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海底矿石在软管中的水力输送是深海采矿的重要过程。采用计算流体动力学—离散元耦合的计算方法（CFD-DEM），对矿石颗粒在软管中的输送进行数值模拟，重点关注矿石颗粒的运动、分布规律以及管壁受到的颗粒作用力，分析输送速度和输送浓度（入射颗粒的体积分数）对输送过程的影响规律，探索管道中易发生堵塞、易受颗粒磨损的区域。结果表明，软管中颗粒的动力学特性与管道倾角、输送速度和输送浓度有关。颗粒主要沿管道截面底部推移，倾角较大的上升段出现处于悬移状态的颗粒；管道横截面内颗粒运动速度从上至下递减，截面中心处颗粒的速度接近输送速度。输送过程中颗粒的局部浓度（该区域颗粒与固液两相流的体积比）始终大于输送浓度，局部平均速度始终小于输送速度。上升段颗粒体积分数大于下降段，颗粒速度小于下降段。管道拱顶和谷底位置管壁所受颗粒作用力最明显，管壁最可能受颗粒磨损。 相似文献
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目前公认的深海采矿系统是利用管道水力将深海底矿石提升到海面采矿船上。由于受海底破碎条件和废水排放环境要求,输送的深海矿石粒径较粗。粗颗粒具有极易沉积的特点,输送参数也较难确定。通过自行设计的管道水力输送模拟系统,研究了不同浓度、粒径、速度条件下粗颗粒在水平管道中的运动状态及阻力损失的变化规律。研究结果表明:(1)随固液两相流流速的增大,水力坡度呈现规律性变化,且阻力损失的变化规律与粗颗粒运动状态存在一定的关系;(2)通过引入管道附加损失与福氏数,建立了颗粒运动状态与阻力损失之间的定量关系,提出了粗颗粒在水平管道水力输送条件下流态分区的判定标准;(3)分析了管道附加损失的影响因素,提出了管道附加损失的计算公式。研究结果为粗颗粒管道水力输送系统参数设计提供依据。 相似文献
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浸没于水中的粗颗粒管道输送系统,由于受到泵、内部两相流及外部流体三者的耦合激励,管道系统振动将对管道输送参数和安全稳定性产生严重影响。为了深入分析水下管道输送系统工作时振动的特性,设计了一套振动测试,对管道系统振动进行了测试,获取管道在不同工况下的时域波形,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。试验结果表明:随着输送体积浓度增加,X与Y方向的最大振动幅度随着体积浓度增大而增大,但是Z方向的最大振动幅度则是随着体积浓度增加而降低;同一输送浓度情况下,Y方向振动幅度最大,X方向次之,Z方向最小;随着输送浓度提高,流体紊流引起的管道振动加剧。这些结论将为深海采矿管道支撑结构设计和减振提供参考。 相似文献
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以垂直悬臂提升管道为研究对象,应用有限元软件ADINA对其输送过程进行流固耦合效应特性分析。本文应用有限元软件ADINA对扬矿管道进行管内流体—管道—管外流体三者流固耦合模态分析。首先建立了扬矿管道流固耦合有限元模型,得到了不同输送矿石体积浓度、管道截面尺寸下的前6阶固有频率和振型,继而比较了上述条件下三者耦合、二者耦合及无耦合情况的固有频率,讨论了流固耦合作用对管道固有频率的影响。研究结果表明:(1)扬矿管道流固耦合效应下其固有频率随着管内输送矿石颗粒浓度的增大而降低,考虑管内流体—管道—管外流体三者流固耦合时的管道固有频率较只考虑管内流体—管道二者耦合和不考虑流固耦合时要小,影响系数也相应降低;(2)流体对管道流固耦合固有频率的影响程度随着相对厚度d值的增大而减小,在考虑管内流体—管道—管外流体三者流固耦合时管道固有频率较只考虑管内流体—管道二者耦合相对误差增大;(3)在实际的扬矿管道输送中应该考虑输送流体颗粒浓度、不同相对管道壁厚、管内流体—管道—管外流体三者流固耦合作用对固有频率的影响,尽量使管道固有频率远离工作频率,避免共振情况的发生分析结果对扬矿管道的动态响应计算、结构设计和减振研究具有一定的指导意义。 相似文献
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针对具有颗粒粒级跨度大且粒径大特点的固液两相流系统,如深海采矿系统等,开发新型粗颗粒—均质浆体计算模型,该模型采用欧拉—拉格朗日计算法,大粒径颗粒视为固相粗颗粒,其余视为细颗粒与海水组成液相均质浆体。固—液相间滑移速度v_(slip)作为粗细颗粒划分标准,通过联立颗粒雷诺数Re_p,液相对颗粒绕流阻力系数C_d,颗粒粒径d_p等参数,得到滑移速度v_(slip)与颗粒粒径d_p的相关函数,获得粗细颗粒的划分粒径,进而得到两相流控制方程。利用CFD软件,使用该方法对粗颗粒固—液两相流垂直管提升系统进行仿真计算,并将所获得的仿真结果与已发表成果进行对比,发现数据较为吻合,从一定程度上验证了该计算模型的准确性。 相似文献
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《海洋湖沼通报》2016,(5)
