及煤质３个主要因素综合作用的结果．采用Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ势能最小原理作为突出发生准则，建立了瓦斯对煤影响的本构关系及煤和瓦斯突出固流耦合的数学模型，并用有限无法进行数值模拟，结果表明，采深和瓦斯压力的增加都将使突出发生的危险增加．

基于有限元法的活塞-缸套-冷却水系统固流耦合传热研究

发动机活塞-缸套-冷却水组成的固流耦合传热系统涉及固体部件传热以及计算流体力学问题。确定此系统的内部边界条件成为发动机传热研究的难点。因此采用耦合分析方法将固体部件和流体部分作为一个整体进行研究。将活塞、缸套、冷却水系统内边界定义为wall边界,计算时自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件,无需再进行单独定义,从而计算时可只定义系统外部边界条件。在进行有限元固流耦合传热计算方法研究基础上针对某6130发动机中活塞-缸套-冷却水系统进行数值仿真,所得结果相对试验结果有较高精度。

承压水上采煤的固流耦合问题研究

认为有承压水时采煤问题是一个固流耦合问题 ,根据裂隙发育规模的不同 ,建立了承压水采煤的裂隙岩体水力学模型 ,并提出了一些有益于工程的结论。通过工程算例说明了所建模型及结论的正确性。

三维固流耦合相似模拟理论与方法

从固流耦合的理论出发,通过建立的三维固流耦合数学模型,运用相似理论推导了三维固流耦合作用下的相似模拟准则。并通过大量相似材料配制试件的力学与渗透特性的实验,主要是其强度、渗透性、隔水性等,得出了几种典型的隔水层与含水层的相似材料配比,为今后真实再现工程实际中的固流耦合问题的研究提供模拟的理论依据及材料配比,同时介绍了作者单位研制的大型三维固流耦合相似模拟实验设备及其测试系统。

非等温情况下煤和瓦斯固流耦合作用的研究

考虑煤和瓦斯作用时瓦斯吸附和解吸过程中的温度效应问题，利用变形场、渗流场、温度场耦合原理，建立了非等温情况下煤和瓦斯耦合作用的数学模型，给出了数学模型的数值解法并编制了计算软件．研究结果为瓦斯抽放和防治煤与瓦斯突出等实际问题提供了理论指导．

多孔介质构造应力驱油的固流耦合分析

构造应力场是控制油气运移、聚集最重要的因素之一。依据连续介质力学理论,从理论上分析构造应力驱油的机理,应用孔隙压力和有效应力的概念,阐述了将多孔介质中的平均应力作为固体骨架和孔隙流体之间耦合桥梁的合理性。在柴达木盆地西部南翼山地区的构造应力场和油气运移聚集规律的数值模拟中,采用有限元数值模拟方法,用平均应力推导出孔隙介质中等效的流体压力和流体势,并用达西定律解出由构造应力作用引起的流体运移速度矢量场,为预测有利油气聚集区提供了依据。

蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型

针对岩体是一种可变形的多孔介质,岩体在荷载作用下发生蠕变的问题,岩体孔隙度、渗透率等物性参数随之变化;同时,孔隙和渗透特性的变化又引起压力场、速度场的改变,带动蠕变特性的变化。在研究渗流的过程中,考虑岩体蠕变的影响,基于岩体流变力学和渗流力学理论,应用对应性原理,建立了含有蠕变参数的动态应力平衡方程,推导了蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型。

采场变形破坏的三维固流耦合模拟实验研究

介绍了大型三维固流耦合模拟试验台(3 m×2 m×2 m)、相应的辅助设备及其功能,并对太原市东山煤矿承压水上采煤进行了模拟研究,通过实验过程中采集到的大量数据、拍摄的照片、微型监测仪的录象,分析了开采过程中采场顶底板的变形及其破坏过程、应力及其水位的变化规律、断层对矿井突水的影响等。为进一步实施矿井突水实时监测预报提供必要的理论依据,为控制采场及采场内水、瓦斯的流动、扩散提供切实可行的理论依据与实施方法。

承压水上采煤断层突水的固流耦合研究

在理论分析的基础上,建立了承压水上采煤的固流耦合数学模型,并编制了有限元程序,利用该程序用数值模拟的方法,系统地分析了各断层要素影响下采场的应力分布规律及突水机理,得出了断层倾角、断层厚度和断层断距与突水的关系;采用三元线性回归法,确立了正、逆断层下临界断层防水煤柱宽度与各断层要素的拟合关系式,给出了突水判据.

增强型地热系统热固流耦合数值模拟与分析

为了研究增强型地热系统热储段温度场分布的特点,以及系统在开采过程中结构性能的评估和利用效率变化的规律,结合北京市地质结构活动探测的结果,建立了增强型地热系统热固流耦合微分控制方程,提出了天然裂隙-断层模式热固流的二维数学模型.基于离散裂隙网络模型,对裂隙-断层模式的岩体-水流耦合换热过程进行数值模拟与分析.通过不同算例设置,进行了12 a的计算研究,分析了水流流速、地层断距等因素对岩体温度场、水流温度场的影响效果.在此基础上,总结了不同生产距离水流出口温度和不同岩体固定距离点温度随时间的变化规律.

边坡失稳系统的固流耦合模型

在考虑边坡岩体物理力学性质不均一性及地下水渗透力分布不均匀性的条件下 ,将边坡失稳作为一个系统来定性地分析其在失稳过程中的机理 ,建立了边坡失稳系统固流耦合的数学模型 ,并结合算例分别对应力和位移进行了耦合分析 。

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大。

裂隙状采场底板固流耦合作用的数值模拟

提出了承压水上采煤的裂隙介质固流耦合数学模型及其数值模拟解法，介绍了西峪煤矿承压水上采煤问题进行的数值试验方法及结论，研究了推进速度、煤柱宽度与水压、煤柱应力、断层渗透系数、断层变形之间的相互关系．

防爆柴油机排气歧管冷却系统固流耦合热分析

防爆柴油机排气歧管采用夹层水套来冷却,由于管壁与烟气和冷却水之间的边界条件复杂,所以施加边界条件困难。固流耦合的办法可以将固、流结合面上比较难确定的外部边界转化为系统的内部边界。以6105FB防爆柴油机排气歧管为例,模拟排气岐管冷却系统的流场和温度场。试验证明该模型具有较高的精度。

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。

高温岩体地热开发的固流热耦合三维数值模拟

针对高温岩体地热开发的工程和物理特征与国际界的相关研究现状 ,提出了三维裂隙网络的块裂介质固流热耦合数学模型 ,进而采用三维有限单元方法 ,进行了高温岩体地热开发过程的数值模拟计算 ,获得了高温岩体应力、温度及裂缝宽度的变化规律。