采空区瓦斯源位置对高位抽采的影响及优化措施研究

为提高高抽巷对采空区下部涌出瓦斯的治理效果,基于流体动力学、传质传热学理论,结合采场覆岩裂隙演化规律,构建三维多场耦合解算模型。运用Fluent软件分别模拟了采空区顶板、底板及整体涌出时的瓦斯运移积聚特征,并对高抽巷抽采和上隅角瓦斯浓度进行了量化对比分析。结果表明,顶板瓦斯涌出时,高浓度瓦斯积聚于采空区上部,主要靠分子扩散和机械弥散与下部漏风混合;采空区整体及底板瓦斯涌出时,"瓦斯-风流"的主要混合方式向对流扩散转变,采空区上部积聚瓦斯浓度降低,更多瓦斯随下部漏风涌向上隅角,高抽巷抽采浓度和上隅角瓦斯控制能力下降;此时,通过隅角封堵控制漏风,能够大幅提高抽采效率,在较低抽采流量条件下实现上隅角瓦斯治理。     

基于Fluent采空区瓦斯抽采仿真模拟在寺河矿的应用研究

为了提高晋煤寺河矿采空区瓦斯抽采效率低的现状,结合寺河矿采空区瓦斯抽采模式,通过分析寺河矿煤层特性,采空区抽采方法,建立瓦斯抽采模型,应用仿真模拟软件对不同瓦斯抽采方案的瓦斯运移规律进行仿真模拟,对模拟结果进行对比分析最后制定和改善了具体的采空区瓦斯抽采实施方案。     

高位抽采下近距离煤层采空区复合致灾数值模拟研究

从煤矿井下安全生产的角度出发,以西铭矿近距离煤层采空区的特点为例,建立了一种高位巷抽采下近距离煤层采空区三维模型。通过Ansys Fluent对采空区气体流动控制方程和非均匀瓦斯释放源项、浮煤耗氧源项进行三维稳态解算发现,随着高位巷抽采流量的不断增大,抽采瓦斯总量逐渐升高,抽采浓度和抽采效率逐渐降低,在抽采流量升至30 m3/min后,所有变化趋势变缓。上部邻近煤层高氧浓度富集区不断增大,下部遗煤处无明显变化。研究表明,采用抽采流量都为20 m3/min的高位巷与上隅角埋管相结合的瓦斯抽采方法能有效控制采空区复合致灾隐患。     

旋涡泵高扬程工况结构变化数值模拟研究

为深入了解高扬程工况旋涡泵内部流体的流动机理,获得进出口结构参数变化对旋涡泵性能的影响规律,建立了固定流道的旋涡泵三维流动模型,借助ANSYS FLUENT研究了旋涡泵进出口几何参数变化的基本特征,对比分析旋涡泵内部流场、场程等随几何参数的变化规律.选取典型的闭式双支撑结构旋涡泵的流动区域建立模型,研究不同进出口结构的旋涡泵内部压力场和速度场的分布情况,提出了在固定流道结构下进出口参数对旋涡泵效率提高的设计思路,对优化旋涡泵接口设计有一定的参考价值.     

大型水泥分解炉O_2/CO_2燃烧的数值模拟研究

水泥行业是CO_2排放量仅次于电力行业的第二大源头, CO_2引起的温室效应正不断加剧,因此CO_2减排刻不容缓,水泥炉窑O_2/CO_2燃烧技术在CO_2减排方面具有很大的应用价值.本文选取3200 t/d水泥生产线TTF型分解炉为研究对象,采用天河二号超级计算机,开展大规模并行计算CFD仿真数值模拟,研究了煤粉混合空气燃烧与煤粉混合O_2/CO_2燃烧对炉内速度场、温度场、物料组分分布及NOx浓度分布的影响.结果表明:O_2/CO_2燃烧技术与常规空气助燃方式相比,炉内速度场分布及生料分解率基本一致,不会影响分解炉的正常工作,而且炉内超温区域减少,高温刷墙现象得到有效缓解;同时分解炉出口排放的NOx浓度极大减少,由995 mg/m3大幅降低至96 mg/m3,从而可以取消后续脱硝处理工艺,节省投资;另外,分解炉出口烟气中近乎纯净的高浓度CO_2也非常有利于回收再利用,可以有效缓解温室效应.     

