（机械设计及理论专业论文）输送天然气水合物的管道及双流道提升泵流场分析.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 众所周知，能源早已成了当代社会发展的基石。传统能源的日益 枯竭，迫使人类不得不寻找更高效、更清洁的替代能源，天然气水合 物是目前为止人类找到的、最具应用前景的替代能源、清洁能源。 天然气水合物主要储藏在海底，覆盖层较浅，使用固态开采法开 采天然气水合物是比较合理的。在固态开采方案中，通过水力输送技 术将水合物颗粒输送至海面是最为关键的部分。在深海采矿领域，颗 粒物质的水力输送问题是一个尚未得到有效解决的重要课题。因此本 文选择对天然气水合物输送系统的输送管道和双流道泵的流场进行 分析，以找到天然气水合物最佳的输送系统。 本文根据两相流理论和管道输送理论，对其输送系统进行水力分 析，得到了输送系统相关参数的表达式，在多种工况下详细验证水合 物水力输送1 0 0 0 m 系统和4 0 0 0 m 系统的可行性。根据深海采矿应用 环境，对提升泵进行研究，选择双流道泵作为天然气水合物输送系统 的提升泵。然后，利用f l u e n t 软件对1 0 0 0 m 系统输送管道和双流道 提升泵内的固液两相流动进行了数值模拟。最后，通过相似试验验证 本文数值模拟方法及结果的正确性。本文通过上述研究得到的主要研 究成果如下：( 1 ) 在水深4 0 0 0 米以内，采用水力输送技术将天然气水 合物颗粒输送至海面完全是可行的；在五种工况下，提升泵扬程最高 要求为1 4 5 m 。( 2 ) 水合物在粒径小、密度小和中等体积浓度的情况 下，最有利于水力输送。( 3 ) 双流道提升泵扬程流量曲线陡，能够 适应深海采矿环境；泵内颗粒分布规律与颗粒密度关系较为密切，为 防止过度磨损，应根据密度大小对该泵进行优化。 本文的研究可以为海底天然气水合物固态开采方案的进一步深 入研究建立基础，也为深海采矿水力输送系统的优化提供理论依据。 关键词天然气水合物，固液两相流动，双流道提升泵，流场 中南大学硕士学位论文 a b s t r a ( 玎 e n e r g yh a sa l r e a d yb e c o m et h ec o r n e r s t o n eo fc o n t e m p o r a r ys o c i a l d e v e l o p m e n t a st h et r a d i t i o n a le n e r g ye x h a u s t i n g ，h u m a n sh a v eb e e n f o r c e dt of i n dm o r ee f f i c i e n ta n dc l e a n e ra l t e r n a t i v ee n e r g y g a sh y d r a t e s i st h ea l t e r n a t i v ee n e r g ya n dc l e a ne n e r g y , b e i n go ft h em o s ta p p l i c a t i o n p r o s p e c t ，h u m a nh a v e f o u n d t r a d i t i o n a lm i n i n gm e t h o d sa r ed i f f i c u l tt oe x p l o i tu n d e r s e ag a s h y d r a t es t o r e di ns h a l l o wl a y e r , b e c a u s et h o s em e t h o d sc a nn o tb u i l d a c l o s ee n v i r o n m e n t u n d e rt h i sb a c k g r a n d ，a n db a s e do nd e e p - s e am i n i n g t e c h n o l o g ya n dt h ec u t t e rs u c t i o nd r e d g e rt e c h n o l o g y an e wa n dm o r e f e a s i b l es o l i d - s t a t em i n i n gp r o g r a mw a sp r o p o s e di n t h i sp a p e r i nt h i s p r o g r a m ，t r a n s p o r t i n gt h eh y d r a t em i n e r a lg r a i n st o t h es e al e v e li st h e m o s tc r u c i a lp a r t a l t h o u g ht h e r ea r eal a r g en u m b e ro fr e s e a r c hr e s u l t so n t h eh y d r a u l i ct r a n s p o r to fs o l i dg r a i n s ，t h e s er e s u l t sh a v ec o n s