气举工作特性的实验与应用

研究了进气方式对气举提升性能的影响,通过改变气流喷嘴个数、喷射角度以及接气管布置方式来测试提升管出口端排液量、排沙量、沙颗粒浓度和提升效率.实验结果表明,进气方式的变化对气举提升性能有显著影响.当气量较低时,采用非对称布置喷嘴时其提升性能最好;当气流较高时,则需要采用对流体扰动较弱的进气方式以减小阻力损失,避免提升效率过低.实验还发现,气举的排液量、排沙量和举升效率都随着进气量的增加先增大后减小,即存在一个最佳气量值与之对应,但反应气举最佳工作特性的参数值几乎不能重合,因此要完全满足气举最优工况是很难实现的.另外,基于动量方程和能量方程建立了气举提升效率模型.

进气方式对气力提升效率的影响规律研究

为阐明进气方式增强气力提升作用的机理及过程,以气力提升装置为研究对象,研究了气孔分布方式对排沙量及提升效率的影响规律。结果表明:相同浸入率下,周向均布气孔方式较带中心孔的周向均布气孔方式排沙量和效率均上扬,且各组对应差值均随气量值增加显著上升;提升效率随气量值升高其变化关系大致呈M形,即出现两峰值与之对应,其中最高峰值所处位置与排沙量峰值对应点几近吻合;任一进气方式下其无量纲实验散点近乎服从于同一分布函数,并与理论模型吻合较好。研究成果为更好地理解和优化气力提升参数提供了重要的参考。

气举输沙工作特性的实验研究

以BHM采矿工具中的核心部件气举为研究对象,设计了小型气举输沙装置.选择河沙模拟井下矿层,并引入水射流喷嘴研究气举底部吸口与沙床表层距离H对气举工作特性的影响规律.结果表明:水射流喷嘴布置方式和H对气举工作特性会产生显著影响,通过合理调整这些参数,可以实现最大排沙量的有效控制.另外,对气举提沙的临界情况进行分析发现,在定浸入率下,提升液体对应临界气量值Qgl相同,均为16.5m3/h;提升固体对应临界气量值Qgs随水射流喷嘴个数N’增加而单调递减,但随H(H>0)单调增加.本研究结论对工程应用具有较强的指导意义.

钻孔水力开采用气力提升装置的实验研究

为阐明进气方式对气力提升特性的作用规律,以普通河沙模拟井下矿层,利用小型输沙系统实验研究在恒定浸入率和供沙量下气孔数量与进气角度对扬水量、扬沙量及总效率的影响。结果表明:任一进气方式下扬水量、扬沙量及总效率并不随气量值增加呈现单调特性,前两者峰值所处位置大致接近,且较总效率峰值对应点右移。气孔数量和进气角度对扬水量及扬沙量影响较小,对总效率影响程度稍大。就整体而言,对应气孔数量和进气角度分别为4和90°时其扬沙量与总效率较其它进气方式上扬。另外,实验测得最高扬沙效率所对气相佛汝德数大致相同,约为2.5,且最佳扬沙效率所对应的气相佛汝德数随管径递增。

基于小波包与Elman神经网络的气力提升装置流型识别技术研究

气力提升装置流型对气液流动特性及提升系统性能均有很大的影响,但由于气液两相交界面形态以及截面含气率动态变化、气液两相速度复杂难测等原因,致使提升管流型亦交替变化且不易识别。针对这一难题,提出了基于小波包分析与Elman神经网络的流型辨识策略:利用小波包分析方法提取提升装置压差信号各频带能量特征值,借助Elman神经网络辨识技术,以各频带能量为Elman网络输入变量,以流型为输出变量,通过对Elman神经网络进行大量数据训练。从而对提升系统流型进行辨识。实验结果表明,该方法对流型辨识精度达到了92.6%,比BP网络高6.5%,能有效对提升管流型进行辨识。

气力提升系统扬固特性试验研究

为探究颗粒对气力提升特性的影响规律,改变其供给量、粒径以及混合比例,探讨系统扬固特性,并采用高速摄像仪捕捉管内混合流体结构及运移特征。结果表明:颗粒供给量越大,越有利于提升,但随供给量不断增大,提升效果趋于稳定后反而变差;颗粒粒径越大,提升所需临界进气量越大,越不利于提升;改变颗粒情况不会影响管内的流型结构,但密集泡状流利于提升;混合颗粒中大颗粒比例越大,越不利于提升。故在实际工程应用中,应针对矿层的固体情况,作不同调整。

