初始固相浓度变化对渣浆泵内部流动及磨损的影响

采用Euler多相流模型和标准k-ε模型,并利用SIMPLEC算法,对不同初始固相浓度下的渣浆泵内部流动进行了数值模拟,得到了叶轮和蜗壳内的压力分布、速度分布、固相浓度分布等泵内流场情况,并对渣浆泵的磨损情况作出了分析。     

液固两相流对A182F347不锈钢材料的磨损特性

以直径为150μm的Si O2和Al2O3混合物为磨料,在自制的旋转式液-固两相流冲蚀试验装置上研究冲击角度、冲击速度及浆体浓度对奥氏体不锈钢A182F347的冲蚀规律,结合试件表面的冲蚀形貌分析,揭示稀相液固两相流体系下奥氏体不锈钢A182F347冲蚀机理。结果表明:4%~8%的浆体浓度下,冲击角度对试件的冲蚀规律近似,即在冲击角度为60°时出现磨损率峰值,峰值两侧区域磨损率逐渐降低;浆体浓度为6%,冲击速度从1.65 m/s增加至3.85 m/s时,试件磨损率呈指数增加;在高流速下,冲击角度为60°,浆体浓度小于6%时,试件磨损率受浆体浓度的影响较小,浆体浓度大于6%时,浓度越高,试件磨损率越大。在低流速下,浆体浓度大于8%时,试件磨损率受浆体浓度影响较小;A182F347的冲蚀磨损在低冲击角度下,以犁沟切削磨损为主,在高冲击角度下,以锻打变形磨损为主。建立的数学模型与试验结果较吻合。     

气力提升管三相流中气相状态对固相运动影响

钻孔水力开采中利用气力提升系统对地下矿浆进行提升时,气体状态(气相值的大小及其运动特性)对矿浆中矿石的运动及其提升效率将会产生重要影响。基于三相流理论和气泡动力学理论建立了提升管中固相运动速度模型,以陶瓷球形颗粒模拟矿石,利用自行设计的小型气力提升系统实验研究不同运行参数(气量值、淹没率)对颗粒提升量的影响,采用高速摄像技术获取不同气量值下管内气-液-固三相流运动图像序列,通过图像处理技术分析气相对固相运动的影响机理并与实验结果相佐证。结果表明:不同气量值下,气泡对颗粒的作用程度及作用形式并不相同;当气量值较小时,液体对颗粒运动影响较大,此时颗粒数量少、速度低且多随气-液混合相沿管壁位置提升;随气量值的增加,气泡对颗粒及液体提升作用明显,固-液混合相浓度及提升速度均趋于最大值并整体向管芯运动,相对于管壁,管芯处颗粒提升速度较大,此时管内整体呈不规则螺旋上升;持续增加进气量,气体流速过高,管内紊动加强,颗粒非连续提升且固-液混合相浓度显著降低。与淹没率相比,气量值的变化对管内固相运动的影响更为显著。实验结果与理论分析吻合较好,对钻孔水力开采工程应用具有指导意义。     

长输矿浆管道流动特性的数值模拟

在矿山物料的长距离管道输送中,经常出现堵管或者流速过高造成的严重磨蚀致使管道破裂的现象,其主要因素是矿浆速度和矿物粒度的不合理选取。为了解矿浆在弯管中的流动特性,应用计算流体力学软件(CFD)中的欧拉模型对矿浆在90°弯管中的流动特性进行数值模拟。模拟分析了矿浆以一定的体积浓度在不同速度和不同粒径工况下流过90°弯管后矿浆中矿物颗粒的速度分布以及体积分数沿管道截面的分布状况。结果表明:当矿浆的体积浓度为35%、矿物颗粒粒径为0.5 mm时,流速低于1.7 m/s流经90°弯管后会出现明显的相分离现象,但当流速为1.8 m/s后,矿浆流经弯管后其颗粒沿管道截面的分布完全满足矿浆长输管道的理论要求;当矿浆流速为1.6 m/s、颗粒粒径为0.3 mm时,矿浆在管道中的流动性会更好。     

两种弯头的数值模拟及磨损预测

利用多相流Mixture模型和磨损模型对90°球形弯头和弧形弯头进行数值模拟,得到了2种弯头内部的速度分布、固相颗粒分布和磨损量分布。模拟结果表明:球形弯头的最大磨损发生在靠近球体的直管部分,最大磨损量为102×10-14kg;弧形弯头内部的高速固相流主要分布在外侧,最大磨损量达253×10-14kg;对比可知,球形弯头的使用寿命比弧形弯头使用寿命高2~3倍。     

