深海采礦揚礦泵導(dǎo)葉區(qū)域粗顆粒通過特性試驗研究

蔡 超，邱 灝，曹 斌，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)

深海采礦揚礦泵導(dǎo)葉區(qū)域粗顆粒通過特性試驗研究

蔡 超，邱 灝，曹 斌，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)

在深海采礦系統(tǒng)中，海底礦石必須經(jīng)過揚礦泵才能提升到海面船上，但礦石粒徑較粗，容易在泵體中形成堵塞，尤其是在揚礦泵導(dǎo)葉區(qū)域，因此，研究粗粒在導(dǎo)葉中的運動特性對于保障系統(tǒng)安全工作具有重要意義。針對深海礦物粒徑較大的特點，設(shè)計并制作了具有寬流道的揚礦泵流道模型，安裝于管道輸送試驗系統(tǒng)。利用高速攝像機對揚礦泵導(dǎo)葉內(nèi)粗顆粒運動特性進行了記錄，并對其運動軌跡、碰撞情況以及顆粒速度等信息進行了分析。結(jié)果表明：顆粒在通過導(dǎo)葉區(qū)域時，運動軌跡與水流流向基本一致；顆粒與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞位置主要集中于導(dǎo)葉背面入口處、導(dǎo)葉壓力面中部和導(dǎo)葉背面出口處；顆粒粒徑越小，跟隨性越好，碰撞次數(shù)越少。試驗結(jié)果可為揚礦電泵設(shè)計提供參考。

深海采礦；揚礦泵；導(dǎo)葉；顆粒軌跡；磨損；堵塞

Abstract:Deep-sea minerals must be lifted through lifting pump in deep-sea mining system.The lifting pump is prone to be blocked owing to the big size of minerals while working,especially in vane.It is important to study the motion characteristics of mineral particles to ensure the security of the lifting system.Taking into account the size of deep-sea minerals,the lifting pump model with wide passage is established and is installed in a pipeline transport system.The motion characteristics of particles in the vane of the lifting pump are shot and analysed by high-speed cameras.The results show that the trajectory of particles in vane is consistent with flow; the collision location of particles concentrates mainly at the inlet of the back of the vane blade,the middle of pressure face of the vane blade and the outlet of the back of the vane blade; the particles have better following performance and less collision frequency with a smaller size.The results provide a reference for the design of the lifting pump.

Keywords:deep-sea mining; lifting pump; vane; particles trajectory; abrasion; blockage

深海蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，如何開采這些資源一直是令人困擾的技術(shù)難題[1-3]。目前，利用管道將深海底的礦石輸送到海面已有成功試采的方案[4,5]。在這一方案中，揚礦泵是關(guān)鍵設(shè)備，不僅要提供輸送礦石的動力，還必須保證礦石能夠通過揚礦泵。如發(fā)生顆粒堵泵，整個提升系統(tǒng)將無法工作，且維修困難，耗時較長。目前，對于這種獨特需求的揚礦泵的研究較少，國外僅有德國和日本開展相關(guān)工作，但由于技術(shù)保密原因，成果很少報道。

針對細(xì)顆粒在泵體中的運動規(guī)律，有很多成果可以借鑒。如從理論分析角度，通過解析顆粒的運動方程，了解顆粒在泵中的運動規(guī)律[6-8]；以CFD為工具對顆粒在泵中的運動規(guī)律進行更為精細(xì)地模擬研究[12-14]；通過高速攝像對顆粒過泵軌跡進行拍攝，了解不同粒徑和密度顆粒過泵特性[9-11]；以上研究主要針對顆粒在葉輪中或蝸室中的運動規(guī)律，且顆粒粒徑較小。但是，深海采礦中采用的揚礦泵需要輸送的顆粒粒徑較大(5～50 mm)，其泵體一般采用半軸流式，流道較寬，采用前置葉輪、后置導(dǎo)葉設(shè)計方案[15]，對于粗顆粒在泵型中運動特性研究較少。

