水下矿物浆料气力提升理论模型与流动特性实验研究.docx

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1、水下矿物浆料气力提升理论模型与流动特性实验研究随着有利于浅层开采的矿产资源逐渐枯竭,着眼于深部与超深部资源的高效、无污染浆料提升技术己迫在眉睫。作为举升浆料的有效工具之一,气力提升系统不含运动部件,具有结构简单、体积小、成本低、污染少、不易堵塞和使用可靠等优点,特别适合应用于钻孔水力开采、深海采矿以及深水域库区疏浚等领域,对改善环境、解决自然能源供应紧张与经济高速发展之间的矛盾、倡导可持续性发展具有重要的经济战略意义。目前,因多相流的复杂性和不可预见性,针对于浆料气力提升技术的基础理论与实验研究尚不完善,特别是系统理论模型及其内部流动机制的研

2、究极为缺乏。本文以获取精确、高效、通用性强的理论模型以及多相流动特性为目的,通过理论与实验研究揭示浆料气力提升系统的外部及内部特性。所开展的主要工作及其研究成果如下：(1)考虑气体沿管轴向的非线性变化特征,基于动量定理并结合相含率、压降与能量控制方程,建立了气力提升系统的理论模型,有效解决了传统模型中经验公式偏多及其受限于单一流型等弊端,计算得出了系统运行与结构参数对气力提升性能的作用规律,结果表明：液体表观流速、固体表观流速与提升效率随气体表观流速和管径增加均呈先升后降之趋势,而随浸入率和进气口高度增加则体现出单调性；气、液、固各相体积份数

3、沿轴向在进气口位置出现突变,而在液-固两相中基本恒定不变,即使处于气-液-固三相段也仅发生细微变化；随气体表观流速与浸入率上升,两相段压降基本恒定不变,而三相段压降却受此作用极为明显。(2)以颗粒在液-固两相段中的临界模型为基础,结合气相含率控制方程建立了气-液-固三相段的临界模型,并通过与前者的比较判定颗粒得以提升的临界条件取决于液-固两相段。此外,考虑水底静压持效应,对上述两相段中的临界模型进行修正,其计算结果表明静压持效应极不利于颗粒的“启动”,甚至造成气力提升系统失效。(3)为验证理论模型的可靠性,搭建了总高度为3m的小型气力提升系统

4、,并以中、小尺度球形麦饭石陶瓷颗粒为提升介质,同时利用压力传感器获取测点静压,实验分析了系统基本性能、压降特征与临界条件的影响因素及其内在联系,结果发现中等气体表观流速下实验值与模型结果吻合较好,而其值过低与过高均因各相滑移加大及流场结构的瞬变性、随机性等复杂因素增强引发模型预测失准,同时浸入率降低也会导致模型精确性降低。此外,对气力提升液体与固体颗粒的临界情况分别展开研究,发现前者对应临界气体表观流速不受颗粒影响,而后者却因其位置与尺度变化存在较大差异,且实验证实了水底静压持效应的确使得气力提升性能出现大幅恶化。(4)提出了一种兼有传统气举

5、和射流泵双重功效的环喷式进气方式,使其固体表观流速与效率较径向式进气大幅升高,不过液体表观流速并未受此影响。对两种进气方式下的实验数据无量纲化处理还发现,两者分布规律基本服从于同一分布曲线,继而基于能量守恒首次推导了对应的无量纲理论模型,有效支撑了上述实验结论。另外,还通过引入水射流喷嘴研究其对气力提升性能的影响规律,结果表明水射流喷嘴不仅可解除水底压持效应,还使得颗粒易于跃过液-固两相段,从而大幅增强了气力提升性能,且喷嘴沿周向布置应适度“偏心”。(5)基于高速摄像技术对气-液-固三相流型进行划分,提出了泡状流,小弹状流,不规则弹状流,大弹

6、状流(弹状流),搅拌流,细泡状流和环状流七种流型,并通过与固体表观流速峰值位置的比较判定细泡状流为气力提升性能对应的最佳流型,继而基于图像处理技术获得了各流型下的灰度直方图及概率图,从而通过提取其中统计特征值,获得了基于标准偏差的流型识别方法。通过利用高速摄像仪对混合流体及其中气泡与颗粒的分布和运动特性的分析发现,气泡与颗粒在提升性能增强过中逐渐渗入流道芯部,反之则向管壁靠拢并趋于离散,且气、液、固各相运动具有较强的周期性,从而使得混合流体呈振荡式上升运动规律。而且在固体颗粒的周期运动中发现其提升比极小,从而找出了长期以来气力提升性能一直偏弱

7、的根本原因。鉴于此,利用高速摄像仪对环喷式进气方式作用下的混合流体实测,发现其中提升比显著升高。此外,气泡的塌陷式收缩还会引发邻近气泡与颗粒出现跳跃现象。(6)针对湖南省道县后江桥铁锰矿区的特有地质条件,提出了脉冲水射流和气力提升联合采矿方法,实现了国内特大型涌水矿床开采的先例。试验结果证实了气力提升技术在钻孔水力采矿中的优越性。