垂直提升管道中粗颗粒滑移速度试验研究

为了研究粗颗粒在深海采矿管道系统中的滑移速度, 采用粒子图像测速法对粒径为10 mm, 30 mm, 50 mm的锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和模拟结核颗粒在垂直提升管道中的滑移速度进行了研究。试验结果表明, 粗颗粒矿石在提升管道中的滑移速度随颗粒形状系数、颗粒粒径和颗粒密度增加而增加, 随水流速度增加而减小。得到了粗颗粒矿石滑移速度计算公式, 计算结果与试验实测数据吻合较好, 对提升管道水力输送系统机理研究有一定参考价值。     

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。     

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。     

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。     

海底多金属结核的管道水力输送

从海洋底部采集多金属结核是人类利用自然资源的可持续发展目标。目前，可行的采矿运输系统乃是将结核与海水混合的浆体通过管道输送到海上的集矿船。本文综述了这一浆体管道输送应用的现况和若干国内外试验研究和技术发展，并重点介绍结核输送系统的主要部分，即硬管装置及其试验研究成果；     

水力提升管道内两相流运动的运动学仿真计算

为研究水力提升系统中固液两相流的运动规律,提高管道水力输送的安全性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对大颗粒在水力提升管道中的运动进行受力分析,得出其动力学方程,利用Gambit软件生成三维提升管道模型,并利用Fluent软件对在管道中的两相流流动进行了数值模拟。得出了两相流流场的速度分布规律以及颗粒轴向速度、径向速度等各种运动参数;研究发现两相流流速沿管径呈梯度分布,大颗粒的轴向速度沿直径基本呈抛物线分布,径向速度沿管径基本保持正态分布。     

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。     

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。     

深海采矿扬矿管非线性动态特性研究

深海采矿扬矿管受海浪、海流及采矿船的拖航作用产生大偏移。将扬矿管简化为梁单元,建立了几何非线性有限元模型,分析了液动力的计算方法,给出了增量平衡方程以及Newmark迭代方法。分析了采矿船在变速条件下扬矿管的偏移构型、运动速度、加速度及弯曲应力。扬矿管底端（即缓冲矿仓处）偏移位移达319.02m,扬矿管在顶部弯曲应力达13.1034MN/m^2。     

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。     

作业工况及喷射方式对气举输出的影响

基于流体力学理论,从静力学角度,进行了气举管内压力分析,研究了不同作业工况及喷射方式对气举输出的影响,分析了气举输出特性随吸口下降深度的变化规律。结果表明,气举垂直作业存在固相与液相流量变化趋势相反的平衡段,吸口底部漏斗状坑径变大、局部流体加速、紊流增多,有利于固体颗粒的提升; 对称喷射方式固相空隙率更高,提升固体颗粒性能更好,而非对称喷射方式明显增强了气举吸口附近的局部扰动,更有利于采矿作业过程中液体提升。     

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。     

成庄矿综放工作面通风方式改造及采空区瓦斯治理实践

为使成庄矿4312综放工作面由偏Y型通风方式安全改造成多巷U型通风方式,提出新建上隅角抽采系统,通过工作面后部通风联络巷密闭墙埋管对采空区垮落带瓦斯进行加强抽采,使回采工作面形成了高位钻孔主抽顶板断裂带瓦斯+联络巷密闭墙埋管主抽垮落带瓦斯+风排采空区瓦斯治理模式。将工作面回采过程分成4个阶段进行分析,得到工作面多巷U型通风方式稳定后上隅角抽采系统的抽采瓦斯混合量为420 m³/min左右,抽采瓦斯浓度约为2.00%;回采工作面采空区瓦斯抽采率达到57.65%,上隅角瓦斯浓度为0.60%左右;推算得到在现有抽采能力下,可以将通风联络巷间距扩大到80 m。     

液压支架抬底机构的创新性设计

分析了现在煤矿常用的液压支架抬底机构,设计了一种新型的液压支架抬底机构,该抬底机构安装在支架底座前端,其结构简单,可靠性、安全性高,能有效地提高生产效率。