深海采矿系统不同构形扬矿软管的流固耦合动力学分析.docx

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1、深海采矿系统不同构形扬矿软管的流固耦合动力学分析由于深海多金属结核矿区的海洋环境复杂多变,深海采矿系统作业时受到海浪、洋流和腐蚀等恶劣条件的影响。深海集矿系统的安全性和稳定性是工程设计和应用的核心。经过多年研究和实践,我国目前已确定采用水力集矿的技术方案进行深海资源矿产的开采。该深海采矿系统主要由水面平台、水下输送系统和履带式集矿机三部分组成,而水下输送系统由扬矿软管、硬管、中继仓及扬矿泵等组成。扬矿软管连接集矿机和中继舱,承担将集矿头采集的矿浆输送到中继舱的任务。本文针对深海采矿系统不同构形的扬矿软管进行流固耦合研究,为输送系统

2、的安全性和稳定性设计提供数据支持。集矿机在海底进行采矿作业时,其作业范围是由扬矿软管的长度决定的;同时,扬矿软管的空间构形决定着软管对集矿机拖曳力的大小和矿浆输送的安全性,良好的空间构形设计有利于确保集矿机的稳定作业和矿物的安全输送。本文以1000米海深处长达100米的扬矿软管为研究对象,以集矿机在作业范围中间点处形成的软管构形为参考构形,基于有限元理论,建立两端为固定约束的软管在稳定外流(洋流)和叶轮驱动的内流共同作用下的流固耦合动力学模型,研究单拱和双拱两种不同构形软管在不同内流和外流共同作用下的动力响应。主要研究结果如下:软

3、管在给定的单拱和双拱构形下,计算得到双拱构形软管湿模态的前六阶频率小于单拱构形软管;随着内流密度的增加,两种构形软管固有频率缓慢降低;软管弹性模量和软管直径增加,软管的固有频率明显提高;内流浓度的改变对软管固有频率影响较小,可忽略不计;内流密度、内流粘度、软管直径及弹性模量改变时,单拱和双拱两种不同构形软管的振型不发生转变。在给定外流下随着内流速度增加,单拱构形的平面内位移和应力呈线性缓慢增加,而双拱构形的位移和应力呈指数增加;两种构形软管在平面内的位移和软管应力在内外流共同作用下呈现周期性变化;随着内流速度增加,软管平面内位移和

4、应力的波动周期减小而幅值增大。单拱构形内流临界速度约为10m/s,而双拱构形内流临界速度约为8m/s;当内流速度相同或接近时,单拱结构安全性优于双拱。