周守为院士在国际上首次提出了“海底浅表层水合物藏固态流化开采技术”的新思路,其开采工艺流程中有两个关键环节,一是如何高效经济的实现海底水合物浆体的分离;二是如何更好的输送含有泥沙的混合物,避免输送过程中出现沙堵。海底水合物浆体的水力旋流分离和水合物浆体混合物的管道螺旋输送,都涉及到颗粒在旋流场中的运动,为了提高海底水合物浆体的预分离效率,以及更好的实现输沙圆管的高浓度、低能耗的运输目标,本文对不同密度单颗粒在旋流场中的力学行为进行了理论与实验分析,具体开展了以下研究工作:(1)通过查阅国内外学术期刊、硕博论文、专利及国际前沿信息等获得相关文献资料,综合分析和掌握了旋流场中颗粒的运动规律的研究历史与现状。(2)实验装置校准与旋流场仿真分析。为了降低实验中产生的误差,对实验装置进行全面校准,并利用fluent软件对实验用的水平轴旋流场进行流场仿真分析,确定了该水平轴旋流场在不同转速下的流场速度和压力等参数的变化情况。(3)水平轴旋流场中重质单颗粒的运动实验测试与力学分析。用密度类似于泥沙的重质硼硅球颗粒代替泥沙,分别进行水平轴转鼓中不同粒径硼硅单球颗粒在纯干摩擦条件下运动实验、带水摩擦条件下运动实验以及水平轴转鼓满水条件下硼硅单颗粒运动实验,通过对实验现象的观察和对实验结果的处理,分析了不同状态下颗粒的运动规律和受力状态变化。(4)水平轴强制旋流场中轻质单颗粒的运动实验测试与力学研究。用密度类似于水合物的轻质聚丙烯(PP)球颗粒代替水合物颗粒,进行了 PP球颗粒在水平轴强制旋流场中的运动实验,主要研究了 PP球颗粒在旋流场中所受曳力和升力情况,并用实验数据拟合方法确定了新的曳力计算公式,理论推导了新的升力计算公式。通过以上研究,得到了硼硅单颗粒纯干摩擦时的滚动摩擦系数,掌握了硼硅单颗粒在满水水平轴转鼓中运动时,随着转鼓转速的增加,颗粒运动会先后呈现贴壁静止状态、贴壁振动状态、悬浮状态、颗粒旋转状态和随壁旋转状态,以及不同状态下颗粒的受力情况;得到了硼硅球颗粒在水平轴满水旋流场中的起悬浮转速、起旋转转速和起随壁转速与粒径间基本成正比关系。另外,发现PP单球颗粒在运动稳定时基本处于X轴线附近某点,近似做质心静止的自旋转运动;并得到了不同粒径PP球颗粒在不同颗粒雷诺数范围下的新的曳力系数经验公式,其比现有的曳力系数经验公式精度要高;发现了现有的颗粒升力计算公式用于旋流场时误差很大,为此本文提出并定义了颗粒旋流场升力FSM概念,理论推导了相应的升力系数公式,并利用实验数据拟合得到了旋流场升力系数与颗粒雷诺数的经验关系式。