采空区球体组装模型与多孔介质流动压损预测
陈方兴1
郝小礼2
陈世强2
李轶群1
李石林1
鲁义1
1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 4112012.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南 湘潭 411201
摘要：快速预测采空区内部流动损失,一直是煤矿精准防灭火的关键问题.围绕采空区多孔介质流动,提出球体组装的采空区多孔介质物理模型,结合模型几何特征,找到流动的最小体元,并划分出该流动的 4个阶段.基于纳维-斯托克斯(N-S)方程,建立表观速度、球径、动力黏度、流体密度与压损的关系式,得到 4个阶段的压损计算式,进一步,采用时间比重的加权方法,建立了单位长度压损模型JT/L,符合Forchheimer方程形式.应用该模型预测了压损数值,对比了数值模拟结果和Ergun方程的预测值,结果表明:对数值模拟结果的影响,相比出入口效应,发现边壁效应更大,经优化确定模型为 16×7的多球组装体接枝组合;对于该接枝组合内的多孔介质流动,在层流和近层流时,Ergun预测值与数值模拟结果的相对误差小于 8％;引入孔隙率为 0.375的多孔介质试验数据,开展无量纲分析,验证了数值模拟结果的可靠性,但是,单位长度压损模型JT/L预测值的误差最大值达 69.9％,实为将N-S方程简化成一维而引起的;定义修正系数K,表征三维流动的影响,雷诺数(Re)低于 10,K=2.84,雷诺数为 10～3 000时,K=6.56Re-0.334;最终,得到了拟三维的JT'/L计算模型,当雷诺数低于 10,预测值的误差小于 6％,在雷诺数 10～3 000范围内,误差低于 10％.结论表明,基于球体组装模型的采空区拟三维多孔介质流动压损计算模型,可快速预测出雷诺数不超过3000的单位长度压损,有助于科学指导采空区精准防灭火的工程实践.
关键词：压力损失多孔介质模型时间比重边壁效应修正系数
分类号：TD752.2(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(U1361118)湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ30251)湖南省自然科学基金资助项目(2023JJ30243)
论文发表日期：2025-05-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 233-242 )
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