i d e r a b l e l i m i t a t i o n s s o ，i no r d e rt of i n db e t t e rg a sh y d r a t et r a n s p o r tp a r a m e t e r s a n dt r a n s p o r te q u i p m e n t s ，t h i sp a p e rc h o s et or e s e a r c ho nh y d r a u l i c t r a n s p o r to fh y d r a t e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e a b e dh y d r a t e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e d an e ws o l i d s t a t em i n i n gp l a na n dd e m o n s t r a t e di t sf e a s i b i l i t y a n d a c c o r d i n gt oh y d r a u l i ct r a n s p o r tt h e o r y , h y d r a u l i ca n a l y s i s e s o ft h e t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw e r em a d e ，a n ds y s t e mp a r a m e t e r se x p r e s s i o n w a s g i v e n i nt h i sp a p e r l a t t e r , d e s i g n e df i v ek i n d so ft r a n s p o r t a t i o np r o g r a m s a n dr e s p e c t i v e l yv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h o s em e t h o d si nh y d r a u l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw h i c hw o r k si n10 0 0 ma n d4 0 0 0 md e e pf o r ms e a s u r f a c e a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to f l i f tp u m p ，s t u d i e d o nt h el i f tp u m p t h e n 。u s e d 也em i x t u r em o d u l ea n di gk t u r b u l e n c e m o d e lo ff l u e n ts o f t w a r et os i m u l a t et h es o l i d 1 i q u i dt w o - p h a s ef l o wi n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m f i n a l l y , t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d sa n dr e s u l t sw e r ev e r i f i e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t s o b t a i n e di nt h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ：( 1 ) l e s st h a n4 ，0 0 0m e t e r s ，u s i n g h y d r a u l i c t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt ot r a n s p o r tn a t u r a lg a sh y d r a t e p a r t i c l e st ot h es u r f a c e i se n t i r e l yf e a s i b l e ；h it h ef i v ew o r k i n gc o n d i t i o n s ， t h eh i g h e s th e a do fl i f tp u m pi s2 3 6 m ( 2 ) d e c r e a s i n gd e n s i t ya n dp a r t i c l e n 中南大学硕士学位论文 s i z ea n di n c r e a s i n gi t sv o l u m ef r a c t i o na r ec o n d u c i v et or a i s i n gt h