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《武汉大学》 2016年
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水下矿物浆料气力提升理论模型与流动特性实验研究

胡东  
【摘要】:随着有利于浅层开采的矿产资源逐渐枯竭,着眼于深部与超深部资源的高效、无污染浆料提升技术己迫在眉睫。作为举升浆料的有效工具之一,气力提升系统不含运动部件,具有结构简单、体积小、成本低、污染少、不易堵塞和使用可靠等优点,特别适合应用于钻孔水力开采、深海采矿以及深水域库区疏浚等领域,对改善环境、解决自然能源供应紧张与经济高速发展之间的矛盾、倡导可持续性发展具有重要的经济战略意义。目前,因多相流的复杂性和不可预见性,针对于浆料气力提升技术的基础理论与实验研究尚不完善,特别是系统理论模型及其内部流动机制的研究极为缺乏。本文以获取精确、高效、通用性强的理论模型以及多相流动特性为目的,通过理论与实验研究揭示浆料气力提升系统的外部及内部特性。所开展的主要工作及其研究成果如下:(1)考虑气体沿管轴向的非线性变化特征,基于动量定理并结合相含率、压降与能量控制方程,建立了气力提升系统的理论模型,有效解决了传统模型中经验公式偏多及其受限于单一流型等弊端,计算得出了系统运行与结构参数对气力提升性能的作用规律,结果表明:液体表观流速、固体表观流速与提升效率随气体表观流速和管径增加均呈先升后降之趋势,而随浸入率和进气口高度增加则体现出单调性;气、液、固各相体积份数沿轴向在进气口位置出现突变,而在液-固两相中基本恒定不变,即使处于气-液-固三相段也仅发生细微变化;随气体表观流速与浸入率上升,两相段压降基本恒定不变,而三相段压降却受此作用极为明显。(2)以颗粒在液-固两相段中的临界模型为基础,结合气相含率控制方程建立了气-液-固三相段的临界模型,并通过与前者的比较判定颗粒得以提升的临界条件取决于液-固两相段。此外,考虑水底静压持效应,对上述两相段中的临界模型进行修正,其计算结果表明静压持效应极不利于颗粒的“启动”,甚至造成气力提升系统失效。(3)为验证理论模型的可靠性,搭建了总高度为3m的小型气力提升系统,并以中、小尺度球形麦饭石陶瓷颗粒为提升介质,同时利用压力传感器获取测点静压,实验分析了系统基本性能、压降特征与临界条件的影响因素及其内在联系,结果发现中等气体表观流速下实验值与模型结果吻合较好,而其值过低与过高均因各相滑移加大及流场结构的瞬变性、随机性等复杂因素增强引发模型预测失准,同时浸入率降低也会导致模型精确性降低。此外,对气力提升液体与固体颗粒的临界情况分别展开研究,发现前者对应临界气体表观流速不受颗粒影响,而后者却因其位置与尺度变化存在较大差异,且实验证实了水底静压持效应的确使得气力提升性能出现大幅恶化。(4)提出了一种兼有传统气举和射流泵双重功效的环喷式进气方式,使其固体表观流速与效率较径向式进气大幅升高,不过液体表观流速并未受此影响。对两种进气方式下的实验数据无量纲化处理还发现,两者分布规律基本服从于同一分布曲线,继而基于能量守恒首次推导了对应的无量纲理论模型,有效支撑了上述实验结论。另外,还通过引入水射流喷嘴研究其对气力提升性能的影响规律,结果表明水射流喷嘴不仅可解除水底压持效应,还使得颗粒易于跃过液-固两相段,从而大幅增强了气力提升性能,且喷嘴沿周向布置应适度“偏心”。(5)基于高速摄像技术对气-液-固三相流型进行划分,提出了泡状流,小弹状流,不规则弹状流,大弹状流(弹状流),搅拌流,细泡状流和环状流七种流型,并通过与固体表观流速峰值位置的比较判定细泡状流为气力提升性能对应的最佳流型,继而基于图像处理技术获得了各流型下的灰度直方图及概率图,从而通过提取其中统计特征值,获得了基于标准偏差的流型识别方法。通过利用高速摄像仪对混合流体及其中气泡与颗粒的分布和运动特性的分析发现,气泡与颗粒在提升性能增强过中逐渐渗入流道芯部,反之则向管壁靠拢并趋于离散,且气、液、固各相运动具有较强的周期性,从而使得混合流体呈振荡式上升运动规律。而且在固体颗粒的周期运动中发现其提升比极小,从而找出了长期以来气力提升性能一直偏弱的根本原因。鉴于此,利用高速摄像仪对环喷式进气方式作用下的混合流体实测,发现其中提升比显著升高。此外,气泡的塌陷式收缩还会引发邻近气泡与颗粒出现跳跃现象。(6)针对湖南省道县后江桥铁锰矿区的特有地质条件,提出了脉冲水射流和气力提升联合采矿方法,实现了国内特大型涌水矿床开采的先例。试验结果证实了气力提升技术在钻孔水力采矿中的优越性。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TD857