气体压强对超音速气雾化中气体流场的影响

气体雾化技术可以制备一系列高性能超细球形金属粉末．利用计算流体动力学软件Fluent模拟了雾化气体压强（P0）对超音速气雾化喷嘴气体流场的影响,以及对流场中心线上压强、速度等变化的影响规律．研究结果表明：随着P0的增大,流场内气流达到的最大速度逐渐增加;当雾化气体压强较小时,抽吸压强（△P）随雾化气体压强增大而减小;而当雾化气体压强达到某一临界值时,△P才随雾化气体压强增大而增大;抽吸压强的变化与雾化室中心线上滞止压强和马赫碟位置的变化相一致,滞点位置对抽吸压强的作用不大：导液管顶端径向分布的静压强存在一个压强梯度,并且随着雾化气体压强的增加而增大．     

一类单向等温传质过程积耗散最小化

对一类服从菲克扩散传质定律[g∝△ （c）]的单向等温传质过程进行了研究,首先从质量积的定义式出发,导出反映该传质过程质量传递能力损失不可逆性的积耗散函数,然后应用最优控制理论获得了对应于传质过程积耗散最小时的高、低浓度侧关键组分浓度的沿程最优分布,并与熵产生最小、传质流率一定（浓度之差为常数）和浓度之比为常数（化学势之差为常数）等传质策略进行了比较.结果表明对应于积耗散最小时的最优传质策略为高、低浓度侧关键组分浓度之差的平方与低浓度侧惰性成分浓度的乘积为常数,而对应于熵产生最小时高、低浓度侧关键组分的浓度之差的平方与低浓度侧关键组分浓度之比为常数;当传质过程不涉及能量转换时,优化准则应为积耗散最小,浓度之差为常数的传质策略要优于浓度之比为常数的传质策略.本文的研究结果对于实际传质过程最优设计与运行具有一定的理论指导意义.     

CO、H_2混合气体对瓦斯爆炸的协同作用机理研究

为进一步研究多种可燃性气体对瓦斯爆炸的影响,选取CO、H_2混合气体并改变其构成组分,用CH_4燃烧化学动力学详细机理对其进行数值模拟,详细分析其对瓦斯爆炸的协同作用机理,并分析各组分下反应物浓度的变化趋势及影响瓦斯爆炸的关键链式反应的变化。研究结果表明:当CO浓度远大于H_2浓度时,随着CO浓度的增加,瓦斯爆炸反应物浓度变化时间会略有提前,且促进CH_4生成的链式反应敏感性会略微下降,其对瓦斯爆炸的影响不明显,但仍有一定的协同促进作用;当H_2浓度大于CO浓度时,随着H_2浓度的增加,瓦斯爆炸反应物浓度变化时间会快速提前,促进CH_4生成的链式反应敏感性会大幅下降,协同促进瓦斯爆炸。     

不同长度工作面采空区瓦斯分布的数值模拟研究

煤矿回采工作面采空区漏风对采空瓦斯分布及采空区自燃发火有着重要的影响。本文对U型通风下不同长度工作面的采空区流场进行了数值模拟。回采工作面长度由100 m依次增加10 m至240 m,并且针对每一长度的回采工作面建立了对应的采空区三维物理模型,运用计算流体力学的方法对不同长度回采工作面采空区的流场进行了数值模拟。结果表明,随着工作面长度的增加,采空区进风侧瓦斯爆炸危险区域的宽度变化幅度较小;采空区中部瓦斯爆炸危险区域的宽度随着工作面长度的增加先增大后减小;随着工作面长度的增加,采空区进风侧和采空区中部瓦斯爆炸危险区域的起始位置均出现向采空区深部移动的趋势。     

大坝变形温变效应分析方法研究

本文基于坝体内部温度场变化滞后于环境温度变化的现象,将连续变化的环境温度离散化,研究得到单个瞬时环境温度变化过程引起坝体温度位移的函数关系,并考虑了环境温度场的时空分布规律与水温、气温等之间的相关关系,将其在目标监测日进行多元函数泰勒展开,得到了大坝位移安全监控模型温度分量的改进表达形式,据此提出了改进温度分量的大坝位移统计模型.     

