国家大学生创新性实验(2010 NMOE)项目申请书
粗颗粒在复杂空间形态管道中水力输送特性研究
孙博文 刘鑫 王磊 毕丽梅 卜云洁
一 立项依据
1、研究意义
管道输送的意义
随着我国国力的增强，经济飞速发展,快速，清洁低耗能的运输方式在各个领域就显得尤其的重要。管道运输作为一种迅速、经济、安全、可靠、平稳的运输方式在矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等的运输上以其运输量大、连续、投资少、占地少、费用低、可实现自动控制[1]等优势起着不可代替的作用。尤其是利用管道进行散粒物料输送在国内外许多工程实践中得到成功应用[2].
粗颗粒在复杂形态管道中运动形式研究的意义（工程实际需要的角度）堵管机理的研究的意义（事故的角度去写）
而管道运输运用最频繁的工程，例如：石油开采、化工反应、深海采矿、水力采煤、河湖清淤、天然气水合物开采等过程中，直接对大直径物料进行输送，一方面能够节省破碎工序所需的时间，提高了产能；另一方面也降低了对破碎机器的要求，节约了成本。此外，有时在工程中也会出现无法避免的大颗粒物料，例如清淤工程中可能吸起的较大石块。[3]如果对粗颗粒在复杂形态管道中的运动状态和输送条件研究部成熟，可能在实际工程中容易出现堵管或动力浪费现象。发生堵管不仅会造成输送停顿，在工作条件恶劣时还可能造成管道破裂等严重事故。此外，盲目的增加安全措施会增加工程成本，造成浪费。因此，对粗颗粒在复杂管道中的水里输送特性加以单独研究对工程实际很有意义。此外，该研究获得的粗颗粒－流体两相流的特性以及在研究中采用的试验手段和数值模拟技术，对于加深多相流运动的认识也有意义[3]。
2、国内外研究现状
深海采矿作为主要应用背景大大促进了粗颗粒水力管道输送技术的进步。从上世纪70 年代开始，西方发达国家先后进行了大规模的试验研究，如Engelmann[11]利用200m 深的矿井进行了粗颗粒垂直管水力提升试验研究，Asakura[12]利用数值模拟进行了垂直管水力提升特性研究。我国从上世纪90 年代初期开始深海采矿技术开发，先后进行了射流泵提升、气力提升以及泥浆泵提升三种扬矿工艺研究，在对三种提升工艺特点与效率比较基础上，选定泥浆泵提升作为深海扬矿工艺。随后利用泥浆泵进行了100mm 和150mm 垂直管道输送系统工艺、动态和倾斜管道输运试验研究，对输送过程中的固液两相流压力损失变化，粗国家大学生创新性实验(2010 NMOE)项目申请书
颗粒在垂直管流中的滞留效应以及尺寸不同的颗粒分选情况（小颗粒运动快）等进行了分析[14－15]。
粗颗粒与细颗粒不同在于，研究细颗粒运动时只要掌握流体的宏观特性，如输送流体的流变特性等而粗颗粒的研究重点则在颗粒个体的运动力学特性及其相互之间[4]的作用。因此，国内外学者针对粗颗粒水力输送机理进行的研究主要在以下两个方面：一是在颗粒个体在流体中的动力学特性研究，如：二是在不同领域的管道输送工程应用研究。如：
粗颗粒在复杂形态管道中运动形式研究
粗颗粒在管道中的运动由其受力状态决定，主要的作用力除重力与浮力外，还有流体对颗粒的拖曳力、压力梯度力、变速运动产生的附加质量力、、流速梯度产生的Saffman 力以及颗粒与边壁、颗粒之间的相互作用力等Sommerfeld[6]在对颗粒受力分析基础上，采用拉各朗日方法，考虑颗粒之间的碰撞以及颗粒与边壁的碰撞作用，对粗颗粒群运动进行了数值模拟计算，得到了颗粒在管流截面中的分布，颗粒速度分布等微观信息。路展民[7]利用激光多普勒分相测量技术，在实验中分别测出了颗粒和流体的时均速度，在力学分析基础上，确定了固体颗粒在管流中的滑移速度（颗粒与流体的速度差）表达式。。粗颗粒在管流中受力特点与微观运动特性研究为是粗颗粒水力管道输送工程的应用奠定了重要基础，但是受试验测试技术与计算机模拟能力的限制，这方面的研究整体进展缓慢。