e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fh y d r a t e ( 3 ) d o u b l ec h a n n e ll i f tp u m pc a na d a p t t ot h ee n v i r o n m e n to fd e e p s e am i n i n g ，b u tt h eo v e r f l o wa r e ao fs c r o l l s h o u l db ee n h a n c e dc a u s ei t sh i g hi n t e n s i t yt r a n s p o r t a t i o nw o r k i n g c o n d i t i o n t h i sp a p e rm a d eaf o u n d a t i o nf o rs o l i d s t a t em i n i n gp r o g r a mf u r t h e r s t u d y , a n dp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i st ot h es e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o no f d e e p s e am i n i n gt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t k e yw o r d s ：g a sh y d r a t e ，s o l i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ，d o u b l e c h a n n e l1 i rp u m p ，f l o wf i e l d 1 1 1 中南大学硕( 博) 士研究生学位论文延缓公开申请表 学号0 7 3 7 11 0 6 1姓名屈科辉 联系电话 1 5 8 7 4 1 7 1 8 9 8e m a i l q u k e h u i 1 6 3 t o m 学院机电工程学院专业机械设计及理论 指导老师徐海良 基于天然气水合物输送的管道及双流道提升泵流场分析 论文题名 申请延缓公开的哲学位论文涉及的内容拟办理专利国内申请，请求延缓公开； 事由：口学位论文涉及的内容拟办理专利国际申请，请求延缓公丌。 口6 个月 申请延缓公开的期限( 自学位论文提交至函1 2 个月 研究生院学位办之日起算)口1 8 个月 口2 4 个月 名：犀科辉导师龋转侮赴 日期 二：卜f ff 同期 三堡堕兰翌堕兰丝堕 童錾壅 一一 一一一 芗默俄 参数表 乒k 浆体密度 临界流速 i 管道截面1 的流速 氏颗粒中值粒径 2 菅道截面2 的流速 c 与颗粒浓度和直径相关的经验系数 吒l 管道截面l 的动能修正系数 q - 输送系统的体积流量 2 管道截面2 的动能修正系数 焉管道对海水的阻力系数 吨浆体能量损失 t 管道对颗粒的阻力系数 日管道截面1 对应的静压 管道内壁粗糙度 罡管道截面2 对应的静压 胁：矿石的重量流速 z l 管道截面1 对应的高度 叫海水的重量流速 z 2 截面2 对应的高度 ，f 泵的有效功率 日水泵扬程 轴功率 a 海水密度 巩提升泵的效率 r 水的密度 0 硬管长度 i l 工作水深 软管长度 管道出口浆体流速 奴颗粒的中值粒径 乞管道出口压力s 产气因子 吨水力损失咒，比转数 叱压力损失 q 体积流量 q 体积流量 日扬程 g 固相的体积浓度咒笋速 q 管道内径 d l 叶轮进口直径 g 一然气水合物颗粒渤鲁茗数 系统的天然气产量 屯出口速度系数 s 产气因子 6 2 流道出口宽度 饱和度 履叶片出口角 矽孔隙度 伊包角 b 湿颗粒的密度 口 螺旋系数 岛海底浅层沉积物的密度 d 3 一蜗壳基圆直径 岛天然气水合物的密度 玩进口宽度 咋颗粒的沉降速度 隔舌安放角 i v ! 堡堕苎塑型苎燮 窒墼耋 _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - 一一一；y n 磊谴过泵的最大颗粒直径 ，蜗壳断面面积 巧蜗壳喉部的液流速度 缸速度系数 ，蜗壳断面面积 历位置角p 截面的面积 秒截面位置角 岛扩散管及出口直径 f 时间 p 流体密度 “x 方向的速度矢量 ，j ，方向的速度矢量 w z 方向的速度矢量 尸擞元体上的压力 只微元体上沿x 方向体积力 c 微元体上沿y 方向体积力 e 微元体上沿z 方向体积力 c ，比热容 正韫度 七- 流体的传热系数 品- 粘性耗散项 吒质量平均速度 吆七第七相的飘移速度 心混合粘性系数 ，- 体积力 吒第七相的体积分数 吆。，滑移速度 见固相密度 r p 雷诺数 ，硫体的运动粘性系数 p “：雷诺应力项 蚝沿f 轴的速度分量 v 进口速度 k 湍动能 一散率 e 体积浓度 见一计算模型管道压降 计算模型管道进口压力 计算模型管道出口压力 见计算模型管道压力损失 计算模型管道的长度 仇计算模型管道阻力损失 以总压降 忍总压力损失 p 。总阻力损失 c 。