本发明涉及环境治理和煤矸石山防灭火，具体为自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法及系统。
背景技术：
1、当前煤矸石自燃研究领域虽然涉及自燃机理、防控策略、温度场特性及热管理技术的应用等多个层面，但是在利用热管技术实现自燃煤矸石山的有效降温明显不足。
2、在复杂多变的现场环境中，热管对不同温度区域煤矸石山的实际降温效果及内在机制尚不清晰，基于现场群管试验的数值模拟研究，在分析自燃煤矸石山降温过程的过程中，忽略了温度场、渗流场、化学反应场等多物理场之间的复杂相互作用。现有分析技术难以全面反映煤矸石山自燃过程中的动态演化特性。因此，需要更为精细、全面的多场耦合数值模拟方法，以指导现场实践，有助于有效遏制煤矸石山的自燃现象，保护生态环境安全。
技术实现思路
1、针对现有方法的缺陷以及实际应用的不足，为了评估群管系统在长期内对自燃煤矸石山温度控制的效能，本发明进行了模拟预测，在群管最佳布置方案下的内部温度长期变化趋势，揭示了群管技术的长期控温效果，还构建理论模型，为实际煤矸石山自燃治理工作提供坚实的科学依据和实用的技术参考，从而有效遏制煤矸石山的自燃现象，保护生态环境安全。第一方面本发明提供了自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，方法包括如下步骤，依据矸石山研究区的现场实测信息建立煤矸石山几何结构模型；根据所述现场实测信息和所述煤矸石山几何结构模型构建煤矸石自燃多场耦合模型；基于矸石山研究区的初始温度场信息和所述煤矸石自燃多场耦合模型选取温度变化的关键物理参数，划分不同温度区，梅花形布置群管；依据所述煤矸石山几何结构模型和所述煤矸石自燃多场耦合模型，划分数值模拟网格和数值模拟时间；结合所述煤矸石山几何结构模型、所述煤矸石自燃多场耦合模型、所述关键物理参数、所述数值模拟网格以及所述数值模拟时间，对群管被动降温应用效果进行模拟。本发明依据矸石山研究区的温度信息建立煤矸石山几何模型，并基于几何模型构建自燃多场耦合模型进行模拟研究，可以提高模拟精度、提升治理效率与安全性，有助于保护生态环境的安全性。
2、可选地，所述依据矸石山研究区的现场实测信息建立煤矸石山几何结构模型包括：依据所述现场实测信息建立煤矸石山几何结构模型，所述煤矸石山几何结构模型包括三维四棱台煤矸石山几何模型；结合矸石山研究区的初始温度场信息划分所述煤矸石山几何结构模型，所述煤矸石山几何结构模型包括高温区、中温区和低温区；所述高温区、所述中温区和所述低温区采用梅花形布置群管。本发明选择了特定平台并依据温度场信息建立了三维四棱台几何模型，能够更精确地反映煤矸石山的实际地形和形态，减少因模型简化带来的误差，可以更清晰地展示煤矸石山内部的温度分布情况，为后续的温度控制和治理提供准确依据。
3、可选地，所述根据所述现场实测信息和所述煤矸石山几何结构模型构建煤矸石自燃多场耦合模型包括：根据初始温度场信息、所述现场实测信息和所述煤矸石山几何结构模型分析氧气氧化反应、空气渗流和温度场之间的耦合关系。本发明充分考虑了氧气氧化反应、空气渗流和温度场之间的相互作用关系，使模型能够更全面地反映煤矸石山自燃过程中的复杂物理和化学变化。
4、可选地，所述根据所述现场实测信息和所述煤矸石山几何结构模型构建煤矸石自燃多场耦合模型包括：基于所述初始温度场信息、所述煤矸石山几何结构模型和所述耦合关系建立空气渗流速度场平衡方程、氧气组分运移场平衡方程和温度场传输平衡方程；结合所述空气渗流速度场平衡方程、所述氧气组分运移场平衡方程和所述温度场传输平衡方程获得煤矸石自燃多场耦合模型。本发明建立的平衡方程，能够量化分析煤矸石山自燃过程中空气渗流速度、氧气组分分布和温度变化的动态过程，有助于更准确地预测自燃过程中各物理场的变化趋势和相互影响情况。
5、可选地，所述空气渗流速度场平衡方程，满足如下关系：
6、
7、其中，表示空气渗流速度场模拟结果，μ表示空气动力粘度系数，k表示固体渗透率，v表示渗流速度，p表示压力，表示压力梯度，ρg表示空气密度，g表示重力加速度，tα表示大气温度，t表示固体温度。本发明方程中包含了多个物理参数，充分考虑相关参数的相互作用和耦合关系，使得模型能够更全面地反映煤矸石山自燃过程中的空气渗流现象。
8、可选地，所述氧气组分运移场平衡方程，满足如下关系：
9、
10、其中，表示氧气组分运移场模拟结果，d表示空气扩散系数，表示氧气浓度梯度的平方，r表示反应速率，e表示固体孔隙率，表示氧气浓度的偏导数，表示时间的偏导数，v表示渗流速度，表示氧气浓度梯度，c表示氧气浓度，a表示指前因子，e表示活化能，r表示气体普适常数，t表示固体温度。本发明的平衡方程包含了多个物理和化学参数，使得模型能够更全面地反映煤矸石山自燃过程中的氧气运移现象。