堵管机理的研究
水平井和大斜度井已成为油田尤其是海上油田开发的重要技术手段，但由于其砾石充填过程涉及井筒倾斜、流体滤失条件下的固液两相变质量流动与砂床运移，充填过程中极易发生提前堵塞，使作业失败。张琪与董长银等[17]考虑大斜度井井眼曲度变化和筛管中立下垂偏置等复杂条件，研究了油井井筒倾斜条件下的砾石充填机理，初步提出了描述砾石充填过程的数学模型以及相应的设计方法。油井砾石充填结果表明，在倾斜、水平以及弯曲等复杂状态管道中，粗颗粒运移形式、固液两相流阻力特性、粗细颗粒分选、粗颗粒在弯管段的滞留状态非常复杂，技术难度很大，堵塞风险概率很高。以上领域的研究均涉及粗颗粒在水平、倾斜以及弯曲等复杂条件下的水力输送，但研究内容偏少，与实际应用还有相当差距。粗颗粒水力输送技术在水力输煤和油井充填等领域的实践尝试再次说明了本研究具有广阔的应用前景。
尽管在粗颗粒水力输送方面取得一些研究成果，但由于固液两相流动的复杂性，还有很多问题没有真正得到解决，如颗粒在空间形态复杂管道中的运移形式，粗颗粒在管道中堵塞机制等。本课题拟在已有成果的基础上，利用试验和计算机模拟技术，对粗颗粒的在复杂管道中的运动形式和不同粒径不同浓度下的堵塞机制进行研究，力求得出合理规律及运动条件。
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参考文献：
[1].矿浆管道输送技术的发展与展望
[2].倪晋仁，王光谦，张红武.固液两相流基本理论及其最新应用.科学出版社，1991 [3] 李鹏程.粗颗粒垂直管水力提升规律研究，水利工程 2007, 4,
4、毛旭锋, 夏建新.复杂地形下高浓度浆体管道充填阻力试验研究，矿冶工程 2007, Vol.27 (4), 35-38 [7]路展民，杨秀芝，垂直管湍流液－固流中大颗粒的相对速度，力学学报，1999，Vol.31(1), 29-36 [8]栗苏文，夏建新，曹斌, 颗粒流动特殊现象探析, 泥沙研究, 2005, NO.6, 65-69 [9]C S Campbell.Granular material flows -An overview．Powder Technology，2006, Vol.162，208－229.[10]H M Li, J J McCarthy．Cohesive particle mixing and segregation under shear．Powder Technology, 2006,164：58–64 [11]H E Engelmann, Vertical hydraulic lifting of large-size particles-a contribution to marine mining, Offshore technology conference,1978,May, Houston.[12]K Asakura，T Asari，I Nakajima.Simulation of solid-liquid flows in vertical pipe by a collision model.Powder Technology, 1997, Vol.145(4),201-209 [13]Han Wenliaang，Wang Guangqian，Wu BaoSheng，etc., Water hammer in coarse-grained solid-liquid flows in hydraulic hoisting for ocean mining, Trans.Nonferrous Met.Soc.China, 2002, Vol.12(3),978-985 [14]Xia Jianxin, Huang Jiazhen, Additional preure loes of solid-liquid flow in an oscillating pipeline, J.Hydrodynamics.2004，B.1,75-80.