深海采矿扬矿管内高速螺旋流的数值模拟与仿真

摘要

随着全球经济的高速发展，人们对矿产资源的需求与日俱增，资源的供求矛盾日趋明显。作为不可再生的陆地矿产资源日益枯竭，人类必定把目标转向蕴藏着丰富矿产资源的海洋，因此，对深海采矿水力提升系统进行研究非常有意义。
　　当前亟需解决的问题是通过何种有效的手段将赋存于海底的矿产高效地输送到陆地上，而基于龙卷风效应的高速螺旋流水力提升系统是在传统水力提升的基础上，利用高速螺旋流强大的卷吸效应，实现锰结核颗粒高浓度低能耗水力输送。然而高速螺旋流水力提升系统中螺旋流的起旋方式、扬矿管中颗粒的力学特性、卷吸效应的机理、流场分布及输送过程中阻力损失的计算等问题尚未解决。因此，本文主要针对上述问题对高速螺旋流水力输送技术进行了详细研究，其内容如下：
　　(1)分析了螺旋流的起旋方式及装置特点，从能量利用率高出发，确定切向射流的起旋方式及其产生高速螺旋流的水力提升系统，并探讨卷吸效应的作用机理；
　　(2)通过对锰结核颗粒在螺旋上升运动中的受力进行分析，建立了锰结核颗粒的运动方程；利用CFD求解，确定了影响颗粒运动的输送参数；
　　(3)总结并对比分析了多相流模型和湍流模型的特点及应用范围，以高速螺旋流水力提升系统的实际输送情况为依据，确定了颗粒上升旋流运动的初始条件及边界条件，最终采用欧拉双流体模型及RNG湍流模型；以海水为流动介质，对锰结核颗粒—海水两相螺旋流进行数值模拟，运用数值解法求解固液两相流的基本控制方程，得到高速螺旋流在扬矿管不同断面上的速度场、压力场及颗粒浓度分布规律；
　　(4)根据能量理论计算出不同工况条件下扬矿管内高速螺旋流输送附加阻力损失，进而通过MATLAB软件的多元回归模型推导出高速螺旋流输送阻力损失公式，且经实例验证，证实了以上所求得高速螺旋流输送阻力损失模型的可靠性；
　　(5)自行设计了一套高速螺旋流水力提升系统模拟实验方案，验证数值模拟的流动规律及压力损失模型的可靠性。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 深海锰结核提升技术概述

1.4 两相流的数值模拟理论和模型

1.5 研究内容及技术路线

1.6 本章小结

第二章 螺旋流水力提升系统的工作原理

2.1 螺旋流简介

2.2 螺旋流的基本特性

2.3 螺旋流的应用

2.4 螺旋流水力提升系统

2.5 本章小结

第三章 锰结核颗粒在扬矿管内的力学特性及其运动方程

3.1 锰结核颗粒在扬矿管内的力学特性

3.2 锰结核-海水两相流中颗粒运动方程

3.3 颗粒运动方程的数值求解

3.4 本章小结

第四章 扬矿管中高速螺旋流的数值模拟与计算结果分析

4.1 数值模拟理论及流动模型的选择

4.2 流场模拟

4.3 流场模拟结果与分析

4.4 本章小结

第五章 扬矿管内阻力损失和当地浓度的计算

5.1 阻力损失理论及计算模型

5.2 高速螺旋流在扬矿管内不同工况下的数值模拟

5.3 阻力损失公式的推导

5.4 本章小结

第六章 高速螺旋流水力提升系统模拟实验设计

6.1 实验系统工作原理

6.2 实验装置及物料

6.3 实验方案

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 论文创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

附录 物理量名称及符号说明

攻读学位期间的研究成果