颗粒粒径对海洋采矿扬矿泵固液两相流影响的分析

在深海采矿时，需要将海底矿物采集并输送到海面的采矿船上，其开采方法主要有连续绳斗法、穿梭潜水器采矿法和集矿机加管道提升法，多个国家的学者都对此进行了理论和实验研究，普遍认为集矿机加管道扬矿的深海采矿方法最具工业应用前景 ].由于扬矿泵是该采矿系统的关键设备之-，因此迫切需要对深海采矿扬矿泵进行深入研究。

本文针对深海采矿系统的关键设备扬矿泵易磨损、输送效率低等问题，利用 Fluent软件的 Mixture多相流模型，采用 Simplec算法，以锰结核颗粒与水的混合物为介质，对扬矿泵内固液两相流动进行了叶轮蜗壳耦合数值模拟，详细分析了颗粒粒径对叶轮流道及蜗壳流道内固相体积浓度分布的影响.对扬矿泵输送 4种粒径固体颗粒的水力性能进行试验研究，揭示了扬矿泵输送的不同粒径固体颗粒对泵外特性的影响情况，为深海采矿扬矿泵的优化设计与应用提供理论依据。

1 扬矿泵内部流场数值模拟1.1 控制方程和湍流模型对于扬矿泵而言，假定两相流均为不可压缩牛顿流体，且两相介质的物理特性均为常数，固相颗粒粒径均匀的锰结核颗粒不考虑相变。

以含锰结核颗粒水流为介质，利用 Mixture多相流模型，采用 Simplec算法，两相流体 的连续方程 为 ：]，-(ID )V·(10 )-0， (1)d动量方程为：( )V·( )--VpV·[ ( )]4-(2)pmg F 4-V·( a P ，kVdr， )，收稿日期：2013-05-04基金项 目：国家 自然科 学基金项 目(5097529O)作者简介：曾义聪(1973～)，男，湖南新邵人，副教授，博士，主要从事海洋采矿和矿山机械研究陈 奇(1989～)，男，江西丰城人，硕士研究生，主要从事深海采矿和矿山机械研究。

· 46 ·曾义聪，等：颗粒粒径对海洋采矿扬矿泵固液两相流影响的分析2 试验研究2.1 试验装置设计搭建开式固液两相流试验装置如图 4所示 ，主要 由固体颗粒注入与 回收、流量调节与测量 、扬程测量、轴功率测量和数据采集系统等部分组成.具体包括试验泵、电磁流量计、真空扬程仪、流量温度仪、三相功率仪、水池、入漏斗、电流互感器、电容式变送器、数据采集卡、计算机等。

1 计算机；2 采集卡；3 流量温度仪；4 真空扬程仪；5 三相功率仪6- 电容式变送器 ；7-试验泵 ；8-电流互感器 ；9-电磁流量计 ；1O- 闸阀11- 限流管 ；12-加砂漏斗 ；13-插板阀 ；14-过滤装置；15-水池图 4 试验装置2.2 试验固体介质为了研究泵输送不同粒径固体颗粒的工作性能，试验用固体颗粒为 4种经过筛选的鹅卵形或椭圆形状固体颗粒，其特性参数见表 1，其中 d为颗粒平均直径，0为固体颗粒的密度。

表 1 试验固体介质的特性参数2.3 试验结果与分析2.3.1 清水工况下 的性能试验在以清水为输送介质时，泵的试验性能曲线如图5所示.该泵在设计流量 Q -420 m。/h下，输送清水时的扬程 H-51.13 m，轴功率 P-82.17 kw，效率 7：66.73%，根据图 5可知，高效流量范围较宽，扬程曲线平坦，说明该泵具有良好的工作性能。

· 49 ·徐州工程学院学报(自然科学版 ) 2013年第 2期705O403O20Q/(m。/h)图 5 扬矿泵清水试验性能曲线至2.3.2 固液两相工况下不同粒径颗粒的性能试验颗粒粒径与扬程的关系如图 6所示.由图 6可知 ，泵输送固体颗粒与输送清水相 比，在 Q.200 m。/h流量范围内，扬程下降幅度较小，在 2O0

颗粒粒径与效率的关系如图 7所示.由图7可知，泵输送固体颗粒与输送清水相比，在 Q<3O0 m。/h流量范围内，效率下降幅度较小，在 Q3oo m。/h流量范围内，效率下降幅度较大.泵输送固体颗粒时，随着固相颗粒粒径增大，泵的最高效率点下降且出现在相对较小流量处，高效流量范围变窄，因此，泵输送较小粒径固体颗粒时工作性能更佳。

66646260E 58 50545250Q/(m3/h)图 6 颗粒粒径与扬程关 系曲线图Q/(m图 7 颗粒粒径与效率关 系曲线3 数值模拟与试验结果对比分析图8为设计流量 Q -420 m。/h及固相体积分数 c 为15 的条件下，输送不同粒径颗粒时，泵的效率与扬程的计算值和试验值的比较。

· 50 ·曾义聪，等 ：颗粒粒径对海洋采矿扬矿泵固液两相流影响的分析49，047.50 2 4 6 8 10 l2 14/mm图 8 效率与扬程计算值和试验值的比较86-566 O65 565064 564 063 563.0由图 8可知，效率与扬程的计算值和试验值在-定程度上是比较吻合的，数值计算的效率及扬程较试验更具有规律，试验与数值计算中效率曲线及扬程曲线基本平行，这表明数值计算的效率及扬程与颗粒粒径的关系与实验中它们的关系大致相同，数值计算结果接近于试验结果，可满足泵工作性能预测的要求。

但由于数值模拟时对模型做了适当简化，未考虑泵吸水室的水力损失、机械效率和容积效率等，计算值要普遍高于试验值。

4 结论在设计工况及固相体积分数 C 为 15 的条件下，分别对不同粒径颗粒的两相流流厨行数值模拟和试验研究 ，分析颗粒粒径对泵工作性能的影响 ，得 到如下结论 ：1)随着固相颗粒粒径增大，叶轮流道内固相颗粒体积分布变化较大，颗粒由叶轮背面往工作面聚集，且颗粒撞击点愈加集中于叶轮工作面；而蜗壳流道内的颗粒沿基圆向外周壁积聚，愈加集中分布于蜗壳的4～8断面.同时加剧泵内固液两相离析 ，加剧叶轮工作面磨损。

2)与输送清水相比，在小流量范围内，扬程及效率下降幅度较小，在大流量范围内，扬程下降幅度较大，但在最大流量点扬程变化不大；随着固相颗粒粒径增大，泵的扬程下降幅度亦增大，最高效率点降低且出现在相对较小流量处，高效流量区变窄。

3)在输送颗粒粒径为 1.0 mm左右的固液混合物时，该泵运行性能最佳.但综合考虑海底采矿车破碎性能及海面采矿船矿石收集等因素，预计输送颗粒粒径为 5.0 mm时，深海采矿系统矿石输送性能最佳。