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垂直管中双尺寸颗粒群的混合及分离规律研究

力学学报 2023年第7期55卷 1582-1592页

作者：张岩任万龙张旭辉鲁晓兵中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

深海能源的开发利用近年来受到各国关注,而深海矿石是深海能源的重要组成部分.文章以深海采矿的垂直管水力输送为研究背景,其管道内流的典型特征是颗粒级配宽且颗粒浓度高.宽级配特征下,管道内存在粗细颗粒混合及分离的现象,可能导致颗... 详细信息

深海能源的开发利用近年来受到各国关注,而深海矿石是深海能源的重要组成部分.文章以深海采矿的垂直管水力输送为研究背景,其管道内流的典型特征是颗粒级配宽且颗粒浓度高.宽级配特征下,管道内存在粗细颗粒混合及分离的现象,可能导致颗粒局部浓度增加,危害输送安全.因此,文章研究垂直管内双尺寸颗粒群的混合及分离机理.采用计算流体力学-离散元方法 (CFD-DEM)开展数值模拟,针对粗细颗粒尺寸差异大导致体积浓度计算不准确的问题,提出颗粒群体积浓度计算修正模型以及欧拉场到拉格朗日场的数据映射模型,并进行程序实现及模型验证.研究发现粗细颗粒混合及分离过程会造成颗粒群前后出现间断,并且增加颗粒群局部体积浓度及颗粒碰撞频率.还定义无量纲颗粒碰撞应力和流固相互作用应力,表征颗粒碰撞强度和流固相互作用强度.颗粒群混合到分离过程中颗粒碰撞应力显著增加,因此可通过颗粒碰撞应力曲线确定初始混合到完全分离的时刻.此外,流固相互作用的差异是引起粗细颗粒分离的根本原因.

关键词：垂直管道粗颗粒颗粒分离 CFD-DEM

粗颗粒—壁面碰撞试验分析及随机反弹模型构建

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海洋工程 2023年

作者：王华昆刘方舟高婧余杨李彦豪水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) 厦门大学建筑与土木工程学院福建省滨海土木工程数字仿真重点实验室(厦门大学)

为了揭示深海采矿水力输送过程中不规则粗颗粒与壁面碰撞的特征，建立了相应的随机反弹概率模型，为颗粒与壁面相互作用的数值分析提供了基础模型。采用粗颗粒自由落体试验和图像识别技术，对不同入射速度和入射角下粗颗粒的随机反弹过... 详细信息

为了揭示深海采矿水力输送过程中不规则粗颗粒与壁面碰撞的特征，建立了相应的随机反弹概率模型，为颗粒与壁面相互作用的数值分析提供了基础模型。采用粗颗粒自由落体试验和图像识别技术，对不同入射速度和入射角下粗颗粒的随机反弹过程进行了试验研究。通过自定义MATLAB程序实现了粒子运动参数的自动提取与分析。基于概率统计分析和非线性回归，建立了不同入射速度和冲击角度下粗颗粒随机反弹的解析预测模型。最后进行数值模拟，获得特定撞击条件下颗粒的随机反弹信息，并将模型预测与现有模型给出的预测进行了比较。研究表明：正态分布和广义极值分布均可较好的描述粗颗粒随机反弹运动特征；粗颗粒在低入射角碰撞下除反弹模式外还有滑移—偏转的模式，随入射角的增加，随机反弹角的均值先略有下降，然后逐渐增加，而反弹角的离散度随入射角增加呈指数增加；对于速度恢复系数，随着入射角的增加，能量耗散增加，速度恢复系数减小，恢复系数的离散略有增加；随着入射角的增加，角速度变化的均值遵循半正弦波函数，当入射角为45°时旋转最显著，旋转角速度的标准差先增大后减小。此外，数值重构时，应使用截断值以避免不合理的样本数据。

关键词：粗颗粒随机反弹图像识别概率模型深海采矿

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单一粗颗粒对矿岩颗粒体系剪切特性影响试验

浙江大学学报（工学版） 2022年第10期56卷 2037-2048页

作者：孙浩唐坤林金爱兵刘美辰陈帅军李木芽北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室(北京科技大学) 北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 中国恩菲工程技术有限公司北京100038

