深海采矿矿浆泵内固液两相流数值模拟及性能预测研究.pdf

中图分类号 U D C T H 3 1 l 6 2 1 ．2 2 硕士学位论文 学校代码l Q 5 三三 密级公珏 深海采矿矿浆泵内固液两相流数值模拟及。I 生能预测研 究 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ns o l i d ．．1 i q u i dt w o ．．p h a s ef l o wa n d p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no fs l u r r yp u m p f o rd e e p s e a m i n i n g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期 陈奇 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 徐海良教授 幽一一喇 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名碰 盔日期j 生年』月旦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 醢壹 日期婴 竺年』月旦日 导师签名主翔易位导师签名盈型l 垄≯ 日期皿年』月卫日 万方数据 深海采矿矿浆泵内固液两相流数值模拟及性能预测研究 摘要矿浆泵作为深海采矿水力管道提升系统的关键设备之一，存在 易磨损、维修及更换困难等问题，针对上述问题，采用F l u e n t 软件对 矿浆泵内固液两相流进行数值模拟，研究转速、流量、颗粒粒径及颗 粒体积分数对矿浆泵内固液两相流动规律的影响。论文主要研究工作 如下 基于水力输送系统理论，建立了矿浆泵设计参数的计算方法，并 对1 0 0 0 m 中试采矿系统进行了参数计算，依据矿浆泵的特殊工作环 境，对矿浆泵进行了结构设计以及水力设计，进而完成了矿浆泵的复 杂三维数字化造型设计。 建立了基于欧拉．欧拉模型的矿浆泵固液两相流动控制方程，对 矿浆泵内固液两相流进行了数值模拟，揭示了转速、流量和颗粒属性 对矿浆泵内固液两相压力场、速度场、颗粒浓度分布及泵工作性能的 影响规律，为优化矿浆泵的水力设计提供理论依据。 建立了基于离散相模型的矿浆泵内颗粒在L a g r a n g i a n 坐标系下 的受力微分方程，对矿浆泵内颗粒运动轨迹进行了数值模拟，得到了 转速、流量和颗粒粒径对颗粒冲击过流部件壁面的速度及角度的影响 规律，探究了矿浆泵的冲蚀磨损特性，指导叶轮及空间导叶的抗磨优 化设计。 在深海采矿扬矿模拟实验系统上，对矿浆泵的工作性能进行了实 验研究，并与数值模拟结果进行对比分析，验证了数值模拟方法的正 确性。 图5 9 幅，表2 0 个，参考文献7 4 篇 关键词深海采矿；矿浆泵固液两相流；数值模拟；性能预测 分类号T H 3 1 1 万方数据 N u m e r i c a ls i mu l a t i o no ns o l i d - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o wa n d p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no fs l u r r yp u m p f o rd e e p s e am i n i n g A b s t r a c t S l u r r yp u m pi s ac r i t i c a le q u i p m e n to fh y d r a u l i ch o i s t i n g s y s t e mo ft h ep i p e l i n ef o rd e e p s e am i n i n g ．I nv i e wo ft h ep r o b l e m st h a t s l u r r yp u m pi se a s yt ow e a r , d i f f i c u l tt or e p a i ra n dr e p l a c e m e n t ，F l u e n t s o ．r a r ei su s e dn u m e r i c a l l ys i m u l a t et h es o l i d - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o wi n s l u r r yp u m p ．T h ee f f e c t so fs p e e d ，f l o wr a t e ，p a r t i c l ed i a m e t e ra n ds o l i d v o l u m ef r i c t i o ni m p a c to ns o l i d - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o wp a t t e mi ns l u r r y p u m p w e r er e s e a r c h e d ．T h em a i nw o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s B a s e do nt h e t h e o r y o fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ，t h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fd e s i g np a r a m e t e rf o rs l u r r yp u m pw a sp r o p o s e d a n du s e dt oc a l c u l a t et h em i n i n gs y s t e mi n10 0 0m e t e r ．