文摘

水沙流的不稳定骨折容易诱发水沙灾害。因此,预防和控制具有重要意义的水沙侵入的水沙两相流研究骨折。基于水沙两相流理论,建立了水沙两相流系统的模型。Ansys流利的软件被用来研究水沙两相流的特点在光滑和粗糙的骨折。水沙两相流的时空演化规律进行了研究;结果表明,他们并没有改变在光滑裂隙流场随着时间的推移,随着时间的推移而不断变化在粗糙裂隙流场和一个动态稳定状态。研究结果可以提供参考的水沙两相流骨折和岩体。

1。介绍

水和砂侵入是煤矿的主要灾害之一,在中国西部浅煤层(1]。骨折或小缺点常常与不平衡水份连接层砂体由于风化作用[2,3]。然后,在重力的作用下,水沙混合将地下潜水设备,甚至造成人员伤亡。水沙两相流涌水沙灾害的重要动机之一(4]。因此,研究水沙两相流具有重要意义在骨折,确保矿井的安全、高效生产(5,6]。

学者们进行了大量的研究水沙两相混合物渗流特征及其影响因素(7,8]。刘等人分析了渗透率的变化规律rock-fractured岩体裂隙粗糙度参数,砂颗粒大小和含沙量(9]。杨等人发现湿地中交互的影响水沙运动特征和流变特性的混合物(10]。气和Bo的破坏机理和演化特征研究水沙侵入灾害造成的不稳定岩溶洞穴的填充介质(11]。杨等人进行了非线性流断裂网络和实验揭示了突水机制在骨折12]。张等人分析了影响风成砂的粒度分布,孔隙比和初始质量流动特性(13]。许等人模拟采空区涌水沙过程,提出了预防和控制技术(14]。然而,由于试验条件的限制,仍有一些缺点在水沙混合物的流动特性研究的实验手段。例如,很难找到测试设备,满足高性能的要求,当水沙混合在一个稳定的流量需要运输。此外,很难描述涡结构有效地、准确地使用现有的实验手段,因此很难进行更深入的研究水沙两相流的流场。

考虑到复杂的地下采矿地质条件(15,16),一些学者利用有限元分析和离散单元法揭示水沙两相流的整个过程,取得了明显的成效17]。杜等人FORTRAN编程语言用于数值计算和确定主要影响因素的特征参数水沙两相混合物在裂隙岩体渗流18]。聚氨酯水沙两相流的法律分析骨折用晶格玻尔兹曼方法。他们还模拟了水沙侵入的数值模拟和分析粒度和裂缝宽度的影响水沙侵入速度(19]。郭等人模拟的整个过程水沙侵入过程的采矿工作面采用自主研发的仿真测试系统(20.]。雷等人利用PFC3D模拟上覆岩层裂缝的发展过程和下第三系含水层的水液压(21]。总之,学者进行的研究在水沙两相渗流的特点骨折使用实验方法,但是仍有一些不足。这项研究只关注单个流体的渗流,很少涉及的液固两相运动骨折。很少有研究粒子的渗流阶段和连续相同时在骨折。与此同时,目前还没有公认的标准的描述断裂表面形态(2,22]。

本文使用Ansys 17.0流利模拟水沙两相流在骨折光滑和粗糙表面。首先,力学模型和水沙两相流的数值模型建立。然后,将使用不同的湍流模拟方法计算连续相的流场。将计算结果与实验结果相比,和一个更可取的方法将选择骨折与粗糙和复杂的表面。最后,分散相粒子将被注入到连续相流场的动态平衡,并将进行耦合计算。将计算结果与实验结果为进一步研究水渗流场的影响因素。研究结果旨在为水沙的机理提供理论基础在煤矿侵入。

2。水沙两相流在骨折的力学模型

2.1。水沙流的模型假设和选择在骨折

以下假设是在骨折(水沙流的数值模拟23,24]。(1)水是不可压缩的。水的密度是一个常数。(2)砂颗粒与相同的球体粒子大小。(3)刚性实体是球形砂粒子单位和不会获得明显的损害。(IV)的水沙混合流入裂缝导流过渡板与一个更大的光圈。过渡平滑在进口的骨折,和横截面上的流速是统一入口的骨折。(V)分散相砂粒子速度是相同的与连续相流体的入口骨折。(VI)当沙粒子逃离的出口骨折,跟踪将会停止。(七)的物理量并没有改变方向,为一个二维流流。