深海扬矿硬管内高速螺旋流输送压力损失公式推导

针对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流输送过程中阻力损失无法精确计算的问题,利用计算流体力学软件FLUENT,采用欧拉双流体模型,计算得到扬矿硬管内高速螺旋流在不同工况条件下的阻力损失,并就其管道、物料和浆体特性等方面的影响因素进行分析。结果表明,不同工况条件下,阻力损失随提升速度、锰结核颗粒粒径、颗粒密度、浆体黏度、提升浓度的增大而增大,随管道内径和提升角速度的增大而减小。再采用能量理论,并利用MATLAB软件中的多元回归模型,推导出扬矿硬管内高速螺旋流输送的阻力损失无量纲公式,该公式能对深海采矿水力提升式扬矿硬管内高速螺旋流输送阻力损失进行理论预测,并且对实际工程应用具有一定的指导意义。

喷射气举的实验研究

设计出新型气举结构——喷射气举,选用精筛选的河沙(粒径1￣3 mm)作为提升对象,实验研究了喷射气举的扬水能力、扬沙能力和扬沙效率。实验结果表明:喷射气举可有效提升固体颗粒,影响喷射气举扬沙能力和效率的主要因素是进气量和浸入率,存在最优进气量使扬沙量最大,浸入率越高扬沙能力越强。

深海采矿水力提升堵塞再启动试验研究

为解决深海采矿过程中颗粒堵塞问题,研究了管道堵塞再启动过程。基于物理试验与理论建模方法,根据管道内颗粒群的运动特点,将堵塞再启动过程划分为不同阶段,给出各阶段管道内的平均体积浓度、局部体积浓度的判断依据,分析颗粒群堵塞高度对管道内压力、流量等影响规律,预测再启动过程中段塞流的流量和压差。试验分析结果表明:矿石堵塞再启动过程可以划分为松动跳跃、段塞流与提升阶段;堵塞堆积高度越大,再启动所需的流量、压力差越大;管道内局部浓度过大易形成段塞流,影响管道输运效率。该分析预报方法为深海矿石输送的堵塞再启动方案设计提供了依据。

大洋采矿射流泵扬矿系统计算机仿真计算

在固－液两相流理论和水力提升、射流泵扬矿等试验研究成果的基础上，对射流泵扬矿试验系统进行了仿真计算，并与ＫＳＢ公司的海上工业性实验作了比较。

海底矿石软管中水力输送数值模拟研究

海底矿石在软管中的水力输送是深海采矿的重要过程。采用计算流体动力学—离散元耦合的计算方法(CFD-DEM),对矿石颗粒在软管中的输送进行数值模拟,重点关注矿石颗粒的运动、分布规律以及管壁受到的颗粒作用力,分析输送速度和输送浓度(入射颗粒的体积分数)对输送过程的影响规律,探索管道中易发生堵塞、易受颗粒磨损的区域。结果表明,软管中颗粒的动力学特性与管道倾角、输送速度和输送浓度有关。颗粒主要沿管道截面底部推移,倾角较大的上升段出现处于悬移状态的颗粒;管道横截面内颗粒运动速度从上至下递减,截面中心处颗粒的速度接近输送速度。输送过程中颗粒的局部浓度(该区域颗粒与固液两相流的体积比)始终大于输送浓度,局部平均速度始终小于输送速度。上升段颗粒体积分数大于下降段,颗粒速度小于下降段。管道拱顶和谷底位置管壁所受颗粒作用力最明显,管壁最可能受颗粒磨损。

深海采矿扬矿实验系统相似条件及相似准数的确定

根据流体动力学原理,从深海采矿扬矿实验系统中流体动力学相似条件入手,利用数学分析方法,研究实验系统中各参数之间的关系,确定实验系统中几何相似、运动相似及动力相似条件以及应遵循的准数。结果表明,主要相似准数为雷诺数(动力相似准数)。试验时根据雷诺数的范围进行速度变化,从而实现运动相似,可为以后建立实验室及具体试验提供理论依据。

深海采矿水力提升运动方程研究

通过对微元控制体的受力分析,利用连续性方程、动量定律、质量守恒定律,推导出变密度、变浓度、变压力的锰结核液固两相流的连续方程、运动方程;通过量纲分析,导出了深海采矿水力提升锰结核颗粒的微分方程以及海水载体的运动微分方程.

