瓦斯運移的案例
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(zhì)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(zhì)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?qū)Щ蛘呖漳Ｐ停阅Ｐ拖驅(qū)槔＿x擇模型向?qū)ВM入選擇空間維度，根據(jù)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(nèi)存和運行時間。進入物理場選擇環(huán)節(jié)，根據(jù)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(tài)、穩(wěn)態(tài)研究，按照字面意思理解，瞬態(tài)即場變量隨時間變化情況，穩(wěn)態(tài)即場變量不隨時間變化。對于瓦斯流動，一般選擇瞬態(tài)研究。
圖1 COMSOL選項介紹
圖2 COMSOL界面介紹
圖3 菜單欄
以上環(huán)節(jié)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(qū)域：菜單欄、功能區(qū)、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(wǎng)格、研究、結(jié)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(shù)變量、添加材料等。
展開 煤層氣微波注熱的電磁-熱-流-固全耦合模型
微波能量可以通過波導和天線導入煤層，首先，由底板巷向煤層施工瓦斯抽采鉆孔；然后，將波導與天線連接并和抽采管一起放入鉆孔內(nèi)；天線與鉆孔壁之間安裝特氟龍護管；最后密封鉆孔，打開微波發(fā)生器后實施瓦斯抽采。微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波通過矩形波導、波導轉(zhuǎn)換器及同軸波導傳遞到鉆孔內(nèi)的天線處，并由天線向煤層輻射注熱，一方面，微波輻射熱效應提高了煤體溫度，瓦斯氣體大量解吸；另一方面，微波輻射改變了煤體物性結(jié)構(gòu)，煤層含水飽和度大大降低，煤體孔隙率、滲透率迅速提高，從而極大地促進了瓦斯抽采。由于煤基質(zhì)是微波透明體，而煤中水分是微波吸收體，利用微波的穿透性對水進行選擇性加熱決定了其比注熱水或熱蒸汽更加節(jié)能，更加經(jīng)濟。
煤儲層的微波注熱增產(chǎn)示意圖
煤層內(nèi)的瓦斯運移涉及煤體變形、氣體滑移、吸附導致的基質(zhì)收縮/膨脹、及熱傳遞，研究瓦斯運移必須兼顧各物理場的交互耦合。溫度是影響煤體變形及瓦斯運移的關(guān)鍵。瓦斯賦存具有極強的溫度敏感性；煤的異質(zhì)性可能會引發(fā)不均勻受熱從而產(chǎn)生熱應力，這些熱應力會引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會驅(qū)使氣體從煤基質(zhì)中解吸出來并處于一種自由、活躍狀態(tài)。溫度的升高會促使瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，微波熱改造會導致煤層溫度及含水率的改變，從而觸發(fā)復雜的氣-固耦合作用。近年來，眾多學者為定量表征煤層氣開采中復雜的氣-固耦合過程已建立了一系列數(shù)值模型，然而涉及微波電磁-熱耦合效應的煤儲層滲透率模型罕有報道。本模型的首先通過介質(zhì)損耗將電磁場與傳熱場聯(lián)立起來以實現(xiàn)微波注熱，這是一個雙場雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動耦合模塊、熱解吸效應、吸附膨脹效應建立起滲透率模型并將傳熱場、固體力學場及滲流場耦合起來，這是一個多場耦合過程；最終建立起一個電磁-熱-流-固全耦合模型。
展開 考慮基質(zhì)、裂隙雙滲透的滲透率演化過程
煤層瓦斯運移過程，基質(zhì)、裂隙中瓦斯分別以不同的滲透率進行滲透。裂隙中滲透率變化明顯高于基質(zhì)中滲透率變化，可能于裂隙瓦斯滲透速度快，裂隙有效應力變化大有關(guān)，具體的變化見圖。歡迎大家交流學習！
comsol考慮流-固耦合理論的煤層瓦斯抽采數(shù)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(tài)，使多孔介質(zhì)所受有效應力 發(fā)生改變，煤巖的孔隙度和滲透率也隨時間推移而不斷發(fā)生改變，煤層中原有瓦 斯運移狀態(tài)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(zhì)收縮。因此，研究水射流擾動煤層后的瓦斯運移產(chǎn)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(chǎn)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(chǔ)。本文根據(jù)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(zhì)；
(2)將煤層視為均質(zhì)，即煤層中各部分物理性質(zhì)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(tài)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(chǎn)生的應變與有效應力之間的 關(guān)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(tài)；
(7)設模型與外界隔絕，不發(fā)生任何形式的能量和物質(zhì)交換。
求解結(jié)果
孔隙率數(shù)學模型
滲透率演化數(shù)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(shù)學模型嵌入
應力場嵌入
展開 
有限元軟件對比
目前SciFEA-GPU在材料固化、巖石破裂、瓦斯運移、孔隙介質(zhì)滲流均有成功應用，隱式算法的計算效率是單CPU的6-8倍，顯式算法在30倍左右。目前，北京超算提供計算GPU加速引擎和GPU并行計算軟件開發(fā)定制服務。
有限元分析
目前SciFEA-GPU在材料固化、巖石破裂、瓦斯運移、孔隙介質(zhì)滲流均有成功應用，隱式算法的計算效率是單CPU的6-8倍，顯式算法在30倍左右。目前，北京超算提供計算GPU加速引擎和GPU并行計算軟件開發(fā)定制服務。
COMSOL Multiphysics以其獨特的軟件設計理念，成功地實現(xiàn)了任意多物理場、直接、雙向?qū)崟r耦合，在全球領(lǐng)先的數(shù)值仿真領(lǐng)域里得到廣泛的應用。 在全球各著名高校，COMSOL Multiphysic已經(jīng)成為教授有限元方法以及多物理場耦合分析的標準工具，在全球500強企業(yè)中，COMSOL Multiphysic被視作提升核心競爭力，增強創(chuàng)新能力，加速研發(fā)的重要工具。 2006年COMSOL Multiphysics再次被NASA技術(shù)雜志選為"本年度最佳上榜產(chǎn)品"，NASA技術(shù)雜志主編點評到，"當選為 NASA科學家所選出的年度最佳CAE產(chǎn)品的優(yōu)勝者，表明COMSOL Multiphysics是對工程領(lǐng)域最有價值和意義的產(chǎn)品。"
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熱流固THM耦合下注氣驅(qū)替甲烷案例分析
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是
COMSOL中實現(xiàn)煤層瓦斯運移系列課程
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