水力提升颗粒及颗粒群浮游运动规律研究

颗 粒运 动 坐标 系 以 颗粒 重力 方 向为 Ｙ轴 ， 平方 水 向为 轴 ， 可建 立如下 颗粒运 动方 程 ： 方向：
ｄ ，
＋ 一 ＋Ｆ ＋Ｆ ｉ ｓ ｍ ｘ＋Ｆｘ＋ ｂ
（ ）
为颗粒 旋转 角速度 ；为时 间。 ｆ ２ ２ 单颗粒 浮游速 度 ． 影 响单颗 粒浮游 的 因素主要 有颗 粒粒径 、 密度 、 形
ｉ ｎ Ｍｅ ｌ ｒｙ Ｃ ａ ｇｈ １０ ２ Ｈｕ ａ ， ｈｎ ） ｇ＆ ｔ ｌ ｇ ， ｈ ｎ ｓａ４ ０ １ ， ｎ ｎ Ｃ ｉａ ａｕ
Ａｂｓｒ ｔ ｔ ａｃ ：Ｔｅ ｔ ｒ ｅ ｐ ｃｉｅ ｙ ｃ ｎｄ ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｆ ａｉ ｇ ｏ ｉ ｇｅ ｐ ｒｉｌ ｓｓｗｅ ｅ ｒ ｓ ｅ ｔｖ ｌ ｏ ｕ ｔ ｄ ｏ ｈ ｏ ｔ ｆｓｎ ｌ ａ ｔｃｅ，ｕ ｉｏ ｍ ｎ ｏ ｕｎｆ ｒ ａ ｔｃｅ ｓ ｒ ｌ ｎ ｎ ｆ ｒ ａ ｄ ｎ ｎ— ｉ ｍ ｐ ｒｉｌ ｗａ ｍ ｏ ｉ ｎ ｉ ｄ ｏ ｉ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｗｉ ｉ ｅｉ ０ ｍ ｉｈ ａ ０ ｎ ａ ｎ ｏ ｒｌｆ ｎ ｙ ｔ ｍ ｔ ａ ｐ ｐ ｌ ３ ｈ ｇ ｎｄ ２ ０ ｍｍ ｎ ｄｉｍｅ ｅ ｔ ｈ ｎｅ ｉ ａ ｔｒ，Ｓ ｓｔ ｂ ｅ ｖ ｈ ｖ ｍｅ ｔｏ ｒｉ ｌ Ｏ ａ ｏ ｏ ｓ ｒ ｅ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｎ ｆｐａｔｃｅ ａ ｄ ｐ ｒｉ ｌ ｗａ ｎ ｖ ｒｉａ ｉ ｅｉ ｅ．Ｂｙ ａ ａｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ａ ｔｃｅ ｓｚ ｎ ａ ｔｃ ｅ ｓ ｒ ｉ ｅ ｔ ｌｐ ｐ ｌ ｍ ｃ ｎ ｎ ｌｚｎ ｈ ｎ ｅ ｃ ｆｐ ｒｉｌ ｉｅ，ｐｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｄ ｔ ｎ ｌ ｐｅ Ｓｂ ｕ ｄａ ｙ ｃ ｎ ｉｉ ｓ，ｃ ｎ ｅ ｏ ｏ ｃ ｎ—
２ 单颗粒浮游
２ １ 颗粒运 动 的基 本 方程 ．
誓： ｆ Ｉ—Ｉ 一、 Ｉ ｕ （ ｕ＋ ｓ１ ｐ ｐ ） 一 Ｘ
句
：
方
一
由泥沙 运动力 学 和 河流 动 力 学基 本 理 论 可 知 ， 在
流场 中作非 恒定运 动 的 固体颗 粒所受 到 的各种 力按 照 作用方 式 的不 同可 以分 为… ： 与流 体 和颗粒 相 对运 ① 动无关 的力 ， 要 包 括 惯 性 力 、 力 和 压 力 梯 度 力 。 主 重
第３ ０卷第 ４期
２１ ００年 ０ ８月
矿 冶 工 程
Ｍ Ｉ ＮＧ ＮＩ ＡＮＤ ＥＴＡＬＬＵＲＧＩ Ｍ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖ０ ＿ Ｏ Ｎ ４ Ｉ３ ｏ Ａｕ ｕ ｔ ０１ ｇ ｓ ２ ０