深海采矿扬矿管横向非线性振动响应分析

扬矿管系统属于大偏移、大变形的几何非线性问题,为了得出扬矿管横向振动规律,将扬矿管简化为梁单元,用有限元法进行离散,基于Wilson-θ直接积分法求解,得到横向振动运动规律。研究结果表明,在六级风况下,扬矿管横向振动、速度和加速度响应均为简谐运动,在0~0.1 s内加速度做明显的低频减谐振荡衰减运动,且横向振动出现低频振荡现象,各周期内的最大振动幅值不相同;横向振动的幅值随着扬矿管深度的增加先增大后减小再增大,最大振动幅值出现在1000 m处,其值为0.407×10-3 m,最小振动幅值出现在2000 m处,其值为0.041×10-3 m;速度和加速度与横向振动的运动规律相同,扬矿管在1000 m处振动位移变化最快,其变化速度为0.29×10-3 m/s,在2000 m处振动位移变化最慢变化速度为0.029×10-3 m/s。

煤柱管道喷射泵系统的研究与设计

在煤柱的水力输送中,技术关键之一在于煤柱管道驱动方式的研究和新型泵动力装置的设计。本文就煤柱管道水力输送的特点,结合射流和离心泵的工作原理,提出以泵压后的载流体高速喷射进输送管道驱动煤柱的思路,重点分析研究了喷射装置的工作原理和结构特点,从而设计出由离心泵、喷射泵和散射器组成的煤柱管道喷射泵系统。

利用压力损失补偿方法提高气力提升装置性能研究

基于多相流流型及垂直管道提升沿程压力损失机理,依据压力损失补偿方法,提出了管径"压力损失补偿系数"。结合模拟气力提升实验理论,建立了气力提升装置物理模型,设计了气力提升新型管道结构。计算了不同进气量和浸入率下压力损失补偿系数对气力提升排水量的影响,分析了不同压力损失补偿系数下的气力提升装置排水量及提升效率。研究结果表明:管径影响气力提升沿程压力损失,在一定范围内管径越大,管道沿程压力损失越小。合理的压力损失补偿系数能改变管道结构形状,减小管道摩擦阻力,进而降低气力提升过程中的管道压力损失并改变多相流流型相变点位置,提高气力提升装置效率。以排水量表征气力提升装置性能,不同进气量和浸入率下,压力损失补偿系数为正时,多相流流型受提升管道内压力损失影响降低,沿程气力提升装置排水量提高;压力损失补偿系数在0~4°逐渐增大,气力提升装置排水量先上升后趋于平稳;进气量为4.2 kg/h和2.5 kg/h时,排水量在压力损失补偿系数为2.5°~3°和0.7°~1°时达到较高值,其气力提升装置效率提高最大值分别为14.6%与9.5%。

斗提机自动液压张紧装置的开发及应用

为了解决皖北煤电集团任楼煤矿选煤厂斗提脱水机的斗链张紧装置的诸多问题,文章首次提出通过升降控制按钮点动控制电磁换向阀来实现斗提机机头张紧调整的方法,并详细介绍了自行研制开发的斗提机自动液压张紧装置工作原理和主要结构特点。

深海铰接式扬矿系统的动力学建模与试验验证

为研究铰接式扬矿系统的动态影响,分析了波浪液动力、流体阻力和流体附加质量对多段铰接式连接扬矿系统的影响,采用拉格朗日方程建立系统的运动数学模型,并对系统的运动响应进行数值模拟;计算结果和实验基本相符。当海浪周期较小时,中间舱在平衡位置作微幅运动,系统若处于这种海况时,有利于采矿作业。这一结果为我国采用铰接式连接扬矿系统进行1 000 m海上开采(试验)提供了理论依据。

作业工况及喷射方式对气举输出的影响

基于流体力学理论,从静力学角度,进行了气举管内压力分析,研究了不同作业工况及喷射方式对气举输出的影响,分析了气举输出特性随吸口下降深度的变化规律。结果表明,气举垂直作业存在固相与液相流量变化趋势相反的平衡段,吸口底部漏斗状坑径变大、局部流体加速、紊流增多,有利于固体颗粒的提升;对称喷射方式固相空隙率更高,提升固体颗粒性能更好,而非对称喷射方式明显增强了气举吸口附近的局部扰动,更有利于采矿作业过程中液体提升。

水隔离浆体泵水击问题的研究与解决措施

论述了水隔离浆体泵输送系统产生水击的原因及危害 ,并从理论上分析研究了浆体输送系统管道中压力波的传播速度、时间及压力增值 ,通过理论计算给出了水击问题的解决措施。