海底天然气水合物绞吸式开采管道水力输送规律研究

【摘要】：摘要：天然气水合物是具有巨大研究效益的新型清洁能源。针对目前对水合物绞吸式开采研究很少而对垂直硬管的水力提升研究尚未开始,本文以海底天然气水合物绞吸式开采系统中最重要部件之一的4000m垂直管道为研究对象,采用理论建模与计算流体力学仿真相结合的方法研究了结构、流场和矿物固有参数对管内流态及系统设计参数的影响。本文主要研究的内容和结论如下： 首先介绍了海底天然气水合物绞吸式开采系统的总体结构和工作原理,分析4000m垂直管道涉及的结构、流场和矿物固有参数以及系统扬程和功率。 然后用FLUENT软件中相应的计算流体力学湍流模型对管内固液两相流进行流场仿真分析,得到了管径与流量、浆体流速、矿物密度、颗粒粒径和体积浓度对流场和压力损失的影响规律,并以能耗最小为目标进行优化分析,继而分析了各参数对能耗的敏感度；通过管道中压力分布建立了天然气水合物分解有关参数与海深的函数关系,得到了结构、流场与矿物固有参数对天然气水合物分解临界面和分解有关参数的影响规律,用FLUENT软件以天然气水合物分解有关参数为气相边界条件对管内固液气三相流进行仿真分析,得到各相分布和速度的分布,并分析了气相的产生对扬程和功率的影响。 最后,通过垂直管道的颗粒沉降速度实验,验证最小提升速度选取的可行性与正确性。 【关键词】：天然气水合物 垂直管道 水力提升 流场参数
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P742;P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 目录6-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题来源8
• 1.2 研究意义8-12
• 1.2.1 天然气水合物简介8-10
• 1.2.2 海底天然气水合物固态开采方法介绍10-12
• 1.3 国内外研究现状12-16
• 1.3.1 固液两相流的国内外研究现状12-14
• 1.3.2 天然气水合物的水力输送14-15
• 1.3.3 三相流的国内外研究现状15-16
• 1.3.4 流场计算机仿真的国内外研究现状16
• 1.4 本文主要研究的问题16-18
• 2 水力输送模型的建立18-33
• 2.1 水力输送参数分析18-25
• 2.1.1 垂直提升管道中的压力分布18-21
• 2.1.2 垂直提升硬管的水力输送参数21-22
• 2.1.3 扬程和功率22-25
• 2.2 垂直硬管内流场的数学模型25-31
• 2.2.1 流体模型介绍25
• 2.2.2 控制方程25-27
• 2.2.3 湍流模型数值解法27-31
• 2.3 网格划分和边界条件与收敛性判定31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 固液两相流数值计算结果及优化33-42
• 3.1 计算结果及分析33-34
• 3.1.1 垂直管道中颗粒的分布33-34
• 3.1.2 垂直管道中浆体流速分布34
• 3.1.3 压力分布34
• 3.2 关于压力损失和能耗的优化研究34-41
• 3.2.1 压力损失34-36
• 3.2.2 能耗的遗传算法优化36-39
• 3.2.3 能耗影响参数的敏感度分析39-41
• 3.3 本章小结41-42
• 4 固液气三相流分析42-68
• 4.1 水合物分解的数学模型42-50
• 4.1.1 分解临界面的确定方法42
• 4.1.2 分解过程参数计算42-45
• 4.1.3 计算结果和分析45-50
• 4.2 固液气三相流的数值仿真50-62
• 4.2.1 三相流RNG k-ε模型仿真分析50-61
• 4.2.2 三相流CFD-PBM模型仿真分析61-62
• 4.3 气相产生对系统的影响62-66
• 4.3.1 对扬程的影响62-63
• 4.3.2 增加的排距63-64
• 4.3.3 修正分解临界面及扬程64-66
• 4.4 本章小结66-68
• 5 实验研究68-76
• 5.1 实验设计68-69
• 5.1.1 实验目的68
• 5.1.2 实验原理68-69
• 5.2 实验设备和实验步骤69-73
• 5.2.1 实验材料69-70
• 5.2.2 实验设备与仪器70-72
• 5.2.3 实验步骤72-73
• 5.3 实验结果及分析73-75
• 5.3.1 实验数据的处理73-74
• 5.3.2 实验数据与计算结果的对比74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 6 全文总结与展望76-78
• 6.1 全文总结76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-83
• 攻读学位期间主要的成果83-84
• 致谢84

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