基于压差法的海底气举扬矿装置建模与工作特性分析.pdfVIP

第56卷第5期工程科学与技术Vol.56No.5

2024年9月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESSept.2024

•机械工程•

DOI:10.12454/j.jsuese.202201252

基于压差法的海底气举扬矿装置建模与工作特性分析

1,2321,4*

汪志能，邹俊伟，林伟明，王晓川

(1.湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室，湖南湘潭411201；2.浙江金马逊智能制造股份有限公司，浙江丽水321400；

3.湖南探索机械科技有限公司，湖南株洲412000；4.武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072)

摘要：气举扬矿装置通过气–液–固三相间动量交换，实现海底矿浆的举升，能长期在泥、水、砂等多相共存的恶

劣环境中工作，克服了传统机械泵耐磨性差、密封要求高的缺点，具有极强的市场应用价值和广阔的应用前景。

海底气举扬矿装置气–液–固三相力学作用过程极为复杂，传统三相力学平衡方法难以精确建立海底气举扬矿模

型，严重影响扬矿装置的设计与过程控制。为了提升扬矿性能，在不考虑气–液–固内部力学作用机理情况下，从

气–液–固混合流体整体压降衰减角度建立扬矿装置理论模型。提取扬矿管气–液–固流动单元，分析流动单元与

管壁的摩擦损耗特性，建立混合流体的压差模型，并以扬矿管进出口压力为约束条件，形成了扬矿理论模型，突

破了常规三相力学建模繁琐难题。在此基础之上，搭建海底气举扬矿实验测试平台，验证了理论模型的可靠性，

研究结果表明：1）理论模型与实验值吻合度较高，误差在17.6%范围内；2）增大气体表观速度提高了混合流体压

差，却降低了含固率，这可能是因为高进气工况下液流摩擦损耗较大，可采取液流减阻策略提高扬矿性能；3）固

体颗粒表观速度随气体表观速度先增加后减小，存在最优气体表观速度使得装置扬矿量最大。研究结论为海底

气举扬矿装置多相流动特征分析及装置优化设计提供理论基础与技术支撑。

关键词：海底采矿；气举；气–液–固；压差

中图分类号：TQ465.92文献标志码：A文章编号：2096-3246（2024）05-0268-09

海洋资源开发，装备技术是关键，世界各国都在供了重要的指导作用，但大多受限于特定的工作环

大力研发高效、无污染的矿料提升技术。气举扬矿装境。一旦工况参数变化，气–液–固三相流动特征急剧

置以压缩气流为动力源，通过气–液–固三相间动量变化，扬矿效能也发生明显下降[9–11]。近年来，研究

交换，实现矿浆的举升。与传统的机械泵相比，气举者对气举扬矿装置气–液–固流动特性的理论研究越

[12][13][14]

扬矿装置无机械传动部件，能长期在泥、水、砂等多来越重视。左娟莉、Deendarlianto、Shallouf等

相共存的恶劣环境中工作，克服了传统机械泵耐磨采用动量守恒方程和连续性方程建立了气举扬矿装

[1–3]

性差、密封要求高的缺点，具有极强的市场应用价值。置的理论模型。这些模型能较好地预测气–液两相流

气举扬矿是一个复杂的气–液–固三相流过程，动特性，但应用于气–液–固三相流时却产生了极大

工程上针对气举扬矿装置的设计大多采用经验试凑