岩土热-流-固耦合理论及在采矿工程中的应用

比较系统地介绍了煤炭工业中遇到的不可忽略的渗流-温度-应力耦合问题，而且对各领域的主要研究方法、研究结果等进行了报道，总结了岩土渗流-温度-应力耦合的研究方法和宏观方程，并提出了若干前沿研究方向。     

低渗透煤与瓦斯的固-气动态耦合模型及数值模拟

为了解低渗透煤体的瓦斯渗流机理,开展了低渗透煤体的变形与瓦斯渗流的相互作用规律研究.根据低渗透煤体的瓦斯渗流特性,确定了煤体渗透率的动态变化模型;通过建立煤层瓦斯渗流方程与煤体的变形场方程,引入煤体孔隙率的动态变化模型,定义了研究问题的初始及边界条件,推导得到了低渗透煤与瓦斯的固-气动态耦合模型.针时含瓦斯煤体试件的定解条件和模型参数,进行了耦合模型的数值模拟研究.结果表明:数值模拟预测的瓦斯渗透速度,与试验的实测结果吻合较好,且随着煤体渗透率减小,模拟结果更逼近实测结果,其最小误差为0.9%.     

煤层气热-流-固耦合渗流的数学模型

在煤层气的开采过程中，煤体变形与流体流动是相互耦合作用的。由于甲烷气的解吸热效应，煤层气的渗流又是一个非等温过程，因此对渗流场、变形场及温度场耦合作用下煤层气的渗流规律进行研究具有重要的意义。本文综合利用流体力学、岩石力学和传热学理论，给出了考虑温度场、流体渗流场和变形场作用下的水－煤层气两相流体渗流理论，并给出其耦合求解的方法，通过数值模拟的方法，研究了温度铲应对煤层气开发的影响。     

本煤层超前卸压瓦斯抽采的固-气耦合试验

对不同工作面推进速度条件下的超前支承压力演化规律及瓦斯抽采量的变化规律进行了对比分析,对不同轴压卸载起始点、不同围压卸载速度情况下的煤岩固-气耦合规律进行了试验研究.结果表明：轴压、围压同时卸载过程中,煤样经历了应变回弹、应变增加及应变软化3个阶段,轴压卸载起始点越小、围压卸载速度越慢,应变回弹过程越明显.反之,煤样越快进入应变增加和应变软化阶段.固定围压、加载轴压过程中,煤岩渗透率逐渐降低,瓦斯流量变小.轴压、围压同时卸载过程中,煤岩渗透率由缓慢增大到快速增大.当轴压、围压卸载到一定程度后,煤岩渗透率发生突跳.轴压卸载起始点越高、围压卸载速度越快,煤岩渗透率发生突跳时的轴压卸载量越小.     

煤层瓦斯渗流力学的研究进展

综述了国内外在煤层瓦斯渗流力学研究方面的现状,总结了我国近年来在煤层瓦斯渗流力学研究领域所取得的重要进展,展望了该研究领域中需要深入研究的方向和有关的发展趋势,认为创建的发展瓦斯越流的固气耦合模型及其数值方法,对丰富和完善瓦斯渗流力学具有重要的理论和现实意义．     

煤层瓦斯渗流力学的研究进展

综述了国内外在煤层瓦斯渗流力学研究方面的现状 ,总结了我国近年来在煤层瓦斯渗流力学研究领域所取得的重要进展 ,展望了该研究领域中需要深入研究的方向和有关的发展趋势 ,认为创建的发展瓦斯越流的固气耦合模型及其数值方法 ,对丰富和完善瓦斯渗流力学具有重要的理论和现实意义     

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．卸栽条件下，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．     

幂定律基础上的煤层瓦斯流动模型

研究煤层瓦斯流动基本规律对煤层瓦斯渗流力学、瓦斯灾害防治及瓦斯资源利用都有重要意义。目前在幂定律基础上推导的数学模型存在严重错误，本文指出了尚未发现的错误，给出了修正后的正确模型。分析表明，认为幂定律基础上的煤瓦斯流动模型比达西定律基础上的模型更符合实际是没有根据的。     

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法（CFD-DEM）为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。     

基于流-固耦合辅助喷嘴特性分析

文章主要研究喷气织机中不同孔型的辅助喷嘴应力形变问题,利用 Fluent 软件建立了辅助喷嘴结构的三维模型,采用k-ε湍流模型对其结构进行流-固耦合数值模拟,对单圆孔、椭圆阵列以及圆阵列三种孔型的辅助喷嘴在同一流体激励下进行分析,得到各个辅助喷嘴在同一流体激励下的变形情况,结果表明,椭圆阵列在流体激励下的形变最大,圆形阵列辅助喷嘴结构的形变最小,为喷气织机的辅助喷嘴结构设计生产提供参考建议。     