内编队中残余气体对内卫星的干扰分析和计算

在内编队系统中,内卫星在外卫星的封闭腔体内自由飞行,其轨道是纯引力轨道.由于腔体内温度的不均匀和内卫星与腔体的相对运动,腔体内的残余气体对内卫星产生干扰作用.本文基于自由分子流理论推导了残余气体分子对内卫星的干扰作用表达式,包含了辐射计效应、气体阻尼作用.同时,对腔体和内卫星构成的系统进行传热分析,得到了腔体内壁和内卫星表面的温度分布;对内编队保持控制进行仿真,得到了内卫星的相对运动速度.根据较为真实的温度分布和相对运动速度,计算了内卫星受到的残余气体作用力.计算结果表明,在内编队当前设计下,辐射计效应量级为1011ms2,气体阻尼量级为1015ms2,残余气体的干扰作用主要表现为辐射计效应.     

垂直喷淋式MOCVD反应器中射流影响的研究

针对垂直喷淋式MOCVD反应器的射流现象进行数值模拟研究.通过改变反应腔高度、喷口间距、喷口速度、托盘转速等,对反应器内的流场、温度场、浓度场随上述参数的变化进行详细探讨,进一步探索MOCVD反应器中射流影响的规律.通过模拟发现:(1)在喷口下方的反应腔空间,射流速度、温度和浓度均存在周期性波动,此波动由衬底中心到衬底边缘逐渐衰减;(2)衬底中心处的垂直射流速度大于周边的速度,中心浓度高于边缘浓度,中心温度低于边缘温度;(3)增加反应腔高度,减小喷口间距,减小喷口速度、增加衬底转速,均有利于衬底上方轴向速度和反应前体浓度沿径向分布的平缓.     

一种表征煤储层压力与流体饱和度关系的数学模型

目前,针对生产过程中煤储层内部气、水两相渗流的研究尚薄弱,已建立的煤层气产能预测模型或产能分析方法中,一部分假设煤储层内部为单相渗流即单相水或单相气,一部分忽略流体饱和度和压力变化梯度,另一部分通过物质平衡方程建立平均地层压力与平均含水饱和度间关系,进而研究储层饱和度分布对气井产能的影响,但平均含水饱和度无法表征储层内部的饱和度分布.故现有模型均未考虑储层流体饱和度分布特征对气井产能的影响,导致现有产能模型预测值与实际煤层气井产出动态始终存在较大误差.鉴于此,根据气、水两相渗流微分方程,考虑应力敏感、基质收缩与气体解吸效应,建立了一种能够表征煤储层压力与流体饱和度间关系的数学模型.结合气、水两相相渗曲线与各生产时刻的储层压力分布曲线,提出迭代算法求解该模型,得到各生产时刻的流体饱和度分布规律.该模型的可靠性通过与商业数值模拟软件结果对比得到验证.该模型的提出填补了目前煤层气开发理论的空白,有助于准确计算气、水两相拟压力,为煤层气藏产能的准确预测奠定理论基础.     

