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基于COMSOL的近距离下保护层开采瓦斯流动模型
【摘要】：豫西“三软”煤层赋存的特殊性决定了近距离下保护层开采是该地区最经济、最有效的区域性防突措施之一，研究并掌握保护层开采过程中瓦斯的分布和运移规律，是近距离下保护层安全开采的根本保障。保护层开采瓦斯流动机理是一个复杂的过程，基本的CFD模型未能很好地解决瓦斯运移与煤层卸压膨胀间的耦合关系。为构建近距离下保护层开采瓦斯流动模型，从近距离下保护层开采的覆岩变形与瓦斯流动特征出发，采用数值模拟方法对保护层工作面上覆岩层和被保护层应力分布、瓦斯运移规律进行深入研究，并利用平面应变压缩实验得出了二1煤应力作用下煤体渗透性特征。在此基础上，结合瓦斯卸压流动理论，构建了基于COMSOL的近距离下保护层开采瓦斯流动耦合模型；通过孔隙度、孔隙压力传递煤层变形与瓦斯运移之间耦合作用，将Navier-Stokes和Brinkman流动形式与瓦斯扩散的菲克定律有机联系在一起；利用COMSOL Multiphysics软件求解得到整个流场瓦斯分布与运移规律，并实现了结果的可视化；利用该模型对豫西矿区不同覆岩条件下保护层开采效果进行预测，证明了模型的合理性，并将模型扩展应用到瓦斯专排巷的位置选择、工作面通风方式优劣的对比判断中。
【关键词】：
【学位授予单位】：河南理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TD712【目录】：
致谢4-5摘要5-6Abstract6-101 绪论10-16 1.1 选题背景及意义10-11
1.1.1 我国瓦斯赋存的特殊性10
1.1.2 矿井瓦斯事故多发性10-11
1.1.3 瓦斯运移规律研究的重要性11 1.2 国内外研究现状11-13
1.2.1 保护层开采现状11-12
1.2.2 本煤层瓦斯渗流-扩散理论研究12
1.2.3 煤岩瓦斯多物理场耦合理论12-13
1.2.4 覆岩采动卸压裂隙带瓦斯运移规律研究13 1.3 主要研究内容与技术路线13-16
1.3.1 工程背景13-14
1.3.2 主要研究内容14
1.3.3 研究方法与关键技术路线14-162 下保护层开采瓦斯流动模型基础16-42 2.1 保护层开采一般特征16-18
2.1.1 覆岩垮落形态与裂隙发育过程16-17
2.1.2 保护层开采防突机理17-18
2.1.3 保护层开采过程中矿井瓦斯来源18 2.2 下保护层开采覆岩移动规律数值分析18-32
2.2.1 数值计算模型建立18-20
2.2.2 本构模型选择20
2.2.3 数值计算结果及分析20-29
2.2.4 相对层间距对保护效果的影响29-32 2.3 下保护层开采固气耦合规律分析32-36 2.4 煤(岩)体应力作用下渗透率特征分析36-39
2.4.1 煤(岩)破坏前渗透率的基本特征36
2.4.2 二1煤应变-渗透率拟合方程36-38
2.4.3 围岩渗透率特征分析38-39 2.5 本章小结39-423 基于COMSOL Multiphysics构建瓦斯流动模型42-58 3.1 COMSOL Multiphysics 简介42 3.2 流固耦合问题的复杂性42-43
3.2.1 岩体边界的时间变性42
3.2.2 非线性、非稳态求解问题42-43
3.2.3 耦合关系的复杂性43 3.3 卸压瓦斯流动规律43-48
3.3.1 下保护层开采卸压瓦斯流动规律43-44
3.3.2 瓦斯运移与裂隙带发育的时空关系44-45
3.3.3 卸压瓦斯流的动力学模型45-46
3.3.4 瓦斯流动的基本方程46-48 3.4 近距离下保护层开采瓦斯流动模型构建48-55
3.4.1 煤体应力-透气系数和瓦斯压力分布规律49-50
3.4.2 流固耦合模型的实现50-51
3.4.3 近距离下保护层开采瓦斯流动模型及控制方程51-55 3.5 本章小结55-584 瓦斯流动模型的COMSOL解算及扩展应用58-70 4.1 应用模式与模块选择58 4.2 模型网格划分和求解域设定58-61
4.2.1 模型网格划分58-59
4.2.2 边界与求解域设定59-61 4.3 模型计算结果分析61-63 4.4 模型扩展应用63-68
4.4.1 模型的可扩展性63-64
4.4.2 保护层工作面瓦斯涌出量预测64-66
4.4.3 工作面高抽巷道位置优化选择应用[59]66-68 4.5 本章小结68-705 主要结论与展望70-72 5.1 主要结论70-71 5.2 展望71-72参考文献72-76作者简历76-78学位论文数据集78
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京公网安备74号> 多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 4.0 版发布
多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 4.0 版发布
发布:Simwe &&&来源：&&& 发布时间:&&& 【】&【】 &&【
】&我来说两句：()&
COMSOL Desktop为得到最大产率提供了流水线式的产品设计流程。全新的建模工具以独有的图形化编程工具引导用户创建模型直至得到满意的结果，用户能够轻松地掌控整个过程。扩展的CAD接口可通过新增的LiveLink&与Pro/ENGINEER& 无缝连接，同时得到提高的还有Parasolid&的几何图形导入和导出能力。新增的大规模求解器和内置的高性能计算 (HPC)的集群功能，为用户快速创建和求解高度精确和大规模的模型提供了更自由的空间......
