随着陆地资源的减少以及国家深海战略的持续推进，深海固态矿产资源开发成为满足人类经济和社会发展需求的重要途径。经过几十年的不断探索，深海采矿技术及设备得到了长足发展，衍生出众多的开采和输送方式。其中，公认的最具商业化开采前景的方式为采矿车-提升管道式的采矿系统。然而，在复杂的深海环境中，长达几千米的提升立管受到海浪和洋流的影响会产生运动响应。并且，提升立管内矿石颗粒直径大、密度高，对管内流体的跟随性较差，因此运动立管中的矿石颗粒易与管壁发生碰撞，这会导致矿石颗粒的运动行为更加复杂，进而影响矿石提升效率，甚至加剧立管内固液两相流的堵塞风险。因此，对运动立管内矿石和海水形成的粗重颗粒固液两相流运动开展深入的研究，可以为深海采矿系统的安全设计和矿石输送效率的提升提供科学的依据，具有重要的科学意义和工程应用价值。

以往国内外学者多聚焦于研究静止立管中单颗粒或颗粒群的沉降和上升运动，且主要关注细颗粒或低密度颗粒的运动。本文则主要关注横向运动立管中粗重矿石颗粒的沉降和上升运动。该问题与以往研究较多的情形相比，立管内的矿石颗粒的直径和密度都很大，因而伽利略数高。另外，立管的横向振动和较高的管内上升流速度导致矿石颗粒所处流场条件复杂。因此，矿石颗粒的运动行为更加复杂。本文通过分析立管振动幅度和频率、颗粒与立管直径比、颗粒与流体密度比、立管内上升流速度以及颗粒-管壁碰撞等对球形颗粒运动的影响规律，为深海采矿系统关键参数的设计提供科学依据。本文主要的创新性研究如下。

首先，鉴于目前并未有成熟的软件或数值方法完全适用于横向运动立管中粗重颗粒固液两相流问题的研究，本文发展了两种数值计算方法。一方面，本文所研究的问题中，立管存在横向运动，管内颗粒直径大，且在立管中做长时间、长距离的运移，颗粒横向运动范围也较大。针对研究对象的这些新特征，本文在开源软件OpenFOAM中进行算法和模型植入，开发了适用于本文研究问题的数值模拟方法。该数值模拟方法借鉴欧拉-拉格朗日方法，通过N-S方程和刚体六自由度运动方程，分别计算立管内流场和颗粒运动，结合移动计算域和重叠网格技术，实现粗重颗粒在立管中长时间、长距离和大范围运动的模拟，并采用硬球碰撞模型计算颗粒-管壁碰撞。另一方面，鉴于上述数值模拟方法计算效率较低，本文基于任意流场中的颗粒运动方程和软球碰撞模型，另行发展了一种高效数值计算方法。通过与无界振荡流场中颗粒运动的数值计算结果、硅油中钢球沉降及其与管壁碰撞的实验结果、以及球形颗粒在立管中沉降的数值模拟结果进行对比，验证了本文发展的两种数值方法的正确性。

其次，基于上述开发的数值模拟方法，对横向振动立管中球形单颗粒的沉降运动进行了研究。讨论了立管振动幅度和频率，以及颗粒-管壁碰撞对横向振动立管中球形单颗粒的运动轨迹、横向速度和沉降速度的影响，并通过分析颗粒周围的流速和压强分布，给出了颗粒与流体相互作用的新机制。

然后，采用上述开发的高效数值计算方法，先后研究了横向振动立管上升Poiseuille流和指数速度分布流中的单颗粒运动。通过分析立管振动幅度和频率、颗粒与立管直径比、颗粒与流体密度比以及颗粒-管壁碰撞等对上述两种速度剖面流动中颗粒运动的影响，总结了颗粒横向速度与立管振动速度的相位差、两者相对速度的幅值、颗粒垂向速度的平均值和波动幅值以及颗粒-管壁碰撞时刻所在的相位等随上述参数的变化规律。得到了横向振动立管内颗粒运动的5种轨迹类型，并给出了不同直径比下，颗粒-管壁“完全碰撞”（每个立管振动周期内，颗粒-管壁碰撞两次）时，立管振动幅度和频率所满足的临界条件。

最后，自主设计并搭建了横向振动立管水力提升矿石颗粒的实验装置，并开展了横向振动立管中粗重颗粒运动的实验研究。基于上述数值计算结果，设计了立管振动幅度和频率、颗粒直径以及立管内上升流速度等实验工况条件。通过实验，分析了立管振动幅度和频率、颗粒与立管直径比对颗粒沉降运动的影响，以及上升流中颗粒横向和垂向速度随立管内上升流速度的变化。同时，将实验结果与数值计算结果进行对比，进一步验证了本文所发展的数值计算方法的鲁棒性，以及数值结果的合理性。