CN109558678A - 一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法，包括突出源近源巷道FLUENT多维计算、远源巷道Flowmaster一维计算和MPCCI多维度耦合计算方法。针对突出源周边井巷冲击气流特点，建立煤粉‑瓦斯固气两相流模型，利用FLUENT计算模拟，得出不同巷道类型下突出冲击波的衰减特征和衰减因子；在上述结论基础上对远源巷道分支进行一维简化，确定巷道结构的等效压损和突出压力源等效衰减曲线，借助Flowmaster软件计算远源巷道突出冲击波的传播特征；进一步采用MPCCI软件耦合求解突出冲击波在突出源近源巷道(FLUENT多维计算模型)、突出源远源巷道(Flowmaster一维计算模型)以及耦合面处的冲击压力变化趋势，从而获得突出冲击波在整个井下风网内的传播特征。通过本发明可以高效准确地计算突出冲击波在矿井全风网中的传播特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种突出冲击波传播计算方法，特别涉及一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法。
背景技术
在煤与瓦斯突出源周边巷道中的冲击气流是由膨胀瓦斯流携带大量煤粉而形成的，其传播速度快，湍流作用明显，气流具有显著的气固二相性特征。煤粉颗粒在气流运动特征中的表现作用明显，其质量较大，加速度较小，且和瓦斯气体间存在相对运动，颗粒间也存在相互碰撞、摩擦的现象，而且还受到流体的曳力作用，表现出显著的耗能阻滞效应。目前，在研究突出冲击波在巷道中的传播特征时一般对冲击气流进行简化，忽略煤粉颗粒的作用，仅研究瓦斯气体的衰减规律。
突出冲击气流能量巨大，传播距离远，影响范围广，而远源分支巷道气流中的湍流作用逐渐降低，煤粉逐渐沉降，流体参数和梯度主要表现在传播方向上，冲击超压在气流传播方向上的改变要远高于横向压力值，此时研究其传播规律的方法和近源巷道又有所不同。另外，对于矿井全风网来说，因风路复杂和线路长等问题导致计算量大，模拟困难。
MPCCI是一款用于解决多物理场耦合问题的专业接口软件，耦合的实现是基于其较强的网格自适应能力，使得一维软件三维软件间能够在此基础上实现数据传递。在一维计算中对应节点流量和节点压力，而在三维计算中单元体被分为n个节点，每个节点对应一个表面单元，构成单元体总体表面，参数交换的本质就是使得一维节点流量和压力与进出单元体的总流量和表面压力保持一致。
基于上述现状，迫切需要提出一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法，其中，对突出源近源巷道气固两相流采用FLUENT多维计算，对远源巷道采用Flowmaster一维简化计算，并运用MPCCI进行突出源近源巷道与远源巷道间的多维耦合计算。
发明内容
本发明的目的在于提出一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法，这种方法考虑了突出源近源巷道和远源巷道中冲击气流的组成、运动特征的不同，分别采用FLUENT和Flowmaster软件计算相应的冲击气流传播特征，并利用MPCCI软件实现了突出源近源和远源巷道之间的耦合计算，从而得到了突出冲击波在矿井全风网中的传播特征。
一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法，该方法包括：
(1)针对突出源近源巷道突出冲击波传播采用FLUENT多维计算方法：建立突出煤粉-瓦斯固气两相流模型，考虑煤粉及瓦斯的相互作用关系，对突出源近源巷道使用二维或三维流体仿真软件FLUENT进行数值模拟和分析数据，并得出各个巷道类型的衰减特征及衰减因子，记录突出源的压力变化情况。
(2)针对突出源远源巷道突出波传播采用Flowmaster一维计算方法：突出压力源数据使用(1)中收集得到的突出源压力变化曲线，用一维模拟软件Flowmaster的压力损失原件代替冲击波在特殊结构处的压力损失，调整参数使其压力损失与(1)中得到的衰减特征及衰减因子相符，并使用一维模拟数据反推衰减因子与(1)对应验证其合理性。
