1、收稿日期：第一作者简介：徐海良（1965-），男，湖南湘乡人，博士，教授，博士生导师，从事海洋采矿和矿山机械研究。基金项目:博士点基金“海底天然气水合物绞吸式开采水力输送机理研究” （20130162110004）海底天然气水合物绞吸式开采切削头绞吸特性徐海良，陈 旺，吴波，杨放琼 （中南大学 机电工程学院，长沙 410083）摘要：根据切削头的结构和工作原理，建立了切削头绞吸流场模型，运用fluent仿真软件和计算流体力学理论研究了切削头工作过程中的绞吸流场特性，分析了绞吸流场的绞吸规律、速度变化规律和出口固相体积分数变化规律。对影响绞吸能力的主要工作参数（绞吸流量和绞刀转速）进行了详细的仿
2、真分析，得到了各个参数和绞吸能力之间的关系。结果表明：增大绞吸流量有利于提高绞吸能力，当绞吸流量超过2000m3/h时，继续增大绞吸流量并不能有效提高绞吸能力，还会导致管道内固相速度过高，加剧固相颗粒和管道之间的磨损；当绞刀转速低于20r/min时，增大绞刀转速有利于提高绞吸能力；当绞刀转速大于20r/min时，增大绞刀转速将显著降低绞吸能力。关键词：天然气水合物；切削头；固液两相流；绞吸特性；数值模拟The Characteristic of Cutting Head in Marine Gas Hydrate by Cutter Suction ExploitationXU Hailian
3、g, CHEN Wang, WU Bo,YANG Fangqiong(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China. Corresponding author: CHEN Wang,E-mail: )Abstract:The flow filed model of cutter-suction was established according to the structure and working principle of cutting h
4、ead.The characteristic of flow filed was researched by utilizing Computational fluid dynamics theory and Fluent simulation software.The law of flow field and velocity field and The change law of solid volume fraction of outlet was analysed. The main working parameters(speed of cutter and velocity of
5、 sucker mouth) which effected cutter-suction capacity was simulated in detail. The relationship between the parameters and the cutter-suction capacity was obtained. Increasing the cutter-suction flow is beneficial to the improvement of the cutter-suction capacity,when the cutter-suction flow over 20
6、00m3/h,continue to increase the cutter-suction flow leads to high velocity of solid phase in the pipeline,and increase wear between solid particles and pipes;When the speed of cutter below 20r/min,increasing the speed of cutter is beneficial to the improvement of the cutter-suction capacity; When th
7、e speed of cutter over 20r/min, continue to increase speed of cutter will reduce the cutter-suction capacity significantly.Key words：Marine gas hydrate；cutting head；solid liquid two phase flow；cutter-suction characteristic; numerical simulatio中图分类号：TH231 文献标志码：A 文章编号：引言海底天然气水合物因其储量巨大、燃烧清洁等特点受到各国科研人员
8、的重视，被认为是21世纪最具潜力的清洁能源 1。虽然世界上许多国家都对海底天然气水合物进行了研究，但仍然没有一套真正意义上完整的天然气水合物开采理论。目前提出的海底天然气水合物的开采方法都存在一定缺陷，如：降压法周期过长且不易控制，热激法能量效率低，化学试剂法成本昂贵且污染环境,CO 2置换法过程复杂难以控制。针对这些问题，提出了一种新型海底天然气水合物开采方法绞吸式开采 2，其原理如图1所示：海底天然气水合物在切削头的切削作用下破碎，同时，破碎后的天然气水合物颗粒在泥浆泵的作用下吸入管道，进入软管，再经过提升泵加压，从硬管直接输送至海面分解池分解，最终收集到分解后的天然气。本系统借鉴了深海采