煤水两相流动管内表观滑移的数值研究与分析

水煤浆表观壁面滑移的存在会使管内的流动壁面的剪切力减小(正滑移)或增加(负滑移),造成了流动阻力的减小或增加.应用Fluent软件进行了水-煤颗粒管道内两相液固流动的数值模拟,结果表明:在所模拟的低浓度(固相体积分数小于30%)液固两相流中确实存在滑移现象,且固相体积分数低于10%时,近壁面处固相速度均大于液相速度,为超前滑移,30%浓度下近壁面处固相速度出现远大于液相速度,管中心速度液相大于固相,速度出现滞后滑移.而且,固相体积分数低于10%时,单位管长的压降变化率随固相体积分数增加而变化微弱,基本接近单相流动的压降,但固相体积分数超过10%以后,单位管长的流动压降随固相体积分数增加而迅速增大,能耗迅速增长.     

某铁矿管道自流输送分析及管道磨损研究

对某铁矿充填系统的管流输送进行了输送参数确定及管道磨损研究,采用经验公式得出料浆临界流速及运输管道的临界管径,并运用Fluent进行数值模拟分析,找出料浆在输送过程中对输送管道磨损较为严重的部位。结果表明,铁矿料浆质量浓度62%~68%时,临界流速0.806~0.831 m/s、输送管道直径0.207～0.209 m条件下可实现自流输送;料浆流动过程中速度与压力最大值集中在管道中心线附近,但在各拐点处的管段料浆流速与压力会产生突增,且最大值在拐点内侧管壁;在拐点后一段管道内料浆流速与压力值先增大后减小,最大值由靠近下管壁逐渐回到管道中心线附近;整个输送管道中磨损较为严重的部位出现在弯管内侧及其接下来的一段管道的下管壁。     

超细全尾砂料浆在大直径管道中流动特性研究

均质流在圆管中层流运动时,流速呈旋转抛物面分布;紊流运动时,流速特征符合七分之一指数分布定律。超细全尾砂胶结充填料浆物理性质复杂,在管道内的流动特征受管径等边界条件影响较大。使用Fluent-3D中欧拉模型,模拟研究充填倍线为3的条件下,不同浓度超细全尾砂料浆在大直径管道中满管自流输送时管道横断面上的流动特征。研究结果发现,灰砂比为1∶6的超细全尾砂胶结充填料浆在管道中易形成均质流,在管道横断面上流速沿轴线近似对称分布;料浆浓度为64%时,200mm管道输送的超细全尾砂胶结充填料浆为牛顿体;料浆浓度为68%时,呈现伪塑性体的流动模式;料浆浓度为72%时,呈现屈服伪塑性体的流动模式。就大于2.9m/s的高流速区域宽度而言,64%浓度料浆最大,72%浓度料浆次之,68%浓度料浆最小。     

高浓度充填料浆滚筒磨损实验研究

在分析管道磨损影响因素的基础上,通过设计滚筒装置对料浆对管壁的磨损展开定量化研究。结果表明,在保持料浆固相质量分数80%、滚筒转速1.5m/s时,尾矿比沙对筒壁的磨损相对严重;当固相质量的50%由沙更换为尾砂后,Ⅰ类磨损率将在原来的基础上增加17%,Ⅱ类磨损率增加15.7%;全部采用尾矿制作的料浆,其对滚筒的Ⅰ类磨损率比全部使用沙制作的料浆增加11.1%,对筒壁的Ⅱ类磨损率比之会增加7%;使用自来水制作料浆,其对筒壁的Ⅰ类磨损率比使用矿用水时增大2.4%,对筒壁的Ⅱ类磨损率比之增大4.5%;这表明,由矿用水和自来水两者配成的充填料浆对管壁的磨损无明显差别。     

水平管道水力输送粗粒物料的阻力损失研究

以深海采矿固液两相流管道输送工艺为应用背景，通过建立管道水力输送模拟系统，研究了不同粒径、不同体积浓度、不同输送速度条件下粗颗粒在水平管道中的阻力损失的变化规律。试验结果表明：颗粒浓度越高，输送速度越大，阻力损失越大。阻力损失与各参数的主要关系有：在保持其他条件不变的情况下，阻力损失与浓度或速度呈指数关系；颗粒运动状态对阻力的变化率有一定的影响。基于试验数据并结合理论分析，提出了阻力损失计算公式。     