A c c o r d i n gt ot h e s p e c i a lw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，c o m p l e t e d t h es t r u c t u r e d e s i g n ，t h e h y d r a u l i cd e s i g na n dt h ec o m p l e x3 Dd i g i t a lm o d e l l i n gd e s i g no fs l u r r y p u m p ． F l o wc o n t r o le q u a t i o n so fs o l i d - - l i q u i dt w o - - p h a s ei ns l u r r yp u m pi s e s t a b l i s h e db a s e do nt h et w o ．f l u i dm o d e l ，n u m e r i c a l l ys i m u l a t et h e s o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wi ns l u r r yp u m p ．T h er u l e s o fp u m ps p e e d ， f l o wr a t e ，a n dp a r t i c l ep r o p e r t i e si n f l u e n c e do nt h es o l i d - l i q u i dt w o 。p h a s e p r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dt h e p u m pp e r f o r m a n c ew e r eo b t a i n e d ．t h o s er u l e sp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h eo p t i m i z a t i o no fh y d r a u l i cd e s i g no fs l u r r yp u m p ． S t r e s sd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fs o l i dp a r t i c l e su n d e rL a g r a n g i a n c o o r d i n a t es y s t e mi ns l u r r yp u m pi se s t a b l i s h e db a s e do nt h ed i s c r e t e p h a s em o d e l ，n u m e r i c a l l ys i m u l a t ep a r t i c l ef l o wt r a j e c t o r yi ns l u r r yp u m p ． T h er u l e so fs p e e d ，f l o wr a t e ，a n dp a r t i c l ed i a m e t e ri n f l u e n c e do nt h e i m p a c tv e l o c i t ya n di m p a c ta n g l eo fp a r t i c l ei m p a c to nf l o wc o m p o n e n t s w a l lw e r eo b t a i n e d ．T oe x p l o r et h ee r o s i o nw e a rc h a r a c t e r i s t i co fs l u r r y p u m p ，a n dg u i d et h ea n t i w e a ro p t i m i z a t i o nd e s i g no fi m p e l l e ra n dv a n e d d i f f u s e r ． W i t ht h e h e l po ft h e o r et r a n s p o r tl i f t i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e m f o rd e e p s e am i n i n gt o e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h ew o r k p e r f o r m a n c eo fs l u r r yp u m p ．T h r o u g ht h e c o n t r a s ta n a l y s i so ft h e I I l 万方数据 e x p e r i m e n tr e s u l ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ，i tp r o v e st h a tt h er e s u l t o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa c c u r a c y ． K e y w o r d s d e e p - - s e am i n i n g ；s l u r r yp u m p ；s o l i d - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n C l a s s i f i c a t i o n T H 31 1 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅱ 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．1 深海采矿扬矿系统的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 深海采矿矿浆泵的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．