管内浆体浓度 风一总压 见静压 以扬程( 浆体) z - 进出口位置差 _ 轴功率 m 叶轮受到的总扭矩 缈叶轮角速度 玎撤率 实型的线性尺寸 l 摸型的线性尺寸 f 夕 部作用力 f - 惯性力 n e 牛顿数 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 目前，能源早已成了维持经济持续发展的基础，而传统能源的日益枯竭时刻 威胁着人类的发展，这迫使世界各国不得不寻找更高效、更清洁的替代能源。为 开辟新能源，近几十年来，越来越多的国家将目光投向一种鲜为人知的新型能源 天然气水合物，它分布广、能量密度高，被各国科学家公认为是2 l 世纪最 具前景的、最理想的清洁能源和替代能源【。 1 1 1 天然气水合物基本概况 天然气水合物是由水分子和碳氢分子在一定温度和压力下形成的具有笼状 结构的、似冰雪状的结晶化合物，又称笼形水合物。它可用m n h 2 0 来表示，m 代表气体分子，n 为水分子数。组成气体分子的成分有烃类( c h 4 、c 2 h 6 等) 及 非烃类( c 0 2 、h 2 s 等) ，这些气体赋存于水分子笼形格架内。因其中气体分子以 甲烷为主，故也被称为甲烷水合物。宏观上看，天然气水合物多呈白色或浅灰色 晶体，可以像酒精块一样被点燃，故也称为“可燃冰 【2 卅，如图i - 1 所示。 图卜l 天然气水合物物化性质 天然气水合物作为未来的潜在能源，具有储量巨大、分布广泛、埋藏浅、能 量密度高、清洁等优点【5 - 6 ，非常适合用于替代现有的石油、天然气和煤等传统 能源。 据估计，全球海底天然气水合物中甲烷资源量约为2 i x l o l 6 m 3 ，甲烷中的碳 总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍【7 - 1 0 1 。目前， 已经发现天然气水合物矿藏主要分布在地球上两类地区：一是水深为3 0 0 4 0 0 0 m 的大陆架、洋中脊、海沟和海岭等海底沉积物中，约占全球天然气水合物总量的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 9 0 。二是高纬度大陆地区永久冻土带及水深1 0 0 - - - 2 5 0 m 以下的极地陆架海。在 海洋：天然气水合物基本是在高压条件下形成的，主要分布于水深在3 0 0 - - 4 0 0 0 m 泥质海底，赋存于海底以下o - - 1 5 0 0 m 的松散沉积层中；在陆地：存在于高纬度 大陆地区永冻土地区，主要赋存在l o o m 左右的深度，储蓄层最厚可达1 8 0 0 - - 2 0 0 0 m ，最常见的是7 0 0 , - - , 1 0 0 0 m 。与常规石油和天然气比较，天然气水合物矿藏 埋藏较浅。 海底天然气水合物资源量占所有水合物资源量的9 0 以上，因此，未来水合 物开采的主要场合是海底。天然气水合物藏是一种非常规的天然气矿藏，其形成 与分布除需要特定的温压条件外，更需要合适的沉积条件，以提供充足的气体来 源和良好的储集条件。现有的研究结果表明海洋水合物主要分布于大陆边缘的陆 坡或水下隆起区的沉积物中，它们广泛分布于沉积物中，浅至沉积物表层，深达 海底以下上千米。沉积物中的天然气水合物主要以四种形式存在【7 】：( 1 ) 占据粗 粒沉积物的空隙；( 2 ) 分散于细粒沉积物中形成结核；( 3 ) 填充在裂缝中；( 4 ) 含少量沉积物的水合物块体。 1 1 2 天然气水合物开采研究现状 天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳定态矿物，存在于特定的温压 条件下。一旦赋存条件发生变化，天然气水合物藏的相平衡就会被破坏，引起天然 气水合物分解。传统的天然气水合物开采技术就是根据天然气水合物的这种性质 而设计的，主要包括减压开采法、热激发开采法与化学试剂注入开采法【1 1 d 5 1 。随 着天然气水合物基础研究的不断深入，近些年又涌现出一些新的开采技术，如 c 0 2 置换法与固态开采法等【1 6 - 1 8 】。 1 ) 降压开采法 降压开采法是通过降低天然气水合物储存层的压力来促使天然气水合物分 解。一般是通过钻井眼的压力降或在水合物层之下的游离气聚集层中“降低天 然气压力或形成一个天然气“囊，与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解 为天然气和水；也可以通过采取矿层中流体的方法来降低水合物矿层的层压。通 常降压开采适合于高渗透率和深度超过7 0 0m 的水合物气藏，若气体中含有重烃 就需要较高的压力降。 2 ) 热激发开采法 该方法是指在压力一定的条件下，注入蒸气、热水、热盐水或其它热流体， 也可采用开采重油时使用的火驱法或钻柱加热器法，对水合物稳定层进行加热， 将水合物层的温度提高到分解温度以上，使其分解。再用导管将析出的天然气收 集于贮藏器内或采取采集常规天然气输气管道的方式将其输送到船载贮藏器。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 ) 注入化学试剂开采法 注入化学试剂开采法是通过向天然气水合物层注入化学试剂( 盐水、甲醇、 乙醇、乙二醇等) 来改变天然气水合物的相平衡条件，以降低水合物稳定所需的 温度，达到分解天然气水合物的目的。 