高孔隙多金属硫化物海水围压下切削模拟

考虑海底多金属硫化物(SMS)高孔隙率、受围压等特点,首先采用蒙特卡罗法,结合APDL语言建立了具有一定孔隙率的SMS矿体几何模型,然后基于LS-DYNA仿真平台建立了高海水围压条件下单截齿切削破碎具有一定孔隙率SMS矿体的仿真模型,并进行了相应的数值模拟。研究结果表明:在高海水围压条件下,多金属硫化物的切削难度明显增强,高围压作用使切屑更难从矿体基岩剥离,截齿受到的三向阻力明显增大;随着多金属硫化物矿体的孔隙率增大,截齿破碎矿体受到的切削阻力会减小。     

海底多金属硫化物材料本构模型研究

为得到适用于数值模拟的海底多金属硫化物材料本构模型,针对海底多金属硫化物试样进行了不同围压下的单/三轴压缩实验,得到物理力学特性参数,对比分析常用描述岩石物理力学行为的本构模型及岩石微元强度准则,选择了合适的材料本构模型并确定了相应参数,并通过单个单元的仿真验证了模型的正确性,且仿真结果表明当海水围压超过20~25MPa区间内的某特定值时,多金属硫化物将会产生明显的脆-延转化。进一步基于该模型开展了高围压条件下双截齿切削海底多金属硫化物数值模拟的动力学特性研究,仿真结果表明随着围压增大,截齿受到的截割阻力及进给阻力显著增大,载荷波动性降低。     

海底大型多金属硫化物矿体内的流体过程

海底多金属硫化物矿体内热场和流场分布控制着多金属硫化物矿体的形成过程和成矿机制.在大洋钻探计划(ODP)和已有模拟实验研究的基础上,构建了一个具有三层结构的非均质海底多金属硫化物矿体模型,并利用地下热水系统体系模拟软件(Hydrothermal)模拟了不同渗透率情况下多金属硫化物矿体内部热场和流场的形态特征.模拟结果表...     

海底热液硫化物矿体内部流体混合过程的数值模拟:以大西洋TAG热液活动区为例

大型海底热液硫化物矿体的形成机制是涉及多种控制因素的复杂地质过程,其中热液流体同海水的混合扮演着重要角色。大洋钻探计划(ODP)资料表明在大西洋TAG区热液硫化物矿体内部,热液流体同经过改造的海水之间发生着广泛的混合作用,这个过程在很大程度上控制着海底热液硫化物矿体的内部结构和化学组成。以TAG热液硫化物矿体为例,利用数值模拟方法模拟了热液流体与经过不同程度改造的海水的混合过程,试图探讨海水与热液流体混合在热液硫化物矿体形成中的作用。模拟计算结果表明:(1)来自矿体深部的热液流体与经围岩加热的下渗海水的混合是造成TAG热液活动区硬石膏大量沉淀的重要原因;(2)在热液流体与海水的混合过程中,混合流体的化学性质和矿物沉淀情况在330~310℃上下发生了较大变化,330~310℃是一个特殊的温度区域;(3)利用数值计算结果探讨了TAG热液活动区不同区块(TAG-1,TAG-2和TAG-5等)的流体混合作用和热液活动过程。     

截渗墙作用下滨海地下水渗流与排泄特征

截渗墙的修建是防治滨海含水层中海水入侵的有效手段,然而它对地下水渗流和排泄的影响是被忽略的.本文通过建立场地尺度的数值模型,模拟了海水入侵的动力学过程,以地下水流速和流量为指标定量评价了截渗墙结构对地下水渗流和排泄的影响.研究结果表明,截渗墙条件下的地下水排泄量呈现先上升后下降的趋势,并在墙体下方形成高流速区域,但地下...     

