深海多金属结核采矿水力提升系统螺旋流发生装置的设计与仿真

论文摘要

人类正在迎接深海采矿时代的到来,世界各国的科学家们对海洋进行了大量的探查与研究,发现海底储存有大量的多金属结核、钴结壳、油气资源、热液矿床及其它矿藏。尤其是大洋多金属结核,广泛分布于海洋深处的海底沉积物上。本课题研究对象是国际上公认最具实用前途的深海采矿系统中最大的问题---如何提升海底多金属结核?本文通过对龙卷风高速旋转角动量的分析,采用流体运动与地球自转相结合的方式,从整体系统研究流体螺旋流所必须遵循的动力学及旋向的规律。通过研究龙卷风的运动,探讨龙卷风形成机制,通过气压梯度力、惯性离心力和黏性力三力相平衡的气动力和热力学方程组,求得龙卷风的三维速度场的分布表达式,并从理论分析和探讨人工生成龙卷风的可行性。建立和研究立轴螺旋上升流水力学模型。同时,对圆管上升螺旋流进行建模、仿真和分析,为进一步的深海采矿多金属结核螺旋流水力提升系统设计提供理论基础。提出设计高速螺旋流发生装置,实现具有强大抽吸、贯穿和裹挟作用的多金属结核高速螺旋流,形成向心压力场,使多金属结核向心旋升,避免金属结核与管壁摩擦碰撞,并降低使螺旋流与管壁的摩擦阻力,从而极大地增强深海采矿多金属结核水力提升能力和提升效率,降低能量损耗的设计思想及理念。从深海采矿水力提升矿浆泵的输送环境、性能参数要求、输送形式等方面,阐明了深海采水力提升矿浆泵的设计原则、基本参数确定、泵型选择及我国在该领域的现状与未来的展望。通过深海采矿水力提升机理的研究和提升装置的创新设计,改革和创新扬矿管内多金属结核流的形态和结构,提高深海水力提升多金属的可靠性和经济提升效率。同时,建立扬矿管内多金属结核螺旋流和提升装置的力学模型,运用Fluent流体运动分析软件,进行螺旋流提升装置的模拟试验,通过计算,求得最终描述流场的数值解,绘制压力变化曲线,能量曲线,速度曲线等,并在此基础上分析总结水力提升参数和提升装置设计参数间的相互关系和变化规律,从而对提升装置的结构参数和各工艺参数进行设计及优化。设计出完整的,结构合理的深海采矿水力提升装置。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.1.1 课题研究的意义
• 1.1.2 课题研究的目的
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 课题研究的内容与组织结构
• 1.3.1 课题研究方案
• 1.3.2 课题的主要研究内容
• 1.3.3 课题研究内容及组织结构
• 1.4 本章小节
• 第二章 螺旋流提升机理的分析和力学模型的建立
• 2.1 自然龙卷风的生成机制
• 2.1.1 龙卷风的角动量
• 2.1.2 龙卷风最小半径圆柱内低气压的形成
• 2.1.3 龙卷风发生的可能机制
• 2.2 人造龙卷风形成机理和方法
• 2.2.1 形成机理
• 2.2.2 诱旋机理
• 2.2.3 自由涡生成机理
• 2.3 立柱螺旋上升流模型的建立三维数值模拟
• 2.3.1 数值模型
• 2.3.2 数值求解
• 2.3.3 网格划分及计算条件
• 2.3.4 计算与结果
• 2.4 圆管螺旋流的三维数值模拟
• 2.4.1 数学方程
• 2.5 本章小节
• 第三章 螺旋流水力提升系统的总体设计
• 3.1 螺旋流水力提升系统的总体设计
• 3.2 水力提升系统参数分析
• 3.2.1 水力提升混合流体的物理特性
• 3.2.2 提升管道的参数分析
• 3.2.3 输送系统参数确定
• 3.2.4 多金属结核扬矿管水力提升系统的计算分析
• 3.3 海底扬矿螺旋流发生装置的设计
• 3.3.1 切向起旋仓体设计
• 3.3.1.1 切向起旋仓体特征量
• 3.3.1.2 旋流流动所遵循的关系
• 3.3.1.3 粘性理论修正
• 3.3.1.4 设计计算过程
• 3.3.2 螺旋流发生装置的中继仓设计图
• 3.4 中继仓环壁高压喷嘴的结构设计
• 3.4.1 高压喷嘴的设计要求
• 3.4.2 喷嘴参数对射流结构影响的数值模拟
• 3.5 本章小节
• 第四章 螺旋流局部继旋器的设计
• 4.1 螺旋流形成方式
• 4.2 扬矿管螺旋流继旋器的设计及结构参数
• 4.3 扬矿管继旋器内螺旋流的阻力损失
• 4.3.1 阻力损失公式的推导
• 4.3.2 阻力系数的试验确定
• 4.4 本章小节
• 第五章 水力提升矿浆泵的设计原则及选型
• 5.1 深海采矿水力提升矿浆泵的简介
• 5.1.1 深海采矿水力提升矿浆泵的设计原则
• 5.1.2 水力提升矿浆泵的结构和选型
• 5.2 水力提升矿浆泵基本参数
• 5.3 水力提升矿浆泵的设计数据
• 5.3.1 硬管提升电泵设计主要技术性能指标
• 5.3.2 提升电泵以下有关设备的参数
• 5.3.3 泵的性能参数计算与选择
• 5.4 本章小节
• 第六章 螺旋流水力提升计算机仿真与装置参数优化
• 6.1 Fluent软件及课题仿真简介
• 6.2 环壁射流喷嘴的仿真试验与参数优化
• 6.2.1 环壁切向射流喷嘴的仿真
• 6.2.2 环壁切向射流喷嘴的参数优化
• 6.3 中继仓环壁切向射流起旋装置的仿真试验
• 6.4 局部继旋器的仿真试验与装置参数优化
• 6.5 本章小节
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况