泥沙管道输送系统是挖泥船能耗最集中的部分,也是目前研究还不够透彻、自动化程度不够高、最具优化控制潜力的部分。已有的浆体管道输送阻力理论和模型因受其所依据的某种单一理论或者其实验数据基础的限制,难以精确预测实际工程中的级配颗粒高浓度输送管道阻力,工业应用中为降低能耗和提高效率而亟需采用的级配颗粒高浓度管道输送技术缺乏有效的理论支撑。本论文基于浆体管道输送理论研究和数值模拟方面的主要研究成果和研究现状,首先分析了现有计算模型的适用性及其解决复杂浆体、高浓度输送等当前疏浚工程问题时存在的局限性,提出了浆体管道输送阻力机理及其特性研究亟需解决的关键科学问题;接着,结合理论分析和数值计算等手段研究不同颗粒级配浆体高浓度管道输送的流动形态变化规律和各流动形态管道阻力的组成部分及产生机理,进一步探索研究了浆体流速、浆体浓度、颗粒级配、颗粒粒径等参数对高浓度浆体管道输送阻力机理和特性影响的规律。构建了考虑颗粒级配、粒径等颗粒特性的高浓度管道输送模型,实验和工程实践证明该模型能够准确计算浆体高浓度管道输送阻力;最后,基于此管道阻力计算模型建立了输送单位体积颗粒物料能量消耗率计算模型,深入探讨了颗粒级配对最小能耗及最佳输送浓度、关键流速等输送参数的影响,拓展了浆体管道输送理论,为疏浚和深海采矿等行业的高效率、低能耗输送提供基础理论和技术支撑。主要研究内容如下:1.基于颗粒动力学理论和欧拉多相流理论,建立了能够准确预测颗粒物料管道输送中的浆体浓度分布和颗粒运动特性的三维数值计算模型。模拟计算了单一粒径浆体在不同输送条件下的颗粒浓度分布、颗粒速度分布等特性。计算结果与实验数据吻合良好。模拟计算表明,由于受到壁面碰撞的作用,在切近管壁的地方,会出现浆体颗粒浓度迅速减小的情况。其中颗粒粒径小于粘性底层厚度的细颗粒由于重力和壁面碰撞的作用使其最大浓度出现在管道底部附近,粘性底层内;而颗粒粒径大于粘性底层厚度的粗颗粒在管道底部由于受到近壁面升力的作用和壁面碰撞的影响,其最大浓度出现在靠近管道底部大约0.1D附近,粘性底层以外。2.基于单一粒径浆体计算模型确定的边界条件,建立级配颗粒物料管道输送三维数值计算模型(管径54.9mm,颗粒为0.44mm与0.125mm等比例混合),探索研究了不同级配特征的高浓度颗粒物料管道输送中不同输送浓度、不同流动条件下颗粒的运动形态、浓度分布、速度分布等输送特性及其随浆体浓度、流动速度等工作参数的变化规律。模拟计算发现,级配浆体中不同粒径颗粒呈现不同的浓度分布和速度分布,各自导致不同的颗粒压力分布及壁面剪切力分布。尤其在低流速低浓度工况下粗细颗粒表现出不同的运动形态,粗颗粒呈现明显的滑移状态而细颗粒为伪均质状态。粗细颗粒之间浓度分布的差异随浆体浓度和流动速度的增大而减小,粗细颗粒之间速度分布的差异随浆体浓度的增大和流动速度的减小而减小。3.模拟仿真和对比分析了单一粒径0.44mm玻璃球、单一粒径0.125mm玻璃球以及粒径0.44mm和0.125mm两种玻璃球体积各占一半的三种颗粒,以不同体积浓度在管径54.9mm中输送的多种工况。观察到级配颗粒中粗细颗粒和同粒径、等浓度单一粒径浆体中颗粒在相同流动条件下的不同运动特性,包括浓度分布、速度分布、颗粒压力、壁面剪切力等;发现了级配颗粒中不同粒径颗粒之间运动特性的影响,级配浆体中细颗粒会在粗颗粒与管壁之间形成润滑层,尤其在低流速阶段,可以改变粗颗粒的运动形态,因此减小它们之间的碰撞能耗。另外,在高流速高浓度工况下,粗颗粒的加入会减弱湍流强度,降低颗粒之间的碰撞和湍流耗散力,有效降低单一细颗粒造成的附加管阻。4.基于不同粒径颗粒在不同流动条件下的运动形态及其对管道阻力的不同影响机理和大小程度,考虑到级配浆体中不同粒径颗粒之间的相互作用,计及级配浆体高浓度输送时细颗粒的减阻作用,构建了一个基于颗粒级配、覆盖全流速范围的多级配浆体管道输送阻力计算模型——SJTU-HMSPD模型。并将模型计算结果与相关实验尤其是对级配浆体管道输送实验数据以及实际疏浚施工工作点数据进行了比较分析,结果显示SJTU-HMSPD模型的计算结果与测量值吻合良好。5.针对颗粒不均匀度1.26~8.00,中值粒径0.58mm~0.70mm,输送浓度10%~50%,管道直径0.203m~0.800m浆体输送系统,基于管道阻力计算模型SJTU-HMSPD建立了输送单位体积颗粒物料能量消耗率计算模型,计算分析了颗粒级配和管道直径对输送单位体积颗粒物料最小能量消耗率的影响,并与实验数据进行了比较,结果显示计算与实验数据吻合良好。计算结果显示窄级配颗粒输送最小能耗发生在颗粒体积浓度30%左右,该结论和已有研究结论完全一致。但是,分析发现在中值粒径相近浆体输送中,级配越宽,最小能耗越小,对应的最佳颗粒体积浓度越大,宽级配泥砂最小能耗对应最佳颗粒体积浓度高达50%以上。