为了探究不同垂直压力以及不同粒径、形状和位置的单一粗颗粒对矿岩颗粒体系抗剪强度和运移特性的影响,采用自主设计的矿岩颗粒体系非接触式剪切特性监测与分析系统开展直接剪切试验.研究结果表明,当形状因子>0.5时,添加粗颗粒会显著增... 详细信息

为了探究不同垂直压力以及不同粒径、形状和位置的单一粗颗粒对矿岩颗粒体系抗剪强度和运移特性的影响,采用自主设计的矿岩颗粒体系非接触式剪切特性监测与分析系统开展直接剪切试验.研究结果表明,当形状因子>0.5时,添加粗颗粒会显著增加5~10 mm矿岩颗粒体系的抗剪强度,粗细颗粒粒径比为3.07~4.23.粗颗粒在剪出口时的矿岩颗粒体系抗剪强度最大,剪入口次之,位于可视面中心位置时的抗剪强度最小.在所研究的取值范围内,矿岩颗粒体系抗剪强度随着垂直压力的增加呈线性增长规律.当形状因子粗颗粒形状因子的增加,抗剪强度无显著变化,当形状因子≥0.5时,随着粗颗粒形状因子的增加,抗剪强度缓慢增加.相较于粗颗粒形状,垂直压力对矿岩颗粒体系抗剪强度的影响更显著.在所研究的取值范围内,不同粗颗粒粒径、形状和垂直压力影响下的四周细颗粒运移轨迹均符合Boltzmann分布.粗颗粒四周细颗粒的垂直位移随着粗颗粒形状因子的增加会显著增加,随着垂直压力的增加,则会降低四周细颗粒的垂直位移;粗颗粒形状因子和垂直压力的二者增加均会提高细颗粒运移轨迹方向的有序程度.

关键词：粗颗粒矿岩颗粒体系直剪试验抗剪强度运移轨迹图像识别

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粗颗粒煤浆管道输送级配降级及其影响研究

水利水运工程学报 2022年第3期 115-121页

作者：赵利安王铁力辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 中煤科工集团武汉设计研究院有限公司管道工程院湖北武汉430064

针对粗颗粒煤浆输送中颗粒级配降级预测研究不足的问题,采用试验研究和理论分析法,给出了输送30、40、50和60 min时煤浆中各颗粒粒级的质量百分数、黏度和水力坡度值,提出用磨矿理论研究粗颗粒煤浆管道输煤过程的构想,据此给出了破碎率... 详细信息

针对粗颗粒煤浆输送中颗粒级配降级预测研究不足的问题,采用试验研究和理论分析法,给出了输送30、40、50和60 min时煤浆中各颗粒粒级的质量百分数、黏度和水力坡度值,提出用磨矿理论研究粗颗粒煤浆管道输煤过程的构想,据此给出了破碎率函数和磨矿平衡方程的求解方法。研究表明,煤浆输送30和50 min时颗粒级配的预测值与实测值最大偏差不大于12.53%。随着粗煤浆体输送时间的延长,煤浆相对黏度逐渐增大,主要原因是由于2.0 mm以上粗颗粒的颗粒细化,增加了0.074 mm以下的细颗粒含量。颗粒级配降级导致水力坡度降低主要是由于粗颗粒细化导致沉降速度降低及与管道底部接触的粗颗粒有所减少的原因。

关键词：级配降级粗颗粒黏度水力坡度破碎率函数

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粗颗粒对立式砂仓底流浓度及流变性的影响

金属矿山 2022年第5期51卷 77-85页

作者：王邦策李翠平陈格仲颜丙恒黄振华安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司安徽马鞍山243000 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

尾砂充填是我国金属矿山生产中主要的充填技术,但以往研究侧重于探讨床层高度、料浆停留时间、絮凝剂单耗等因素对底流浓度产生的影响,有关添加粗尾砂颗粒对立式砂仓底流料浆性质产生的影响研究较少。为此,通过筛选3种粒径分布的粗颗粒... 详细信息

