羅榮昌，余淑琦，符瑜，姚妮均，夏建新

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深海揚礦泵不同導(dǎo)葉流道中粗顆粒運動試驗研究

羅榮昌，余淑琦，符瑜，姚妮均，夏建新

(中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京，100081)

為提高管道水力輸送安全性，設(shè)計導(dǎo)葉進口安放角和葉片數(shù)不同的模型泵，建立管道輸送試驗系統(tǒng)，采用粒徑為3 mm的石英砂在輸送顆粒體積分數(shù)為5%的條件下通過不同模型泵，分析導(dǎo)葉設(shè)計參數(shù)對顆粒過泵的影響。研究結(jié)果表明：導(dǎo)葉進口安放角為25°、葉片數(shù)為5的模型泵最優(yōu)；顆粒在該模型泵中運動，在導(dǎo)葉進口區(qū)域，顆粒主要從導(dǎo)葉背面進入，而且顆粒沖擊導(dǎo)葉背面的現(xiàn)象不明顯；在出口部位，顆粒主要靠近流道中部流出導(dǎo)葉，這樣減少了對導(dǎo)葉出口葉片的碰撞；顆粒在此泵中運動的時間較少，不集中在泵中1個部位發(fā)生碰撞，對泵的磨損較輕。

進口安放角；葉片數(shù)；運動軌跡；碰撞；過導(dǎo)葉時間

豐富的海底礦產(chǎn)資源是滿足人類未來金屬資源需求的有效保障[1?4]。近20年來，我國在海底礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)上取得了重大進展，但按照新擬定的海洋勘探采礦規(guī)章要求，海洋采礦必須將保護海洋環(huán)境作為前提。目前，水力管道提升系統(tǒng)被認為是目前比較環(huán)?？尚械纳詈２傻V提升工藝，在該系統(tǒng)中揚礦泵是其最關(guān)鍵的動力設(shè)備，其性能對于整個系統(tǒng)安全運行具有重要作用。我國已經(jīng)開發(fā)出揚礦試驗泵，但在實驗中屢次出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，泵磨損也很嚴重。出現(xiàn)這些問題是對粗顆粒在泵中的運動的研究不透徹、泵的設(shè)計參數(shù)選擇不合理等導(dǎo)致的。國外研究表明[5]離心式泵型不適用于海洋采礦，應(yīng)采用混流泵泵型。國內(nèi)對于顆粒在離心式固?液兩相流泵[6?8]中運動的研究較多，對于混流式固?液兩相流泵[9]的研究相對較少。諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)深海揚礦泵的設(shè)計需滿足抗高壓、粗顆粒、無堵塞、高揚程、耐磨損、耐腐蝕、高效率、長壽命、高可靠性等特點[10?12]，楊恒玲等[13]針對深海揚礦泵設(shè)計的需求，對比國外深海采礦模型，提出了高揚程粗顆粒多級輸送電泵的設(shè)計方法。蔡超[14]設(shè)計制作了2種不同葉輪進口安放角的模型泵，通過試驗分析了葉輪進口安放角對顆粒在導(dǎo)葉中運動的影響，得出最佳葉輪設(shè)計參數(shù)，并以此模型泵開展了不同粒徑顆粒在不同流速下過導(dǎo)葉的相關(guān)實驗研究[15]。在此研究基礎(chǔ)上，羅榮昌等[16]從顆粒在導(dǎo)葉中的受力出發(fā)，建立受力方程和運動方程，從揚礦泵結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸送參數(shù)2個方面研究顆粒在揚礦泵導(dǎo)葉中的運動情況。余淑琦等[17]運用離散相模型模擬顆粒流動軌跡，研究了顆粒粒徑、導(dǎo)葉進口安放角、導(dǎo)葉數(shù)量對揚礦泵堵塞及磨損特性的影響，研究結(jié)果表明隨著導(dǎo)葉進口安放角增大，平均碰撞次數(shù)和平均過導(dǎo)葉時間均隨之增加，顆粒與壓力面碰撞區(qū)域越靠近導(dǎo)葉進口處，對壓力面進口造成的磨損越嚴重；隨著導(dǎo)葉數(shù)量增加，過導(dǎo)葉時間有減小的趨勢，顆粒與導(dǎo)葉壓力面碰撞位置向?qū)~中部移動，對壓力面的磨損程度較輕。陳奇[18]以Fluent軟件為工具對顆粒在礦漿泵內(nèi)的運動規(guī)律進行了數(shù)值模擬，研究轉(zhuǎn)速、流量、顆粒粒徑以及顆粒體積分數(shù)對礦漿泵內(nèi)固?液兩相流動規(guī)律的影響。以上研究多采用數(shù)值仿真的手段，大多研究葉輪設(shè)計參數(shù)對顆粒運動規(guī)律的影響。但是，深海采礦實際作業(yè)時，導(dǎo)葉處于靜止狀態(tài)，顆粒更容易在此處堆積堵塞流道，導(dǎo)葉的設(shè)計參數(shù)關(guān)系到顆粒過泵能力、回流能力以及性能，對顆粒在導(dǎo)葉中的運動規(guī)律至關(guān)重要。本文作者在已有研究的基礎(chǔ)上，以我國中試揚礦泵為參考，對揚礦泵葉輪和導(dǎo)葉進行水力設(shè)計，并搭建管道水力輸送試驗系統(tǒng)，對顆粒在泵中的運動情況進行試驗研究。通過改變揚礦泵導(dǎo)葉設(shè)計參數(shù)來研究顆粒在不同模型泵中的運動變化情況。

