深海采矿输送泵内大颗粒滑移与流场耦合作用研究
批准号:
52071296
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
宿向辉
依托单位:
学科分类:
海岸工程与海洋工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
宿向辉
中文摘要
深海固体矿产资源提升过程中所要输送的矿物颗粒尺度差异较大,泵内颗粒运动与普通固液两相流相比有着截然不同的宏观性质和微观机理,但目前国内外针对上述问题缺乏系统的理论研究,导致混输泵水力设计不能兼顾输送安全性和经济性。为此,本项目针对深海固体矿产资源泵内大颗粒滑移和流场耦合问题,围绕颗粒-流体-壁面耦合作用和颗粒壁面冲击作用两个关键问题,通过数理分析、数值计算和试验,开展泵内固液模型构建、全流场颗粒动力学分析以及泵的内外特性关联研究,揭示复杂流道内颗粒的迁移对流,颗粒运动与流场之间的耦合关系,掌握颗粒群的动态生成和能量传递机理,明确工况参数、固相参数与泵输送性能之间的影响,为高性能深海固体矿产资源输送泵的设计开发提供理论及方法支撑。
英文摘要
This project carried out basic research on the solid-liquid transport characteristics and particle wall impact in the mineral transport pump in the deep-sea environment. The size of the mineral particles is quite different during the deep-sea mining transporting. Compared with conventional solid-liquid two-phase flow, the he particle motion in the slurry pump has completely different macroscopic properties and microscopic mechanisms. However, there is no systematic theoretical research on the different conveying characteristics of particles in domestic and overseas, which results in that the hydraulic design of the multiphase pump cannot take into account the transportation safety and economy. Therefore, this project around two key issues of the particle-fluid-wall coupling and particles impact the wall to solve the issue of large particle slippage and flow field coupling in the deep-sea mining pump. Using the methods of mathematical analysis, numerical calculation and experiment to build the Solid-liquid model in the slurry pump and to analyze the dynamics of particles in the whole flow field and the correlation between flow field characteristics and performance. Revealing the convection laws of particle migration in complex flow channels and the coupling relationship between particle motion and the flow field is conducive to grasp the dynamic generation and decomposition mechanism of particle groups. Determine the influence of working conditions and particle properties on performance will be provided theory and method support for the design and development of high-performance deep-sea mining slurry pumps.
深海混输泵管对于输送安全性有很高的要求,其内部存在复杂流道和旋转流场下粗颗粒-流体-边壁耦合效应,导致泵的输运机理不明。本项目通过试验和数值,建立了射流-颗粒作用两相流动计算方法,形成了旋转湿润条件下颗粒流动计算方法,实现了固液两相全流域流场流动计算,解决了特殊工况数值模型适应性问题。具体而言,本项目有两方面的主要研究进展:在两相模型方面,本项目基于有限颗粒直管耦合计算的曳力和湍流修正、混输泵内旋转湿润条件下颗粒与壁面碰撞格式修正两个方面开展了系统研究工作。采用CFD-DEM耦合方法,通过颗粒曳力和两相动量交换的迭代计算完成相间的耦合传递,成功描述了固液泵内的颗粒运动及其与流场的相互影响,最终形成了旋转湿润条件下大颗粒流动计算方法。在泵内流方面,申请人对混输泵管内部固液两相流动开展研究,分析了叶轮、导叶等过流部件及环形流道和蜗壳等全流域内颗粒的运动特征,通过试验研究颗粒群的形成和分解动态过程,建立粗颗粒群在流道内团聚的准则,研究颗粒群的生成频率、时间份额、平均颗粒浓度等特性,揭示了颗粒群在两相流场中运动和能量变化规律。上述工作较好地揭示了射流场颗粒流发展演化规律和颗粒迁移特性,揭示了混输泵内颗粒动力学特性,构建了粗颗粒泵管内部多相流动与外特性的关联,阐明了混输泵管长周期运行特性及失效机理,进而提高了矿石采输系统运行状况的评价水平。目前,本项目已发表论文17篇,SCI论文15篇,授权发明专利6项,相关研究结论直接应用于我国400米RMR和2000米RMR深海钻探泥浆举升泵系统工程应用,对深海采矿和深海钻探起到了一定的技术支撑作用。
基于LBM-LES拟流体分析的细颗粒固液离心泵内流特性研究
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批准号:51706206
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2017
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负责人:宿向辉
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依托单位:
国内基金
海外基金