微纳米孔隙内气体流动特性与LBM数值模拟研究

作     者：王登科 袁明羽 李振 张清清 尚政杰 付建华 王岳栩 唐家豪 郭玉杰 庞晓非 WANG Dengke;YUAN Mingyu;LI Zhen;ZHANG Qingqing;SHANG Zhengjie;FU Jianhua;WANG Yuexu;TANG Jiahao;GUO Yujie;PANG Xiaofei

作者机构：河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 郑州煤炭工业(集团)有限责任公司河南郑州450000 

出 版 物：《河南理工大学学报（自然科学版）》 (Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science）)

年 卷 期：2024年第43卷第2期

页      面：15-25页

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52174174) 河南省高等学校重点科研项目计划基础研究专项项目(21zx004) 河南理工大学创新团队计划项目(T2022-1) 河南理工大学重点基金资助项目(NSFRF220205) 

主　　题：微纳米孔隙 纳米多孔炭 气体流动特性 LBM模拟 LBM-D2Q9模型 

摘      要：目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔隙大小和孔隙率进行定性定量分析;利用纳米尺度气体流动特征实验装置开展微纳米孔隙的气体流动实验研究,通过对比分析传统达西渗流模型和适用于微尺度下气体流动模型,结果得到更为详细的微纳米孔隙内气体流动特性:纳米多孔炭薄膜的视渗透率随着进气口压力的升高而下降,二者呈负相关的线性变化规律;视渗透率随着努森数降低而降低,二者呈正相关的线性变化规律,表明气体在微纳米尺度下的流动不符合传统的达西定律,滑脱效应和气体扩散不可忽视。采用格子Boltzmann方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟不同进气口压力下的气体流动,得到不同气体压力下出口的气体流量,与实验结果进行对比,LBM模拟的平均误差为8.25%,整体吻合性较好,表明LBM数值模拟可有效揭示气体在微纳米尺度下的流动特性。结论研究结果可为今后分析煤层中的瓦斯流动机制和流动规律提供理论借鉴。