进入21世纪以来,随着经济的快速发展,人类对自然资源的需求量愈来愈大。目前,陆地矿产资源已无法满足社会发展的需要,各国在资源利用方面都逐步向海洋进军。覆盖地球表面71%的海洋蕴藏丰富的矿藏资源,如多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等,都是人类21世纪的接替资源。因此,加强深海矿产资源的开发,对缓解我国矿产资源的供给压力、增加我国的战略资源保障程度有着极为重大的意义。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法对多级混流扬矿泵内粗颗粒固液两相流进行了研究,分析了不同流量、不同浓度和不同粒径下泵内粗颗粒固液两相流的内流特性、磨损特性以及颗粒运动特性。论文的主要工作和主要结论如下:1、总结了国内外深海采矿技术的发展现状以及固液两相流泵的试验测试及数值计算的研究现状。2、采用速度系数法对扬矿泵叶轮和空间导叶等过流部件进行了水力设计,并采用有机玻璃加工制造了透明的叶轮和空间导叶;搭建了扬矿泵固液两相流可视化试验系统并对扬矿泵进行了能量性能试验,试验结果表明设计工况下扬程为20.20 m、效率为64.88%;1.4Q_d为最优工况点,效率为68.03%。3、采用离散相模型(DPM)对不同流量、不同浓度和不同粒径下扬矿泵内固液两相流进行了数值模拟,分析了固相体积分布与液相流动之间的关系,结果表明:(1)首级叶轮和导叶与次级叶轮和导叶内的流动具有较为相似的变化规律,但首级叶轮和导叶内固相分布均匀性要优于次级叶轮和导叶内的分布;(2)随着粒径的增加,叶轮内固相有偏向叶片吸力面侧的趋势,导叶进口固相体积分数逐渐上升,流动旋涡尺度逐渐减小;叶轮内固相分布均匀性得到改善;(3)随着流量的增加,叶轮固相体积分布均有偏向叶片吸力面的趋势,压力面出口的颗粒体积分数逐渐降低,流动旋涡尺度减小;(4)随着浓度的增加,叶轮进口处叶片压力面的固相分布逐渐降低,流动旋涡尺度逐渐增大。4、采用基于流体动力学的Oka模型对扬矿泵各过流部件的磨损特性进行了模拟,分析了泵内各部位的磨损分布规律以及磨损率,结果表明:(1)随着流量的增加,2级叶轮和导叶进口磨损面积逐渐增大而出口逐渐减小,前盖板平均磨损率逐渐减小,最大下降33.8%;2级叶轮叶片、后盖板和导叶的平均磨损率均呈增大的趋势,最大上升分别为39.8%、173.9%、61.49%;(2)随着浓度的增加,2级叶轮和导叶的磨损面积均逐渐增大,平均磨损率均呈增大的趋势,最大上升分别为96.1%、89.1%、114.1%和76.84%;(3)随着粒径的增加,2级叶轮的进口和出口磨损面积均逐渐增加,平均磨损率均呈增大的趋势,最大上升分别为182.8%、158.8%和86.34%;2级导叶进口磨损面积逐渐上升,出口磨损面积逐渐下降,平均磨损率均呈减小的趋势,最大下降82.11%。5、采用CFD-DEM耦合方法对不同物性参数下扬矿泵内颗粒运动特性进行了瞬态仿真计算,分析了泵内颗粒运动情况、颗粒速度分布以及颗粒碰撞特性,结果表明:(1)随着粒径的增大,叶轮进口处的碰撞概率逐渐上升,颗粒回流现象明显;叶轮流道内颗粒由压力面向吸力面逐渐偏移;(2)随着粒径的增加,颗粒在扬矿泵的运动速度整体呈降低的趋势;颗粒速度分布区间逐渐变宽;(3)随着粒径的增加,颗粒碰撞主要由颗粒与颗粒之间的碰撞逐渐转变为颗粒与壁面之间的碰撞。