9、矿的水力提升方法，参考了绞吸式挖泥船挖掘污泥、砂石的原理。切削头的绞吸能力不仅关系到破碎后的天然气水合物颗粒能否高效的被吸入管道，还影响整个系统的工作能力。图1 绞吸式开采系统原理图Figure 1 Principle diagram of cutter-suction mining system 河海大学的方园 3对绞吸式挖泥船的绞刀二维清水流场进行研究，得到了绞刀在清水中的二维流场规律；中南大学的胡旺 4对海底多金属硫化物集矿装置抽吸过程进行了固液两相流数二维值模拟，得到了不同集矿罩外形和抽吸水流速度对集矿效率的影响；本文运用固液两相流体力学，结合流体力学仿真软件fluent对切削头绞吸流
10、场固液两相流 5-9进行三维仿真模拟，研究此过程中固液两相的特性，分析绞吸流量及绞刀转速对绞吸能力的影响。1数学模型1.1基本假设切削头的绞吸流场比较复杂，若要对其进行分析，需做如下假设：1）天然气水合物颗粒为均匀的球形颗粒，不考虑相变，流场中不存在温差，无热量交换。2）固液两相均为连续的、不可压缩的流体，物理特性为常数。主相为海水，次相为天然气水合物固体颗粒。3）可将连续的绞吸过程离散为有限个部分，对于每一部分不考虑切削头的平动。1.2控制方程针对切削头的绞吸流场建立数学模型，其控制方程主要包括连续性方程和动量方程 10-11.连续性方程： mm0tv动量方程： mmmptvvgFT其中：
11、m气固两相混合密度，kg/m 3 vm气固两相平均混合速度矢量，m/s g重力加速度矢量，m/s 2 F体积力矢量，N/m 3 m气固两相混合黏度，Pas； T温度，K；1.3湍流模型由于天然气水合物绞吸过程属于典型的泥浆流问题，固液两相之间存在强烈的相互作用，且固液两相具有不同的速度，因此，本文采用欧拉模型 12-14进行计算。 RNG - 湍流模型通过对湍动粘度的修正，考虑到了涡旋流动和分离流动，更适合绞吸流场的模拟计算，其输运方程为： ebe21jkj jjjj jjkkutddGtC其中 et 流体密度，kg/m 3； k湍流动能，m 2/s2； 湍流耗散率，m 2/s3； dj第 j
12、个方向的位移，m； uj第 j个方向流体速度，m/s； e流体有效黏度，Pas； Gb浮力产生的湍流动能，kg/（ms 3）； Gk层流速度梯度产生的湍流动能，kg/（ms 3）； j第1，2，3个方向（即 x， y， z方向）的方程； k， 湍流普朗特常数； C1， C2经验常数； t时间，s； 流体黏度，Pas； t湍流黏度，Pas；2切削头绞吸流场计算模型2.1绞吸式开采系统参数2.1.1固体颗粒在海水中的沉降速度固体颗粒的沉降速度直接决定了水力提升系统的水流速度，固体颗粒在海水中的沉降速度可由以下公式计算： 4()3sldgVC式中d为固体颗粒直径，本次研究中颗粒粒径为20mm; s、
13、 l分别为固相，液相的密度，固相主要由天然气水合物和海底沉积物组成，海底沉积物密取1800kg/m3,天然气水合物密度取912 kg/m3，按照天然气水合物含量为30%计算得固相密度为1533 kg/m3；液相是海水，密度为1025 kg/m3；C d为阻力系数，根据雷诺数查的阻力系数为0.44。经计算，得到天然气水合物固体颗粒的沉降速度为0.543m/s。2.1.2绞吸式开采系统流量水力提升系统流量由整个绞吸式开采系统的产量决定，系统流量决定了提升水流速度和管道管径。2015年我国一家小型天然气企业的产气量在0.1到10亿立方米之间，而垂直水力提升管道固相体积浓度一般不超过15%，按照每年工
14、作时间为 80%，以1 亿立方米天然气年产量估算该绞吸系统流量应为1500m 3/h左右。研究表明，水力提升水流速度应为固体颗粒沉降速度的3倍以上，而管道直径为方便制造应为整数。3.1.3绞刀结构绞刀结构复杂，刀齿对流场的影响不大，因此只考虑刀臂对流场的影响，可将绞刀简化，其结构设计参考挖泥船绞刀结构。如图2中所示，1为大环，2为刀臂，总共有6片，3为小环，4为连接轴。图2 绞刀简化模型Figure 2 Simplified model of cutter根据系统流量、天然气水合物产量，借鉴绞吸式挖泥船绞刀结构，绞刀大环为管道直径2倍，可得绞刀主要尺寸如表1所示：表1 绞刀主要尺寸Table
15、1. Main dimensions of cutter绞刀大环外径 900mm绞刀大环内径 700mm绞刀小环外径 300mm连接轴直径 100mm绞刀长度 600mm吸口直径 250mm2.1.4网格划分采用fluent 对绞吸过程进行仿真计算时需对计算域进行处理，由于没有固体作为计算边界，因此需要人为划分计算区域，选取绞刀平均直径2.5倍的圆形和地面形成的区域作为计算域，图3为简化后计算模型的截面简图，图中红色箭头为液相入口，绿色箭头为固相入口， 1为吸口，固体颗粒从这吸入管道，4为人为划分的边界线，网格划分时使用gambit，采用适应性强的四面体网格，运用滑移网格模拟绞刀转动，计算域分