(3)针对突出源近源巷道与远源巷道之间的突出冲击波传播参数交换采用MPCCI多维耦合计算方法，具体步骤如下：
①预先建立耦合模型并设置当前边界条件；
②在耦合界面读取模型文件并定义耦合区域，选定交换参数，设置监视器及选定
耦合算法；
③联合仿真运行，计算软件计算自身区域，耦合软件控制耦合面参数交换；
④对计算软件结果及耦合软件结果进行后处理。
作为优选，所述煤粉-瓦斯固气两相流模型采用压力腔内充入一定体积的瓦斯，并设置5％体积分数的煤粉颗粒相，通过patch的方式定义1MPa高压力源来作为突出的动力源，从而形成两相流突出源的方法。
作为优选，所述突出源近源巷道包括直巷、拐角巷、分叉巷、T型巷、变截面巷道，分别计算各巷道结构类型下的突出冲击波衰减特征，作为远源巷道结构一维简化的基础。
与现有计算方法相比，本发明的优点与有益效果在于：首先在突出源附近使用二维/三维的模拟软件FLUENT对强扰动区进行模拟计算，在强扰动区外使用一维的模拟软件Flowmaster对距离突出源远源区域进行模拟计算。上述方法充分考虑了突出冲击气流在不同传播阶段的组分组成、运动特征的变化，近源巷道FLUENT多维计算采用煤粉-瓦斯固气两相流模型，并加入煤粉、瓦斯间相对滑移速度和相互作用力，更加真实反映近源区域冲击波传播特征，远源巷道Flowmaster一维计算不仅模拟了突出冲击波在更远、复杂巷道中的传播特征，而且在已有结论基础上简化，等效替代，结果可靠，同时也大大减少了计算量。其次，采用的MPCCI耦合软件具有较强网格自适应能力，使得FLUENT多维参数与Flowmaster一维参数之间实现数据传递，从而高效准确地获得突出冲击波在矿井全风网中的传播特征。
附图说明
图1为MPCCI联合仿真计算矿井全风网突出冲击波传播特征多维耦合方法的流程示意图；
图2为直巷的突出耦合计算验证模型。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明所述一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法的流程及实施例结合附图详细说明如下：
如图1所示，MPCCI联合仿真实现多维耦合计算的流程分为模型文件准备，定义耦合过程，仿真运行以及后处理四个部分：
模型文件准备：在耦合前，对于不同耦合区域需要在各自软件(即FLUENT与Flowmaster)中建立相应的物理几何模型，使其能满足在各自软件单独运行，与单个软件运行不同的是，在各自软件中还需要指定耦合区域以及耦合边界的初始条件；此外需导出Flowmaster联合仿真信息，选中MPCCI link file报告类型，在Flowmaster中的MPCCIASCII file builder窗口激活边界条件，创建ASCII文件。
定义耦合过程：在MPCCI耦合界面通过SCAN读取前面准备好的模型文件，并通过用户输入的方式定义耦合区域，进行属性设置，选定交换参数，设置监视器以及选定耦合算法。
联合仿真运行：启动Start后，MPCCI分别处理FLUENT和Flowmaster数据，两款软件各自并行计算自身区域，并通过适配器进行数据传递，MPCCI则控制耦合面参数交换。
后处理：包括对FLUENT和Flowmaster的分别后处理，以及对耦合结果在MPCCI监视器中的查看处理。
如图2所示，本实施例中的耦合验证计算模型为直巷突出冲击波传播模型。
首先突出源近源巷模拟采用FLUENT二维计算，预先建立近源巷道的突出煤粉瓦斯固气两相流模型，突出区域采用高压力腔体进行代替，选取一条22m长直巷，巷高0.2m，突出腔长0.5m，高0.3m，压力腔内充入一定体积的瓦斯，并设置一定尺寸的煤粉颗粒相，可以假设煤粉体积分数为5％，在突出腔内已与瓦斯气体混合充分，均匀分布，两相流初始速度为0m/s。通过patch的方式定义高压力源作为突出的动力源，原始突出压力为1MPa，相对操作压力为0MPa，瓦斯气体的温度假定为300K，空气温度也为300K。与突出气流相比，实际巷道中瓦斯浓度与风速很小，可忽略不计，因此设置突出巷道中空气初速度为0m/s，瓦斯浓度为0，初始压力为大气压力。另外在压力出口处设置回流体积分数为0，即认为高速气流冲出过程没有回流；具体湍流方式通过定义水力半径以及强度的方式来实现。通过在突出源一定距离或巷道结构前后1m位置分别设置观测面计算得出不同巷道类型下突出冲击波的衰减特征和衰减因子。
