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基于LBM的地下矿突水蔓延仿真实现

作　者: 王鹏
导　师: 黄光球
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 采矿工程
关键词: 地下矿突水格子Boltzmann方法计算机仿真分块耦合并行计算液固两相流
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 3次
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内容摘要

近年来,随着地下矿开采深度加深,巷道突水事故频繁发生,一旦发生大型突水事故,极有可能造成人员伤亡,也可能淹没井巷和损坏井下机械设备,迫使停产从而造成巨大的经济损失。在我国采矿行业重特大事故中,突水事故给国家造成的直接经济损失一直名列首位。模拟地下矿突水事故,研究其蔓延规律和行为特征,对改善地下矿突水安全管理工作具有重要的理论指导意义。首先,本文在采矿工程、流体力学和计算机仿真等学科知识的基础上,对地下矿巷道突水蔓延机理进行了研究。介绍了符合地下矿突水蔓延规律的格子Boltzmann方法的D2G9模型,以及与该模型相关的网格划分技术和边界处理技术。在此基础上建立了基于格子Boltzmann方法的地下矿突水蔓延仿真模型,并以一个平直巷道的突水蔓延实例验证了该模型的有效性。其次,为了解决复杂巷道网格划分问题和网格数量巨大计算时间长的问题,引入了分块耦合算法和并行计算,以期望解决这两个问题。通过分析巷道网格结构图,发现巷道都是由基本的L型和Y型结构组成的。对L型和Y型结构巷道进行分块,使其成为最简单和规则的巷道结构,分析其两个块之间的公共边界和公共点上的数据交换方法,得出一般的规律,这样就解决了网格划分问题。巷道结构庞大,网格划分好之后,面临计算量大、计算时间长的问题,因此引入并行计算技术。利用实验室的多台PC机,搭建计算机集群,编写并行计算程序,实现并行计算,解决计算时间长的问题。在此基础上,应用分块耦合算法和并行计算技术,建立了基于分块耦合和并行计算的LBM突水仿真模型,并以一个交叉的巷道突水蔓延实例验证了该模型的有效性。最后,为了对突水冲刷巷道底板泥沙的蔓延进行仿真,引入了两相流格子Boltzmann模型。在地下矿巷道突水蔓延的过程中,突水会对底板上的泥沙进行冲刷。当速度较大时,会携带泥沙向其他的巷道蔓延,当速度较小时,又会沉积在巷道中。在前面两章研究分析的基础上,建立了地下矿巷道突水仿真液固两相流格子Boltzmann模型,并以一个弯曲的交叉巷道突水蔓延实例验证了该模型的有效性。本文重点内容是建立基于格子Boltzmann方法的地下矿突水蔓延仿真模型,解决了在采用格子Boltzmann方法建模时,复杂巷道结构网格划分困难和计算量大的问题,以及地下水携带泥沙蔓延的仿真问题。这项研究工作的内容对分析地下矿突水的行为特点,有效控制地下矿突水事故的发生,保障安全生产等具有重要的理论指导意义,从而提高地下矿突水事故的安全管理工作水平。

基于LBM的地下矿突水蔓延仿真实现

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