输送天然气水合物的管道及双流道提升泵流场分析

摘要

众所周知，能源早已成了当代社会发展的基石。传统能源的日益枯竭，迫使人类不得不寻找更高效、更清洁的替代能源，天然气水合物是目前为止人类找到的、最具应用前景的替代能源、清洁能源。
　　 天然气水合物主要储藏在海底，覆盖层较浅，使用固态开采法开采天然气水合物是比较合理的。在固态开采方案中，通过水力输送技术将水合物颗粒输送至海面是最为关键的部分。在深海采矿领域，颗粒物质的水力输送问题是一个尚未得到有效解决的重要课题。因此本文选择对天然气水合物输送系统的输送管道和双流道泵的流场进行分析，以找到天然气水合物最佳的输送系统。
　　 本文根据两相流理论和管道输送理论，对其输送系统进行水力分析，得到了输送系统相关参数的表达式，在多种工况下详细验证水合物水力输送1000m系统和4000m系统的可行性。根据深海采矿应用环境，对提升泵进行研究，选择双流道泵作为天然气水合物输送系统的提升泵。然后，利用FLUENT软件对1000m系统输送管道和双流道提升泵内的固液两相流动进行了数值模拟。最后，通过相似试验验证本文数值模拟方法及结果的正确性。本文通过上述研究得到的主要研究成果如下：(1)在水深4000米以内，采用水力输送技术将天然气水合物颗粒输送至海面完全是可行的；在五种工况下，提升泵扬程最高要求为145m。(2)水合物在粒径小、密度小和中等体积浓度的情况下，最有利于水力输送。(3)双流道提升泵扬程-流量曲线陡，能够适应深海采矿环境；泵内颗粒分布规律与颗粒密度关系较为密切，为防止过度磨损，应根据密度大小对该泵进行优化。
　　 本文的研究可以为海底天然气水合物固态开采方案的进一步深入研究建立基础，也为深海采矿水力输送系统的优化提供理论依据。