煤層瓦斯流動分析的案例
基于COMSOL PDE多物理場耦合的含瓦斯煤層水力致裂的驅趕瓦斯規律研究
1、使用comsol PDE模塊完全耦合兩相流建模，可以根據需要考慮是否加入傳熱模塊；控制方程、邊界條件、建模參數如下：
2、考慮兩相流模型，使用雙重裂隙模型，考慮了基質或骨架變形，
3、考慮基質瓦斯解吸；
4、適用于煤層氣水力驅替瓦斯，地下水上漲等流固耦合模型；
5、可以通過請私信聯系我。帖子有限，僅作部分展示。
氮氣驅替煤層瓦斯仿真 ￥800
氮氣驅替煤層瓦斯是一種常用的安全措施，用于減少煤礦瓦斯爆炸的風險。煤層瓦斯是在地下煤礦中產生的一種可燃氣體，其主要成分是甲烷。當瓦斯濃度超過一定范圍時，與空氣形成可燃氣體混合物，一旦受到火源的引燃，就有可能引發爆炸事故。為了減少煤礦瓦斯爆炸的風險，常采用氮氣驅替的方法。該方法通過向煤礦中注入大量的氮氣，將瓦斯排出礦井，并將其稀釋到安全濃度以下。
本案例基于COMSOL軟件仿真了煤層受到力學作用下的瓦斯驅替過程，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，可下載模型交流！
展開 煤層注氣驅替瓦斯數值模擬 ￥200
本模擬為煤層注氣驅替瓦斯，采用pde模塊模擬瓦斯擴散、滲流過程，參考文獻為注氣驅替煤層瓦斯時效特性影響因素分析，有意購買者請聯系QQ1045343728.
COMSOL-雙重介質煤層瓦斯抽采模擬 ￥38
基于擴散滲流的雙孔介質煤層瓦斯流動模型，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.jpg
單孔裂隙.jpg
單孔壓力分布.png
多孔抽采模型-不同抽采負壓
多孔裂隙.jpg
多孔基質.jpg
多孔壓力分布.jpg
附參考文獻
煤層卸壓開采瓦斯越流以及塑性變形 ￥100
煤層工作開挖過程，會引起鄰近煤巖層應力、變形場發生變化，以及引起臨近煤層卸壓，從而達到保護層開挖目的。本模型根據煤巖層之間的位置關系，建立瓦斯流動場、煤巖彈塑性變形場，供大家參考。
等效塑性應變
塑性范圍
煤層滲透率變化
煤巖層瓦斯壓力
COMSOL在煤層瓦斯運移中的應用教程(一)
煤層瓦斯運移主要涉及到基質中瓦斯解吸、擴散、裂隙中瓦斯滲流，涉及到的物理場為煤層變形方程、多孔介質擴散滲流方程、煤層溫度方程、甲烷氧化方程等。這些方程在COMSOL中，均有對應的物理場接口，用COMSOL研究煤層中瓦斯運移或者研究實驗室中煤柱、煤粒中甲烷運移都是很方便的。接下來幾個帖子，我會按照建模的順序以此介紹主要設置，方便大家更好地了解COMSOL的基本使用，以期在科研學習上幫助大家。COMSOL是一款多物理場求解軟件，能講多個物理場進行耦合計算，其界面十分友好。由于其功能復雜性，本次系列教程只針對早煤層瓦斯運移中常用的設置做出一些介紹，本次教程以COMSOL5.6版本為例。
首先，打開COMSOL5.6，需要新建立一個模型。可以選擇模型向導或者空模型，以模型向導為例。選擇模型向導，進入選擇空間維度，根據自己的模型需要選擇三維、二維、一維等。在二維模型和一維模型中，還可以選擇對稱，可以只對對稱的一半進行建模，這樣可以減少計算內存和運行時間。進入物理場選擇環節，根據需要的物理場方程選擇對應的物理場接口。比如，研究瓦斯在煤層中的滲流情況，可以選擇地下水流達西定律接口，還可選擇裂隙流、brinkman方程等。物理場選擇完成后，進入研究選項。一般選擇瞬態、穩態研究，按照字面意思理解，瞬態即場變量隨時間變化情況，穩態即場變量不隨時間變化。對于瓦斯流動，一般選擇瞬態研究。
圖1 COMSOL選項介紹
圖2 COMSOL界面介紹
圖3 菜單欄
