扬矿管道内流阻力特性的研究

邹伟生，陈爱黎，袁海燕

(湖南大学 流体力学及其装备研究所，湖南 长沙，410082)

摘要：结合矿浆泵、射流泵、气力等多种管道扬矿方法试验进行扬矿管道内部粗颗粒固液两相流阻力特性的研究，用“海金联”提供的天然结核进行了管道内流阻力等扬矿参数和工艺的扩大试验，并进行扬矿管道处于倾斜、横向摇摆和纵向升沉状态下内流阻力的试验研究；结合固液两相流理论，建立扬矿参数试验数据库和管道内流动参数的计算方法，开发相应的扬矿管线水力计算软件。研究结果表明：由于钴结壳、硫化物等其他海底矿物扬矿工艺和设备与结核开采的基本相同，固体物料的特性也基本相同，因此，本计算方法和计算软件具有通用性，完全可用于钴结壳、硫化物等其他海底矿物扬矿系统的水力学计算。

关键词：海洋矿物资源；海洋采矿；扬矿；管道阻力

中图分类号：TD403          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S2-0241-05

Research on resistance characteristics of internal flow in lifting pipeline

ZOU Wei-sheng，CHEN Ai-li, YUAN Hai-yan

(Institute of Fluid Mechanics and Equipage, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: Preliminary studies were made in laboratory on resistance characteristics of solid-liquid two-phase flow of coarse particles in lifting pipeline by several lifting methods with slurry pump, jet pump, clean water pump, etc. Enlarged experiments on lifting parameters were conducted with natural nodules provided by IOM, and experimental studies were also made on fluid resistance in a lifting pipe being inclining, swaying and heaving. Based on the study results and solid-liquid two-phase flow theory, an experimental database for lifting parameters was established and calculation method was deduced for flow parameters. Consequently, the hydraulic calculation software for lifting pipeline was developed. The results show that since the lifting technique and equipment are basically the same for some seabed minerals, such as cobalt crust and sulfide, this calculation method and software can also be completely applied in the hydraulic calculation for other seabed minerals in lifting system.

Key words: ocean resources; deep sea mining; lifting technology; resistance characteristics

在海底矿物颗粒管道上升流中，作用在固体颗粒上的作用力可分为以下4类：(1) 与流体-颗粒的相对运动无关的力，此类力有惯性力、重力和压差力等；(2) 依赖于流体-颗粒间相对运动、其方向与相对运动方向一致的力，亦称纵向力，此类力有阻力、Basset力、附加质量力等；(3) 依赖于流体-颗粒间相对运动，其方向垂直于相对运动方向的力，亦称侧向力，属于此类力的有升力、Saffman力和Magnus力等；(4) 与其他颗粒或边界碰撞所产生的碰撞力。根据颗粒受力分析和流动的具体情况，对主要作用力进行比较后，有条件地简化某些作用力的表达式，或者忽略某些相间作用力，仍很难求得颗粒运动方程的数值解，因此，对于此类粗颗粒固液两相流仍需进行试验研究，才能获得其阻力特性规律^[1]。由于集矿作业车的行走，采矿船的运动、海水阻力、海浪、海流的作用^[2]，使竖直向的提升管处于非常复杂的运动状态，可导致提升管线的纵向升沉和横向摇摆，从而可能使提升管内结核浆体流的运动状态发生变化而引起管道阻力的变化。在此，本文作者介绍垂直管道、升沉管道和横摇管道的提升试验获得的结核浆体流阻力特性。

1  垂直管道阻力损失试验研究

结核矿浆是由固相颗粒和液相组成的一种独特的混合流体。固相既含有从海底带上来的沉积物和破碎机破碎、提升过程粉化、磨损产生的细颗粒，又含有粗大的结核颗粒，粒级组成十分宽，致使其中较小的颗粒以悬移形式运动而形成均质流，而较大的颗粒以滑移形式运动在细颗粒与水形成的均质流中，浆体的组成是粗颗粒的滑移质处在均质的悬移质的载体中。结核浆体的阻力损失是载体的阻力损失与剩余固体颗粒的非均质部分产生的附加阻力之和。

在Englmann^[3]以及“八五”、“九五”期间用模拟结核和天然结核进行多种粒级组成与多种提升浓度的大量扬矿试验研究的基础上^[4-5]，采用合理的无量纲组合，建立了以下结核矿浆阻力损失计算表达式：

   (1)

