雙重介質(zhì)
關(guān)注創(chuàng)建者：康康學(xué)長(zhǎng) 創(chuàng)建時(shí)間：2021-10-29
雙重介質(zhì)的視頻教程
COMSOL中實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯運(yùn)移系列課程
本文改進(jìn)已有的單孔介質(zhì)模型的滲透率，適應(yīng)于煤體雙重孔隙-裂隙介質(zhì)模型。采用PDE模塊對(duì)煤基質(zhì)中瓦斯擴(kuò)散、煤體變形控制進(jìn)行處理，采用達(dá)西接口處理裂隙滲流方程。
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雙重介質(zhì)的實(shí)例教程
本模型采用雙重孔隙介質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上耦合溫度場(chǎng)、煤巖變形場(chǎng)。需要該模型的請(qǐng)聯(lián)系：QQ1045343728
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瓦斯壓力云圖
鉆孔周?chē)鷛方向應(yīng)力分量
鉆孔周?chē)鷜方向應(yīng)力分量
鉆孔周?chē)鷝方向應(yīng)力分量
鉆孔周?chē)鷛方向應(yīng)變分量
鉆孔周?chē)鷜方向應(yīng)變分量
溫度云圖
煤層瓦斯壓力變化曲線(xiàn)
體載荷
體應(yīng)變
常見(jiàn)的煤體模型為雙重孔隙—裂隙介質(zhì)，在假設(shè)過(guò)程中，基質(zhì)系統(tǒng)與裂隙系統(tǒng)的幾何模型重合，即基質(zhì)與裂隙共用一個(gè)幾何模型。本案列嘗試將基質(zhì)與裂隙分開(kāi)(模型1），并與基質(zhì)、裂隙重合時(shí)的模型(模型2）進(jìn)行比較。
圖1 模型1的甲烷壓力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖
圖2 模型2的甲烷壓力、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖
圖3 模型1、2AB兩點(diǎn)甲烷壓力變化
圖1、圖2中可以看到，模型1、2的分布云圖存在很大的差異性，這主要與模型的構(gòu)建不同有關(guān)。模型1中靠近注氣孔的裂隙中甲烷壓力首先增大，然后向周?chē)牧严兑约盎|(zhì)滲流，直到滲流到整個(gè)基質(zhì)、裂隙中。而模型2中靠近注氣孔的基質(zhì)、裂隙中甲烷均增大，且裂隙中甲烷壓力增加的速度快，這與基質(zhì)、裂隙中滲透率不同有關(guān)。模型2中基質(zhì)與裂隙在模型任意位置靠著質(zhì)量交換維持著聯(lián)系，交換速率與兩者的壓差有關(guān)，即壓差越大，交換速率越大。模型1基質(zhì)與裂隙的質(zhì)量交換只存在基質(zhì)與裂隙接觸邊界處，相當(dāng)于滲透率不同的兩個(gè)多孔介質(zhì)串聯(lián)在一起。基質(zhì)、裂隙組合構(gòu)建不同對(duì)甲烷流動(dòng)、煤體變形產(chǎn)生影響，模型1的甲烷壓力首先在裂隙中滲流，然后逐漸向基質(zhì)滲流，根據(jù)基質(zhì)、裂隙滲透率的不同，甲烷壓力變化如圖1。AB兩點(diǎn)甲烷壓力變化如圖3所示，其分布趨勢(shì)滿(mǎn)足上述分析。模型1、2的位移變形情況，也隨著甲烷壓力分布不同存在差別。以有效應(yīng)力分析為例：模型1的有效應(yīng)力在注氣孔邊界存在應(yīng)力集中，但集中點(diǎn)僅限于部分，基質(zhì)右下角的應(yīng)力大于周?chē)膽?yīng)力，逐漸向右上變轉(zhuǎn)移，最后各個(gè)位置應(yīng)力保持一致。模型2的注氣孔附近應(yīng)力均大于周?chē)鷳?yīng)力，其與模型1存在明顯差異，這就與甲烷壓力分布有很大關(guān)系。
從上述模型比較分析來(lái)看，基質(zhì)、裂隙不同的構(gòu)建方式影響甲烷壓力分布，進(jìn)而影響煤體變形。一般情況下，大尺度煤層抽采瓦斯過(guò)程，采用的是模型2。
展開(kāi) 基于擴(kuò)散滲流的雙孔介質(zhì)煤層瓦斯流動(dòng)模型，可模擬抽采半徑，分析不同工況的抽采效果等
