固态流化法是针对海底非成岩天然气水合物藏开发出的一种绿色开采方法,通过海底开采、封闭流化、气液固多相举升等系统将水合物安全可控地输送到陆地上。但是在多相举升过程中,涉及到水合物与泥沙流化及管输能力提高等诸多技术问题。本文基于强制管道螺旋流动,以海水、水合物颗粒及泥沙为研究对象,对以导流条全程起旋的水平管、垂直管及倾斜管内水合物泥沙混合浆液进行数值模拟研究,探讨螺旋流的携固能力,拓展多相流动安全边界,并与普通光管进行对比分析。综述了国内外水合物开采、水合物浆液流动和管道螺旋流流动的研究现状,分析了存在的问题。在导流条结构方面,提出表征液固固螺旋流起旋效果的旋流效能参数,并以此优化出了适合水合物泥沙混合浆液的导流条最佳安放角40°,最佳高度D/8。对于水平起旋管,研究了水合物体积分数、雷诺数对水合物泥沙混合浆液平均密度、速度、固相体积分数分布和压力的影响。研究结果表明,管截面浆液平均密度随水合物体积分数的增大而减小,雷诺数对海水轴向流速的影响要比切向流速大。当离心力占据主导地位时,水合物颗粒主要分布在管道轴心处,而泥沙颗粒主要分布在导流条的迎风面处。而在普通光管中水合物颗粒主要分布在管道顶部,而泥沙颗粒主要分布在管道底部。起旋管内压力呈旋转对称分布,导流条迎风面压力始终大于背风面,当Re=30000时,水平起旋管的水合物堵塞临界体积分数为57%,水平光管的水合物堵塞临界体积分数为31%,起旋管对水合物颗粒的输送能力提高了84%,同等条件下,全程起旋管压降超过普通光管约14%。对于垂直起旋管,研究了水合物体积分数、雷诺数、水合物粒径及泥沙粒径对水合物泥沙混合浆液湍流动能、湍流耗散、固相体积分数和压力的影响。研究结果表明,随着水合物体积分数的增大,湍流动能和湍流耗散减小,而随着雷诺数的增大,湍流动能和湍流耗散增大,出口截面水合物和泥沙浓度变化梯度大于水平起旋管,水合物轴心水合物颗粒体积分数随着水合物体积分数、雷诺数和水合物颗粒粒径的增大而增大,而管壁及导流条附近的泥沙颗粒体积分数随着雷诺数和泥沙颗粒粒径的增大而增大。垂直光管中泥沙颗粒主要分布在贴管壁处;水合物颗粒主要分布在泥沙里侧,且形成高浓度环。垂直起旋管的压力变化与水平起旋管类似,当Re=30000时,垂直起旋管的水合物堵塞临界体积分数为47%,而垂直光管的水合物堵塞临界体积分数为22%,水合物颗粒的输送能力提高了114%,同等条件下,全程起旋管压降超过普通光管约15%。对于倾斜起旋管,引入群体平衡模型,研究了水合物体积分数、雷诺数对液相涡流黏度、壁面剪切力和水合物粒径分布的影响,并研究不同倾角下固相颗粒的分布情况及压力的变化规律。研究结果表明,液相涡流黏度和壁面剪切力随着水合物体积分数的增大而减小,而随着雷诺数的增大而增大,大粒径水合物主要分布在轴心处,粒径越小,离轴心越远,水合物粒径随着水合物体积分数和雷诺数的增大均增大。随着倾角的增大,起旋管的压力梯度增大,起旋管道截面水合物平均体积分数增大,泥沙平均体积分数减小,普通光管出口截面的固相颗粒分布越来越均匀。当Re=30000时,倾角为30°、45°和60°全程起旋管的水合物堵塞临界体积分数分别为54%、53%和51%,所对应的光管水合物堵塞临界体积分数分别为25%、23%和21%,水合物输送能力分别提高了116%、130%和143%,同等条件下,全程起旋管压降超过普通光管约14.9%。本文研究结果对螺旋流提高水合物输送能力和导流条全程起旋的工程应用具有指导意义。