谢秋敏，欧阳洪

（湖南工学院机械工程学院，湖南 衡阳 421002）

可燃冰又称为天然气水合物（Natural Gas Hydrates，简称为NGH），其能量密度高、储量巨大，燃烧后生成物为对环境无污染的水和二氧化碳，在传统能源紧缺、世界各国大力推进新能源建设的情况下具有非常大的应用前景，各国争相开采。

根据国内外研究现状可知，对深海可燃冰进行过探究的开采方法主要有降压法、热激发法、注入化学试剂法、CO2置换法和固态开采法，其中中南大学徐海良教授研究团队在固态开采法研究中得到了一些成果。本文介绍固态开采法。

1 研究方法和研究对象简述

如图1所示，采矿车通过绞吸式采集方法将包含可燃冰的海底沉积物通过软管输送到硬管中，其中动力提供依靠采矿车的辅助泵和硬管下端的主泵，其核心结构为一接近于海深的硬管（4000m），可燃冰分解达到分解器后通过储存容器输送至储运船，矿渣通过尾矿管排入海底，此过程可燃冰的分解可控、不破坏海底底层环境，其核心结构的硬管中可燃冰颗粒——海水两相流体以及可燃冰分解后的可燃冰颗粒——甲烷气体——海水三相流体为此方法主要研究对象。

图1

1.1 模型选择

进行数学建模前进行理想流体假设，即固液或固液气相不可压、均匀，且固气相为颗粒均匀球体，无相与相间热传递。

2 数学模型选择

ANASYS FLUENT是广受欢迎的流体力学模拟仿真软件，通过以质量守恒、动量守恒和能量守恒为依据推导出的数学模型包括零方程模型、单方程模型和双方程模型，双方程模型又有标准k-ε湍流模型、改进的k-ε湍流模型等，固液气三相流增加了 CFD-PBM（PBM：Population Balance Model）的群体平衡模型。而本分析实例采用ANASYS FLUENT提供的标准k-ε模型模拟固液两相流。

2.1 网格模型划分

网格可分为机构化和非结构化网格，对于形状不规则的实体，采用非结构化网格可降低网格划分的工作时间，而对于本实例中的垂直硬管，因结构简单，采用结构化网格，对于计算分析的时间和精度更有利。为了计算的可行性，选取10m长垂直硬管作为研究对象。具体网格划分如图2所示。

3 计算及结果分析

3.1 计算模型选择

图2

在标准k-ε模型中，湍动能k和湍动耗散率ε是两个基本未知量，并假设湍动粘度μi是各向同性的，与之相对应的输运方程为：

式中：Gb为浮力引起的湍动能K的产生项；YM为可压缩湍流中脉动扩张的贡献；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；αk、αε为湍动能K和湍动耗散率ε相对应的 Prantdtl数；Sk、Sε为用户定义的源项；Gk为平均速度梯度引起的湍动能K的产生项，见式（3）：

对于垂直管道固液两相流方向的仿真，因从几何尺寸上可认为是直上直下的流线，旋流情况并不明显，所以可以采用收敛性较好的标准k-ε湍流模型，此模型各经验参数的数值如表1所示。

3.2 计算结果分析

通过计算仿真和后处理，得到速度、各相分布云图等，以可燃冰未分解时固液两相颗粒分布为例，结果显示采矿车铰刀破碎的可燃冰颗粒粒径越小，管道输送过程中提升的颗粒分布更均匀，有利于输送更稳定，也使得提升效率更高。

同理，流速越小（不小于垂直提升和水平提升的最低流速），可燃冰含量越大、浓度越高，采矿效率越高，此理论研究对于实际生产具有指导意义。