全球领先的多物理场建模与仿真平台供应商COMSOL公司在第五届COMSOL全球用户大会上，对所有参会的代表和媒体发布COMSOL Multiphysics 4.0 Beta版。在4.0版本中，COMSOL提出了全新的用户界面COMSOL Desktop&概念，集简洁、易用、而功能强大的设计与仿真功能于一体，用户对模型的建立和求解变得更加容易。在4.0版本中，COMSOL将为用户研发部门带来产品研发与创新的高科技手段。&
使用COMSOL Multiphysics& 4.0全新的COMSOL Desktop&对X射线设备的高压发生器进行模拟和设计。整个模型的建立&&从几何图形绘制到仿真结果的可视化后处理&&完全在模型创建工具中实现，该工具内置了设计过程中所涉及到的所有功能。该原始模型来自COMET AG (Flamatt, Switzerland)。
&在过去的几年里，多物理场仿真应用需求急剧增加，特别是在工程领域与产品研发部门。利用COMSOL Desktop&平台，工程师们可以将多物理场应用的范围扩展到更多的领域，&COMSOL总裁兼CEO Svante Littmarck博士解释道，&COMSOL Desktop&流水线式的建模理念，完全针对用户使用习惯进行了优化，学习起来更加的容易，而多学科应用的建模功能却更加的强大。COMSOL Multiphysics 4.0版本即是为用户对产品创新而带来的集简单易用与功能强大于一体的工具。&
在COMSOL Desktop&中进行快速建模
在COMSOL Desktop&中，建模过程变得非常的简单，简洁的软件界面让用户对模型的全局把握更加得心应手。建模过程中出现的包括主界面、模型创建工具、帮助文档以及设置、消息栏和图形窗口在内的工具窗口可以浮动或者停靠在软件的任意位置。
模型创建工具根据用户的模型特点实现流水线式的建模，只需点击鼠标即可实现CAD导入、网格划分、设定材料属性、求解和后处理。如果需要对模型进行修改，用户可以在模型创建工具中非常方便地查找和修改模型，用户甚至可以将建模过程的每一步进行记录和保存，以便日后进行评估和改进。总的来说，模型创建工具已经超越了工作空间的概念，让图形化设计在弹指之间完成，而用户可以有更多的时间来考虑自己所研究的问题本身。&
COMSOL Multiphysics的模型创建工具将热执行器设计过程的每一步都进行记录。后处理的多特征显示功能同时显示热执行器的表面温度分布图、器件变形图以及网格图形。
&COMSOL最吸引人的特征之一是简单易用，不管是定义你自己的模型还是对问题本身的建模都非常简便，&来自麻省米尔福德的沃特斯公司特种液体层析系统首席科学家Bernard Bunner说道，&4.0版本的操作应用性得到了更大的提升，模型创建工具极大的加速了开发工作的进程。例如，与那些将一个模型分割为很多个部分进行存储的工作方式不同，COMSOL每一个小细节都能完整的保留着一个统一的模型文件中。&
基于LiveLink&套件的Autodesk Inventor&, SolidWorks&和PTC Pro/ENGINEER&协同建模
CAD协同功能延续了之前广受好评的COMSOL Multiphysics仿真接口。现在，COMSOL发布了针对Pro/ENGINEER&、SolidWorks&和Autodesk Inventor&进行优化的LiveLink&套件。基于LiveLink&套件的COMSOL Multiphysics与CAD软件的连接，不管是CAD还是CAE软件的几何图形发生了改变，将在协同工作的另一款软件中实时更新。该功能带来的另外一个好处是，可以在CAD软件中对多物理场仿真进行参数扫描以及产品的优化设计。
COMSOL Multiphysics 4.0版本对Siemens PLM Software的Parasolid&核心进行了优化，极大地扩展了CAD导入模块 的功能。用户可以在COMSOL Desktop中，对基于Parasolid&核心的几何模型进行操作，几何模型也可以直接保存为Parasolid 格式。基于此，COMSOL Multiphysics 4.0版本支持与几何实体操作相关的多维度、多参数扫描功能。
单机与集群的仿真速度得到全面提升
COMSOL Multiphysics 4.0版本全面支持基于标准多核计算机和分布内存式（集群）并行计算。这意味着用户可以在以下两种模式中随意地转换：在集群计算机的每个节点上分别对一个模型进行参数化共享内存式并行计算，或者在集群计算机的所有节点上实现整个模型的分布式并行计算。COMSOL Multiphysics 4.0版本支持Windows Compute Cluster Server 2003, Windows HPC Server 2008和Linux，在未来的版本中，将加入更多的操作系统的支持。&
图例为一个使用以太网连接的迷你集群系统仿真三维H形微波波导，该模型使用集群系统对100个频率点进行扫描。右侧表格展示了该问题在不同配置下的加速比。&