水沙流的模型在骨折是由连续相模型和离散相模型。雷诺平均法和大涡模拟方法被用来模拟的湍流连续相(25]。根据压力的不同的方法治疗,雷诺平均模型可分为涡粘性模型和雷诺应力模型(26]。前者是引入湍流粘度对雷诺应力,而不是直接治疗压力。的雷诺应力湍流粘度的函数表达。常用的涡粘性模型在工程包括Spalart-Allmaras模型,k -ε模型和k -ω模型。本文所选的湍流模型包括RNG k -ε在k -模型ε模型,可实现的k -ε模型和海温k -ω在k -模型ω模型。雷诺应力模型(RSM),直接建立了雷诺应力方程。粘度的各向同性的假设是可以避免的。同时,流体旋转的影响,流线弯曲,应变率的急剧变化将被考虑。与涡粘性模型相比,RSM更适合准确预测的复杂流动。本文采用Stress-Omega RSM。的Stress-Omega模型wall-modeled大涡模拟(wml)是用于subgrid-scale压力的数学模型(27]。

有必要模拟砂粒子的旋转和翻译研究的水沙流骨折。摘要随机轨道模型被用来模拟粒子扩散引起的湍动的连续相。与此同时,基于离散单元法和程序提出的球Cundall和斯特拉克28),Hertzian-Dashpot模型和滚动摩擦模型被用来模拟正常的接触和粒子之间的切向接触力,分别。

2.2。计算域水沙流的骨折

计算域是一组粒子包围两个断裂表面,入口区和出口部分。粒子的集合是随时间变化的。即水和沙子从入口进入连续部分并从出口流出部分,和控制体积不变。计算域的平滑骨折和骨折的望见如下。

2.2.1。计算域的平滑的骨折

如图1、水和砂流入该地区由两个平行断裂表面光滑。两个断裂表面之间的距离 ,和断裂的长度 。上部和较低的断裂表面的投影部分是一条直线。计算域入口部分的边界 ,上部断裂部分 ,出口部分 ,和较低的断裂表面 。

2.2.2。的计算域的骨折

如图2、水和砂流入该地区由两个吻合的断裂表面。上部和下部的曲线断裂表面的横截面是折线表面分为50等于折线段的和 , 。计算域是由入口部分 ,上面的断裂表面 ,出口部分 ,和较低的断裂部分 。

2.3。边界条件和初始条件

指定所需的边界和初始条件的方程来解决水沙两相流领域。连续相的边界和初始条件和离散相,分别。

2.3.1。连续相的边界条件

入口边界设置为速度入口。在实验中使用的四层渗流速度是。水力直径是裂缝入口孔径的两倍。湍流强度可以得到以下方程:

在哪里雷诺数的水力直径吗 。出口边界设置为压力出口。出口与空气,所以出口压力是1的标准大气压力。墙边界设置为一个无衬壁边界。重力的方向是负方向的 。

2.3.2。分散相的边界条件

离散相砂粒子速度是一样的连续相流体的入口速度骨折。沙粒子的体积浓度设置为4.06%。骨折是设置为逃避的出口边界的离散阶段,跟踪将会停止。砂颗粒和墙边界设置为反弹边界。初始边界条件的值是固定的,不随时间而变化。

2.4。数值计算方法和参数设置

网格划分是一个关键的一步,采用有限体积法的数值计算。它的质量直接影响数值计算结果的准确性。本文使用结构化网格,因为光滑的边界断裂模型相对固定。网格节点是均匀分布在进口砂颗粒均匀分布在方向。Stress-Omega RSM用于本文。是无量纲的第一层网格节点之间的距离和墙上,这大约是1。因此,细网格被安排在靠近壁面区域。计算后,检查是否有必要可以满足要求。

为了确保计算结果的准确性,网格独立性进行了测试。边界层的初始网格的大小是0.005毫米,和全球网格大小是0.08毫米。在网格独立测试后,在边界层网格的大小是0.003毫米,和全球网格大小是0.02毫米。通过计算,发现网格可以满足是小于1的。两个网格的入口压力差不到1%。横截面上的速度差异小于0.3% ,表明初始网格可以满足计算精度的要求。的计算精度和效率,选择初始网格计算。图3显示了网格划分。

