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。     

深海采矿中继站底部Y形管流动状态研究

针对深海采矿泵管输送试验系统中Y形管内流场复杂和矿石泄露风险等问题，采用CFD-DEM方法，对不同速度、不同体积浓度和不同粒径的矿石颗粒进行数值模拟计算，分析了Y形管内颗粒群的运动特性和流场分布规律。结果表明，Y形管内流场分布受弯管曲率和Y形管入口流量分配影响；颗粒群在弯管内贴壁流动，受到上升流作用后颗粒向上偏移；当上升流流速不足、颗粒体积浓度高及颗粒粒径较大时，会造成颗粒沿着底部管道流失，随着上升流速减小、颗粒体积浓度增大及颗粒粒径增大，颗粒通过底部管道流失不断增大；颗粒流的存在导致Y形管内低压漩涡区强度和尺度均减弱。     

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。     

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。     

乳胶基质在输送过程中管内压降的研究

采用流变学原理对乳胶基质在管内输送过程中的流动特性进行了分析, 得出了乳胶基质在直管、弯管和锥形管道内压降的计算公式, 并对系统管内压降进行了计算。研究结果表明, 乳胶基质在输送过程中管内的理论计算压降与实测压降具有较好的一致性。     

考虑壁面滑移效应的充填料浆管道输送阻力研究

为了探究壁面滑移效应影响下的充填料浆管道输送阻力的变化特征，建立了考虑壁面滑移效应的管道输送模型，利用Comsol数值模拟软件分析了料浆浓度、管径及灰砂比对管道阻力损失的影响。研究表明 ：①模型计算结果的相对误差在合理范围内，该模型用来计算考虑壁面滑移效应的充填料浆管道输送阻力是可靠的；②考虑壁面滑移效应的情况下，各因素对管道阻力的影响程度依次为管径>质量浓度>灰砂比，管径 增大，壁面剪切作用力减小，颗粒迁移运动变缓，滑移效应减弱，管道输送阻力降低幅度减小；③在不同浓度范围内料浆滑移层厚度的主控因素不同，导致输送阻力随浓度增大的幅度不同；④灰砂比较低时，管道输 送阻力的增长速率较低，随着灰砂比增大，管道输送阻力快速增大。以冀东地区某矿山为研究背景进行了数值模拟，得到充填料浆管道输送的最佳参数为质量浓度66%、68%，灰砂比1∶8。     

浓密膏体局部管件阻力损失试验研究

高浓度粘稠物料通过管道输送时会形成"浓密膏体",属于现代管道输送技术新领域。为研究膏体在局部管道内的阻力损失,文章基于Φ200mm循环管道输送试验系统,测量不同浓度的煤泥在不同流速下弯管以及垂直管压力损失与直管压降的变化规律,通过对实验数据进行分析,最终得到90°弯管每米压降是水平直管每米压降的1.27~1.74倍,垂直管每米压降是水平直管每米压降的1.10~1.90倍,对工业现场膏体煤泥管道输送摩阻损失的计算具有一定的参考价值。     

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。     

包钢白云鄂博矿浆弯管流动特性数值模拟

包钢白云鄂博输送矿浆管道弯管磨损比较严重。应用Fluent软件,模拟矿浆流动在管道内部的流场分布,对比分析了1.2 m/s和2 m/s矿浆流动初速度的压力、壁面剪切应力和磨损分布图。研究结果表明:对于压力场,由于离心力的作用,外侧压力高于内侧;由于受重力的影响,壁面剪切应力场是弯管内侧高于外侧。为矿浆管道的流体输送提供了理论依据。     

粗颗粒在复杂空间形态管道水力输送中运动形式的研究

采用高速摄像技术,探讨了不同粒径、体积浓度和输送速度条件下,粗颗粒在复杂空间形态管道中的运动状态及临界条件。研究结果表明:粗颗粒在复杂形态管道中的运动状态表现出不同的特点,水平管道中以滑动推移为主要运动形式,倾斜上升管道中以滑动推移和悬移为主要运动形式,倾斜下降则主要存在下滑和悬移两种;粗颗粒在管道中的运动状态与颗粒粒径、管道形态等因素有关,就悬移运动状态而言,倾斜角度越大,粗颗粒越容易形成悬移。基于试验结果提出了临界条件的计算公式,实测值与计算值基本吻合。     