水 力 提 升 颗粒 及 颗 粒 群 浮 游 运 动 规 律 研 究①
垂 直 管道水 力提 升 是我 国深 海矿 产资 源开 发领 域 重点研 究 的采 矿 方 法 。大 颗 粒 固 液 两 相 流 在 深 海 采
矿 、 力输 煤 、 水 陆基竖 井 采矿 、 河海 疏 浚 、 油钻 井等 方 石 向也有 广泛 的应 用 空间 。动 水浮 游是 与静 水沉 降对 应
２ ５ ｇ ｍ 。均匀颗粒 采 用 人工 模 拟结 核 ， 用 标 准 ０ ｋ／ ４ 利 网筛 筛选 出 ５组 粒径 ， 围分 别 为 ５～１ 、５～２ 、５ 范 Ｏ１ Ｏ ２
～
¨ 吉 一） （
Ｙ方 向：
＝ ・ 订
（ ３ ）
（） 一Ｉ －） ・ 导 ｌ （ ｖ ｖｐ ｆ ＋
＋
寻硎 去
・
¨吉 警 ｇ吉 （ （＋ ｇ ４ 卜 ）
式 中 Ｆ 为阻 力 项 ； 为附 加 质量 力 ； 为 Ｓｆ ａ ａ ｍ ｎ升 力 ； ｍ ｇｕ 升 力 ； 为 Ｂ ｓ ｔ Ｆ 为 ａｎ ｓ ａｓ 阻力 ； 为 压 力梯 ｅ 度力 ； ｇ 重力 项 。大 颗 粒 在 垂 直 管 道 运 动 时 ， Ｆ为 Ｙ方
Ｃ ＨＥＮ Ｇｕ ｎ —ｕ ａ ｇｇ ｏ，Ｙ ＡＮＧ ｎ ，Ｔ Ｎｉｇ ＡＮＧ Ｄａｓ ｅ ｇ，ＪＮ Ｘ ｎ ， ＡＯ Ｈｏ ｇ —ｈ ｎ Ｉ ｉｇ ＸＩ ｎ
（ ｔｔ Ｋ ｙＬ ｂｒｔｒ ｘ ｌ ｔｔ ｎａ ｄ Ｕｉ ａｉ ｅ — ａＭｉ ｒｌ ｅ ｕｃｓ ｈ ｎ ｓａＲ ｓａｃ ｓｔｔ ｏ ｎ Ｓａｅ ｅ ａ ｏａｏｙｏ Ｅ ｐｏ ａｉ ｎ ｔｉ ｔ ｎｏ Ｄ ｅ ｓ ｎ ａ Ｒ ｓ ｒ ，Ｃ ａ ｇｈ ｅｅｒ Ｉ ｔｕ Ｍｉ— ｆ ｉ ｏ ｌ ｏ ｆ ｚ ｐｅ ｅ ｏ ｅ ｈ ｎ ｉ ｅｆ
１ ０
矿
冶
工
程
第３ ０卷
压水箱和清水泵。试验采用潜水两级泵作 为动力系 统 ， Ｇ５ 用 １０变频 调 速 柜 实 现 了对 提 升 泵 无 级 变 频 调 速 。泵 以上提 升管采 用高 ４ｍ、 直径 ２ ０ｍ ０ ｍ透 明有 机 玻璃 管作 为测量 段 ， 璃管下 端放 置金 属隔筛 网 ， 装 玻 安 通径 ２ ０ｍｍ ＥｍａＥ型 电磁流量 计测 定管 道流量 。 ０ — ｇ 单颗 粒采用 若干 组 人 工模 拟 结 核 和标 准 玻 璃球 ， 粒径 ５～ ０ｍｍ， 测定 选用 的模拟 结核平 均形 状 系数 ５ 经 ｓ ＝ ． 湿密 度为 ２００ｋ／ 标准 玻璃 球 的密 度 为 ， ０９， ０ ｇｍ ，
垂直管道 中的运动状态 ， 分析 了颗粒 的粒径 、 管壁边界条件 、 浓度和级配 等 因素对 浮游 速度 的影响 ， 出了单颗粒 和均 匀颗粒 在垂 得 直管 中的浮游速度经验公式 。
关键词 ： 水力提 升 ； 固液两相流 ； 浮游运动 ； 界条件 边
中圈 分 类 号 ： Ｄ ５ Ｔ ８７ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： ２３— ０ ９ ２ １ ）４— ０ ９— ５ ０ ５ ６ ９ （０ ０ ０ ０ ０ ０
１０ｍ ０ ｍ给水 管 ， 内径１０ｍ ５ ｍ溢流管 ， 容积 ４ｍ 的稳 。