输水隧道流-固耦合地震反应研究

目的为了研究在考虑介质的辐射阻尼的情况下，穿越软土地区的浅埋大管径输水隧道在内水作用下。其水体晃动、阻尼系数、地震激励方向、内水压力、围岩种类、围岩和衬砌的非线性以及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响．方法根据流固耦合原理建立内水-衬砌-围岩三者的运动方程。以一穿越河底的输水隧道为例，采用三维流固耦合有限元程序对其进行地震反应分析．其中管内水体采用基于势的流体单元．结果经分析得出其中水体晃动、地震激励方向、高内水压力、围岩种类，围岩非线性及衬砌的厚度都对衬砌的地震响应的影响很大．结论采用有限元理论分析了对衬砌的地震响应有影响的几个因素，为工程设计与施工提供了可靠的理论依据．     

极小转弯半径钻井在低渗透率煤层瓦斯抽放中的试验研究

针对在瓦斯渗透率低的煤层中现有的瓦斯抽放方式效率很低的问题,澳大利亚的Grasstree煤矿进行了极小转弯半径钻井系统现场试验.试验采用地面瓦斯抽放方法的极小转弯半径钻井系统能够沿着常规中心竖井在不同埋深的煤层中呈辐射状以极小转弯半径钻进多条深长水平孔,钻进水平瓦斯抽放孔总长1300m,其中最长的182m.试验结果表明,约抽放出900000m3瓦斯,将煤层中瓦斯含量从7.8m3/t减少至3.7m3/t.Grasstree煤矿试验证明极小转弯半径钻井系统在地下煤层瓦斯抽放、减小煤矿瓦斯灾害方面具有很好的应用前景.     

汽轮机通流部分热-流-固耦合数值模拟计算

利用Fluent软件建立某汽轮机调节级及高压前四级的三维模型,采用标准k-e模型对其内部进行热-流- 固耦合数值模拟,详细分析了内部流场的气动性能,并与热力设计值进行详细比较,掌握了汽轮机调节级及压力 级进行气动性能分析的方法,结果表明所建立的数学物理模型正确,得到的结果可信。     

穿层钻孔水力割缝防突技术的应用

随着矿井开采深度的不断增加,瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出危险性也越来越大,煤与瓦斯突出已严重制约着矿井的安全生产和高产高效,防治煤与瓦斯突出事故,已成为当前煤矿安全生产的首要任务。一、连续射流对物体表面的作用力射流冲击物体表面时,由于它改变了方向,在其原来的喷射方向上就失去了一部分动量。这部分动量就将以作用力的形式传递到物体表面上。连续水射流对物体表面的作用力,是指射流对物体冲击时的稳     

低透气性煤层的瓦斯抽采工艺研究

瓦斯抽放是解决矿井瓦斯涌出、防治瓦斯超限的有效方法,其效果的好坏主要由预抽钻孔参数及煤层透气性系数决定.以阳煤集团开元公司五矿为实验基地,确定了矿井采面瓦斯抽采合理的工艺参数和封孔技术.通过改变预抽钻孔参数克服了煤层透气性低产生的问题,同时对矿井的瓦斯抽放规律进行了研究.通过优化实验方案,使瓦斯抽采效果明显改善,确保了工作面的安全生产.     

本煤层顺层瓦斯抽采渗流耦合模型及应用

为揭示瓦斯在本煤层抽采时的渗流机理,开展了煤岩体变形与瓦斯渗流相互作用规律研究.根据煤层瓦斯渗流特性,考虑渗透率的动态变化过程,研究裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩体变形等过程,建立耦合渗流模型.针对特定矿井抽采煤层的瓦斯地质条件,进行了耦合模型的数值模拟研究.结果表明:抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采稳定后下降趋缓,距抽采孔越远下降梯度越小,有效抽采半径约为3m.现场实验孔距6m顺层瓦斯抽采,抽采稳定时瓦斯纯量达5~7m3/min,抽采效果较理想.     

汽车油箱流-固耦合模态及对外辐射噪声的仿真分析

以某款SUV车用油箱为研究对象,采用流-固耦合有限元和边界元分析方法,在Virtual.Lab仿真平台上分别对油箱的干模态、湿模态以及装满燃油时的流-固耦合模态进行仿真计算,得到3种情况下的油箱模态频率变化规律,并给油箱施加一定频率范围的激励力,研究其对外辐射噪声水平。结果表明,油箱干模态和湿模态的频率相差不大,而装入燃油后油箱的耦合模态频率大幅降低,油箱对外辐射噪声的高频成分得到很大衰减,但低频噪声成分有所增加。     

基于流-固耦合的车辆减振器动态非线性仿真分析

基于流-固耦合有限元方法,利用ADINA软件建立了高精度的叠加节流阀片有限元网格模型和流场有限元网格模型,并在ADINA软件后处理模块中进行求解分析,得到了减振器阻尼力-速度分段特性、示功特性、阀系内部的压力场和速度场特性,分析了减振器阀系动态非线性特性。结果表明:在高速减振器油的冲击下,阀系内部区域的压力场变化明显;达到开阀压力时,油液流动速度呈现跳跃变化,使得阻尼通道压力迅速变化。这说明叠加节流阀片有限元网格模型和流场有限元网格模型的精度对仿真结果影响最大。在流-固耦合计算中考虑了流体湍流流动、阀片接触和大位移变形,尽量使仿真模型与物理模型保持一致,试验结果与仿真结果吻合较好。     

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。