深海采礦1000米海試系統(tǒng)主要部件布放中的水動力學(xué)問題研究.pdf

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)的動力學(xué)特性，布放過程可分為兩個部分，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)入水時將出現(xiàn)復(fù)雜的氣-固-液三相耦合過程，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?。坏诙糠质菑募V機(jī)完全浸沒在海水中開始到集礦機(jī)到達(dá)海底，在這個布放過程中，受到波浪等海洋環(huán)境以及船舶的隨波運(yùn)動的影響，布放中的系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，浸沒

2、在水下的設(shè)備總質(zhì)量將越來越大，巨大的質(zhì)量在水中隨著采礦船運(yùn)動，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)的布放和水動力問題研究是我國深海采礦研究領(lǐng)域中非常重要但又涉及較少的內(nèi)容，本文以中國深海采礦1000米海試系統(tǒng)為研究對象，采用計算流體力學(xué)方法對采礦系統(tǒng)在布放中的關(guān)鍵階段的動力學(xué)和水動力特性進(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。通過適當(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)時間，分析了入水速度對最大砰擊壓力和砰擊持續(xù)時間的影響；對集礦機(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)時間、砰擊時最大加速度、最大速度等，分析了兩個主要的特征參數(shù)--高度比率與質(zhì)量比率的變化趨勢，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，對集礦機(jī)在波浪影響下入水進(jìn)行了研究。

6、首先對集礦機(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，底部砰擊壓力可能出現(xiàn)最大值的時間點(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，集礦機(jī)底部的最大砰擊壓力時間歷程、壓力分布情況以及砰擊持續(xù)時間等要素，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、對深海采礦系統(tǒng)各主要部件水動力特性進(jìn)行了研究。采用數(shù)值方法計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)勢流理論，在面元法的基礎(chǔ)上使用FORTRAN語言編寫計算程序的算法；另一種方法是在用牛頓第二定律分析集礦機(jī)模型在流場中運(yùn)動的基礎(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)果可以相互驗證。
　　 5、對深海采礦系統(tǒng)布放進(jìn)行了研究。這里主要指集

8、礦機(jī)從完全浸沒在海水中開始到集礦機(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布放作業(yè)各個過程的影響，還針對考慮集礦機(jī)附加質(zhì)量和不考慮附加質(zhì)量兩種情況，對作用在集礦機(jī)上的拉力變化進(jìn)行了討論。
　　 6、在六自由度實驗平臺和水池中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)物垂直入靜水實驗。設(shè)計了試驗裝置和試驗?zāi)Ｐ?，測試了模型以不同速度勻速入水時模型底部所受的砰擊壓力。通過比