图１ 浮游试验系统装置
①
收 稿 日期 ： ０ ００ －６ ２ １ －３０ 基金项 目：中国大洋矿产 资源研究开发协会 专项基金资助项 目（ Ｙ Ｄ ＸＭ一１５—０ ０ ０ １ ４— ２— ２） 作者简介 ： 陈光 国（９ ５一） 男 ， １８ ， 湖南常德人 ， 硕士 ， 主要从事深海采矿扬矿及管道输送技术研究 。
，ａ ｔ ｐ ｒ
ｊ
＋ 斗 ｐ５
＋
（） ５
② 依赖于流体与颗粒间相对运动 的， 其方 向沿着相对
运动方 向的力—— 纵 向力 。这 类力 统一定 义为 广义 阻 力， 主要包括 阻力 、 附加 质 量力 、 ａｓｔ 力 。③ 依 赖 Ｂ ｓｅ 阻 于流体 与颗 粒间 的相 对运 动 的 ， 方 向垂 直 于 相 对运 其
３ 、５～ ０ ４ ５ ０ ３ ４ 、５～ ０ｍｍ。非均 匀 颗粒 按 照 我 国矿 区
多金 属结 核 经 破 碎 机破 碎 后 的结 核 粒 级 组 成 进行 配
料 ， 进行 了粒 径 ｄ ０ ｍ ｄ≤４ ｍ、 ≤３ ｍ ３ 共 ≤５ ｍ、 ０ ｍ ｄ ０ ｍ
向可 以忽 略较小 的 Ｍａｎｓ升力 和 Ｓｆ ｎ升力 ， ｇｕ ａｍａ 忽略 繁杂 的 Ｂｓｅ阻 力 ， 化 后 得 到 颗 粒 运 动 基 本 方 ａｓ 简
的一种 基础 的 固液 两相 相 对 运 动 形 式 ， 垂 直 管 道 输 在 送 中， 浮游运 动 是研 究 颗 粒 的浓度 、 径 、 状 等 参 数 粒 形 与流速 变化 关 系的重 要 实验方 法 。本 文在 大量试 验 的
基 础上 ， 对粒 径 ５～ ０ ｍ 的单 颗粒 、 匀 颗 粒 和非 均 ５ ｍ 均
程为 ： Ｘ方 向 ：
种粒级配 比。试验时 ， 各组群体颗粒 的投料量相 同， 每 次投 料 １ ｇ 通 过逐 渐 调节 扬 矿 泵 转速 ， 制 垂 直 管 ０ｋ ， 控
中的流量 ， 粒在 一定 的料柱 高度 内悬 浮 ， 而得 到不 颗 从 同浓 度下各 粒径颗 粒 的浮游速 度 。
ｓｎ ｌ ａ ｔｃｅ ａ ｄ ｕｎｆ ｒ ａ ｔ ｌ ｓｉ ｈ ｅ ｔ ａ ｉ ｅ ｉ ｅ ｉｇ ｅ ｐ ｒｉ ｌ ｎ ｉ ｍ ｐ ｒｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｖ ｒｉ ｌｐ ｐ ｌｎ ． ｏ ｃ ｃ Ｋｅ ｒ ｓ：ｈ ｄｒ ｕ ｉ ｉ ｉ ｇ； ｏ ｉ ｌｑ ｉ ｗｏ ｐｈ ｓ ｏ ｆｏ ｔｎ ｖ ｍｅ ｔ ｂ ｕｎ ａ ｏ ｉ ｏ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ｙ ａ ｌ ｌ ｎ ｓ ｌ ｉ ｕ ｄ ｔ ａ ｅ ｆ ｗ； ａ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ｎ ； ｏ ｄ ｒ ｃ ｎｄｔ ｎ ｃ ｆ ｔ ｄ— ｌ ｌ ｙ ｉ
匀 颗粒 在不 同浓 度和 级 配下 的浮游 速度 进行 了数 据 分
析， 总结 出合理的提升参 数 ， 为垂直管道安全、 高效输 送 提供设 计依 据 。
１ 试 验 装 置 及 方 法