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 胡东;康勇;唐川林;王晓川;;Modeling and Analysis of Airlift System Operating in Three-Phase Flow[J];China Ocean Engineering;2015年01期
2 裴江红;唐川林;;影响气举装置临界提升气体表观速度因素的研究[J];矿冶工程;2015年01期
3 孔祥伟;林元华;邱伊婕;;控压钻井中三相流体压力波速传播特性[J];力学学报;2014年06期
4 魏纳;孟英峰;李皋;李永杰;徐朝阳;李红涛;;欠平衡钻井正气举过程井筒瞬态流动数值模拟[J];石油学报;2014年01期
5 葛兆龙;周哲;卢义玉;夏彬伟;汤积仁;;影响自激振荡脉冲射流性能的喷嘴结构参数研究[J];四川大学学报(工程科学版);2013年05期
6 唐川林;胡东;张凤华;蔡书鹏;;自振脉冲气液射流振动分析[J];力学学报;2013年04期
7 胡东;吴霞;唐川林;廖振方;;钻孔水力开采用气力提升装置的实验研究[J];机械科学与技术;2013年05期
8 胡东;赵哲睿;唐川林;张凤华;;进气方式对气力提升效率的影响规律研究[J];矿冶工程;2013年01期
9 胡东;唐川林;廖振方;;基于动量定理的气举提升系统建模与分析[J];排灌机械工程学报;2012年05期
10 胡东;唐川林;张凤华;杨林;;进气方式增强气力提升作用的研究[J];水动力学研究与进展A辑;2012年04期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 温继伟;油页岩钻孔水力开采用射流装置的数值模拟与实验研究[D];吉林大学;2014年
2 李洪伟;基于数字图像处理技术的气液两相流型识别与演化规律研究[D];华北电力大学;2012年
3 裴江红;钻孔水力开采中气力提升系统的特性[D];重庆大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 刘曼;局部弯曲对气力提升性能的影响规律及管内流型分析[D];湖南工业大学;2014年
2 郭岚威;邛西须二气藏气举排水采气工艺技术研究[D];西南石油大学;2014年
3 杜鹏;气举与喷射气举的理论分析及实验比较[D];湖南工业大学;2011年
4 陆大玮;脉冲气提装置的研究[D];机械科学研究总院;2007年
5 胡东;气举提升装置的理论分析和实验研究[D];湖南工业大学;2007年
6 汤勃;三相流管道输送加气减阻与助送技术研究[D];武汉理工大学;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 魏纳;孙万通;孟英峰;周守为;付强;郭平;李清平;;海洋天然气水合物藏钻探环空相态特性[J];石油学报;2017年06期
2 唐川林;徐旭;胡东;;基于高速摄像技术的气力提升性能分析[J];工程科学与技术;2017年02期
3 沈建文;;川西深井协同控制立压与套压循环排气研究[J];石油矿场机械;2017年01期
4 刘新阳;朱安福;高传昌;胡亚州;解克宇;;水下自激吸气式射流装置冲击力时频特性分析[J];振动与冲击;2016年24期
5 徐宝昌;孟宇;刘伟;;控压钻井井下不可测变量的非线性估计[J];石油学报;2016年12期
6 方珍龙;康勇;王晓川;刘文川;李登;周勇祥;;腔径比对亥姆赫兹自振射流性能影响[J];浙江大学学报(工学版);2016年11期
7 司鹄;薛永志;周维;;自激振荡脉冲射流破岩效率数值模拟[J];振动与冲击;2016年20期
8 杜加友;潘华辰;郭滨;章慧;朱泽飞;;壁面对半开式注气海水提升系统涌升流流量的影响研究[J];机械工程学报;2016年24期
9 胡东;葛瑞瑞;唐川林;汪志能;;钻孔水力开采用气力提升系统性能研究[J];矿冶工程;2016年05期
10 唐川林;汪志能;胡东;周枫林;;基于小波包与Elman神经网络的气力提升装置流型识别技术研究[J];振动与冲击;2016年15期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 胡东;水下矿物浆料气力提升理论模型与流动特性实验研究[D];武汉大学;2016年
2 尹仕熠;基于调和矢量场及电阻网络建模的电磁流量传感器基础理论研究[D];上海大学;2014年
