深海矿石资源固液两相流体提升系统的基础科学与关键技术

There are many mineral resources in deep-sea, which have important strategic significance to China's social and economic development. After 20 years of researches and development，the deep-sea mineral resources development still faces many key technical difficulties. This project will carry out experimental and theoretical studies to develop and research the three key technical problems, which are the transport characteristics of the solid-liquid two-phase flow dynamics on the complex conditions, power pump operating characteristics for the transportation of coarse particles and multiphase fluid transportation simulation for deep-sea resources mining. The key researches are as follows:1)the transportation pattern of coarse particles in the pipeline and its conditions, particles slip velocity, retention effect of particles in pipeline transportation process; 2)multiphase fluid transportation characteristics in complex spatial shape pipes, resistance variation and water hammer characteristics of two-phase flow; 3)mechanism between two-phase fluid with coarse particles and the pump blade form, declination and width of the flow channel, and the relationship between concentration and semi-axial pump lift, flow, maximum transported particle; 4) simulation of the deep ocean resources development fluid lifting system and the simulation model of power pump. Based on these results, a system parameter matching and optimization methods for the deep-sea mining will be suggested，which can provide basic supports for the deep ocean resources development system design and equipment development.

深海蕴藏着丰富的固体矿产资源，对我国社会经济发展具有重要的战略意义。尽管经过近20年的研究，深海矿产资源开发仍然面临许多关键技术问题有待突破。本项目拟从含粗颗粒固液两相流体动力学和复杂条件下固液两相流管道输送特性、粗颗粒输送动力泵工作特性以及深海资源开发流体提升模拟仿真三个关键技术问题入手，开展试验和理论分析研究。重点开展以下工作：1）粗颗粒在管道中的运移形式及其决定条件、颗粒滑移速度、颗粒在管道输送过程中的滞留效应；2）复杂空间形态管道中多相流体输送特性、阻力变化规律以及含粗颗粒两相流的水击特性；3）泵叶轮和导叶形式与偏角、流道宽度与含粗颗粒两相流体的作用机制，半轴流泵扬程、流量与过泵最大颗粒和浓度关系；4）深海矿石资源开发流体提升系统模拟仿真和粗颗粒动力泵模拟仿真。在此基础上，提出深海矿石资源开发系统参数匹配和优化方法，为深海固体资源开发系统设计和装备研发提供依据。

深海蕴藏着丰富的矿产资源，深海矿产资源对于确保我国未来金属资源的安全保障具有十分重要的战略意义。深海采矿属于高新技术领域,也是未来国家战略新兴产业的制高点。当前，各国均在大力发展深海采矿技术，其中如何将矿石从数千米海底提升到海面是一个难点。. 项目针对深海矿石提升面临的工程技术难点，明晰需要解决的基础科学问题和关键技术问题。开展的研究内容有：深海矿石提升管道内流运动特性、深海复杂空间形态软管输送特性以及扬矿泵中强迫流场中颗粒运动特性及其与参数匹配研究等。.项目主要成果如下：.1）.设计并建立了两套室内试验系统，完成了深海采矿流体输送全流程试验研究。该系统突破了以往仅能开展单个环节试验的局限，将软管输送、中间料仓以及垂直提升主管三个环节集中在同一系统，不仅可以分析矿石在单个环节的流体动力学特性，更重要的是还可以分析输送参数对不同环节的影响以及试验参数的系统联动效应。研究发现，粗颗粒矿石在管道中依次出现扬动、间歇推移、连续推移和悬移四种运动状态，得到粗颗粒运动状态的控制条件和判定方法。得到了粗颗粒在管道中的分布形态，以及非恒定流产生的水击压力变化规律。.2）.利用高速摄影和PIV技术，完成了扬矿泵流道试验研究，初步得到了流道参数与输送颗粒浓度，粒径以及输送速度之间的匹配关系。综合分析颗粒在导叶中的运动轨迹、进出口颗粒运动情况、过导叶时间及碰撞情况，认为导叶进口安放角为25°、叶片数为5的模型泵最优。在设计制作扬矿泵时，对导叶0.2L和0.6L、0.7L处（对应第2、第6和第7层）进行加厚处理，以延长泵的寿命。.3）.完成了深海采矿软管空间形态与集矿车移动距离、内流流速和矿石浓度等影响因素的定量分析。软管安全输送速度随着浆体体积浓度、颗粒粒径增加而增加，但随着软管顶部曲率加大，倾斜角度增加反而降低。软管浮力配置与内流矿石浓度密切相关，需要考虑浮力对集矿车接地比压的影响。