垂直管道颗粒及颗粒群沉降运动规律研究.pdf

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1、泥沙研究2010年8月JournalofSedimentResearch第4期垂直管道颗粒及颗粒群沉降运动规律研究陈光国，阳宁，唐达生，金星，肖红(长沙矿冶研究院深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南长沙410012)摘要:沉降运动是固液两相流基础的相对运动形式。垂直管道水力输送紧急停泵状态下，颗粒群体沉降很容易造成管道堵塞。本文进行了单颗粒、均匀颗粒和非均匀颗粒群体三种沉降试验，分析了浓度、级配、粒径、边界条件等因素对颗粒及颗粒群沉降速度的影响，对粗颗粒在管道中的沉降运动规律进行了探索。关键词:垂直管道;固液两相流;群体沉速;边界条件中图分类号:TV1

2、42文献标识码:A文章编号:0468-155X(2010)04-0016-06垂直管道水力提升是我国深海矿产资源开发领域重点研究的采矿方法。大颗粒固液两相流在深海采矿、水力输煤、陆基竖井采矿、河海疏浚、石油钻井等方向也有重要的应用空间。垂直管道水力输送时［1］会经常遇到管路堵塞的问题，尤其在深海采矿过程中，扬矿系统紧急停泵时，近6000m的垂直管道内将有数十吨结核沉降，一旦造成颗粒堵管，整个采矿系统的安全性将受到极大威胁。固液两相流管道输送中，过去对水平管浆体输送研究较多，对垂直管道水力输送研究较少;对泥沙、矿浆、水煤浆等小粒径物料研究较多，对多金属结核，块状

3、矿石等大颗粒物料的水力提升研究很少。颗粒沉降运动是固液两相流的基础内容，颗粒群体沉降也是造成管路堵塞的重要原因。本文在试验的基础上由简入繁，对粒径5～50mm的单颗粒、均匀颗粒和非均匀颗粒在不同浓度、级配和管径下的沉降速度进行了理论分析，总结出合理的提升参数，为垂直管道安全、高效输送提供设计依据。1试验装置及方法单颗粒沉降试验分别在两套沉降装置中进行，一套是管径200mm，高6.5m的沉降系统，主要由给料斗、缓冲水槽、透明有机玻璃管和沉降水箱构成，在透明管段取3.5m高为有效测量距离;另一套是管径500mm，高3m的有机玻璃沉降筒，取中间2m高为有效测量段，测

4、量段的选取均考虑避开沉降加速段。群体沉降试验在管径200mm的沉降系统中进行，在给料斗中安装了4种不同口径的阀门控制给料浓度。试验采用具有高稳定性的DV-2数字测速仪计时，现场安装了一台phantomV4高速摄像机对有效测量段进行同步拍摄，运用图像处理技术对颗粒运动轨迹进行了分析比较。单颗粒采用人工模拟结核和标准玻璃球若干组，粒径5～50mm，经测定选用的模拟结核平均形状33系数Sf=0.9，湿密度为2000kg/m，标准玻璃球的密度为2450kg/m。试验用同样的颗粒在管径200mm和500mm的沉降装置中进行了比较。均匀颗粒的群体沉降采用人工模拟结核，利用

5、标准网筛筛选出五组粒径，范围分别为5～10、15～20、25～30、35～40、45～50mm。非均匀颗粒的群体沉降试验按照我国矿区多金属结核经破碎机破碎后的结核粒级进行配料。试验共进行了粒径d≤50mm、d≤40mm、d≤30mm三种模拟结核粒级配比。收稿日期:2010-02-23基金项目:中国大洋矿产资源研究开发协会专项基金资助项目(DYXM-115-04-02-02)作者简介:陈光国(1985－)，男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事深海采矿扬矿及管道输送技术研究。E-mail:guangguoc@163.com162单颗粒沉降影响单颗粒沉速的因素主要有

6、颗粒粒径、密度、形状和边界条件。试验采用不同粒径的模拟结核和玻璃球若干颗，相同粒径的颗粒沉速取平均值，试验结果如图1。颗粒粒径是影响沉速的重要因素之一，粒径越大，沉速越大。颗粒密度对沉速也有很大的影响，由图可以看出，两种不同密度的同粒径颗粒沉速相差0.2～0.4m/s，密度越大沉速越大。颗粒在流体中运动所受到的阻力主要由粘性阻力和形状阻力组成。当流速不断增大，形状阻力的作用越来越明显。模拟结核在沉降时不同于标准球体，主要是由于颗粒形状对沉速有很大影响。对于形状不规则颗粒，如果能测出长、中、短三轴直径a，b，c，则同样可以通过实验建立这些直径的比值与沉速间的关系

7、。长沙矿冶研究院海洋所在“八五”和“九五”期间［2－3］对深海天然锰结核样品形状系数和阻力系数关系作了大量的试验研究，得出了CD与Sf在双对数坐标上呈直线关系cS=(1)f槡ab－1.63C=0.52S(2)Df在沉速公式的推导中，一般都假定水体范围为无穷大，这在实际应用中几乎是不可能的，特别是在实验室研究颗粒的沉降规律时，所采用的试验装置尺寸较小，因此有必要探讨管道边界条件对颗粒沉速的影响。本文用大量相同的模拟结核和玻璃球分别在管径D=200和500mm的沉降装置中进行试验，由图1可以看出，当粒径较小时，模拟结核和玻璃球在两种管径的沉降装置中沉降速度相差很小

8、，随着粒径的逐渐增大，相同的颗粒在两套