4 ) c 0 2 置换开采法 c o = 置换法的原理是甲烷水合物所需的稳定压力较c 0 2 高，在某一压力条件下， 甲烷水合物不稳定，而c 0 2 水合物却是稳定的，这时c 0 2 进入到天然气水合物中， 与水形成水合物，这时所释放的热量可用于分解天然气水合物。 5 ) 固态开采法 该方法借鉴了深海锰结核开采技术，首先将天然气水合物颗粒化，然后通过 水力输送技术将水合物颗粒输送至海面。 1 1 3 海底天然气水合物开采方法探讨 根据1 1 1 小节，海底天然气水合物的赋存形式与冻土带水合物赋存的地质 环境大为不同，如冻土带水合物藏都有严实的覆盖层( 如封闭的岩石圈) ，这对 天然气水合物就地分解极为有利，而海底天然气水合物在很多情况下不存在密实 的覆盖层，尤其是那些品位高、易于开采的水合物藏，它们或裸露于海底( 见图 卜2 ) ，或只有很浅的沉积物覆盖层( 与露天煤矿极为相似) 。 幽卜2 海底表层的水合物藏( 冷泉) 虽然降压开采法和热激发开采法在冻土区的试采中得到了证明，但是它们未 必适用于海底天然气水合物藏的开采。作者对这几种开采方式的优缺点及适用性 进行详细分析后认为： ( 1 ) 由于在海底水合物藏中无法构筑像“气囊 一样的封闭环蝌1 7 1 ，降压开 采法、热激发开采法、注入化学试剂法和c 0 2 置换法都在这一环境下无法实施。 ( 2 ) 降压法、热激法、注入化学试剂法和c 0 2 置换法各自都存在短期内无 蟹 中南大学硕士学位论文第一章绪论 法克服的困难；如：降压开采法作用缓慢、开采过程无法控制，热激发开采法能 量效率低，化学试剂注入法效果慢、成本大，而c 0 2 置换法相变过程复杂、实 施困难【1 9 - 2 0 】。 ( 3 ) 固态开采法将天然气水合物作为固体矿物进行开采，因该方法不需要构 筑像“气囊 一样的封闭环境，因此更适合海底天然气水合物的开采【2 1 1 。 实际上，开采过程中只要保证水合物不在海底分解就可以适应海底水合物赋 存的地质条件。 1 2 天然气水合物的水力输送 为便于对天然气水合物的水力输送进行研究，这里对输送系统的应用环境进 行介绍。 1 2 1 天然气水合物的固态开采系统和原理 固态开采系统主要包括三个部分：海底采掘车、输送系统、海面分解集运系 统( 见图1 - 2 ) 。其基本思路是：在海底用采掘车对水合物进行绞碎和集收，随后 采用水力输送技术将水合物浆体提升至海面分解平台，然后利用海面海水对水合 物浆体供热使其分解；最后，分解后的气体经干燥、收集、液化后，输送至运输 船运往储备中心，而尾矿则排至海底。 图1 - 2 海底水合物固态开采原理总图 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 输送系统的构成及工作原理 如图卜3 所示，输送系统由硬管、提升泵( 由潜水电机和离心泵组成) 、软 管及浮体球构成。其工作原理是：采掘车采集的水合物浆体经软管输运至提升泵， 经提升泵加压增速之后，通过硬管将其提升至海面的分解平台。 为保证采掘车的机动性，避免采矿船及硬管的运动干扰采掘车的正常工作， 软管具有一定的长度余量，同时，在软管适当位置布置浮体球以改善软管的空间 形态，这样既可以改善软管受力，也可以减少软管内的局部压力损失。硬管与海 面分解平台连接，水合物浆体自硬管排出后直接注入分解池。整个提升系统只用 一台大功率离心式潜水电泵作为提升泵，离心泵与潜水电机用联轴节直接相连； 整个潜水电泵悬吊于硬管之下，布置在距海底5 0 米左右的位置。 图卜3 天然气水合物水力输送系统示意图 1 3 颗粒物质水力输送的研究现状 水力输送是将固体颗粒从海底输送至海面的最佳输送方式，从图1 - 4 也可以 看出来，水力输送系统是整个固态开采系统的核心，利用水力输送技术将水合物 颗粒提升至海面是开采水合物藏的最为重要的一个环节。其实，在大洋多金属结 核的开采中，同样采用了水力输送的方式将锰结核提升至海面【2 2 2 6 】。因输送系统 内的浆体包含固、液两相，理论上它隶属于固液两相输送领域。虽然固液两相输 送历史悠久，但它仍然是当今工业技术中的重要研究课题。因为它是多个领域的 通用技术，如矿山、冶金、化工、环保、清淤等领域都与其息息相关。在深海采 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 矿领域，如何将矿石高效、稳定的输送至海面一直是深海采矿研究的重要课题。 在水合物输送过程中，输送参数的选择不当或输送设备不匹配很容易出现堵 管或动力浪费现象。发生堵管不仅会造成输送停顿，在工作条件恶劣时还可能酿 成严重事故。此外，盲目的增加安全措施会增加工程成本，造成浪费。因此，有 必要对天然气水合物颗粒的水力输送做具体研究。水力输送系统主要由输送管道 和提升泵( 离心式两相流泵) 构成，通常将管道和泵分开进行研究，分别涉及到 管道输送研究和两相流泵的研究。 1 3 1 管道输送的研究现状 管道内固、液两相流动的研究已有近百年的历史，特别是近四十年来的研究 工作，积累了丰富的试验资料和应用经验【2 7 】。管道水力输送技术所涉及的问题很 多，但从应用的角度来看，所有这些研究的目的旨在防堵、减阻和降磨，其中绝 大部分是为了防止堵塞和减小阻力，其实这两者是相辅相成的，可以归一为减小 阻力。