含粗颗粒固体物料在垂直管流中水击规律

细颗粒与流体形成的均质或伪均质浆体,可以作为单相流体考虑水击问题.但对于含粗颗粒物料的固液两相流体,由于粗颗粒与流体跟随性较差,水击过程中动量传递特性与细颗粒差异较大;同时,粗颗粒孔隙中含有的气体在水击发生时可以产生较大的压缩变形,改变了颗粒的弹性模量,对水击特性有重要影响.基于浆体水击波速公式,利用试验数据得出粗颗粒与流体的跟随性计算公式,引入颗粒孔隙气体分数修正颗粒弹性模量,推导出了含粗颗粒物料在垂直管流中水击波速公式.将该公式计算结果与锰结核垂直提升管道实验水击波速实测结果比较,二者比较吻合.     

涡激振动对管道液固两相流流场的影响

采用以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型和计算流体动力学(CFD)技术模拟涡激振动下的管道内部液固两相流流动,研究了涡激振动对深海采矿矿物颗粒水利提升的影响.通过对3种涡激振动工况下液固两相流流场计算分析,发现管道的涡激振动会改变颗粒轴向速度分布和颗粒浓度分布.在涡激振动作用下颗粒轴向速度分布发生"波动"现象,颗粒浓度分布发生周期性的变化,局部浓度明显提高.     

液压波动激励下的充液管道动力学特性

为了对充液管道的振动加以利用,研究其在非定常流激励下的动态特性,构建了以激波器为液压波动发生器的管道激振系统,建立管道液压激振的流-固耦合有限元数学模型,并求解了管道的动态响应.数值模拟结果表明:管内流体压力呈周期性冲击压力,其峰值压力是系统压力的数倍,且随系统压力的增大而增大;管道振动也呈现出周期冲击振动特性,并伴有高频谐波,冲击频率受控于激波器,振幅受控于系统压力,沿管道轴向两端振幅较大而中间较小,冲击振动主要由水击效应和固-液耦合的复合作用引起.设计了液压波动激振试验系统,仿真结果与实测数据符合较好,揭示了充液管道波动激励下的振动响应特性,为系统的振动主动控制提供了理论和数据支持.     

垂直管道中固液两相流动摩擦损失

本文运用两流体模型,提出计算垂直管道中固液两相流动摩擦损失的“双向”耦合数值方法。通过数值计算,研究固相颗粒直径、密度、浓度和液相速度对摩擦损失的影响。计算结果表明,摩擦损失随固相颗粒直径、密度、浓度和液相速度的增大而增加。本文的计算结果与试验值基本吻合。     

单泵与储料罐组合的深海采矿输送设备

根据软管采矿系统对输送设备的要求,研究出由储料罐与高压水泵组合而成的新的输送设备,其原理为:首先采用高压水泵对海水加压,然后采用储料罐将矿石加入到高压水中,通过高压水将矿石从海底输送到海面.根据两相流理论和Bernoulli方程,建立了储料罐与高压水泵组合输送的水力输送设备的设计理论体系.对输送系统的参数进行计算分析可知,对于矿石体积分数为7%～12%的流体,1 000 m深海采矿中试输送系统的水泵扬程为100～150 m,3 000 m深海采矿输送系统的水泵扬程为400～450 m.由储料罐与高压水泵组合而成的矿石输送系统简单,避免了矿石颗粒与水泵直接磨损,适用于深海采矿软管输送系统.     

液固二相流润滑下活塞环/缸套摩擦特性研究

文章基于Reynolds方程及颗粒承载模型,引入颗粒直径及浓度等参数,建立一种分析液固二相润滑下活塞环/缸套摩擦副润滑状态的模型,分析了不同颗粒直径和浓度对承载、油膜厚度及摩擦力的影响。当粒径小于最小油膜厚度时,液固二相流体的粘度、膜厚及摩擦力增加;粒径大于膜厚时,颗粒由于承载使油膜压力减小,经粘压效应,降低了二相流体的粘度、膜厚及摩擦力。     

垂直管道固液两相流的最小提升水流速度

通过分析粒径／管径比,紊流强度及颗粒群浓度对垂直固液两相流中大颗粒的阻力系统及颗粒沉降末速度的影响,得出一定条件下颗粒的临界雷诺数提前,阻力系数突降０．１,使颗粒的沉降末速度急增,在并此基础上,给出了可用于工业试验的最小水力提升水流速度。     