式中：λ_me为均质载体的阻力系数；v_m为浆体平均速 度；v_fg为结核颗粒群浮游速度；ρ_s为结核的密度；ρ_me为均质载体的密度；为浆体非均质部分的体积分数；D为提升管道内径；g为重力加速度；n₁，n₂和A为常数。

该流动模型比较合理地反映了结核矿浆提升管流的流动机理，物理概念非常清晰，意义十分明确。图1给出了结核浆体阻力损失的实测值与计算值比较图。从图1可见：计算值与实测结果十分接近，计算精度符合要求。后来该公式被推广用于计算输送软管的阻力。

图1  结核浆体阻力损失实测值与计算值比较图

Fig.1  Comparison of correlation results with measured values

2  倾斜管道结核浆体流的分析与计算

如图2所示，斜管长度为L的2个断面之间的结核颗粒的运动方程式可由力的平衡推出(1 mH₂O=   9.8 kPa)。

图2  倾斜管道管流示意图

Fig.2  Inclined pipe flow

   (2)

式中：μ_s为结核的摩擦因数；w_s为颗粒的重力；a_s为结核颗粒流动方向的投影面积；n_s为管段长L所含的粗颗粒数；v_s为粗颗粒的速度。

设，，代入式(2)，得：

    (3)

在方程中引入沉降速度：

        (4)

式(4)就是固体颗粒速度v_s的运动方程式。在上述固体颗粒运动方程中，考虑t₀=0，v_s=0，即ξ=0的初始条件，可求解得下式：

           (5)

在通常的提升条件下，时间t在1 s以内，ξ基本近似等于1，所以，在固体粒子的运动中，加速区间极短。因此，在固体粒子的水力提升中，只需考虑稳定流状态，即在式(4)中，若，则：

          (6)

用弗劳德数Fr代替式(6)中混合物的平均流速v_m，可得：

   (7)

从力的平衡方程式可求得压差：

    (8)

           (9)

因此，结核浆体阻力损失的理论计算式为：

     (10)

确定结核的摩擦因数μ_s和阻力系数C_D后，用上述公式就能计算出附加压力损失系数和阻力损失i_m。应该指出的是：在实际工程中遇到的输送物料主要是混合粒径，应用上述公式计算时，大于分界粒径的粗颗粒应按物料粒级组成分组，每组按均匀粒径进行计算叠加。

根据斜管提升结核矿浆试验的实际测量数据，对计算公式(10)进行验证。图3所示为结核浆体阻力损失实测值与计算值的比较结果。

图3  斜管浆体阻力计算值与实测值的比较

Fig.3  Comparison of correlation and measured values

由图3可知：计算结果与实际测量结果接近，计算公式完全满足要求。

3  横摇与升沉管道的扬矿阻力研究

管道升沉与横摇模拟试验系统主要由矿浆泵、内径为50 mm的扬矿管、内径为80 mm回流管、升沉与摇摆机构等组成^[6]，试验系统顶部设置有稳压水箱和浓度、流量标定装置，如图4所示。

图4  管道输运技术模拟试验系统示意图

Fig.4  Sketch of pipe lift experimental installation

3.1  横摇管道阻力损失试验

为了探讨横摇幅度和横摇周期对扬矿参数的影响，设计了3种横摇幅度(1.00，0.75和0.40 m)，每种幅度3种横摇周期(3.4，5.0和10.0 s)的试验方案。

从横摇试验结果(图5~7)可以看出：横摇的幅度和周期对清水管道的阻力没有影响；对浆体管道阻力的影响与扬矿速度有关，其影响主要体现在提升流速较小的区域(小于2 m/s)，横摇幅度越大，周期越短，阻力损失增加值越大。

3.2  升沉管道阻力损失试验

管道纵向升沉试验系统与横向横摇试验系统基本相同。在横摇试验系统的基础上，进行适当改造，即可将管道水平方向的横向横摇变换成竖直方向的升沉往复运动。升沉试验的方法和过程与横摇管道扬矿试验的方法和过程基本相同，进行了升沉幅度分别为0.65，0.50和0.35 m、每种幅度3种横摇周期(2，4和6 s)的试验。

纵向升沉试验结果如图8~10所示。从图8~10可见：纵向升沉对清水管道和浆体管道阻力都有影响并与扬矿速度有关，当水流速度小于2.5 m/s时，升沉管道阻力损失比静止管道阻力损失明显增加；当水流速度超过2.5 m/s时，升沉管道的阻力损失开始接近静止管道的阻力损失；当升沉幅度相同时，升沉周期越短，阻力损失增加越大；当升沉周期相同时，升沉幅度越大，阻力损失亦越大。