[15]李畅,夏建新.深海矿产资源开发水力提升系统参数预测及优化，矿冶工程，2007, Vol.(4), 23-27 [16]林愉，黄以细，林群， 洁净煤柱的试验研究和性能分析，中国矿业，2006，Vol.15(6), 84-90 [17]董长银，张琪，张松亭，水平井砾石充填过程中的变质量流，科学技术与工程，2005，Vol.5(2), 69-72
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3、团队研究优势
突出你的专业优势
团队成员均来自大一和大二环境与生态专业专业，在大学的课程安排中有着大量的实验课程，使得我们的实验技能的得到了充分的训练和培养，在环境专业还特别开设了水力学，自然地理学等与此项研究密切相关的课程，引起了小组成员的极大兴趣。
实验技能优势：
在试验的前期准备过程中团队成员就参与了实验装置的设计、安装、调试、改装等并且我们已经进行了相关的预试验，较为熟练的掌握了实验中仪器的使用及实验的设计流程，具备了一定的处理突发现象的能力，为能够进行试验的主要内容奠定了基础。
其他优势：
在学习中，团队成员成绩优异有三人获得
一、二等奖学金，团队成员具有相互协作，坚持不懈及较强创新精神。各成员利用课余时间了解了有关深海探矿和管道运输的背景知识及流体力学和泥沙运动学的理论，有余力在课余时间再进行试验研究。课程，国家自然基金，奖学金
指导教师具有丰富的环境科学和水力学理论知识及熟练的实验技能，并且多次承担过国家级（国家自然科学基金：）、部级（国家科技基础条件平台工作：），与水里学的国际、国内专业人士有长期的学术交流及合作。能够为整个项目的研究做正确性的指导，及时发现并指出我们在实际操作过程中的一些不足，使我们的研究更加顺利有序的展开，促进我们达到预期目标。
二、项目研究内容、研究目标、拟解决关键科学问题和主要特色 １、研究内容
非均匀粗颗粒在复杂形态管道中的运送形式及其决定条件研究；
颗粒在空间形态复杂管道中的运移形式采用试验研究方法，针对30°上升国家大学生创新性实验(2010 NMOE)项目申请书
管、60°下降管、45°上升管、45°下降管、竖直管、水平管，研究粗颗粒在不同输送速度、浓度和颗粒粒径条件下，悬移、跃移及推移运动形式及决定条件；研究颗粒在管道断面的浓度分布、速度分布，分析粗颗粒在不同形态管道的滞留效应及最小输送速度，水流速度与输沙率之间的关系；研究含粗颗粒固液两相流输送阻力与流速、浓度、管径、颗粒组成等变量间的关系，分析不同形态管道中颗粒输送阻力特性等变化规律。
非均匀粗颗粒在复杂形态管道中的堵塞机理研究
非均匀颗粒在不同浓度、不同输送距离条件下的堵塞机理及不同管段下阻塞形成的原因，因易发生位置，建立可行的预防堵塞标准。
２、研究目标及实验方案
2.1 研究目标：
本项目的研究目标是以深海采矿为主要应用背景，建立合理的模拟粗颗粒运输的试验系统对其输送条件进行研究，对不同粒径不同浓度下粗颗粒的输送条件，在不同管段的运动形态，及输沙率与水流速度之间的关系等分析讨论找出合理规律。。。。。 2.2 实验方案： 2.2.1--技术路线
筛选五个粒径的石英砂------对不同粒径的下不同浓度的石英砂实验，观察个实验管段的实验现象---------对不同粒径不同浓度下的管道中的水流速度及压差进行测量----------将实验数据输入电脑利用软件拟合曲线----------分析结果总结规律
2.2.2--实验方法