球形颗粒垂直管水力提升压力波动特性检测

为了揭示水力提升过程中颗粒运动诱发的压力波动,开展以水为循环工质、圆形玻璃珠为颗粒的垂直管水力提升实验,利用多路压力变送器测量实验段不同位置的压力信号,利用高速摄影仪对透明实验段内颗粒运动进行直接观测,结合差压信号互相关系数及颗粒运动图像确定代表性压力信号,运用统计分析和快速傅里叶变换进行信号处理,提取差压均值pv、差压平均幅值Av、主峰频率fp、频率主峰幅值Afp和时频熵S等时频域特征参数。研究结果表明:距基准面向上0.5倍管道内径处的取压孔能够更加准确、灵敏地检测到颗粒流的特性;差压均值等时频域特征参数与管道内压力波动之间未呈现出明显的规律性;以AvS和Afp/S这2个组合参数为基础建立的实验关联式的相关系数分别高达0.982和0.952,拟合值与实验值的相对误差分别为0.36%～1.68%和1.05%～5.02%。     

天然气水合物开采管道水力提升数值仿真分析

针对天然气水合物深海开采系统中管道的水力输送过程分析以及参数选择等问题,提出此系统的垂直提升硬管中管径、浆体流速、矿物密度、颗粒粒径和体积分数各参数及其范围,列出14种方案并以上述参数为依据划分为4组,基于FLUENT软件中的Eulerian模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对上述方案进行数值仿真和分析。研究结果表明:颗粒在垂直管道入口附近处体积分数高,往出口方向体积分数降低,且颗粒向中心聚集;浆体流速为中心区域大,略大于浆体进口流速,管壁附近小,接近于0 m/s;由压力损失、阻力损失与效率的关系,结合仿真数据分析得到的最优方案是管径为300 mm、浆体流速为1.65 m/s、矿物密度为1 190 kg/m~3、颗粒粒径为10 mm、体积分数为25%;在一定范围内,管径大、流速低、矿物密度小、颗粒粒径小、体积分数高对于天然气水合物管道水力提升有利,矿物密度对输送系统影响最大、颗粒粒径对输送系统影响最小,对工况的选取提供理论依据。     

垂直管道内液-固两相流动的压降和相分布特征

为得到垂直管道内液-固两相的流动特征,采用电阻层析成像方法对流动的相分布和含率等进行测量,并采用无量纲参数对流动的压降进行分析。研究表明,垂直管道内液-固两相流动中固相颗粒均呈非均匀分布,且浓度呈近似轴对称分布;不同颗粒粒径的液-固两相流动中的相间速度滑移程度不同;液-固两相流动中,粒径较小固相颗粒的掺入可有效降低流动的摩擦压降,具有湍流减阻的作用,而由于粒径较大固相颗粒间存在频繁碰撞,会增加流动压降;对于相间速度滑移较小的液-固两相流动,可采用均相流模型对流动的压降等参数进行精确计算,为准确预测液-固两相流动的压降,合理设计海洋资源生产及输送系统提供理论依据。     

横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响

为研究横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响,探究提高输送系统工作稳定性的方法,采用以颗粒动力学为基础的双欧拉模型和Fluent软件对横向摆动工况下的扬矿管内固液两相流进行模拟仿真,研究摆幅对管道压力损失梯度、出口处颗粒平均体积分数、颗粒体积分数沿径向分布以及颗粒轴向速度分布的影响。研究结果表明:管道摆动使压力损失梯度和出口颗粒平均体积分数呈周期性变化,摆幅越大,二者幅值变化越剧烈;随摆幅的增加,颗粒体积分数沿径向分布不均匀程度越严重,离管壁越近,颗粒聚集程度越高,最高体积分数达到30%;除管壁附近外,摆动工况下颗粒轴向速度沿管径基本呈线性分布,摆幅越大,轴向速度径向分布梯度越大,径向不对称性越严重。     