基于CFD-DEM的水下清淤机器人吸泥管道流场分析

基于DDPM的CFD-DEM耦合数值分析方法,研究了自行式水下清淤机器人在不同工作俯角、泵流量条件下吸泥管内泥沙颗粒的流动状态。仿真结果表明,不同工作俯角下,低功率工况会引发吸泥管道堵塞趋势; 泥浆流经弯管处所产生的二次涡流会加剧管壁磨损,导致动能损失,从而影响输送效率。     

高压密相气力输送煤粉流动状态识别方法

高压密相气力输送中煤粉流动状态的识别及其监测对于煤气化的安全稳定运行具有重要意义。提出一种基于阵列式静电传感器实现高压密相气固两相流动状态识别的新方法。采用EMD方法对阵列式静电传感器各电极静电信号分别进行多尺度分解,并对得到的多尺度静电信号进行样本熵和能量比计算,通过分析各电极静电信号的多尺度样本熵和多尺度能量比的分布实现对流场内颗粒流动稳定性及其状态的识别。试验结果表明:阵列式静电传感器多尺度样本熵的一致性能够表征密相气固两相流动状态的稳定性,多尺度能量比的一致性能够表征管内颗粒分布的状态;并且还揭示了静电信号低尺度分量(1,2尺度)包含悬浮流动颗粒信息,高尺度分量(3尺度以上)包含沿管底流动颗粒信息。     

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。     

基于DPM-CFD的旋风除尘器内部流场数值分析

采用离散相模型对旋风除尘器内部气固两相流场的分布特性进行数值模拟分析。模拟结果表明:粉尘颗粒的运动具有很强的随机性,上尘环和局部涡流始终存在,在除尘器圆筒壁面和中心管之间的区域以及中心管底部下方的区域都形成了环形的纵向涡流,中心管底部下方区域和中心管的进口区域湍动能和湍动能耗散率最大,中心管长度是影响旋风除尘器内部流场的一个重要参数。此外,对中心管的长度做了最优化设计,为旋风除尘器的结构优化设计和重点研究方向提供了借鉴和依据。     

高温环境下料浆大流量输送管流特性研究

为分析大流量管道输送过程中温度上升对料浆管流特征的影响,得出高温环境下料浆最佳输送管径及初始流速等参数,建立了充填料浆输送L管模型,基于流变试验获取料浆塑性黏度和屈服应力,利用COMSOL数值模拟软件分析了高温环境下不同温度、管径以及初始速度对应的管流速度场特性。结果表明：随着温度升高,充填料浆屈服应力以及塑性黏度随之降低;在弯管与水平管相接处,流态不稳定,料浆速度层出现较大变化,由塞流推进转化为速度自上而下递增的流动模式,易造成堵管、爆管;温度提高会导致中心最大流核区面积减小,温度为40、50、60 ℃时,最大流核区径向长度分别为0.09、0.07、0.05 m,减小率为22.2%,最大流速随之增加,当温度为40 ℃时,径向最大流速为2.978 m/s,温度增加至60 ℃,最大流速增大至3.135 m/s;随着管径增大,塞流最大流速区面积增加,管径为200 mm、240 mm时,最大流速区径向长度分别为0.1 m、0.12 m,最大流速随之减小,管径自200 mm增大至240 mm,最大流速由2.977 m/s变为2.876 m/s;随着进口速度增加,料浆中心最大流速区域增大,对塞流区域面积大小影响较小。基于上述试验成果,为减少输送阻力损失,提高矿山效益,建议矿山输送料浆参数选取温度40~50 ℃,管径200 mm,初始流速2.5 m/s。上述分析可为矿山充填设计及进一步研究管道输送流态问题提供一定的理论依据。     

