深海采礦1000米海試系統(tǒng)主要部件布放中的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究.pdf_第1頁(yè)
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1、深海采礦系統(tǒng)的布放是深海采礦作業(yè)順利進(jìn)行的基礎(chǔ),按照系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,布放過(guò)程可分為兩個(gè)部分,第一部分為集礦機(jī)從采礦船上吊起到集礦機(jī)入水,在集礦機(jī)入水時(shí)將出現(xiàn)復(fù)雜的氣-固-液三相耦合過(guò)程,集礦機(jī)底部將承受瞬間出現(xiàn)的巨大砰擊載荷,這將會(huì)影響到布放機(jī)構(gòu)的工作,在極端的海況下甚至導(dǎo)致布放的失敗;第二部分是從集礦機(jī)完全浸沒(méi)在海水中開(kāi)始到集礦機(jī)到達(dá)海底,在這個(gè)布放過(guò)程中,受到波浪等海洋環(huán)境以及船舶的隨波運(yùn)動(dòng)的影響,布放中的系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài),浸沒(méi)

2、在水下的設(shè)備總質(zhì)量將越來(lái)越大,巨大的質(zhì)量在水中隨著采礦船運(yùn)動(dòng),可能導(dǎo)致采礦系統(tǒng)與采礦船連接部分承受很大的載荷。因此,深海采礦系統(tǒng)的布放和水動(dòng)力問(wèn)題研究是我國(guó)深海采礦研究領(lǐng)域中非常重要但又涉及較少的內(nèi)容,本文以中國(guó)深海采礦1000米海試系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)采礦系統(tǒng)在布放中的關(guān)鍵階段的動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力特性進(jìn)行了探索性研究。
   本文的主要研究成果分為以下幾個(gè)部分:
   1、在RANSE(Reynolds-

3、Averaged Navier-Stokes Equations)基礎(chǔ)上,采用Fluent軟件構(gòu)建了二維數(shù)值波浪水槽。在數(shù)值水槽的左端采用搖臂法進(jìn)行造波,而在水槽的右端則設(shè)置一段消波區(qū)域采用多孔介質(zhì)法用來(lái)消散波浪,減少波浪的反射。在數(shù)值方法上,選擇有限體積法,并用VOF(Volume of fluid)法追蹤二維自由液面的波動(dòng)。通過(guò)適當(dāng)選擇多孔介質(zhì)特征參數(shù),可以造出理想的規(guī)則線性波,二階Stokes波以及基于海浪譜的隨機(jī)波。著重對(duì)多孔介

4、質(zhì)特征參數(shù)的選擇進(jìn)行了研究,得到不同波高下多孔介質(zhì)參數(shù)選擇的方法。通過(guò)選擇合適的仿真參數(shù)得到的波浪仿真結(jié)果與1000m海試布放回收作業(yè)海洋環(huán)境下的波浪十分吻合,為集礦機(jī)模型在波浪影響下入水的研究奠定基礎(chǔ)。
   2、對(duì)集礦機(jī)在垂直方向的靜水砰擊進(jìn)行了仿真研究。按照入水速度性質(zhì)的不同,靜水砰擊分為勻速入水和自由落體入水兩種情況??紤]到集礦機(jī)的主要外部特征,將其簡(jiǎn)化為平底物體,得到了在不同入水速度下,集礦機(jī)勻速入水最大砰擊壓力、砰擊

5、壓力分布及砰擊持續(xù)時(shí)間,分析了入水速度對(duì)最大砰擊壓力和砰擊持續(xù)時(shí)間的影響;對(duì)集礦機(jī)的自由落體情況進(jìn)行了研究,得到了最大砰擊壓力、砰擊壓力分布、砰擊持續(xù)時(shí)間、砰擊時(shí)最大加速度、最大速度等,分析了兩個(gè)主要的特征參數(shù)--高度比率與質(zhì)量比率的變化趨勢(shì),并與勻速入水的情況進(jìn)行了比較。靜水砰擊研究結(jié)果可以與集礦機(jī)在波浪影響下的入水砰擊進(jìn)行比較。
   3、在構(gòu)建完成數(shù)值波浪水槽和集礦機(jī)入靜水研究的基礎(chǔ)上,對(duì)集礦機(jī)在波浪影響下入水進(jìn)行了研究。

6、首先對(duì)集礦機(jī)靜止懸掛在海面上的工況進(jìn)行了仿真,其結(jié)果表明,其底部砰擊力主要由波面水粒子的瞬時(shí)加速度決定;其次,根據(jù)在集礦機(jī)模型入靜水研究所總結(jié)的理論,分析了集礦機(jī)入水時(shí),底部砰擊壓力可能出現(xiàn)最大值的時(shí)間點(diǎn)和位置。在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真,得到不同海況和不同位置入水時(shí),集礦機(jī)底部的最大砰擊壓力時(shí)間歷程、壓力分布情況以及砰擊持續(xù)時(shí)間等要素,其結(jié)果與集礦機(jī)模型入靜水研究進(jìn)行了比較,得到了波浪的影響,并分析了影響產(chǎn)生的原因;觀察到了集礦機(jī)在

7、波浪影響下的入水與楔形體垂直入水的相似性。
   4、對(duì)深海采礦系統(tǒng)各主要部件水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。采用數(shù)值方法計(jì)算了各主要部件的附加質(zhì)量系數(shù):第一種方法是根據(jù)勢(shì)流理論,在面元法的基礎(chǔ)上使用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算程序的算法;另一種方法是在用牛頓第二定律分析集礦機(jī)模型在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上,利用Fluent軟件得到仿真結(jié)果后再進(jìn)行處理。兩種方法所得的結(jié)果可以相互驗(yàn)證。
   5、對(duì)深海采礦系統(tǒng)布放進(jìn)行了研究。這里主要指集

8、礦機(jī)從完全浸沒(méi)在海水中開(kāi)始到集礦機(jī)到達(dá)海底之前的布放,管道系統(tǒng)可視為垂直懸掛于安裝在采礦船上的布放裝置上,在集礦機(jī)的牽引下逐漸放入海水中。分析了不同海況和不同布放速度對(duì)布放作業(yè)各個(gè)過(guò)程的影響,還針對(duì)考慮集礦機(jī)附加質(zhì)量和不考慮附加質(zhì)量?jī)煞N情況,對(duì)作用在集礦機(jī)上的拉力變化進(jìn)行了討論。
   6、在六自由度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和水池中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)物垂直入靜水實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)?zāi)P?,測(cè)試了模型以不同速度勻速入水時(shí)模型底部所受的砰擊壓力。通過(guò)比

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