3 尹仕熠;基于调和矢量场及电阻网络建模的电磁流量传感器基础理论研究[D];上海大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 石磊;普光主体高含硫气井排水采气工艺研究[D];重庆科技学院;2016年
2 段程威;空气提推技术在生化池的应用研究[D];西南交通大学;2016年
3 裴杰;气力提升液体的理论分析及实验研究[D];湖南工业大学;2015年
4 刘鹏;农用航空静电喷头的设计与试验研究[D];黑龙江八一农垦大学;2014年
5 刘曼;局部弯曲对气力提升性能的影响规律及管内流型分析[D];湖南工业大学;2014年
6 谢秋敏;海底天然气水合物绞吸式开采管道水力输送规律研究[D];中南大学;2014年
7 窦中原;绞吸式挖泥船输送管道流态分析与研究[D];武汉理工大学;2013年
8 李航;绞吸式挖泥船管道输送试验数据分析方法研究[D];武汉理工大学;2013年
9 蔡勇;疏浚船加气减阻装置结构优化与特性参数研究[D];武汉理工大学;2013年
10 王江;基于CFD的气力提升装置的数值模拟与应用研究[D];大连理工大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孔祥伟;林元华;邱伊婕;;控压钻井中两步关阀阀芯所受瞬变压力研究[J];应用力学学报;2014年04期
2 孔祥伟;林元华;邱伊婕;董龙;;酸性气体在钻井液两相流动中的溶解度特性[J];天然气工业;2014年06期
3 欧阳伟平;刘曰武;万义钊;;污染区对部分打开井井底压力响应的影响[J];力学学报;2014年02期
4 张宏伟;刘之平;张东;吴一红;;掺气水流声速的研究[J];水利学报;2013年09期
5 胡东;唐川林;张凤华;;脉冲气液射流冲蚀特性实验分析[J];振动与冲击;2013年11期
6 魏纳;孟英峰;李皋;李永杰;万里平;李红涛;刘佳洁;刘金龙;;液基全过程欠平衡钻井停止循环连续气侵井筒瞬态流动[J];中国石油大学学报(自然科学版);2012年06期
7 谢和平;高峰;鞠杨;傅强;周福宝;;页岩储层压裂改造的非常规理论与技术构想[J];四川大学学报(工程科学版);2012年06期
8 高传昌;王好锋;黄晓亮;赵礼;;淹没条件下不同结构参数的自激吸气式脉冲射流喷嘴压力变化试验研究[J];应用力学学报;2012年03期
9 胡东;唐川林;张凤华;杨林;;钻孔水力开采用气力提升装置模型的建立及实验研究[J];煤炭学报;2012年03期
10 高传昌;赵礼;刘新阳;黄晓亮;;淹没条件下自激脉冲射流冲蚀试验研究[J];排灌机械工程学报;2012年01期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 黄勇;潜孔锤反循环钻进孔底气固两相流场数值模拟及试验研究[D];吉林大学;2013年
2 张成春;旋成体仿生非光滑表面流场控制减阻研究[D];吉林大学;2007年
3 黄微波;水下航行器喷涂聚脲柔性涂层的制备及减阻性能的研究[D];中国海洋大学;2007年
4 田丽梅;空气—旋成钝体界面非光滑减阻的仿生研究[D];吉林大学;2005年
5 王循明;自激振荡脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计[D];浙江大学;2005年
6 施丽莲;基于数字图像识别技术的气液两相流参数检测的研究[D];浙江大学;2004年
7 王雷;电容层析成像系统的研制及其在两相流参数检测中的应用研究[D];浙江大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陆大玮;脉冲气提装置的研究[D];机械科学研究总院;2007年
2 胡东;气举提升装置的理论分析和实验研究[D];湖南工业大学;2007年
3 黄焕兵;川东石炭系气藏气举排水采气工艺研究[D];中国石油大学;2007年
4 王秀兰;垂直管道大径固体颗粒水力提升摩阻损失的研究[D];辽宁工程技术大学;2005年
5 高振勇;垂直管道内沉降性浆体加速时附加阻力系数Φ(θ)的研究[D];辽宁工程技术大学;2005年
6 裴江红;气举装置的理论与试验分析[D];重庆大学;2005年
7 邓祥吉;管道输沙阻力特性研究[D];河海大学;2005年
8 姜龙;粗颗粒垂直管水力提升速度与浓度的实验研究[D];清华大学;2005年
9 孙海英;水平管道两相流模型与试验研究[D];大庆石油学院;2005年
10 党民;水平和倾斜管道中气液两相流流型的在线识别及数据采集研究[D];西南石油学院;2004年
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