为研究颗粒粒径对深海采矿提升泵工作性能影响,采用RNGκ-ε湍流模型和Hinze-Tchen颗粒湍流粘性系数模型,运用Fluent软件对采矿提升泵内固液两相流进行数值模拟,比较不同的颗粒粒径对采矿提升泵内颗粒浓度、速度、压力分布的影响,进而分析颗粒粒径对扬程、效率等工作性能的影响,指导深海采矿提升泵的设计。研究结果表明:在转速、流量、颗粒体积分数不变情况下,随着颗粒粒径增大,泵的扬程和效率都逐渐下降;叶轮叶片中前部流道内浆体的颗粒浓度大幅上升,叶轮流道内颗粒动态沉积更加严重,叶轮流道过流面积随之减小,反而加大了叶轮流道内贯流的相对速度,从而有效地抑制了边界层分离的发生,但在叶轮叶片中后部压力面上浆体压力下降幅度较大,泵内浆体总压逐渐下降,扬程随之减小;在叶轮出口处,流道内固液两相流的速度差异增大,在叶轮出口处形成的射流-尾迹结构增强,并在空间导叶流道内形成更加明显的二次流及漩涡,从而加大水力损失,降低效率。实验证实了数值模拟方法的可行性及准确性。 相似文献
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文章旨在确定深海多金属结核的物理特性，并分析其对采输过程的影响，以指导工程应用。总结了深海多金属结核开采的最新研究进展，通过对数据进行统计整理、回归分析，确定了结核形成机理及主要成分、在海底的分布特性、结核形态及构造、结核尺寸与重量关系、含水量、密度、孔隙特性及结核强度等关键物理特性。研究表明：结核形状多样，质松多孔隙，含水率高，近似均匀分布在海床上或浅泥层中。颗粒质量和尺寸联合概率分布具有长右尾特性，需使用更广义的联合概率密度函数copula才能准确建模。结核抗拉强度随结核直径增大按对数函数递减。此外，深海高压环境下结核的开采需更多能耗，且结核表现出更高的延性。结合固液两相流分析和颗粒沉降理论，分析了结核形状、尺寸、密度等主要参数对水力举升过程的影响，确定了颗粒破碎的主要方式和规律，总结了不同粒径级配输运造成堵塞的可能原因。 相似文献
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深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响，预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法，采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究，分析近海底排放的羽状流演化和发展过程，探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明：初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小，随着入射质量浓度的增大而增大；初始羽状流入射速度和质量浓度越大，撞击海底后的水平方向流动速度越快，影响区域越广；水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长；当初始质量浓度和速度高于50 g/L和 0.5 m/s 时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状，影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。 相似文献
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《海洋湖沼通报》2015,(2)
针对深海天然气水合物海开采系统的管道水力提升过程中,因水合物在压力降低的情况下部分气化而产生气体,使得矿浆垂直运输从传统两相流变成了三相流的问题,建立了沿管道方向压力和分解量与海洋深度的函数关系,求出了分解临界面的深度,以及与气体体积和密度等相关的参数;分析了管径、颗粒粒径、浆体流速、输送体积浓度和矿物密度5个参数对分解临界面和产生气体质量的影响,从而总结出沿管道的水力损失越小,临界分解面越深,分解出来的气体越多的规律,并选取了管径为300mm,颗粒粒径为10mm、浆体流速为1.65m/s、输送体积浓度为30%和矿物密度为1190kg/m3的最佳运输条件。 相似文献
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首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场，设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40％和80％的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验。得到了轴向速度影响规律：压力梯度一定时，黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大；流量一定时，黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小；偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小；当其它条件相同时，轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好。证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。 相似文献
11.