針對輸送粗顆粒特點，采用具有寬流道的半軸流泵類型，建立輸送顆粒的半軸流泵物理模型，通過試驗研究粗顆粒在這種泵體流道中的運動規(guī)律。由于揚礦泵在運行過程中，葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，顆粒發(fā)生堵塞的幾率較小，因此，重點分析顆粒通過導(dǎo)葉時的運動特性，以期為泵體流道設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗裝置及方法

1.1試驗裝置

圖1 試驗?zāi)Ｐ捅脤嵨颋ig.1 Experimental pump model

為研究揚礦泵內(nèi)部流動特性及顆粒通過特性，同時便于建立物理模型，將揚礦泵參數(shù)進行縮小，采用ABS材料按照葉輪和導(dǎo)葉的參數(shù)制作揚礦泵實體模型，包括葉輪、導(dǎo)葉、葉輪輪轂和導(dǎo)葉輪轂(圖1)。為了便于觀察，揚礦泵前蓋板以及泵前、泵后過渡段(圖2中垂直有效觀察段)采用有機玻璃制作。揚礦泵主要幾何參數(shù)：葉輪入口直徑D0=73 mm，出口直徑D2=98 mm，葉輪出口寬度b2=21 mm，葉片數(shù)z1=3，葉輪中間流線進口安放角25°，出口安放角20°；導(dǎo)葉入口直徑D4=106 mm，出口直徑D6=73 mm，葉片數(shù)z2=8，最小流道寬度14 mm，導(dǎo)葉進口安放角30°。本文僅討論導(dǎo)葉區(qū)通過性能，故不討論葉輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

試驗系統(tǒng)主要參數(shù)：系統(tǒng)為開式管路(圖2)，長7.5 m，高2.7 m。系統(tǒng)管道直徑φ=50 mm，水箱用于存放水和穩(wěn)定系統(tǒng)水壓；標(biāo)定箱用于標(biāo)定實驗過程中管道流量；葉輪式給料機用于顆粒的均勻給料。試驗過程中，模型泵葉輪為靜止?fàn)顟B(tài)，由渣漿泵為整個系統(tǒng)提供動力，試驗介質(zhì)采用清水。

試驗量測設(shè)備：模型泵進出口的壓差采用電子壓差計測量；流量采用人工標(biāo)定；使用高速攝像機對不同流量工況下顆粒通過模型泵的軌跡進行拍攝，拍攝頻率為2 000～3 000幀/s。

圖2 試驗系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.2試驗方法

實驗前，從水箱向系統(tǒng)注入清水，通過變頻器控制渣漿泵轉(zhuǎn)速，使管道水流速度在0～4 m/s之間變化。在試驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，從水箱投料口添加固體顆粒，經(jīng)過給料機實現(xiàn)均勻給料，保證系統(tǒng)中顆粒在系統(tǒng)中均勻分布。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，采用高速攝像機拍攝不同流量工況下不同粒徑顆粒在模型泵中運動軌跡。試驗采用砂粒，密度ρ=2 300 kg/m3，粒徑大小分別為2.5、3.5和4.5 mm。拍攝完成后利用計算機繪出每個顆粒在導(dǎo)葉中的運動軌跡，并統(tǒng)計每個顆粒的運動參數(shù)。通過統(tǒng)計，得到一定條件下顆粒運動參數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1顆粒過導(dǎo)葉軌跡特性