混合网格,由于粗糙的墙壁急剧弯曲骨折模型。多层结构网格在边界层中设置,和其余的计算域非结构化四边形网格。的测试,测试进行网格独立性。网格的总数约为145000,如图4。在边界层网格图所示5。

计算域的网格划分后,有必要使离散控制方程和定条件(边界条件和初始条件)在空间域和时间域。以最小二乘方法。插值方法的压力压力惊人的选项(很快)。动量守恒方程,湍流动能方程 ,和特定的耗散率方程ω采用三阶MUSCL计划减少数值扩散。雷诺应力方程采用快速离散方案(四边形网格使用了快速离散方案,和其他网格使用二阶离散方案)。二阶隐式时间积分方案被用于解决连续相方程,和龙格-库塔方法被用来计算离散相方程。

表1显示了材料特性。表2显示了砂颗粒的相互作用参数和墙上。表3显示了砂颗粒之间的参数。

pressure-based解算器是用于计算。压力速度耦合PSIO(压力隐式的分裂算子)算法。相间耦合计算方法,和连续相之间的相互作用和离散阶段被认为是。调整后,时间步长设置为10⁵年代。沙粒子的跟踪时间步连续相的百分之一计算时间步长。速度和进口压力变化是在计算过程中监控。利用并行计算提高计算速度。

2.5。实验方案

在本文中,一些水沙渗流实验数据来自陈模式的研究小组的结果,为地质力学与地下工程国家重点实验室,中国矿业大学和技术。测试条件限制的,只有水沙两相流研究了在常规和粗糙的骨折没有水沙两相流的测试在光滑的骨折。

数值模拟是一个必要的补充和扩展的实验研究和理论分析。它可以模拟复杂流动问题和获得的数据很难获得在实验30.]。本文数值模拟被用来研究水沙两相流的特点,在骨折。

为了更好地描述流动的骨折,有必要比较仿真结果和实验数据的单向流动在骨折进行两相流的模拟骨折。在这篇文章中,几种不同的湍流模拟计算方法被用来计算连续相流场,并计算结果与实验结果相比。根据比较结果,选择适当的湍流模拟方法。

Ansys流利是用来模拟水沙两相流在光滑和粗糙的骨折。断裂表面的几何描述了在模拟。然后,在计算域进行网格划分。实验参数。砂密度2650公斤/米³,砂颗粒大小体积浓度是0.04毫米,Ф砂的颗粒是4.06%。在此基础上,建立了数学模型。最后,骨折的进气速度设置为0.349 m / s, 0.532 m / s, 0.697 m / s, 0.869 m / s。然后,程序调试。

仿真后,时空演变规律和影响因素的水沙两相流根据仿真结果进行了分析。

3所示。数值模拟的结果

3.1。湍流模型的选择

根据假设的部分2.1,宽度方向的物理量并没有改变在模拟。然而,骨折标本用于实验有一定的宽度,这将影响流体流动。因此,有必要澄清裂缝宽度的影响在选择湍流模型。之间的关系之间的压力梯度的绝对值真正的实验考虑宽度和数值模型没有考虑宽度是由下列方程表示:

在哪里是实验中的压力梯度的绝对值。压力梯度的绝对值在数值模型。方程(3)可以用来获得的价值α,2.01 [31日]。

在哪里骨折光圈和吗裂缝宽度。方程(2)可以通过替换70毫米,1.8毫米的方程(3)。方程(2)作为一个二维模型一个粗略的骨折大约得到三维模型的方程。

图6显示了压力梯度的绝对值的变化曲线在连续相流在不同的湍流模型粗糙的骨折。有线性损失和渗透测试期间,部分损失的价值比实际值大。同样,的价值数值模拟是小于测量值。如图6的值,通过RNG k -ε模型和可实现的k -ε模型比测量值大得多,而的值通过使用交通(SST) k -剪切应力ω模型、Stress-Omega RSM和莱斯不到测量值。它可以看到测量价值变化的非线性渗流速度,与模拟结果的变化趋势一致对海温k -ω和Stress-Omega RSM模型。的价值通过莱斯显示是一个近似的线性与渗流速度的关系。因此,对海温k -ω模型和Stress-Omega RSM能够更好地模拟流的压力损失在粗糙的骨折。为了确定最佳的湍流模型,有必要进一步分析其流场的结构。

