不同固体颗粒介质下气力提升机理及性能研究

摘要

气力提升系统有着成本低廉、结构简单、环境污染少和安全可靠等优点，能够实现传统的输运系统无法应用的场合，如水文地质复杂矿区钻孔水力开采、深海采矿和较深水域河道清淤等。尤其是将气力提升系统应用于钻孔水力开采、深海采矿和河道清淤，这对减少经济发展与矿产资源供应之间的矛盾，改善河道环境都具有重要意义。　　目前对于不同固体颗粒介质下，气力提升机理和性能方面的研究不够完善，导致气力提升系统的应用受到限制。因此，本文以不同固体颗粒介质下的气力提升系统作为研究对象，采用理论与实验研究相结合的方式着重探讨气力提升机理和性能随运行参数的变化特征。　　文中通过基于牛顿第二定律建立了不同固体颗粒介质下的临界提升模型，并分析了气力提升系统中固体颗粒介质的临界提升条件，之后基于能量守恒定律建立了包含固体颗粒速率和液相速率的提升效率模型。采用麦饭石陶瓷颗粒和河沙固体颗粒分别作为气力提升系统实验测试装置的提升介质，获取了气力提升性能随运行参数的变化规律，同时运用高速摄像仪分别拍摄了两种提升介质下的气液固三相流流场结构，并在此基础上，基于图像处理技术得到了气力提升管内的流动机理，结果表明：　　两种固体颗粒介质下，固体颗粒的提升速率和液相的提升速率均随淹没率的升高出现增加趋势，而随进气量的增加均呈先增大后减少直至趋于平缓的变化规律；两种固体颗粒介质下的气力提升效率均随淹没率的升高出现增加趋势，而随进气量的增加则呈现出类似于反比关系；当进气量较低时，河沙固体颗粒的提升速率比麦饭石陶瓷颗粒的提升速率高。此外，临界提升模型和提升效率模型的计算结果与实验结果吻合良好。　　两种固体颗粒介质下的气液固三相流均存在四种流型，分别为颗粒涡环流、颗粒波浪流、密集型泡状流和颗粒环状流，其中密集型泡状流不仅在同一流型下，流型特征差异最小，而且在该流型下，两种固体颗粒的提升速率均达到最大；同一流型间的微小变化，将引起两种固体颗粒介质在轴向和径向上的运动速度出现较大差异。　　本研究的主要内容较为贴近工程实际，取得的研究成果具有重要的工程应用价值。

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