深海采矿Y形输送管内颗粒流动状态研究

针对深海采矿输送试验过程中Y形管内流场复杂,存在矿石泄露风险等问题,对不同输送工况下Y形管内的连续相流场和颗粒场进行了分析。应用CFD-DEM方法,对Y形管的清水工况和两相流工况进行数值模拟计算,得到了管内的压力分布、单颗粒运动特性和颗粒群运动特性。对比分析了颗粒群对压力分布的影响规律。结果表明,Y形管内的压力分布受到弯管曲率和入口流量分配的影响;单颗粒在弯管内贴壁面流动,且因受到上升流的作用而向上偏移,当上升流的流速较低时,颗粒会撞击底部管道壁面;颗粒群输送过程中,当上升流流速不足时,颗粒将通过底部管道流失,颗粒流的存在导致Y形管内的低压旋涡区强度和尺度均减小。     

长输矿浆管道流动特性的数值模拟

在矿山物料的长距离管道输送中,经常出现堵管或者流速过高造成的严重磨蚀致使管道破裂的现象,其主要因素是矿浆速度和矿物粒度的不合理选取。为了解矿浆在弯管中的流动特性,应用计算流体力学软件(CFD)中的欧拉模型对矿浆在90°弯管中的流动特性进行数值模拟。模拟分析了矿浆以一定的体积浓度在不同速度和不同粒径工况下流过90°弯管后矿浆中矿物颗粒的速度分布以及体积分数沿管道截面的分布状况。结果表明:当矿浆的体积浓度为35%、矿物颗粒粒径为0.5 mm时,流速低于1.7 m/s流经90°弯管后会出现明显的相分离现象,但当流速为1.8 m/s后,矿浆流经弯管后其颗粒沿管道截面的分布完全满足矿浆长输管道的理论要求;当矿浆流速为1.6 m/s、颗粒粒径为0.3 mm时,矿浆在管道中的流动性会更好。     

复杂形态管道中粗颗粒水力输送的临界条件研究

通过自行设计的管道试验系统,研究在不同流速、粒径和体积浓度条件下,粗颗粒堵管的临界条件及其安全输送的方法。试验结果表明：①颗粒的粒径和体积浓度对粗颗粒系统安全输送有重要的影响,随着粒径和体积浓度的增大,临界流速提高,且当系统的输送速度大于临界流速时方可实现系统的安全输送;②在粒径一定的条件下,随着倾角的加大,粗颗粒在弯管处发生堵管所需要的临界流速降低;③在堵管的情况下,粗颗粒高效安全输送的临界条件主要取决于体积浓度和流速。     

U形弯管内大颗粒固液两相流的输送特性研究

应用计算流体力学及离散元耦合计算方法,对U形弯管中大颗粒固液两相流的输送特性进行了研究。采用Fluent与EDEM耦合计算,对不同输送工况下U形管中的大颗粒输送进行了仿真分析,得到了颗粒及流场在U形弯管中的分布、运动特性,同时结合试验进行了验证分析。结果表明,颗粒进入U形管后由于惯性作用主要沿着管道壁面运动。低速输送工况下,颗粒容易堆积在U形管与提升管的过渡位置,随着输送速度提高,颗粒在U形管中的浓度降低。由于与管道壁面的碰撞、摩擦,颗粒开始沿着壁面滚动运动。弯管内的二次流也会对颗粒的运动和分布产生一定影响。     

深海采矿系统软管段输送阻力损失研究

基于深海采矿软管输送模拟试验系统, 分析了不同混合物流速、不同颗粒粒径、不同颗粒体积浓度、不同软管形态条件下软管阻力损失变化特征, 为深海采矿系统软管设计提供参考。结果表明, 水力坡度随物料体积浓度增大而增大, 随粗颗粒粒径增加而呈下降趋势, 随软管弯曲度增大而增加。复杂形态软管中粗颗粒输送水力坡度变化与水平管道、垂直管道和倾斜管道具有一定的相似性, 对比分析了倾斜直管和软管的水力坡度, 拟合了复杂形态软管输送的水力坡度计算公式, 误差范围控制在1.6%以内。     