莱斯可以直接计算涡动比网格规模通过瞬时n - s方程,从而预测大型涡流的形成和分布。在这篇文章中,莱斯,Stress-Omega RSM和海温k -ω模型被用来模拟粗糙裂隙中的水沙流的裂缝入口速度0.869米/秒。LES获得的涡结构被用作参考与其他两个模型的结果。数据7和8显示时三种模拟方法获得的简化图 和 ,分别。在图7,当 ,RSM获得的简化图基本上是相同的,莱斯。具体来说,两种漩涡形成的凹角骨折。一个是three-vortex结构组成的一个大的和两个小漩涡,和大涡位于下游的小漩涡。另一个是double-vortex结构组成的一个大的和一个小漩涡。小型涡位于底部的凹角的骨折。然而,顶点的形式通过对海温k -ω模式单一,由一大涡和小涡底部的凹角的骨折。

在数据7和8,简化图不同,表现出的随机性,沿着流动方向两种形式的漩涡,而通过对海温k -简化图ω时模型几乎是相同的 和 ,这可能不反映涡随时间的演变。总之,Stress-Omega RSM能够准确计算压力损失和模拟流场的结构在粗糙的骨折,所以选择模拟骨折中的连续相流。

3.2。水沙两相流的模拟结果平滑骨折

图9显示了平均压力的变化曲线在进口时的断裂入口速度为0.869米/秒。的时间间隔 来 是连续相流场压力曲线和区间 来 是水沙两相流场压力曲线砂颗粒后注入。

在图9,平均压力在进口后的断裂逐渐增加注入砂颗粒。注入砂颗粒的不断增加,增加到极值,然后开始减少小振幅振荡,最后显示在一定范围内。可以看到,砂颗粒明显减少平均在进口压力。图10显示了压力梯度绝对价值速度曲线,是一个近似的线性关系存在。

在图11的入口速度0.869米/秒,速度的分布,湍流能量,横截面上的压力 (中线位置)时可以观察到 ,0.22秒和0.27秒。在数据(11日)和11 (b)的间隔 ,流速和紊流动能不断改变 。的时间间隔 ,他们保持稳定,这表明流动充分发展。在图11 (c),压力约为线性分布 。速度、湍流动能和压力曲线的截面在不同的时间基本上是一致的 ,表明他们在本节不随时间变化。

图12显示速度的分布、湍流动能和压力在不同时间的横截面 。在数据(13日)和13 (b)、速度、湍流动能的截面曲线基本一致 ,表明他们是稳定的,不随时间改变。在图14(c)的横截面上的压力 随着时间的推移而改变在一个小振幅变化。

基于上述分析,沿流动方向的物理量并没有改变的时间间隔 。因此,间隔 被选为分析粒子分布、离散相动量源项分布。

图13显示了沙子的间隔分布 ,分为两段。它可以发现,上有一层粒子速度较低的断裂的下盘,和没有粒子上墙。这是表明粒子向下偏转是由于重力的作用,和一小部分粒子沉积在断裂的下盘。

图14显示了动量源项的分布离散相模型的断裂区间 。在图(14日),动量源项的绝对值组件是在进口段相对较大,方向和方向是负方向的 。这是暗示的力量连续相流体对颗粒流动方向相反的入口段骨折。的时间间隔 ,流动充分发展,动量源项方向元件是均匀分布的方向。在图14 (b),动量源项的绝对值方向元件在入口段相对较大。这是积极的上部 并在下部是负面的。

3.3。水沙两相流的模拟结果粗糙的骨折

3.3.1。数值模拟结果和试验结果的比较

图15显示了比较模拟结果和实验结果之间的压力梯度绝对value-seepage速度曲线。图(15日)显示了单相流的比较结果,和图15 (b)显示了水沙两相流的比较结果。