水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟

以Eulerian多相流方法为基础建立了水煤浆流动的液固两相流体动力学模型,并对水平管入口段内水煤浆流动进行了模拟.模型采用颗粒动理学理论求解固相本构方程,采用RNGk-ε湍流混合模型描述颗粒间具有强烈作用的两相湍流流动.针对水煤浆中煤粉颗粒的双峰分布特性,将煤粉看作2种大小不同的固相,同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换.模型有效性通过Kaushal等试验结果和水煤浆的压降试验验证.通过模拟考察了入口段内速度及浓度分布过程和入口段长度的变化规律.结果表明:重力和颗粒间的相互作用对浓度和速度分布过程具有重要影响;固相体积分数在30%~49.5%范围内,入口段长度随浓度的增加而减小,随平均流速(0.2~5.0m/s)先增加后减小.     

页岩气藏水力压裂中应力-流压耦合效应及人工裂缝扩展规律

为探究页岩储层水力压裂作业过程中地层应力和流体压力之间的耦合作用及人工裂缝扩展规律,根据有效应力原理和格里菲斯-库伦破裂准则,建立颗粒流应力-流压耦合数值模型,开展基于离散元方法的孔隙超压和水力压裂数值模拟研究。结果表明:孔隙流体压力与水平应力场之间存在耦合作用,孔隙超压能够降低固相介质的有效水平差异应力,增加岩石的抗破坏能力,存在孔隙超压的岩石的刚度和剪切破坏峰值强度均有提高;水平应力场与水力压裂流体之间也存在耦合作用,初始水平主应力的大小及方向直接影响压裂流体的扩展方式,水力裂缝会以细小裂纹的形式向最大周向应力方向延伸,最小周向应力方向的裂缝延展被抑制;应力-流压耦合作用下,流体生成的裂缝能够改变岩石介质所受最小水平主应力的大小及分布,最小水平主应力在裂缝尖端处弱化,在与裂缝垂直的方向增强。     

深海采矿扬矿软管流固耦合力学分析

采用三维流固耦合有限元模型,研究在复杂深海工况下扬矿软管的初始平衡构形、空间位移、主应力等特性,探讨外部海流速度内部矿物流体的提升速度、屈服应力、粘性系数以及软管的弹性模量等因素的影响.计算结果表明:随着集矿机向中间仓水平移动距离的增加,软管弯曲变形和侧向位移均增加;当流体的提升速度vi较低(vi≤4m/s)时,软管最大侧向位移Ymax与最大主应力σ1随vi的增大增幅均较小;:当vi较高(vi>4m/s)时,Ymax与σ1均随vi急剧增加;软管Ymax与σ1均随着流体屈服应力τ0的增加而增加,随着流体粘性系数μ和软管弹性模量E的增加反而减少;为确保管道系统的安全稳定,提高深海采矿效率,建议控制集矿机的工作行程(如100 m以内)和矿物流提升速度(如2.5～4 m/s),并采用有效的集矿方式(如延长集矿机内矿物破碎和脱泥时间、降低矿物粒径及矿物流浓度、减少泥沙含量等)以降低τ0和增大μ,同时选用弹性模量适中的软管材料.     

岩溶管道的折算渗透系数取值探讨

为完善岩溶管道的折算渗透系数计算方法,基于Izbash指数方程,在考虑了局部水头损失和沿程水头损失的条件下推导了岩溶管道的折算渗透系数公式,并通过建立弯折岩溶管道模型验证该方法的合理性。基于此弯折岩溶管道模型,采用单因素分析法,讨论了4种流态分区(层流区、水力光滑区、第二过渡区和水力粗糙区)下折算渗透系数对水流的雷诺系数、岩溶管道直径和弯折角度以及岩溶管道计算长度的响应。结果表明:(a)岩溶管道较短时,大雷诺系数和水流边界条件的急剧变化会产生较大的局部水头损失,此时推导的考虑局部水头损失的折算渗透系数可以较好地反映实际情况。(b)岩溶管道直径对折算渗透系数的影响最大;雷诺系数只在层流区影响较大,其他3个流态区雷诺系数、弯折角度和岩溶管道计算长度的影响与管道直径相比较小。     

