基于龙卷风效应的高速螺旋流水力提升系统研究

基于龙卷风效应的高速螺旋流水力提升系统是在传统垂直管道水力提升的基础上，利用高速螺旋流强大的卷吸作用，实现锰结核垂直管道的水力提升。较之传统的水力提升系统，既节能又能提高输送浓度。因此选择特定工况下深海采矿高速螺旋流的形成与水力提升机理进行研究，是为该技术的理论与应用研究提供有效途径。本项目主要研究内容：采用浆体输送理论，对特定工况下高速螺旋流水力提升系统进行受力分析，建立动力学模型并求解，经分析，确定合理的水力提升速度、浓度、颗粒粒径；采用计算机数值模拟仿真，分析和探讨高速螺旋流产生龙卷风效应的机理，并开发和研制高速螺旋流发生实验装置，对高速螺旋流水力提升系统的理论研究和数值分析进行实验验证。

基于龙卷风效应的高速螺旋流水力提升系统是在传统垂直管道水力提升的基础上，利用高速螺旋流强大的卷吸作用，实现锰结核垂直管道的水力提升。较之传统的水力提升系统，既节能又能提高输送浓度。因此选择特定工况下深海采矿高速螺旋流的形成与水力提升机理进行研究，是为该技术的理论与应用研究提供有效途径。本项目主要采用浆体输送理论，数理统计理论，流体力学与多相流的相关知识围绕特定工况下高速螺旋流水力提升系统的动力学分析，水力提升过程中龙卷风效应的形成机理分析，扬矿管内形成高速螺旋流的机制分析，高速螺旋流的Fluent模拟仿真以及实验分析等方面开展研究。根据项目任务书，课题组精心安排研究成员，创造性第开展了各项研究工作。课题组在综合分析各种水力提升的原理的基础上，创新地提出了高速螺旋流在管心处的卷吸作用能够形成负压，从而将管壁处的颗粒吸附在管心的附近，形成了自然界龙卷风作用效应。据此，开发设计了高速螺旋流发生装置，并对扬矿管提升系统进行了模拟仿真，通过模拟仿真和实验证明，扬矿管沿中心轴的压强较小形成负压，管壁处压强最大，从中心到管道壁沿径向压强呈抛物面逐渐增加；锰结核颗粒在压差和Magnus力的作用下聚集在管心附近，脱离管壁接触，有效地减小了管壁的磨损和碰撞，同时由于管心处存在较大负压，形成较强的吸附作用，将管壁附近的颗粒吸附在管心周围。另外，本项目还开发设计了高速螺旋流发生装置和继旋器发生装置，并展开了相关的试验研究和测试分析，并申请了专利。三年来，在ICEEP、ICMEET、江西理工大学学报、矿山机械等国内外重要核心期刊和国际会议上发表或录用直接相关学术论文共计10篇，其中EI收录2篇。申请或授权专利2项；培养青年教师2名，硕士研究生2名。按照项目计划书的研究计划要点，本项目的研究内容均已完成，基本达到预期目标，后续研究工作仍将进行。