尾砂充填是我国金属矿山生产中主要的充填技术,但以往研究侧重于探讨床层高度、料浆停留时间、絮凝剂单耗等因素对底流浓度产生的影响,有关添加粗尾砂颗粒对立式砂仓底流料浆性质产生的影响研究较少。为此,通过筛选3种粒径分布的粗颗粒尾砂,分析粗颗粒尾砂的添加量对床层沉降速度、底流浓度以及料浆流变性产生的影响。静态浓密试验结果表明:合适的絮凝条件下能够提高浓密效果评价值,且最佳絮凝剂单耗值随着絮凝剂浓度增加而增高;床层沉降速度和底流浓度随着粗颗粒尾砂添加量增加而增高,且-2000μm粒径粗颗粒尾砂提升效果更明显。动态浓密试验结果表明:立式砂仓模型底流料浆平均浓度与床层高度、料浆停留时间和粗颗粒尾砂添加量成正比关系,且底流料浆的静态屈服应力和动态屈服应力均随着粗颗粒尾砂添加量增加而降低、随着料浆浓度增加而增高,分析结果可为实现立式砂仓底流的高浓度稳定运行提供参考。

关键词：尾砂充填立式砂仓底流浓度粗颗粒屈服应力

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深海采矿混输泵内流场及粗颗粒运动特性

排灌机械工程学报 2022年第8期40卷 800-806页

作者：王予琪宿向辉朱祖超浙江理工大学流体传输技术研究国家地方联合实验室浙江杭州310018

为了解决由于颗粒粒径大、流体相互作用复杂导致的混输泵内两相流动研究困难的问题,针对10 mm颗粒粒径的混输泵流动,使用标准k-ω模型,构建相同体积浓度、不同颗粒粒径的流动模型来研究粒径对于泵外特性的影响,并探究不同粒径颗粒在泵... 详细信息

为了解决由于颗粒粒径大、流体相互作用复杂导致的混输泵内两相流动研究困难的问题,针对10 mm颗粒粒径的混输泵流动,使用标准k-ω模型,构建相同体积浓度、不同颗粒粒径的流动模型来研究粒径对于泵外特性的影响,并探究不同粒径颗粒在泵内的分布情况.同时,还结合熵产理论,研究不同流量下混输泵内的能量损失及泵内过流部件的局部熵产情况.结果表明,混输泵叶轮流道内,颗粒在叶轮入口处发生低速堆积现象,颗粒速度随径向距离增大而增大.另一方面,在两极之间,第2级叶轮入口颗粒堆积现象减弱.随着粒径减小,颗粒在叶轮流道内加速度增大,出口处小粒径颗粒速度较大,且小粒径颗粒贴叶片运动现象比较明显.对比熵产,两极之间第2级熵产损失明显较大,造成2级外特性差异.同时,对比熵产分布发现,第2级叶轮和导叶内的局部熵产生率较大.研究结果对深海采矿水力提升装置中粗颗粒混输泵内流动的研究具有一定的参考价值.

关键词：混输泵粗颗粒两相流动能量特性 CFD-DEM 局部熵产生率

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粗颗粒竖直管道水力提升动态特性研究

粗颗粒竖直管道水力提升动态特性研究

作者：郭昊武汉理工大学

学位级别：硕士

深海矿产资源的开发是我国“海洋强国”战略中的重要发展方向。其中,竖直提升管道是深海采矿水力提升系统的重要组成部分,研究并掌握粗颗粒在管道中的运动状态及提升特性,对提高水力提升的安全性和高效性有着重要意义。基于此,本文采用... 详细信息