不同角度弯管输送料浆不淤流速的研究

为了研究煤矸石充填料浆在不同角度弯管中不淤流速的变化, 采用Fluent软件模拟了充填料浆在管道内的输送过程, 分析了煤矸石料浆在各角度弯管中的流速特征、管道出口截面处的矸石颗粒沉降状况, 由此得出了不同入口速度下料浆在不同角度弯管中的不淤流速。结果表明, 料浆在75°、90°和105°弯管中的不淤流速分别为1.8 m/s、1.7 m/s和1.5 m/s, 即料浆的不淤流速随弯管角度增大而减小;弯管角度越大, 料浆在弯管中的阻力作用越小, 则料浆流速越快, 使得矸石颗粒的沉降有所缓解。     

气固两相穿越液池过程颗粒运动分离特性研究

采用可视化实验和数值模拟方法对气固两相流穿越液池过程中气液固三相流动进行研究。揭示了入口流速、颗粒直径和下降管的浸没深度对颗粒运动分离的影响及颗粒运动分离过程,获得颗粒在液池中的分离机理。研究获得,气固两相穿越液池过程中,大直径的颗粒向液池底部沉降,小直径的颗粒在液池中悬浮;入口气速增大对小粒径颗粒影响明显,对大粒径颗粒影响较小;下降管浸没深度的增大对颗粒浓度分布影响较小。     

粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内流动状态试验研究

为研究粗颗粒矿石在提升硬管底部管道内的流动状态,在实验室建立了2套试验系统,对提升硬管底部Y型结构和U型结构开展了粗颗粒提升输送性能试验研究,分析了粗颗粒提升速度和输送浓度对流动状态的影响,观察了2种管道结构下粗颗粒的堵塞状态。结果表明,Y型结构的输送状态优于U型结构。该研究结果可为深海采矿系统中提升硬管底部管道结构设计提供试验验证基础。     

充填料浆不同倾角弯管输送特性分析

为研究煤矸石充填料浆在不同倾角弯管内自流输送的特性,以某实际充填管路为背景进行建模,使用 FLUENT 软件模拟料浆在管道内的输送过程,分析不同入口流速条件下不同质量浓度料浆在不同倾角弯管内流动时的速度、压力特性及阻力损失.结果表明:各弯管出口截面处流速梯度随入口流速增大而扩大,入口速度大于１．４m/s时,梯度差大幅度增加;当料浆质量浓度大于７８％时,沿程管道阻力损失与弯管段局部阻力损失增长速率加快;弯管段局部阻力损失随弯管的倾角变小而增加,建议料浆管道输送时弯管段倾角大于６０°.     

垂直管道内粗颗粒运动特性数值模拟

为研究深海采矿管道提升系统中颗粒的运动规律, 采用数值模拟的方法对不同粒径、不同入射位置的单个颗粒及单一粒径和混合粒径颗粒群的运动规律进行了研究。结果表明, 颗粒输送速度随着颗粒粒径增大而减小; 从管道中心到壁面, 颗粒速度逐渐减小; 颗粒群输送颗粒存在一定程度的碰撞, 输送的能量损失更大。得到了垂直管道内颗粒的运动规律, 对颗粒输送速度、碰撞、能量损失等进行了量化分析。对未来深海采矿水下输送系统设计有一定参考意义。     

旋流器底流口直管段长度对分离性能的影响研究

底流口直管段是旋流器的重要部件,为了探明底流口直管段长度对旋流器分离性能的影响规律,采用数值模拟和试验方法,对比研究了底流口直管段不同插入深度对旋流器压力场、速度场、湍动能的影响 。模拟结果表明：随着直管段插入深度绝对值的增加,流场静压力、切向速度、湍动能均有不同程度增大,可以有效增大离心强度,强化分离效果,而径向速度随着直管段插入深度绝对值的增加有所减小,径向速度 的减小有利于分级精度的提高;试验结果表明：进料压力为0.1 MPa、进料浓度为10%、进料中位粒径为16.75 μm时,随着底流口直管段长度由0 mm增加到80 mm,底流浓缩倍数由4.61倍提高到6.48倍,底流产品中位 粒径由49.32 μm增大到65.88 μm,溢流产品中位粒径由8.57 μm增加到21.16 μm,溢流产品细度变大,分离粒度增大,综合分级效率较传统旋流器提高了13.85个百分点。     