16、为两部分，动区域2和静区域3，动区域包含绞刀。图3 计算模型简化后示意图Figure. 3 Schematic diagram of simplified calculation model2.1.5边界条件入口采用速度入口，根据绞吸流量和入口面积可算出入口平均速度，液相入口面积为5.27m 2,固相入口面积为 0.15m2，通过控制入口固液两相的速度可以调节入口固相体积分数；出口采用自由出流；壁面为无滑移壁面。3数值模拟结果及分析采用fluent软件对绞吸过程进行仿真，采矿过程是连续的，绞刀不仅有转动还有平动，由于平动速度比较小，可将连续的采矿过程离散，不考虑其平动。而fluent只能模拟集
17、矿过程，对于采矿过程无法模拟，因此根据切削工作原理，假定绞刀正刀切削，固相入口有一定速度的颗粒进入，研究在不同绞吸流量和绞刀转速条件下，固相颗粒被吸入管道的效率。通过观察出口处天然气水合物颗粒的浓度及分布来分析不同绞吸流量和绞刀转速对绞吸特性的影响。3.1 绞吸流场特性图4为出口固相体积分数随时间变化曲线图，从图中可以看出，在0到0.25s出口固相体积分数基本保持在0.025左右，0.25s之后，出口固相体积分数迅速增加，在0.8s达到最大值0.177，随着时间的增加，出口固相体积分数随时间慢慢减小，最后计算收敛时出口固相体积分数一个范围内平稳波动，通过计算一个波峰到波谷的平均值来衡量出口固相
18、的体积分数。图4 出口固相体积分数曲线Figure. 4 the volume fraction of solid phase in outlet图5为y=0固相体积分数云图，从图中可以看出：破碎后的固体颗粒一部分被吸入管道，一部分沉积在地面；绞刀刀臂的转动对固体颗粒进入管道有一定的促进作用，但是绞刀刀臂会阻碍其下方的固体颗粒进入管道，同时又部分固体颗粒会随绞刀刀臂转动，最终造成资源的浪费。图5 y=0截面固相体积分数云图Figure. 5 The cloud image of solid phase in cross section 图6为出口固相体积分数云图，从图中可以看出：固体颗粒大部分
19、分布在出口右下方，顺着绞刀转动方向，出口下部会出现固相集中现象，这会加大吸口右下部的磨损。图6 出口固相体积分数云图Figure. 6 The cloud image of solid phase in outlet3.2 绞吸流量对绞吸能力的影响绞吸流量是整个水力提升系统的核心，若是绞吸流量过大，会导致耗费大量的资源用于提升固液混合浆体，而产量却得不到有效的提高；过小的绞吸流量又会导致浆体的提升速度过小，降低产量。因此，要研究绞吸流量和绞吸能力之间的关系，表2为入口固相体积浓度为15%的8种不同工况，系统流速1.63、2.17、2.71、3.26分别为3到6倍自由沉降速度，管径的选择为了保证
20、流量在1500m 3/h左右,同时为了方便加工制造选择400mm、500mm，通过仿真实验研究这八种工况下的绞吸能力。表2 不同工况下的各个参数的值Table 2 Values of each parameter in different conditions工况 1 2 3 4 5 6 7 8管径（mm）400 400 400 400 500 500 500 500管道流速（m/s）1.63 2.17 2.71 3.26 1.63 2.17 2.71 3.26绞吸流量（m3/h）738 983 1228 1476 1152 1534 1915 2304入口液相速度(m/s)0.0330 0.
21、0440 0.0550 0.0661 0.0516 0.0687 0.0858 0.1032入口固相速度（m/s ）0.2050 0.2731 0.3411 0.4100 0.3200 0.4261 0.5319 0.6400图7为不同绞吸流量下出口固相体积分数，从图中可以看出:随着绞吸流量从738m 3/h增加到2304m 3/h，出口固相体积分数从0.043增加到了0.139；当绞吸流量超过2000m 3/h时，随着绞吸流量的继续增加，出口固相体积分数增加并不明显，说明此时继续增大绞吸流量并不能有效的提升绞吸能力。图7 不同流量条件下出口固相平均体积分数Figure. 7 Average
22、volume fraction of solid phase at different flow 图8为出口固液两相最大速度与平均速度与流量的关系，从图中可以看出：随着绞吸流量的增加，固液两相的平均速度与最大速度相应增加，而且固液两相速度的增长比例相近，说明绞吸流量的增加对固液两相速度的增加效果相近。图8 不同流量下出口固液两相最大速度和平均速度Figure. 8 Maximum velocity and average velocity of solid liquid two phase at different flow 当绞吸流量超过2000m 3/h时，随着绞吸流量的继续增加，出口固相
23、体积分数增加并不明显，说明此时的绞吸能力接近最大值，继续增大流量可以增加系统的产量，但是也要求绞刀进给量加大，过大的进给速度不仅会使绞刀寿命显著降低，还会使绞刀的横移速度加大，影响绞吸能力；同时绞吸流量的增加要求系统流速和管径都要增加，系统流速的增加会导致固体颗粒的速度增加，会加剧和管道以及矿浆泵之间的磨损，而管径的增加会加大系统的负载。3.3绞刀转速对绞吸能力的影响图9为不同绞刀转速下，出口固相体积分数，从图中可以看出：绞刀转速在10r/min到 20r/min时，出口固相最大体积分数从0.113增加到了0.136，当绞刀转速从20r/min增加到35r/min时，出口固相最大体积分数从0.