在图(15日),压力梯度绝对value-seepage速度曲线的单相骨折数值模拟获得的基本上是一致的,在这个实验中,显示一种非线性关系。数值模拟的结果是小于实验结果,相对误差在30.1%和33.4%之间。这是因为方程(2)描述之间的关系压力梯度的绝对值光滑骨折的三维模型和二维模型的压力梯度的绝对值。流动是层流,而本文流湍流通过粗略的骨折(32]。值得注意的是,之间的相对误差数值模拟结果和实验结果在不同流速相对较近。

在图15 (b)速度、压力的绝对值gradient-seepage骨折获得的水沙两相流的数值模拟与实验得到的曲线基本上是一致的,表明一种非线性关系。数值模拟的结果是小于实验结果之间的相对误差是18.5%,大约46.7%。这是因为方程(2)描述之间的关系中的压力梯度的绝对值层流光滑骨折的三维模型,在二维模型中。是一个单相层流流动,而本文的两相湍流粗糙的骨折。应该注意,绝对误差的数值仿真结果和测试结果在不同的流动速度相对较近,而相对误差降低了与流速的增加(33]。

3.3.2。流场物理量的变化规律

图16给出了平均压力的变化曲线在进口随着时间的推移,当入口速度为0.869米/秒。这是连续相流场的压力曲线在时间间隔 ,这是水沙两相流场的压力曲线在时间间隔 。

在图16的入口压力约20 kPa裂缝剧烈波动,没有一个明显的下降趋势。相邻的高峰和低谷的平均价值基本上达到了动态稳定性。这表明,砂颗粒没有明显对进气压力的影响。

图17显示速度的分布、湍流动能和横截面上的压力 0.17、0.22和0.27,与入口速度为0.869米/秒。

它可以发现,当 和流速波动在2.7 m / s,峰谷值之间的差别很小。速度曲线在不同的时间不匹配,而且没有显著区别峰值、谷值。当 ,的流速急剧增加。这是因为入口速度是均匀分布的。进口和不断变化的流体速度重组期间流过每个部分。这是由于粘度下降在墙上。边界层外的流体在中间部分加速。

在图17 (b),当 ,0.03之间的湍流动能剧烈波动²/秒²和0.07²/秒²,这反映了湍流的基本性质。当 ,它急剧上升,这表明入口的流体速度重组和湍流强度增加。没有明显的高峰值和谷值之间的区别。

在图17 (c),压力波动减少线性局部和整体趋势 。

图18显示速度的分布、湍流动能和横截面的压力分布 ,0.17、0.22和0.27,与入口速度为0.869米/秒。在图18(a),最大的水之间的速度是2.5米/秒,3.0 m / s,和相应的位置之间 和 。在图18(b),墙附近的湍流动能很小,和高峰值和位置随时间发生了显著的变化。在图18(c),压力波动平稳并随着时间发生了很大的变化。

3.3.3。物理量的空间分布规律的流场

图19显示时的压力云图 ,的入口速度0.869米/秒。许多片状的低压和高压地区可以观测到的流场。他们主要存在裂缝尖端附近,表明断裂表面的粗糙度增加了流场的压力损失(34]。

图20.显示了流程线断裂段的图 来 当 ,的入口速度0.869米/秒。流动分离的凹角骨折。一个或两个clockwise-rotating漩涡和一个counterclockwise-rotating涡形成的凹角较低的断裂表面,和一个或两个counterclockwise-rotating漩涡和一个clockwise-rotating涡形成于上部断裂表面。以较低的断裂表面为例。漩涡的原因进行了分析。通过断裂流体流动向前。流经断裂的提示后,流截面突然扩大。是不可能突然改变方向的流体沿断裂表面由于惯性力。在这一点上,流体发生的平滑过渡,体现主流线附近的弯曲墙和流扩大。一些液体没有流推进的主要流之间的外表面和墙面的扩大主要流的一部分。 The expansion of the main flow cross-section decreased the flow velocity. At this point, the pressure gradually increased along the flow direction. Thus, the adverse pressure gradient was formed. Some fluids between the main flow and the wall flowed countercurrently along the wall, forming a clockwise vortex. The main flow continued to move forward. When it encountered the next fracture tip, the flow section suddenly shrank, and the main flow section also gradually shrank, forming a clockwise vortex at the wall. It could be found that the downstream vortex range was larger and the flow lines were denser, indicating that the downstream vortex was stronger. Two vortices merged at some concave corners of the fracture. There was a corner vortex rotating counterclockwise at the bottom of concave recessed corner of the fracture, which was formed by two vortices rotating clockwise. There were two types of vortex structures in the flow field. One was the three-vortex structure composed of one large and two small vortices. The other was the double-vortex structure composed of one large and one small vortex. They were randomly distributed along the flow direction.