AbstractMetal minerals in deep sea are considered to be the most important mineral resources in the 21st century. With the development of science and technology, deep-sea mining has gained more and more attention, and the pipeline lifting method is the most promising for mining. It is particularly important to use the pump as a key component in the pipeline upgrading. In this paper, the DEM–CFD method is used to study the solid–liquid two-phase fluid flow in the Deep-Sea lifting motor pump. Data about the distribution of pressure on the suction surface and pressure surface as well as the distribution of particles in the pump under different rotation speed can be obtained. Tests verify the efficiency and head of the pump by numerical simulation. It provides a theoretical method for the study of solid–liquid two-phase fluid flow in deep-sea mining. 相似文献
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根据矿石输送软管挠度变化很大的特点,采用了几何非线性有限元理论对输送系统进行力学分析;根据输送管道在采矿船和采矿车的牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对输送系统进行了计算分析。从计算结果的比较分析可知,在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;采矿车牵引输送管道运动时,海水对管道产生很大的阻力,海水阻力对管道两端结点反力和管道形状影响都很大。 相似文献
13.
随着陆上资源的日渐枯竭,深海开发已经成为世界主要大国的重要战略目标,实现高效、低能耗的深海矿产提升具有重要意义。基于大颗粒垂直管道提升理论和离心泵理论,针对不同矿浆浓度设定多种工况,假定泵级数,分别求解系统工作点。从效率、产量、功率和单位产量能耗四个优化指标出发,借助图像进行直观分析比较,优化泵级数的设置。分析结果表明,单位产量能耗在某一较高泵级数处可取得最小值,此时亦可保证较高的产量和泥泵效率较好的发挥,该泵级数可选取为最优泵级数方案。 相似文献
14.
采用物理模型试验研究了海流作用下海底输油管道溢油扩散特性。水槽中的原油从管道的泄漏点溢出，并从海底扩散到海面。采用非接触式光学测量技术，设计了图像采集与数据分析系统，研究原油泄漏机理和特性。通过该系统获得了溢油的轨迹、速度和海面上升时间。从定性和定量两个角度分析了水流和溢油量对溢油行为的影响。之后给出了特征物理量对各种因素的敏感性研究。溢油在水下主要以不同粒径的散状颗粒的形式分布。原油的上升过程可分为三个阶段：饱满、分散和聚集阶段。溢油量是影响油粒子上升时间的主要因素。在油粒子的上升过程中，原油的垂直速度主要受溢油量的影响，横向速度则更依赖于水流速度。不同水流与溢油量下，横向溢油速度的偏差远大于海面上升时间和垂直溢油速度的偏差。该研究可为溢油应急预测系统提供理论参考。 相似文献
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深海采矿系统中的长距离垂直输运管道在工作中具有复杂的流固耦合力学特性,在生产作业中其结构安全性和可靠性面临严峻考验。建立深海采矿系统从海底到水面的完整模型,采用集中质量法对于其中的长距离垂直输运管道的环境载荷进行了研究,并将计算结果与模型试验测量值进行对比验证,重点分析管道顶部轴向张力和剪力的大小关系以及变化规律。分析结果表明:在深海采矿系统的长距离垂直输运管道中,轴向张力在结构载荷占主要成分,由波浪引起的结构轴向张力增加会达到管体自重的38%～48%。因此,选择合适的作业工况对降低结构载荷,加强结构安全性能有很大帮助。 相似文献