天然气水合物由于储量大、污染低等优点，已成为我国非常重要的战略能源，世界各国也加快了天然气水合物的勘探和开发工作。天然气水合物的试验性开采表明降压、注热等方法难以满足商业化开采的需求，经济高效的开采方案已成为天然气水合物资源开发利用的瓶颈问题。天然气水合物机械-热联合开采法是一种新的概念模式，具有开采可控、高效且能有效降低地层安全性风险的优点，而垂直管道中含水合物相变的多相流输运过程是机械-热联合开采方法中的关键环节之一，有必要对其进行深入的研究。

       本文的研究工作主要是针对机械-热联合开采法，重点研究含天然气水合物的沉积物颗粒和水的混合物在垂直管道中的流动问题。研究手段以数值模拟为主，同时结合物理实验和理论分析。首先提出了一个考虑多相流动对分解速率影响的沉积物中水合物的分解模型；考察了垂直管道中流动从初始固液两相流到气液固三相流的转变，得到了流动过程中浓度、速度、温度和分解速率的分布规律；发现了管道内存在水合物分解的平衡高度，并给出了定量表达式；在上述分析的基础上提出了含水合物分解时流型变化的判定依据和管道输送最优工况的设计原则。本文得到的主要结论如下：

 (1)  提出了含水合物沉积物颗粒在水流条件下的分解模型

        首先基于水合物的分解速率与剩余水合物的量成正比的假设，提出了水合物分解速率模型，其中考虑了变化的温度、压力和颗粒浓度对分解速率的影响；然后研制了一套相应的水合物沉积物合成与分解实验装置，制备球形的含水合物沉积物颗粒（包括水合物、水和土）；再者观测土球在水中对流传热条件下的分解过程并记录土球完全分解完毕所需要的时间；最后基于观测数据得到了水合物分解的本征速率模型。

(2) 气液固三相流动与水合物分解的相互作用研究

        利用FLUENT软件，采用其中的欧拉多相流模型来模拟气液固三相流动，考虑相间作用以及传热效应，并考虑颗粒间的碰撞；采用（1）中提出的水合物的分解模型来模拟其分解，实现了管道中流动从固液两相流到含相变的气液固三相流的全过程分析；固体颗粒由水合物、水和砂土组成，分析了水合物分解导致的固体颗粒内部组分的变化规律。研究表明，多相流动所造成的管道中速度场和浓度场的变化会对水合物的分解产生明显的影响，反之亦然。通过本文的研究对两者之间的相互作用机理有了较清晰的认识。

 (3) 提出了连续进料条件下天然气水合物管道输送最优工况设计原则

       首先通过量纲分析的方法给出了控制整个问题的无量纲参数，然后定量分析了管内水合物颗粒的分解平衡高度及总产气量变化，探索了管道内多相流动的流型变化及相应的流动稳定性条件。从分解平衡高度、产气量和流型变化三个角度综合考虑，提出了最优工况中各个参数的设计依据。