深海采矿提升泵数值模拟研究

《深海采矿提升泵数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、深海采矿提升泵数值模拟研究摘要：针对深海底矿物粗颗粒浆体在提升泵内的流动问题，提出了一种新型粗颗粒均质浆体两相流动模型•采用流体动力学软件CFX对两级提升泵内的粗颗粒固液两相湍流进行了数值模拟•计算获得了粗颗粒在提升泵内的流动特征及其泵工作特性的仿真结果，并与两级提升泵的性能试验结果进行对比，两者能较好地吻合，从而验证了该两相流动模型和数值模拟的有效性和准确性.关键词：提升泵；两相流；数值模拟；性能预测中图分类号：TH313文献标识码：A矿产资源是人类赖以生存和发展的物质基础•人类对矿产资源的需求量与日增加，开发海洋矿产资源具有十分重要的意义.以提升泵为关键装备的深海底矿物粗颗粒固液两相流体水

2、力输送系统研发而形成的提升技术是深海矿产资源开发的关键技术之一，因此，对提升泵的研究具有重要的意义•目前德国［1］、日本［2］、中国［3］、国际海洋金属联合组织（IOM）［4］、韩国［5］、印度［6］等国家或国际组织均将提升泵水力管道提升作为其提升方案，但至今为止只有德国KSB公司、日本荏原公司和中国研制加工出深海采矿提升泵.1978年，OMI财团在中太平洋进行的开采试验，使用了德国KSB研制的2台六级潜水提升泵.中国从20世纪90年代开始进行海洋采矿技术的研究，并在“十一五”期间成功研制出深潜硬管提升两级泵.目前需要从理论的角度进一步研究提升泵内粗颗粒固液两相流动机理，为提升泵的宽流道设计提

3、供理论基础，需要进行提升泵的数值仿真和性能预测等基础研究，来解决管道系统提升特性与提升泵工作特性的匹配关系.本文以中国研制的两级提升泵为研究对象，对粗颗粒固液两相流在泵内运动情况进行了CFD数值模拟与分析，得到泵内流体速度、压力、浓度、颗粒轨迹等流场参数的信息，对提升泵的工作特性进行预测，并通过试验结果加以验证.1计算模型应用计算机对水泵内部的流动进行数值模拟，采用CFD预测、计算泵的扬程及效率来检查、预测水力设计的正确性和合理性，为泵的水力设计及其改进提供依据[7].对固液两相流的数值计算大都采用双流体模型，但海底矿物浆体是由固相颗粒（如猛结核、钻结壳、金属硫化物，湿密度为2100kg/m3

4、左右）和液相（海水）组成的一种独特的混合两相流体，固相既含有从海底集矿带上来的海底沉积物和集矿机破碎、提升过程矿物粉化、磨损产生的细颗粒，又含有粒径50mm的粗大颗粒，因此矿物的粒级组成十分宽广，不能将此类浆体视为拟流体处理，故双流体模型不适用于计算•根据海洋采矿提升的实际工艺过程，本文提出了非常适合于海底矿物浆体计算的粗颗粒均质浆体两相流动模型[8],此模型根据提升速度和矿物粒级组成将颗粒区分为细颗粒和粗颗粒，细颗粒视为拟流体相，与海水形成均质浆体，在欧拉坐标系下研究；粗颗粒视为离散相，以细颗粒与海水形成均质浆体为载体，在拉格朗日坐标下研究粗颗粒的运动.此模型基于单流体模型和颗粒随机轨道模型

5、，进行了适当的优化，使之更加符合海洋采矿海底矿物浆体流的实际情况，得到较为经济而准确的仿真结果.因此粗颗粒均质浆体两相流模型的控制方程与颗粒轨道模型相似.在与叶轮一同转动的直角坐标系下，两相控制方程如下.固体颗粒的运动轨迹通过积分Lagrangian坐标系下颗粒作用力的微分方程来求解.固体颗粒在固液流场中运动时主要受到重力、扰流阻力、附加质量力、压强梯度力、Basset力、Saffman力和Magnus力等作用力.另外，由于流体机械的旋转作用，颗粒运动方程还应该中国“十一五”期间研制的深海采矿提升泵为筒装式整体结构的节段多级泵，其整体结构如图1所示[3].提升泵的叶轮和导叶采用高强度、具有优良

6、抗磨蚀性能及高强度的材料制造，适用于输送强磨蚀、高浓度、大颗粒的矿浆，在最大工作范围内可以多级串联使用•其主要参数为：提升泵作业水深400m,叶片数为3,导叶数为4.当流量Q=420m3/h,转速n=l450r/min时，单级设计扬程H=40m,清水效率ti=50%〜60%.出口直径Dd=200mm,要求通过最大颗粒粒径Dmax=50mm,最大通过体积浓度Cv=10%,通过的猛结核的粒径应满足集矿机破碎后猛结核粒级组成.海底矿物的粒级组成如表1所示•海底矿物由中国大洋1号科考船在太平洋克拉利昂克里怕顿断裂带中国多金属结核开辟区拖网采集的天然多金属结核经破碎机破碎后的测量结果•在CFD模拟计算中

7、，猛结核的粒径选取各粒级分布的中间值进行计算.3.1建模及网格划分根据两级提升泵的设计，利用旋转机械造型软件BladeGen生成此提升泵的计算模型，在ANSYSWorkbench中对模型进行处理•为了减小计算量，选取其中单流道进行计算，其他部分流场情况可以通过旋转周期性得到•利用旋转机械网格划分工具TurboGrid对流道进行全六面体结构化网格划分，并利用ICEMCFD进行了网格优化，得到最终的网