土木工程

项目概述

我国经济社会发展对多种战略金属矿藏资源需求日益增加。深海矿产具有分布广、封丰度大、储量大特点，开发前景广阔。管道水力提升被认为是最佳的深海矿物输矿技术方案。深海扬矿管道式柔性管道，在海洋动力环境作用下发生柔性振动，现有管道两相流研究多基于静止刚性管道以及单一颗粒粒径简化假设，难以真实揭示复杂海洋环境下管道颗粒输送机制。

本项目在欧拉-拉格朗日框架下，运用计算流体动力学-离散元方法，研究揭示矿物级配颗粒在振动扬矿管道中的流动效应特性。

项目创新点

1. 摒弃传统单一粒径简化假设，考虑“管道柔性振动形态”与“颗粒级配效应”耦合关系，揭示管道和固液两相流双向耦合效应特性。

2.建立了管道颗粒固液两相流输运效能的量化评估策略，揭示了管道振幅、周期、颗粒级配对管道内流能量耗散的影响规律。

项目成果及应用前景

揭示了不同振动形态下管道固液两相流输运特性，发现管道周期性横向振动可有效抑制级配颗粒速度脉动。管道低振幅会削弱中大颗粒中心聚集度而达到输运降阻，而高振幅与短周期振动则因横向剪切或频繁碰撞加剧颗粒的近壁面聚集，导致系统压降单调上升，延长振动周期则显著降低碰撞耗散。研究中，耦合了管道颗粒级配效应，发现高惯性中颗粒占比的提升通过增加管内时均湍动能与壁面剪切力而致管道输送压降整体上升。

摒弃了传统单一粒径假设，首次将管道柔性振动形态与颗粒级配效应相耦合，研究揭示柔性振动管道与颗粒级配固液两相流耦合效应特性，成果可为深海矿物柔性管道水力提升输送系统提供结构优化、运行参数标定、减阻防磨损策略等理论支撑，对保障管道安全、高效、节能输运有重要价值。本研究的数值求解策略、相间作用力计算及空隙率平滑处理方法，具有工程扩展性，可为进一步开展实海况下管道固液两相流双向流固耦合效应研究、进行不规则非球形真实矿物颗粒的输运精细化分析提供基础。

管道内颗粒分布和速度

管道横截面径向颗粒体积分数