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煤自燃多场耦合的数值模拟

作　者: 张兵
导　师: 龙熙华
学　校: 西安科技大学
专　业: 应用数学
关键词: 煤自燃对流扩散方程高精度紧致差分特征有限体积法
分类号: O241.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了尽可能避免煤自燃导致的资源浪费和煤矿火灾事故对人民生命和财产带来的危害，进行煤自燃规律的研究，及时预报预测煤自燃的发生是十分必要的，其中使用计算机进行数值模拟是研究煤自燃规律及影响因素的重要方法和手段之一。通过对煤自然发火实验的数值模拟，可以揭示煤田火区的形成机理、发展进程、高温点空间位置转移规律，研究煤田火区自燃、熄灭和复燃特性与规律及其影响因素，为制定防灭火措施提供理论依据。本文结合我校煤自然发火实验台的实际情况，根据多孔介质渗流力学和传热传质学理论，通过分析煤自燃过程中气体浓度场、漏风流场、温度场的多场耦合作用，研究煤自燃过程的多场耦合模型，并将耦合模型的控制方程归结为非稳态的对流扩散方程。针对非稳态二维对流扩散方程，构造高精度紧致差分格式，并结合Richardson外推法进行求解；将特征线法与有限体积法结合，构造特征有限体积法，用差分格式进行求解。结合实验和现场实测参数，确定边界条件和初始条件，分别用两种方法对宁夏枣泉矿煤的自然发火实验进行数值模拟，分析煤自燃过程中高温点的发生、发展及变化过程，模拟计算的结果与相同实验条件下的实验结果相符，从而印证了模拟方法的正确性，为替代实验台实验提供了依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-15
  1.1 研究背景和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  9-13
    1.2.1 数值模拟的发展  9-10
    1.2.2 煤自燃的数值模拟  10-11
    1.2.3 数值计算方法的研究  11-13
  1.3 论文的研究思路  13
  1.4 论文的总体结构  13-15
2 煤自然发火实验的数学模型  15-21
  2.1 炉体结构  15-16
  2.2 漏风流场数学模型  16-17
  2.3 温度场数学模型  17
  2.4 氧浓度场数学模型  17-18
  2.5 多场耦合的数学模型  18-19
  2.6 本章小结  19-21
3 偏微分方程数值解法的理论基础  21-34
  3.1 有限差分法  21-25
    3.1.1 传统差分格式  21-24
    3.1.2 半离散格式  24-25
  3.2 有限体积法  25-32
    3.2.1 有限体积法基础  25-27
    3.2.2 中心差分格式  27-29
    3.2.3 全隐格式  29-30
    3.2.4 有限体积法的 QUICK 格式  30-32
  3.4 本章小结  32-34
4 多场耦合偏微分方程的求解  34-43
  4.1 高精度紧致差分格式  34-39
    4.1.1 高精度紧致差分格式  34-36
    4.1.2 Richardson 外推法  36-39
  4.2 特征有限体积法  39-42
    4.2.1 特征线修正技术  39-40
    4.2.2 二维问题的特征有限体积法  40-42
  4.3 本章小结  42-43
5 煤自燃数值模拟及结果分析  43-53
  5.1 实验条件  43-45
    5.1.1 初始条件和边界条件  43-44
    5.1.2 模拟所需的参数  44-45
  5.2 宁夏枣泉矿煤自然发火的数值模拟  45-50
    5.2.1 数值模拟过程  45-48
    5.2.2 数值模拟结果  48-50
    5.2.3 两种方法模拟结果的比较  50
  5.3 模拟结果分析  50-52
    5.3.1 模拟结果分析  50-52
    5.3.2 模拟结果与实验结果的比较  52
  5.4 本章小结  52-53
6 结论  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-58
附录  58

煤自燃多场耦合的数值模拟

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