基于大直径三轴试验的钙质砂相对破碎率公式修正

钙质砂因特殊的成因,具有不规则形状和复杂孔隙等特征,容易发生颗粒破碎。本文对南海某岛礁天然钙质砂进行等向压缩试验和大直径三轴排水试验,同时测量颗粒相对破碎率,结果表明：钙质砂强度随轴向应变逐渐增大,达到峰值后明显软化,且峰值偏应力随围压增大而增大;颗粒破碎随着剪切逐渐发生,且围压越大破碎程度越大。采用描述颗粒破碎的SIMSAND模型预测排水条件下的三轴剪切试验,通过试验与预测结果的对比,揭示了模型对钙质砂预测的局限性。本文改进了SIMSAND模型,提出了围压不超过1 MPa时的颗粒相对破碎率公式,优化后的公式能更合理地预测峰值应力对应的轴向应变和颗粒破碎程度的演化。     

海底多金属硫化物自然电位观测方式研究

利用海洋自然电位法可以探测海底多金属硫化物矿体的位置和轮廓。在调查过程中，可以进行水平观测和垂直观测，本文对这两种观测方式的探测效果进行数值模拟分析，结果表明垂直观测异常大，对矿体的横向分辨率高。但在进行垂直观测时，电极离底低，工作风险大。所以在实际调查过程中，需要根据需求选择合适的观测方式。另外，在实际测量过程中，电极对会偏离垂直方向和水平方向，将导致异常结果发生变化，因此在数据资料处理与解释过程中要注意。本文可以为海底多金属硫化物自然电位调查提供参考。     

风生海中气泡对海洋光学反射比的影响

风浪破碎是海中气泡的主要成因.先前的研究基于理论计算和数值模拟,揭示了海中气泡对光散射和海水反射比有不可忽略的影响.利用海洋光学和海面风速现场观测数据,结合Mie散射理论计算和海中光辐射传递数值模拟,研究风浪破碎产生的海中气泡对海水反射比的影响.现场观测和数值模拟结果表明,在光学性质稳定的I类海水中,不同风速下海洋光学反射比的不同主要源于海中气泡的贡献.     

海底热液多金属硫化物分布及控矿因素

基于最新公布的全球热液矿点数据讨论了海底热液多金属硫化物矿体形成的构造环境,探讨了深部岩浆活动、断裂构造以及沉积物盖层等控矿因素对洋中脊多金属硫化物矿体成矿的影响。研究结果表明:海底热液多金属硫化物矿点主要分布于离散型板块边界和汇聚型板块边界;深部岩浆活动和断裂构造是洋中脊热液多金属硫化物成矿最主要的控矿因素;快、慢扩张洋中脊环境深部岩浆活动和断裂构造的差异导致在海底形成了不同规模的多金属硫化物矿体。对认识海底热液多金属硫化物矿床分布与成矿规律、以及开展海底多金属硫化物资源勘查具有一定的指导意义。     

单齿破碎参数对水合物切削力影响规律研究

在海洋天然气水合物的机械采掘过程中,单齿破碎参数是影响整个绞吸头采掘效率的重要因素,掌握单齿破碎参数对切削力的影响规律对于整个水合物开采系统具有重要的意义。本文基于水合物破碎替代试样开展绞吸单齿切削实验,研究在不同几何参数与不同切削深度下单齿破碎切削载荷变化规律;基于D-P岩石破坏准则建立三维正交切削单齿切向力和法向力的解析式;并建立ABAQUS有限元分析模型,以实验数据进行验证,开展正交模拟实验,优选单齿几何参数与切削深度。结果表明:切削深度和刀齿宽度与切削载荷呈正相关,两者分别在15 mm和3 mm时,增大了对切削载荷的影响;前角与切削载荷呈负相关,且随自身的增大,对载荷的影响减小;仿真与实验结果拟合良好,前角对切削比能有着显著的影响,刀齿宽度和切削深度对切削比能基本无影响;最优组合为α=60°、d=9 mm、W=25 mm。该研究为水合物绞吸头单齿的设计和绞吸开采参数的制定提供了理论支撑。     

