中高尺度固体颗粒气力提升实验研究

摘要

气力提升技术作为一种有效的举升工具，在钻孔水力开采、深海采矿、河道清淤领域的应用中凸具潜力。目前，随着细尺度颗粒的采掘，大量中、高尺度金属结核、块状砂砾等沉积在水中，难以得到有效提升。针对于此，本文采用实验手段结合理论建模对大颗粒的气力提升机理及规律进行研究。　　本文以中、高尺度颗粒气力提升为研究对象，深入探讨气-液-固三相流提升性能随参数变化的规律。实验以直径为10mm，密度为1967kg/m3的麦饭石陶瓷颗为测试对象，研究各参数对气力提升性能的影响；实验同时采用高速摄像系统对管内三相流运动状态进行动态拍摄，并通过图像处理技术对管内流场结构进行分析。　　基于三相流理论及牛顿第二定律建立颗粒提升速度模型，在此基础上运用能量守恒定律建立了提升效率模型，获得了效率的影响因素及其相互作用规律。　　实验分析系统结构和运行参数对气力提升性能的影响，研究结果表明：临界进气量随着进气深度的增大而增大，而随淹没率的上升而减小；相同进气量下，系统排液量、排固量以及提升效率随淹没率的升高而加大。此外，与淹没率相比，气量值对气力提升性能的影响更为显著，存在一个最优的气量值使得气力提升性能达到最佳。　　通过高速摄像仪获取管内颗粒的轨迹特征，并基于图像处理方法对管内颗粒分布状态、速度特征进行分析，阐明了气力提升的运动规律，研究结果表明：气力提升管内流型呈现周期性变换，依次为稀疏泡状流-密集泡状流-泡状搅拌流-搅拌流-稀疏泡状流。其中泡状搅拌流相对稀疏泡状流和密集泡状流更有利于固体颗粒的提升；管芯处颗粒速度较高，且不同径向位置的颗粒速度并不对称于管道中心线。相对于单颗粒而言，颗粒群作用下的气力提升性能较佳，低进气速率下，颗粒浓度较低且大多靠近管壁；随着进气速率的增大，颗粒向管芯运动，且该处颗粒浓度和提升速度均较高；持续加大进气速率，管内趋向搅拌流型，其中颗粒分布较稀疏，且受进气速率和径向力的综合作用使其呈不规则螺旋式上升。此外，管内混合流体受气泡聚合与分裂影响呈现显著的周期振荡特征。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2气力提升技术国内外研究的进展

1.3高速摄像法用于气力提升系统性能的优越性

1.4本课题研究的主要内容

第二章气力提升系统理论分析

2.1气力提升系统工作原理

2.2气力系统提升条件

2.3固体颗粒的基本特性

2.4影响气力提升效率因素的研究

2.5本章小结

第三章 气力提升系统模型

3.1系统内部流动特征参数

3.2气力提升系统基本特性

3.3本章小结

第四章气力提升系统实验研究

4.1实验目的

4.2实验装置

4.3实验方案

4.4实验结果处理及分析

4.5本章小结

总结

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