單孔抽采模擬-不同初始瓦斯壓力
單孔基質(zhì).jpg
單孔裂隙.jpg
單孔壓力分布.png
多孔抽采模型-不同抽采負(fù)壓
多孔裂隙.jpg
多孔基質(zhì).jpg
多孔壓力分布.jpg
附參考文獻(xiàn)
此模型，采用(1)雙重孔隙-裂隙介質(zhì)模型；(2)僅考慮裂隙滲流。在(1)中雙重介質(zhì)模型中，采用改進(jìn)的Zhang的滲透率模型以及PM模型,在Zhang的模型，分為(a)考慮基質(zhì)變形和孔壓變化；(b)僅考慮孔壓變化。在(2)中采用PM滲透率模型。
雙重介質(zhì)模型中改進(jìn)的PM滲透率模型
雙重介質(zhì)模型中改進(jìn)的ZHANG的滲透率模型
單軸壓縮情況下各滲透率演化
ZHANG的滲透率模型考慮煤層變形對(duì)有效應(yīng)力、滲透率的影響，而PM模型未考慮煤層變形對(duì)滲透壓率影響。鉆孔附近的煤層變形較大，導(dǎo)致鉆孔附近的煤體滲透率比值增大的幅度更大。未考慮基質(zhì)變形的ZHANG的模型，滲透率演化的趨勢(shì)和考慮基質(zhì)變形的演化趨勢(shì)相反，可以看到基質(zhì)變形對(duì)滲透率的影響較大。
考慮基質(zhì)變時(shí)的體應(yīng)變
未考慮基質(zhì)變時(shí)的體應(yīng)變
從煤體變形的體應(yīng)變可以看出，考慮基質(zhì)變形時(shí)的體應(yīng)變小于未考慮基質(zhì)變形時(shí)的體應(yīng)變，可能與煤基質(zhì)收縮有關(guān)系。同時(shí)，考慮基質(zhì)變形時(shí)在鉆孔附近的y方向的位移大于周?chē)奈灰疲@個(gè)區(qū)域收到煤基質(zhì)影響范圍更大。
單軸壓縮瓦斯壓力變化
單軸壓縮瓦斯壓力變化顯示，考慮基質(zhì)收縮時(shí)的滲透率瓦斯壓力下降幅度最大，僅考慮裂隙滲流瓦斯壓力下降幅度最小，其與煤層滲透率演化有關(guān)系。
但是僅考慮裂隙單孔滲流的瓦斯抽采量在前期確實(shí)最大的，其與是否考慮基質(zhì)中瓦斯擴(kuò)散有關(guān)系。
非單軸壓縮情況下各滲透率演化
非單軸壓縮情況下，ZHANG的模型滲透率影響在煤層左右邊界附近的滲透率和單軸壓縮有所不同，其主要原因在于煤層變形的影響。而在煤層右邊界的兩個(gè)ZHANG的邊界條件相同時(shí)，滲透率變化也是相同的。PM模型的在不同條件下，其滲透率變化結(jié)果是相同的。
展開(kāi) （孔隙+裂隙）滲流（案例六）
l 裂隙巖體滲流存在的問(wèn)題
l Comsol中裂隙滲流理論
l Comsol中雙重介質(zhì)滲流理論
l 在Comsol中如何實(shí)現(xiàn)裂隙巖體雙重介質(zhì)滲流
l 降雨條件下裂隙巖體邊坡雙重介質(zhì)滲流模型
l 如何實(shí)現(xiàn)雙重介質(zhì)滲流對(duì)裂隙巖體邊坡應(yīng)力變形的影響
? 第八講：凍融條件下土柱熱-水-力多場(chǎng)耦合模型（案例七）
l 凍土研究的工程意義
l 凍融條件下的巖土科學(xué)問(wèn)題
l 凍融原理
l 如何通過(guò)熱-水-力耦合實(shí)現(xiàn)凍融過(guò)程
l Comsol中熱-水-力三場(chǎng)耦合的實(shí)現(xiàn)方式
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（由于培訓(xùn)時(shí)間有限，還有諸多案例未能展示出來(lái)，學(xué)員有想學(xué)的案例模塊可以咨詢(xún)招生老師）
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雙重介質(zhì)的最新內(nèi)容
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一、明確核心工況：壓力與介質(zhì)的雙重考驗(yàn)
選型的第一步，絕非直接翻閱產(chǎn)品目錄，而是對(duì)工況進(jìn)行“體檢”，高壓是首要門(mén)檻，您需要明確系統(tǒng)的最大工作壓力（Max Working Pressure