3 离心式固液两相流泵的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 矿浆泵的设计参数分析及水力设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 水力输送系统理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．1 固液两相流的伯努利方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．2 颗粒沉降理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．3 输送管道压力损失理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 矿浆泵的设计参数分析及计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 矿浆泵的设计流量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 矿浆泵的设计扬程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1O 2 ．2 ．3 矿浆泵的设计转速分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．4 中试采矿系统参数计算与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 矿浆泵的结构及水力设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 矿浆泵的设计要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．2 矿浆泵的结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．3 叶轮的水力设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．4 空间导叶的水力设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．5 水力设计结果及三维造型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 矿浆泵内固液两相流的数学模型及计算域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 多相流理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 基于欧拉．欧拉模型的固液两相流动控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2 ．1 液相控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．2 ．2 固相控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．3 基于离散相模型的固液两相流动控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 矿浆泵内固液两相流场求解方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 矿浆泵全流道网格处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 V 万方数据 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 矿浆泵内固液两相流的数值模拟及性能预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．1 求解模型设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 。1 。2 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 4 ．1 ．3 研究方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2 转速对矿浆泵内固液两相流动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．1 转速对矿浆泵内压力分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2 ．2 转速对矿浆泵内速度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 4 ．2 ．3 转速对矿浆泵内颗粒浓度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，3 2 4 ．3 流量对矿浆泵内固液两相流动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．1 流量对矿浆泵内压力分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．3 ．2 流量对矿浆泵内速度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 ．3 流量对矿浆泵内颗粒浓度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 。4 颗粒粒径对矿浆泵内固液两相流动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．4 ．1 颗粒粒径对矿浆泵内压力分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．4 ．