揚礦泵工作過程中，葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，顆粒在葉輪區(qū)域不會發(fā)生堵泵；導(dǎo)葉為靜止?fàn)顟B(tài)，顆粒容易在導(dǎo)葉區(qū)域發(fā)生聚集進而堵塞流道影響泵的正常運行。故實驗主要研究顆粒在導(dǎo)葉區(qū)域的運動軌跡。通過高速攝像機拍攝不同粒徑顆粒在不同流量工況下通過導(dǎo)葉，并根據(jù)拍攝出的圖片繪制典型顆粒過導(dǎo)葉軌跡。根據(jù)不同流量工況及模型泵入口斷面面積，得出模型泵入口處不同清水流速下不同粒徑顆粒過導(dǎo)葉軌跡。圖3～圖5為一個導(dǎo)葉流道中顆粒通過軌跡，黑色虛線和實線分別代表導(dǎo)葉內(nèi)、外邊界，其中右邊黑色實線代表導(dǎo)葉壓力面，左邊黑色實線代表導(dǎo)葉背面，顆粒在邊界范圍之內(nèi)都可能發(fā)生碰撞；中間不同標(biāo)志的實線代表不同標(biāo)號的顆粒軌跡。

圖3 不同流速條件下2.5 mm顆粒過導(dǎo)葉軌跡Fig.3 The trajectory of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=2.5 mm)

圖4 不同流速條件下3.5 mm顆粒過導(dǎo)葉軌跡Fig.4 The trajectory of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=3.5 mm)

圖5 不同流速條件下4.5 mm顆粒通過導(dǎo)葉時的軌跡Fig.5 The trajectory of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=4.5 mm)

顆粒進入導(dǎo)葉的初始位置、方向、速度大小等差異，對顆粒在導(dǎo)葉中的運動狀態(tài)和軌跡都會產(chǎn)生影響。但是顆粒運動的軌跡和運動狀態(tài)在宏觀上都有明顯的規(guī)律性。

1)顆粒過導(dǎo)葉的一般特性：水流沿導(dǎo)葉曲面方向以一定角度進入導(dǎo)葉，經(jīng)過導(dǎo)葉調(diào)整之后，水流出口角逐步變?yōu)?0°。顆粒在導(dǎo)葉內(nèi)主要受水流繞流阻力和重力影響，運動軌跡與總體趨勢水流基本一致。不同工況下，顆粒經(jīng)過葉輪后，存在較大的軸向速度，沿導(dǎo)葉進口角進入導(dǎo)葉，由于顆粒慣性大于水流，顆粒與導(dǎo)葉壓力面中部發(fā)生碰撞，經(jīng)過導(dǎo)葉調(diào)整之后，顆粒速度基本變?yōu)檩S向。

2)不同粒徑對顆粒過泵特性的影響：顆粒越小，顆粒慣性越小，與水流的跟隨性越好，顆粒運動軌跡與水流流線越接近，與導(dǎo)葉壓力面中部碰撞之后，受水流影響，顆粒運動速度很快與水流速度平行；顆粒粒徑越大，顆粒慣性越大，顆粒運動速度與水流速度平行所需時間相對更長，顆粒在上升的過程中也更易與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞。

3)不同入射速度對顆粒過泵特性的影響：假定顆粒進入導(dǎo)葉前，速度與水流速度一致。入射速度越大，顆粒動能越大，水流改變顆粒速度方向所需時間越長，顆粒與導(dǎo)葉碰撞的位置越靠近導(dǎo)葉進口處；入射速度越小，水流改變顆粒速度方向相對容易，顆粒與導(dǎo)葉碰撞位置越靠近導(dǎo)葉出口。大速度時，顆粒與導(dǎo)葉碰撞后反彈速度較大，反射角度較大，迅速離開導(dǎo)葉壓力面表面，運動趨向?qū)~背面，且容易與導(dǎo)葉背面發(fā)生二次碰撞，碰撞位置靠近導(dǎo)葉出口；小速度時，顆粒與導(dǎo)葉碰撞后反彈速度較小，顆粒仍有貼著導(dǎo)葉壓力面表面繼續(xù)運動的趨勢。

