Vol.21 No.6 申炎华等：垂直管道固液两相流的最小提升水流速度 ·521· 稀态固液两相流，其颗粒间及颗粒-管壁的碰撞 管径比为(d+d)/D=0.3125,远大于dD不应 力可忽略， 超过0.2的参数选取标准.在实际工业操作中， 对于管道中单颗粒运动，较高的脉动强度 对于如锰结核这样的大粒径颗粒，不能因要求 也不会发生转移现象（即，临界颗粒雷诺数的出 单位提升效率的增大而单纯提高颗粒质量分 现提前).在一定的质量分数下（比如大于3%）， 数，否则将造成颗粒沉积. 由于颗粒与液体之间的相对运动，以及颗粒间 的相对运动，使颗粒在液相中运动时受来自其 4最小提升速度 他颗粒运动的影响就愈大，所产生的附加紊流 中试开采或以后商业深海开采锰结核时， 脉动强度增大，颗粒的相对运动产生的尾流区 对稳态传输的干扰是不可避免的，如个别颗粒 将扩大；同时颗粒受尾流影响增强，颗粒向下流 的粒径过大、形状的不规则度、输入颗粒质量分 动，使管道上下颗粒的体积分数发生了轴向变 数的微小改变、管壁粗糙度的加大、海上采矿各 化，随后颗粒尾流的长度及宽度减弱，颗粒的层 种随机因素（如船的运动、海浪的起伏）等，都会 流附面层转移为紊流附面层，引起颗粒阻力系 引起管中流体产生极高的紊流脉动强度，造成 数Ca的突降 阻力系数C:突降为01，导致颗粒沉降速度，的 Newitt实验发现，当颗粒质量分数为8%， 急剧增大，设计的最小提升水流速度vm应将这 管道横截面上颗粒均匀分布：颗粒质量分数为 种最坏的情况考虑进去 10%时，颗粒向管子中心移动；当质量分数增至 C 15%时，颗粒向管子中心聚集.这表明，颗粒质 VmV√ (9) 量分数极显著地影响着管道中颗粒的輸输送形 假设出现临界现象，则C4=1,由式(9)推得： 态 Vam>yo'√/10Co (10) 式(8)为管道中颗粒质量分数c,与颗粒粒 锰结核的C。变化很大，范围在0.65-2.5之 径、颗粒间距的关系式 间，由式(10)计算得到：最小水流提升速度vm (8) 应为锰结核的自由沉降末速v的2.55倍. 例如：因锰结核的阻力系数变化范围过大， 例如：颗粒直径-50mm,管道直径D= 以长沙矿冶院试验)测得的锰结核形状系数 400mm,当c,=4%~10%,由式(8)计算得颗粒 S=0.8(与同类球形的形状系数相近)为准，并 间距dna为粒径d的2-3倍，当cp=l5%,du/ 利用其计算阻力系数的公式： d=1.703,颗粒间距为d-d=0.703d,小于粒径 C4=0.57Sr16s (11) d:当cp=22%,颗粒间距为d-d=0.498d.随着 得C=0.838,则vmim>2.895y,结果表明，当最小 颗粒质量分数的增大，颗粒间距逐步缩小，从图 提升水流速度取锰结核沉降末速度的3倍时， 4中看到3个球更加密集.将这3个球看做1个 已经将最坏的情况考虑了进去，管道输送时可 大颗粒进行分析，以C=22%为例，颗粒粒径与 以保证混合液是连续的，不会出现颗粒阻塞管 道，提高了系统的可靠性， 2.0 5结论 1.8 (1)结核粒径/管径不能过大，一般不超过 1.6 0.2. 1.4 (2)当颗粒群在管道中输送时，其质量分数 的大小也极大地影响颗粒的沉降末速度.该值 1.2 不易过高，一般不超过22%. 1.0 (3)对试验系统而言，其最小水流提升速度 0 20 40 60 80 为颗粒沉降末速度的3倍 Ci/% 致谢：本课题由中国大洋矿产资源开发协会提供资助， 图4颗粒ce与粒径间距的关系图 在此表示感谢V心1 . 2 1 N o . 6 申炎 华等 : 垂直 管道 固液 两相 流 的最 小提升 水流 速度 稀态 固液两 相 流 , 其颗粒 间及 颗 粒一管壁 的碰撞 力可 忽 略 . 对于 管道 中单颗粒运 动 , 较高 的脉动 强度 也 不会 发生转移现象 ( 即 , 临界 颗粒 雷诺数 的出 现提前 ) . 在一 定的质量 分数 一 F ( 比如 大于 3% ) , 由于 颗粒与液体之 间的相 对运 动 , 以及颗粒 间 的相对运动 , 使颗 粒在液相 中运动时受来 自其 他颗粒运动 的影 响 就愈大 , 所产生 的附加 紊流 脉动 强 度增大 , 颗粒的相 对 运动 产 生 的尾流 区 将扩大 ; 同时颗粒受尾流 影 响增强 , 颗粒 向下 流 动 , 使管道 上 下颗粒 的体积分数发 生 了 轴 向变 化 , 随后颗粒尾 流的长度及 宽度减弱 , 颗粒 的层 流附面层转移为紊流附面层 , 引起 颗粒阻 力 系 数 G 的突降 . N e w it 实验 ! 