2 颗粒粒径对矿浆泵内速度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．4 ．3 颗粒粒径对矿浆泵内颗粒浓度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．5 颗粒体积分数对矿浆泵内固液两相流动的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．5 ．1 颗粒体积分数对矿浆泵内压力分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．5 ．2 颗粒体积分数对矿浆泵内速度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．5 ．3 颗粒体积分数对矿浆泵内颗粒浓度分布的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．6 矿浆泵的性能预测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．6 ．1 矿浆泵的性能预测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．6 。2 转速对矿浆泵工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．6 ．3 流量对矿浆泵工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．6 ．4 颗粒粒径及体积分数对矿浆泵工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 基于离散相模型的矿浆泵冲蚀磨损特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．1 离散相模型的设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．1 ．2 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．2 转速对矿浆泵冲蚀磨损特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 流量对矿浆泵冲蚀磨损特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 。4 颗粒粒径对矿浆泵冲蚀磨损特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 矿浆泵工作性能的实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．1 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 Ⅵ 万方数据 6 ．1 ．1 扬矿模拟实验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．1 ．2 实验泵及实验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 ．1 ．3 数据测量方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．2 实验过程及数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．2 ．1 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．2 ．2 实验数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．3 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．3 ．1 清水工况实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．3 ．2 颗粒粒径对矿浆泵工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 6 ．3 ．3 颗粒体积分数对矿浆泵工作性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．4 实验结果与数值模拟结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 7 全文总结和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 7 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，7 5 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ⅥI 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题来源 本学位论文课题来源于国家自然科学基金“海洋动力环境作用下的深海采矿 矿浆泵水力提升关键技术研究”，项目批准号5 1 3 7 5 4 9 8 。按照项目要求，根据 矿浆泵特殊的作业条件，开展深海采矿用矿浆泵的设计理论与方法研究，建立矿 浆泵内固液两相流数学模型，对矿浆泵内固液两相流动进行数值模拟，研究矿浆 泵内压力场、速度场及过流部件的磨损特性，为矿浆泵的优化设计提供理论支撑 及技术储备。 1 ．2 研究意义 随着世界工业的高速发展，陆地资源日益枯竭，深海作为地球上最后一块未 开发的区域，蕴藏着丰富的多金属矿藏，据美国加利福尼亚大学M e r o 教授估计， 仅太平洋海底的多金属矿藏就达1 ．7 万亿吨[ 1 】，其中锰、镍、铜和钻的储量分别 为2 0 0 0 亿吨、9 0 亿吨、5 0 亿吨和3 0 亿吨，相当于陆地储量的5 7 倍、8 3 倍、9 倍和5 3 9 倍[ 2 1 。 深海采矿技术研究的是如何将海底多金属矿藏采集并输送到海面，它包括海 底多金属矿藏采集、矿石从海底提升到海面、海面支持以及采矿船动力定位等技 术，而将矿石从海底提升到海面的扬矿技术是深海采矿的核心技术之一。