4)不同入射角度對顆粒過泵特性的影響：顆粒入射角小于等于導(dǎo)葉進口角時，顆粒不與導(dǎo)葉進口處發(fā)生碰撞，直接進入導(dǎo)葉，運動軌跡相對更平滑；顆粒入射角大于導(dǎo)葉進口角時，顆粒在進口處與導(dǎo)葉背面進口處發(fā)生碰撞，尤其在入口速度較小時，碰撞顆粒速度較小，受水流紊動影響，顆粒在導(dǎo)葉壓力面進口處發(fā)生二次碰撞，有時顆粒出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此時更容易出現(xiàn)顆粒的聚集，導(dǎo)致顆粒的堵泵。

2.2顆粒過導(dǎo)葉時間特性

在不同粒徑的顆粒由導(dǎo)葉入口到出口所需時間的統(tǒng)計采用圖中，橫坐標(biāo)代表顆粒通過導(dǎo)葉所需時間，縱坐標(biāo)代表相應(yīng)過導(dǎo)葉時間顆粒數(shù)量百分比。水流速度和顆粒粒徑均對顆粒過泵時間有影響。

1)水流流速對顆粒過泵時間的影響：水流速度越大，則顆粒速度越大，過泵時間越短。一方面由于速度越大，顆粒流過相同距離所需時間越短，另一方面，速度越大，顆粒軌跡相對穩(wěn)定，不易受水流紊動影響，實際運動軌跡長度較短；顆粒速度越小時，受水流紊動影響程度越大，實際軌跡長度相對較大，過泵時間有所增加。通過計算標(biāo)準(zhǔn)差可知，隨著顆粒速度減小，顆粒通過導(dǎo)葉時間離散度相對增大，主要由于顆粒速度越小，顆粒受水流紊動影響越大，不確定性越大。

2)顆粒粒徑對顆粒過泵時間的影響：相同流速下，粒徑越小，顆粒過導(dǎo)葉時間越小。主要是由于顆粒粒徑越大，所受重力越大，水流擾流阻力托舉顆粒越困難，相應(yīng)顆粒過泵時間越長。同時顆粒粒徑越大，顆粒通過導(dǎo)葉速度越小，更易受紊動，顆粒過導(dǎo)葉時間離散度越大。

圖6 不同流速條件下2.5 mm顆粒通過導(dǎo)葉的時間Fig.6 The period of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=2.5 mm)

圖7 不同流速條件下3.5 mm顆粒通過導(dǎo)葉的時間Fig.7 The period of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=3.5 mm)

圖8 不同流速條件下4.5 mm顆粒通過導(dǎo)葉的時間Fig.8 The period of particles flowing through the guide vane at different flow velocities (d=4.5 mm)

2.3顆粒與導(dǎo)葉碰撞次數(shù)和碰撞位置特性

每種粒徑顆粒隨機選取120個，對顆粒通過導(dǎo)葉時與導(dǎo)葉邊壁發(fā)生碰撞的次數(shù)進行統(tǒng)計(圖9)。由于顆粒在導(dǎo)葉流道內(nèi)運動受影響因素很多，碰撞次數(shù)分布沒有明顯的規(guī)律，碰撞次數(shù)頻數(shù)最大為3，主要在導(dǎo)葉背面入口處、導(dǎo)葉壓力面中部和導(dǎo)葉背面出口處。碰撞次數(shù)越多，可能會使導(dǎo)葉磨損越嚴(yán)重。

圖9 不同粒徑顆粒碰撞次數(shù)統(tǒng)計Fig.9 Statistics of particle collisions with different particle sizes

顆粒與導(dǎo)葉背面入口碰撞主要受顆粒近導(dǎo)葉流道的入射角度影響。顆粒入射角度小于等于導(dǎo)葉進口角時，顆粒不與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞，直接進入導(dǎo)葉流道；顆粒入射角度大于導(dǎo)葉進口角時，顆粒與導(dǎo)葉背面在入口處發(fā)生碰撞。碰撞之后顆粒速度減小，顆粒在導(dǎo)葉入口處容易發(fā)生聚集導(dǎo)致堵泵。

