深海采矿矿浆输送浓度变化规律研究

论文摘要

清水泵和储料罐组合的矿石输送设备是一种采用水泵对海水加压,然后通过储料罐将矿石掺入到高压水管中进行矿石输送的设备。针对该输送设备对矿石输送体积浓度难以按我国深海采矿中试要求进行控制的问题,本文采用流体分析软件对清水泵和储料罐组合的矿石输送设备的内部流场进行仿真分析,揭示了该输送设备内部流场的基本特征,并得到了矿石输送体积浓度变化的基本规律。本文的主要研究内容和研究成果如下：第一、在对清水泵和储料罐组合的矿石输送设备的结构进行了剖析的前提下,首先根据产能要求设计和计算了输送管道的内径；接着分析了储料罐的工作环境和工作要求,设计了一种适合深海工作的储料罐；然后针对给料过程中存在的问题,设计了一种文丘里给料装置；最后分析了喷管射流冲击力、卷吸力、卷吸量和卷吸效率等特征参数,为预测矿石的流动提供了依据。第二、对清水泵和储料罐组合的矿石输送设备内的固、液两相流建立了数学模型,选择了欧拉-欧拉双流体模型、RNGκ-ε湍流模型和GidaspOw固液相间拖拽模型来模拟输送设备内的固液两相流动。第三、运用流体分析软件Fluent分析得到了输送设备内部流场的基本特征,同时得到了设备参数、输送速度、颗粒粒径和矿石堆积高度对矿石输送体积浓度影响的一般规律。基本结论如下：（1）在其它条件相同情况下,喷管直径大小决定了输送效率的高低,喷管直径越大矿石输送效率越高；（2）当喷管出口距离罐底高度为800mm时,或者在800～900mm范围内时,矿石输送过程顺畅,矿石输送体积浓度变化幅度小；（3）在yinlet1不变情况下,矿石输送体积浓度随着yinlet2的增加而降低,因此可以通过调节Inlet2入口速度实现对矿石输送体积浓度的控制；（4）在相同工况下,矿石最大输送体积浓度随着颗粒粒径的增大而降低；（5）储料罐内矿石充装程度对矿石输送体积浓度的影响极小,基本保持不变。第四、利用相似理论建立了矿石输送设备的实验模型,通过实验分析,验证了输送设备的可行性；同时将在不同工况下的矿石输送体积浓度值拟合得到的曲线与数值模拟结果进行对比分析,验证了数值模拟结果的准确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 深海矿产资源开采的意义
• 1.2.2 深海采矿技术研究现状
• 1.2.3 深海多金属结核开采技术
• 1.2.4 深海采矿水力管道输送方法国内外研究现状
• 1.3 清水泵和储料罐组合的矿石输送设备的工作原理和存在的问题
• 1.4 本文的研究目标和研究内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 清水泵和储料罐组合的矿石输送设备的参数分析与计算
• 2.1 清水泵和储料罐组合的矿石输送设备总体结构
• 2.2 输送管道的参数分析与计算
• 2.3 储料罐的设计
• 2.3.1 储料罐的设计要求
• 2.3.2 储料罐的结构设计
• 2.3.3 储料罐的参数计算
• 2.4 给料装置设计
• 2.4.1 下料口的结构设计
• 2.4.2 文丘里引射器的设计
• 2.5 喷管参数对矿石输送浓度影响分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 矿石输送设备内部固液两相流动的数学模型
• 3.1 输送设备内多相流基本方程
• 3.1.1 流体运动的控制方程
• 3.1.2 欧拉-欧拉双流体模型
• 3.2 湍流模型的选择
• 3.2.1 湍流模型分类
• 3.2.2 RNG κ-ε湍流模型
• 3.3 输送设备内矿石和海水两相拖拽模型的选择
• 3.4 本章小结
• 第四章 设备参数和输送参数对矿石体积浓度的影响分析
• 4.1 数值模拟的前处理
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 计算模型简化
• 4.1.3 计算模型网格划分
• 4.1.4 颗粒粒径的确定和多相流模块的选取
• 4.1.5 操作环境和边界条件的设定
• 4.1.6 矿石的添加
• 4.1.7 计算方法的选取
• 4.2 清水泵和储料罐组合的矿石输送设备内部流场基本特征分析
• 4.2.1 输送设备内液相流动情况
• 4.2.2 输送设备内固相流动情况
• 4.2.3 输送设备内的压力分布
• 4.2.4 输送设备内矿石流动过程分析
• 4.3 设备参数对矿石输送浓度的影响分析
• 4.3.1 喷管直径对矿石输送浓度的影响分析
• 4.3.2 喷管出口距储料罐底高度对矿石输送浓度的影响分析
• 4.4 海水输送管道出口速度对矿石输送浓度的影响分析
• 4.4.1 inlet1入口速度对矿石输送浓度的影响
• 4.4.2 inlet2入口速度对矿石输送浓度的影响
• 4.5 颗粒粒径对矿石输送浓度的影响分析
• 4.6 矿石堆积高度对矿石输送浓度的影响分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 矿石输送体积浓度的实验研究
• 5.1 实验总体设计
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验原理
• 5.1.3 试验内容
• 5.2 实验模型设计
• 5.2.1 相似原理
• 5.2.2 矿石输送设备模型相似比例尺分析
• 5.2.3 相似比例尺和模型参数的确定
• 5.3 实验设备和实验步骤
• 5.3.1 试验原理图
• 5.3.2 试验仪器与设备
• 5.3.3 实验步骤
• 5.4 实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果