(3)煤體是具有孔隙的雙重連續(xù)介質(zhì)。自由氣體被認(rèn)為是理想狀態(tài)氣體。(4)吸附氣和游離氣主要存在于孔隙和裂隙中，而水僅存在于裂隙中并在裂隙中運(yùn)移，氣體和水的輸運(yùn)過(guò)程如圖1（b）所示。(5)氣體的擴(kuò)散過(guò)程服從菲克擴(kuò)散定律，氣體和水的滲流過(guò)程服從達(dá)西定律。(6)拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。
基于擴(kuò)散滲流的雙孔介質(zhì)煤層瓦斯流動(dòng)模型，可模擬抽采半徑，分析不同工況的抽采效果等
單孔抽采模擬-不同初始瓦斯壓力
單孔基質(zhì).jpg
單孔裂隙.jpg
單孔壓力分布.png
多孔抽采模型-不同抽采負(fù)壓
多孔裂隙.jpg
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附參考文獻(xiàn)
再以生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物滲流為例，其多重介質(zhì)比儲(chǔ)層多重介質(zhì)復(fù)雜很多：肝臟多孔介質(zhì)由四重介質(zhì)構(gòu)成，即肝血竇網(wǎng)、竇周間隙網(wǎng)、肝細(xì)胞網(wǎng)和膽小管網(wǎng)；組織間隙滲流涉及三重介質(zhì)，即毛細(xì)血管網(wǎng)、組織間隙網(wǎng)和毛細(xì)淋巴管網(wǎng)；而肺臟滲流是十分復(fù)雜的雙重介質(zhì)滲流，涉及肺泡網(wǎng)和毛細(xì)血管網(wǎng)。必須研究揭示諸如此類(lèi)復(fù)雜多重介質(zhì)的儲(chǔ)層內(nèi)和生物體內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)機(jī)制和規(guī)律，建立有效的計(jì)算方法。
太沙基的有效應(yīng)力方程是針對(duì)單孔隙提出的，而對(duì)于像煤層這些雙重孔隙/裂隙介質(zhì)的多孔介質(zhì)而言，需要作出一些修正，如式(4)。式(4)中考慮了基質(zhì)中孔壓與裂隙中孔壓對(duì)有效應(yīng)力的影響。對(duì)于流固耦合問(wèn)題，便是討論有效應(yīng)力下的變形控制方程，這樣便考慮到孔壓對(duì)固體變形的影響。將式(3)帶入到式(2)得到，得到考慮流固耦合的張量形式，如式(5)。
常見(jiàn)的煤體模型為雙重孔隙—裂隙介質(zhì)，在假設(shè)過(guò)程中，基質(zhì)系統(tǒng)與裂隙系統(tǒng)的幾何模型重合，即基質(zhì)與裂隙共用一個(gè)幾何模型。本案列嘗試將基質(zhì)與裂隙分開(kāi)(模型1），并與基質(zhì)、裂隙重合時(shí)的模型(模型2）進(jìn)行比較。
此模型，采用(1)雙重孔隙-裂隙介質(zhì)模型；(2)僅考慮裂隙滲流。在(1)中雙重介質(zhì)模型中，采用改進(jìn)的Zhang的滲透率模型以及PM模型,在Zhang的模型，分為(a)考慮基質(zhì)變形和孔壓變化；(b)僅考慮孔壓變化。在(2)中采用PM滲透率模型。
本模型采用雙重孔隙介質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上耦合溫度場(chǎng)、煤巖變形場(chǎng)。
（孔隙+裂隙）滲流（案例六）
l 裂隙巖體滲流存在的問(wèn)題
l Comsol中裂隙滲流理論
l Comsol中雙重介質(zhì)滲流理論
l 在Comsol中如何實(shí)現(xiàn)裂隙巖體雙重介質(zhì)滲流
l 降雨條件下裂隙巖體邊坡雙重介質(zhì)滲流模型
l 如何實(shí)現(xiàn)雙重介質(zhì)滲流對(duì)裂隙巖體邊坡應(yīng)力變形的影響
? 第八講：凍融條件下土柱熱-水-力多場(chǎng)耦合模型（案例七）
l 凍土研究的工程意義
簡(jiǎn)介與基本操作
Comsol在巖土工程中的應(yīng)用 幾何模型構(gòu)建
從CAD導(dǎo)入幾何模型網(wǎng)格劃分后處理技術(shù)簡(jiǎn)介
Comsol與Abaqus的比較
第二講：邊坡在自重力作用下的變形
第三講：Comsol中邊坡自重力平衡技術(shù)
第四講：基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算
第五講：降雨條件下邊坡滲流穩(wěn)定性
第六講：庫(kù)水位升降條件下土石壩滲流穩(wěn)定性
第七講：基于Comsol的邊坡雙重介質(zhì)