为了减小管道阻力，提高管道输送的效率，众多学者对管道内的固液两相 流动进行了深入研究，宏观的有管道阻力损失、管内流动状态、流体临界速度， 微观的有颗粒的浓度分布，流体的速度分布掣2 引。 1 ) 阻力损失 固液两相流的阻力特性与单相流的阻力特性相比，有着本质的不同。因此， 许多的学者针对不同工况条件下的管道阻力特性进行了研究，并得出了上百个经 验公式。值得一提的是，近年来数值计算方法己经开始用于两相流阻力损失的预 测，r o c o 、s i v e 、a s a k u r a 等发表了一系列有关这方面的文章【2 8 】。这些研究者认 为，随着对两相流机理的不断认识的不断深化及实验资料的积累，采用数值计算 方法来解决较为复杂的管道两相流动问题成为可能。另外，与早期的研究方式不 同，近年来国内外学者也研究了通过流变参数预测浆体管道的摩阻失的问题，韩 旭、张奇志等人用人工神经网络法来预测阻力损失【2 9 - 3 0 ，秦宏波、白晓宁等利用 c f d 技术研究管道内的固、液两相流动【3 m 2 1 ，上述这些研究为管道阻力损失计算 提供了另一个方向。 2 ) 管内流动状态 与单相流的流型分类不同，管道输送的固液混合状态属于两相流动问题，由 于液体中掺入了固体物料，因此除了层流与紊流之分外，管道两相流的流型还要 根据两相间的相对位置、相对含量和相对速度等划分为各种复杂流型。几十年来， 各国学者根据对流动机理的分析和实验提出了许多用来确定流型分类的标准，但 是由于影响因素的复杂性和测试的困难，迄今对此尚无统一的看法。 n e w i t t 对内径为2 5 r a m 和1 5 2 r a m 的水平管道内的两相流动进行了研究后认 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 为浆体在管道内的流动形式可分为四种：均质流、非均质流、推移层流动和固定 沉积层流动p 引。而根据w a s p 的定义，非均质悬浮流动、推移层流动和固定沉积 层流动均属于非均质流的范畴。严格地讲，真正地均质流是不存在的，应该属于 伪均质流或拟均质流，在管道水力输送中，这两种流动状态都会遇到。此后， t u r i n a 、r o e o 、d u r a n d 、佐藤博等人对流动状态的划分问题做出了艰辛的研究， 但是由于管道中的流动状态与固体浓度、相对密度、颗粒粒径、管内流速和管道 直径等多项因素有着密切的联系，现象过于复杂，仍然没有得出一致的结论。 3 ) 临界流速 长期以来，国内外许多学者对管道内流体的临界流速进行了大量研究，取得 了很多有价值的研究成果，也提出了不少临界流速的计算公式。但到目前为止， 关于临界流速的定义都众说纷纭。功j m a d 使用“极限淤积流速”，指管道底部刚 出现颗粒淤积时的流速。川岛俊夫使用“临界淤积流速”，采用观察管道中颗粒运 动状态的方法，当颗粒在管底出现间断跳动时，若流速进一步降低，固体颗粒在 管底开始出现固定床层面，相应这时的流速称为临界淤积流速。也有学者将断面 平均流速与阻力损失的关系曲线上阻力最小的流速定义为临界流速。国内研究者 费祥俊、王绍周、张兴荣等人使用“临界不淤流速”，指的是固体颗粒从悬浮状态 转入在床面滑动或滚动时的流速【蚓。 4 ) 浓度和速度分布 在管道两相流动中，要说明阻力损失等问题，必须了解表示流动机理的浓度 和速度分布，这也一直是许多从事两相流研究的专家学者所关注的重要问题之 一，其两者相互影响的机理和理论关系的研究有助于安全、经济、可靠地进行管 道的设计和运行。管道两相流动时的速度分布明显受固体颗粒浓度分布的影响。 在水平管道内，浆体平均流速一定的时候，随着浆体内固体颗粒浓度的增加，浆 体断面速度分布与清水断面速度分布相比则变得越来越不对称，越接近管道底 部，浆体速度变小的趋势就越明显，管道底部是否出现滑动层甚至静止堆积层， 明显地受到这一变化趋势的影响，而不是仅仅取决于浆体流动的平均速度。 贴川恭二、b r o w n 、r o e o 、朝仓国臣等人在不同的管径下对管道内泥沙的运 动进行了试验研究，并提出了一些相应的速度分布计算模型【，”卯。近年来，许振 良教授等人从清水和固体颗粒之间的动量传递分析入手，分析了管道内浆体流动 时，清水与固体颗粒之间的相互作用机制，就管道内颗粒浓度分布与浆体速度分 布的关系等提出了新的理论分析方法和相应的理论公式【3 6 1 。a l a j b e g 、c 、魏进 家等对管道密相液固两相流动进行了数值研究【了7 1 。张兴荣则提出了高浓度管道输 送中的速度分布计算模型【弼】。 与一般的固液两相流相比，深海矿物的输送具有两个方面的特点：一是流动 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 方向垂直向上，颗粒运动状态和阻力特性不同于以往水平管道输送；二是颗粒直 径较大( 1 0 m m 左右) ，颗粒跟随性较差、惯性大。虽然前人对浆体和粒状物料 的水力输送已做过大量的研究，但是针对垂直上升流中含粗颗粒的固液两相流动 的研究较少，进行深海矿物输送时能够借鉴的已有成果非常有限。因此，本文决 定利用固液两相流理论和数值模拟对天然气水合物颗粒的水力输送进行研究。 1 3 2 固液两相流泵的研究现状 通常，输送系统的提升泵属于离心式固液两相流泵，因而水合物的水力输送 问题涉及到离心泵内的固液两相流动。