基于颗粒流理论的深海玄武岩破碎机理研究

针对深海玄武岩岩芯样品在高围压下难以破碎获得的问题,理论分析了金刚石与岩石的相互作用。采用单轴与三轴压缩实验,获得了模拟深海玄武岩的力学参数;基于颗粒流理论,建立了深海玄武岩线性平行黏结颗粒流数值模型,数值模拟高围压下金刚石颗粒破碎玄武岩的过程,获得了金刚石与玄武岩相互作用的动态力学响应规律,初步阐明金刚石破碎玄武岩机理。研究表明,玄武岩颗粒间黏接破坏主要为拉伸失效,玄武岩与金刚石接触力体现为周期应力,玄武岩产生间歇式裂隙扩散。理论分析与仿真结果基本吻合,表明建模与仿真的正确性,为深海便携式取芯钻机设计提供了理论基础与技术依据。     

旋转式压力交换器流体能量损失研究

为探究旋转式压力交换器运行过程中流体能量损失规律,以外驱式旋转压力交换器为研究对象,采用数值模拟方法对模型的湍流耗散率进行模拟研究。研究结果表明,转子在低压区转动时,海水侧流体能量损失先降低后升高,浓盐水侧逐渐降低;转入低压密封区,流体能量损失集中在海水侧,范围逐渐向浓盐水侧扩散;进入高压区后,海水侧流体能量损失逐渐下降,浓盐水侧逐渐升高;转子在高压密封区运行时,流体能量损失集中于浓盐水侧,能量损失范围向海水侧扩散。研究结果对旋转式压力交换器结构优化具有一定指导意义。     

Mechanical Behavior of Light-Weight Soil Under Consolidated Drained Shear Condition

To reveal the influence of material composition on mechanical properties of light-weight soil, stress-strain -volumetric strain characteristics and Poisson's ratio of mixed soil were researched by consolidated drained shear tests. The results show that light-weight soil is a kind of structural soil, so its mechanical properties are affected by mixed ratio and confining pressure, and mixed soil possesses structural yield stress. When confining pressure is less than the structural yield stress, strain softening occurs; when confining pressure is more than the structural yield stress, strain hardening is observed. There are two kinds of volume change behavior: shear contraction and shear dilatancy. Shear dilatancy usually leads to strain softening, but there isn't an assured causal relationship between them. Poisson's ratio of mixed soil is a variational state parameter with the change of stress state, it decreases with increased confining pressure, and it increases with increased stress level. When axial strain is near 5%, Poisson’ ratio is gradually close to a steady value. The main range of Poisson's ratio is 0.25～0.50 when confining pressure changes from 50 to 300 kPa. When unconfined compressive strength of mixed soil is less than 328 kPa, its stress-strain-volumetric strain characteristics can be predicted very well by Duncan-Chang model (E-B model). However, when the range of unconfined compressive strength is [328 kPa, 566 kPa], the model can't predict stress-strain characteristics accurately when confining pressure is under 200 kPa, and it also can't predict the strong shear dilatancy phenomenon of mixed soil under low confining pressure.     

Analysis on Buckling Performance of Submarine Pipelines During Deepwater Pipe-Laying Operation

Pipes inevitably encounter high ambient pressure and bending moment during the deepwater pipe-laying process,which can lead to elliptical buckling and even deterioration failure.For the safety of pipe-laying operation,available formalas for the pipe stability are established on the basis of the assumption of uniform deformation along the tube length and symmetrical buckling.This method can predict the nonlinear rcsponse of elliptical collapse of steel circular tubes for different ratios of diameter to thickness (D/t) under pure bending or combined bending and external pressure.In these formulas,the strain-displacement relationship is deduced from the nonlinear ring theory,and the Ramberg-Osgood constitutive model is applied to simulate the inelastic material behavior.Meanwhile,the principle of virtual work is adopted to derive the equilibrium equations.A set of equations is solved by the Newton-Raphson method,and the iterative scheme contains nested iteration for the constitutive relation.In order to check the effectiveness of this theoretical method,illustrative examples are presented in this paper.Besides,the numerical simulation is carried out by use of ANSYS.A comparison of the results shows that the theoretical method can provide reasonable prediction for engineering practice.     