图21展示了速度云图 ,的入口速度0.869米/秒。当流体进入裂缝,速度分布大大改变了。流断裂的大致分为两个部分。之间的主要流 和 ,之间的速度是2.21米/秒,3.16 m / s。有许多间断分布高速区域。主要流程是弯曲裂缝尖端,沿着流动方向分布不均。的另一部分流涡区域的凹角骨折。流体速度相对较低,在漩涡的中心和墙的边界层33]。

图22显示了湍流动能云图 ,的入口速度0.869米/秒。在进口相对较小,因为入口速度是均匀分布的,和没有充分发展流动。流体流动的骨折,湍流动能逐渐增加。有一个高湍动能地区靠近墙的裂缝,由于强烈的碰撞和流体之间的裂缝尖端和高波动速度。中心附近的湍流动能略低 。这是最低壁凹角附近的骨折。也是随机分布沿流。

图23显示了砂颗粒的分布在粗糙的断裂 ,的入口速度0.869米/秒。在数据5- - - - - -15,砂颗粒密集分布和速度更高 段。沙粒子速度之间的连续相流体速度高于2.3 m / s, 3.29 m / s。砂颗粒流在裂缝尖端方向弯曲。砂颗粒的体积浓度相对较低,从主流段的中部地区裂缝的墙上。砂颗粒主要分布一个上游侧的墙上,而砂浓度很低的下游一侧墙上。在 段,沙粒子的体积分数相对较高的较低的断裂表面。这是因为在进口段水流并不发达,和沙子颗粒容易由于重力沉降。随着流动的发展,砂颗粒的分布往往是即使在上部和较低的断裂表面。

图24显示了动量源项的分布的离散相模型方向元件在 ,的入口速度0.869米/秒。段内 ,相对较大的动量源项方向分量,这表明阶段之间的力量是大沿着流动方向。段内 ,相对较大的动量源项方向的分量,这表明之间的动量交换阶段是大。

图25显示了动量源项的离散相模型方向元件在 ,的入口速度0.869米/秒。它可以发现它时相对较大 。绝对值较高的区域是在不连续和表分布,和积极的和消极的价值观或者出现。当价值是积极的,连续相流体离散相砂粒子有一个向上的力。值为负时,有一个向下的力。

4所示。结论

摘要水沙两相流理论是用于建立水沙流骨折的力学模型。数值模拟软件被用来模拟水沙两相流在光滑的骨折和粗糙的骨折。结论如下:(我)RNG k -ε模型,可实现的k -ε模型,海温k -ω模型,Stress-Omega RSM和莱斯用来模拟连续相流在粗糙的骨折。模拟结果与实验数据相比。比较结果表明,Stress-Omega RSM能够准确计算压力损失和模拟的流场结构粗糙的骨折。因此,它被选为模拟骨折中的连续相流(2)水沙两相流理论被用来模拟水沙两相流在光滑和粗糙的骨折。砂密度2650公斤/米³。沙颗粒大小0.04毫米,体积分数吗 。等物理量的压力、速度和湍流动能和动量源项,流图,和粒子分布给出了裂缝入口速度为0.349米/秒,0.532 m / s, 0.697 m / s, 0.869 m / s,分别。仿真结果表明,水沙两相流压力损失基本上是相同的实验数据,验证数值模拟方法的正确性(3)在流场物理量的变化规律与时间和空间分布规律进行了分析。结果表明,他们并没有改变在光滑裂隙流场随着时间的推移,随着时间的推移而不断变化在粗糙裂隙流场和一个动态的、稳定的状态。在光滑的骨折,有一个不对称的物理量的空间分布由于重力的影响,而流场显示了粗糙的断裂空间分布的随机性,因为水沙流抑制了墙壁

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。