11、可选地，所述温度场传输平衡方程，满足如下关系：
12、
13、其中，e表示固体孔隙率，r表示反应速率，δh表示煤矸石燃烧焓变值，ρg表示空气密度，cg表示空气的比热容，ρs表示固体的密度，cs表示固体的比热容，表示固体温度的偏导数，表示时间的偏导数，v表示渗流速度，表示梯度，ρg表示空气密度，cg表示空气的比热容，t表示固体温度，λs表示固体的导热系数，λg表示空气的导热系数，表示固体温度梯度的平方，q表示群管总产冷量。本发明的温度场传输平衡方程可以进一步揭示煤矸石山自燃过程中温度、氧气浓度和空气渗流之间的相互作用机制，为深入理解自燃机理提供重要依据。
14、可选地，所述依据所述煤矸石山几何结构模型和所述煤矸石自燃多场耦合模型，划分数值模拟网格和数值模拟时间包括：依据所述煤矸石山几何结构模型进行四面体网格划分，并获得数值模拟的网格划分结果；基于所述煤矸石自燃多场耦合模型设置模拟计算时间步长，并获得数值模拟的时间阶段信息。本发明对几何模型进行合理划分，可以在保证计算精度的同时，减少不必要的网格数量，从而减小计算资源消耗。
15、可选地，所述结合所述煤矸石山几何结构模型、所述煤矸石自燃多场耦合模型、所述关键物理参数、所述数值模拟网格以及所述数值模拟时间，对群管被动降温应用效果进行模拟包括：结合所述煤矸石山几何结构模型、所述关键物理参数、所述网格划分结果以及所述时间步长信息，开展自燃煤矸石山群管被动降温的瞬态数值模拟，对群管被动降温应用效果进行模拟，获得空气渗流速度场模拟结果、氧气组分运移场模拟结果和温度场模拟结果。本发明综合结合空气渗流速度场、氧气组分运移场和温度场的模拟结果，能够全面评估群管被动降温措施对煤矸石山内部温度分布、氧气浓度以及渗流速度的影响，能够更精确地反映降温效果，有效避免单一因素分析结果的局限性。
16、第二方面，本发明还提供了自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟系统，能够高效地执行本发明所提供的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，所述系统包括输入设备、处理器、输出设备和存储器，其中，所述输入设备、处理器、输出设备和存储器相互连接，所述存储器包括如本发明第一方面所述的计算机可读存储介质，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令。本发明提供的系统结构紧凑，适用性强，极大程度地提高了运行效率。
1.自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述依据矸石山研究区的现场实测信息建立煤矸石山几何结构模型包括：
3.根据权利要求1所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述根据所述现场实测信息和所述煤矸石山几何结构模型构建煤矸石自燃多场耦合模型包括：
4.根据权利要求3所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述根据所述现场实测信息和所述煤矸石山几何结构模型构建煤矸石自燃多场耦合模型包括：
5.根据权利要求4所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述空气渗流速度场平衡方程，满足如下关系：
6.根据权利要求4所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述氧气组分运移场平衡方程，满足如下关系：
7.根据权利要求4所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述温度场传输平衡方程，满足如下关系：
8.根据权利要求1所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述依据所述煤矸石山几何结构模型和所述煤矸石自燃多场耦合模型，划分数值模拟网格和数值模拟时间包括：
9.根据权利要求8所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法，其特征在于，所述结合所述煤矸石山几何结构模型、所述煤矸石自燃多场耦合模型、所述关键物理参数、所述数值模拟网格以及所述数值模拟时间，对群管被动降温应用效果进行模拟包括：
10.自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟系统，其特征在于，系统包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1-9任一项所述的自燃煤矸石山对群管被动降温响应的数值模拟方法。
