目前,传统化石能源已经被大量开采,造成能源紧缺,因此人们开始不断寻找新型能源。海底浅表层中天然气水合物储藏量十分巨大,被认为是未来可以代替传统化石能源的新型清洁能源。在海底浅表层非成岩天然气水合物固态流化开采的技术中,为了减少水合物从海底输送到海上工作平台过程中能量消耗,需要对采掘破碎后的水合物浆体中的泥沙进行海底预分离。由于水合物浆体主要是由水合物颗粒、泥沙颗粒和液相海水组成,属于固-固-液多相分离问题。因为需要在海底进行预分离,结合水力旋流器自身结构的优点,确定采用水力旋流器分离水合物浆体。研究水力旋流器分离水合物浆体的效率时,其中水合物颗粒的运动轨迹是一个关键科学问题。为此,本文采用DEM-CFD耦合仿真的方法,对水力旋流器水合物浆体中的颗粒运动开展了以下研究工作:(1)通过查阅国内外文献资料,了解了水力旋流器的研究现状,特别是水力旋流器内颗粒运动规律方面的研究成果。(2)DEM-CFD耦合程序的开发。根据多相流体力学和离散元素法的基本理论,研究颗粒在流体中的受力情况,基于EDEM软件和FLUENT软件平台,建立DEM-CFD耦合仿真程序,并进行了可靠性验证。(3)水力旋流器内水合物浆体流动规律与固相颗粒群的运动研究。利用验证过的DEM-CFD耦合仿真程序进行分析计算,研究水力旋流器中水合物浆体的多相流动规律。首先,对水力旋流器内主流相海水的流场进行分析,得到了主流相海水的运动规律。然后研究了水合物颗粒群和泥沙颗粒群在水力旋流器中的运动规律。由于水合物颗粒密度较小,水合物颗粒的运动特点是随着海水螺旋向下运动,进入内旋流后改变运动方向,最终进入溢流管并被排出;泥沙颗粒的密度较大,泥沙颗粒的运动特点是一直随海水在外旋流中螺旋式的向下运动,最终进入底流口并被排出。(4)不同入口区域水合物单颗粒运动特征的研究。利用验证过的DEM-CFD耦合仿真程序进行分析计算,研究不同入口区域水合物单颗粒在水力旋流场中的运动特征。根据仿真结果,提取入口区域五个具有代表性的位置上水合物颗粒的位置、速度和受力数据,分析水合物颗粒的分离运动轨迹、水合物颗粒的运动速度和受力情况。(5)入口区域及粒径对水合物颗粒运动规律的影响研究。为了深入细致的研究从入口不同区域进入的水合物颗粒对其运动轨迹的影响,将入口区域离散化,划分为更小的区域,研究了不同入口区域的水合物颗粒在水力旋流场中的运动规律。水合物颗粒生成的位置越靠近入口上侧和内侧,颗粒越容易从溢流口排出,即形成分离高效区;颗粒生成的位置越靠近入口下侧和外侧,颗粒越容易从底流口排出,即形成分离低效区。水合物颗粒粒径不同时,其运动规律会发生一些新的变化。随着水合物颗粒粒径的减小,入口区域分离高效区的上部逐渐向入口内侧减小,分离高效区的下部逐渐向入口上侧减小;分离低效区的上部逐渐向入口内侧扩大,分离低效区的下部逐渐向入口上侧扩大。通过上述研究,掌握了水合物浆体在水力旋流器中流动规律,通过理论分析和数值模拟,得到水合物颗粒和泥沙颗粒在水力旋流器中的运动轨迹规律。发现了水合物颗粒在入口区域存在高效分离区和低效分离区。这些成果对设计高效率分离水合物浆体的水力旋流器具有直接的参考价值,同时对设计其它高效分离的水力旋流器,提供了一种新的分析手段和方法。