COMSOL在煤层瓦斯运移中的应用教程(一)

煤层瓦斯运移主要涉及到基质中瓦斯解吸、扩散、裂隙中瓦斯渗流，涉及到的物理场为煤层变形方程、多孔介质扩散渗流方程、煤层温度方程、甲烷氧化方程等。这些方程在COMSOL中，均有对应的物理场接口，用COMSOL研究煤层中瓦斯运移或者研究实验室中煤柱、煤粒中甲烷运移都是很方便的。接下来几个帖子，我会按照建模的顺序以此介绍主要设置，方便大家更好地了解COMSOL的基本使用，以期在科研学习上帮助大家。COMSOL是一款多物理场求解软件，能讲多个物理场进行耦合计算，其界面十分友好。由于其功能复杂性，本次系列教程只针对早煤层瓦斯运移中常用的设置做出一些介绍，本次教程以COMSOL5.6版本为例。

首先，打开COMSOL5.6，需要新建立一个模型。可以选择模型向导或者空模型，以模型向导为例。选择模型向导，进入选择空间维度，根据自己的模型需要选择三维、二维、一维等。在二维模型和一维模型中，还可以选择对称，可以只对对称的一半进行建模，这样可以减少计算内存和运行时间。进入物理场选择环节，根据需要的物理场方程选择对应的物理场接口。比如，研究瓦斯在煤层中的渗流情况，可以选择地下水流达西定律接口，还可选择裂隙流、brinkman方程等。物理场选择完成后，进入研究选项。一般选择瞬态、稳态研究，按照字面意思理解，瞬态即场变量随时间变化情况，稳态即场变量不随时间变化。对于瓦斯流动，一般选择瞬态研究。

图1 COMSOL选项介绍

图2  COMSOL界面介绍

图3 菜单栏

以上环节选择完毕后，进入到COMSOL的主界面，如图2。COMSOL截面主要分为4大区域：菜单栏、功能区、设置、图形处理。首先从菜单栏介绍，菜单栏分为主屏幕、定义、几何、草图、材料、物理场、网格、研究、结果等，可以查看不同子菜单对应的功能。如主屏幕，可以查看组件、新建参数变量、添加材料等。打开相应的菜单，便会在功能区以及界面右边出现相应的选项。如，添加物理场，变化在界面右边出现物理场选项。可以按照菜单栏顺序依次查看，相应的功能。在定义菜单中，可以定义一些函数和变量，如可构建解析函数、差值函数、分段函数等。在几何菜单中，可以自己构建几何模型，如构建正方形、长方形、圆等，也可从外部导入几何模型。在草图菜单中，可在图像处理区绘制相应形状。在材料菜单中，可调用COMSOL内置的材料属性，也可在参数中定义材料属性。在物理场菜单中，可选择添加物理场和多物理场。在网格菜单，可对几何模型进行网格划分，可选择自由三角形与自由四边形等。在结果菜单栏中，可以求解结果进行后处理。

图4 功能区

图5 参数设置

在模型开发器功能区，可进行和菜单栏同样的功能设置。按着功能区顺序，依次介绍相关功能。全局定义中，可进行全局参数、材料的定义。右击全局定义，会出现和菜单栏中相同的选项，添加参数、变量、函数等。此处是从全局出发，添加选项。全局指的是在所有区域、物理场中，该参数变量均是适应的。与之对应的是局部，在某一组件下添加的局部变量参数，这些只在对应的组件中才会适用。

全局参数设置，在设置中分为4列，分别为名称、表达式、值、描述，如图5。在名称中，输入符合COMOSL语法规则的名称，可输入英文、下标，尽量输入区分辨识的名称在后面变量只方便调用。在名称行输入表达式，输入“数字[单位]”的形式，在值中COMSOL会转换成国际单位。还可在描述中，输入可辨识的记号，如中文描述名称。图5中，以输入孔隙率参数为例介绍。在名称中输入“poro_por0”,在表达式中输入0.04，在描述中输入“初始孔隙率”。对于复杂的物理场，可能要输入多组参数，参数名称最好使用特定的符号。

未完待续，敬请期待