24、136下降到0.059。说明适当的增加绞刀转速有利于提高切削头的绞吸能力，但过大的绞刀转速会显著的降低切削头的绞吸能力。图9 不同绞刀转速下出口固相最大体积分数Figure 9 Maximum volume fraction of solid phase in outlet at different cutter speed图10为不同绞刀转速下，z=0.2m截面上固相体积分数云图，图a为绞刀转速为15r/min，图 b绞刀转速为30r/min，从图中可以看出，绞刀转速为15r/min时，固相颗粒先沉积在地面，然后在被吸入管道；当绞刀转速为30r/min时，绞刀刀臂对固相颗粒的影响十分显著，颗
25、粒随绞刀刀臂转动，导致此时出口固相浓度显著降低。图10不同绞刀转速下z=0.2m截面上固相体积分数云图Figure. 10 The cloud image of solid phase in cross section at different cutter speed4、结论（1）增大绞吸流量有利于提高绞吸能力，当绞吸流量超过2000m 3/h时，继续增大绞吸流量并不能有效提高绞吸能力。同时还会造成绞吸流量过大，导致管道内固相速度过高，加剧固相颗粒和管道、矿浆泵之间的磨损。（2）绞刀转速低于20r/min时，增大绞刀转速有利于提高绞吸能力；当绞刀转速大于20r/min时，增大绞刀转速将显著降
26、低绞吸能力。过大的绞刀转速会加大固体颗粒在绞刀刀臂的作用下受到的离心力，因此，绞刀转速最好保持在20r/min左右。参考文献：1 戴金星 , 夏新宇 , 卫延召. 中国天然气资源及前景分析J.石油与天然气地质, 2001, 22(1).2 徐海良 , 林良程 , 吴万荣,等. 海底天然气水合物绞吸式开采方法研究J. 中山大学学报:自然科学版, 2011, 50(3):48-52.3 方园 , 倪福生 . 挖泥船绞刀二维清水流场数值模拟J. 中国港湾建设, 2011(2):4-7.4 胡旺 . 深海多金属硫化物颗粒集矿抽吸过程固液两相流数值模拟D. 中南大学, 2014.5 Nirmala G
27、S, Muruganandam L. An Experimental Study of Liquid-Solid Flow in a Circulating Fluidized Bed of Varying Liquid ViscosityJ. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2015, 8(1):95-101.6 Wang K, Pan H, Liu Z. Numerical Simulation on Dense Phase Pneumatic Conveying Diversion Characteristics in Branch Pipelin
28、eJ. Journal of University of Jinan, 2013. 7 Hosoda K, Ishii K, Isoyama T, et al. Computational fluid dynamics analysis of the pump parameters in the helical flow pumpJ. Human Reproduction, 2014, 8(9):1502-5.8 Jeong W, Seong J. Comparison of effects on technical variances of computational fluid dynam
29、ics (CFD) software based on finite element and finite volume methodsJ. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, 78(1):19-26.9 Li Li, XU Hai-liang, Yang Fang-qiong. Three-phase flow of submarine gas hydrate pipe transportJ. Journal of Central South University, 2015,22(09):3650-3656.10 Zeng
30、， Yicong; Xu， Hailiang; Wu， Wanrong; Wu， Bo. Research on mining method of submarine natural gas hydrates based on a double-channel lift pump. Advanced Materials Research， 2012，569:509-516.11 Jang C L, Shimizu Y, Lee G H. Numerical simulation of the fluvial processes in the channels by sediment minin
31、gJ. Ksce Journal of Civil Engineering, 2014, 19(3):771-778.12 Padsalgikar, Ashwin. Particle transport in stratified gas-liquid-solid flowJ. Dissertations & Theses - Gradworks, 2015.13 Peng W, Cao X. Numerical prediction of solid particle erosion in pipe bends with liquidsolid flowJ. Powder Technology, 2016, 294:266-279.14 Pan H, Chen X Z, Liang X F, et al. CFD simulations of gasliquidsolid flow in fluidized bed reactors A reviewJ. Powder Technology, 2016.