深海矿产资源的开发是我国“海洋强国”战略中的重要发展方向。其中,竖直提升管道是深海采矿水力提升系统的重要组成部分,研究并掌握粗颗粒在管道中的运动状态及提升特性,对提高水力提升的安全性和高效性有着重要意义。基于此,本文采用数值模拟方法,建立粗颗粒竖直管道水力提升的CFD-DEM耦合模型,研究不同工况下管内两相流的流动特性、分布特性、相互作用规律以及管道能量及压力损失规律,为工程实际提供理论参考。主要研究内容如下:(1)采用CFD-DEM方法建立粗颗粒竖直管道水力提升数值模型,采取计算流体力学方法和离散单元方法分别对流场特性及固体颗粒运动及碰撞特性进行求解计算,两相间的相互作用通过动量及能量等信息的交互实现。将仿真所得数据与实验数据进行比较,验证了模型的准确性。(2)采用所建立的模型模拟粗颗粒在静态管道中的水力提升过程,得到颗粒的速度及浓度分布等宏观运动特性,进而:1)分析不同输送条件下颗粒浓度及速度的变化规律,以及沿径向和提升方向的分布特点;2)从受力角度出发,分析不同输送条件下颗粒-流体、颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间相互作用力的变化规律,探究颗粒受力情况对宏观运动特性的影响机理;3)归纳总结粒径、输送流速、给料浓度、级配等输送参数对提升特性的影响规律。(3)进一步的,通过修改相间数据的交互策略,实现管道振动在CFD与DEM中的同步,得到不同振动频率及振动幅度下颗粒的提升特性,并总结振动强度变化对提升特性的影响规律。结果表明,管道的振动会使管内颗粒的动态特性产生波动性变化,导致颗粒局部浓度增加、管道压力损失增大,为颗粒提升带来不利影响。(4)综合考虑颗粒质量流量、能量及管道压力损失等指标,分析输送参数改变对颗粒提升效率的影响规律,并据此探索能够发挥最大提升效能的输送参数范围,提出合理的参数制定策略。

关键词：竖直管道粗颗粒水力提升 CFD-DEM耦合动态特性

不同粒径比的双组份粗颗粒垂直管道提升堵塞过程和机理

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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第1期38卷 34-44页

作者：毛志文及春宁许栋陆程天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

该文针对深海多金属结核在垂直输矿管道内的输运、堵塞和疏堵过程,建立了二维简化模型,使用CFD-DEM方法,开展了初始分选条件下,不同粒径比双组份颗粒群在垂直管道内输运的数值模拟。通过控制粒径比和给料浓度,研究固液两相流流态的变化... 详细信息

该文针对深海多金属结核在垂直输矿管道内的输运、堵塞和疏堵过程,建立了二维简化模型,使用CFD-DEM方法,开展了初始分选条件下,不同粒径比双组份颗粒群在垂直管道内输运的数值模拟。通过控制粒径比和给料浓度,研究固液两相流流态的变化、堵塞体中力链的演变和堵塞体与管壁间摩擦力的变化。提出较高的局部体积分数是引发管道堵塞的必要条件,但不是充分条件,配位数超过临界值2.25并保持稳定标志着堵塞状态的形成;浓度越高,粒径比越大,越容易引发堵塞,但浓度与粒径比无法单独确定输运状态。提高泵的功率可以使堵塞转变为段塞流状态,但无法使堵塞体分散为游离的颗粒。

关键词：深海采矿流固耦合粗颗粒管道堵塞

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粗颗粒矿石在提升管道内的旋转特性

中南大学学报（自然科学版） 2017年第7期48卷 1831-1838页

作者：唐达生宋跃文朱小军夏建新肖红长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室湖南长沙410012 中南大学能源科学与工程学院湖南长沙410083 中央民族大学生命与环境科学学院北京100081

采用高速摄影技术对锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和模拟结核粗颗粒矿石在提升管道内的旋转特性进行研究,根据粗颗粒矿石特征信息得到颗粒转速信息,以颗粒圆度(R)表征颗粒形状,得到粗颗粒矿石旋转速度计算公式。研究结果表明:粗颗粒... 详细信息

采用高速摄影技术对锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和模拟结核粗颗粒矿石在提升管道内的旋转特性进行研究,根据粗颗粒矿石特征信息得到颗粒转速信息,以颗粒圆度(R)表征颗粒形状,得到粗颗粒矿石旋转速度计算公式。研究结果表明:粗颗粒矿石旋转速度随提升管道内水流速度和颗粒圆度的增大而增大,随颗粒粒度和密度的增大而减小;由粗颗粒矿石旋转速度计算公式所得旋转速度与试验结果较吻合,该公式可用于提升管道粗颗粒矿石水力输送机理研究。

关键词：提升管道粗颗粒旋转速度提升速度