离心泵内的固液两相流动相当复杂，至今 已有大量的学者做过研究。这些研究成果主要可以分为两类：一个是宏观层面的， 即水力性能，一个是微观层面的，如固液两相流动规律、磨损机理等；通过宏观 层面的研究可以指导泵的选型、使用，以达到最佳的使用效果，通过微观层面的 研究可以为两相流泵的改进优化找到理论依据和指导方向。 1 ) 固液两相流泵的水力性能研究现状 这方面的研究成果最多，但结论各有不同。扎里亚发研究后认为：“在清水 最高效率点的左侧小流量区，输送浆体时泵的效率高于清水时泵的效率，而 在右侧大流量区，则低于清水时泵的效率。g g r a b o w 通过对固体颗粒受 力的分析，得到了固体颗粒和水流的运动速度公式以及泵效率的计算公式，计算 结论显示泵的两相输送时的效率低于清水时的效率【3 9 】。大部分研究结果证明：固 体颗粒对泵的性能影响较大，扬程通常会随着颗粒浓度的增加而降低，而效率则 随着浓度的增加而下降，但在一定的条件下，输送两相流时泵的效率有可能高于 清水时的效率m 。 在国内，石家庄杂质泵研究所对不同离心泵型在各种工况下不同浆体浓度输 送泥沙进行了试验，研究了泵的性能变化规律。其试验结论为“各种泵型在不 同浓度下，其性能变化是不同的，用清水理论设计的泵不适合输送浆体；在一定 的浓度下，各种杂质泵输送细颗粒浆体时，泵的效率优势高于清水时的效率；输 送粗颗粒浆体时，一般低于清水泵的效率；各种泵型，在输送浆体时都存在一个 最佳输送浓度【4 1 1 。河海大学倪福生教授认为【4 2 4 3 】：( 1 ) 输送细颗粒泥沙时泵的 压头升高，并且随着泥沙颗粒粒径减小压头升高较大，输送粗颗粒泥沙时压头只 略有提高，而且随着沙石粒径的增大压头的上升量下降，甚至会降到清水压头的 下方；( 2 ) 在同一土质的情况下泥浆浓度增大，压头的提高量也大，反之亦然； ( 3 ) 和输送清水比较，在同一泥泵转速和流量下，输送泥浆时，效率略有下降， 下降量与土质、泥浆浓度有关；( 4 ) 泥泵输送泥浆时的允许吸入真空将降低；( 5 ) 泵送泥浆时，在泥泵转速和流量不变的情况下，需要较大功率。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 泵内颗粒运动规律的研究现状 在国外，1 9 7 2 年苏波隆在：泥浆泵的磨料磨损及其防护一书指出：小颗 粒( 1 一2 m m ) 大致沿着叶片的工作面运动，而大颗粒( 8 - - 1 0 m m ) 由于离心力的作用， 背离工作面运动；大颗粒出口角较小颗粒出口角大。小颗粒对叶片工作面和出口 边产生磨损，大颗粒离开工作面运动，对入口边产生磨损。1 9 8 5 年，峰村吉泰、 村上光清和泽茂田在“离心泵内固体颗粒的运动 一文中，分析了固体颗粒和液 体质点受力情况，在主流区内的运动及其相关力的变化规律，同时研究了固体颗 粒与壁面之间撞击速度的变化，得出了旋转坐标系中水流运动方程式和固体颗粒 运动方程式。z a r y aa 利用高速摄影技术得到直径为7 4 m 的钢球和7 5 m m 的铝 球的运动轨迹，结果表明：颗粒质量越大，其运动轨迹越靠近工作面m 彤】。 在国内，彭维明等第一次用e u l e r i a n l a g r a n g i a n 模型，结合雷诺输运定律， 计算了水涡轮机械中的固液两相流，得出了固液两相流的液体和颗粒从叶轮进口 到出口的速度分布，并对颗粒速度变化的原因进行了分析m 】。之后，彭维明又推 导出了在高雷诺数下，颗粒在水泵各过流部件上的运动轨迹方程，得出颗粒有向 叶片工作面靠拢的趋势的结论。另外，我国的吴玉林、赵敬亭、关醒凡、许洪元 等学者都对离心泵内颗粒的运动规律做过研究，并得到了许多有益的结论。 3 ) 过流部件磨损机理的研究现状 在国外，卡列林在叶片泵磨损一书中指出，叶片的磨损强度随着泥沙的 颗粒尺寸的增大而增强。颗粒粒径增加会引起叶片进口处的磨损加剧，颗粒尺寸 小于0 2 5 m m 时，叶片出口处的磨损将特别显著。峰村吉泰等将j h b i t t v r 的磨损 原理应用于水泵过流部件磨损的研究，认为可将材料总的磨损视为变形磨损和切 削磨损迭加之和，变形磨损是冲击速度矿的法向分量圪反复冲击材料表面引起的 材料损失，而切向分量k 则导致切削磨损【4 7 】。w a s t a u f f e r 认为杂质泵过流件的 主要磨损破坏形式是擦划型冲刷磨损【4 5 】。p b e r g c r o n 在分析叶轮表面磨损凹坑后 认为，叶轮材料的磨损分为摩擦型( 或切削型) 和冲击型( 或变形型) 两种【4 7 】。 m c r o c o 将磨损的成因归结为颗粒的直接冲击、紊动冲击和滑动摩擦【4 8 1 。 在国内，陈红生等从叶轮内部流场分析着手，进行颗粒受力分析，认为叶轮 内的射流一尾流现象的存在，是叶轮出口磨损较严重的原因【4 引。赵敬亭等通过对 离心泵叶轮出口处两相流流场的分析计算后，认为泵本身存在的结构缺陷而引起 的脱流现象是固液两相流泵叶轮出口剧烈磨损的根本原斟5 0 l 。吴培豪等认为磨损 按形式可分为普遍磨损和局部磨损，按机理分为切削磨损、变形磨损及其复合磨 损。他将局部磨损视为材料破坏的根本原因，而且局部磨损又可由水力、材质和 机械三方面因素造成。 