顆粒與導(dǎo)葉壓力面中部碰撞主要受導(dǎo)葉曲面形狀、顆粒入射角度、顆粒入射速度影響。導(dǎo)葉曲面形狀過渡越光滑，顆粒越不易與導(dǎo)葉壓力面中部發(fā)生碰撞，導(dǎo)葉曲面形狀過渡越急劇，顆粒易與導(dǎo)葉壓力面中部發(fā)生碰撞。顆粒入射角度越小，入射速度越大，顆粒慣性越大，水流改變顆粒速度越困難，顆粒易與導(dǎo)葉壓力面中部發(fā)生碰撞；相反顆粒入射角度大，入射速度小，顆粒不易與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞。

顆粒與導(dǎo)葉背面出口碰撞主要受顆粒粒徑、顆粒碰撞速度影響。顆粒速度越大，顆粒易與導(dǎo)葉壓力面中部發(fā)生碰撞，碰撞后速度更大，顆粒區(qū)域?qū)~背面運動，可能與導(dǎo)葉背面在出口處發(fā)生碰撞；相反當(dāng)顆粒速度較小時，顆粒易于貼著導(dǎo)葉壓力面向上運動。

3 結(jié) 語

針對揚礦泵輸送顆粒時容易在導(dǎo)葉區(qū)域發(fā)生堵塞的情況，利用揚礦泵流道模型開展了實驗研究，采用高速攝像技術(shù)拍攝分析顆粒過導(dǎo)葉區(qū)域的運動特性，主要研究結(jié)論如下：

1)顆粒過導(dǎo)葉的運動軌跡與水流趨勢基本一致。顆粒粒徑越小，顆粒軌跡與水流越接近，過泵通暢性越好；顆粒過泵速度越大，顆粒越易與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞，對導(dǎo)葉的磨損越嚴(yán)重。

2)顆粒粒徑越小，水流速度越大，顆粒過導(dǎo)葉時間越短，不同顆粒過導(dǎo)葉時間離散度越小。反映小粒徑顆粒相對于大粒徑顆粒過泵通暢性更好，揚礦泵運行時較穩(wěn)定，發(fā)生堵泵概率更小。

3)顆粒通過導(dǎo)葉區(qū)域時，與導(dǎo)葉發(fā)生碰撞次數(shù)大多在2～3次，主要集中于導(dǎo)葉背面入口處、導(dǎo)葉壓力面中部和導(dǎo)葉背面出口處。碰撞幾率越大，導(dǎo)葉磨損越嚴(yán)重。

[1] 鄒偉生,黃家楨.大洋錳結(jié)核深海開采揚礦技術(shù)[J].礦冶工程,2006,26(3):1-5.(ZOU Weisheng,HUANG Jiazhen.Lifting technology for mining deep-sea manganese nodule [J].Mining and Metallurgical Engineering,2006,26(3):1-5.(in Chinese))

[2] 肖業(yè)祥,楊凌波,曹蕾,等.海洋礦產(chǎn)資源分布及深海揚礦研究進展[J].排灌機械工程學(xué)報,2014,32(4):319-326.(XIAO Yexiang,YANG Linbo,CAO Lei,et al.Development distribution of marine mineral resource and deep-sea lifting pumo techlogy[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2014,32(4):319-326.(in Chinese))

[3] 丁六懷,高宇清,簡曲,等.中國大洋多金屬結(jié)核集礦技術(shù)研究綜述[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2003,23(4):5-7.(DING Liuhuai,GAO Yuqing,JIAN Qu,et al.The reciew of development of ocean polymetallic nodule collecting technique in China[J].Mining Research and Development,2003,23(4):5-7.(in Chinese))

[4] JOHOL Shaw.Nodule mining——three miles deep![J].Marine Georesources and Geotechnology,1993,11:181-197．

[5] HANS Amann.The red sea pilot project:Lessons for future ocean mining[J].Marine Mining,1989(8):1-22．