COMSOL Multiphysics 4.0版本的亮点
1、全新的COMSOL Desktop提供简洁的操作界面，对建模过程的控制和组织更加的简单和方便。
2、模型创建工具可以快速创建模型、求解和可视化后处理，快速访问模型的每一个设置。
3、扩展CAD协同功能：
&&o&LiveLink& for Pro/ENGINEER&
& o&LiveLink& for SolidWorks&
& o&LiveLink& for Autodesk& Inventor&
4、扩展CAD导入模块对 Parasolid& 的支持，CAD导入过程中可以对3D几何模型进行操作和修补。
5、支持多参数、多维度实体几何参数扫描。
6、新增求解器：
&&o&用于频率响应分析和时域分析的模式求解器（常用于结构和声学仿真）。
& o&用于电磁场时谐分析的AWE求解器。
& o&预定义分析组合：非线性频率响应求解器（常用于小波分析和预应力结构分析）。
& o&用于参数评估的非线性最小二乘法求解器。
& o&用于集群计算的MUMPS和SPOOLES直接求解器。
7、求解器设置、求解器序列、网格设置和结果可视化等功能得到优化。
8、用户可以对仿真结果多个特征同时进行显示。
9、支持Windows Compute Cluster Server 2003, Windows HPC Server 2008和Linux集群系统。
COMSOL在中国
COMSOL Multiphysics是全球第一款真正意义上的多物理场耦合分析软件，中仿科技公司是COMSOL集团在中国的唯一合作伙伴，负责COMSOL产品在中国区(包括香港、澳门特别行政区)的技术支持和销售活动。中仿科技凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院旗下各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司在全国的各分公司、CAE技术联合中心，CAE培训中心的成立，提供更专业的更周到的本地化技术服务，目前众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具,应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。
关于COMSOL
COMSOL公司 在 1986 年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目前已在比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。
关于中仿科技&&
中仿科技(CnTech)是中国内地、香港、澳门领先的仿真分析软件和项目咨询解决方案的供应商。CnTech是中仿集团旗下的旗舰公司，总部设在香港，目前在全国设有四个分公司，分别是上海、北京、武汉和深圳。除了强大的销售和技术支持网络之外，我们还设有专业的售后服务团队和培训中心，为了更好的服务广大客户，公司将陆续在全国各大主要城市设置业务分支机构。CnTech业务包括项目咨询和专业软件的集成和实施等，凭借多年来广大客户的支持和信任以及CnTech员工们的奉献精神和责任心，已为国内外数百家企业、高校及科研院所提供专业软件系统及项目咨询等服务，服务领域涉及教学科研、机械工业、土木工程、生物医学、航空航天、材料科学、化学化工、冶金科学、汽车工业、电子电器、气象环保、采矿和石油工程等行业。
CnTech将始终怀着&谦虚、诚实、敬业&的态度，秉承&关注客户需求、提升客户价值&的核心理念，始终遵循 &客户满意为止&的服务准则，真诚地为客户排忧解难、出谋划策、坚持不懈，及时为国内外客户提供全球最前沿最顶端的科技服务，力争成为仿真技术行业的典范！更详细的信息请参考&。
注：COMSOL、COMSOL Multiphysics、COMSOL Reaction Engineering Lab和FEMLAB是COMSOL AB的注册商标。COMSOL Desktop、LiveLink和Capture the Concept是COMSOL AB的注册商标。PTC和Pro/ENGINEER 是Parametric Technology Corporation的注册商标。PARASOLID是Siemens PLM Software的注册商标。其它产品或名称是他们各自对应公司的商标。> COMSOL即将推出化学反应工程模块
COMSOL即将推出化学反应工程模块
发布:Simwe &&&来源：&&& 发布时间:&&& 【】&【】 &&【
】&我来说两句：()&