固体颗粒对油气井管柱的冲蚀损伤研究

油气井管柱内液体高速流动时,液体内含有的固体颗粒会对管柱造成损伤和冲蚀,因此有必要对油气井管柱受颗粒冲蚀特性进行研究。本文利用Fluent中湍流模型和DPM模型对90°弯曲油气管柱的固体颗粒冲蚀过程进行了数值模拟,研究不同影响因素下弯管内壁的冲蚀率及冲蚀效果。结果表明:固体颗粒对弯管的冲蚀磨损主要发生在弯曲段的下弯头外弧内壁;在流体速度和颗粒质量流率一定时,固体颗粒对弯曲内壁的冲蚀率随着流体黏度的增大而减小,随着固体颗粒直径的增大而增大,冲蚀量随着冲蚀时间的增加而呈线性增加;其他因素一定的条件下,固体颗粒对弯曲内壁的冲蚀率随着流体速度的增大而缓慢增大,增量逐渐减小。模拟结果为油气井管柱弯管的合理设计提供了数值依据和理论参考。     

自制逆流分选柱用于低品位黄锑矿预富集的流场模拟及试验研究

采用自制逆流分选柱对某低品位黄锑矿进行摇床分选前的预富集以提高分选效率,并采用FLUENT 16.0数值流场模拟软件仿真与实际试验相结合的方法,研究了不同操作参数下的分选状态与效果。粒度范围-0.074+0.023 mm、Sb品位0.82%的实际矿物分选试验结果表明,在给矿质量浓度30%、底流流量50 mL/min、上升水流量8 L/h时可获得精矿品位1.42%、分选效率41.46%的效果。通过数值模拟及计算得到了在不同操作条件下整个设备内部颗粒的速度分布、密度分布以及Sb相体积分数分布,结果表明,增大给矿浓度、减小底流流量、增大上升水流量会导致下沉颗粒运动速度减小、上升颗粒运动速度增加。模拟结果与理论计算结果相符。     

KYF型浮选机三相流仿真研究初探

CFD方法在浮选机三相流动仿真中的应用,对于揭示浮选过程和优化浮选设备具有重要意义。本文以大型浮选机KYF-160为研究对象,揭示了浮选机内三相流动特征以及气、固两相含率的分布。本文研究了矿石不同单一粒径下,固相含率的分布特点及其影响。矿石颗粒固相含率的分布特点与工程实际一致。矿石粒径的增大,会导致浮选机底部矿粒沉积现象严重,顶部固相含率变低。本文探究了多粒径体系下,浮选机内固相含率的分布特点。较粗的颗粒更难悬浮,因此,浮选机对于矿石入选粒径有一定要求。     

鼓泡流化床排渣流动的模拟与实验研究

基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法,研究了鼓泡流化床的排渣流动特点,获得了不同管径的排渣管对流化床排渣流率的影响,并对排渣流动的流场进行了详细分析。模拟结果表明,布风板上开孔排渣会影响床内的正常流态化,随排渣管径的增大所影响的区域也会逐渐增大;排渣流率与流化风速、床层压降和管径的平方呈现出正相关性。根据流体力学拟流体理论所建立的公式能较好地预测排渣流率的变化趋势,从排渣流动过程中颗粒体积分数的梯度分布可知,布风板上排渣口的上方存在一个拱形临界面,此临界面是排渣过程中颗粒流动形态发生转变的分界面。     