Axial vibration analysis of the mud recovery line on deepwater riserless mud recovery drilling system

The series connection of multistage pumping module is the common concept of deepwater riserless mud recovery drilling system. In this system, the influence of the mass of pumping module on the vibration of mud recovery line cannot be ignored, and the lumped mass method has been utilized to discretize the mud recovery line. Based on the analysis of different boundary conditions, the paper establishes the axial forced vibration model of the mud recovery line considering the seawater damping, and the vibration model analysis provides the universal solution to the vibration model. An example of the two-stage pumping system has been used to analyze the dynamic response of mud recovery line under different excited frequencies. This paper has the important directive significance for the application of riserless mud recovery drilling technology in deepwater surface drilling.     

水下航行体垂直出筒时水锤压力分析与研究

对航行体离筒后海水倒灌后形成的水锤效应进行了研究。 通过数据分析,描述了发射筒内产生的水锤压力现象,分析了水锤压力产生的机理,采用 CFD 分析方法对海水涌入发射筒后的流场特性和载荷特性进行了数值模拟计算;建立了水锤压力峰值估算模型,计算了航行体离筒速度和离筒时筒内压力的变化对发射筒底部压力的影响,得到不同工况条件下水锤效应的变化规律。     

“深水地平线”事故深海溢油输移扩散的数值模拟

为深入认识深海溢油输运过程和提高深海溢油事故的应急响应能力,文章以2010年墨西哥湾“深水地平线”事故为例,采用深海溢油输移扩散模型,以三维流场和海面风场为主要环境动力,数值模拟溢油深海泄漏后的浮射扩散、水体中输移扩散以及在风场和流场共同作用下在海面上输移扩散的全过程,同时模拟实施海底消油剂喷注处理措施后溢油输移轨迹和扩散范围的变化。研究结果表明：数值模拟结果与相关报道的悬浮油带实际观测结果以及美国国家海洋与大气管理局的海水异常遥感监测结果总体相符,可为更加全面和精细的深海溢油输移扩散数值模拟研究奠定良好的基础。     

基于ABAQUS的深水连接器连接性能分析

为解决现有深水连接器连接性能研究中力学分析建模不准确,且缺乏抗弯抗扭能力分析的问题,基于ABAQUS有限元分析软件对深水连接器进行三维模型动态仿真分析,对连接器的受力、密封性能以及在实际工程需求中不同内压下的抗弯及抗扭性能进行深入研究。结果表明:在安装及生产两种工况下,深水连接器各部件除密封环外受力均满足其强度设计要求,密封环接触表面发生合理塑性变形,满足密封要求;随着内压的增加,深水连接器的抗弯能力逐渐下降,抗扭能力则呈现增加的趋势;极限弯矩分别在0 MPa与35 MPa内压下的判定依据为密封失效,在14 MPa与52 MPa内压下的判定依据为下毂座屈服,而极限扭矩在不同内压下的判定依据均为密封失效。     

基于LES的ROV导管推进器梢隙流动数值研究

导管推进器是一种普遍应用于无人遥控潜水器（ROV）等潜器中的特种推进器。在桨叶与导管之间的梢隙中存在非常复杂的流动，本研究基于大涡模拟（LES）对导管推进器的梢隙流动进行了数值模拟分析。通过对时间步长的收敛性研究，建立两套基于不同网格类型的计算模型。将计算结果与试验进行对比，比较两种不同类型网格模拟结果的差异发现，切割体网格能够更好地捕捉到泄涡的细节，并结合梢隙流场的原理分析泄涡发展的过程，梢隙涡的驱动力是吸力面与压力面之间的压差。此外，随着进速系数增大，梢隙周向的涡管轴向分布范围减小，主泄涡发生位置延后，泄出涡的长度和数量都有所减少。