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粗颗粒在复杂空间形态管道中水力输送特性研究 孙博文 刘鑫 王磊 毕丽梅 卜云洁 一 立项依据 研究意义 管道输送的意义 随着我国国力的增强，经济飞速发展,快速，清洁低耗能的运输方式在各个领域就显得尤其的重要。管道运输迅速、经济、安全、可靠、平稳矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等运输量大、连续、投资少、占地少、费用低可实现自动控制70 年代开始，西方发达国家先后进行了大规模的试验研究，如Engelmann[11]利用200m 深的矿井进行了粗颗粒垂直管水力提升试验研究，Asakura[12]利用数值模拟进行了垂直管水力提升特性研究。我国从上世纪90 年代初期开始深海采矿技术开发，先后进行了射流泵提升、气力提升以及泥浆泵提升三种扬矿工艺研究，在对三种提升工艺特点与效率比较基础上，选定泥浆泵提升作为深海扬矿工艺。随后利用泥浆泵进行了100mm 和150mm 垂直管道输送系统工艺、动态和倾斜管道输运试验研究，对输送过程中的固液两相流压力损失变化，粗颗粒在垂直管流中的滞留效应以及尺寸不同的颗粒分选情况（小颗粒运动快）等进行了分析[14－15]。 粗颗粒与细颗粒不同在于，研究细颗粒运动时只要掌握流体的宏观特性，如输送流体的流变特性等[4]而粗颗粒的研究重点则在颗粒个体的运动力学特性及其相互之间的作用。因此，国内外学者针对粗颗粒水力输送机理进行的研究主要在以下两个方面：一是在颗粒个体在流体中的动力学特性研究，如：二是在不同领域的管道输送工程应用研究。如： 粗颗粒在复杂形态管道中运动形式研究 粗颗粒在管道中的运动由其受力状态决定，主要的作用力除重力与浮力外，还有流体对颗粒的拖曳力、压力梯度力、变速运动产生的附加质量力、、流速梯度产生的Saffman 力以及颗粒与边壁、颗粒之间的相互作用力等Sommerfeld[6]在对颗粒受力分析基础上，采用拉各朗日方法，考虑颗粒之间的碰撞以及颗粒与边壁的碰撞作用，对粗颗粒群运动进行了数值模拟计算，得到了颗粒在管流截面中的分布，颗粒速度分布等微观信息。路展民[7]利用激光多普勒分相测量技术，在实验中分别测出了颗粒和流体的时均速度，在力学分析基础上，确定了固体颗粒在管流中的滑移速度（颗粒与流体的速度差）表达式。。粗颗粒在管流中受力特点与微观运动特性研究为是粗颗粒水力管道输送工程的应用奠定了重要基础，但是受试验测试技术与计算机模拟能力的限制，这方面的研究整体进展缓慢。 堵管机理的研究 水平井和大斜度井已成为油田尤其是海上油田开发的重要技术手段，但由于其砾石充填过程涉及井筒倾斜、流体滤失条件下的固液两相变质量流动与砂床运移，充填过程中极易发生提前堵塞，使作业失败。张琪与董长银等[17]考虑大斜度井井眼曲度变化和筛管中立下垂偏置等复杂条件，研究了油井井筒倾斜条件下的砾石充填机理，初步提出了描述砾石充填过程的数学模型以及相应的设计方法。油井砾石充填结果表明，在倾斜、水平以及弯曲等复杂状态管道中，粗颗粒运移形式、固液两相流阻力特性、粗细颗粒分选、粗颗粒在弯管段的滞留状态非常复杂，技术难度很大，堵塞风险概率很高。以上领域的研究均涉及粗颗粒在水平、倾斜以及弯曲等复杂条件下的水力输送，但研究内容偏少，与实际应用还有相当差距。粗颗粒水力输送技术在水力输煤和油井充填等领域的实践尝试再次说明了本研究具有广阔的应用前景。 尽管在粗颗粒水力输送方面取得一些研究成果，但由于固液两相流动的复杂性，还有很多问题没有真正得到解决，如颗粒在空间形态复杂管道中的运移形式，粗颗粒在管道中堵塞机制等。本课题拟在已有成果的基础上，利用试验和计算机模拟技术，对粗颗粒的在复杂管道中的运动形式和不同粒径不同浓度下的堵塞机制进行研究，力求得出合理规律及运动条件。 参考文献： [1]. 矿浆管道输送技术的发展与展望 [2].倪晋仁，王光谦，张红武. 固液两相流基本理论及其必威体育精装版应用. 科学出版社，1991 [3] 李鹏程. 粗颗粒垂直管水力提升规律研究，水利工程 2007, 4, 4、毛旭锋, 夏建新. 复杂地形下高浓度浆体管道充填阻力试验研究，矿冶工程 2007, Vol.27 (4), 35-38 [7]路展民，杨秀芝，垂直管湍流液－固流中大颗粒的相对速度，力学学报，1999，Vol.31(1), 29-36 [8]栗苏文，夏建新，曹斌, 颗粒流动特殊现象探析, 泥沙研究, 2005, NO.6, 65-69 [9]C S Campbell. Granular material flows -An overview．Powder Technology，2006, Vol. 162，208－229. [10]H M Li, J J McCarthy．Cohesive particle mixing and segregation under she