4] 发现 , 当颗 粒质量分数 为 8% , 管道 横截面上 颗粒均匀分布 ; 颗粒质量分 数为 1 0% 时 , 颗 粒向管子 中心移 动 ; 当质量分数 增至 巧% 时 , 颗粒 } itj 管子 中心 聚集 . 这表 明 , 颗 粒质 量 分数极显 著地 影响着 管道 中颗 粒 的输送 形 态 . 式 ( 8) 为 管道 中颗粒质量 分数 cs 。 与颗 粒粒 径 、 颗粒间距 的关系式 . 管径 比 为 (氏ax + 刃D/ = .0 3 12 5 , 远大于 以心 不应 超过 .0 2 的参数选取标准 . 在实 际工 业 操作 中 , 对于 如锰结核这 样的大粒径颗 粒 , 不 能因 要求 单 位提 升 效 率 的增大 而 单纯 提高 颗粒 质量 分 数 , 否 则将造成颗 粒沉积 . 4 最小提升速度 中试 开 采或 以后 商业深 海开 采 锰结核 时 , 对稳态传 输的干扰 是不 可避 免的 . 如个 别颗 粒 的粒径过大 、 形 状的不 规则度 、 输入颗粒质量分 数 的微小改变 、 管壁粗糙度的加大 、 海上采矿各 种随机 因素 ( 如船的运动 、 海浪 的起伏 ) 等 , 都会 引起 管 中流体产 生 极高 的紊流脉动 强度 , 造成 阻力系数 G 突降为 0 . 1 , 导致颗粒沉 降速度 v s 的 急剧增大 , 设计的最小提升水流速度 vm i 。 应将这 种 最坏 的情况考 虑进 去 . 、 m l。 > v s 。 德 ( 9 ) 。 = 二 . f 一亘 、 3 、 以 n a 、 ) ( 8 ) 例如 : 颗粒直径 少 50 m m , 管道直径 D = 4 0 0 m m , 当 。 , p = 4 0, 一 10% , 由式 ( 8 ) 计 算得颗粒 间距氏 a 、 为粒径 d 的 2 一 3 倍 , 当矶 p 二 巧% , dm ax/ d 二 1 . 7 03 , 颗粒 间距 为dm a 、 一 d 二 0 . 7 03 d , 小于 粒径 d ; 当矶 p = 2 2% , 颗粒间距 为dm a、 一 d = 0 . 4 9 8 d . 随 着 颗粒质量 分数的增大 , 颗粒间距 逐步缩 小 , 从 图 4 中看到 3 个球更加密集 . 将这 3 个球看做 l 个 大颗粒 进 行分析 , 以认。 二2 2% 为例 , 颗粒 粒径与 一 ` 假设出现 临界现象 , 则 Q = 1 , 由式 (9 ) 推 得 : 、 二 > v s o . 丫1万硕石 (一。) 锰结核 的 二 变化很大 , 范围在 .0 65 一 .2 5 之 间 , 由式 ( 10) 计算得 到 : 最 小水流提 升速度 vm i。 应为 锰 结 核 的 自由沉降末速 vs 。 的 2 . 5 一 5 倍 . 例如 : 因 锰结核的 阻 力系数变化范 围过大 , 以 长 沙矿 冶 院试验 〔4」 测得 的锰 结核 形 状 系数 冬二 0 . 8 (与 同类 球形 的 形 状系数 相近 ) 为准 , 并 利用 其计算 阻 力系数 的公 式 : 二 = 0 . 5 7 9 , 石 , ( 11 ) 得 Q 二 0 . 8 3 8 , 则晰>in 2 . 8 9 5 v 、 , 结果表 明 , 当最小 提 升水流 速度取 锰结核 沉 降末 速度 的 3 倍 时 , 己 经将最 坏的情况考 虑 了进 去 , 管道输 送时可 以保证混 合液是连 续的 , 不 会 出现颗 粒阻 塞管 道 , 提高 了 系统 的可 靠性 , c , , /% 图 4 颗 粒 几。 与粒径 间距 的关系 图 5 结论 ( 1) 结核粒径 /管 径不 能过大 , 一 般不 超 过 0 . 2 . (2 ) 当颗粒群 在管道中输送时 , 其质 量分数 的大 小也 极 大地影 响颗 粒 的沉 降末速 度 . 该值 不 易过高 , 一般 不 超过 2 % . (3 ) 对试验系统而 言 , 其最 小水流提升速度 为颗粒沉 降末速度 的 3 倍 . 致谢 : 本课 题 由 中国大 洋矿 产资源 开 发协会 提供资助 , 在此 表示 感谢 迫 胃 亏