从目前国内外对固液两相流泵的研究成果来看，尽管它们都建立在一定的理 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 论或实验基础上，但结论不尽相同，有的甚至相反。这主要是由于他们的实验条 件和理论简化不同。采用不同的模型得到数值计算的结果肯定会存在差异。而且 固液两相的耦合程度与固相的浓度、颗粒粒径、固相的密度等因素都有一定的关 联，计算和实验结果也会因这些因素而不同，因而对固液两相流泵的研究还有待 进一步深入。 1 4 本文的研究目的和研究内容 前面对天然气水合物的开采方式进行了分析，分析表明以固态形式开采海底 天然气水合物是比较理想的。在海底天然气水合物的固态开采方案中，利用水力 输送技术将水合物颗粒输送至海面是整个开采过程中最为关键的部分。虽然在固 体颗粒的水力输送方面已有大量的研究成果，但在进行水合物颗粒输送时能够直 接借鉴的已有成果非常有限。因此，为找到天然气水合物最佳的水力输送系统， 对天然气水合物的水力输送进行研究是相当有必要的。本文的主要研究内容有： 1 ) 对天然气水合物水力输送系统的提升泵进行研究。 2 ) 对输送系统进行分析，初步确定输送系统的水力参数，依据初步确定的 水力参数，建立起1 0 0 0 m 输送系统对应的输送管道和双流道提升泵的计算模型。 3 ) 对输送管道和双流道提升泵内的固液两相流动进行数值计算，根据计算 结果分析管道和双流道提升泵的水力性能和内部流场。 4 ) 通过相似试验，验证数本文值模拟方法及结果的正确性。 本文以流体输送技术、流体机械等多学科为基础，采用理论分析、数值计算 及实验相结合的方式对天然气水合物的水力输送进行研究，分析输送系统内部 固、液两相的流动规律及相关参数变化对输送产生的影响，为天然气水合物固态 开采方案及水力输送的进一步深入研究建立基础，也为输送设备的改进和完善提 供理论依据。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章天然气水合物固态开采方案及输送系统分析 第二章输送系统的参数分析及提升泵研究 本文在第一章介绍了天然气水合物水力输送系统的应用环境，为方便后续研 究有必要对输送系统的相关参数及设备进行分析。 2 1 输送系统水力分析 2 1 1 固液两相流动的伯努利方程 输送管道内的固液两相流动相当复杂，为准确描述固液混合物在管道内运动 所具有的特点，现作如下假设： 1 ) 管道内的流动为定常的、不可压缩的； 2 ) 固液两相均为连续流体，且每相的物理特性均为常数； 3 ) 不考虑相变。 根据流体运动过程中的能量守恒可以得到输送管道内固液两相流动的伯努 利方程【5 1 。5 2 】： 墨+ 堑+ z i ：旦+ 一o f m 2 1 1 2 2 4 - z 2 + 吨 ( 2 _ 1 ) p m g2 9p g2 9 式中： 成输送管内浆体的密度； 。、：浆体在提升管截面l 和截面2 的流速。 、：输送管截面1 和截面2 对应的动能修正系数； 觇浆体从截面l 到截面2 的能量损失； 日、丑输送管截面l 和截面2 对应的静压； z 。、z ，管道截面1 和截面2 对应的高度。 上式中动能修正系数主要考虑到固液两相速度不相等而对动能项进行的修 正；然而，当系统中动能项占总能量的比例很小时，动能修正系数可以取1 ，即 = 1 。 在海底天然气水合物开采的水力输送系统中，流体速度较小，流体的势能和 压能占绝大部分，动能所占比例非常小，因此，取。= ：= 1 ，则式( 2 1 ) 转 化为： 曼+ 亟+ z l ：立+ 生+ z 2 + 蛾 (2_2)2p m g g t p g 2 9 im 中南大学硕士学位论文第二章天然气水合物固态开采方案及输送系统分析 上式实际上是均质流的伯努利方程，也适用于分析本文的水力输送系统内浆 体的运动。 2 1 2 输送系统的水力分析 海面 工 作 水 深 图2 l 水力输送原理图 根据图2 - 1 可以知道，在水力输送系统中，提升浆体需要的压力完全由提升 泵提供，只有当泵的扬程( 不考虑损失) 大于临界深度时，才可能将天然气水合 物颗粒提升至海面；现利用式( 2 2 ) 对输送系统进行水力分析，以确定相关参 数的计算方法。 分析前假定固液两相均匀混合，各相物理特性为常数。根据管道中固液两相 的伯努利方程，浆体从海底( 图2 1 中a 点) 至海面( b 点) 有如下方程： h p w g + 岛曲= + p g h + 吒成g + 兰毛竽二 ( 2 3 ) 二 式中：日水泵扬程；岛海水密度；凡水的密度；成浆体密度； 工作水深； 管道出口浆体流速；管道出口压力。 根据式( 2 - 3 ) ，可以得到水力输送系统将天然气水合物输送至海面需要提供 多大的扬程，其计算公式如下： 日：土+ 丝一盟+ 丛+ 丝( 2 4 ) p 。gp 。p 。2 p w gp 。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章天然气水合物固态开采方案及输送系统分析 其中，水力损失吨与压力损失叱的关亲为地：堡，则式( 2 4 ) 可 p 。g 以转化为： 日：土+ 型一巫+ 丝+ 堡 ( 2 5 ) p w gp 。p 。2 p w gp w g 式中：土管道出口的压能； p w g 巫海水势能： p 。 型浆体势能； p 。 丛浆体动能； 2 p w g 堡浆体沿管道的水头损失。 p w g 2 2