基于EDEM振动床面振动参数的研究分析

为了研究振动床面振动参数对物料质量流率的影响以及抛掷强度对颗粒群速度分层的影响,通过EDEM软件对振动床面的振动参数进行模拟分析。结果表明,物料的质量流率与振幅、频率均呈近似线性关系,与振动方向角呈非线性关系,且振幅、振动方向角和频率对物料质量流率的影响程度逐渐减小。颗粒群的速度沿高度方向呈梯度分布并且随抛掷强度的增大而增大,越靠近床面物料的返混区域受抛掷强度的影响越明显。     

超短半径水平井钻头喷嘴多相流规律分析

为了解决高压射流钻进超短半径水平井技术中钻孔直径与钻孔深度间的矛盾问题,在考虑液固两相相间作用力的基础上,采用连续介质假设,依据液固两相双流体模型,对超短半径水平井钻头喷嘴内液固多相射流进行了模拟研究,并将结果同单相射流进行了对比。对比结果显示：单相与多相两种情况下液相轴线速度分布趋势基本相同,喷嘴轴线上湍流强度发展趋势一致;但当流动进入喷嘴直柱段并逐渐向出口运动时,单相射流液相轴线速度要低于多相情况下液相轴线速度,单相射流的湍流强度要高于多相射流条件下湍流强度;在喷嘴出口截面上,越靠近轴心液相速度越接近;反之,越靠近壁面液相速度差别越大,并且固相颗粒在喷嘴内壁附近存在速度超前滑移现象。     

浮选气泡粒度分布规律

定量研究不同起泡剂的气泡粒度分布特性及其差异,选择仲辛醇、松油醇和MIBC等起泡剂,在XDF-2L实验室浮选机上利用图像分析法测定了不同类型起泡剂下气泡的粒度大小,研究了起泡剂类型和浓度对气泡粒度分布的影响。结果表明,浮选槽中不同起泡剂在不同浓度下的气泡粒度分布遵循upper-limit分布或对数正态分布规律;起泡剂种类和浓度均会影响气泡粒度分布;随起泡剂浓度的增加,小气泡所占比例迅速增多,大气泡明显减少,粒度范围变窄,当超过临界值时,气泡粒度分布基本不变;仲辛醇、松油醇和MIBC的临界兼并浓度分别为0.066,0.113和0.181 mmol/L;当起泡剂浓度大于临界兼并浓度时,仲辛醇和松油醇产生的气泡大小略低于MIBC。     

不同液固比条件下尾矿中重金属浸出的规律研究

尾矿渗滤液中的重金属是尾矿库环境污染的重要来源,而降雨量及尾矿在雨水中浸泡的时间是影响重金属浸出的关键因素。基于此,本文探讨了不同液固比条件下尾矿中重金属的浸出规律,采用静态淋溶和动态淋溶两种试验方式对不同粒度尾矿进行重金属浸出模拟试验,分析尾矿样品中重金属（Cu、Mn、Zn）浸出浓度变化情况。结果表明：pH为5.4的模拟条件下,静态淋溶下重金属浸出浓度均随液固比的增加而减小,且不同粒度尾矿中重金属浸出规律为：细粒度优于中粒度,粗粒度浸出程度最小;不同重金属浸出浓度受液固比影响程度为：锰>铜>锌;动态淋溶下重金属浸出浓度随淋溶量的增加呈明显下降趋势,存在快速下降和缓慢下降两个阶段。重金属释放数学模型的拟合发现,重金属的释放是一个复杂的过程,Cu和Zn的释放动力学特征与双常数速率方程拟合程度较高;锰的释放过程由修正Elovich方程描述效果更优。     

泄压口比率对气体泄爆过程中的动力学行为的影响

以流体力学基本方程和燃烧反应方程为基础,建立k－ε湍流模型和燃烧模型,对管道内可燃气体泄爆过程进行模拟,讨论了泄压口比率大小对管道内爆炸压力与火焰速度的影响规律。研究发现：当泄压口比率小于30%时,爆炸压力与火焰速度峰值随泄压口比率呈急剧变化的线性关系;而当泄压比大于30%时,爆炸压力与火焰速度几乎不受泄压口比率的影响。     

