移动坐标下采空区自然发火的有限体积法模拟研究
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摘要
有限体积法(FVM)是求解偏微分方程的一种重要数值方法。该方法由于其物理意义明确,数学过程简单,,广泛应用与工程技术问题,尤其是流体力学、传热学等领域。本文运用流体力学、传热学等基础理论,根据能量守恒定律和傅立叶定律,推导出了有限体积法在传热学中应用的数学表达式,提出了一种新的有限体积算法。该算法得到与基于变分原理的有限单元法结果完全相同,解释了有限单元法数学表达式的物理意义,从而建立起两者之间的本质联系。采空区自然发火占煤矿火灾的60%以上,影响因素众多,关系复杂,给数值模拟带来很大困难。本文运用流体力学、渗流力学、矿井通风学、传质学、传热学等基础理论,在现场调查、理论分析、实验室实验和数值解算相结合的基础上,采用新的有限体积算法建立了移动坐标下采空区自然发火模型,利用VB语言编制了移动坐标下采空区自然发火模拟软件,选用tecplot9.0软件描述了采空区压力、流体流速、氧浓度、温度分布情况。运用主要成分分析法探讨了采空区自然发火主要影响因素对其的影响规律,研究成果对防治采空区自然发火有重要的理论和实际意义。
The Finite Volume Method (FVM) is an important numerical method to compute differential equation, which is widely used in engineering technology project, especially in hydrodynamics, heat transfer and so on, because of its definite physical meaning and simple mathematic process. The basic theories of hydromechanics and thermodynamics in my dissertation are applied in analyzing the application of finite volume method in heat transfer according to the law of conservation of energy and fourier law, the mathematics equations of heat transfer are educed by FVM, a new finite volume algorithm is proposed. The basic difference between the new finite volume algorithm and others is that the result consulted from the new algorithm is totally the same with finite element method which is based on variational principle. Therefore the essence relation between them is built. Goaf spontaneous combustion accounted for 60%, the influence factors are so many and the relationships among them are complex, so it is difficult to do the numerical simulation. The dissertation uses the following these basic theories of hydromechanics, dynamic of fluids through porous media, ventilation of mine theory, mass transfer, thermodynamics, heat transfer and so on. And it is on the basic of association with field investigation, theory analysis, lab experiment and numerical simulation, adopts the new finite volume algorithm to built the mathematical model of spontaneous combustion in goaf on moving coordinate. And then, the simulation soft of the system of spontaneous combustion in goaf on moving coordinate is present by the computer language of VB. At last the distribution map of pressure, velocity of flow, oxygen density and temperature in goaf are drawde making use of the tecplot9.0 software。The influences of important effects on spontaneous combustion in goaf are put forward which are choised by the method of principal component analysis. The results are of theritical and practical significance to prevent spontaneous combustion in goaf.
The Finite Volume Method (FVM) is an important numerical method to compute differential equation, which is widely used in engineering technology project, especially in hydrodynamics, heat transfer and so on, because of its definite physical meaning and simple mathematic process. The basic theories of hydromechanics and thermodynamics in my dissertation are applied in analyzing the application of finite volume method in heat transfer according to the law of conservation of energy and fourier law, the mathematics equations of heat transfer are educed by FVM, a new finite volume algorithm is proposed. The basic difference between the new finite volume algorithm and others is that the result consulted from the new algorithm is totally the same with finite element method which is based on variational principle. Therefore the essence relation between them is built. Goaf spontaneous combustion accounted for 60%, the influence factors are so many and the relationships among them are complex, so it is difficult to do the numerical simulation. The dissertation uses the following these basic theories of hydromechanics, dynamic of fluids through porous media, ventilation of mine theory, mass transfer, thermodynamics, heat transfer and so on. And it is on the basic of association with field investigation, theory analysis, lab experiment and numerical simulation, adopts the new finite volume algorithm to built the mathematical model of spontaneous combustion in goaf on moving coordinate. And then, the simulation soft of the system of spontaneous combustion in goaf on moving coordinate is present by the computer language of VB. At last the distribution map of pressure, velocity of flow, oxygen density and temperature in goaf are drawde making use of the tecplot9.0 software。The influences of important effects on spontaneous combustion in goaf are put forward which are choised by the method of principal component analysis. The results are of theritical and practical significance to prevent spontaneous combustion in goaf.
引文
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