微通道中CH4流动的分子动力模拟研究

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我国煤层气资源极为丰富,作为一种热值高,无污染的洁净能源,是21世纪天然气新兴的接替能源。尽管全国抽采煤层气量逐年增长,但抽采率却依然很低。有一重要原因就在于对煤层气的运移规律还没有完全的掌握。  煤层气流动理论工作的主要目的在于阐明煤层气流动本质,解释矿井中瓦斯涌出的现象和本质。由于矿井瓦斯的涌出对生产和安全有极大影响,因此掌握矿井瓦斯的涌出规律,可预测采动后瓦斯涌出量,并采取必要和适当的防范措施;其次,了解其在煤层中的流动规律,可为抽采工作提供理论基础。国内外学者(主要是国内学者)对煤层气流动理论主要集中在以下四个方面的研究:线性煤层气流动理论,非线性煤层气流动理论,地物场效应的煤层气流动理论和多煤层系统煤层气越流理论。对流动的数值模拟研究也都是从传统的宏观概念—煤层气气体出发来研究煤体与气体参数,采用数学回归、数值模拟等方法获取经验值。  本文采用分子动力模拟方法,将系统看作具有一定特征的分子集合,运用经典力学方法,通过研究 CH4分子群体的运动规律,再利用统计方法得到体系的宏观特性和基本规律。从微观角度对微通道中CH4流动进行了基础研究。  文中首先从分子动力模拟原理、实现方法及模拟细节几个方面对模拟的理论基础进行阐述;其次从煤的物理结构、吸附解吸特性及微流体流动特性方面对微通道中CH4的流动进行叙述;最后在对微通道中CH4流动的分子动力模拟细节进行详细描述的基础上编写程序,模拟整个流动过程。程序编写中根据模拟细节,首先依据瓦斯压力、煤孔隙率及煤视密度等参数并采取拟定的数学方法标定瓦斯分子初始位置,利用麦克斯韦-波尔兹曼分布对瓦斯分子初速度进行确定;其次采用L-J(12-6)势能函数对原胞中的每个CH4分子受力进行分析,根据牛顿运动方程求解每个分子的运动情况,依据统计学方法对宏观量进行统计;最后在不同参数条件下进行计算机模拟。并将煤层瓦斯地质参数和抽采参数改变情况下,煤层气量与时间之间的关系以绘图形式展现。
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