一、建立实验所需的复杂空间形态管道如下图所示（草拟图）
二、采用试验研究方法，针对30°上升管、45°下降管、45°上升管、60°下降管、竖直上升管、水平管六种种状态管道段，研究粗颗粒在不同输送速度、浓度和颗粒粒径条件下，悬移、跃移及推移运动形式及决定条件；研究颗粒在管道断面的浓度分布、速度分布，分析粗颗粒在不同形态管道的滞留效应及最小输送速度；研究含粗颗粒固液两相流输送阻力与流速、浓度、管径、颗粒组成等变量间的关系，分析不同形态管道中颗粒输送阻力特性等变化规律。
三、数据处理，利用EXCL、ORIGIN的软件对所测压力差，水流速度、频率、浓度、输沙率等进行处理。
3.拟解决的问题 国家大学生创新性实验(2010 NMOE)项目申请书
1） 不同粒径不同浓度粗颗粒在复杂空间形态管道中安全输送的最低水流速度 。
2)不同条件下输送速度与所受阻力之间的关系
3）采用高速摄影技术分析在推移状态下与弯曲段粗颗粒的相互作用机制，并结合理论分析建立颗粒作用数学模型，模拟粗颗粒在特殊边界里（弯曲段，过流泵）可能结拱的临界条件，分析粗颗粒在管道中堵塞机制。
4.项目主要特色
本项目的主要特色在于与以往管道水力输送试验不同，对粗颗粒在复杂空间形态管道输送的机理进行研究，并利用先进的高速摄像可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，分析粗颗粒在管道中的运动特点，颗粒相互作用的模式，试验安排合理、经济和高效。创新之处在于密切结合工程应用，深入分析粗颗粒在不同空间形态的管道中水力输送的规律，粗颗粒相互作用的模式，为安全的管道输送系统设计提供依据。同时，采用先进的现代分析技术--高速摄影可视化跟踪技术研究粗颗粒流动机理这一测试方法也具有新颖性。
三、可行性分析、具体成果 1.可行性分析：
(1)项目本身：
本项目确定的研究方案和试验系统工艺比较成熟，在技术上是可行的。 (2)材料：
本课题是国家自然基金项目（30801554）：“粗颗粒在复杂空间形态管道中水力输送特性研究”中的一部分工作。根据流体力学原理和水流泥沙运动规律，建立实验系统，试验采用直径为50mm的透明有机玻璃圆管，利于清楚地观察实验现象，在给料口处加入给料机，保证进入稳流水箱的金刚砂尽量均匀，采用清水泵作为流体输送动力，物料不需要过泵，有效的避免了物料的破碎和粉化，保证试验过程中粗颗粒粒径基本不变；采用无级变频调速器，有利于对不同实验现象的临界条件准确定位。
(3)大型仪器
学院拥有及在国家自然基金的资助拥有清水泵，无级变频调速器，照明灯等实验器材。 (4)指导老师
有经验丰富老师的做指导，同学现阶段学习的环境学知识和相关的实验技能可以保证实验的进行。 2.具体成果
2.1完善改进复杂空间形态的管道水力输送试验系统 国家大学生创新性实验(2010 NMOE)项目申请书
2.2利用ORIGIN软件分析得出水流速度与输送阻力及输沙率之间的关系 2.3对实验现象及现象产生的临界条件的进行分析，阐述规律，撰写论文
四、具体时间安排及实验进度
2010年11月------2010年12月购买实验所需的沙子、有机玻璃管、台秤、秒表、照明灯等并对已有的水箱、压差计、变频调速器、水泵进行校准和维修。
2010年1月------2010年6月筛出不同粒径的沙进行实验，记录观察现象及压差，水流速度等数值
2010年8月------2010年10月统计实验数据、拟合曲线，分析结果，撰写实验论文，结题验收。
五、经费预算
其他：
管道运输的不断发展也使得管道运输的分类逐渐增多，按照输送物料的不 同，管道输送可分为单相流输送和多相流输送。多相流管道输送气、汽、液体 和固体的混合物料，物料范围越来越广。而在矿山冶金、水利水电、石油化工、食品等工业中大量应用的是液、固多相流运动的固体物料水力管道输送。
