海底天然氣水合物絞吸式開采管道水力輸送規(guī)律研究

【摘要】：摘要：天然氣水合物是具有巨大研究效益的新型清潔能源。針對目前對水合物絞吸式開采研究很少而對垂直硬管的水力提升研究尚未開始,本文以海底天然氣水合物絞吸式開采系統(tǒng)中最重要部件之一的4000m垂直管道為研究對象,采用理論建模與計算流體力學(xué)仿真相結(jié)合的方法研究了結(jié)構(gòu)、流場和礦物固有參數(shù)對管內(nèi)流態(tài)及系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的影響。本文主要研究的內(nèi)容和結(jié)論如下： 首先介紹了海底天然氣水合物絞吸式開采系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理,分析4000m垂直管道涉及的結(jié)構(gòu)、流場和礦物固有參數(shù)以及系統(tǒng)揚(yáng)程和功率。 然后用FLUENT軟件中相應(yīng)的計算流體力學(xué)湍流模型對管內(nèi)固液兩相流進(jìn)行流場仿真分析,得到了管徑與流量、漿體流速、礦物密度、顆粒粒徑和體積濃度對流場和壓力損失的影響規(guī)律,并以能耗最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析,繼而分析了各參數(shù)對能耗的敏感度；通過管道中壓力分布建立了天然氣水合物分解有關(guān)參數(shù)與海深的函數(shù)關(guān)系,得到了結(jié)構(gòu)、流場與礦物固有參數(shù)對天然氣水合物分解臨界面和分解有關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律,用FLUENT軟件以天然氣水合物分解有關(guān)參數(shù)為氣相邊界條件對管內(nèi)固液氣三相流進(jìn)行仿真分析,得到各相分布和速度的分布,并分析了氣相的產(chǎn)生對揚(yáng)程和功率的影響。 最后,通過垂直管道的顆粒沉降速度實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證最小提升速度選取的可行性與正確性。 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物 垂直管道 水力提升 流場參數(shù)
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P742;P744.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 目錄6-8
• 1 緒論8-18
• 1.1 課題來源8
• 1.2 研究意義8-12
• 1.2.1 天然氣水合物簡介8-10
• 1.2.2 海底天然氣水合物固態(tài)開采方法介紹10-12
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3.1 固液兩相流的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3.2 天然氣水合物的水力輸送14-15
• 1.3.3 三相流的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3.4 流場計算機(jī)仿真的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16
• 1.4 本文主要研究的問題16-18
• 2 水力輸送模型的建立18-33
• 2.1 水力輸送參數(shù)分析18-25
• 2.1.1 垂直提升管道中的壓力分布18-21
• 2.1.2 垂直提升硬管的水力輸送參數(shù)21-22
• 2.1.3 揚(yáng)程和功率22-25
• 2.2 垂直硬管內(nèi)流場的數(shù)學(xué)模型25-31
• 2.2.1 流體模型介紹25
• 2.2.2 控制方程25-27
• 2.2.3 湍流模型數(shù)值解法27-31
• 2.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件與收斂性判定31-32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 3 固液兩相流數(shù)值計算結(jié)果及優(yōu)化33-42
• 3.1 計算結(jié)果及分析33-34
• 3.1.1 垂直管道中顆粒的分布33-34
• 3.1.2 垂直管道中漿體流速分布34
• 3.1.3 壓力分布34
• 3.2 關(guān)于壓力損失和能耗的優(yōu)化研究34-41
• 3.2.1 壓力損失34-36
• 3.2.2 能耗的遺傳算法優(yōu)化36-39
• 3.2.3 能耗影響參數(shù)的敏感度分析39-41
• 3.3 本章小結(jié)41-42
• 4 固液氣三相流分析42-68
• 4.1 水合物分解的數(shù)學(xué)模型42-50
• 4.1.1 分解臨界面的確定方法42
• 4.1.2 分解過程參數(shù)計算42-45
• 4.1.3 計算結(jié)果和分析45-50
• 4.2 固液氣三相流的數(shù)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 氣相產(chǎn)生對系統(tǒng)的影響62-66
• 4.3.1 對揚(yáng)程的影響62-63
• 4.3.2 增加的排距63-64
• 4.3.3 修正分解臨界面及揚(yáng)程64-66
• 4.4 本章小結(jié)66-68
• 5 實(shí)驗(yàn)研究68-76
• 5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計68-69
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>68
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)原理68-69
• 5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟69-73
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)材料69-70
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器70-72
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟72-73
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析73-75
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理73-74
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比74-75
• 5.4 本章小結(jié)75-76
• 6 全文總結(jié)與展望76-78
• 6.1 全文總結(jié)76-77
• 6.2 展望77-78
• 參考文獻(xiàn)78-83
• 攻讀學(xué)位期間主要的成果83-84
• 致謝84

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