伯灵顿，马萨诸塞州（日）&&在市场上处于领先地位的COMSOL Multiphysics的研发者COMSOL公司今日宣布推出化学反应工程模块。新模块基于COMSOL平台创建了一个单独的仿真环境，工程师和科学家们可以在这一环境中对各式各样的化学物质在不同操作条件下的物质运移和化学反应情况进行高精度的研究。用户可以对从生物技术中的微型反应器到化工工艺的单元操作范围内的化学反应系统进行仿真模拟，并能在开发阶段的初期获得一些基础知识。对于产品及其工艺的开发这都是一个更加高效且经济的研发过程。
&化学反应工程模块适用于产品和工艺的多元化开发&COMSOL公司的化工产品经理Henrik von Schenk介绍到：&它特别适用于分析仪器传感器及汽车尾气催化剂和过滤系统的设计。在进行如消费品、精细与专业化学品、药品和散装化学品工业的产品及工艺设计时，化学反应工程模块的推出就显得特别有价值。&
化学反应工程模块结合了两个早期模块&&化学工程模块和反应工程模块的功能，利用COMSOL V4的全新框架，大幅提升了功能性和可用性。利用这个新模块，工程师和科学家们可以将完全混合系统的控条件下的化学反应与实验研究相对比。由于化学反应是通过一个易用界面直接输入的，因而用户可以研究实际操作中的多种浓度和温度变化的影响情况。
&对于我们的客户来说，将软件早先的化学工程功能融入到专业的解决方案中，并提供一个包容各方的、易用的仿真环境为他们提供了极大的方便。& von Schenk介绍到：&而生产力是随着工作流以及用户对同一模拟中的物种、反应、以及材料及能量的运移的管理难易程度而变化的。&
化学反应、质量和能量运移、以及多孔介质流的用户定制界面
化学反应工程模块具有易用的定制接口，以定义化学反应、物质和能量运移、及多孔介质流，从而帮助用户准确的模拟反应系统。化学反应界面完全集成于COMSOL Multiphyscis建模界面中，使得用户能够轻松的输入他们的化学反应方程。进而，软件将自动进行反应动力学的计算并定义质量和能量平衡。经过计算，得到的质量守恒和能量守恒结果将被用于分批处理反应器、半批处理反应器、CSTR、及活塞流反应器的完全混合系统的反应模型的求解。
用户可以很容易的将这个小型的、小计算量的完全混合装置的模型转变成一个与时间和空间相关的大尺度计算模型。 &化学反应工程模块帮助用户通过对理想的反应器模型、详细的时间以及空间模拟情况进行对比，快速的得到新颖的设计。& Von Schenk 解释说：&用户可以在初始阶段先进行简单的模拟，并通过它评估系统的化学组成和性质，同时估算反应的时间范围、温度、理想操作条件等。然后，用户可以对相同的模型进行3D模拟，从而对真实操作条件下的工艺和反应器进行检查和设计。&
化学反应工程模块提供了质量传递界面，它描述了由对流、扩散以及不同浓度溶液间的迁移现象引起的物质传递。这个界面同样也可用于描述自由介质和多孔介质中的传递问题。基于COMSOL提供的多物理模拟功能，层流和热传导的物理效应也可以被耦合到模拟中。然而，不论物理影响多么的复杂，模型的建立是快速的，并且其操作易于理解。用户能够迅速的添加或移除化学反应和物质从而改变化学反应机理。也可以在同一模型中保留对不同的化学和操作条件的研究。
热动力学特性数据的导入
化学反应工程模块对化学过程的建模、仿真、及操作设计依从CAPE-OPEN标准。此外，软件还能读取CHEMKIN&文件，文件可以对反应系统进行完整定义，包括燃烧、大气化学和其它气项反应系统的物理性质、热力学性质。
借助于化学反应工程模块内置的CAPE-OPEN Wizard，用户可以将多个第三方软件的功能与他们的COMSOL模拟结合起来。通过一个成熟的CAPE-OPEN浏览器，我们能够轻松的在外部属性数据包中找到热动力学特性和物理特性并进行选择。这种开放灵活且易于使用的组合使得对气体和流体的粘度、密度、热容等各种热动力学特性的描述更真实。
化学反应工程模块亮点
&Y&&&&CSTR
&Y&&&&CAPE-OPEN
&Y&&&&CHEMKIN
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关于COMSOL&
COMSOL公司在1986年成立于瑞典的斯德哥尔摩，目前已在比利时、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国和美国麻州、加州等成立分公司。COMSOL公司是全球多物理场建模与仿真解决方案的开拓者和领导者，它的旗舰产品COMSOL Multiphysics，使工程师和科学家们可以通过模拟，赋予设计理念以生命。它有无与伦比的能力，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。COMSOL的用户利用它提高了手机的接收性能，利用它改进医疗设备的性能并提供更准确的诊断，利用它使汽车和飞机变得更加安全和节能，利用它寻找新能源，利用它探索宇宙，甚至利用它去培养下一代的科学家。
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