然后在离突出腔12m远处设置耦合面，认为此时突出冲击超压压力衰减梯度已经较小，不属于强扰动区域，而后10m巷道做一维线性化处理，在Flowmaster中完成。对远源分支巷道建立Flowmaster一维简化通风管网，根据上述模拟结果，不同巷道结构采用压力损失原件进行代替，并设置等效压损。利用FLUENT模拟所得相应位置的突出冲击波超压数据包，进行绝对压力处理后，在Flowmaster中对于突出压力源导入相应的超压衰减特性曲线，即可实现等效代替。通过模拟衰减系数比对，验证了采用等效压损元件代替巷道结构变化带来的超压急剧衰减方法可行。
对于耦合参数的设置，在Flowmaster中激活其流量源边界，采用初始化流量0.001m3/s，选用瞬态可压模拟，时间步长为t＝0.0001s，模拟时长为0.08s；对于FLUENT，在耦合面设置为压力出口边界；耦合模拟采用显式瞬态方案，Flowmaster作为初始化数据接收方。
根据12m处耦合面AB的监测结果，在t＝0.032s时，对应绝对压力峰值219418Pa，即相对大气压超压约为0.12MPa左右，与FLUENT单独模拟的超压峰值范围以及超压峰值到达时间是基本吻合的；在CD处，超压峰值到来时间延长至t＝0.037s，超压峰值为0.084MPa，而在EF处，超压峰值出现延长为t＝0.043s，超压峰值为0.072MPa，与Flowmaster单独模拟时超压峰值出现时间均延长0.003秒左右，而数值基本接近。总体来说，直巷突出耦合模型验证了耦合计算方法的可靠性。
在本发明的技术方案中，可以结合具体条件和实际情况对模型进行建立，可建立三维与一维模型进行多维耦合，也可以建立二维与一维模型进行多维耦合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种计算矿井全风网突出冲击波传播特征的多维耦合方法，包括：
(1)针对突出源近源巷道突出冲击波传播采用FLUENT多维计算方法；
(2)针对突出源远源巷道突出冲击波传播采用Flowmaster一维计算方法；
(3)针对突出源近源巷道与远源巷道之间的突出冲击波传播参数交换采用MPCCI多维耦合计算方法。
2.根据权利1所述的针对突出源近源巷道突出冲击波传播采用的FLUENT多维计算方法，其特征在于：突出源近源巷道内的冲击气流模拟采用煤粉-瓦斯固气两相流模型，在瓦斯气体中设置一定体积分数、一定直径的煤粉粒，由煤粉粒与瓦斯气体构成所述煤粉-瓦斯固气两相流模型，建模时考虑煤粉颗粒与瓦斯气体的相对滑移速度及两者之间的相互作用力。
3.根据权利1所述的针对突出源近源巷道突出冲击波传播采用的FLUENT多维计算方法，其特征在于：利用FLUENT软件计算二维/三维情形下不同时间的超压的分布、瓦斯的分布及瓦斯和煤粉的速度分布，对不同巷道结构附近设置的特征面超压随时间变化情况进行收集处理，得到不同巷道结构处的衰减特征及衰减因子。
4.根据权利1所述的针对突出源远源巷道突出波传播采用的Flowmaster一维计算方法，其特征在于：突出源远源巷道一维简化时对不同巷道结构采用等效压损处理方法，将得到的不同巷道结构处的衰减因子作为一维巷道结构等效压损的确定依据；突出压力源输入采用等效压力衰减曲线代替，衰减曲线是由突出源近源巷道FLUNET模拟时监测相应位置压力变化得到的。
5.根据权利1所述的针对突出源近源巷道与远源巷道之间的突出冲击波传播参数交换采用的MPCCI多维耦合计算方法，其特征在于：在突出源一定距离处设置耦合面，耦合模拟采用MPCCI显式瞬态方案，对于FLUENT软件，将耦合面设置为压力出口边界，Flowmaster软件作为初始化数据接收方。
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