深海扬矿泵内固液两相流动模型研究

为选用合理的固液两相流动模型用于深海扬矿泵内矿物浆体的计算。针对深海海底矿物具有颗粒粒级跨度大且粒径大的特点,本文分别选用粗颗粒-均质浆体计算模型和固液两相混合物浆体计算模型,开展扬矿泵数值模拟分析。研究发现,粗颗粒-均质浆体计算模型计算得到的内部流场与固液两相混合物浆体计算模型得到的内部流场是相似的,所以该模型可以用来分析扬矿泵的内部流场;该模型减少了颗粒追踪数量可以节约计算时间;将两种计算方法得到的扬矿泵外特性与试验结果进行比较,发现该模型计算得到的泵扬程与功率均更接近试验结果,说明该模型在扬矿泵性能计算是有优势的。     

扬矿管与升沉平台联接装置外框架的有限元分析

扬矿管与升沉平台的联接装置是深海采矿系统的重要组成部分。扬矿管上端悬挂在海面采矿船的升沉平台上,下端通过中间仓、软管连接到海底集矿机。由于采矿船的纵摇、横摇、拖航和集矿机行走运动的影响,以及波浪、海流的作用,扬矿管不会处于垂直位置,下端将产生较大偏移。为避免扬矿管上端承受很大的弯曲应力和变形而产生破损,使采矿系统能够安全地在大洋上进行采矿作业,必须设计出合理的联接装置,能够随扬矿管作纵、横摇运动。介绍了深海采矿系统扬矿管与升沉平台联接装置的设计方案;利用通用有限元分析软件ANSYS建立了深海采矿系统扬矿管与升沉平台联接装置外框架结构的有限元模型,并对其进行了应力、变形及模态的分析计算,得到了其在最恶劣工况下的应力、位移云图及其低阶模态的固有频率和振型。     

扬矿球铰接头的螺纹滑脱及脂密封性能分析

借鉴国内外深海采矿扬矿管接头,结合其作业环境设计了一种球铰接头,使扬矿系统不受弯矩和扭矩,相当于柔性管。采用能量损失法分析了螺纹脂密封性能,并用有限元法分析了螺纹的滑脱失效。分析结果表明,在中试系统矿浆流速下,深海采矿扬矿系统球铰接头部分螺纹机加工产生的自然通道螺纹脂有良好的密封性能。减小扬矿管系统承受的拉力,增大螺纹间的摩擦和螺纹间啮合齿数,可减小扬矿管接头滑脱的可能性,从而提高系统作业的可行性和安全性。     

扬矿球铰接头的螺纹滑脱及脂密封性能贩

借鉴国内外深海采矿扬矿管接头,结合其作业环境设计了一种球铰接头,使扬矿系统不受弯矩和扭矩,相当于柔性管.采用能量损失法分析了螺纹脂密封性能,并用有限元法分析了螺纹的滑脱失效.分析结果表明,在中试系统矿浆流速下,深海采矿扬矿系统球铰接头部分螺纹机加工产生的自然通道螺纹脂有良好的密封性能.减小扬矿管系统承受的拉力,增大螺纹间的摩擦和螺纹间啮合齿数,可减小扬矿管接头滑脱的可能性,从而提高系统作业的可行性和安全性.     

附加单个动力吸振器的扬矿子系统纵向振动仿真分析研究

针对深海采矿系统中扬矿管的纵向振动问题,采用了附加单个动力吸振器(简称DVA)的方法来抑制其纵向振幅和轴向应力。建立了附加DVA扬矿子系统的数学模型,并运用了Galerkin方法求解,应用了Matlab编制模拟分析程序,仿真计算了泵和中间舱分别附加DVA三种工况下的扬矿子系统纵向振幅和轴向应力,结果表明:在我国深海采矿区域最常见的海况,即海浪周期T为5 s时,附加DVA能有效地实现扬矿管的纵向振动抑制,尤其是中间舱附加DVA的纵向振幅减少幅度高达38%,轴向应力减少了26.2%,为深海多金属结核采矿作业提供一种新的安全措施和手段。     

在海水阻力作用下的深海采矿系统力学参数分析

根据深海采矿输送管道在采矿船牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对输送软管进行了计算分析。从计算结果的比较分析可知:在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;海流和海浪对管道上端的结点反力有较大的影响,对管道下端的结点反力和管道的形状影响较小;采矿船运动对管道产生很大的阻力,对管道两端的结点反力和管道形状影响都很大。     

深海采矿扬矿管非线性偏移特性研究

由于受海流及采矿船的拖航作用,深海采矿扬矿管会发生大偏移,这属于几何非线性问题。将扬矿管简化为非线性梁单元,利用T.L.描述方法建立了有限元模型,运用能量法推导了刚度矩阵,给出了液动力的计算方法及增量步内的Newton-Raphson迭代求解方法。分析了不同拖航速度、缓冲矿仓质量以及扬矿管与采矿船连接方式对扬矿管偏移的影响。计算结果表明,拖航速度和缓冲矿仓质量对扬矿管偏移有很大影响,而扬矿管与采矿船的连接方式对扬矿管的偏移几乎没有影响。为采矿系统的合理设计提供了理论分析方法和设计依据。     

新型深海采矿水力输送系统研究

针对扬矿硬管长度超过3000m容易拉断的问题,提出使用碳纤维复合材料制造扬矿管.利用有限元分析软件AN-SYS对其进行受力分析,结果表明,碳纤维复合管可用于深海采矿.对由碳纤维复合管、储料罐与水泵组合的水力输送设备和软管组成的新型水力输送系统,进行参数计算分析得出,水泵扬程为420～740m,功率为430～470kW.设计和制造满足上述要求的水泵,在技术上已经成功,证明该输送系统是可行的.     

深海采矿输送软管几何非线性静力分析

根据矿石输送软管的挠度变化很大的特点,采用了几何非线性有限元理论对输送系统进行力学分析;根据输送管道在采矿船和采矿车的牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力,以友浮力作用的情况,采用有限元分别对三种参数值的输送系统进行了计算分析。从计算结果的比较分析可知：简单输送系统不能满足深海采矿要求;在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;输送管道的密度对采矿系统的性能影响很大,应尽可能地采用密度小的输送管道。     

固体物料管道水力输送的阻力特性

针对管道水力输送的特点,设计建造了固液两相流管道输送试验台,在此基础上进行了管道阻力特性的试验研究,对管道特性、固体物料特性、浆体特性和输送方式等影响管道水头损失的因素进行了深入的探讨,为实际管道输送的工程设计提供了依据。