浮游 试验 系统 （ １ 的管路 设 计 包 括 高 度 ３ 图 ） ０ｍ、 内径 ２０ｍｍ 的主提 升管 、 ０ 回流管 和稳 压管 ，． 的 ０ ９ｍ。 缓存 水包 和提 升 泵 。供 水 系统 包 括 １ 水 箱 ， 径 ０ｍ 内
密度越大， 浮游速度越大。颗粒在流体 中运动时所受 到的阻 力 主要 由粘 性 阻力 和形 状 阻力 组 成 。 当流 速不 断增 大时 ， 形状 阻力 的 作用 越 来 越 明显 。模 拟 结
动方 向 的力— — 侧 向力 。这 类 力 统 一 定 义 为 广 义 升
力， 主要 包括 ｍ ｇ ｕ 升力 和 Ｓ ｆ ａ ａｎｓ ａ ｍ ｎ升力 。 ｆ
誓 ［ 州 ）ｐ ＋ ＝ ３ Ｃ ｏ ＋ｄ ｐ ｖ ＿ ３ｉ ＿
（） ６
式 中 、 分别 为 颗粒 速 度 在 、 ｙ方 向 的分 量 ， 标 Ｐ 下 代 表颗 粒 代表 清水 ； 颗粒 直径 ； Ｐ 分 别 为清 ｄ为 ｐ和 水 和颗 粒密度 ； 。 颗 粒 的阻力 系数 ； Ｃ 为 ｇ重力 加 速 度 ；
ｔａｉ ｎ ａ ｄ ｇ ａｎ ｓｚ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｏ ｈ ｏ ｔ ｇ ｖ ｌｃ ｔ ｒ ｔ ｎ ｒ ｉ ｉｅ ｄ ｓｒ ｕ ｉ ｎ ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｅ ｏ ｉ ｏ ｉ ｏ ｌ ｎ ｙ，ｅ ｉ ｃ ｌｆ ｒ ｕ ａ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ ｆｒ ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｇ ｖ ｌｃ ｔ ｆ ｍｐ ｒ ａ ｏ ｉ ｍ ｌｓ ｗｅ ｅ ｏ ｔ ｉ ｅ ｏ ｈ ｏ ｔ ｅ ｏ ｉ ｏ ｌ ｎ ｙ
陈光 国， 宁， 达 生 ， 阳 唐 金 星 ， 红 肖
（ 长沙矿冶研究院 深海矿产 资源开发利用 技术 国家重点实验室 ， 湖南 长 沙 ４ ０ １ ） １０ ２
摘
要 ：在高 ３ 管径 ２０ｍｍ的室内扬 矿系统 中， ０ｍ、 ０ 进行 了单 颗粒 、 均匀颗粒 和非 均匀颗粒 的浮游试验 ， 观察了颗粒及颗粒群体在
状 和边 界条件 。通 过多组 单颗粒 模拟结 核 和玻璃 球 的
ｌ方 向： ，
ｄ ， ｍｐ Ｆ曲 ＋ Ｆ州 ＋ Ｆｓ ＋ Ｆ由 Ｆｂ Ｆｐ — Ｆｇ ｙ ｙ
浮 游试 验总结 得 出 ， 游 与 沉 降规 律 相似 ， 粒 粒 径 、 浮 颗
（） ２
方向：
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｏ ｅ ｅ ｔ Ｒｕ ｅ ｆ ｒ Ｆｌ ａ ｉ ｒ ｉ ｌ ｓ ａ ｄ Ｐａ ｔ ｌ ｗａ ｍ ｔ ｄ ｎ Ｍ ｖ ｍ ｎ ｌ ｏ ｏ ｔｎｇ Ｐａ ｔ ｅ ｎ ｒ ｉ ｅ Ｓ Βιβλιοθήκη Baidu ｃ ｃ
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