以上環節選擇完畢后，進入到COMSOL的主界面，如圖2。COMSOL截面主要分為4大區域：菜單欄、功能區、設置、圖形處理。首先從菜單欄介紹，菜單欄分為主屏幕、定義、幾何、草圖、材料、物理場、網格、研究、結果等，可以查看不同子菜單對應的功能。如主屏幕，可以查看組件、新建參數變量、添加材料等。
展開 考慮塑性破壞的高瓦斯煤層水力沖孔氣液固耦合模型
水力沖洗技術起源于20世紀80年代，主要用于提高美國圣胡安盆地煤層氣的采收率。利用高壓水沖洗煤壁，將破碎的煤塊帶出，在煤層中形成一定的空腔，將應力傳遞到鉆孔周圍，達到卸壓的效果。鉆孔周圍的擾動使鉆孔周圍產生大量新的裂隙，改變了煤體的孔隙度，從而提高了煤層的滲透性。建立了考慮煤體塑性破壞的水力沖煤多場耦合模型，利用COMSOL Multiphysics軟件研究水力沖孔過程的機理和變量的演化規律。煤層水力沖孔涉及到巖體塑性變形、瓦斯吸附等多物理量的相互作用。為實現水力沖孔強化采氣復雜的應力-損傷-滲流耦合過程，提出了以下假設：
(1)發生塑性變形以及產生新的裂隙，而彈性變形僅改變裂隙的孔徑。(2)水力沖孔引起的煤體塑性變形是一個產生新的裂隙和破壞原有煤體基質的過程。塑性破壞后的煤體被視為具有較小基質和較多裂隙的彈性介質，如圖1（a）所示。(3)煤體是具有孔隙的雙重連續介質。自由氣體被認為是理想狀態氣體。(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移，氣體和水的輸運過程如圖1（b）所示。(5)氣體的擴散過程服從菲克擴散定律，氣體和水的滲流過程服從達西定律。(6)拉應力為正，壓應力為負。
圖1 氣體運移過程
基質中瓦斯擴散方程：
瓦斯、水滲流控制方程：
煤體變形控制方程：
破壞判斷準則（D-P準則）：
裂隙率控制方程：
幾何模型與邊界條件：
圖2 幾何模型及邊界條件
部分圖片展示
圖3 鉆孔周圍滲透率分布
圖4 鉆孔周圍瓦斯壓力分布
圖5 鉆孔周圍瓦斯飽和度分布
圖6 鉆孔周圍瓦斯壓力分布
展開 基于雙重孔隙介質模型的煤層熱流固瓦斯抽采 ￥200
該模型為低滲透煤層注熱，鉆孔瓦斯抽采過程。本模型采用雙重孔隙介質模型，在此基礎上耦合溫度場、煤巖變形場。需要該模型的請聯系：QQ1045343728
網格劃分
瓦斯壓力云圖
鉆孔周圍x方向應力分量
鉆孔周圍y方向應力分量
鉆孔周圍z方向應力分量
鉆孔周圍x方向應變分量
鉆孔周圍y方向應變分量
溫度云圖
煤層瓦斯壓力變化曲線
體載荷
體應變
comsol考慮流-固耦合理論的煤層瓦斯抽采數值模擬 ￥100
在高 壓水射流擾動后，打破原始儲層的原有應力平衡狀態，使多孔介質所受有效應力 發生改變，煤巖的孔隙度和滲透率也隨時間推移而不斷發生改變，煤層中原有瓦 斯運移狀態被打破。煤儲層中瓦斯的吸附、解吸過程也會引起煤的膨脹變形和基 質收縮。因此，研究水射流擾動煤層后的瓦斯運移產出過程，必須要綜合考慮應 力場、變形場和瓦斯滲流場三場互相耦合作用。
基本假設 瓦斯在煤儲層中的運移產出是一個涉及多學科的及其復雜過程，包括滲流力 學、固體力學、材料力學、巖體力學等，需要引入必要的假設作為建立流-固耦合 偏微分方程的基礎。本文根據前人對流-固耦合理論的不斷研究，為建立含瓦斯煤 巖流-固耦合理論模型提出如下假設條件：
(1)含瓦斯煤巖可視為各向同性線彈性介質；
(2)將煤層視為均質，即煤層中各部分物理性質處處相同，并不隨著位置的變 化而變化；
(3)煤層溫度保持恒定；
(4)煤層中所含瓦斯視為理想氣體，且服從理想氣體狀態方程；煤層瓦斯解吸 服從 Langmuir 方程；
(5)煤巖的變形屬于小變形，含瓦斯煤巖變形所產生的應變與有效應力之間的 關系遵從廣義胡克定律；