多金属 矿藏分布在数千米的海底，开采难度很大，深海采矿系统作业过程中还承受海流、 风浪和海水压力等海洋动力环境的作用，作业环境十分恶劣，这对深海采矿技术 提出了很高的要求。 虽然开发海底矿产资源的技术难度相当大，但由于海底矿产资源的战略意 义，早在2 0 世纪初，世界主要发达国家就开始了海洋矿产资源的研究和开发， 已初步拥有了进行多金属矿藏商业开采前的技术储备，并将研究重心转向多种资 源的全方位技术开发。 我国对深海采矿技术高度重视，于1 9 9 0 年成立了中国大洋矿产资源研究开 发协会，并投入大量的财力、人力和物力对深海采矿技术进行研究。但由于研究 时间短，与美国、德国和日本等世界发达国家相比还有较大差距，深海采矿技术 还处于实验室阶段，目前已经开展了1 0 0 0 m 海上试验性研究，并准备为将来 6 0 0 0 m 深海采矿做前期的理论与技术研究。我国应抓住商业开采前2 0 年左右的 有利契机加速研发进程，争取与发达国家同期进入商业开采。因此，对深海采矿 扬矿技术进行研究，具有十分重要的战略意义。 矿浆泵水力管道提升采矿法在开采海洋矿产资源中最具工业应用前景，但目 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 前深海采矿用矿浆泵存在易磨损，磨损后维修及更换困难等问题，难以实现工业 应用，此外，对深海采矿用矿浆泵内固液两相流动规律进行理论研究的文献资料 并不多见。因此，开展矿浆泵水力提升关键技术研究不仅具有战略必要性和现实 紧迫性，也是我国海洋资源开发和利用赶超先进国家，实现关键装备自主创新的 必由之路。 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 深海采矿扬矿系统的国内外研究现状 深海采矿扬矿方法主要有穿梭潜水器采矿法、连续绳斗法和集矿机加管道提 升法。美国、德国、法国、日本、韩国等都对此进行了理论和试验研究，普遍 认为集矿机加管道提升法最具工业应用前景【4 。5 】。 管道提升法是通过扬矿硬管将矿石从中间仓输送至海面，主要方法有清水泵 水力管道提升采矿法、气力管道提升法和矿浆泵水力管道提升采矿法。清水泵水 力管道提升采矿法需解决的问题是如何将矿石掺入到高压水管，中南大掣6 1 和德 国S i e g e n 大学‘7 1 都对此进行了研究。各国财团经试验研究发现气力管道提升法比 矿浆泵水力管道提升采矿法所需能耗高2 ．3 倍，且存在输送浓度低、三相流不宣 控制等问题【8 1 。 矿浆泵水力管道提升采矿法采用多台多级离心式矿浆泵将矿石从中间仓输 送至海面，具有工艺简单、作业可靠性高、效率高、提升能力大等优点，被认为 最具有工业应用前景，其原理图如图1 一l 所示。 墨盟垒量磐 。。产 I i ＼芏鲞堑 Y I i 图1 - l 矿浆泵水力管道提升采矿法 1 9 7 8 年，国际财团海洋管理公司O M I O c e a nM a n a g e m e n tI n c ． 采用，在太 平洋c c 区按1 ／4 ～1 ／5 的工业生产比例，进行了矿浆泵水力管道提升采矿法的 海上试验，成功从3 0 0 0 m 水深的海底采集到8 0 0 吨多金属结核【9 】，证明了矿浆泵 2 万方数据 硕士学位论文1 绪论 水力管道提升采矿法在技术上的可行性。 1 9 9 7 年，日本D O M C O 集团采用矿浆泵水力管道提升采矿法，在北太平洋 2 2 0 0 m 水深的M a r c u s ．W a k e 海山上成功进行了部分采矿系统的采矿试验【1 0 1 。 2 0 0 0 年9 月，印度海洋技术研究院采用矿浆泵水力管道提升采矿法，在4 1 0 m 水深的近海进行了采砂试验【l ，并于2 0 0 6 年，再次进行了4 5 1 m 水深的近海进行 了试验研究，海试中的集矿机如图1 ．2 所永1 2 】。 近几年来，韩国针对矿浆泵水力管道提升系统中的集矿机、水力管道提升系 统和控制系统等进行了大量的数值模拟计算和实验室试验研究【1 3 ‘16 1 ，并于2 0 0 7 年4 月，在近海浅水区进行了水力管道提升系统的模拟料采集试验【1 7 ’1 引，如图 1 ．3 所示。 图1 - 2 印度海试中的集矿机图1 - 3 韩国水力管道提升系统海试 2 0 0 1 年6 ～9 月，长沙矿冶研究院与长沙矿山研究院合作研发的矿浆泵水力管 道提升系统在1 3 0 m 水深的云南抚仙湖进行了湖试，并成功采集到9 0 0 k g 模拟结核 [ 1 9 1 ，湖试系统原理图如图1 ．4 所示。 图1 ．4 中国湖试系统原理图 1 ．3 ．2 深海采矿矿浆泵的国内外研究现状 矿浆泵作为水力管道提升系统的关键设备之一，国内外学者对其进行了大量 万方数据 硕士学位论文1 绪论 的研究。2 0 世纪7 0 年代，德国K S B 公司最早研制出深海采矿矿浆泵【2 0 J ，如图 1 ．5 所示，其基本类型为节段式多级离心泵，级数6 级，流量为5 0 0 m 3 ／h ，扬程 为2 6 5 m H 2 0 ，转速为1 7 2 6 r ／m i n ，输送矿石浓度为5 ％。1 9 7 8 年，海洋管理公司 O M I 在太平洋3 0 0 0 m 深的海底采用德国K S B 公司生产的矿浆泵成功采集到 8 0 0 t 多金属结核【9 】，证明了该泵的可行性，但试验发现矿浆泵存在易磨损，磨损 后维修及更换困难等问题，并因矿浆泵的磨损破坏而停止采矿。 2 0 世纪8 0 年代末，日本荏原公司加工制造出了用于海上中试的矿浆泵【2 l J ， 如图1 - 6 所示。矿浆泵由两台四级离心泵和一台潜水电动机组成，两台四级离心 泵分别安装在潜水电机的两端，两台泵级数均为4 级，泵流量为4 5 0 m 3 ／h ，扬程 为7 6 0 m H 2 0 ，转速为1 4 8 5 r ／r a i n ，输送矿石浓度为8 ％。但该泵停止运行时，存在 混合流体难以回流等问题。 图1 - 5 德国K S B 公司矿浆泵示意图 协 2 1 世纪1 0 年代初期，韩国地质资源研究院阻G 妯∞对多种陆地用离心式固 液泵进行了数值模拟和近海试验[ 2 2 - 2 3 】，研究结果表明固液泵难以满足深海采矿水 力管道提升系统的工作要求。