1 試驗系統(tǒng)

基于固?液兩相流輸送特性，以顆粒在管道中的運動特性為研究對象，設(shè)計建立管道輸送試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由給料子系統(tǒng)、管道水力輸送子系統(tǒng)、動力控制子系統(tǒng)以及測量子系統(tǒng)4部分組成，如圖1所示。其中給料子系統(tǒng)由供水管道、水箱、葉輪式給料機等組成。管道水力輸送子系統(tǒng)采用直徑為50 mm的不銹鋼管作為主輸送管道，全長20 m，包括水平管段、垂直管段和傾斜管段。動力子系統(tǒng)包括揚礦泵、渣漿泵、電機、變頻調(diào)速器等部件。揚礦泵安裝在垂直管段，測量部分的管道采用透明有機玻璃制作，這樣便于觀察與記錄，揚礦泵泵體采用黑色POM制作，與白色石英砂形成對比，泵軸采用35CrMo制作，連接泵體和電機。渣漿泵安裝在水箱垂直管段與水平管段的連接處，渣漿泵作為備用動力設(shè)備，在大流速(＞3 m/s)下收集物料時啟動。揚礦泵和渣漿泵均采用變頻調(diào)速器進行調(diào)速，確保滿足試驗所需的輸送速度。測量子系統(tǒng)由壓力傳感器、電磁流量計、高速攝像機、標定箱以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

以我國中試揚礦泵參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)試驗室的條件，按照相關(guān)設(shè)計程序進行泵參數(shù)的計算[19]。設(shè)計時考慮：1) 對于海洋采礦的揚礦管線，由于揚礦濃度的改變會很敏感地改變揚礦管道的阻力，揚礦泵陡降的流量?揚程特性剛好適應(yīng)揚礦實際工藝參數(shù)的變化，較少的葉片數(shù)能獲得陡降的流量?揚程特性曲線，所以，確定葉輪葉片數(shù)=3。設(shè)計導(dǎo)葉葉片數(shù)時，為避免系統(tǒng)振動，導(dǎo)葉葉片數(shù)應(yīng)大于葉輪葉片數(shù)，且互質(zhì)，葉片數(shù)越多，單流道過流面積越小，粗大顆粒不易通過，容易引起堵塞，所以，將導(dǎo)葉葉片數(shù)設(shè)定為4，5和7。2) 按相關(guān)計算程序計算得到導(dǎo)葉進口安放角為25°，為研究進口安放角對顆粒過泵的影響，將角度設(shè)定為25°，43°和60°。揚礦泵主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

表1 揚礦泵主要設(shè)計參數(shù)

2 試驗方法

導(dǎo)葉葉片數(shù)決定了單流道過流面積，試驗擬設(shè)計導(dǎo)葉進口安放角分別為25°，43°和60°，導(dǎo)葉葉片數(shù)分別為4，5和7的多個揚礦泵，自行設(shè)計揚礦泵，由安徽省天長市有機玻璃廠和北京造夢空間3D打印公司負責(zé)加工制作。試驗參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)計

