深海粗颗粒矿石垂直管道水力提升技术

全面论述了近30年来国内外深海采矿垂直管道水力提升技术的发展和研究现状, 对十几个国家深海采矿垂直管道水力提升系统进行了描述和分析, 重点介绍了我国深海采矿垂直管道水力提升技术的研究成果。从管道输送安全角度考虑, 论述了垂直管道堵塞的关键问题和解决措施, 可为我国深海多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等金属矿产资源垂直管道水力提升技术的研究提供参考。     

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。     

深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究

以单颗粒沉降运动为研究基础, 采用高速摄影技术对锰结核、富钴结壳、多金属硫化物及模拟结核粗颗粒矿石进行了浮游速度试验研究, 得到了粗颗粒矿石单颗粒和群体颗粒浮游速度计算公式, 计算结果与试验实测数据吻合较好, 对垂直管道水力输送系统参数设计和正常运行有一定参考价值。     

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。     

垂直管粗颗粒水力提升不稳定流数值模拟

根据垂直管固液两相流的特征，考虑固液两相流密度、浓度、弹模、阻力等特点，对粗颗粒水力提升不稳定流进行数值模拟。推导出含粗颗粒固液两相流波速方程，水击计算的连续方程及运动方程。可用于解决深海采矿、水力采煤和河道清淤工程等领域的粗颗粒水力提升问题。     

大颗粒物料在垂直管道内最小输送速度的试验研究

在大颗粒物料垂直管道上向输送系统的设计中，准确地确定被输送固液混合物的最小输送呜呼节约能耗均有重要意义。本文提出了一的的试验方法，可测定颗粒在垂直上的输送管道的浮游速度。利用测定的浮游速度来确定大颗粒在生趣管道内的最小输送速度，并总结了在一定颗粒粒级和体积浓度范围的经验计算公式，该方法也可广泛地应用于确定其它大颗粒物了小输送速度。     

垂直管道中固体颗粒运动轨迹研究

固体颗粒在垂直管道中的运动是非常复杂的物理过程,对微元体进行受力分析,建立了垂直管道中固体颗粒模型,并用高速摄影仪对颗粒的上升阶段和悬浮阶段进行图像捕捉,得到了固体颗粒的运动轨迹,以此对颗粒运动规律进行了探索。     

粗颗粒物料在垂直管流中的滞留效应

颗粒滞留效应，将导致在垂直管流中物料的当地浓度大于输送浓度。采用快速摄影技术测量了粗颗粒在垂直管流中的滑移速度，并利用流态化试验探讨了不规则形状颗粒的拖曳力系数以及颗粒群在上升流中滑移速度的变化规律。结合理论分析给出了当地浓度的估算公式，并得到了实验数据的验证。     

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。     

锰结核动态管道水力提升

在海洋采矿系统中,提升物料颗粒大、距离长,提升管道处在复杂的海洋气候条件下,管内流体中颗粒的运动状态与陆上管道输送不同。对摆动管道输送特性的研究结果表明,摆动管中的压力损失比静止状态的压力损失大。根据颗粒的受力特点,建立了数学计算模型,分析了动态管道压力损失增加的机理。     

垂直管水力提升临界淤堵流速的实验

通过试验分析研究垂直管水力提升临界淤堵流速。推导垂直管水力提升临界淤堵流速的半理论半经验公式。颗粒向上运动主要受颗粒周围水流流速影响，当管壁处的流速与此位置的颗粒沉速基本一致时，垂直管处于临界淤堵状态。垂直管水力提升临界淤堵流速不仅随粒径增大而增大。而且随提升浓度增加而增大。所推公式反映了影响临界淤堵流速的主要因素。能够较好的璜测临界淤堵流速，对于管路系统设计和运行有较大实际意义。     

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。     

基于IPP图像软件的管流中粗颗粒运动信息提取方法研究

运用大功率激光光源和Nikon D810单反相机进行了管道水力输送模拟试验, 并以试验中得到的管道断面图像为研究对象, 详细介绍了基于图像软件Image-Pro Plus(IPP)的管道断面颗粒提取方法, 并以5张图像的处理结果对此方法进行验证。结果表明, 提取出的颗粒数量平均误差小于5%, 说明该种分析方法能准确地将目标颗粒提取并呈现出来, 是一种具有代表性的、可操作的管道断面颗粒图像处理方法。     

深海采矿扬矿泵内固体颗粒运动特性数值模拟

针对深海采矿输送系统中扬矿泵易堵塞和磨损等问题,采用标准κ-ε湍流模型求解扬矿泵内流场,并运用离散相模型模拟颗粒流动轨迹,研究了颗粒粒径、导叶进口安放角、导叶数量对扬矿泵堵塞及磨损特性的影响。结果表明,总体上,颗粒在导叶1区与前盖板碰撞次数最多,对导叶前盖板磨损严重;在3、4区与压力面碰撞次数最多,颗粒与导叶碰撞主要起到改变颗粒运动轨迹的作用,对3、4区的导叶压力面的磨损并不严重。随着粒径增大,平均过导叶时间和碰撞次数呈增加趋势,且增加了颗粒与吸力面碰撞的可能性。随着导叶进口安放角增大,平均碰撞次数和平均过导叶时间均随之增加,颗粒与压力面碰撞区域越靠近导叶进口处,对压力面进口造成的磨损越严重。随着导叶数量增加,过导叶时间有减小的趋势;颗粒与导叶压力面碰撞位置向导叶中部移动,对压力面的磨损程度较轻。     

不同构形扬矿软管的流固耦合模态分析

以1 000 m水深处100 m长扬矿软管为研究对象,以集矿机在作业范围中间点处形成的软管构形为参考构形,基于有限元理论,建立了两端为固定约束的软管在内流和外流共同作用下的流固耦合模型,研究了内流密度、内流粘度、软管直径及弹性模量对单拱和双拱2种不同构形软管流固耦合振动频率及振型特性的影响。结果表明,双拱构形软管的湿模态前六阶频率小于单拱构形软管; 随着内流密度增加,2种构形软管固有频率缓慢降低; 随着软管弹性模量和软管直径增加,软管的固有频率明显提高; 内流粘度改变对软管固有频率影响较小,可忽略不计; 内流密度、内流粘度、软管直径及弹性模量改变时,单拱和双拱2种不同构形软管的振型不发生变化。