有限元模型在深?？扇急艿垒斔椭械倪\用研究

謝秋敏，歐陽洪

（湖南工學院機械工程學院，湖南 衡陽 421002）

可燃冰又稱為天然氣水合物（Natural Gas Hydrates，簡稱為NGH），其能量密度高、儲量巨大，燃燒后生成物為對環(huán)境無污染的水和二氧化碳，在傳統(tǒng)能源緊缺、世界各國大力推進新能源建設(shè)的情況下具有非常大的應(yīng)用前景，各國爭相開采。

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，對深?？扇急M行過探究的開采方法主要有降壓法、熱激發(fā)法、注入化學試劑法、CO2置換法和固態(tài)開采法，其中中南大學徐海良教授研究團隊在固態(tài)開采法研究中得到了一些成果。本文介紹固態(tài)開采法。

1 研究方法和研究對象簡述

如圖1所示，采礦車通過絞吸式采集方法將包含可燃冰的海底沉積物通過軟管輸送到硬管中，其中動力提供依靠采礦車的輔助泵和硬管下端的主泵，其核心結(jié)構(gòu)為一接近于海深的硬管（4000m），可燃冰分解達到分解器后通過儲存容器輸送至儲運船，礦渣通過尾礦管排入海底，此過程可燃冰的分解可控、不破壞海底底層環(huán)境，其核心結(jié)構(gòu)的硬管中可燃冰顆粒——海水兩相流體以及可燃冰分解后的可燃冰顆?！淄闅怏w——海水三相流體為此方法主要研究對象。

圖1

1.1 模型選擇

進行數(shù)學建模前進行理想流體假設(shè)，即固液或固液氣相不可壓、均勻，且固氣相為顆粒均勻球體，無相與相間熱傳遞。

2 數(shù)學模型選擇

ANASYS FLUENT是廣受歡迎的流體力學模擬仿真軟件，通過以質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒為依據(jù)推導(dǎo)出的數(shù)學模型包括零方程模型、單方程模型和雙方程模型，雙方程模型又有標準k-ε湍流模型、改進的k-ε湍流模型等，固液氣三相流增加了 CFD-PBM（PBM：Population Balance Model）的群體平衡模型。而本分析實例采用ANASYS FLUENT提供的標準k-ε模型模擬固液兩相流。

2.1 網(wǎng)格模型劃分

網(wǎng)格可分為機構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于形狀不規(guī)則的實體，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可降低網(wǎng)格劃分的工作時間，而對于本實例中的垂直硬管，因結(jié)構(gòu)簡單，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對于計算分析的時間和精度更有利。為了計算的可行性，選取10m長垂直硬管作為研究對象。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3 計算及結(jié)果分析

3.1 計算模型選擇

圖2

在標準k-ε模型中，湍動能k和湍動耗散率ε是兩個基本未知量，并假設(shè)湍動粘度μi是各向同性的，與之相對應(yīng)的輸運方程為：

式中：Gb為浮力引起的湍動能K的產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；αk、αε為湍動能K和湍動耗散率ε相對應(yīng)的 Prantdtl數(shù)；Sk、Sε為用戶定義的源項；Gk為平均速度梯度引起的湍動能K的產(chǎn)生項，見式（3）：

對于垂直管道固液兩相流方向的仿真，因從幾何尺寸上可認為是直上直下的流線，旋流情況并不明顯，所以可以采用收斂性較好的標準k-ε湍流模型，此模型各經(jīng)驗參數(shù)的數(shù)值如表1所示。

3.2 計算結(jié)果分析

通過計算仿真和后處理，得到速度、各相分布云圖等，以可燃冰未分解時固液兩相顆粒分布為例，結(jié)果顯示采礦車鉸刀破碎的可燃冰顆粒粒徑越小，管道輸送過程中提升的顆粒分布更均勻，有利于輸送更穩(wěn)定，也使得提升效率更高。

同理，流速越?。ú恍∮诖怪碧嵘退教嵘淖畹土魉伲?，可燃冰含量越大、濃度越高，采礦效率越高，此理論研究對于實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。