水力提升管道大颗粒运动特性的高速摄影分析.pdf

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1、泥沙研究2012年6月JournalofSedimentResearch第3期水力提升管道大颗粒运动特性的高速摄影分析王英杰，阳宁，金星，(1．深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南长沙410012；2．长沙矿冶研究院，湖南长沙410012)摘要：为提高管道水力输送安全性，本文利用高速摄影技术对水力提升系统中大颗粒的运动规律进行了试验研究，观察了颗粒及颗粒群体的运动状态。通过数字图像处理技术，得到了单颗粒的运动轨迹和颗粒群分布规律，同时获得了颗粒轴向速度、径向速度等各种运动参数，并分析了颗粒粒径对其轴向速度的影响。研究发现单颗粒基本上属于螺旋式上升的状态；颗粒群主要集中于管道的中心；颗粒

2、的轴向速度在沿管径的分布类似于抛物线分布，大小基本上与颗粒的粒径成反比；径向速度沿管径基本符合正态分布。关键词：深海采矿；水力提升；两相流；运动规律；高速摄影技术中图分类号：TV149文献标识码：A文章编号：0468—155X{2012)03-0064-06随着人们对矿产资源数量及种类的要求与13俱增，海洋矿产资源对人类和现代社会的发展意义显得更加重大。深海采矿技术是一个高新技术密集的领域，深海采矿方法是一个庞大复杂的系统工程，其中急需解决的问题之一就是大颗粒水力提升问题⋯，而对管道中离散的颗粒相与连续的液体相混合运动机理的研究，则是管道水力输送技术应用的关键。然而，过去由于试验设备、数字图像

3、处理技术等方面的限制，几乎没有试验研究实际工况下的垂直水力提升管道两相流中颗粒运动特性的报导。近年来，高速摄影技术的发展十分迅速，刘娟、许洪元等曾对半开泵叶轮内的液固两相流动进行了高速摄影研究，得到了颗粒的流动规律，然而至今尚未见到对垂直管道中大颗粒运动规律以高数摄影为手段进行的研究。因此本文将新的高速摄影技术引入到水力提升试验中，以此对颗粒在水力提升管道中的运动规律进行了研究。1试验系统与装置所需采集的矿物为海底多金属结核，根据其物理力学特性测定结果及相似条件要求，利用水泥、煤粉、玄武岩粉和珍珠盐粉按一定比例进行模拟结核批量制作，制作出的模拟结核如图1中所示。参照“我国铁矿烧结球团试验检测方

4、法试行草案”中图1试验所用物料有关粒级筛分规定的方法和设备进行筛分和整级，采用Fig．1Simulationalnodulesusedinexperiment国际ISO系列筛分。然后从不同粒度的成品球团中随机取样，在水中浸泡7天，采用石蜡法测定球团密度。不同粒度平行测定两次，结果取其平均值如表1所示。收稿日期：201012．13基金项目：国家“十一五”深海技术发展专项基金资助项目(DYXM一115—04一O2—02)作者简介：王英杰(1987一)男，山东省泰安市人，硕士，从事管道输送及有限元分析方面研究。E-mail：cumtwyj@gmail．corn表1模拟结核成品球团湿密度测定结果Tab

5、le1Testresultsofwetdensityofsimulationalnodules试验在高度30m，内径200mm的扬矿模拟试验系统中进行(如图2所示)，系统由供水稳压部分、提升部分、给料部分、控制与测量部分、人工标定部分等组成。水图2试验系统示意图Fig．2Testsystem在扬矿泵出EI处安装金属网筛，在透明玻璃管处安装高速摄影仪，对管道内颗粒运动状态进行拍摄。本文使用hantomV310高速相机系统对图像数据进行采集，相机满幅拍摄速率为3140帧／秒，最高拍摄速率可达到500000帧／秒。采集系统由以下几个部分组成，CCD镜头，数据线，图像处理器，IE1934传输线和图像采

6、集处理软件。试验时，首先在金属网筛上放置准备好的按提升浓度要求配置的模拟结核颗粒(群)，试验时逐渐增加泵转速，加大管道水流量，随着料层逐渐上升，直到颗粒运动状态稳定为止。在此过程中，拍摄颗粒在管道内的运动状态，记录料层高度和相应的水流量，并通过计算机连续采集试验数据并观察实时趋势图。试验结束后排出物料，然后打开水包底部阀门，将试验系统所用清水流入下水道。值得注意的是，高速摄影仪的拍摄频率较高时，拍摄时间非常短暂，仅为几秒(例如5000帧／秒时能拍摄4秒)，这就要求我们在颗粒进入稳定状态后启动高速摄影仪，因此试验前需要知道颗粒大概在何时满足这一条件。65为了能将颗粒轨迹在静态图片中反映出来，在完

7、成颗粒图像阈值化处理之后，我们可以通过图像像素矩阵的加法运算，将多幅颗粒图像进行叠加，可以获得颗粒在管道中运动的轨迹，这个过程也是通过MAT—LAB软件实现的，经过以上的各种处理便能将高速摄影仪中的RGB图像处理为颗粒运动图像(图7)。从图7可以看出，当颗粒运动阶段达到稳定时，竖直方向运动速度基本上是稳定不变的，水平方向呈现周期运动，颗粒基本上属于螺旋式上升的状态。这是因为固体颗粒随流体沿轴向上升