(6)煤層中只有單相飽和的瓦斯飽流體，并且只有游離和吸附兩種狀態；
(7)設模型與外界隔絕，不發生任何形式的能量和物質交換。
求解結果
孔隙率數學模型
滲透率演化數學模型
應力場方程
滲流場方程
含瓦斯煤巖流-固耦合理論模型方程組
數學模型嵌入
應力場嵌入
展開 水力割縫引起鉆孔周圍瓦斯卸壓分析
本案例分析鉆孔周圍水力割縫引起的瓦斯卸壓狀況，以鉆孔周圍有裂縫與無裂縫為例。鉆孔周圍裂縫為隨機裂縫，兩種情況條件設置相同。從圖中可以看到，鉆孔周圍在隨機裂縫影響下，瓦斯卸壓程度比無裂縫時要明顯造成這種原因可能與裂縫中滲透率比煤層中大，引起增透效果。
Moldex3D模流分析之流動分析Flow
流動分析 Flow
Moldex3D Flow(流動分析)可仿真實體熔膠在流動過程中巨觀及微觀的特性，如噴泉流、慣性效應、重力效應等。Moldex3D Flow的強大性能可幫助用戶了解并可視化熔膠流動過程，精確定位縫合線位置，并檢測短射、包封等潛在缺陷，進而評估優化產品、模具設計與制程條件。
功能
? 預測3D噴泉流現象，慣性現象，剪切生熱效應等等
? 預測縫合線/包封位置，除去或最小化此流動問題
? 預測射出壓力及評估鎖模力之需求
? 評估流道配置設計及類型，以達成流道平衡
? 優化澆口位置與大小，避免產生縫合線并達到充填平衡
? 優化充填階段的加工條件，如射出時間、熔膠溫度、螺桿速度數據…等等
? 支持模擬多穴模具(Multi-mold)或成套制品模具(Family-mold)的充填過程
? 支持模擬多材質射出成型(Multi-component Molding)，包含嵌入射出(Insert Molding)及多射依序射出成型(Multi-shot Sequential Molding)等。
展開 
Moldex3D模流分析之SYNC for SOLIDWORKS的流動分析
流動 (Flow)
射出成型的充填流動分析主要為模擬塑料熔膠被壓力推進到模穴的過程。壓力迫使熔膠流動并填充模腔。通常，壓力最高之處是在注入口；隨著距離澆口越遠，壓力隨之減小。同時，最低的壓力出現在向前移動的熔膠流動波前。壓力差是推動熔融的熱塑性塑料的主要動力。一般情況下，填充過程傾向于以最小的阻力流向空腔區域。在空腔區域熔融塑料以較快速度前進表示該區域對流動的阻力較小；同樣地，若流動波前緩慢的前進，則等值線將比較密集，代表該區域有較大的阻力。前述情況可見于下圖：
聚合物材料通過不同厚度區域的流動行為
不同情況下射出成型的澆口現象
為了要捕捉這樣的行為，模擬是了解這些行為最適當的方式。 流動分析能夠解決與填充相關的問題，如短射 (不完全填充)、縫合線、包封、流動問題、表面燒焦劣化，流道/流動平衡，及澆口設計等問題；因此，本模塊可以在概念或產品設計時間使用。此外，塑件或模具設計師可以用計算機仿真測試可能的設計而縮短交付設計所需的時間。充填分析也可用于評估材料的加工性能 (Processing properties) 和作為材料選擇的參考。成型條件和網格敏感度也可以透過流動分析進行評估。
1. 流動功能導覽 (Flow Function Overview)
[終止流動計算條件選項] (Criterion for stopping calculation) 可用 [充填百分比] (Fill percentage) 或 [不填充元素個數] (Unfilled element count) 定義。如果選取 [充填百分比] (Fill percentage)，停止計算的預設條件值 為 99.95%， 表示 99.95% 的整個模穴體積已填滿。
展開 Moldex3D模流分析之Alfanar Engineering 成功應用流動分析展現驚人軟實力