導(dǎo)葉形狀特異，顆粒在其中運動復(fù)雜。通過實驗發(fā)現(xiàn)，顆粒在導(dǎo)葉流道中分布不均勻，且在實際工程應(yīng)用中為減少顆粒與導(dǎo)葉壁面的碰撞，希望顆粒主要從流道中部流出導(dǎo)葉，因此，將導(dǎo)葉流道劃分為3個部分，如圖2(a)所示：第1部分為導(dǎo)葉背面區(qū)域，第2部分為流道中部區(qū)域，第3部分為導(dǎo)葉工作面區(qū)域。從旋轉(zhuǎn)葉輪出來的顆粒以一定角度進入導(dǎo)葉，顆粒會與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞。實驗發(fā)現(xiàn)，顆粒的碰撞以與導(dǎo)葉工作面的碰撞為主，碰撞會減小顆粒的動能，增大顆粒在導(dǎo)葉中的停留時間，同時會磨損導(dǎo)葉，所以，為了研究碰撞的位置，將導(dǎo)葉軸向長度分為10層，導(dǎo)葉入口處記為第1層，最上端記為第10層。軸向劃分如圖2(b)所示。

(a)流道劃分；(b) 軸向劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 運動軌跡

顆粒在不同模型泵中的運動軌跡如圖3和圖4所示。由于實驗條件限制，繪制的軌跡為顆粒三維軌跡投影到高速相機平面上的投影。圖中黑色實線代表導(dǎo)葉葉片外邊界，虛線代表導(dǎo)葉葉片內(nèi)邊界，中間不同點線1~5為顆粒軌跡。

顆粒運動的基本規(guī)律為通過旋轉(zhuǎn)葉輪出來的顆粒以一定角度進入導(dǎo)葉，向?qū)~工作面運動，顆粒的旋轉(zhuǎn)速度逐步被轉(zhuǎn)換為軸向速度，最后沿著泵出口段流出。

顆粒在導(dǎo)葉內(nèi)主要受水流繞流阻力、重力和離心力的影響，碰撞前運動趨勢與水流運動趨勢基本一致，先向工作面運動；碰撞后，顆粒的運動方向改變，偏向背面，運動方向與水流方向相反，由于顆粒質(zhì)量大，慣性大，所以，碰撞后的軌跡總有向工作面運動的趨勢，顆粒在背面的碰撞不明顯。由圖3(b)和(c)可見：顆粒在入口的運動軌跡有先沖擊導(dǎo)葉背面的趨勢，然后向?qū)~工作面運動。由圖4(c)可見：對于7葉片的導(dǎo)葉，流道過流面積最小，部分顆粒從葉輪出來，先碰撞導(dǎo)葉的背面然后向工作面運動，發(fā)生第2和第3次碰撞，這些現(xiàn)象在其他模型泵中不明顯。

為分析上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，本文研究了導(dǎo)葉中清水的運動情況。根據(jù)曹斌等[20]研究結(jié)果，采用粒徑為0.1 mm的顆粒代表清水，用高速攝像機拍攝其過導(dǎo)葉的運動過程表示清水在泵中的運動情況。結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，在導(dǎo)葉入口處有漩渦出現(xiàn)，在渦流處，水體運動混亂，不成明顯規(guī)律，在非渦流區(qū)，水體的運動基本與流道形狀一致；隨著進口安放角的增大，進口渦流區(qū)的面積有所增大，這可能是導(dǎo)致顆粒在43°和60°導(dǎo)葉中有先沖擊導(dǎo)葉背面現(xiàn)象的原因。在導(dǎo)葉中部靠近工作面的位置會出現(xiàn)回流區(qū)。在葉片數(shù)為7時，顆粒從導(dǎo)葉背面入口進入，在渦流的影響下，向?qū)~背面運動。由于過流面積小，水體還未將顆粒的運動方向?qū)蚬ぷ髅?，顆粒先撞擊了背面，而其他模型泵流道過流面積較大，在顆粒與背面碰撞前，水體就可將顆粒的運動方向?qū)蛄斯ぷ髅妗?/p>

α3/(°)：(a) 25；(b) 43；(c) 60

Z：(a) 4；(b) 5；(c) 7

(a) 模型Ⅰ，α3=25°，Z=5；(b) 模型Ⅱ，α3=25°，Z=4；(c) 模型Ⅲ，α3=25°，Z=7；(d) 模型Ⅳ，α3=43°，Z=5；(e) 模型Ⅴ，α3=60°，Z=5