图5  横摇管道清水阻力试验(幅度1.00 m)

Fig.5  Swaying pipe water resistance tests (amplitude 1.00 m)

图6  横摇管道矿浆阻力试验结果(幅度1.00 m)

Fig.6  Swaying pipe slurry resistance tests (amplitude 1.00 m)

图7  横摇管道矿浆阻力试验结果(幅度0.75 m)

Fig.7  Swaying pipe slurry resistance tests (amplitude 0.75 m)

图8  升沉管道清水阻力试验(幅度0.65 m)

Fig.8  Heaving pipe water resistance tests (amplitude 0.65 m)

图9  升沉管道矿浆阻力试验(幅度0.35 m)

Fig.9  Heaving pipe slurry resistance tests (amplitude 0.35 m)

图10  升沉矿浆管道阻力试验(幅度0.50 m)

Fig.10  Heaving pipe slurry resistance tests (amplitude 0.50 m)

4  扬矿管道内流阻力计算软件

本文作者对我国1991年以来开展扬矿研究获得的大量扬矿试验数据进行了系统分析和整理，建立了扬矿参数试验数据库，并开发了扬矿管道内流阻力计算软件，可用于扬矿管道粗颗粒固液两相流阻力的计算、扬矿系统水力学特性的计算和扬矿系统的工艺设计，合理确定扬矿泵的工作特性与参数。由于钴结壳、硫化物等其他海底矿物的密度和形状与结核的基本相同，提升这些矿物的扬矿工艺和设备也基本相同，因此，本计算方法和计算软件具有通用性，完全可用于钴结壳、硫化物等其他海底矿物扬矿系统的计算。

5  结论

(1) 介绍了扬矿管道处于垂直、倾斜、横摇与升沉状态下结核浆体管道阻力的试验结果，结果表明：在进行扬矿系统的工艺设计时，须考虑扬矿管道倾斜、横摇与升沉对管道内流阻力的影响。

(2) 在试验研究的基础上结合固液两相流理论，建立了扬矿参数试验数据库和管道内流动参数的计算方法，开发了相应的扬矿管线水力计算软件。

(3) 尽管结核、结壳和硫化物等海底矿物种类不同，在海底的赋存形式各异，开采这些矿物的工艺和所用的采掘设备会有很大不同，但这些矿物的特性与提升这些矿物的扬矿工艺和设备基本相同，因此，本计算方法和计算软件具有通用性。

参考文献：

[1] 邹伟生. 深海采矿扬矿参数与扬矿泵的研究[D]. 北京: 北京科技大学土木与环境工程学院, 2005: 22-28.
ZOU Wei-sheng. Study on lifting parameters and pump[D]. Beijing: University of Science & Technology Beijing. School of Civil and Environmental Engineering, 2005: 22-28.

[2] C.A 布雷比亚, S.沃克. 近海结构物动力分析[Z]. 中国船舶科学研究中心译. 1985: 8-16.
Breibia C A, Vork S. Dynamics analyses for offshore construction[Z]. China Ship Science Research Center, trans. 1985: 8-16.

[3] Englmann H E. Vertical hydraulic lifting of large-size particles: A contribution to marine mining[C]//Offshore Technology Conference. Houston, Texas, 1978: 181-197.

[4] 黄家桢. 水力提升技术研究[R]. 长沙矿冶研究院, 1995: 44-51.
HUANG Jia-zhen. Study on hydraulic lift technique[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, 1995: 44-51.

[5] 邹伟生. 扬矿硬管系统工艺与参数研究[R]. 长沙: 长沙矿冶研究院, 2000: 33-36.
ZOU Wei-sheng. Study on lifting technology and parameters in deep-sea mining[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, 2000: 33-36.

[6] 邹伟生. 海洋矿产资源管道输运模拟技术研究[R]. 长沙: 湖南大学流体力学及其装备研究所, 2009: 125-135.
ZOU Wei-sheng. Simulated study on pipe lifting ocean mineral resources[R]. Changsha: Hunan University. Institute of Fluid Mechanics and Equipage, 2009: 125-135.

(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51079054)；国家深海技术发展专项资助项目(DY105-03-02-08)

通信作者：邹伟生(1965-)，男，湖南浏阳人，博士后，教授，从事海洋采矿和浆体管道输送技术研究；电话：0731-88822330；E-mail: zouweisheng@sina.com