流体速度与颗粒浓度影响下水力提升管中多尺度颗粒流态转变机制研究

《Powder Technology》：Transition mechanisms of multi-scale particle flow regimes in hydraulic lifting pipes influenced by fluid velocity and particle concentration

本研究针对深海采矿中水力提升管(HLP)系统多尺度颗粒输送难题，通过半解析CFD-DEM耦合分割颗粒体积法(DPVM)，系统揭示了流体速度与颗粒浓度对颗粒回流、堵塞流、段塞流和连续输送四种流态的转变规律。研究发现提高流体速度可促进颗粒回流向连续输送/段塞流转变，而增加颗粒浓度会加剧团聚导致堵塞风险，并建立了大颗粒速度与操作参数的关联方程，为深海采矿系统优化提供了理论支撑。

　　

随着陆地矿产资源日益枯竭，深海采矿成为获取镍、钴、稀土等战略资源的重要途径。水力提升管(HLP)系统作为深海采矿的核心装备，通过水流将海底矿物颗粒输送至海面。然而，深海复杂水力条件易引发颗粒回流、管道堵塞等问题，威胁系统安全运行。尤其值得注意的是，深海矿物颗粒具有显著的多尺度特性（直径从毫米级到数十毫米），与传统微米级颗粒的输送机理存在本质差异，亟需揭示其流动规律。

为攻克这一难题，浙江理工大学孙希旺团队在《Powder Technology》发表研究，采用半解析计算流体动力学-离散元耦合(CFD-DEM)方法，结合优化的分割颗粒体积法(DPVM)，构建了周期性水力提升管数值模型。研究系统分析了流体速度(u_f)和颗粒浓度(C_v,initial)对多尺度颗粒运动的影响，重点考察了20mm、30mm、40mm等不同尺度大颗粒与5mm小颗粒、10mm中颗粒的混合输送特性。

关键技术方法主要包括：① 基于k-ω SST IDDES模型的湍流模拟；② 考虑虚拟质量力的颗粒运动方程；③ 采用高斯核函数修正的拖曳力模型；④ 将每个颗粒划分为201个子体积的DPVM方法，提升欧拉-拉格朗日映射精度。所有算例均通过网格无关性和时间步长无关性验证。

4.1. 流体速度的影响

通过改变提升速度(u_f=1-5m/s)，研究发现四种流态间的五类转变过程：当u_f=1m/s时，大颗粒沉降导致回流；提升至3m/s时，部分大颗粒悬浮；达到4-5m/s时实现连续输送。增大颗粒直径至30mm后，高浓度颗粒形成簇团，流态转变为段塞流；当直径增至40mm时，在低速下(u_f=1m/s)出现完全堵塞。能量分析表明，回流状态下颗粒-流体能耗占比超90%，而段塞流中接触能耗主导(>50%)。

4.2. 颗粒浓度的影响

通过调节大颗粒直径(20-40mm)和数量(125-3000个)，发现浓度升高会显著促进颗粒团聚。当C_v,initial>0.3时，即使低速(u_f=1m/s)也会形成堵塞流；浓度适中(C_v,initial>0.15)时，流速≥2m/s即产生段塞流。局部浓度分析显示，当相对浓度C_r=C_v,local/C_v,initial≥1.5时标识团聚发生，据此建立了浓度与操作参数的关联方程。

4.3. 操作条件总结

研究最终绘制了流态相图：低速(u_f=1m/s)高浓(C_v,initial>0.3)引发堵塞，低浓(C_v,initial<0.15)时需u_f>3m/s才能实现连续输送。通过大数据拟合得到大颗粒轴向速度(u_z)的预测模型，其与模拟结果高度吻合(R²>0.95)。

本研究首次系统揭示了多尺度颗粒在HLP中的流态转变机制，建立了基于大颗粒速度的输送效率评估标准，提出的操作区间划分和浓度预警指标为深海采矿系统优化提供了重要理论依据。未来可进一步研究颗粒形状异质性和管道倾角等变量的影响，推动深海采矿技术向更安全、高效的方向发展。