钻井液离心机预防绳索取心钻杆内壁结垢研究

针对钻杆内壁结垢严重制约绳索取心安全、优质、高效实施的技术难题,开展了金刚石绳索取心钻进钻杆内壁的结垢机理与影响因素综合研究,结果表明：当钻具结构与钻井液性能一定的情况下,钻井液中的固相含量与颗粒大小是影响钻杆内壁结垢的主要因素。金刚石岩心钻进所产生的岩屑粒径在5~100 μm之间,总体偏细,难以依靠自然沉降清除。为此,研制了TGLW系列小型离心机,现场试验表明：该离心机可使钻井液中固相颗粒的峰值从5~80 μｍ降到3~10 μｍ,固相粒度中值从11.189 μm降到3.513 μm,固相清除率达90%以上,控制钻井液固相含量在0.5%以下,既维护了钻井液性能、又预防了绳索取心钻杆内壁结垢。     

钻井液固控搅拌系统模拟优化

石油勘探中钻井液的混合效果直接影响钻井的速度和钻探工具的使用寿命。为有效提高钻井液的质量,对钻井液固控仓的搅拌系统进行优化设计。利用数值模拟软件对布置多台搅拌器的方形大固控仓内部流场和安装单台搅拌器并增加挡板的方形小固控仓内部流场进行模拟分析,通过设置多相流模型和湍流模型得到搅拌流场的速率分布、速度矢量分布及相同时间段内固相的浓度分布。结果表明,大固控仓内相邻搅拌器转向相反时可避免搅拌器之间的流动干扰,形成对称的较大的上下旋流,从而提高混合效果;在小固控仓的搅拌器四周布置挡板,可有效扩大搅拌流场的径向旋流区域,减少死角搅拌盲区的固相沉积,扩大轴向旋转区域,形成较大的上下翻转流动,有利于固液混合。模拟优化结果可为改善钻井液固控搅拌系统固液混合效果提供重要的参考依据。     

长距离浆体管道输送管壁磨蚀研究

长距浆体管道输送是一种新型的利用水力输送固体物料的运输方式。管壁磨蚀率是管道设计的重要依据之一。研究了在不同pH值、流速、矿浆颗粒粒度条件下铁精矿对A3、45^#和16Mn 3种钢材管壁的磨蚀情况, 结果表明, 16Mn 和45^#钢材管道具有较好的耐磨性能, 磨蚀率较A3钢低, 在管道设计时应优先采用;颗粒粒径对管壁磨蚀具有显著影响, 铁精矿颗粒-0.040 mm 粒级含量在80%以上, 且最大粒级在0.125 mm 以下时, 45 ^#和16Mn 钢的管壁磨蚀率在0.20 mm/y 以下。     

基于CFD-DEM耦合的螺旋管料浆输送特性与磨损分析

为解决高浓度充填料浆水力输送过程中水平管路磨损严重的问题,提出了采用三纹螺旋管进行料浆输送的方案。应用计算流体力学 离散单元法(CFD-DEM)对料浆输送过程进行了数值模拟研究,探究螺旋管道的料浆输送特性及管道磨损规律。结果表明,普通管道的磨损主要发生在管道底部,且磨损主要由颗粒滑动摩擦造成,而螺旋管中磨损较均匀地分散到管壁上。当入口速度为1.2~2.4m/s,颗粒平均粒径为1.2~2.1mm 时,螺旋管的最大及平均磨损深度相较于圆管分别降低了17%~34.6%及72.6%~87.7%。螺旋管在保证料浆连续输送的同时,极大地降低了水平管道磨损,为充填管路设计提供了新思路。     

氧化锌纳米粒子形态与制备条件的关系

通过一步法和二步法两种制备方法的主要制备条件的变化,探讨了氧化锌纳米粒子形态与制备条件的关系。温度对一步法直接合成纳米氧化锌的影响较大,当温度较低时,可以得到纤维状粉体,随温度升高,其形貌也逐渐向短棒状、类球状转变,在100℃反应时可以获得近球状颗粒;二步法的热分解反应为固相反应,粒度受反应温度和反应时间的影响,随热分解温度的升高和反应时间的延长,晶粒逐渐变大,但温度的变化影响最为显著。试验与理论分析表明,纳米氧化锌的粒度与形貌除受其晶核的形成与生长机制的影响外,在很大程度上还受到制备方法和制备条件的影响。一步法制备纳米氧化锌时,粉体的晶粒粒度与粉体的成核速度有关,成核速度越快,得到的粉体粒度越小;提高反应温度或增大反应物浓度都能使成核速度增快,因而制得的粉体粒度减小;同时伴有取向连生现象出现,这表明了氧化锌极性晶体的生长习性。