基于颗粒级配的高浓度管道输送阻力机理及特性研究

A reasonable theoretical foundation is needed for multi-sized particulate high density slurry pipeline transport in order to reduce the energy consumption and improve the conveying efficiency in industrial application, since the existing theories and models can’t accurately predict the pressure drop of high density slurry transported by pipeline due to the restriction of its basing on single theory or experimental data. In response to this situation, the variation of the flow regime of the high-concentration pipeline with different distribution particulate slurry and the composition and the mechanism of the pipeline resistance of each flow regime are researched. Also, the influence of slurry parameters such as slurry flow velocity, slurry concentration, particle size distribution and particle diameter on the resistance mechanism and properties of high density slurry pipeline transport is studied by means of theoretical analysis, experimental study and numerical calculation. A model, which can cover the industrial application flow range of high density slurry pipeline transport, including all flows regime from fixed bed to homogeneous, taking into account the multi-sized particulate, particle diameter and other particle characteristics, will be established. In particular, the model can accurately predict the high density slurry pipeline transport resistance. Expand the slurry pipeline transport theory, and provide basic theoretical and technical support for high conveying efficiency, low energy consumption transport of dredging and deep-sea mining.

已有的浆体管道输送阻力理论和模型受其所依据的某种单一理论或者其实验数据基础的限制，导致这些理论和模型不适合预测级配颗粒高浓度输送管道阻力，因而工业应用中为降低能耗和提高效率而需要采用的级配颗粒高浓度管道输送缺乏有效理论支撑。针对这一现状，本课题拟结合理论分析、实验研究和数值计算等手段研究不同颗粒级配浆体高浓度管道输送的流动形态变化规律和各流动形态管道阻力的组成部分及产生机理，研究浆体流速、浆体浓度、颗粒级配、颗粒粒径等浆体参数对高浓度浆体管道输送的阻力机理和特性的影响规律，探索建立一个覆盖管道高浓度输送工业应用流速范围，囊括从稳定沉积到均质流的所有流动形态，计及颗粒级配、粒径等颗粒特性，尤其能够准确分析浆体高浓度管道输送阻力的数学模型，拓展浆体管道输送理论，为疏浚和深海采矿等行业的高效率、低能耗输送提供基础理论和技术支撑。

在国家自然科学面上项目基金（51779143）资助下，本项目以挖泥船泥沙管道输送系统为主要研究对象，开展了基于颗粒级配的高浓度浆体管道输送阻力构成、产生机理以及不同流动条件下不同粒径、不同级配浆体阻力特性的研究，探索研究了浆体流速、颗粒级配和浆体浓度等变量对高浓度浆体管道输送阻力特性的影响，建立了一个能够准确计算高浓度输送条件下的浆体管道输送阻力计算模型。本项目研究工作的创新内容如下：.1）针对泥沙管道输送微观特性，特别是实验难以测量的近壁区域，建立了颗粒物料管道水力输送特性三维数值计算模型，并开展了不同管径泥浆输送系统试验，研究了颗粒物料在不同工况条件下的运动特性，揭示了级配浆体水平管道输送过程中不同粒径颗粒运动形态的演变规律，明确了级配颗粒管道水力输送阻力机理和特性，为级配浆体管道输送微观特性计算分析提供了可行方案。 .2）基于不同粒径颗粒的不同流动形态和阻力机理，首次加入了不同流动形态颗粒之间相互影响因素，构建了多级配浆体管道输送阻力计算模型——SJTU-HMSPD模型，解决了天然泥沙高浓度管道输送阻力特性准确计算的公认难题。基于该模型开发了计算分析软件，为挖泥船泥沙输送系统设计提供了坚实的理论依据和技术支撑。.3）针对不同工况和土质条件下确定最佳输送参数难题，建立了输送单位体积颗粒物料能量消耗率计算模型，研究了颗粒级配和管道直径对输送单位体积颗粒物料最小能量消耗率的影响，发现宽级配泥沙最小能耗对应最佳颗粒体积浓度高达50%以上，比已有研究结论的30%最佳输送浓度提升了近一倍。研究成果丰富了泥沙管道高浓度输送理论基础，自主开发了疏浚管道水力输送分析软件，应用于大型绞吸挖泥船设计的关键技术参数确定，并作为关键技术支撑了我国南海岛礁建设和获得了2019年国家科技进步特等奖、2018年中国机械工业科学技术奖特等奖、2018年教育部科技进步一等奖。