关于铁矿石精矿在海运过程中动态排水模型的研究

《Powder Technology》：Research on the dynamic drainage model of an iron ore concentrate during sea transportation

铁矿石浓缩物海运液化风险与动态排水模型研究，通过振动实验探究加速度、颗粒分布等因素对水分迁移的影响，建立基于Green-Ampt方程的动态排水模型，验证其在预测铁矿石浓缩物流动特性中的准确性，为船舶稳定性提供理论支撑。

　　铁矿粉在海上运输过程中可能发生液化现象，这对船舶的稳定性构成严重威胁，甚至可能导致船舶倾覆。铁矿粉的液化机制与水分迁移行为密切相关，因此，建立一个能够准确描述水分迁移过程的动态排水模型对于深入理解液化现象具有重要意义。本文通过构建排水测试平台，系统研究了运动加速度、颗粒尺寸分布、压实程度以及初始含水率等因素对铁矿粉内部水分迁移和底部排水的影响。研究结果表明，运动加速度和初始含水率对水分迁移的影响最为显著。值得注意的是，在振动频率为20至25赫兹的范围内，排水效率明显提高，样本的含水率可降至6%左右。此外，基于Green-Ampt方程和实验数据，本文提出了一个动态排水模型，用于考虑波浪运动和船舶振动对铁矿粉排水行为的影响，并通过实验数据与实际铁矿货物舱排水数据的结合验证了该模型的准确性，证明其在描述海上运输过程中铁矿粉动态排水行为方面具有较高的适用性。

在海上运输过程中，铁矿粉内部的孔隙水会受到多种因素的影响，发生复杂的迁移和重新分布。这些因素主要包括水力梯度力、毛细力以及局部孔隙水压力的积累。水分迁移过程与颗粒的重新排列是相互关联的，当孔隙水压力积累到一定程度时，会降低特定货物区域的剪切强度，最终引发液化现象。当波浪运动和船舶系统振动引起的额外动态负载作用于货物时，固体散装货物可能会发生液化，从而导致船舶倾斜，甚至发生倾覆。目前，大多数关于水分迁移的研究模型仍为静态模型，然而在外部动态作用下，材料的渗透性会发生变化，现有模型难以全面揭示振动对铁矿粉排水行为的影响。因此，实验方法仍然是研究振动条件下水分迁移的重要手段。本文旨在通过实验优化现有的理论模型，使该模型能够预测铁矿粉的排水行为，为提高散装运输船舶的安全性提供理论支持。

当前，船舶运动与可液化货物之间的研究主要采用模型实验或数值模拟的方法。例如，某些研究应用了经典的渗透理论，并考虑了船舶运动以初步模拟水分迁移现象。此外，还提出了一种实验方法，用于模拟海洋动态条件下的水分迁移。其他研究则建立了缩尺模型，证明了铁矿粉内部孔隙水的增加可能导致货物的分离。还有研究设计了一种结合离散元法（DEM）与计算流体力学（CFD）的适配器，以更深入地理解颗粒在船舶运动下的漂移行为。另一些研究则通过柱状实验结合X射线计算机断层扫描（CT）技术，探讨了细颗粒在多孔介质中的迁移和聚集对排水性能的影响。此外，有研究基于Richards方程建立了模型，用于描述非饱和铁矿粉中的残留水分分布，并预测分离水分的时间变化。还有研究探讨了不同峰值加速度和颗粒尺寸对铁矿粉的影响，使用方差分析（ANOVA）评估其对水分迁移的影响。同时，也有研究对饱和和非饱和铁矿粉进行了排水测试，考虑了船舶运动加速度、频率和样本密度等因素，以更深入地理解液化机制。此外，有研究基于Green-Ampt方程建立了振动模型，用于分析煤炭在振动过程中的水分迁移行为。还有研究对海洋软黏土进行了动态固结和排水实验，发现围压和振动频率对排水性能有显著影响。另外，也有研究提出了一个结合液相和气相水分迁移的实验模型，以研究膨胀土壤中的水分运输机制。

尽管目前已有不少关于动态水分迁移的模型，但尚无模型能够全面预测铁矿粉在船舶振动和波浪运动作用下的排水行为。为了理解铁矿粉在振动条件下的排水特性，本文首先进行了实验研究，揭示了不同振动条件下铁矿粉的排水特性。本文的其余部分结构如下：第二部分介绍了静态和动态水分迁移模型，并讨论了当前存在的挑战。第三部分描述了铁矿粉振动测试的实验方法。第四部分展示了实验数据的分析结果。第五部分提出了基于Green-Ampt模型的排水速率模型，并验证了其有效性。最后，第六部分总结了研究内容并提出了研究结论。

在静态条件下，水分迁移模型主要基于达西定律。该模型用于描述饱和土壤中水的渗透速度与水力梯度之间的线性关系。达西定律的方程表明，渗透流量与材料的渗透系数、面积以及水力梯度与长度的比值成正比。然而，根据本文实验的条件，需要将模型扩展至动态加载条件。水分迁移过程在静态和动态条件下具有不同的表现，因此，构建一个能够适应动态加载的模型是必要的。

本文所使用的铁矿粉样本及其对应的颗粒尺寸分布如图2所示。根据相关分类标准，该样本被归类为粉土。具体而言，其不均匀系数为8.61，曲率系数为1.39。这两种指标可以从颗粒级配曲线中得出，反映了颗粒尺寸分布的特性。颗粒尺寸分布对水分迁移行为具有重要影响，因此，了解样本的颗粒级配特征对于研究其排水行为至关重要。

在铁矿粉装载后，孔隙水压力被记录，数据每秒采集一次，持续400秒。图5展示了静止铁矿粉样本的过量孔隙水压力值。由于样本处于饱和状态且未施加外部负载，颗粒之间没有明显位移，孔隙水未被压缩。因此，孔隙水压力保持相对稳定。然而，在动态条件下，如振动或波浪作用，孔隙水压力会发生显著变化，这可能影响铁矿粉的排水行为。

基于铁矿粉的水分迁移特性与土壤渗透过程的相似性，本文可以借鉴相关的土力学理论。在静态条件下，达西定律被广泛用于描述水分迁移，而在动态条件下，Green-Ampt方程则考虑了更多的变量，如渗透系数、孔隙率和时间。然而，根据实验条件，需要将模型扩展至动态加载条件。因此，本文在Green-Ampt方程的基础上，结合实验数据，构建了一个动态排水模型，以描述铁矿粉在振动条件下的排水行为。

在模型构建过程中，本文考虑了多个关键因素，包括运动加速度、颗粒尺寸分布、压实程度以及初始含水率。通过实验研究，这些因素对水分迁移和排水行为的影响得到了系统分析。研究结果表明，运动加速度和初始含水率对水分迁移的影响最为显著。在振动频率为20至25赫兹的范围内，排水效率明显提高，样本的含水率可降至6%左右。此外，通过实验数据与实际铁矿货物舱排水数据的结合，验证了模型的准确性，证明其在描述铁矿粉动态排水行为方面具有较高的适用性。

本文的研究结果为理解铁矿粉在海上运输中的液化机制提供了新的视角。通过实验和理论分析，揭示了动态条件对水分迁移和排水行为的影响。同时，提出的动态排水模型能够更准确地预测铁矿粉在船舶振动和波浪作用下的排水行为，为提高海上运输的安全性提供了理论支持。此外，本文的研究也为未来在类似可液化货物中的排水模型研究提供了参考。通过结合实验数据与理论模型，可以更全面地理解动态条件下的水分迁移机制，为相关领域的研究提供新的思路和方法。