海底天然气水合物绞吸式开采切削头绞吸特性

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 Exploitation

XU Hailiang, CHEN Wang, WU Bo,YANG Fangqiong

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China. Corresponding author: CHEN Wang,E-mail: chenwang941@163.com)

Abstract:The flow filed model of cutter-suction was established according to the structure and working principle of cutting head.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 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 2000m3/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 the 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,CO2置换法过程复杂难以控制。针对这些问题，提出了一种新

收稿日期：

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。

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）

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：??m?t?????mvm??0

动量方程：

??t??mvm??????mvm?vm????p??mg?F ??

???Tm??vm??vm???

其中：ρ3

m——气固两相混合密度，kg/m vm——气固两相平均混合速度矢量，m/s g——重

力加速度矢量，m/s2 F——体积力矢量，N/m3

μm——气固两相混合黏度，Pa·s；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 κ-ε 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：

????k???ku???k???t???d?j????k?e??j?dj?d??j???Gk?Gb???????????

???t??????d???uj??????e??j?dj???dj?????C?21kGk?C2?k其中 ?e????t

ρ——流体密度，kg/m3

；k——湍流动能，m2/s2；ε——湍流耗散率，m2/s3

；dj——第j个方向的位移，m；uj————第j个方向流体速度，m/s；μe——流体有效黏度，Pa·s；Gb——

浮力产生的湍流动能，kg/（m·s3

）；Gk——层

流速度梯度产生的湍流动能，kg/（m·s3

）； j——第1，2，3个方向（即x，y，z方向）的方程；αk，αε——湍流普朗特常数； C1，C2——经验常数；t——时间，s；μ——流体黏度，Pa·s；μt——湍流黏度，Pa·s；

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：

V?4gd(?s??l)3Cd?l 式中d为固体颗粒直径，本次研究中颗粒粒径为20mm;ρs、ρl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；Cd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1500m3/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 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

250mm

2.1.4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 model

2.1.5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5.27m2,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 outlet

3.2 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流量在

1500m3/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 管径（mm） 管道流速（m/s） 绞吸流量（m3/h） 入口液相速度(m/s) 入口固相速度（m/s）

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738m3/h增加到2304m3/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2000m3/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。

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。

1 400

2 400

3 400

4 400

5 500

6 500

7 500

8 500

1.63 738

2.17 983

2.71 1228

3.26 1476

1.63 1152

2.17 1534

2.71 1915

3.26 2304

0.0330 0.0440 0.0550 0.0661 0.0516 0.0687 0.0858 0.1032

0.2050 0.2731 0.3411 0.4100 0.3200 0.4261 0.5319 0.6400

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

图7 不同流量条件下出口固相平均体

积分数 Figure. 7 Average 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

当绞吸流量超过2000m3/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0.136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 speed

4、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2000m3/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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g0xx.html