溜井放矿颗粒运动特征分析的离散元方法

为了解溜井内颗粒物料运动特征，利用颗粒离散元方法和Hertz-Mindlin非线性接触模型，考虑井壁形貌特征和溜放矿块粒级组成，建立了井壁起伏差服从正态分布的非光滑井壁溜井和铲运机球形随机颗粒群放矿数值分析模型，用该模型对溜井不同区段内颗粒群碰撞及运动规律统计特征展开了分析。结果表明：①颗粒对溜井壁的碰撞源于颗粒脱离铲斗时速度的不一致性，碰撞自井口开始至井深-18~-30 m处达到碰撞频数最高值；②颗粒碰撞频发区为井口以下至2/3井深，该区域内颗粒的平均速率低且变化较小，井壁受损程度主要受颗粒对井壁碰撞频数影响，此后颗粒平均速率快速增长；③铲斗翻转速度对颗粒碰撞井壁的频数和平均速率的影响不明显，减缓铲斗翻转速度致使颗粒对井壁的碰撞集中区域下移；④井壁两侧受碰撞的频数变化受井壁起伏差影响较大，且碰撞总频数随井壁起伏差的增加而增多。     

气力提升管三相流中气相状态对固相运动影响

钻孔水力开采中利用气力提升系统对地下矿浆进行提升时,气体状态(气相值的大小及其运动特性)对矿浆中矿石的运动及其提升效率将会产生重要影响。基于三相流理论和气泡动力学理论建立了提升管中固相运动速度模型,以陶瓷球形颗粒模拟矿石,利用自行设计的小型气力提升系统实验研究不同运行参数(气量值、淹没率)对颗粒提升量的影响,采用高速摄像技术获取不同气量值下管内气-液-固三相流运动图像序列,通过图像处理技术分析气相对固相运动的影响机理并与实验结果相佐证。结果表明:不同气量值下,气泡对颗粒的作用程度及作用形式并不相同;当气量值较小时,液体对颗粒运动影响较大,此时颗粒数量少、速度低且多随气-液混合相沿管壁位置提升;随气量值的增加,气泡对颗粒及液体提升作用明显,固-液混合相浓度及提升速度均趋于最大值并整体向管芯运动,相对于管壁,管芯处颗粒提升速度较大,此时管内整体呈不规则螺旋上升;持续增加进气量,气体流速过高,管内紊动加强,颗粒非连续提升且固-液混合相浓度显著降低。与淹没率相比,气量值的变化对管内固相运动的影响更为显著。实验结果与理论分析吻合较好,对钻孔水力开采工程应用具有指导意义。     

离子交换树脂在设备间转移过程中的磨损试验研究

设计加工了1套试验装置来研究树脂在输送过程中的磨损问题。考察树脂在转移过程中管道直径及水流量与树脂磨损的关系,树脂转移100次后测量其磨损量及磨损率,分析影响树脂磨损的因素,认为:树脂在输送过程中,当管径很大时(如Ф100mm),其内含空气,对树脂转移产生干扰,增大了树脂磨损量;当管径小时含空气量较小,在相同水流量下,管径越小,树脂在连接管中就越密集,树脂相互之间摩擦更剧烈,树脂与管壁的接触更频繁,磨损就越严重。在相同的连接管径下,流体流量越大,流速就越大,树脂与连接管管壁碰撞越剧烈,磨损也就越严重。     

弧形溢流管对旋流器分离性能的影响

针对目前运行的旋流器存在短路流导致溢流跑粗的问题,提出了一种弧形溢流管旋流器,并进行了数值模拟和试验研究。模拟结果表明,利用溢流管的弧形结构将溢流口底端的过渡区域外移,实现过渡区域流体切线速度的提升,从而增加离心强度,将短路流引导至外旋流重新参与分离,达到抑制溢流跑粗的效果。试验结果表明,相同排口比下,弧形溢流管旋流器溢流-25 μm粒级含量和综合分级效率均高于直线形溢流管旋流器;试验用弧形溢流管旋流器在排口比为0.33时抑制旋流器溢流跑粗的效果最好,对应的溢流浓度为4.72%,溢流-25 μm粒级含量为98.37%,-25 μm计的综合分级效率为78.92%,高于直线形溢流管旋流器对应情况下的4.25%、96.86%和73.51%。