低浓度固液两相流中的粗颗粒浓度分布

基于低浓度固液两相流的动理学分析所导出的颗粒相基本方程 ,在二维恒定均匀流的条件下 ,探讨了颗粒相浓度的垂向分布规律。通过模化粗颗粒垂向所受外力 ,得到了颗粒脉动能在均匀、线性和指数分布假设下的粗颗粒浓度公式。这些粗颗粒公式可以在一定条件下转化为基于扩散理论的传统公式 ,并与粗颗粒实验资料符合很好。传统公式在描述粗颗粒浓度分布上存在不足 ,并从动理学角度分析了其原因     

深海采矿高扬程粗颗粒多级输送电泵研究

针对扬矿电泵高扬程、粗颗粒过流及轴向流等问题,以深海采矿多级输送电泵整体设计为研究对象,通过对比国内外优秀的深海采矿泵模型,提出高扬程粗颗粒多级输送电泵的设计方法,并进行四级扬矿电泵设计。分析并计算多级输送电泵所受的外载荷、轴向力和螺栓承受的拉力,利用有限元分析软件对泵体的强度和刚度进行计算,最后对两级扬矿电泵的工作特性进行实验研究。研究结果表明:当设计流量为432 m3/h时,两级电泵的扬程为82 m;当结核浆体体积分数为0~10%时,泵的功率-流量曲线变化平缓,泵的颗粒过流能力强,泵的各部件均满足强度和刚度的要求,验证了多级输送电泵设计方法的有效性。     

基于PIV技术粗颗粒在管流断面浓度分布试验研究

在河道清淤、全尾砂充填以及深海采矿等很多工程应用中,需要利用管道输送粗颗粒物料,以往对粗颗粒在管流中的运动特性研究较少,工程设计缺少参考依据.本文基于PIV技术对管流中粗颗粒浓度分布进行试验研究.试验中,采用了0.5、1.5、2.5mm三种粒径的石英砂作为输送物料,利用PIV记录了1.5、2.5、3.5m/s三种不同管流速度下颗粒在断面上垂向浓度分布特征.结果表明:在一定流速条件下,颗粒粒径越大,浓度分布越不均匀,浓度最大点的高度越低,最大浓度值越大;一定粒径条件下,流体平均流速越大,浓度分布越均匀,浓度最大点位置越高,最大浓度越小.基于量纲分析法和试验结果拟合,得到了颗粒垂向最大浓度点出现的相对高度与水流平均流速、颗粒粒径、管径的关系.最大浓度点位置计算值与实测值最大误差为10%.     

考虑流固耦合的深海采矿长输流硬管力学行为

利用Workbench软件建立深海采矿长输流硬管的流固耦合有限元模型,研究管长、顶端张力等因素对其固有频率的作用效果;分别在内流和外流作用下对硬管进行流固耦合动力学仿真,研究内流流速、内流密度、外流流速等对其力学特性的作用。研究结果表明:扬矿硬管的固有频率随着硬管长度的增加而降低,随着硬管所受的顶端张力的增加而增加;在内流作用下,扬矿硬管的最大侧向位移和最大主应力随着内流速度增大而增大,随着内流密度的增大而增大;在外部海流作用下,扬矿硬管的最大侧向位移和最大主应力随着外部海流速度增大而增大;为确保扬矿子系统高效平稳地工作,建议内流流速在合适的区间(如2.5~3.5 m/s)内变动,且整体深海采矿系统应在外部海流速度小于0.8 m/s条件下作业。     

泥沙颗粒直径及体积分数对高比转速离心泵的影响

基于小粒径固液两相流在高比转速离心泵内运动比较复杂的情况,以黄河含沙水为工作介质,采用改变颗粒直径和含沙水颗粒体积分数的方法,借助Mixture多相流模型扩展的标准k-ε湍流方程与simple算法,应用CFD软件对小粒径颗粒在高比转速离心泵内的流动进行数值模拟.通过内流场的速度、压力与颗粒分布,分析粒径大小对泵内固体颗粒运动的影响和进口固相初始体积分数对泵内压力和固相分布的影响,给出离心式泵叶轮的磨损特性.计算结果表明,相同的泥沙体积分数条件下,水泵的扬程随着颗粒直径的增大而下降,相同的泥沙颗粒直径条件下,水泵的扬程随着含沙水流中泥沙体积分数的增大而下降.