而后C h i ．H oY o o n 等人开始对离心式两级泵进行了 固液两相流的数值模拟【2 4 】，在此基础上成功研制出一台两级矿浆泵[ 2 5 】，如图1 ．7 所示，该泵流量为1 5 0 m 3 ／h ，扬程为7 0 m H 2 0 ，转速为1 7 5 0 r ／r a i n 。于2 0 0 9 年6 月在1 0 0 m 水深的韩国国际东海港附近进行了提升试验[ 1 8 】，试验发现，矿浆泵可 通过2 0 m m 粒径的颗粒，矿浆泵流道内固体颗粒的堵塞是系统不稳定的主要原 因。J o n g r n y u n gP a r k 在两级矿浆泵的研发基础上，对四级矿浆泵的进行了基础研 究，并借助C F D 软件对四级矿浆泵内固液两相流场及泵工作性能进行了数值模 拟[ 2 6 1 。 2 0 1 2 年1 2 月，澳大利亚鹦鹉螺矿业公司与美国G E 公司联合研制出1 5 0 0 m 深水多金属硫化物开采系统中的矿浆泵口7 1 ，该泵基本类型为隔膜正排量泵，与 陆地用隔膜泵较为类似，该种泵的进料阀、排料阀及隔膜极易磨损，且输送颗粒 粒径小于3 m m ，可见，该矿浆泵还有待试验验证。 4 万方数据 硕士学位论文1 绪论 图1 - 7 韩国两级矿浆泵 长沙矿冶研究院于2 0 0 5 年研制了一台两级矿浆泵[ 2 8 - 2 9 】，如图1 ．8 所示，该 泵采用放大流量设计法设计，其设计流量为8 0 0 m 3 ／h ，工作流量为4 2 0 m 3 ／h ，扬 程为6 0 m H 2 0 ，转速为1 4 5 0 r ／m i n 。在石家庄强大泵业集团3 0 m 深的试验平台， 对两级矿浆泵进行了提升清水和砂砾试验，试验发现该泵存在流道堵塞现象，因 此，需对该矿浆泵内固液两相流的流动规律进行研究，为矿浆泵的优化设计提供 理论依据。 图1 ．8 两级矿浆泵 1 ．3 ．3 离心式固液两相流泵的国内外研究现状 在陆地上，离心式固液泵广泛应用于采矿、冶金、煤炭、水利、电力等行业， 用于输送固液混合流体 因此也称为渣浆泵、杂质泵 。固液泵在使用中普遍存在 叶轮和蜗壳等过流部件磨损严重而导致使用寿命短，泵的扬程、效率、汽蚀性能 差以及泵的密封可靠性低等突出问题。 国内外对陆地上所使用的固液泵做了大量研究，主要包括固液泵设计理论与 方法、固液泵内固体颗粒运动规律及其对过流部件壁面的磨损分析、固液泵内固 万方数据 硕士学位论文1 绪论 液两相流场分析与数值模拟、固液泵用高性能耐磨材料及其制造工艺等。 固液泵早期的设计理论是采用单相流体的一元流动设计方法，这与矿桨泵输 送固液两相流体的实际不符。与输送单相流体 例如清水 的离心泵不同，离心式 矿浆泵内的固．液两相流体具有不同的受力状态、速度特性和运动轨迹。基于这 一事实，蔡保元教授提出了离心泵的“两相流”理论及其设计原理p ⋯，W a l k e rC I 【3 1 ] 提出了渣浆泵内固液两相之间能量转换的理论基础，何希杰提出了杂质泵的 固液两相流原理与设计方法【3 到，清华大学的许洪元教授提出了固液泵的固液速 度比设计方法[ 3 3 】，文献[ 3 4 】对不同叶片参数的固液泵进行了试验研究，分析了叶 片参数及叶片型线对泵工作性能的影响，总结出渣浆泵设计原则、原理及方法。 近年来固液泵过流部件的水力设计方法正从传统的一元流动设计方法过渡N - 元或三元流动设计方法，文献[ 3 ”6 】应用现代设计方法，对渣浆泵内部流场进行数 值模拟，指导渣浆泵过流部件的优化设计，以提高泵的使用寿命及工作性能。 离心式矿浆泵内固体颗粒的分布及其运动特性对过流零件壁面的磨损特性 有重大的影响，进而影响到矿浆泵的使用寿命。长期以来，理论分析和实验研究 是对离心式矿浆泵内固体颗粒特性进行研究的主要手段。赵敬亭对渣浆泵内固体 颗粒的受力状态、运动规律以及分布状态进行了长期深入的研究【3 7 1 。文献[ 3 8 越】 应用高速摄影技术对渣浆泵内固体颗粒的运动轨迹进行了研究，得到了固体颗粒 的流动规律。文献[ 4 3 - 4 7 1 应用粒子成像测速技术对渣浆泵内固液两相流进行了研 究，得到了不同颗粒属性条件下泵内固体颗粒运动轨迹、体积分数分布及速度分 布的规律。最近几年，基于流体力学、计算机与信息技术的计算流体动力学分析 己经在陆地矿浆泵的磨损研究方面取得了进展，刘小兵、李仁年、刘娟、刘宣、 吴波等采用数值模拟与实验研究相结合的方法对矿桨泵内固体颗粒运动轨迹、颗 粒分布及其对过流壁面的冲蚀磨损特性进行了研究【4 8 。5 2 1 。上述研究成果对于高性 能、低磨耗的陆地上用固液泵的设计具有积极意义。 矿桨泵内因液两相流动特性对泵的扬程、效率和汽蚀等泵工作性能产生重要 影响。矿桨泵流场数值模拟与测试分析是研究泵内固液两相流动规律、计算及预 测泵的性能参数、优化设计矿浆泵的有效手段，是近年来国内外在矿浆泵方面的 研究热点。矿桨泵的流场数值模拟已由早期的泵内局部一维、二维流场模拟逐步 过渡到矿桨泵全流道三维湍流场模拟。吴玉林、李文广、韦章兵、付振英、袁寿 其、曹树良、黄思等对离心泵内固液两相流数值计算、实验测试、大涡模拟、空 化特性进行了深入研究【5 3 - 5 8 】。此外，朱玉才针对固液泵内流场边界层问题，过流 零件壁面边界层参数与泵工作性能的关系进行了研烈5 9 1 。田辉、李国君等对离 心式矿浆泵流场的数值模拟方法进行了研究[ 6 0 1 。王春林对渣桨泵叶轮流道中的 固液流动及颗粒浓度进行了数值模拟研究【6 。 6 万方数据 硕士学位论文1 绪论 国内外对陆地用离心式固液泵 带蜗壳式 的研究较多，且输送颗粒粒径相 对较小。而深海采矿矿浆泵 带空间导叶式 为多级离心泵，与离心式固液泵在 结构上存在巨大差异，且矿浆泵输送的多金属结核粒径较大。为此，矿浆泵的理 论分析模型、设计理论与方法、固液两相流动规律、实验系统与手段、泵用材料 及其制造技术与陆地用离心式固液泵不尽相同，而目前对矿浆泵的固液两相流动 规律以及磨损特性进行研究的文献并不多见。因此，对深海采矿用矿浆泵的理论 与技术进行基础性研究不仅是十分必要的，也是十分迫切的。 1 ．4 本文的主要研究内容 本文运用F l u e n t 软件，针对深海采矿矿浆泵内固液两相流场进行了数值模拟， 研究转速、流量、颗粒粒径及颗粒体积分数对矿浆泵流道内固液两相流流动