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粗颗粒垂直管水力提升规律研究

李鹏程  
【摘要】: 固体粗颗粒物料的垂直管水力提升常见于石油开采、化工反应、深海采矿、水力采煤、河湖清淤等工程场合。为保证管道输送的安全和效率,需要研究粗颗粒在垂直管提升过程中的运动信息,获得粗颗粒的速度、浓度变化过程和水力提升管道的阻力,以及这些参数随输送条件的变化。 本文在自制的粗颗粒垂直管水力提升试验管道中开发了一种摄像测量试验方法。摄像测量方法对颗粒视频进行图像处理并对图像结果进行粒子匹配和粒子统计,获得粗颗粒的速度和浓度信息。通过该方法,获得了天然形状粗颗粒在垂直管水力提升过程中的速度和浓度特征。试验中获得的实测资料对粗颗粒垂直管水力提升运动的研究具有一定价值。通过对试验结果的分析,获得了粗颗粒速度和浓度随提升流速、输送浓度和颗粒密度的变化规律。本文开发的摄像测量方法也可用于其他颗粒-流体运动试验。 本文发展了基于离散颗粒方法的二维粗颗粒垂直管水力提升数值模型。该模型在考虑流速脉动、颗粒自转计算、流体-颗粒耦合作用等方面进行了改进。该模型比较准确的反映了颗粒在流场中所受的作用,数值模拟所得粗颗粒速度和浓度分布与试验结果符合较好。利用该数值模型对锰结核粗颗粒在深海采矿扬矿管中运动的预测结果表明,为保证锰结核粗颗粒水力提升扬矿管的安全,应当控制最大颗粒粒径,并采用适中的输送速度和输送浓度。 通过比较已有的研究成果,本文总结了适于工程实际中使用的粗颗粒垂直管水力提升临界提升流速和管道输送阻力的计算公式。相关公式建立了两相流宏观性质与相关参数的关系,便于在工程中使用,并通过试验数据得到了验证。本文应用双流体模型的颗粒运动方程分析了垂直管水力提升过程中粗颗粒浓度径向分布的影响因素。粗颗粒浓度径向分布是流速脉动、颗粒脉动、颗粒碰撞和径向力等不同扩散作用综合作用的结果。采用颗粒扩散方程解释粗颗粒浓度径向分布有其局限性,建议采用数值模拟方法进行预测。


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