深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流当地浓度的研究

针对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流提升大洋锰结核颗粒的当地浓度受多种因素影响的问题,基于欧拉-欧拉理论模型,选用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,以含有锰结核颗粒的海水为流动介质,对扬矿硬管内液固两相流进行数值模拟,分析了管道、物料和浆体的特性等因素对颗粒当地浓度的影响规律。结果表明：不同工况条件下,管道内径、锰结核颗粒粒径、颗粒密度、提升角速度、提升浓度的增大均有助于提高颗粒的当地浓度,进而有利于提高颗粒的输送效率;过大的提升速度将会抑制断面上颗粒当地浓度的提高,从而降低颗粒的输送效率和提升能力;但管壁粗糙度及浆体黏度对当地浓度影响很小。研究结果对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流的输送参数优化和工程应用具有一定的指导意义。     

矿石形状对浸堆结构及渗流场影响机制

为了研究筑堆矿石形状对堆内结构和渗流速度场分布的影响,选取了相同级配下的球团制粒矿石与普通原矿石进行柱浸实验。利用核磁共振成像(MRI)技术非接触地获取内部饱和结构,通过图像处理与统计研究了矿石形状与孔隙分布的关系,并利用Navier-Stokes方程模拟了相同压力和入渗速度下矿石形状对渗流速度场的与优势流分布影响。结果表明,饱和状态下的内部孔隙并不都服从正态分布,制粒矿石间孔隙分布更为均衡,服从正态分布,μ=2.0mm,原矿石间孔隙分布不服从正太分布,在8.00～11.00mm间缺失,最大当量直径为11.39mm;制粒矿石间速度场分布更加均匀,孔隙间无明显优势流,原矿石间速度场分布不均衡,存在贯穿结构的优势流和较大浸出盲区,出口边界表现为流场叠加状态;提出矿石形状均匀系数K可以有效描述矿石形状对内部孔隙和渗流的影响机制,K值小,孔隙分布均衡,渗流速度场分布均衡;K值大,容易产生大孔隙,连通成为优势流的通道,致使流场分布不均衡。     

矸石似膏体充填料浆临界流速影响因素研究

为探究矸石似膏体料浆在管输过程中的流变参数的影响因素,以公格营子矿矸石似膏体充填料浆为工程背景,使用CRT流变仪测试了不同浓度、矸石颗粒粒径下的矸石似膏体充填料浆的流变参数,运用流体力学和粒状物输送水力学分析了矸石颗粒在似膏体料浆的受力情况,运用Fluent软件对管道输送过程中不同流速、矸石粒径以及料浆浓度下的料浆流动状态以及粒子运动轨迹进行了模拟验证。结果表明,矸石似膏体料浆的矸石颗粒粒径大小和浓度会影响料浆的塑性粘度和初始切应力,进而对管道输送的临界流速产生影响。具体表现为在管输过程中,矸石粒径为15mm、20mm、较5mm和10mm更易下沉,料浆浓度达到76%时,料浆初始切应力增幅会出现急剧增加,随着料浆浓度增大,管输过程中矸石颗粒更不容易沉降。     

宽粒级煤炭颗粒在三相流化床中的分选实验研究

拓宽浮选粒度上限是浮选领域挑战的难题之一。应用三相流化床技术,在上升水流中引入气泡流,对比有无气泡对煤炭颗粒床层膨胀度的影响,得出气泡流的引入能够加强低密度颗粒的流化。并在单独上升水流、上升水流+气泡流和上升水流+气泡流+捕收剂(煤油)3种水流条件下,进行煤炭分选实验。结果表明,气泡流的引入,能够大幅减少低密度级颗粒悬浮所需的上升水流速度,气泡流对低密度级颗粒的影响强于高密度级,气泡的存在强化了颗粒密度、弱化了粒度对分选的影响;在上升气泡流中添加捕收剂后,低密度级颗粒与气泡形成颗粒-气泡结合体,低密度级颗粒便能够在较低的上升水流速度下进行分选,低速上升水流稳流度较低,保证了大颗粒与气泡的稳定性。添加捕收剂后,各粒级颗粒分选所需上升水流速度较为接近,各粒级精煤灰分在10%左右。