超声固体测温中的二维温度场重建算法研究

高分辨率的温度场重建算法是制约超声波无损探测固体内部温度分布的重要因素之一.本文基于多路超声探测方法,建立了超声测量二维固体结构内部温度分布的理论模型;从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法;在此基础上,从直接求解热/声耦合反问题角度入手,将二维瞬态非均匀温度场的重建问题转化为传播路径预测和等效热边界的反演问题,发展了一种高分辨率的结构内部二维非均匀温度场重建方法,并通过数值仿真分析了传播路径随温度的弯曲特性、算法的精度与抗噪性、测点位置分布对重建精度的影响规律等.数值对比表明,本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好,为实现超声固体测温中的二维温度场的高分辨率再现奠定坚实基础.     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

基于ABAQUS的P110整形套管残余应力研究

套管整形完卸载后,其内部会有残余应力,严重降低了套管的抗挤压强度和承载能力。利用弹塑性力学理论,推导出整形套管残余应力的计算模型,然后用有限元分析软件ABAQUS建立P110套管整形复合系统的三维有限元模型,研究整形后不同滑块锥角下套管径向和环向残余应力的分布规律,尤其是最长残余应力带的应力分布。研究结果表明:锥角70°的径向残余应力带以条状的形式分布,环向残余应力带以片状形式分布;径向残余应力具有内压外拉规律,环向残余应力与整形部位有关;最长环向残余拉应力的仿真值与理论值吻合较好。本文建立的有限元模型是可靠的,且综合套管抗挤压强度和整形效率来看,建议整形工具的滑块锥角在70°~80°范围内选取。     

TCVI工艺制备C／C复合材料的多物理场耦合模拟

采用2D轴对称瞬态模型对热梯度化学气相渗积（TCVI）22艺制备高性能C／C复合材料过程进行模拟．模型包括对流、热传导、扩散、沉积反应和孔隙演变等物理化学过程．采用有限元方法实现了多物理场迭代耦合计算，得到了各时刻流场、温度场和密度分布规律，研究表明对流对温度场分布具有重要影响．对于采用TCVI工艺致密化100h的C／C复合材料，对比实验测得的预制体平均密度径向分布，计算结果与实验结果符合一致规律，验证了模型的可靠性和模拟计算的预测能力．     

纯引力轨道验证质量辐射计效应与残余气体阻尼的耦合建模及分析

纯引力轨道飞行器在精密导航、重力场测量以及基础科学研究等方面具有重要意义．内编队是用于高精度地球重力场测量的纯引力轨道飞行器，其中内卫星干扰力抑制是决定测量水平的关键因素之一．辐射计效应和残余气体阻尼都是内卫星受到的气体分子干扰力，通过分析两者的作用机理，建立了内卫星辐射计效应和残余气体阻尼的耦合模型，该模型反映了内卫星受到的实际气体分子作用力，仿真结果证明辐射计效应和残余气体阻尼的耦合值随内卫星运动速度线性增加．通过分析可知，该耦合值与腔体平均压力和内卫星最大截面积成正比，与腔体平均温度的平方根成反比．     

焊接热输入对MIG焊接熔池行为的影响

MIG焊接热输入包括焊接电弧热流和熔滴带入熔池的热焓量两部分. 根据电弧物理的基本原理和熔滴与熔池作用过程的物理本质, 建立了电弧热流密度在变形熔池表面以及熔滴热焓量在熔池内部的分布模型. 采用数值模拟技术研究了MIG焊接电弧热流密度分布、熔滴热焓量分布模式、焊接熔池几何形状、温度场及流场的相互影响规律, 并对计算模型的可靠性进行了实验验证.     

常温常压下煤对N_2、CO_2气体的吸附实验研究

为更准确地模拟煤储层条件,设计了常温常压下煤吸附气体的实验方案,采用自制吸附反应釜和SP-3400型气相色谱仪,研究大样量(5kg)塔山矿、同忻矿和高海矿煤样吸附N_2和CO_2气体的能力,并计算各煤样不同吸附平衡时间下对此两种气体的吸附量,发现煤样对CO_2气体的吸附量均远远大于对N_2的吸附量,而对同种气体的吸附量虽然有所不同,但差值并不大。最后,根据实验结果分别计算了塔山矿、同忻矿和高海矿1g遗煤可吸附N_2和CO_2气体的量,探讨了将N_2和CO_2注入采空区后实现对CO_2气体封存的可行性。