大綱
Alfanar Enigneering 團隊使用Moldex3D進行產品/模具設計及優化和驗證塑料射出成型過程已長達五年，其產品設計與開發的流程早已與Moldex3D密不可分；從設計端到開發端，工程師一定會借助流動仿真分析，提前進行產品設計優化。
由于塑料射出流程中隱藏著許多復雜的因素，常使產品開模過程無法一次成功。然而隨著客戶對產品質量、性能及成本的要求越趨嚴苛，實際生產前的設計驗證與優化已成為不可缺少的流程。
本案例不僅呈現Alfanar Engineer成功應用Moldex3D的經過，更重要是展現Alfanar Engineer多年來如何透過Moldex3D來累積Know-how與Know-why，培養核心競爭力。
我們發現Moldex3D的分析結果十分貼近實際結果，從導入開始，我們已完全投入其中。目前已成功完成超過250件分析案例，并成功生產超過150個不同塑料產品 –Mohan Sivaraj
案例分析
我們在這里介紹的案例是一個外殼蓋，開關組件中的關鍵部件，在所有配件區域都具有苛刻的公差。使用Akulon K222 KMV5和2腔，2板，熱端，冷流道模具。
為了了解決翹曲的問題，設計團隊先透過流動分析來評估澆口位置，結果顯示澆口位置并沒有問題，但是流動遲滯和Z方向翹曲變形值(0.6mm)卻不符合客戶的需求。
通常碰到這樣的情形時，設計團隊可能會采取不同的解決方案，例如：改變產品設計或模具設計，又或者是調整制程參數。然而，「模擬準確度」才是真正符合成本效益且能有效解決問題的秘訣。多年的實務經驗讓Alfanar Engineering 團隊發現，調整產品厚度可以有效改善此類問題，然而要準確掌握厚度的增減卻仍是未知數。
展開 基于ISPH方法的油液流動和冷卻分析
Lead R&D Engineer
視頻鏈接：基于ISPH方法的油液流動和冷卻分析
技術校對：王強， Ansys高級應用工程師；整理編輯：俞琴
CFD學習：流體中的蠕動流動示例與分析
要點
蠕動流動描述了慣性可忽略不計的流體流動。
雷諾數為零時的蠕動流就是我們所說的斯托克斯流。
與一般流體流動相比，由于不存在非線性或平流項，蠕動流更容易用數學方法求解。
高粘度流體（例如油漆、重油和食品加工材料）的流動是蠕動流動的示例
您還記得在小學科學課上學過的爬行物和攀爬植物嗎？我們根據植物是沿著土壤水平還是垂直生長，將植物分類為爬行植物或攀緣植物。爬行運動存在于生物和非生物中，“爬行者”的主要特征是漸進的運動。
只要滿足某些條件，我們就可以將流體的逐漸流動與蠕動運動聯系起來。蠕動流的一個重要例子是重油、蜂蜜等的運動。這些流體由于粘度而難以流動。在許多應用中，我們都使用顯示蠕動流動的流體。讓我們通過幾個例子來探討一下這個流程。
流體中的蠕動流動
蠕動流動描述了慣性可忽略不計的流體流動。施加在流體上的粘性力和壓力大于慣性力。高粘度的流體難以流動，并且通常以蠕動運動移動。盡管這些流體的慣性可以忽略不計，但它們主要由內摩擦決定。緩慢流動的流體是非湍流的，并且不會產生旋轉渦流。蠕動流體會繞過障礙物蠕動，而不是變成湍流。
蠕動流也稱為斯托克斯流。在流體的蠕動運動中，粘性力比平流慣性力占主導地位。在流體中，蠕動流是流線彼此平行的層流類型。蠕動流的速度非常低。
雷諾數和蠕動流
雷諾數是一個無量綱數，給出了平流慣性力和粘性力之間的關系。雷諾數與流體的密度和流體的速度成正比，與流體的動態粘度成反比。雷諾數的值區分流體中的層流類型和湍流類型。對于低于 2000 的雷諾數，流動類型為層流。雷諾數越高，流動越混亂。當雷諾數大于2000時，流動類型為湍流。
對于蠕動流，雷諾數小于 1 (Re<<1)。
展開 