[6] 彭維明.顆粒在泵葉輪中的運動軌跡計算[J].排灌機械,1994,(4):3-9+65.(PENG Weiming.On trajectory for a particle moving in pumps[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,1994,(4):3-9+65.(in Chinese))

[7] 許洪元,高志強,吳玉林.離心泵葉輪中固體顆粒運動軌跡計算[J].工程熱物理學(xué)報,1993,14(4):381-385.(XU Hongyuan,GAO Zhiqiang,WU Yulin.Calculation of solid particle motion in impeller of centrifugal pump[J].Journal of Engineering Thermophysics,1993,14(4):381-385.(in Chinese))

[8] 朱金曦,趙敬亭.葉輪內(nèi)固體顆粒運動軌跡的分析計算[J].水泵技術(shù),1989,(3):14-20.(ZHU Jinxi,ZHAO Jinting.Calculation of solid particle motion in impeller[J].Pump Technology,1989,(3):14-20.(in Chinese))

[9] 吳玉林,許洪元,高志強.雜質(zhì)泵葉輪中固體顆粒運動規(guī)律的實驗[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1992,32(5):52-59.(WU Yulin,GAO Zhiqiang,XU Hongyuan.Experimental study on motion of solid particles in slurry pump impellers[J].Journal of Tsinghua University,1992,32(5):52-59.(in Chinese))

[10] 許洪元,吳玉林,高志強,等.稀相固粒在離心泵輪中的運動實驗研究和數(shù)值分析[J].水利學(xué)報,1997,(9):13-19.(XU Hongyuan,GAO Zhiqiang,WU Yulin,et al.Experimental study and numerical analysis of the motion of dilute soild particles in centrifugal pump impllers[J].Journal of Hydraulic Engineering,1997,(9):13-19.(in Chinese))

[11] 許洪元,盧達熔,焦傳國,等.離心泵流道中固體顆粒速度場的粒子成像測速(PIV)分析與研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1998,14(3):117-121.(XU Hongyuan,LU Darong,JIAO Chuanguo,et al.Particle image displacement velocity (PIV) and velocity field of solid particles in centrifugal pump[J].Transactions of the Chinese Society of Agriculture Engineer,1998,14(3):117-121.(in Chinese))

[12] 劉娟,許洪元,唐澍,等.離心泵內(nèi)固體顆粒運動規(guī)律與磨損的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(6):54-59.(LIU Juan,XU Hongyuan,TANG Xie,et al.Numerical simulation of erosion and particle motion trajectory in centrifugal pump[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(6):54-59.(in Chinese))

[13] 王洋,徐小敏,張翔.離心泵內(nèi)低濃度固體顆粒運動的數(shù)值模擬[J].流體機械,2009,37 (2):24-27.(WANG Yang,XU Xiaomin,ZHANG Xiang.Numerical simulation for the motion of dilute solid particles in centrifugal pump[J].Fluid Machinery,2009,37(2):24-27.(in Chinese))

[14] 張恒,陰艷超.渣漿泵葉輪湍流場模擬及顆粒軌跡分析[J].中國機械工程,2014,25(5):642- 646.(ZHANG Heng,YIN Yanchao.Turbulence numerical simulation and particle track analysis in a slurry pump impller[J].China Mechanical Engineering,2014,25(5):642-646.(in Chinese))

[15] 鄒偉生.海洋采礦揚礦參數(shù)與泵的研究[D].北京:北京科技大學(xué),2005.(ZOU Weisheng.The study of lift parameters and pump in ocean mining[D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2005.(in Chinese))

Experimental studies on passing characteristics of coarse particles in lifting pump of deep-sea mining system

CAI Chao,QIU Hao,CAO Bin,XIA Jianxin

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

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.009

1005-9865(2016)02-0064-07

2015-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51179213；51339008；51434002)

蔡 超(1990-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事清潔高效輸送技術(shù)研究。

夏建新。E-mai:jxxia@vip.sina.com