Comsol 变质量注浆理论探究：从理论到模拟实践

笨向未来

收藏 2025-12-11

基于Comsol的变质量注浆理论模拟研究

在裂隙煤体注浆工程中，魏建平在其研究成果《裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究》中提出的变质量注浆理论具有重要指导意义。该理论为注浆过程的精确建模与仿真提供了科学依据，尤其适用于通过Comsol平台进行数值模拟分析。

理论核心要点

该理论重点考虑了注浆压力对浆液在多孔介质中扩散行为的影响。随着注浆压力的变化，浆液体系中的沉积颗粒浓度和煤体渗透率呈现出显著的响应特征。具体表现为：沉积颗粒浓度随注浆压力的升高而增加，而煤体的渗透率则随之降低，二者呈负相关关系。这一规律揭示了高压注浆条件下更易实现封堵效果的内在机理，对优化实际工程参数具有重要意义。

模型构建方法

在Comsol Multiphysics环境中，建立变质量注浆模型需首先确定适用的物理场。本案例主要采用多孔介质流（Porous Media Flow）物理场模块，用于描述浆液在裂隙煤体中的渗流行为。

以下为建模过程的关键步骤伪代码示意，用以表达实现逻辑：

// 定义模型对象
model = createpde('Multiphysics');

// 添加多孔介质流物理场
addphysics(model, 'PorousFlow');

// 定义几何参数
// 假设我们的裂隙煤体模型为一个简单的二维矩形区域
xmin = 0; xmax = 1;
ymin = 0; ymax = 1;
g = geometryFromEdges([xmin ymin 0; xmax ymin 0; xmax ymax 0; xmin ymax 0; xmin ymin 0]);
model.Geometry = g;

// 划分网格
generateMesh(model);

// 设置材料属性
setmaterial(model, 'Cell', 1, 'Permeability', [1e-12 0; 0 1e-12]); // 假设渗透率初始值

// 设置边界条件
applyBoundaryCondition(model, 'PorousFlow', 'Inlet', 'faces', 1, 'Pressure', 1e5); // 设定注浆压力，这里是1e5 Pa，实际可根据研究需求改变
applyBoundaryCondition(model, 'PorousFlow', 'Outlet', 'faces', 3, 'Pressure', 1e5);

上述流程包括创建偏微分方程（PDE）模型、引入多孔介质流物理场、构建二维矩形几何结构以模拟裂隙煤体区域，并完成网格划分。随后设定材料属性，如初始渗透率等参数，并定义边界条件——其中注浆入口与出口分别施加不同的压力载荷，以驱动流场演化。

不同注浆压力下的模拟分析

为了系统研究注浆压力对扩散效果的影响，可通过参数化扫描方式，在Comsol中设置多个压力工况进行对比模拟。例如选取5e4 Pa、1e5 Pa、2e5 Pa等典型压力值作为输入变量。

% 不同注浆压力模拟
pressures = [5e4, 1e5, 2e5];
for i = 1:length(pressures)
    % 重新设置入口压力
    applyBoundaryCondition(model, 'PorousFlow', 'Inlet', 'faces', 1, 'Pressure', pressures(i));
    % 求解模型
    solve(model);
    % 获取结果并分析沉积颗粒浓度和渗透率关系
    result = evaluateSolution(model);
    % 这里可以根据具体的后处理函数，获取沉积颗粒浓度和渗透率数据进行分析
    % 假设我们有函数 getConcentration 和 getPermeability 来获取对应数据
    concentration = getConcentration(result);
    permeability = getPermeability(result);
    fprintf('压力 %e Pa 下，沉积颗粒浓度 %e，渗透率 %e\n', pressures(i), concentration, permeability);
end

程序中定义一个压力数组