3.2 進出口顆粒分布情況

統(tǒng)計相同時間內(nèi)，導(dǎo)葉入口各個區(qū)域的顆粒數(shù)量以及總數(shù)，每個區(qū)域的概率in由下列式子計算得出：

文本類檔案多采用文本信息抽取的方法進行特征提取。文本信息抽取如圖3，是從文本數(shù)據(jù)中抽取特定信息（如名詞短語、地名、時間、人名等）的一種技術(shù)。檔案數(shù)據(jù)需要抽取的特征具有比較強的特定性，主要需求是識別出檔案中的人名、地名、機構(gòu)名、時間等，適合采用詞性標注的方式進行抽取。常用的模型有：條件隨機場、隱馬爾科夫模型、最大熵馬爾科夫模型。這些都是文本信息抽取的具體實現(xiàn)方式，首先需要從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)模型結(jié)構(gòu)，其次根據(jù)模型對待抽取的檔案文本進行識別即詞性標注。

統(tǒng)計相同時間內(nèi)，導(dǎo)葉出口3個部分的顆粒數(shù)量以及總數(shù)。每個部分的概率out由下式計算得出：

顆粒在不同模型泵進出口的分布情況如圖6~9 所示。

從拍攝的視頻和圖像看出，從葉輪出來的顆粒只有部分直接進入導(dǎo)葉流道，有一部分顆粒從葉輪出口處以較小角度進入導(dǎo)葉，這些顆粒不能順暢流入導(dǎo)葉流道，而是從一個區(qū)域流到附近區(qū)域或是從一個流道流入另一個流道。從圖6和圖8可以看出：隨著進口安放角的增大，第1部分的碰撞概率增大，說明顆粒從導(dǎo)葉背面區(qū)域進入的情況更明顯；而隨著葉片數(shù)的增多，顆粒從導(dǎo)葉背面進入的概率有所減小。從圖7和圖9可以看出：在60°和43°模型泵中，顆粒主要從流道中部和導(dǎo)葉工作面出去，在25°模型泵中，顆粒主要從流道中部出去，從導(dǎo)葉背面出去的較少。在4葉片和7葉片的模型泵中，顆粒主要從流道中部和導(dǎo)葉工作面出去，在5葉片模型泵中，顆粒主要是從流道中部出去，從導(dǎo)葉背面出去的較少。

3.3 過導(dǎo)葉時間

以顆粒從導(dǎo)葉入口開始計時，到顆粒流出導(dǎo)葉出口停止，統(tǒng)計諸多顆粒通過導(dǎo)葉的時間，以平均值為顆粒通過導(dǎo)葉的時間(s)，以粒徑0.1 mm顆粒代表清水，其通過導(dǎo)葉的時間記為f，以s/f為縱坐標作圖，結(jié)果如圖10所示。

在進口安放角為25°~60°范圍內(nèi)，顆粒通過導(dǎo)葉的時間隨著進口安放角增大而增大，隨著葉片數(shù)的增多而減少。葉片數(shù)減小，單個流道的過流面積就增大，清水流速和顆粒速度都減小，顆粒在導(dǎo)葉中運行時間會延長，而且導(dǎo)葉的導(dǎo)流效果降低。葉片數(shù)增加，單個流道的面積就會減小，會增加顆粒堵泵的概率。

進口安放角α3/(°)：(a) 25；(b) 43；(c) 60

進口安放角α3/(°)：(a) 25；(b) 43；(c) 60

葉片數(shù)Z：(a) 4；(b) 5；(c) 7

葉片數(shù)Z：(a) 4；(b) 5；(c) 7

(a) 不同導(dǎo)葉進口安放角時顆粒過導(dǎo)葉時間；(b) 不同葉片數(shù)時顆粒過導(dǎo)葉時間

3.4 碰撞位置

將導(dǎo)葉軸向劃分為10層，計算每一層顆粒的碰撞頻率。因第1層為導(dǎo)葉入口與導(dǎo)葉葉片之間的區(qū)域，此區(qū)域無壁面，故不討論該區(qū)域顆粒的碰撞情況。

第2~10層的碰撞概率為第層碰撞的顆粒數(shù)與總碰撞顆粒數(shù)的比值，記為ci：

式中：ci為第層碰撞的顆粒數(shù)。

在進口安放角為43°模型泵中，顆粒在第8層碰撞較明顯；在進口安放角為60°模型泵中，第6層碰撞較明顯；在進口安放角為25°模型泵中，顆粒在每層的碰撞概率比較均勻；顆粒在每層的碰撞頻率隨著進口安放角的變化不呈規(guī)律變化。對于葉片數(shù)為4的模型泵，顆粒主要在第2、第3層和中部第6、第7層發(fā)生碰撞；對于葉片數(shù)為7的模型泵，在第6層的碰撞較多，其他位置碰撞情況相差不大；流道過流面積居中的模型泵Ⅰ，碰撞情況呈正態(tài)分布，主要在第6和第7層碰撞。碰撞會對壁面造成磨損，越靠近導(dǎo)葉入口，顆粒碰撞時動能越大，對泵的損害越嚴重。實際工作時希望顆粒不與泵發(fā)生碰撞，但由于顆粒質(zhì)量大于水體，對水的跟隨性較差，在流道中會與壁面發(fā)生碰撞，因此，希望碰撞次數(shù)越少、越靠近導(dǎo)葉出口越好，而且碰撞不能集中于某一部位，如果顆粒集中撞擊某位置，長時間碰撞會擊穿該部位，減少機械的壽命。

統(tǒng)計顆粒在導(dǎo)葉中的運動軌跡、進出口分布情況和碰撞情況發(fā)現(xiàn)：顆粒進入導(dǎo)葉的位置越靠近導(dǎo)葉背面，其在導(dǎo)葉工作面碰撞的位置越靠近中后部(第6，7和8層)，且主要從流道中部和工作面流出導(dǎo)葉；從流道中部和靠近工作面進入的顆粒主要與導(dǎo)葉工作面入口(第2，3和4層)碰撞，在第3和第4層碰撞的顆粒有沿著導(dǎo)葉工作面滾動的現(xiàn)象，發(fā)生多次碰撞后向?qū)~背面運動，主要從導(dǎo)葉背面流出。

進口安放角α3/(°)：(a) 25；(b) 43；(c) 60

葉片數(shù)Z：(a) 4；(b) 5；(c) 7

4 結(jié)論

1) 導(dǎo)葉進口安放角為25°、葉片數(shù)為5的模型泵最優(yōu)。當顆粒在此模型泵中運動時，在導(dǎo)葉進口部分，顆粒沖擊導(dǎo)葉背面的現(xiàn)象不明顯，而是直接向?qū)~的工作面運動；顆粒在進口分布比較均勻，主要靠近流道中部流出導(dǎo)葉，減少了對導(dǎo)葉出口葉片的碰撞；顆粒在此泵中運動的時間較少，不集中在泵中某部位發(fā)生碰撞，對泵的磨損較輕。

2) 在設(shè)計制作揚礦泵時，對導(dǎo)葉第2，6和7層進行加厚處理可以延長泵的壽命。

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Experimental studies on characteristics of coarse particle motion in different guide vanes of lifting pump for deep-sea mining

LUO Rongchang, YU Shuqi, FU Yu, YAO Nijun, XIA Jianxin

(College of Life and Environment Science, Minzu University of China, Beijing 100081, China)

In order to improve the safety of pipeline transportation, model pumps with different inlet angles and blade quantities were designed and the pipeline transportation system was built. The particles with volume fraction of 5% and diameter of 3 mm were transported to different model pumps. Based on the results, the influence of the design parameters of the guide blade on the particle passing the pump was analyzed. The results show that the pump is better when the inlet angle is 25° and when there are 5 blades. In this model pump, the particles enter the passageway from the back of the guide leaf, and it is not obvious that the particle impacts the back of guide vane. Particles flow out of the guide vane from the center of the passageway, potentially reducing the impact. The particles have less time to pass through this pump than other pumps, and particles do not all collide in one single place, which leads to less wear for the guide vane.

inlet angle; blade quantity; particles trajectory; collision; passing time

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.009

P751

A

1672?7207(2018)12?2963?09

2018?01?29；

2018?05?08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51339008，51209238，51434002)；一流大學(xué)與一流學(xué)科建設(shè)過渡性經(jīng)費專項資金資助項目(2017)(Projects(51339008, 51209238, 51434002) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017) supported by the Special Fund of Building First-class Universities and Disciplines Construction Transitional Funds)

夏建新，博士，教授，從事深海資源開發(fā)研究；E-mail: jxxia@vip.sina.com

(編輯 趙俊)